图1 取样位置示意图
李朝阳1,2，王兴鹏1,2，杨玉辉1,2，董晓梅1,2
（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）
摘 要：为探明微润灌对土壤水盐运移的影响，以南疆盐碱土微润灌为研究对象，采用室内模拟试验，分析了不同水头压力（1、1.5、2、2.5m）条件下微润灌土壤水盐分布特征。结果表明，水头压力较低，水分水平扩散距离较小，土壤湿润区形状明显为椭圆形，随着水头压力的增大，水分水平扩散距离与垂直入渗距离逐渐接近，湿润区形状呈现由椭圆形向圆形转化的趋势；不同水头压力下湿润区位置均表现为在水平方向上以微润带埋设位置为中心，呈左右对称关系；垂直方向上土壤湿润区主要集中在微润带以下位置；提高水头压力，可以有效增大土壤湿润区面积及湿润体内土壤含水率；不同水头压力下均表现为以微润带为中心，形成土壤脱盐区，土壤盐分聚集在湿润锋附近；低水头处理，湿润区内土壤得不到有效淋洗，土壤脱盐区面积较小及脱盐率相对较低；高水头处理，盐分随水分运移至表层和深层土壤，扩大了土壤脱盐区面积，并且提高了土壤脱盐率，水头压力越高，该现象越明显。
关键词：盐碱土；水头压力；微润灌；土壤水盐
微润灌溉技术是一种连续微灌技术，是应用半透膜技术的一种全新地下精确灌溉技术，属于局部灌溉[1]。将微润带埋设在作物根系附近，利用微润带内外水势梯度差，根据作物需水要求，以缓慢出流的方式为作物根区自动、适时、适量地连续供水，实现对植物全生育期的持续灌溉，具有抗堵塞性能强、运行成本低的特点[2-3]。微润灌溉实现了在作物全生育期内的连续灌溉，在灌溉方式上区别于地面灌溉、喷灌、渗灌、滴灌等间歇式灌溉。已有研究表明，在相同入渗时间内，微润灌溉土壤湿润锋运移距离随土壤体积质量的增大而减小，砂土、壤土的适宜埋深为20cm，黏土的适宜埋深为10cm[4-5]。土壤初始含水率对微润灌溉线源扩散有较大的影响，湿润锋推进速率、地表湿润时间随着初始含水率的增大而增大，并与灌水时间呈幂函数关系[6]。不同微润灌溉给水器均能使各土层土壤水分保持在田间持水率上下，为植物根系提供较好土壤水分环境[7]。微润灌溉能够显著提高作物水分利用效率和作物产量[8-9]。利用微咸水进行微润灌溉，当灌溉水矿化度为3g/L时，微润灌溉湿润体湿润锋运移速率最大[10]。已有研究主要集中在微润灌溉土壤水分运移特性等方面，但是利用微润灌溉针对盐碱地进行水盐调控方面的研究，目前鲜有报道。为此，以盐碱土微润灌为研究对象，探讨不同水头压力对微润灌土壤水盐运移规律的影响，以期为微润灌溉技术在盐碱地上的推广和应用提供一定的理论依据。
试验于2016年6—10月在塔里木大学节水灌溉试验基地进行。该区处于塔克拉玛干沙漠南缘，地理位置为东经80°51′，北纬40°37′,多年平均气温为 10～11 ℃，多年平均降水量为50～70mm，全年蒸发量1 400～1 700mm。试验土壤取自塔里木沙漠边缘未开垦的荒地，取土深度从表层至40cm，土壤类型为砂壤土，土壤体积质量为1.4g/cm3，田间持水率为24%（体积含水率）。将取得的土壤经风干、碾压、均匀混合、过2mm筛后制成室内试验土样，混合后土壤初始含盐量为29.5g/kg，以钠离子、氯离子和硫酸根离子为主。将处理好土样按照原始体积质量分层装入土槽内，5cm为1层，层间打毛，以利于充分结合。土槽尺寸：120cm×60cm×60cm(长×宽×高)，装土高度为50cm。试验共设计4种水头压力：1、1.5、2、2.5m，利用马氏瓶提供恒定水头，微润带埋深15cm。
每个处理灌水时间均控制在72h，灌水结束后，沿微润带方向上选取3个断面，断面间距为25cm。在每个断面上以微润带铺设位置为参考位置0cm，沿垂直微润带方向的两侧5、10、15、20、25cm位置处进行取样，每个位置取样深度为0、5、10、15、20、25、30、35、40cm，取样位置示意图见图1。取样后利用烘干法测定土壤含水率，采用电导法测定土壤含盐量。
图1 取样位置示意图
不同水头压力必然影响微润带出流量，进而影响土壤湿润区范围及湿润体内土壤含水率。针对微润灌在不同水头压力下进行室内模拟试验，分析土壤含水率在水平及垂直方向上的分布规律。如图2所示。
图2 不同水头压力土壤水分分布（单位：%）
从图2可以看出，不同压力水头下土壤湿润区形状、湿润区位置及湿润体内土壤含水率截然不同。水头压力为1m时，土壤湿润区形状近似为椭圆形，水平扩散距离小于垂直入渗距离。随着水头压力的提高，湿润区形状呈现由椭圆形向圆形转化的趋势，水平扩散距离与垂直入渗距离相差不大。分析认为，微润带出流量受到水头压力和土壤吸力的双重影响，水头压力较低，水分在重力作用下以垂直入渗为主，水平扩散速率小于垂直入渗速率，导致湿润区形状呈现椭圆形。随着水头压力的增大，微润带出流量加大，灌水初期，由于土壤含水率较低，水分以垂直入渗为主，但随着灌水时间的延长，垂直剖面土层土壤含水率逐渐增大，土壤吸力逐渐减弱，由于水平方向土壤含水率较低，土壤吸力相对大于垂直方向土壤，导致水平扩散速率相对大于垂直入渗速率，最终水平扩散距离与垂直入渗距离差距逐渐减小，湿润区形状由椭圆形向圆形转化。
不同水头压力下微润灌土壤湿润区位置均表现为以微润带为中心，左右呈对称关系，垂直方向上主要集中在15cm土层以下，同时15cm以下土层土壤含水率较高。分析认为，微润带二侧土壤水分扩散条件一致，二侧土壤含水率相差较小，相对提高了灌水均匀度。垂直方向上，水分在重力的作用下，向下入渗速率大于向上运移速率，导致土壤湿润区位置主要集中在微润带埋深以下土层。1m水头压力下，土壤最大含水率为20.31%，水平扩散距离仅为15cm，湿润区面积相对较小。1.5m和2m水头压力下，湿润体内最大土壤含水率增大到23.2%和24.28%，水平扩散距离增大至20cm，湿润区面积有所提高。2.5m水头压力下，土壤最大含水率达到26.16%，同时水平扩散距离增大至25cm，湿润区面积显著提高。说明水头压力的提高，促进了水分在各个方向上的运移距离，可有效提高湿润区面积及湿润体内的土壤含水率。
此外，2m和2.5m水头压力下，表层和40cm土层土壤湿润区范围均达到10～15cm，同时该区域内土壤含水率较高，表层土壤含水率分别为10.58%和12.41%，垂直方向上40cm土层土壤含水率分别为14%和19.29%。1m和1.5m水头压力下，表层和40cm土层土壤湿润区范围及土壤含水率均较小，其中1、1.5m水头压力下表层土壤含水率仅为0.54%和3.35%，垂直方向上40cm土层土壤含水率仅为3.23%和2.36%。说明表层及40cm土层土壤湿润区范围及土壤含水率与水头压力呈正比关系，水头压力对浅层及深层土壤湿润程度有直接的影响。水头压力过低，土壤湿润区面积及土壤含水率较小，必然影响作物根系分布和水分的吸收，水头压力过大，虽然有效增大了土壤湿润区面积及土壤含水率，但导致浅层土壤和深层土壤含水率较高，造成水分无效蒸发和深层渗漏，降低了灌水利用率。这与牛文全[11]对微润灌水分运移特性的研究结果一致，但由于作者以垂直入渗距离达到20cm后立即停止灌水，得出微润灌会造成浅层土壤水分无效蒸发，并没有延长灌水时间，发现微润灌亦会造成水分深层渗漏的结果。因此，利用微润灌技术，针对不同的作物，应选取合适的水头压力，使得作物根系分布与土壤湿润区范围相适应，降低土壤水分的无效损失，提高水分利用效率。
土壤盐分迁移一般随着土壤水分的运动而迁移。不同水头压力下，土壤水分运移不同，必然导致土壤盐分呈现不同的空间分布特征。不同水头压力土壤盐分在水平及垂直方向分布，如图3所示。
图3 不同水头压力土壤盐分分布
从图3可以看出，不同水头压力下，微润灌土壤盐分再分布均表现为以微润带为中心，形成脱盐区，1m水头压力下，土壤脱盐区范围最小，水平方向为0～5cm，垂直方向为10～25cm，水平方向脱盐区域小于垂直方向，土壤盐分主要集中在30cm土层。水头压力增大至1.5m，土壤脱盐区范围，水平方向上为0～10cm，较1m水头压力时有所扩大，垂直方向为10～25cm，与1m水头压力时一致，但土壤积盐位置有所下移，主要分布在30～35cm土层，表层土壤含盐量略有升高，浅层土壤有积盐现象。水头压力增加到2m，土壤脱盐区面积进一步增大，水平方向为0～15cm，垂直方向为5～30cm。水头增大到2.5m，整个取样控制区土壤盐分均发生明显变化，与低压力水头相比，浅层土壤积盐现象严重，微润带埋设位置以下直至35cm土层土壤含盐量明显降低，水平方向0～20cm，垂直方向10～35cm土层形成脱盐区，土壤盐分主要集中在40cm及以下土层，水平方向脱盐区域与垂直方向相差不大。充分表明水头压力的大小直接影响土壤脱盐区面积。
经计算，1、1.5、2和2.5m水头压力下脱盐区内土壤平均含盐量分别为16.15、14.42、12.58、11.49g/kg，平均脱盐率为45.3%、51.9%、57.4%和61.1%。说明利用微润灌进行水盐调控，随着水头压力的提高，脱盐区内土壤平均含盐量逐渐降低，脱盐率逐渐升高。水头压力越高，脱盐效果越明显。
通过上述分析可知，土壤脱盐区范围与土壤湿润体表现规律一致，即均随着水头压力的提高逐渐增大，但脱盐区内土壤含盐量与湿润体内土壤含水率呈反比关系，即距离微润带越近，土壤含盐量越低，距离较远的区域，含盐量较高，土壤盐分主要聚集在湿润锋附近。这与王全九[12]对膜下滴灌盐碱地水盐运移特征的研究结果类似，但滴灌属于间歇性灌溉，灌水结束后，土壤盐分在蒸发的作用下逐渐向上运移，土壤脱盐区出现返盐现象，对作物生长不利，而微润灌作为持续性灌溉，在水分不断的淋洗作用下，对土壤形成持续性驱盐，可为作物正常生长提供有利的低盐环境。
1）水头压力对湿润区形状、面积及湿润体内含水率影响较大，对湿润区位置影响较小。水头压力较低，水分水平扩散速率较小，土壤湿润区形状明显为椭圆形，随着水头压力的增大，湿润区形状呈现由椭圆形向圆形转化的趋势。
2）不同水头压力下湿润区位置均表现为在水平方向上以微润带埋设位置为中心，左右呈对称关系，相对提高了灌水均匀性。提高水头压力，可有效增大土壤湿润区面积和土壤含水率，但易导致浅层土壤和深层土壤含水率较高，造成水分无效蒸发和深层渗漏，降低了灌水利用率。
3）不同水头压力下微润灌均表现为以微润带为中心，形成有效的土壤脱盐区，土壤脱盐区面积及脱盐率与水头压力呈正相关关系。土壤盐分在灌水作用下主要聚集在湿润锋附近，水头压力较低，湿润区面积较小，湿润区内土壤得不到有效淋洗，土壤盐分淡化区面积及脱盐率相对较低。随着压力水头的提高，土壤湿润区面积明显增大，在大量水分的运移过程当中，湿润区内土壤盐分受到淋洗作用更加明显，盐分随水分运移至表层和深层土壤，不仅扩大了土壤脱盐区面积，同时提高了土壤脱盐率。在生产实际中，针对不同的作物或在作物不同生育期阶段，采取合适的水头压力有效控制土壤湿润区及脱盐区范围，既可为作物根系始提供适宜的水盐环境，又可实现节水的目的。
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Impact of Water Pressure on Water Flow and Salt Movement in Soil under Moistube Irrigation
LI Zhaoyang1，2,WANG Xingpeng1，2,YANG Yuhui1，2,DONG Xiaomei1，2
(1.College of Water Resource andArchitectural Engineering,Tarim University,Alar 843300,China；2.Key Laboratory of ModernAgricultural Engineering，Xinjiang UygurAutonomous Region,Alar 843300,China)
Abstract:Taking the salinized soil in south of Xinjiang as an example,we experimentally investigated water flow and salt movement in soil under moistube irrigation at different water pressures(1m,1.5m,2m and 2.5m water head,respectively)in laboratory.The results showed that at low water pressure,the spatial distribution of water in the soil was elliptical.With water pressure increasing,the impact of gravity fades away and the distances the water moved in the vertical and the horizontal directions were close and the spatial distribution of water was approximately circular.Under all water pressures,the soil moisture distributions were spatially symmetric around the vertical line crossing where the moistube was located,with the soil just underneath the moistube mostly wetted.Increasing water pressure led to an increase in wetting area and soil moisture content.Under all water pressures,the soil in the wetting zone was desalinized and the dissolved salt accumulated at the wetting fronts.Under low water pressure,however,only part of the salt within the wetting zone was dissolved and leached.With water pressure increasing,the dissolved salt was leached to deep soil and moved upward to the surface soil.
Key words:saline-alkali soil;water head pressure;moistube irrigation;soil water and salt
中图分类号：S275
文献标志码：A
doi：10.13522/j.cnki.ggps.2017.06.005
责任编辑：赵宇龙
李朝阳，王兴鹏，杨玉辉，等.不同水头压力的微润灌对土壤水盐运移的影响[J].灌溉排水学报，2017，36（6）：22-26.
文章编号：1672-3317（2017）06-0022-05
收稿日期：
基金项目：国家自然科学基金项目（51469029）；塔里木大学校长基金项目（TDZKQN201512）；塔里木大学现代农业工程重点实验室开放课题（TDNG20160601）
作者简介：李朝阳（1986-），男。讲师，主要从事农业高效用水理论与新技术研究工作。E-mail:lizhaoyang2i1@163.com
通信作者：王兴鹏（1978-），男。副教授，主要从事极端干旱荒漠区农业水土环境和节水灌溉方面的研究工作。E-mail:sjywxp@taru.edu.cn