地下加气渗灌对土壤水分入渗速率及水盐分布的影响

2023-04-06王学成王则玉姚宝林

新疆农业科学 2023年1期

王学成，王则玉，姚宝林，朱珠，刘冉

(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；3. 新疆农业科学研究院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830000)

0 引言

【研究意义】水资源不足和土壤盐渍化严重是制约干旱及半干旱地区农业发展的重要因素[1，2]。新疆南疆地处内陆干旱区，降水少且蒸发强烈，水资源严重匮乏，盐碱土分布广泛[3]。研究土壤水盐运移规律，对新疆南疆盐碱地改良具有重要意义。【前人研究进展】地下灌溉技术是将灌溉水通过埋入地下的灌水器运送到作物根系生长的土壤中，具有保持土壤原有结构和有效减少土壤表面水分蒸发损失的效果，是一种高效节水灌溉方法[4，5]。目前针对地下灌溉的研究多集中在作物生长方面[6～8]和各种地下灌溉模式对土壤湿润体大小形状、湿润体内部水分分布情况等[9～11]。微孔渗灌是近年来应用的一种地下灌溉技术。渗灌管出水孔均匀密集，灌溉过程不同于滴灌的“点源”模式，可以看作“线源”状的连续地下灌溉技术，可有效防止水分向深层入渗、土壤空穴等现象，并具有抗堵塞性能强、使用成本低等优点[12]。加气灌溉技术是地下灌溉技术的进一步发展[13，14]，现阶段对加气灌溉的研究多集中在对作物生长发育方面，马筱建等[15]的研究表明，加气灌溉对促进芹菜生长具有一定的正效应，其中渗灌加气处理较不加气处理增产2.0%，地下滴灌加气处理较不加气处理增产5.1%；李元等[16]研究表明，加气灌溉能显著提高果实的品质及产量，且加气频率、滴灌带埋深和灌水控制对果实的品质，形态及产量的影响依次降低，滴灌带埋深为 25 cm，每天加气 1 次处理的甜瓜果实品质及果实形态指标最好，产量最高；杨文龙等[17]研究表明，加气灌溉在促进植株生长发育的同时，也有效提高了作物产量和品质。【本研究切入点】针对不同加气灌溉模式下土壤入渗特征及对土壤中水盐分布情况研究较少。土壤水盐分布情况对作物生长具有重要影响，并且土壤中水盐的分布与水分入渗特征之间有着密切关系，不同的灌溉方式造成水分入渗特征不同，影响土壤中盐分分布[18]。需研究地下加气渗灌对土壤水分入渗速率及水盐分布的影响。【拟解决的关键问题】研究不同加气渗灌模式下土壤入渗特征及水盐运移规律，为加气灌溉技术在南疆地区推广和节水灌溉技术及盐碱地改良技术提供参考。

1 材料与方法

试验于2021年3月1日至5月10日在新疆生产建设兵团阿拉尔市塔里木大学节水灌溉试验基地(81°17′E，40°32′N，海拔1 108 m)进行。使用土箱装土，土箱长宽高尺寸为150 cm×60 cm×110 cm，供试土壤为田间原状砂壤土，初始电导率为725 μS/cm。将土风干后过2 mm筛，按5 cm 1层装入土箱，土壤容重为1.40 g/cm3。层间打毛，土壤初始含水率为1%。

试验设置加气量与加气时间段2个因素，加气量设置V(A1)，1.5V(A2)2个水平。V为标准加气量，标准加气量采用公式[19]计算：

式中，V-标准加气量，SL-土箱横截面积，6 600 cm2，L-土箱长，120 cm，ρb-土壤容重，1.40 g/cm3，ρs-土壤密度2.67 g/cm3。

得到每次标准加气量为 396 L，依据气泵功率转化为标准加气时间。加气时间段设置为灌水之前加气(B1)、灌水中间段加气(B2)2个水平，并设置对照组CK(不加气)，共计5个处理，每个处理设置3个重复，共计15个试验小区，每小区为一个土箱。表1

表1 试验设计Table 1 Test design

采用马氏瓶恒定供水，马氏瓶内液面高度保持在1.5 m。加气泵加气，泵功率为55 W，出气量为30 L/min。渗灌管埋入土下20 cm，渗灌管一端封闭，另一端连接气泵及马氏瓶。各处理灌水量一致，均设置为13 L。灌水过程中每5 min记录1次灌水量，随着入渗速率越来越慢，记录时间间隔逐渐放大为10、15、 30和60 min。图1

注:1、马氏瓶 2、气泵 3、4、5、球阀 6、土箱

灌水结束后静置24 h取土，以渗灌管铺设位置为参考位置0 cm，沿垂直于渗灌管方向向两侧0、 5、10、15 cm处取样，每个位置在一维纵深处取样，深度间隔为5 cm，直至湿润体边缘。采用烘干质量法测定土壤质量含水率，使用电导率仪(DDSJ-308A)测定土壤电导率值。图 2

脱盐率计算公式[20]如下：

脱盐率=(Ec0-Ec1)/Ec0×100%.

式中，Ec0-初始电导率(μS/cm)，Ec1-灌水结束后电导率(μS/cm)。

使用Microsoft Excel 2019统计数据，Origin 2018 进行制图，并采用SPSS 22.0对数据进行单因素方差分析。

图2 取样点Fig.2 Sampling point (cm)

2 结果与分析

2.1 不同加气处理对土壤入渗特征的影响

研究表明，各加气处理灌水结束时间各不相同。其中CK处理灌水时间最长为345 min，T4灌水时间最短为195 min，各处理灌水时长CK>T1>T2>T3>T4。T1、T2、T3、T4处理灌水时间较CK处理分别缩短8.70%、28.99%、31.88%、43.48%。灌溉开始时灌前加气处理较其他处理水分入渗更快，其中T3处理最快，达到400 mL/min。T1处理次之，为330 mL/min。各处理随着时间的增长，入渗速率逐步降低。灌水前加气处理在75 min之前累计灌水量最大，T1、T3处理较不加气分别上升11.54%，16.75%。T1、T3处理在75 min之前水分平均入渗速率较不加气分别提高16.21%、23.38%。灌水中间段加气处理在灌水时间为75 min时加气后水分入渗速率有上升趋势，T2处理上升10.31%，T4处理上升14.63%。T2与T4处理灌水中间段加气之后的75～195 min中，较不加气的CK处理水分平均入渗速率分别提高 40.10%，46.23%。图3，图4

2.2 不同加气处理对土壤湿润体内水分空间分布及均匀性影响

研究表明，加气处理通过影响水分在土壤中的入渗速率，进而影响到土壤湿润体的体积大小。渗灌管埋入地表下20 cm处，不同加气处理湿润体在垂直方向上均处于渗灌管偏下位置，水平方向上均为对称关系。随着距离渗灌管越来越远，土壤平均质量含水率越来越低。

图3 不同加气处理下累计入渗量变化Fig.3 Effect of different aeration treatments on cumulative infiltration

图4 不同加气处理下入渗速率变化Fig.4 Effect of different aeration treatments on infiltration rate

各处理湿润体范围在垂直方向上各不相同，CK、T1、T2、T3、T4处理湿润体分别分布于土壤表层下5～40 cm、5～42 cm、3～45 cm、5～43 cm、3～44 cm，加气处理对水分渗灌管上方扩散影响不大，但对水分向渗灌管下方扩散具有一定影响，灌前加气与灌水中间段加气处理较不加气处理竖直方向扩散距离增加3～5 cm。当加气量相同时，灌水中间段加气较灌前加气水分在竖直方向扩散距离更大。各处理湿润体水平方向湿润峰均扩散至20～25 cm处。CK、T1、T2、T3、T4处理在距离渗灌管水平距离0 cm，土壤土层深度为10～40 cm中的20～30 cm一维纵深处土壤平均质量含水率分别为16.2%、13.31%、14.61%、13.07%、13.21%，其他湿润范围质量含水率平均值分别为8.62%、9.82%、11.05%、10.63%、11.59%。CK、T1、T2、T3、T4处理在距离渗灌管水平距离10 cm，土壤土层深度为10～40 cm湿润体内一维纵深处，土壤平均质量含水率分别为8.82%、9.96%、10.36%、9.91%、10.23%。各处理在距离渗灌管水平距离15 cm，土壤土层深度为15～35 cm湿润体内部一维纵深处，土壤平均质量含水率分别为5.68%、8.65%、8.72%、8.74%、9.49%。CK 处理较加气处理在渗灌管附近处土壤含水率高，但在距离渗灌管较远的湿润体边缘位置土壤质量含水率低于各加气处理，加气处理可以促进水分在湿润体内部的运动，使得湿润体内水分分布较CK更为均匀。加气量相同的情况下，灌水中间段加气较灌前加气湿润体内质量含水率更为均匀，湿润体体积也更大。随着加气量的增加，水分扩散的范围及水分在湿润体内部的均匀程度都有所提高。图5

2.3 不同加气处理对土壤中盐分分布影响

研究表明，各处理在渗灌管附近区域形成一定淡化脱盐区域，并在湿润峰处发生一定积盐现象。各处理水分运移范围及均匀性各不相同，对应的所产生的脱盐区域也有差异。CK处理渗灌管上部脱盐区域位于0～10 cm，渗灌管下部0～15 cm。T1及T3处理脱盐区域为渗灌管上部0～10 cm，渗灌管下部0～20 cm。T2及T4处理脱盐区域为渗灌管上部0～15 cm，渗灌管下部0～20 cm。加气处理较不加气处理脱盐区域更大，加气量相同时灌水中间段加气较灌前加气脱盐区域更大。图6

渗灌管上方0～10 cm处，T4脱盐率最高，为74.43%。CK处理脱盐率最低，为62.34%。T4处理与CK处理之间具有显著性差异，其他各处理之间不具有显著性差异。渗灌管下方0～10 cm处T4脱盐率最高，为80.58%，T2处理次之。CK处理最低，为65.21%。CK处理与T2、T3、T4之间均具有显著差异性，与其他各处理之间不具有显著性差异。渗灌管下方10～15 cm处T4脱盐率最高为80.41%，CK处理脱盐率为58.48%，CK与T1之间不具显著差异性，但与T2、T3与T4处理之间具有显著差异性。渗灌管下方15～20 cm处，CK处理为积盐区域，积盐率为60.52%，其余各处理之间均具有显著差异性，脱盐效果为T4>T2>T3>T1。渗灌管上方10～15 cm处，CK，T1、T2处理为积盐区域，但T2与T4之间仍为脱盐区域，T4脱盐率为24.55%。T2脱盐率为5.06%。各处理在渗灌管上方10～15 cm处均为积盐区域。在渗灌管上方0～10 cm脱盐区域处T3、T4脱盐效果最好，脱盐率分别为57.93%，60.21%，并且与CK，T1、T2处理均有显著性差异。在渗灌管下方0～10 cm脱盐区域处T4处理脱盐效果最好，为73.28%，T2处理次之。CK处理脱盐率为45.15%，与加气处理间均具有显著性差异，其他各组之间不具有显著差异。在渗灌管下方10～15 cm脱盐区域为CK、T1、T3处理靠近湿润峰处脱盐区域，脱盐率分别为10.55%、14.83%、36.14%。T2、T4处理脱盐区域达到15～20 cm。加气时间段因素较加气量因素对渗灌管下方脱盐效果及脱盐范围的影响更大。同等加气量处理下，灌水中间段加气较灌前加气效果更好。表2，表3

表2 距渗灌管0 cm一维纵深处脱盐率/积盐率Table 2 Desalination rate / salt accumulation rate in one dimensional longitudinal depth 0 cm away from the infiltration irrigation pipe(%)

表3 距渗灌管10 cm一维纵深处脱盐率/积盐率Table 3 Desalination rate / salt accumulation rate in one-dimensional longitudinal depth 10 cm away from infiltration irrigation pipe(%)

3 讨论

盐分及水分在土壤中的分布对作物的生长发育具有重要意义[21]。试验研究发现，加气处理下水分在土壤中入渗速率要高于CK处理，这是由于加气后土壤内部孔隙变大，水分在土壤中的流通性也随之变强，与朱艳等[22]和Bhattarai等[23]研究发现加气灌溉可以提高土壤充气孔隙度，增加土壤通气性的结论一致。当不进行加气处理时，渗灌管附近区域土壤处于持续的饱和湿润状态，限制了土壤孔隙中水分的移动性，灌水时间变长，水分在湿润体内运移受到阻碍，因此导致湿润体内土壤水分布不均匀，与Meek等[24]研究发现土壤持续饱和状态下水分移动缓慢的研究结论相一致。根据“盐随水来，盐随水去”的水盐运移规律，水分运移范围变大对应的盐分运移范围也随之变大。灌水中间段加气的脱盐范围及盐分淋洗效果较灌前加气都有所提升，因为灌水一段时间后，盐分在湿润体内部向周围运动的过程中，不断地进行积累，使得盐分离子的运移变得越来越困难，最终在湿润峰处形成积盐区域[25]。灌水中间段加气会在盐分积累的过程中再次为积累的盐分离子及水分打通毛细管道，促进盐分离子在湿润体内部的运移[26]，扩大脱盐区域并增强对盐分的淋洗效果。