插入式地下滴灌对土壤入渗和水盐分布的影响

朱 珠,张旭贤,王世昌,文 豪,蔡桂香

(1.塔里木大学水利与建筑工程学院,新疆阿拉尔 843300;2.新疆维吾尔自治区教育厅普通高等学校现代农业工程重点实验室,新疆阿拉尔 843300)

0 引 言

【研究意义】准确估计地表和地下灌溉系统的湿润面尺寸,及其影响水盐运移规律的探究,对于水资源的优化管理和提高灌溉系统的性能具有重要意义[1-5]。研究不同滴头流量与滴头埋深对湿润体入渗深度、宽度、入渗速率、水盐分布特征和土壤脱盐情况的影响规律,对插入式滴灌的应用有实际意义。【前人研究进展】不同灌水时长及滴头流量对湿润体大小、形状、湿润锋运移范围等开展室内外试验研究[6-10],认为湿润体的形状一般近似为半椭圆形、半圆形及抛物线形;湿润锋垂向深度和水平入渗距离分别与入渗时间存在极显著幂函数关系,湿润体特征值与土壤含水量呈极显著相关关系。而在水分与盐分的关系中,基本呈盐随水动、盐随水聚与水去盐存运行规律,是否能将盐分推移淋洗至根区耐盐范围外,是重点研究问题[11-15]。【本研究切入点】点源地表与地下滴灌的研究成果主要集中于土壤质地、初始含水率、滴头流量、灌水时间、压力等不同因素对湿润锋及湿润体含水率的影响,而插入式地下滴灌在不同埋深和滴头流量条件下,随水分推进过程中盐碱土壤盐分的变化规律研究较少。【拟解决的关键问题】研究采用室内土柱试验,分析不同滴头流量与滴头埋深对湿润体入渗深度、宽度、入渗速率、水盐分布特征和土壤脱盐情况的影响规律,为插入式地下滴灌应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试土壤取自新疆塔里木大学水利与建筑工程学院节水灌溉试验基地,土壤类型为砂壤土,初始电导率为3 050 μS /cm,依据当地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。供试土壤属重度盐化土。土壤容重为1.35 g/cm3,土壤田间持水量为22.69%[16]。

1.2 方 法

采用室内土柱试验,选取湿润体的1/4作为研究对象,滴头流量也为实际滴头流量的1/4。以地表滴灌且滴头流量为0.3 L/h为对照处理,滴头流量和滴头埋深为影响因素,两个因素分别有两个水平,共5个处理,每个处理3个重复。探讨插入式地下滴灌在不同滴头流量和不同埋深条件下,对盐碱土壤水分入渗过程和土壤水分、盐分分布的影响规律。李久生等[17]研究认为地下滴灌的滴头流量比在空气中减少,通过预实验发现由恒流泵供水6 h,在单位时间内累积入渗量不减少。采用恒流泵供水。由BT100-02恒流泵(精确控制水压和流量)、土柱和插入式滴头组成,滴头由中国农业科学院农田灌溉研究所研发[18]。土柱由亚克力板制成,长50 cm、宽50 cm、高50 cm。取灌溉试验基地0～20 cm春季返盐土壤,风干后,过1 mm 筛,以5 cm分层,按容重1.35 g/cm3装填土柱,层间打毛,土柱装好后自然沉降24 h,以供滴水试验。滴水开始,秒表记录土壤水平和垂直入渗长度数据。每次记录湿润锋运移位置时,沿土柱两侧测定,取平均值。灌水时间为6 h,灌溉水取自自来水,电导率为510 μS/cm。灌水结束后,立即在土壤湿润体内以距离滴头位置水平方向10 cm间隔布设取样点,每个取样点处以向下5 cm深度为间隔取土样,直至湿润锋处。由烘干法测定土壤质量含水量,土壤电导率值由DDSJ-308A电导率仪测定。表1,图1

1.3 数据处理

应用CAD2011绘制湿润峰并计算湿润面面积,Origin 2019分析数据与作图。土壤脱盐率由下式计算。

土壤脱盐率(积盐率)(%)=

(1)

其中:“+”为脱盐率,“-”为积盐率

表1 试验方案Table 1 Experiment treatments

1.量筒;2.恒流泵;3.土柱;4.湿润锋运移曲线

2 结果与分析

2.1 水平、垂直入渗速率与湿润面变化特征

研究表明,在点源滴灌作用下,初始状态的水通过非饱和土壤被吸收,逐渐扩散形成湿润体。湿润体的大小和范围是影响作物根系吸收水分的关键因素。插入式滴灌在地下施水时,湿润锋轮廓线近似为椭圆形,当水分入渗至地面后湿润轮廓线近似呈窄深抛物线形。T1处理在灌水60 min后,水分入渗至土壤表面,入渗结束后水平方向湿润锋最大运移长度为19.1 cm,垂直方向湿润锋最大运移深度在土壤表面以下27.2 cm;T2处理在灌水210 min后,水分入渗至土壤表面,入渗结束后水平方向湿润锋最大运移长度为17.8 cm,垂直方向湿润锋最大运移深度在土壤表面以下32.8 cm;T3处理在灌水50 min后,水分入渗至土壤表面,入渗结束后水平方向湿润锋最大运移长度为23.7 cm,垂直方向湿润锋最大运移深度在土壤表面以下34.6 cm;T4处理在灌水150 min后,水分入渗至土壤表面,入渗结束后水平方向湿润锋最大运移长度为23.3 cm,垂直方向湿润锋最大运移深度在土壤表面以下38.1 cm。CK处理土壤湿润面面积为403.936 cm2,与CK处理相比较T1处理土壤湿润面积增加了18.01%;T2处理土壤湿润面积增加了19.06%;T3处理土壤湿润面积增加了66.99%;T4处理土壤湿润面积增加了81.82%。土壤表面以下水分入渗深度和湿润面面积随滴头流量增大和滴头埋深增加而增大。图2

图2 不同滴头流量与埋深处理湿润面变化特征

各处理水平入渗速率略大于垂直入渗速率。整体趋势表现为,从灌水开始时至滴水后120 min入渗速率快速下降,为土壤基质吸力和重力作用下的瞬变阶段。水分入渗120 min后入渗速率逐渐趋于稳定,水分充满土壤孔隙,为重力起主导作用的稳渗阶段。比较各处理垂直和水平入渗速率大小,表现为T4>T3>CK>T2>T1,与CK处理相比较,T1处理平均入渗速率减幅为7.98%,T2处理平均入渗速率减幅为28.17%,T3处理平均入渗速率增幅为0.46%,T4处理平均入渗速率增幅为10.33%。当滴头流量较小时,地下滴灌的入渗速率小于地表滴灌,且随着滴头埋深增加,入渗速率降低;当滴头流量增加1倍时,地下滴灌的入渗速率大于地表滴灌,且随滴头埋深增加,入渗速率增大。图3

图3 各处理垂直与水平入渗速率随时间变化特征

2.2 不同滴头流量与埋深对土壤水分空间分布的影响

研究表明,湿润体水分分布呈现出三个区域:滴头区域饱和区、含水量随深度增加而减少的过渡区及湿润峰处的干湿交界区。滴灌结束时,土壤含水率以滴头为中心,随距滴头水平距离和深度增加而减小。CK处理土壤含水量平均值为20.21%。与CK处理相比较,T1处理土壤含水量平均值增加2.48%,T2处理土壤含水量平均值增加1.37%,T3处理土壤含水量平均值增加5.72%,T4处理土壤含水量平均值增加8.94%。各处理在湿润峰处的土壤含水量均大于田间持水量的60%(即13.61%)。湿润体内水分含量能够满足作物生长所需水分。

各处理土壤水分含量峰值均在距离滴头0～10 cm水平半径范围,而深度峰值范围有所变化。CK处理在土层深度0～15 cm土壤含水量达到峰值;T1处理在土层深度0～20 cm含水量达到峰值;T2处理在土层深度0～25 cm土壤含水量达到峰值;T3处理在土层深度0～30 cm土壤含水量达到峰值;T4处理在土层深度0～35 cm范围土壤含水量达到峰值。当滴头流量相同时,增加滴头埋深能够增加土壤水分峰值范围;当滴头埋深相同时,土壤水分峰值范围随滴头流量增加而增加。

图4 各处理水分空间分布特征

CK处理土壤湿润深度为22.5 cm。T1处理土壤持水效率为2.56%,T2处理土壤持水效率为3.82%,T3处理土壤持水效率为9.81%,T4处理土壤持水效率为13.35%。随滴头流量和滴头埋深增加,土壤持水效率增加。图4

2.3 不同滴头流量与埋深对土壤盐分的影响

研究表明,各处理水平方向盐分淡化区范围均在距离滴头水平方向0～15 cm水平半径范围。CK处理土壤电导率由滴头处279 μS/cm增加至湿润峰处10 120 μS/cm,脱盐区深度为0～10 cm;T1处理土壤电导率由滴头处294 μS/cm增加至湿润峰处10 300 μS/cm,脱盐区深度为0～20 cm;T2处理土壤电导率由滴头处276 μS/cm增加至湿润峰处10 720 μS/cm,脱盐区深度为10～25 cm;T3处理土壤电导率由滴头处279 μS/cm增加至湿润峰处10 800 μS/cm,脱盐区深度为0～25 cm;T4处理土壤电导率由滴头处266 μS/cm增加至湿润峰处10 970 μS/cm,脱盐区深度为0～30 cm。图5

图5 各处理盐分空间分布特征

土层深度土壤脱盐率CK处理0～5 cm为81.85%,5～10 cm为55.56%,土层深度土壤积盐率10～15 cm为5.88%,15～20 cm为30.25%,20～22.5 cm为141.64%;土层深度土壤脱盐率T1处理0～5 cm为45.98%,5～10 cm为73.83%,10～15 cm为70.68%,15～20 cm为54.35%;土层深度土壤积盐率20～25 cm为43.49%,25～30 cm为84.92%;土层深度土壤积盐率T2处理0～5 cm为67.98%,土层深度土壤脱盐率5～10 cm为66.37%,10～15 cm为74.51%,15～20 cm为63.56%,20～25 cm为23.57%;土层深度土壤积盐率25～30 cm为110.62%;30～32.8 cm为251.48%;土层深度土壤脱盐率T3处理0～5 cm为46.1%,5～10 cm为56.64%,10～15 cm为71.96%,15～20 cm为45.11%,20～25 cm16.97%;土层深度土壤积盐率25～30 cm为45.65%;30～34.6 cm为254.1%;土层深度土壤脱盐率为T4处理0～5 cm为20.54%,5～10 cm为72.96%,10～15 cm为78.34%,15～20 cm为79.15%,20～25 cm为75.95%;25～30 cm为68.04%;土层深度土壤积盐率30～35 cm为59.89%;35～38.1 cm为208.03%。滴灌结束时,土壤盐分以滴头为中心,滴头区域饱和区呈现显著脱盐区,湿润峰处呈现显著积盐区。当滴头流量为0.3 L/h,随滴头埋深增加,脱盐区下移,表层积盐,下层积盐率也增加,滴头埋深15 cm处理,在灌水时间内所施入的水量驱动力只能够将土壤盐分向滴头上方运移,因此使土壤盐分呈表聚现象。而当滴头流量增加至0.6 L/h,随滴头埋深增加,土壤脱盐区和脱盐率增加,土壤积盐区的积盐率减小。图6

图6 各处理不同土层深度土壤平均脱盐(积盐)率变化

3 讨 论

地表滴灌受蒸发耗水较大,地表湿润范围大,含水率较高,地下滴灌更具有节水和降耗的优点[19-20]。与杨明达等[21]研究结果一致,地下滴灌增加了土壤湿润峰深度、湿润面积、湿润体内土壤平均含水量、湿润体内含水量峰值区域以及土壤持水效率。研究地下施水过程中,湿润面未入渗至地表时,湿润锋轮廓线近似为椭圆形,当水分入渗至地面后湿润锋轮廓线近似呈窄深抛物线形。与王炳尧等[22]研究中湿润面为上小下大纺锤型结果不一致,可能是因为滴头装置不一致,且土壤初始含盐量和土壤性质差异较大。滴头埋深不同,影响水分入渗至地面的时间和土壤表层含水量。研究中滴头流量0.3 L/h,即为田间滴头流量1.2 L/h,滴头埋深10 cm,灌水60 min后,水分入渗至土壤表面。而当滴头流量和滴头埋深均增加,滴头流量增加至0.6 L/h,即为田间滴头流量2.4 L/h,滴头埋深增加至15 cm,灌水150 min后,水分入渗至土壤表面。增加滴头流量和埋深能够减少土壤表层蒸发量。滴头流量和滴头埋深也是影响土壤入渗速率的重要因素,与白丹等[19]对土壤入渗速率的研究结果一致,研究中地下滴灌土壤入渗过程以120 min为时间节点历时快速下降瞬变阶段和稳定入渗阶段。当滴头流量较小时,地下滴灌的入渗速率小于地表滴灌,且随着滴头埋深增加,入渗速率降低。应增大滴头流量,当滴头流量增加一倍时,地下滴灌的入渗速率大于地表滴灌,且随滴头埋深增加,入渗速率增大。地面滴灌与地下滴灌均以滴头为中心形成水分含量峰值区和盐分淡化区,而地下滴灌增加了土壤脱盐深度和脱盐区的脱盐率,与李显溦等[23]研究结果一致,当大田实际滴头流量为2.4 L/h,地下滴灌滴头埋深15 cm为宜。当大田实际滴头流量为1.2 L/h,地下滴灌滴头埋深15 cm,土壤表层和深层积盐显著增加,如若实际生产中滴头流量较小,因耕作等原因需埋深15 cm,应考虑表层除盐措施和作物苗期地下滴灌的灌溉制度,如增加灌水时间和灌水频次,防止土壤表层积盐。影响插入式地下滴灌盐碱土壤入渗特性和水分分布的影响因素较多,研究只考虑了滴头流量与埋深两个影响因素,后续研究中需考虑土壤容重、压力水头、初始含水率、不同土壤质地、不同土壤初始含盐量等多变量影响,以及灌水后水分和盐分再分布状况。

4 结 论

4.1相同入渗时间和滴头流量条件下,地下滴灌比地表滴灌湿润峰深度、湿润面积、湿润体内土壤平均含水量、湿润体内含水量峰值区域、土壤持水效率和脱盐深度增加。当滴头流量较小时,地下滴灌的入渗速率小于地表滴灌,且随着滴头埋深增加,入渗速率降低;当滴头流量增加一倍时,地下滴灌的入渗速率大于地表滴灌,且随滴头埋深增加,入渗速率增大。

4.2插入式滴灌在地下施水时,湿润锋轮廓线近似为椭圆形,当水分入渗至地面后湿润锋轮廓线近似呈窄深抛物线形。试验条件下,滴头流量相同时,增加滴头埋深能够增加土壤水分峰值范围和持水效率;当滴头埋深相同时,土壤水分峰值范围和持水效率随滴头流量增加而增加。

4.3滴灌结束时,土壤盐分以滴头为中心,在滴头区域饱和区呈现显著脱盐区,湿润峰处呈现显著积盐区。当滴头流量为0.3 L/h,滴头埋深由10 cm增加至15 cm,土壤表层和深层积盐率增加。滴头流量为0.6 L/h,随滴头埋深增加,土壤脱盐区和脱盐率增加。