农田排水间歇滴灌对土壤水盐分布的影响

朱 珠，孔芊芊，王学成，朱连勇

（1.塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.塔里木大学现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300）

南疆水资源匮乏且盐碱土分布广泛，发展节水灌溉及盐碱地改良技术是南疆地区农业发展的根本[1]。探索可利用水资源并科学合理利用是缓解农业用水压力的重要途径之一。近年来，农田排水资源化利用成为专家学者挖掘水资源利用潜力的关注点之一，据相关文献记载，仅阿拉尔灌区每年排入塔里木河的排水水量达7.07亿m3[2,3]。因此，在南疆地区利用农田排水灌溉具有重要意义。然而，农田排水灌溉存在优劣两面性，在提供作物所需要的水分同时，也将盐分带入土壤。一般认为，安全合理利用农田排水灌溉的关键在于调控湿润体内土壤水分和盐分分布，为作物提供根系生长的适宜环境[4,5]。国内外研究学者认为间歇灌溉是一种可以调控土壤水盐、节约农业用水和改良土壤盐碱化的有效灌溉方式[6-11]。刘小媛[12]等通过室内一维土柱试验，研究土壤水盐在咸淡水间歇组合灌溉条件下的运移规律，认为间歇组合灌溉能够显著提高每层土壤的含水率，且土壤含水率分布更均匀，同时间歇组合灌溉脱盐效果更好。彭振阳[13]等采用HYDRUS-1D两区模型模拟比较分析了一次性灌溉和间歇灌溉对盐分淋洗效率的影响，研究结果表明，当用于研究的土层位于临界深度以上，间歇灌溉比一次性连续灌溉的淋洗效率更高。邵俊昌[14]针对四种间歇供水开展室内一维土柱试验，分析认为间歇供水3—1/2灌水条件下洗盐效果好。诸多研究结果凸显出间歇灌溉对土壤盐分淋洗效率的重要性作用，但目前还缺乏利用农田排水结合间歇灌溉灌水方式调控盐碱土壤水盐分布和盐分淋洗相关研究，农田排水灌溉结合间歇灌溉对土壤水盐分布的影响机理还不明确。本文以南疆阿拉尔灌区盐碱土为研究对象，以本地丰富的农田排水为灌溉水源，分析农田排水在间歇灌溉条件下土壤水盐分布规律。通过室内二维土柱试验，研究不同农田排水矿化度和滴灌间歇时间组合处理对盐碱土湿润锋运移深度、土壤含水率、含盐量和土壤脱盐区脱盐率的影响。以期为南疆盐碱耕地合理高效利用农田排水灌溉提供参考。

1 材料与方法

室内土柱试验于2021年4-6月在塔里木大学节水灌溉试验基地内实验室开展。

1.1 试验材料与装置

试验土柱为10 mm厚亚克力板正三棱柱，边长为70 cm，高为70 cm，装土深度为60 cm，供水装置为保定齐力恒流泵有限公司生产的BT100-02恒流泵，设置滴头流量为2.1 L/h，利用感量精度为0.01 g的电子称对滴头流量为2.1 L/h对应的转速进行率定，保证滴头流量稳定。试验装置如图1所示，由容量为15 L水桶供水,恒流泵水管一端深入水桶中抽水，一端插入注射针头固定在土柱顶端作为滴头，为防止滴灌对土壤冲刷，在滴头下方放置滤纸。供试土壤采自节水灌溉基地0~20 cm春季返盐土壤，其中，0~10 cm土壤中黏粒（＜0.002 mm）占比2.16%，粉粒（0.002~0.02 mm）占比25.95%，砂粒（0.02~2 mm）占比71.89%；10~20 cm土壤中黏粒（＜0.002 mm）占比3.34%，粉粒（0.002~0.02 mm）占比38.01%，砂粒（0.02~2 mm）占比58.65%。按照国际土壤质地分级标准为砂质壤土，土壤容重为1.35 g/cm3，将土风干后，过2 mm筛，控制土壤初始质量含水量为2.5%，按照填土重量配比土壤初始含水量，根据装土体积与土壤容重乘积计算共装土壤质量为171 862.74 g，备好土样，均匀拌入4 296.59 g自来水，用塑料薄膜覆盖放置24 h后，测定土壤初始电导率为2 150 μS/cm，过2 mm筛，按5 cm分层装入土柱，层间打毛，装至60 cm高度。

图1 试验装置图及取土示意图

1.2 试验设计

以农田排水矿化度和间歇滴灌时间为试验因素，探讨不同矿化度农田排水在不同间歇时间滴灌对土壤水盐空间分布的影响。农田排水取自阿拉尔灌区塔南总排，由残渣法测定农田排水矿化度为8.2 g/L。试验用水由取回的排水与自来水配比。郑春莲[15]等认为咸水沟灌棉花的灌溉水矿化度阈值为4 g/L，本研究配置2 g/L与4 g/L的灌溉水待用。灌溉方式为点源滴灌，滴头流量为2.1 L/h，滴灌灌水总时间为6 h，滴灌间歇时间为0 h、灌水2 h间歇0.5 h以及灌水2 h间歇1 h，共设6个处理，每个处理3个重复（见表1）。

表1 试验处理

在滴头下方10、20、30、40及50 cm位置埋设HOBO水分传感器。灌水持续时间内，读取各处理水平方向和垂直方向湿润锋运移距离刻度，并由水分传感器水分突变时间与位置标定湿润峰运移距离。无间歇处理T1与T4的测定时间为5、10、15、20、25、30、35、40、45、55、60、70、80、90、100、110、120、140、160、180、210、240、270、300、330、360 min；灌水2 h间歇0.5 h处理T2与T5的测定时间再增加390 min和420 min；灌水2 h间歇1 h处理T3与T6的测定时间再增加450 min和480 min。不考虑蒸发作用，灌水结束后在土柱上覆盖塑料薄膜，重分布24 h用自制PVC取土钻取土，在湿润体范围内以5 cm分层剖开取土，取样时以滴头处为坐标原点，水平方向为X轴，深度垂直方向为Z轴，在滴头位置处、距离滴头水平方向20 cm、距离滴头水平方向40 cm及水平方向湿润锋位置处，每5 cm深度取土，见图1。

烘干法测定土壤质量含水量[16]，DDSJ-308A电导率仪测定土水比1∶5的土壤溶液电导率。采用残渣烘干法[16]测定土壤水溶性盐总量，同时测定土壤溶液电导率，得出土壤水溶性盐含量与土水比1∶5的土壤溶液电导率EC1:5换算关系。土壤水溶性盐含量（g/kg）=0.003 15EC1∶5（μS/cm）+0.377 13。供试土壤初始水溶性含量为7.15 g/kg，属重度盐化土[17]。

1.3 数据处理与方法

Microsoft Office Excel 2017整理 数 据，Origin 2022软件绘图，SPSS 20.0软件进行数据分析，采用最小显著差异法(LSD)比较不同处理间的显著性差异。

2 结果与分析

2.1 农田排水间歇滴灌对土壤水平和垂直湿润锋的影响

土壤湿润锋为灌溉水入渗至干土层界面，干湿交界的位置，其运移长度是灌溉管理的依据。图2为农田排水间歇滴灌不同处理垂直与水平湿润锋随时间变化过程图。整体表现为灌溉水为4 g/L的处理较2 g/L的处理湿润锋推进长度大。随灌水间歇时间增加湿润锋推进长度增加。

图2 土壤水溶性盐含量与土水比1∶5的土壤溶液电导率EC1∶5换算关系

表2为重分布24 h后各处理垂直和水平湿润锋入渗长度。各处理湿润锋运移长度之间具有统计学差异，表现为T2处理较T1处理垂直湿润锋长度增加1.82%，水平湿润锋长度增加7.51%；T3处理较T1处理垂直湿润锋长度增加6.88%，水平湿润锋长度增加13.79%；T5处理较T4处理垂直湿润锋长度增加2.8%，水平湿润锋长度增加9.33%；T6处理较T4处理垂直湿润锋长度增加9.82%，水平湿润锋长度增加12.89%。综上，随着灌溉水矿化度和灌溉间歇时间增加，土壤水平和垂直湿润锋横向和纵向延伸范围增加。

表2 重分布24 h后各处理垂直和水平湿润锋入渗长度 cm

苏李君[16]认为点源入渗湿润锋运移过程可以采用入渗时间的幂函数表示。水平湿润锋入渗长度Fx=a1tb1，垂直湿润锋入渗长度Fy=a2tb2。对各处理湿润锋入渗长度随时间变化曲线做幂函数拟合，得出拟合参数a、b。其中，a表示土壤初始入渗速率，b表示入渗衰减速率。结果如表3所示。各处理幂函数的决定系数均大于0.96，因此，农田排水间歇灌溉条件下土壤水分入渗遵从幂函数变化规律。各处理水平湿润锋初始入渗速率大于垂直入渗速率，而衰减速率小于垂直入渗速率。因此，由图3和表2可知，在灌水持续时间内，水平入渗长度大于垂直入渗深度，在灌水持续时间内土壤湿润体呈宽浅式椭球体，而在灌水结束后，重力势起主导作用，水分向下层迁移，最终垂直入渗长度大于水平入渗长度。灌溉水为2 g/L处理在垂直和水平入渗方向的初始入渗速率小于灌溉水为4 g/L处理，而在水平方向入渗衰减速率大于灌溉水为4 g/L处理。

表3 各处理垂直和水平湿润锋入渗长度拟合结果

图3 各处理垂直和水平湿润锋运移长度随时间变化曲线

综上，随灌溉水矿化度增加土壤初始入渗速率增加，而入渗衰减速率降低。是因为农田排水灌溉后，灌溉水中盐分进入土壤，土壤中的盐分较初始值会有一定程度增加，土壤颗粒间的排斥力会随土壤中盐分增加而降低，以此促进土壤颗粒絮凝，增加土壤中大孔隙占比，从而促进水分在土壤中入渗。虽然各处理总灌水时间相同，但增加灌水间歇时间，即增加土壤入渗时间，显著增加湿润锋入渗长度，由于间歇后进行第二周期供水，土壤湿润体内部已经形成致密层，再次供水增加湿润锋推进速度，增加土壤水分入渗速率。

2.2 农田排水间歇滴灌对土壤水分空间分布的影响

各处理灌水时间相同，均为6 h，由于间歇灌溉增加了灌水持续时间，间歇0.5 h的处理T2和T5灌水持续时间为7 h，间歇1 h的处理T3和T6灌水持续时间为8 h。覆膜不考虑蒸发作用，分析重分布24 h后各处理0~40 cm不同土层土壤水分的变异系数，由表4可知，随灌水间歇时间增加，各土层土壤含水率变异系数减小，基本表现为T1＞T2＞T3和T4＞T5＞T6。说明间歇灌溉使水分在土壤湿润体内分布更均匀。随灌溉水矿化度增加，各土层土壤含水率变异系数增加，灌溉水为4 g/L的处理比灌溉水2 g/L的处理各土层含水率变异系数增大。因此，与灌溉水4 g/L相比，采用2 g/L的农田排水灌溉能够使水分在土壤湿润体内分布更均匀。

表4 各处理0~40 cm土层深度土壤含水率变异系数 %

不同处理在距离滴头不同位置处土壤剖面含水率分布如图4所示，选取滴头处、距离滴头20 cm和40 cm处湿润体内土壤垂直深度水分含量作比较。由图4（a）、图4（b）和图4（c）可知，重分布24 h后，距离滴头越远，土壤水分含量越低，但由于间歇灌溉作用，距离滴头20cm处土壤剖面含水率与滴头处土壤含水率相近。将各处理距离滴头0、20和40 cm处土壤垂直剖面深度水分含量计算平均值[图4（d）]，分析不同灌溉水矿化度和灌溉间歇时间对土壤水分变化的影响。各处理间土壤水分含量差异不具有统计学意义（p＞0.05），但呈现一定规律。滴头位置处，与T1处理相比较，T2处理平均土壤含水率增加了8.43%，T3处理增加了11.9%，T4处理增加了4.78%，T5处理增加了6.81%，T6处理增加了9.33%。距离滴头20 cm和40 cm处土壤水分含量也呈相同增加趋势。

图4 各处理土壤水分空间分布

整体表现为灌溉间歇时间相同，2 g/L农田排水灌溉处理湿润体内土壤水分含量高于4 g/L农田排水灌溉处理。2 g/L农田排水灌溉处理，随灌溉间歇时间增加，土壤水分含量增加。4 g/L农田排水灌溉处理，在距离滴头水平距离0~20 cm垂直土壤剖面内呈现随灌溉间歇时间增加平均含水率增加。在距离滴头20~40 cm垂直土壤剖面内，各处理平均含水率一致。灌溉水矿化度2 g/L以及灌溉间歇1 h处理，土壤湿润体内含水率最大。

2.3 农田排水间歇滴灌对土壤盐分空间分布的影响

不同灌溉水矿化度和不同灌溉间歇时间条件下土壤盐分空间分布如图5所示。各处理剖面内土壤盐分随土层深度增加而增加，各处理均呈现明显脱盐区（土壤电导率小于初始电导率2 150 μS/cm）。说明农田排水间歇灌溉对土壤盐分具有一定淋洗作用。对各处理湿润体内土壤电导率取平均值，表现为T4（2 579 μS/cm） ＞T5（2 434 μS/cm） ＞T6（2 424 μS/cm） ＞T1（2 216 μS/cm） ＞T2（2 193 μS/cm） ＞T3（2 179 μS/cm），4 g/L处理的土壤平均含盐量显著高于2 g/L处理（p＜0.05）。随灌溉间歇时间增加，土壤平均含盐量降低，但不具有统计学意义（p＞0.05），灌溉水矿化度2 g/L以及灌溉间歇1 h处理，土壤湿润体内平均含盐量最小。

图5 各处理盐分空间分布

为进一步分析不同农田排水矿化度与灌溉间歇时间各处理对土壤脱盐效果的影响，如表5所示为各处理土壤脱盐效果指标。土壤含盐量低于土壤初始含盐量的区域深度为脱盐区深度；土壤含盐量低于土壤初始含盐量的区域宽度为脱盐区宽度；脱盐区域的土壤脱盐量平均值与初始土壤含盐量的比值为脱盐率St；土壤脱盐区深度和最终入渗湿润深度的比值为脱盐区深度系数ηht；土壤脱盐区水平宽度和最终水平入渗湿润宽度的比值为脱盐区宽度系数ηdt。

综合图5和表5可知，T1~T3处理土壤脱盐区深度为40 cm，T4~T6处理土壤脱盐区深度为35 cm；T1、T4、T5和T6处理土壤脱盐区宽度为20 cm，T2、T3处理土壤脱盐区宽度为40 cm，因此随着灌溉水矿化度增加土壤脱盐区域减小。经单因素方差分析可知，灌溉水矿化度显著影响土壤脱盐区的脱盐率,对脱盐区深度系数和脱盐区宽度系数的影响不具有统计学意义，表现为随灌溉水矿化度减小，土壤脱盐区的脱盐率显著增加，2 g/L处理较4 g/L处理平均脱盐率增加25.04%，平均脱盐区深度系数和宽度系数分别增加18.48%和45.25%。灌溉水间歇时间对土壤脱盐区的脱盐率影响也具有统计学意义（p＜0.05），随灌溉间歇时间增加，土壤脱盐区的脱盐率显著增加，灌水间歇0.5 h处理较不间歇灌溉处理平均脱盐率增加6.78%，平均脱盐区深度系数和宽度系数分别增加4.07%和6.9%；灌水间歇1 h处理较不间歇灌溉处理平均脱盐率增加17.05%，平均脱盐区深度系数和宽度系数分别增加13.6%和14.59%。双因素方差分析表明，灌溉水矿化度与灌溉间歇时间互作效应显著，随灌溉水矿化度减小和灌溉间歇时间增加，土壤脱盐区的脱盐率增加。

表5 不同处理土壤脱盐效果指标

3 讨 论

南疆地区气候干旱且水资源匮乏，加之各灌区灌溉配水管理制度不健全不合理，导致作物生育期灌水不及时而减质减产。面对这一用水突出问题，专家学者提出利用农田排水灌溉，能够增加土壤含水率，有效缓解灌溉缺水问题[18-20]。而农田排水中既含有盐分离子还含有一定氮磷营养物质，灌溉过程中会改变土壤结构从而影响土壤入渗特性和土壤中的水盐分布状况。本研究认为农田排水作为灌溉水源采用间歇灌溉是为了保证在作物生育期缺水时，及时灌溉使土壤具有一定含水率以保证作物正常生长需要。既兼顾灌溉也调控土壤湿润体内水分和盐分，最大限度地增大盐化土壤中的脱盐率以利于作物生长。研究农田排水间歇滴灌条件下的土壤湿润体形态特征及湿润体内水分分布规律，对农田排水利用结合间歇灌溉的实际应用有重要意义。本试验条件下，农田排水灌溉矿化度和灌水间歇时间增加使湿润峰推进长度增加。与前人针对微咸水灌溉的研究结果一致，可能是因为灌溉水中的盐分和养分被带入土壤，促进土壤颗粒的紊凝作用和团聚性，使土壤大孔隙增加，从而增强入渗性能[12,14]。而灌水间歇时间增加，使灌水延续时间增加，从而推进湿润峰运移。间歇灌溉的优势在于提高灌水均匀度、增加土壤湿润体内含水率。与刘静妍等[21]研究结果一致，本研究认为与不间歇灌溉相比，间歇灌溉条件下土壤水分分布更均匀，且减小灌溉水矿化度也能够提高灌水均匀度，增加土壤湿润体含水率。其原因可能是因为间断式的间歇灌水，土壤在湿润和落干的过程中周期交替，土壤颗粒的物理结构和性状发生变化，减小土壤糙率，产生新的水流界面，从而提高灌水均匀度和土壤持水性；而灌溉水中盐分进入土壤后与土壤胶体颗粒发生理化反应，重组后改变土壤的物理和化学特性，影响土壤的通气和流道，虽然利于土壤水分入渗，但抑制土壤水分储存[21]。农田排水灌溉后，各处理湿润体内盐分含量平均值较土壤盐分初始值有所增加，但脱盐区的含盐量远低于初始含盐量。与严亚龙等[22]研究认为灌水间歇时间对土壤盐分含量无显著影响不同，本研究结果表明，在不同矿化度农田排水灌溉条件下，灌水间歇时间以及与灌水矿化度交互作用对土壤脱盐区脱盐率的影响均达到显著水平。可能是由于土壤质地与土壤初始含盐量的差异导致研究结果不一致。本试验中以水分分布均匀、湿润体内水分含量高、盐分含量低及脱盐区脱盐率最大为目标，T3处理为最优处理，即灌溉水矿化度为2 g/L且灌水间隔1 h处理，灌水重分布后的最大入渗深度为51 cm，最大入渗宽度为46 cm，脱盐区深度与宽度均为40 cm。可以考虑作为计划湿润层深度为50 cm且作物根系最大生长半径为40 cm时作物的一次灌水制度。因此，利用农田排水灌溉并采用间歇滴灌模式，有利于土壤淋洗和脱盐，为作物提供良好的土壤水盐环境。今后还应综合考虑灌溉水中盐分离子、灌溉水中氮磷钾含量、土壤盐分离子、土壤中酶和土壤微生物等影响因素，针对各因素及其交互作用影响盐碱土中盐分的淋洗脱盐效果还有待全面系统地研究。

4 结 论

针对南疆盐化土采用农田排水灌溉结合间歇灌溉方式研究其影响土壤水盐分布和脱盐区土壤脱盐率的研究，结果表明：

（1）不同矿化度农田排水灌溉结合间歇灌溉灌水方式能提升土壤入渗能力，随灌溉间歇时间增加，土壤水平和垂直湿润锋横向和纵向延伸范围增加。幂函数能够描述农田排水间歇灌溉条件下土壤水分入渗规律。

（2）增加灌水间歇时间和减小灌溉水矿化度能够减小水分空间分布变异系数，提高灌水均匀度。随灌溉间歇时间增加，灌溉水矿化度减小，土壤水分含量增加。

（3）农田排水灌溉对土壤盐分具有一定淋洗作用，各处理均呈现明显脱盐区，脱盐区深度均大于35 cm。减小灌溉水矿化度和增加灌溉间歇时间能够显著增加土壤脱盐区的脱盐率，同时增加脱盐区深度系数和脱盐区宽度系数。2 g/L处理较4 g/L处理脱盐区平均脱盐率增加25.04%，灌水间歇0.5 h处理较不间歇灌溉处理脱盐区平均脱盐率增加6.78%；灌水间歇1 h处理较不间歇灌溉处理平均脱盐率增加17.05%。