滴灌頻率對土壤水鹽動態(tài)的影響過程研究

徐亞南，李明思

(石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003)

滴灌具有“淺灌勤灌”的特點，相對于地面灌溉而言，滴灌頻率較高。前人的研究指出[1-4]，高頻滴灌可以抑制作物根區(qū)土壤鹽分。Behera等[5]和Reedy等[6]通過田間與室內(nèi)的試驗發(fā)現(xiàn)，少量多次灌溉對土壤溶質(zhì)的淋洗效率要高于一次性大水量灌溉的淋洗效率，但這會增加深層滲漏量。然而也有不少試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)[7,8]，灌水頻率高、單次灌水量較小時，很難影響到深層的土壤鹽分，導致溶質(zhì)淋洗效率降低，特別是在蒸發(fā)強烈地區(qū)，這種現(xiàn)象尤為明顯。

目前，學者們對高頻灌溉下的土壤鹽分運移情況得到不同的試驗結(jié)果；對于高頻灌溉是否產(chǎn)生深層滲漏以及濕潤層的鹽分去向等問題認識并不統(tǒng)一。其原因在于對高頻灌溉的抑鹽機理尚不明確。高頻滴灌中，灌水起著淋洗土壤鹽分的作用；而滴水間隔期間的蒸發(fā)起著土壤返鹽的作用。所以，高頻滴灌的抑鹽作用實際上是洗鹽與返鹽之間的博弈結(jié)果。但是，灌水頻率的變化(單次滴水量與滴水間隔天數(shù)之間的關(guān)系)與抑鹽效果之間的關(guān)系問題還需要做深入的研究。本文基于室內(nèi)土槽試驗，在滴水總量相同、而滴水頻率不同的條件下，從滴水入滲和蒸發(fā)2個過程比較土壤鹽分垂直下移和垂直上升返鹽的運移規(guī)律，分析并探討滴灌頻率對土壤鹽分運移的影響過程。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2016年4-9月在石河子大學水利建筑工程學院水利與土木工程實驗中心進行(經(jīng)度44°18′25N，緯度86°03′27E，海拔451 m)，年平均氣溫6.1 ℃，年降雨量208 mm，蒸發(fā)量為1 967 mm,無霜期160～170 d，大于10 ℃積溫 3 693 ℃，年輻射總量5 392 MJ/m2，年日照2 680 h，為典型的半干旱生態(tài)類型。

供試土壤物理黏粒(<0.01 mm)量為28.87%，按照卡慶斯基土壤基本質(zhì)地分類法定為中壤土。其原狀土壤的干容重為1.49 g/cm3；孔隙率為44.57%；飽和質(zhì)量含水率為29.91%；田間持水率(質(zhì)量百分數(shù))為26.56%。用美國SEC公司生產(chǎn)的1500F1型壓力膜儀測得土壤水分特征曲線如式(1)所示。

S=19 627 387 e-1.168 543 θg(R= 0.941 5)

(1)

式中：S為土壤水吸力，MPa；θg為土壤質(zhì)量含水率，%；R為相關(guān)系數(shù)。

為便于取樣，本試驗在玻璃土槽中進行，玻璃土槽尺寸為100 cm×20 cm×80 cm。土槽底部鋪10 cm厚度的細礫石墊層，上覆多孔PVC隔板，板厚10 mm，板上孔距50 mm×50 mm。試驗前先將土壤風干、磨碎，過2 mm篩以去除雜質(zhì)，裝土時按照設(shè)計容重分層裝填，每裝填5 cm厚壓實，各層之間表面刷毛以保證上下土層接觸良好。土槽裝填總高度60 cm。

1.2 試驗方法

試驗設(shè)置4個滴灌頻率處理，總滴水量都為10 L，滴頭設(shè)計流量為1 L/h。各處理設(shè)計如表1所示。

表1 試驗處理方法

試驗指標均在自然蒸發(fā)條件下測得。各處理的土壤鹽分本底值以及初始含水率如表2所示。

表2 各處理土壤本底值

注：C為土壤鹽分含量，g/kg；θg為土壤質(zhì)量含水率，%。

滴水停止24 h后即可取樣。處理IF1取樣5次；處理IF2取樣3次。為了解表土蒸發(fā)對鹽分運動過程的影響，對處理IF3灌水后24 h和48 h各取樣一次，共取樣4次；IF4(4 d)灌水后24、48和72 h各取樣一次，共取樣3次。采用直徑1 cm土鉆分別在水平方向和垂直方向取土樣。其中，水平方向以滴水點為對稱點，向兩邊±5 cm和±15 cm布置取樣點；垂直方向每10 cm土層深度設(shè)一取樣點，從表土一直取到60 cm深度。

1.3 測定項目

采用烘干法測定土壤含水率。用烘干殘渣法測土壤含鹽量。其中，用DDS-11A型(上海雷磁)數(shù)顯電導率儀測定土壤浸出液的電導率；然后在105 ℃的干燥箱中烘干殘渣(用過氧化氫處理土壤有機質(zhì))，標定土壤鹽分質(zhì)量分數(shù)與電導率值對應(yīng)關(guān)系如式(2)所示。

C=0.004 7Ec+1.64 (n=49，R2=0.993 4)

(2)

式中：C為土壤鹽分質(zhì)量分數(shù)，g/kg；Ec為土壤浸出液電導率，μS/cm；n為樣本數(shù)。

采用自制微型土壤蒸發(fā)器[9]測表土蒸發(fā)。微型蒸發(fā)器主要由內(nèi)筒和外筒兩部分組成。內(nèi)、外筒均打孔，孔距為10 mm×10 mm，孔徑為2 mm。內(nèi)筒直徑為5.3 cm，高度為11 cm。外筒直徑為7 cm，高度為12 cm。外筒內(nèi)按設(shè)計容重填土。滴水后外筒中的土壤水與土槽中的土壤水建立聯(lián)系。第一次滴水后12 h將內(nèi)筒垂直壓入外筒內(nèi)土中，盡量不破壞土體結(jié)構(gòu)，取出原狀土，并用刮刀刮平底部后用紗網(wǎng)包扎，再用電子天平稱重，最后放回外筒中用力壓緊，使土樣頂面與土槽內(nèi)土面齊平。土柱重量每減少1 g相當于0.453 3 mm蒸發(fā)水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 單次滴水量對土壤水分分布的影響

總滴水量均為10 L條件下，隨著滴水次數(shù)的增加，土壤濕潤深度增大；隨著單次滴水量的增大(滴灌頻率減小)，土壤濕潤深度也加深(如圖1所示)。

處理IF1共滴水5次，其中，第一次灌水結(jié)束24 h后，濕潤鋒運移深度不足10 cm，5次滴水結(jié)束24 h后，濕潤鋒運移至30cm處。處理IF2中，濕潤鋒隨灌水次數(shù)的增加不斷加深，最終也運移至30 cm處。IF3和IF4的滴水次數(shù)少，但單次滴水量大，水分蒸發(fā)損失少，濕潤鋒運移深度均達到 40 cm。

圖1 土壤水分分布

由圖1可知，單次滴水量對土壤入滲深度的影響要大于滴水次數(shù)對入滲深度的影響。根據(jù)土壤入滲理論可知[10]，土壤導水率隨土壤含水率的增大而增大。對于處理IF1，由于其滴灌頻率高，滴水間隔時間短，土壤水分來不及充分再分布就開始又一次滴水，所以，每次滴水時的初始含水率增大，導水率增大，導致濕潤鋒運移逐步加深[如圖1(a)所示，為每一次滴水24 h后的含水率分布]。傳統(tǒng)上認為，灌水量超出土壤田間持水量時就會出現(xiàn)深層滲漏。對于處理IF4，單次滴水量大，土壤含水率超出了田間持水率(26.56%)，所以，該處理的入滲深度最大。這從土壤水分分布上也可以得到證明。處理IF1、IF2和IF3的土壤含水率隨滴水次數(shù)而逐步增大，最終在土層15 cm處形成峰值，分別為25.134 2%、25.798 1%、25.036 8%，但是都沒有超過田間持水率。而IF4的含水率峰值為27.092 7%，大于田間持水率。

2.2 滴水間隔天數(shù)對土壤水分分布的影響

試驗中，各處理的表土都存在蒸發(fā)，如圖2所示。但是，蒸發(fā)作用對土壤水分分布的影響隨著滴水間隔天數(shù)的延長而增大。

圖2 各處理試驗過程中表土蒸發(fā)強度

處理IF1和IF2的滴水間隔天數(shù)小，土壤水分的蒸發(fā)作用都不明顯，如圖1(a)和圖1(b)所示。處理IF1在5 cm土層處的含水率不僅沒有因為蒸發(fā)而減小，反而每次滴水前都在增大，相應(yīng)的土壤基質(zhì)吸力由0.409 kPa減小到0.007 kPa。處理IF2的表土蒸發(fā)強度很大，但是其5 cm深度處的土壤含水率只在第二次滴水前有所減小，而第三次滴水時則又重新接近初始狀況，相應(yīng)的基質(zhì)吸力為0.014 kPa。然而，處理IF3和IF4的滴水間隔天數(shù)長，水分蒸發(fā)作用就很明顯，如圖1(c)和圖1(d)所示。處理IF3滴水后48 h在5 cm土層處的含水率減少了3.220 8%～3.371 9%，相應(yīng)的土壤基質(zhì)吸力由0.011～0.012 kPa增大到0.502～0.545 kPa，0～30 cm土層的含水率都減少了；而處理IF4滴水后48 h在5 cm土層處的含水率減少了1.898 8%，滴水后72 h則減少了3.349 5%，相應(yīng)的基質(zhì)吸力由初期的0.001 kPa最終增大到0.052 kPa，0～40 cm土層的含水率都減少。

根據(jù)土壤蒸發(fā)理論[10]，滴水入滲使水分向土壤下層運移，而蒸發(fā)則使水分向土壤上層運移。但是，灌水結(jié)束的一定時段內(nèi)，土壤表面含水率很高，可以保持穩(wěn)定蒸發(fā)，不影響下層的水分運移趨勢，所以，表層以下的土壤水分仍然保持向下運移的“慣性”。當蒸發(fā)時間延長、土壤表層含水率不能夠維持穩(wěn)定蒸發(fā)時，上層土壤基質(zhì)吸力增大，土壤下層的水分開始向上層運移，使下層含水率降低，整個水分蒸發(fā)過程表現(xiàn)出一種“滯后”現(xiàn)象。因此，當?shù)嗡g隔天數(shù)短時，表現(xiàn)不出蒸發(fā)作用；當?shù)嗡g隔天數(shù)長時，蒸發(fā)作用強烈。

2.3 滴灌頻率對土壤鹽分運移的影響

各處理都反映出土壤鹽分隨著水分的入滲而向下移動，而且隨滴水次數(shù)的增加而運移深度增大。與土壤鹽分本底值相比(見表2)，土壤上層脫鹽，下層積鹽(見圖3)。但是，由于存在表土蒸發(fā)作用，當?shù)嗡g隔時間較大時，在2次滴水之間出現(xiàn)土壤鹽分上移返鹽現(xiàn)象[見圖3(c)和圖3(d)]。

雖然處理IF1和IF2單次滴水量小，土壤入滲深度相對較淺，淋洗鹽分的深度也淺，但是，由于IF1和IF2的滴水間隔時間短，表土蒸發(fā)對土層水分影響小，導致土壤鹽分持續(xù)受水分滲透的影響，隨滴水次數(shù)增加而被抑制在土壤下層。處理IF3和IF4的單次滴水量較大，更多的鹽分可以被溶解并被淋洗到深層，但是，IF3和IF4的滴水間隔時間相對較長，水鹽運移受到表土蒸發(fā)的作用明顯，滴水后48 h土壤鹽分均上移。然而，與土壤鹽分本底值相比，其上部仍處在脫鹽狀態(tài)，下部處在積鹽狀態(tài)，只是積鹽深度變淺。從圖1和圖3可以看出，處理IF3和IF4滴水入滲時將鹽分淋洗到土層深處；而在滴水間隔期間，蒸發(fā)作用使上部土壤含水率大幅度減小，導致上部土壤水分對鹽分的溶解能力下降，鹽分的對流運移速率也降低，所以上部土層的返鹽量較小(分別為2.138 3和3.344 0 g/kg)；相比較而言，下部土層的返鹽量較高(分別為12.579 6和21.951 8 g/kg)。

圖3 土壤鹽分變化過程

這表明滴灌頻率較高時，土壤鹽分主要向深層運移，抑鹽作用明顯；滴灌頻率較低時，土壤鹽分在深度方向上下波動，抑鹽作用降低，但是仍存在抑鹽作用。

2.4 滴灌頻率對抑鹽效果的影響

當累積滴水量均達到10 L時，為考慮蒸發(fā)返鹽作用取下一次滴水前測得的土壤鹽分作為分析數(shù)據(jù)，分析各處理的土壤鹽分狀態(tài)，從含鹽量相對變化幅度和積鹽深度兩個指標評估抑鹽效果。試驗顯示，各處理的脫鹽率相差不大，但是積鹽深度明顯不同(見表3)。

各處理表層土壤(0～10 cm)的脫鹽率相差不大。在土層10～20 cm處，第二次試驗的脫鹽率小于第一次試驗的脫鹽率，這是因為第二次試驗的土壤鹽分本底值就比第一次試驗的本底值小了約10 g/kg(見表2)，再加上該層的土壤水分小于表層土壤水分，鹽分在該層的對流運移速度小，所以整體上都比第一次試驗的脫鹽率小。

表3 各處理滴水10 L后土壤積(脫)鹽率 %

注：表中“+”為積鹽；“-”為脫鹽。

處理IF1和IF2的積鹽深度在20～30 cm之間；處理IF3的積鹽深度在30～40 cm之間；處理IF4的積鹽深度甚至可達到40 cm以下。這說明單次滴水量越大(滴灌頻率小)的處理，其抑鹽效果越好。這是因為單次滴水量越大，土壤鹽分被淋洗的深度越深；雖然，相應(yīng)的滴水間隔天數(shù)也長，表土蒸發(fā)作用大，但是，由于淺層土壤水分蒸發(fā)散失后其含水率明顯降低，土壤鹽分的對流運移速度降低，所以蒸發(fā)返鹽量有限，主要表現(xiàn)為下層積鹽深度變淺。

3 討 論

前人的研究顯示，高頻滴灌對土壤鹽分有抑制作用[11,12]；也有研究顯示，由于高頻滴灌單次灌水量少，土壤鹽分淋洗較淺，很容易出現(xiàn)蒸發(fā)返鹽現(xiàn)象[8]。本文在不考慮地下水埋深和地下水補給的影響情況下，試驗得出高頻滴灌具有抑鹽的效果；滴水間隔期間存在蒸發(fā)返鹽現(xiàn)象，這與前人的研究結(jié)果一致。但是，進一步的研究分析發(fā)現(xiàn)，土壤蒸發(fā)返鹽受滴水間隔天數(shù)影響。只有當?shù)嗡g隔天數(shù)較長時，才有明顯的蒸發(fā)返鹽現(xiàn)象；而當間隔天數(shù)較短時，盡管地表有蒸發(fā)作用，土壤卻沒有返鹽現(xiàn)象。這可能是由于滴水時土壤表層鹽分被淋洗到下層(脫鹽)，表層含鹽量明顯減少；而滴水剛結(jié)束時土壤表層含水率高，表土處在穩(wěn)定蒸發(fā)階段，對下層土壤水分運動沒有影響；當表土含水率明顯減少并開始影響下層土壤水分時，又開始了新一輪滴水，土壤始終沒有返鹽的機會，鹽分一直向下層運移。即便滴水間隔天數(shù)較長時有蒸發(fā)返鹽現(xiàn)象，其上層土壤的返鹽量也是有限的，只是下層的積鹽深度變淺。這可能是由于較大的單次滴水量將鹽分淋洗得較深[13]，而上層土壤水分蒸發(fā)后鹽分對流運移速度減小，使得上層土壤蒸發(fā)返鹽量不大，再加上滴水時上層土壤含鹽量減少，總體上土壤上層是處在脫鹽狀態(tài)。

對比各處理滴水脫鹽和蒸發(fā)返鹽過程可以發(fā)現(xiàn)，鹽分在對流運移條件下運移和積累較快，如果沒有地下水的補充，土壤上層在滴水時的脫鹽幅度比蒸發(fā)時的返鹽幅度大，而下層返鹽幅度相對較大。因為蒸發(fā)時上層土壤的含水率減少，限制了鹽分向上層的對流運移，而下層土壤含水率相對較高，可使鹽分上移。

單從滴灌抑鹽效率的角度來分析，在一定的地表蒸發(fā)強度條件下，單次滴水量與滴水間隔天數(shù)之間應(yīng)該存在一定的協(xié)調(diào)關(guān)系，這樣才能保持土壤鹽分被持續(xù)抑制在土壤深層而沒有明顯的返鹽現(xiàn)象。而它們兩者之間的關(guān)系應(yīng)該是設(shè)計鹽堿地上滴灌灌水制度的理論依據(jù)之一。

4 結(jié) 語

本文通過以上試驗和詳細分析，揭示了高頻滴灌抑鹽的詳細過程，較為深入的闡明了抑鹽機理，得到以下結(jié)論。

(1)高頻滴灌時，滴水可使土壤鹽分即刻向下層運移即鹽分向下運移速度快，而蒸發(fā)不會使土壤鹽分即刻向上層運移即此時鹽分向上運移速度較慢；只有滴水間隔天數(shù)較大時(大于2 d)，鹽分才會沿土層垂直方向上、下波動。

(2)高頻滴灌的抑鹽作用主要取決于單次滴水量，單次滴水量越大，土壤鹽分淋洗的越深，抑鹽效果越好。

(3)在沒有地下水補充和地表蒸發(fā)不強烈的情況下，滴水間隔天數(shù)所造成的蒸發(fā)返鹽量有限，只是土壤下層積鹽深度變淺，而土壤上層仍處在脫鹽狀態(tài)；甚至當?shù)嗡g隔天數(shù)較小時(小于2 d)，土壤鹽分持續(xù)向下層運移，沒有蒸發(fā)返鹽現(xiàn)象。

[1] 呂殿青，王全九，王文焰. 滴灌條件下土壤水鹽運移特性的研究現(xiàn)狀[J]. 水科學進展，2001，12(1)：107-112.

[2] 楊鵬年，董新光，劉 磊，等. 干旱區(qū)大田膜下滴灌土壤鹽分運移與調(diào)控[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2011，(12)：90-95.

[3] 王海江，崔 靜，王開勇，等. 綠洲滴灌棉田土壤水鹽動態(tài)變化研究[J]. 灌溉排水學報，2010，(1)：136-138.

[4] Mmolawa K, Or D. Root zon solute dynamics under drip irrigation: a review[J]. Plant and Soil, 2000,222(1):163-190.

[5] Behera S K, Panda R K. Effect of fertilization and irrigation schedule on water and fertilizer solute transport for wheat crop in a sub-humid sub-tropical region[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2009,130(3/4):141-155.

[6] Reedy O C, Jardine P M, Wilson, et al. Quantifying the Diffusive mass transfer of nonreactive solutes in columns of fractured saprolite using flow interruption[J]. Soil Science Society of America Journal, 1996, 60(5):1 376-1 384.

[7] Mermoud A, Tamini T D, Yacoub H. Impacts of different irrigation schedules on the water balance components of an onion crop in a semi-arid zone[J]. Agricultural Water Management, 2005,77(1/3):282-295.

[8] Imtiyaz M, Mgadla N P, Chepete B, et al. Response of six vegetable crops to irrigation schedules[J]. Agricultural Water Management, 2000,45(3):331-342.

[9] 劉 鈺. 微型蒸發(fā)器田間實測麥田與裸地土面蒸發(fā)強度的試驗研究[J]. 水利學報，1999，(6)：45-50.

[10] 雷志棟，楊詩秀，謝森傳. 土壤水動力學[M]. 北京: 清華大學出版社，1988：77-160.

[11] 張 磊，曾勝和，馬軍勇. 灌水頻率對膜下滴灌水稻土壤水鹽分布及產(chǎn)量的影響[J]. 西北農(nóng)業(yè)學報，2014，23(23)：74-79.

[12] 張 瓊,李光永,柴付軍. 棉花膜下滴灌條件下灌水頻率對土壤水鹽分布和棉花生長的影響[J]. 水利學報，2004，(9)：123-126.

[13] 李 毅，邵明安，王文焰. 有限深土體中再分布的土壤水鹽運移試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2004，20(3):40-43.