滴灌條件下排水暗管間距對(duì)土壤鹽分淋洗的影響

王振華 衡 通 李文昊 張金珠 楊彬林 姜昱杉

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院， 石河子 832000； 2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 石河子 832000)

滴灌條件下排水暗管間距對(duì)土壤鹽分淋洗的影響

王振華1,2衡 通1,2李文昊1,2張金珠1,2楊彬林1姜昱杉1

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院， 石河子 832000； 2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 石河子 832000)

在滴灌淋洗條件下設(shè)計(jì)暗管排水試驗(yàn)，研究暗管不同埋設(shè)間距(15、20、25 m)對(duì)土壤剖面鹽分分布及脫鹽淋洗效果的影響。結(jié)果表明:滴灌淋洗期間，0～70 cm土層含鹽量顯著降低，與CK相比，試驗(yàn)地不同地段土壤平均含鹽量減少10 g/kg以上。從暗管上方至相鄰暗管中點(diǎn)位置處不同剖面土壤平均脫鹽率逐漸減小，15、20、25 m間距小區(qū)在0～100 cm埋深土壤中點(diǎn)位置處最大脫鹽率分別為84.01%、77.75%、73.98%，土壤整體脫鹽率介于51.82%～60.43%之間。吸水管埋管間距越小，小區(qū)暗管排水階段排水流量越大，排水礦化度、電導(dǎo)率也越大，但成本會(huì)略高。15 m間距相比20、25 m間距小區(qū)每公頃多投入的成本和平均脫鹽率差值分別為8 430、12 570元和4.78%、8.61%；15 m間距暗管處理在水平距離暗管0、5、7.5 m處土壤脫鹽率最大值分別為86.47%、85.15%、84.01%，且排水期間排水流量、礦化度、電導(dǎo)率最大，分別為2 m3/h、189.15 g/L和35.9 mS/cm；土壤鹽分淋洗效果優(yōu)于20、25 m間距小區(qū)，淋洗相同鹽分含量土壤所需灌水量也低于20、25 m間距；2次灌水后0～70 cm土層鹽分整體已降至10 g/kg以下，作物生長(zhǎng)條件大為改善，適宜作為指導(dǎo)新疆鹽漬土改良滴管條件下暗管間距布設(shè)參數(shù)的依據(jù)。

鹽堿土； 滴灌； 暗管排水； 脫鹽率； 淋洗

引言

新疆是以農(nóng)田灌溉為主導(dǎo)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展體系，水資源嚴(yán)重匱乏，全疆農(nóng)業(yè)用水僅為全國(guó)平均值的74.16%[1]，土壤鹽漬化問(wèn)題日益突出[2]，鹽堿荒地面積達(dá)2.81×107hm2[3]，占中國(guó)鹽堿地總面積的1/3。水資源短缺和土壤鹽堿化已成為威脅新疆農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和綠洲生態(tài)環(huán)境的重要因素[4-5]，嚴(yán)重制約新疆經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。節(jié)水控鹽技術(shù)對(duì)鹽堿地抗性較強(qiáng)，對(duì)農(nóng)業(yè)具有節(jié)水、增產(chǎn)作用，一定程度上可以抑制淺層根區(qū)鹽分的累積，從膜下滴灌技術(shù)推廣至今，應(yīng)用面積已突破2×106hm2[6]。膜下滴灌只是調(diào)節(jié)作物根系層的鹽分，無(wú)法從本質(zhì)上將其排出土體，長(zhǎng)期滴灌使土壤鹽分向濕潤(rùn)峰邊緣處集中，耕層區(qū)土壤年均積鹽量達(dá)到0.36 g/kg，鹽分在田間土層的不斷積累[7-9]可能導(dǎo)致土壤積鹽爆發(fā)[10-11]，因此，有必要探索膜下滴灌條件下改良鹽堿地的模式或方法。

鹽堿地改良的方法主要包括水利改良(工程排水)、農(nóng)業(yè)改良(耕作和施肥)、化學(xué)改良(各類改良劑)、生物改良(耐鹽作物)等措施，運(yùn)用淡水沖洗配合暗管排水排鹽是最直接、最快捷、應(yīng)用范圍最廣的改良方式之一[12]，在世界各國(guó)鹽堿地改良過(guò)程中暗管排水發(fā)揮了極其重要的作用[13]。其研究重點(diǎn)為暗管布設(shè)參數(shù)[14]以及暗管排水后的水鹽平衡[15-17]問(wèn)題，但土壤次生鹽漬化嚴(yán)重，通常每隔幾年就必須進(jìn)行地面漫灌沖洗。KLADIVKO等[18]研究不同間距對(duì)硝態(tài)氮濃度、排水流量的影響，從而為改良土壤鹽漬制定適當(dāng)?shù)墓芾聿呗浴AHCECI等[19]研究發(fā)現(xiàn)干旱區(qū)鹽漬化農(nóng)田鋪設(shè)暗管排水系統(tǒng)3年后，表層土壤平均脫鹽率高達(dá)80%。RITZEMA等[20]通過(guò)農(nóng)業(yè)氣候、土壤性質(zhì)等條件確定暗管設(shè)計(jì)參數(shù)，認(rèn)為暗管排水系統(tǒng)是一種高度有效解決澇漬、鹽堿化危害問(wèn)題的方式，且成本回報(bào)率高，可以保障農(nóng)業(yè)灌溉資本投資的可持續(xù)性。我國(guó)自20世紀(jì)80年代引進(jìn)暗管排水以來(lái)取得了顯著的效果[21-22]，一些學(xué)者研究了暗管排水措施對(duì)鹽漬土淋洗改良的影響。張萬(wàn)鈞等[23]在天津?yàn)I海新區(qū)對(duì)暗管排鹽的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了不同暗管間距對(duì)土壤淋洗脫鹽效果的影響，為暗管排鹽技術(shù)的推廣起到重要推動(dòng)作用[24]。李顯溦等[25]通過(guò)軟件模擬和小區(qū)試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)排水暗管試驗(yàn)進(jìn)行了校驗(yàn)，為長(zhǎng)期規(guī)劃暗管排鹽策略提供了科學(xué)可靠的理論依據(jù)。

研究表明，暗管排水[26-27]可以有效降低農(nóng)田地下水埋深[28]、治理澇漬災(zāi)害[29]、排除鹽分，對(duì)提高作物產(chǎn)量都具有顯著效果[30]，但這些研究?jī)H反映了各種暗管排水措施對(duì)土壤改良的整體效果，不能直接看出不同地塊改良的效果。漫灌時(shí)控制區(qū)土壤與暗管水平距離越小，水力梯度越大，水分入滲強(qiáng)度越大，反之則越小[31-32]；漫灌灌水時(shí)間較短，導(dǎo)致地下水上升加劇并產(chǎn)生土壤次生鹽漬化危害，本質(zhì)上無(wú)法將鹽分從土壤內(nèi)部排出，需對(duì)其排鹽效率進(jìn)行改進(jìn)。本文在滴灌條件下，設(shè)計(jì)田間暗管排水排鹽試驗(yàn)，研究暗管不同間距對(duì)土壤空間鹽分分布的影響，以及在不同埋深位置處的脫鹽淋洗效果，以期為干旱區(qū)土壤鹽堿地改良和棄耕地恢復(fù)重建提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于沙灣縣安集海鄉(xiāng)北端,屬于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)141團(tuán)，地處85°21′E、44°36′N?？傄?guī)劃面積3.4 hm2，地勢(shì)南高北低，南北自然坡降0.24%。氣候特征為溫帶大陸性氣候,是典型的大陸性干旱荒漠氣候,年平均氣溫6.8℃，降水少(年降水量182 mm)，蒸發(fā)大(年蒸發(fā)量1 717.9 mm)。本試驗(yàn)選取地塊為常年絕收的棄耕土地，地下水埋藏較深(大于4 m)，淺層土壤含鹽量已達(dá)鹽土水平(大于20 g/kg)，土壤pH值為8.51，田間持水率為14.39%～27.58%。土壤類型及物理指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)包括4個(gè)小區(qū)(含未鋪管對(duì)照CK)，分別鋪設(shè)間距15、20、25 m的吸水管，暗管統(tǒng)一埋深0.7 m、長(zhǎng)度140 m，共8條暗管(圖1)。吸水管材質(zhì)為帶孔PVC單臂波紋管，管徑90 mm，開(kāi)孔縫隙小于等于1 mm，開(kāi)孔面積大于250 cm2/m2，設(shè)計(jì)坡降0.4%。排水管為PVC硬塑料管，管徑250 mm，設(shè)計(jì)坡降0.3%。

2016年3月初在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行暗管施工，4月末結(jié)束。施工前，試驗(yàn)地周圍打田埂，按平面布置測(cè)量放線。用輕型挖掘機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)深度開(kāi)挖管溝，每開(kāi)挖20 m檢查溝深與縱坡。隨后鏟平溝底，沿坡降方向鋪設(shè)包裹無(wú)紡布的吸水管，管周圍填粒徑小于等于4 cm的砂礫石，厚約20 cm，最后分層回填埋管。

表1 暗管試驗(yàn)區(qū)土壤類型及物理參數(shù)Tab.1 Soil type and physical parameter of pipe test area

圖1 暗管排水田間試驗(yàn)平面圖Fig.1 Plan of field experiment design of pipe

吸水管末端各設(shè)置一集水井，選用優(yōu)質(zhì)樹(shù)脂一體式集水井，并由排水管連接，匯入排水溝。除緊靠濾料30 cm的土料不需夯實(shí)外，其他均要分層夯實(shí)，除挖掘機(jī)施工外，其余工序均有人工作業(yè)完成。

試驗(yàn)地采用滴灌淋洗的方式，淋洗前60 d試驗(yàn)地進(jìn)行了深翻曬地。于6月初鋪設(shè)滴灌帶并播種油葵：采用“一管兩行”模式播種，供試油葵品種為KF366，株距10 cm，行距30 cm， 6月8日播種，6月15日出苗， 9月7日收獲前試驗(yàn)地再次進(jìn)行深翻犁地，油葵作育肥處理；滴灌毛管間距為90 cm，滴灌帶單孔出流量2.6 L/h，滴頭間距30 cm，一定時(shí)間后局部形成0～2 cm地表積水，灌溉水源為地表水(礦化度在0.8 g/L)；油葵生育期前后共進(jìn)行了2次滴灌淋洗，第1次淋洗日期6月8日，第2次淋洗日期9月8日，持續(xù)淋洗水量分別為1 150、1 227 mm；一次灌水共持續(xù)108 h，其中0～60 h為供水階段，灌水量為1 150 mm，22～108 h為排水階段(水鹽重分布階段，第22小時(shí)為首次排水時(shí)間)；第2次灌水從2016年9月9日開(kāi)始，共持續(xù)110 h，供水時(shí)長(zhǎng)64 h，灌水量為1 227 mm，暗管排水時(shí)長(zhǎng)為68 h。

1.3 數(shù)據(jù)的測(cè)定與處理

1.3.1 土樣處理

為得到試驗(yàn)地整體排鹽情況，選定3個(gè)小區(qū)中間的吸水管，分別在15 m間距小區(qū)與暗管水平距離0、5、7.5 m處，20 m間距小區(qū)與暗管水平距離0、5、10 m處，25 m間距小區(qū)與暗管水平距離0、5、10、12.5 m處以及未鋪設(shè)暗管對(duì)照區(qū)設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)。土樣分4次進(jìn)行，取土日期分別是2016年6月8日、6月17日、9月8日、9月20日。每次分層取0～3 cm、3～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm、100～120 cm、120～140 cm、140～160 cm、160～180 cm、180～200 cm共計(jì)11層土樣。

稱取10 g土樣經(jīng)風(fēng)干、粉碎、過(guò)1 mm篩后放入三角瓶中，加入50 mL蒸餾水，使用振蕩機(jī)振蕩三角瓶10 min，靜置15 min后進(jìn)行過(guò)濾，得到土水質(zhì)量比1∶5的浸提液,通過(guò)DDS-307型電導(dǎo)率儀測(cè)定浸提液電導(dǎo)率(EC)。用干燥殘?jiān)?biāo)定含鹽量與電導(dǎo)率之間的關(guān)系為

y=2.277EC-0.324 (R2=0.98)

(1)

式中y——土壤含鹽量，g/kgEC——電導(dǎo)率，mS/cm

土壤脫鹽率的計(jì)算式為

(2)

式中N——脫鹽率，%S1——土壤鹽分初始值，g/kgS2——灌水后土壤鹽分終值，g/kg

土壤滲透系數(shù)用Guelph1800K型入滲儀測(cè)定；田間持水率采用室內(nèi)測(cè)定法[33]；土壤容重采用環(huán)刀取原狀土測(cè)定；土壤粒徑分布采用LSI3320型激光粒度儀測(cè)定。其他指標(biāo)采用常規(guī)分析方法[34]。

1.3.2 水樣處理

監(jiān)測(cè)暗管排水流量并分別測(cè)定電導(dǎo)率、礦化度，監(jiān)測(cè)時(shí)間從吸水管排水階段開(kāi)始，每隔6 h測(cè)定一次。集水井內(nèi)空間狹小，為精確測(cè)量排水流量，利用取井水的原理：先用水槽在井下接水，計(jì)時(shí)器記時(shí)10 s，提上井以后倒入量筒，待水樣靜止后記錄量筒容量，重復(fù)4次，水槽容量為10 L,量筒規(guī)格分別為500、1 000、2 000 mL，最終排水流量為

Q=0.36V1

(3)

式中Q——排水流量，g/kgV1——10 s內(nèi)水槽中水樣體積，mL

蒸發(fā)皿洗凈并置于((180±3)℃)干燥箱中干燥2 h，放入干燥器中冷卻至室溫(20℃)后稱量，直至質(zhì)量恒定(2次稱量相差不超過(guò)0.000 5 g)。取適量水樣用玻璃砂芯坩堝抽濾, 用DDS-307型電導(dǎo)率儀測(cè)定浸提液電導(dǎo)率(EC)，并用移液器取過(guò)濾后水樣20 mL于蒸發(fā)皿中。將蒸發(fā)皿在((180±3)℃)干燥至質(zhì)量恒定并稱量。最終礦化度計(jì)算式為

圖2 暗管不同間距土壤鹽分剖面分布Fig.2 Profile distributions of soil salinity under different buried depths of pipe

(4)

式中ρ——水樣礦化度的質(zhì)量濃度，g/LV2——水樣體積，mLm0——蒸發(fā)皿的質(zhì)量,gm1——干燥后蒸發(fā)皿和礦化物的質(zhì)量，g

用Excel、SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，OriginPro完成制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同暗管間距對(duì)土壤鹽分的影響

滴灌條件下土壤鹽分隨土壤水流動(dòng)發(fā)生定向遷移[35]。圖2為暗管不同間距土壤鹽分剖面分布圖，可以反映2次灌水土壤鹽分具體水平、垂直方向遷移特征及過(guò)程:第1次灌水前，土壤長(zhǎng)期處于積鹽狀態(tài)，表層含鹽量較高，均大于20 g/kg，達(dá)到鹽土水平，在0～40 cm土層鹽分相對(duì)集中，含鹽量自上而下逐漸降低。首次灌水后，不同間距小區(qū)淺層土壤含鹽量出現(xiàn)不同程度降低，在滴灌水動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下，淺層鹽分向下層遷移，0～60 cm土層鹽分出現(xiàn)不同程度降低。第2次灌水后，0～70 cm鹽分總體降低，基本降至中度鹽化水平(6～10 g/kg)，與CK相比，試驗(yàn)地不同地段0～70 cm土層含鹽量平均減少10 g/kg以上。其中15 m間距小區(qū)含鹽量降幅最大，0～70 cm土層含鹽量由第1次灌水前的(6月8日)22.96 g/kg降至5.75 g/kg，達(dá)到輕度鹽化水平， 70 cm以下土層含鹽量變化不顯著，隨土層深度的增加土壤脫鹽效果明顯降低。各間距小區(qū)從吸水管上方至不同水平距離處田間各點(diǎn)土壤含鹽量變化特征明顯不同，以第2次滴灌淋洗后土壤鹽分變化為例，25 m間距小區(qū)距吸水管0、5、10、12.5 m處土壤鹽分變化差異明顯，特別是0～60 cm土層土壤，距吸水管0～7.5 m處土壤含鹽量從4.97 g/kg增加至11.06 g/kg，20 m間距小區(qū)距吸水管0、5、10 m處土壤鹽分變化差異也很明顯，距吸水管0 m處土壤含鹽量明顯低于其他2處，隨水平距離的增加，淺層土壤鹽分均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。15 m間距小區(qū)與吸水管相距0、5、7.5 m處在0～70 cm土層含鹽量降低較明顯，整體在10 g/kg以下。經(jīng)過(guò)2次灌水，暗管對(duì)深層(70 cm以下)土壤排鹽效果不顯著；由于地下水位較深(大于4 m)，所以其對(duì)土壤鹽分影響較小；在0～70 cm土壤中，不同間距小區(qū)土壤鹽分降低值從小到大順序?yàn)椋篊K、25 m、20 m、15 m；吸水管水平距離越近，每次淋洗土壤鹽分降低越明顯；吸水管間距越大，每次淋洗土壤含鹽量差異越大。

2.2 不同暗管間距對(duì)土壤脫鹽效果的影響

表2為2次淋洗結(jié)束后各間距吸水管土壤含鹽量與脫鹽率的分析結(jié)果。由于深層土壤受暗管排水影響不明顯，且變化差異較小，本文僅對(duì)0～100 cm深土體土壤含鹽量與脫鹽率進(jìn)行分析。2次灌水后，對(duì)照區(qū)(CK)未鋪設(shè)暗管及滴灌帶，各土層(0～100 cm)含鹽量仍處于較大值，其中0～60 cm土層含鹽量均在20 g/kg以上，60～100 cm土層含鹽量略低于0～60 cm以上土層，脫鹽率均為負(fù)值，呈現(xiàn)積鹽趨勢(shì)。相對(duì)于鋪管區(qū)(15、20、25 m間距小區(qū))，經(jīng)過(guò)2次滴灌淋洗，土壤脫鹽率在土體中自上而下逐漸降低，15、20、25 m間距小區(qū)在距離暗管不同剖面土壤最大脫鹽率分別為86.47%、84.79%、81.35%。各間距小區(qū)在水平距離0 m處土壤脫鹽率最大，中點(diǎn)位置處土壤脫鹽率最小，15、20、25 m間距小區(qū)在中點(diǎn)位置處的最大脫鹽率分別為84.01%、77.75%、73.98%。各間距排水暗管在0～20 cm土層平均脫鹽率均達(dá)到最大值，分別為85.23%、80.39%、76.92%。在0～100 cm土體中，不同間距排水暗管在距離暗管不同剖面土壤平均脫鹽率差異較小。15、20、25 m間距小區(qū)在0～100 cm土體中各剖面土壤平均脫鹽率分別為60.43%、55.65%、51.82%，從水平、垂直方向來(lái)看，呈現(xiàn)的趨勢(shì)由大到小依次為：15 m、20 m、25 m、CK。這表明土壤脫鹽率隨土壤間距的減小而變大，與暗管水平距離越近，脫鹽率越高，排水暗管間距對(duì)不同剖面土壤脫鹽效果影響較大。

表2 暗管不同間距土壤含鹽量與脫鹽率Tab.2 Soil salinity and desalting rate under different pipe spacings

表3為暗管施工試驗(yàn)綜合工程成本明細(xì)，工程總造價(jià)77 089元，其中 15、20、25 m間距小區(qū)每公頃投入成本分別為30 202、22 126、24 761元。由上文分析得出，各小區(qū)土壤平均脫鹽率為60.43%、55.65%、51.82%，根據(jù)數(shù)據(jù)可知：15 m間距相比20、25 m間距小區(qū)每公頃多投入的成本和平均脫鹽率差值分別為8 430、12 570元和4.78%、8.61%，同理20、25 m間距相比15 m間距小區(qū)平均每公頃多投入1 770、1 455元，土壤整體脫鹽率上升1%。這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及工程成本費(fèi)用結(jié)果表明，間距越小脫鹽效果越好，成本相對(duì)會(huì)高，但從距離暗管不同剖面、不同土層深度排鹽效果、實(shí)際排水情況來(lái)看，15 m間距實(shí)際工程應(yīng)用效果優(yōu)于20、25 m間距排水暗管。

表3 暗管施工試驗(yàn)綜合工程成本明細(xì)Tab.3 Cost analysis of construction project of underground pipe

注：工程費(fèi)用計(jì)價(jià)以本地實(shí)際價(jià)格為準(zhǔn)。

圖4 滴灌淋洗期間暗管不同間距礦化度、電導(dǎo)率動(dòng)態(tài)Fig.4 Dynamics of salinity and conductivity under different pipe spacings during drip irrigation leaching

2.3 暗管淋洗期間排水特征

圖3為暗管第1次淋洗期間不同間距小區(qū)排水流量動(dòng)態(tài)變化，從暗管進(jìn)入排水階段(首次排水)開(kāi)始，至最后一條吸水管停止排水共歷時(shí)90 h。各小區(qū)初始排水階段流量均呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，經(jīng)歷一段時(shí)間后達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)是排水流量的高峰，之后隨排水時(shí)間的推移流量逐漸減小，最終停止排水。15、20、25 m間距小區(qū)分別持續(xù)排水76、78、84 h， 25 m間距排水時(shí)間較長(zhǎng)，15 m間距小區(qū)分別比20、25 m間距暗管提前排水4、6 h；15 m間距排水流量最大，達(dá)到2 m3/h，經(jīng)歷36 h；20 m和25 m間距排水暗管流量差距不明顯，分別經(jīng)歷26、24 h，吸水管間距越小，排水階段流量越大。

圖3 滴灌淋洗時(shí)暗管不同間距小區(qū)排水流量動(dòng)態(tài)Fig.3 Dynamics of district drainage discharge under different pipe spacings

圖4為暗管第1次淋洗期間不同間距小區(qū)礦化度、電導(dǎo)率動(dòng)態(tài)變化曲線，礦化度表示水中所含無(wú)機(jī)礦物質(zhì)成分的總量(或總含鹽量)，電導(dǎo)率能反映水中離子含量，它們之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，實(shí)際電導(dǎo)率較大，不能直接用來(lái)描述礦化度，本文著重分析不同小區(qū)排水礦化度和電導(dǎo)率的動(dòng)態(tài)變化。排水階段3個(gè)小區(qū)排水礦化度較高，其中15 m間距暗管排水階段礦化度均處于150 g/L左右,排水12 h后達(dá)到峰值189.15 g/L，隨后逐漸降低，但整體礦化度均高于20、25 m間距小區(qū)。20 m間距暗管排水階段整體礦化度處于115 g/L左右，25 m間距所處地勢(shì)較低，在滴灌水流作用下，排水36 h后礦化度出現(xiàn)上升，達(dá)到109.37 g/L。排水階段電導(dǎo)率相比礦化度在不同間距小區(qū)差異更加明顯，總體均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，且初值最高；15 m間距吸水管電導(dǎo)率較高，介于33.1～35.9 mS/cm之間，且整體大于20、25 m間距電導(dǎo)率，但20、25 m間距小區(qū)的電導(dǎo)率分別在28.8、25.1 mS/cm以上。滴灌淋洗期間各小區(qū)暗管排水系統(tǒng)排水流量、礦化度和電導(dǎo)率變化特征表明，在暗管排水階段，吸水管間距越小，暗管排水系統(tǒng)脫鹽淋洗效率越高，土壤改良效率也越高。

2.4 鹽分淋洗曲線

鹽分特征曲線是由灌溉淋洗前后一定深度土壤鹽分與淋洗定額為變量構(gòu)建的方程，能反映土壤脫鹽規(guī)律和淋洗效果，根據(jù)淋洗曲線可以規(guī)劃特定的改良方案。淋洗曲線方程[35]為

(5)

式中Weo——淋洗前一定深度的土壤含鹽量，g/kgWe——淋洗后一定深度的土壤含鹽量，g/kgWep——淋洗平衡土壤含鹽量，g/kga、b——擬合參數(shù)Dw——灌溉淋洗水量，mmDs——淋洗土層深度，cm

本試驗(yàn)分別取0～20 cm、 0～40 cm、0～60 cm、0～70 cm土層深度；Wep一般以淋洗結(jié)束后0～5 cm土層土壤含鹽量表示;灌溉淋洗水量及土層深度取淋洗1 150 mm水量后表層0～5 cm的土壤含鹽量，近似為7.67 g/kg。

圖5為暗管淋洗期間不同間距小區(qū)土壤鹽分淋洗曲線，根據(jù)淋洗曲線可以看出，淋洗初期土壤鹽分含量較高，滴灌淋洗脫鹽效果也較好；淋洗后期隨著土壤鹽分的降低，淋洗效率明顯降低，此時(shí)置換土壤中同等含量鹽分需消耗更多淋洗水量。對(duì)3種間距小區(qū)進(jìn)行比較，在淋洗相同鹽分含量、相同土壤深度情況下，15 m間距小區(qū)使用的水量要小于20、25 m間距小區(qū)淋洗的水量，其決定系數(shù)分別為0.981、0.943、0.901，15 m間距小區(qū)擬合效果良好，對(duì)大田滴灌淋洗的改良應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

圖5 排水暗管不同間距土壤鹽分淋洗曲線Fig.5 Salt-leaching curves under different pipe spacings

3 討論

通過(guò)2次灌水，分析了暗管不同間距對(duì)滴灌條件下土壤鹽分空間分布的影響、脫鹽效果、工程經(jīng)濟(jì)效益及暗管淋排期間排水流量、礦化度和電導(dǎo)率動(dòng)態(tài)變化特征，針對(duì)滴灌棉田地下水埋深較大這一特點(diǎn)，漫灌淋洗時(shí)暗管無(wú)法有效排出根系層中的土壤鹽分，在原有澆灌系統(tǒng)上鋪設(shè)排水暗管改良鹽堿土，極大程度降低了土壤鹽分，使淺層土壤含鹽量降至10 g/kg以下中度鹽化水平，已經(jīng)達(dá)到改良荒地的階段性目的。

許多學(xué)者已通過(guò)設(shè)計(jì)暗管不同間距或埋深得到土壤脫鹽淋洗規(guī)律，總結(jié)出了適合研究區(qū)的灌排方案。張金龍等[36]研究暗管不同地段土壤經(jīng)過(guò)3次淋洗后0～1 m深土體土壤脫鹽率在56.54%～78.78%之間，認(rèn)為采用漫灌的方式對(duì)土壤進(jìn)行改良浪費(fèi)的水資源量較大。本試驗(yàn)經(jīng)過(guò)2次淋洗，在0～100 cm土層土壤脫鹽率介于51.82%～60.43%之間，小于其研究結(jié)果。劉玉國(guó)等[37]等針對(duì)滴灌棉田，設(shè)計(jì)不同鹽化地段上的暗管排水試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)土壤由表聚型向脫鹽型轉(zhuǎn)化，土壤表層鹽分脫鹽較快，中度鹽化土壤脫鹽率最高達(dá)到90.89%，且電導(dǎo)率變化范圍為7.53～11.16 mS/cm，本試驗(yàn)結(jié)果脫鹽率最大值達(dá)到86.47%，淺層土壤經(jīng)過(guò)2次淋洗含鹽量均低于10 g/kg，換算成電導(dǎo)率(式(1))為4.53 mS/cm，均小于其研究結(jié)果。田玉福等[38]首先通過(guò)暗管排水技術(shù)及農(nóng)業(yè)化學(xué)改良劑，針對(duì)松嫩平原蘇打堿土設(shè)計(jì)了4種間距暗管，研究各間距土壤表層滲透性、有機(jī)質(zhì)含量以及堿化度、鈉離子吸附比等理化性狀的影響，得到了最優(yōu)暗管間距和埋深參數(shù)，促進(jìn)了暗管改堿技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。根據(jù)最終土壤鹽分變化和用水量之間的關(guān)系，擬合得出淋洗曲線方程，15 m間距小區(qū)具有更高的淋洗效率，節(jié)水潛力及擬合結(jié)果較好，由此，淋洗曲線可用于指導(dǎo)大田滴灌淋洗條件下鹽漬土改良應(yīng)用。

綜上所述，通過(guò)設(shè)計(jì)不同間距的排水暗管試驗(yàn)可以明顯地反映研究區(qū)的土壤鹽分特征，并通過(guò)脫鹽淋洗效果得出最適宜的埋設(shè)方案。一般暗管排水[37-38]試驗(yàn)區(qū)域地下水位埋深小于等于2 m,試驗(yàn)區(qū)地下水位較深，除灌水時(shí)期外其他月份均不排水。暗管改良效果受灌水量及灌水次數(shù)的影響，為避免田面積水應(yīng)選擇合理輪灌，本試驗(yàn)區(qū)總體鹽分還處于中度鹽化水平，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)增加灌水次數(shù)，配合農(nóng)藝、化學(xué)改良，防止土壤次生鹽漬化，達(dá)到最終改良的目的。因此，通過(guò)滴灌淋洗條件下長(zhǎng)期應(yīng)用暗管排水技術(shù)的改良鹽堿地是值得進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

4 結(jié)論

(1)采用暗管排水技術(shù)配合滴灌淋洗下的農(nóng)田，土壤鹽分得到實(shí)質(zhì)性改善，2次灌水后，暗管排水階段性改良效果明顯。鹽分在持續(xù)滴灌灌水作用下逐漸向下層運(yùn)移，通過(guò)暗管排除土體，水平方向不斷向靠近暗管埋設(shè)的區(qū)域遷移，3個(gè)間距小區(qū)相鄰暗管中點(diǎn)位置處至暗管上方不同剖面土壤平均脫鹽率逐漸增加。

(2)經(jīng)歷2次灌水，0～70 cm土層含鹽量整體在10 g/kg以下，70 cm以下土層含鹽量變化不顯著。各小區(qū)脫鹽率由大到小依次為：15 m、20 m、25 m、CK，土壤脫鹽率受空間的影響較大，距離暗管越遠(yuǎn)，土壤脫鹽率越小。3個(gè)間距小區(qū)0～100 cm深土體剖面各點(diǎn)脫鹽率介于51.82%～60.43%之間，每公頃平均投入成本在35 370～47 940元之間，15 m間距小區(qū)每公頃成本略高。

(3)在滴灌淋洗基礎(chǔ)上，排水初期各小區(qū)流量爆發(fā)式增長(zhǎng)，隨后達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，此后逐漸降低，15 m間距小區(qū)排水階段流量最大，達(dá)到2 m3/h。排水期間礦化度處于較高水平，最高達(dá)到189.15 g/L，電導(dǎo)率介于25.1～35.9 mS/cm之間。

(4)根據(jù)淋洗曲線得到的擬合結(jié)果，滴灌條件下暗管間距在15 m時(shí)土壤脫鹽淋洗效果及節(jié)水潛力最好，初步認(rèn)為15 m間距適宜作為新疆鹽漬土暗管排水間距的布設(shè)參數(shù)。

1 王潔萍，劉國(guó)勇,朱美玲.新疆農(nóng)業(yè)水資源利用效率測(cè)度及其影響因素分析[J].節(jié)水灌溉, 2016(1):63-67. WANG Jieping, LIU Guoyong, ZHU Meiling. Measurement and influential factors of irrigation water use efficiency in Xinjiang[J]. Water Saving Irrigation, 2016(1):63-67.(in Chinese)

2 彭杰,劉煥軍,史舟,等.鹽漬化土壤光譜特征的區(qū)域異質(zhì)性及鹽分反演[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(17):167-174. PENG Jie, LIU Huanjun, SHI Zhou, et al. Regional heterogeneity of hyper spectral characteristics of salt-affected soil and salinity inversion[J]. Transactions of the CSAE, 2014, 30(17):167-174. (in Chinese)

3 劉新永,田長(zhǎng)彥.棉花膜下滴灌鹽分動(dòng)態(tài)及平衡研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2005,19(6):82-85. LIU Xinyong, TIAN Changyan. Study on dynamic and balance of salt for cotton under plastic mulch in South Xinjiang[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2005, 19(6):82-85. (in Chinese)

4 朱宏偉,夏軍,曹國(guó)棟,等.鹽漬化棄耕地土壤鹽分動(dòng)態(tài)及其影響因素[J].土壤,2013,45(2):339-345. ZHU Hongwei, XIA Jun, CAO Guodong, et al. Dynamic change of soil salinity in salinization abandoned farmland and affecting factors[J]. Soils, 2013, 45(2):339-345. (in Chinese)

5 潘旭東,楊樂(lè),張鳳華,等.瑪納斯河流域次生鹽漬化棄耕地全面生態(tài)重建的新理念[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2004,41(6):431-434. PAN Xudong, YANG Le, ZHANG Fenghua, et al. New conception on the overall ecosystem reconstruction of secondary salinization wasteland in Manas River valley[J]. Xinjiang Agricultural Sciences, 2004, 41(6):431-434. (in Chinese)

6 王振華,楊培嶺,鄭旭榮,等.新疆現(xiàn)行灌溉制度下膜下滴灌棉田土壤鹽分分布變化[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(8):149-159.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20140824&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.08.024. WANG Zhenhua, YANG Peiling, ZHENG Xurong, et al. Performance experiment on cyclone separating device based on off-centered inlet scoop[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(8):149-159. (in Chinese)

7 牟洪臣,虎膽·吐馬爾白,蘇里坦,等.干旱地區(qū)棉田膜下滴灌鹽分運(yùn)移規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(7):18-22． MU Hongchen, HU Dan·Tumaerbai, SU Litan, et al. Salt transfer law for cotton field with drip irrigation under mulch in arid region[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(7): 18-22. (in Chinese)

8 張偉,呂新,李魯華,等.新疆棉田膜下滴灌鹽分運(yùn)移規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(8):15-19. ZHANG Wei,Lü Xin, LI Luhua, et al. Salt transfer law for cotton field with drip irrigation under the plastic mulch in Xinjiang region[J]. Transactions of the CSAE, 2008, 24(8): 15-19. (in Chinese)

9 楊鵬年,董新光,劉磊,等.干旱區(qū)大田膜下滴灌土壤鹽分運(yùn)移與調(diào)控[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(12):90-95. YANG Pengnian, DONG Xinguang, LIU Lei, et al. Soil salt movement and regulation of drip irrigation under plastic film in arid area[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(12): 90-95. (in Chinese)

10 呂殿青,王全九,王文焰,等.膜下滴灌水鹽運(yùn)移影響因素研究[J].土壤學(xué)報(bào),2002, 39(6):794-801． Lü Dianqing,WANG Quanjiu, WANG Wenyan, et al. Factors affecting soil water movement and solute transport for film drip irrigation[J]. Acta Pedologica Sinica, 2002, 39(6): 794-801. (in Chinese)

11 田長(zhǎng)彥,周宏飛,劉國(guó)慶.21世紀(jì)新疆土壤鹽漬化調(diào)控與農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展研究建議[J].干旱區(qū)地理,2000,23(2):177-181. TIAN Changyan, ZHOU Hongfei, LIU Guoqing. The proposal on control of soil salinizing and agricultural sustaining development in 21’s century in Xinjiang[J]. Arid Land Geography,2000,23(2):177-181. (in Chinese)

12 李顯溦,左強(qiáng),石建初,等.新疆膜下滴灌棉田暗管排鹽的數(shù)值模擬與分析Ⅰ:模型與參數(shù)驗(yàn)證[J].水利學(xué)報(bào),2016,47(4):537-544. LI Xianwei, ZUO Qiang, SHI Jianchu, et al. Evaluation of salt discharge by subsurface pipes in the cotton field with film mulched drip irrigation in Xinjiang, China I: calibration to models and parameters[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2016,47(4):537-544. (in Chinese)

13 MASTROCICCO M. Contribution of the subsurface drainage system in changing the nitrogen speciation of an agricultural soil located in a complex marsh environment[J]. Agricultural Water Management, 2013, 119(3):144-153.

14 WISKOW E, VAN DER PLOEG R R. Calculation of darin spacings for optimal rainstorm floord control[J]. Journal of Hydrolgy, 2003, 274(1-4):163-174.

15 MOUSTAFA M M.A geostatistical approach to optimize the determination of saturated hydraulic conductivity for large scale subsurface drainage design in Egypt[J]. Agricultural Water Management, 2000, 42(3):29-32.

16 PECK A J, HATTON T. Salinity and the discharge of salts from catchments in Australia[J]. Journal of Hydrology,2003,272(1-4):191-202.

17 MIRZAKHAYOT I,CHRISTOPHER M, LAMERS J P A, et al. The dynamics of groundwater table and salinity over 17 years in Khorezm[J]. Agricultural Water Management, 2011, 101(1):52-61.

18 KLADIVKO E J, FRANKENBERGER J R, JAYNES D B, et al. Nitrate leaching to subsurface drains as affected by drain spacing and changes in crop production system[J]. Journal of Environmental Quality, 2004,33(5):1803-1813.

19 BAHCECI I, NACAR A S. Subsurface drainage and salt leaching in irrigated land in south-east Turkey[J]. Irrigation and Drainage, 2008, 58(3):346-356.

20 RITZEMA H P, SATYANARAYANA T V, BOONSTRA J. Subsurface drainage to combat waterlogging and salinity in irrigated lands in India: lessons learned in farmers’ fields[J]. Agricultural Water Management, 2008, 95(3): 179-189.

21 馬力.利通區(qū)農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目區(qū)暗管排水運(yùn)行情況的調(diào)查[J].寧夏農(nóng)林科技, 2007(4):54,39.

22 周明耀.濱海鹽土地區(qū)暗管排水系統(tǒng)布置模式的研究[J].揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào):農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版,2000,21(3):34-38.

23 張萬(wàn)鈞,龍懷玉,郭育文.天津?yàn)I海園林綠化中鹽土治理的理論及工藝[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,22(5):40-44.

24 YU S H, LIU J T, LI Z X, et al. Mechanism of saline-alkali lands improvement of subsurface pipe drainage systems and agro ecosystem response[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012,20(12):1664-1672.

25 李顯溦,左強(qiáng),石建初,等.新疆膜下滴灌棉田暗管排鹽的數(shù)值模擬與分析Ⅱ:模型應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào),2016,47(5):616-625. LI Xianwei, ZUO Qiang, SHI Jianchu, et al. Evaluation of salt discharge by subsurface pipes in the cotton field with film mulched drip irrigation in Xinjiang, China Ⅱ: application of the calibrated models and parameters[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2016,47(5):616-625. (in Chinese)

26 陶?qǐng)@, 王少麗, 許迪,等. 改進(jìn)暗管排水技術(shù)淤堵防護(hù)措施試驗(yàn)研究[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2016, 47(6):187-192. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160624&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.06.024. TAO Yuan, WANG Shaoli, XU Di, et al. Experimental study of clogging defense measures for improved subsurface drainage[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(6):187-192. (in Chinese)

27 陶?qǐng)@, 王少麗, 許迪,等. 改進(jìn)暗管排水結(jié)構(gòu)型式對(duì)排水性能的影響[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2016, 47(4):113-118. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160416&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j. issn.1000-1298.2016.04.016. TAO Yuan, WANG Shaoli, XU Di, et al. Effect of structure-type on improved subsurface drainage performance[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(4):113-118.(in Chinese)

28 陳陽(yáng),張展羽,馮根祥,等.濱海鹽堿地暗管排水除鹽效果試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2014,33(3):38-41. CHEN Yang, ZHANG Zhanyu, FENG Genxiang, et al. Desalination of subsurface pipe drainage in saline-alkali land of coastal areas[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2014, 33(3):38-41.(in Chinese)

29 朱海波,俞雙恩,王君.沿海新墾區(qū)灌水和降雨條件下暗管排水洗鹽效果試驗(yàn)研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2015(2):99-104． ZHU Haibo, YU Shuang’en, WANG Jun. Experimental research on soil desalting by subsurface pipe drainage in new reclamation land of coastal areas under the condition of irrigation and rainfall[J]. China Rural Water and Hydropower, 2015(2):99-104．(in Chinese)

30 HENK R.Subsurface drainage to enable the cultivation of winter crops in consolidated paddy fields in Northern Iran[J]. Sustainability, 2016, 8(3):No.249.

31 CHAHAR B R, VADODARIA G P. Drainage of ponded surface by an array of ditches[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2008, 134(6):815-823.

32 VADODARIA G P. Steady subsurface drainage of homogeneous soils by ditches[J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers Water Management, 2008, 161 (6):303-311.

33 袁娜娜.室內(nèi)環(huán)刀法測(cè)定土壤田間持水量[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2014(9):184-184.

34 MMOLAWA K, OR D. Root zone solute dynamics under drip irrigation: a review[J]. Plant and Soil, 2000, 222(1):163-190.

35 KHOSLA B K. Salt leaching and the effect of gypsum application in a saline-sodic soil[J]. Agricultural Water Management, 1979, 2(3):193-202.

36 張金龍,張清,王振宇,等.排水暗管間距對(duì)濱海鹽土淋洗脫鹽效果的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(9):85-89． ZHANG Jinlong,ZHANG Qing,WANG Zhenyu, et al. Effect of subsurface drain spacing on elution desalination for coastal saline soil[J] . Transactions of the CSAE,2012, 28(9): 85-89. (in Chinese)

37 劉玉國(guó),楊海昌,王開(kāi)勇,等.新疆淺層暗管排水降低土壤鹽分提高棉花產(chǎn)量[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(16):84-90． LIU Yuguo, YANG Haichang, WANG Kaiyong, et al. Shallow subsurface pipe drainage in Xinjiang lowers soil salinity and improves cotton seed yield[J]. Transactions of the CSAE, 2014, 30(16): 84-90. (in Chinese)

38 田玉福,竇森,張玉廣,等.暗管不同埋管間距對(duì)蘇打草甸堿土的改良效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(12):145-153． TIAN Yufu, DOU Sen, ZHANG Yuguang, et al. Improvement effects of subsurface pipe with different spacing on sodic-alkali soil[J]. Transactions of the CSAE, 2013, 29(12): 145-153. (in Chinese)

Effects of Drainage Pipe Spacing on Soil Salinity Leaching under Drip Irrigation Condition

WANG Zhenhua1,2HENG Tong1,2LI Wenhao1,2ZHANG Jinzhu1,2YANG Binlin1JIANG Yushan1

(1.CollegeofWaterandArchitecturalEngineering,ShiheziUniversity,Shihezi832000,China2.KeyLaboratoryofModernWater-savingIrrigationofXinjiangProductionandConstructionGroup,Shihezi832000,China)

In order to explore the water saving and efficient alkali-saline land pattern, the underground pipe drainage experiment was designed under the condition of drip irrigation to seek the effects of different buried spacings in the width of 15 m, 20 m and 25 m on salt distribution in soil profile and the desalination and leaching. The results showed that soil salinity in 0～70 cm soil layer was decreased significantly during the drip irrigation, and compared with CK the average salinity of soils was decreased by more than 10 g/kg. Different spacing widths of 15 m, 20 m and 25 m below 100 cm soil layer indicated different maximum soil desalination rates, which were 86.47%, 84.79% and 81.35%, respectively, and the total desalination rate of soil was between 51.82% and 60.43%. The smaller the spacing of the buried pipe was, the larger the drainage flow in the drainage and drainage salinity and conductivity were, and thus the cost would be slightly higher. However, compared with 20 m and 25 m, the actual investment was increase by 8 430 yuan/hm2and 12 570 yuan/hm2in the spacing of 15 m and the overall soil desalination rate was increased by 1%. When 15 m spacing drainage pipes in the horizontal distances of 0 m, 5 m and 7.5 m, the maximum soil desalting rate was 86.47%, 85.15% and 84.01%, respectively, and drainage flow, salinity and conductivity during drainage were 2 m3/h, 189.15 g/L and 35.9 mS/cm, respectively. Besides, soil salinity leaching curve fitting effect was better than 20 m and 25 m spacing area, and overall level of soil layer below 70 cm was fallen to below 10 g/kg and crop growth conditions were greatly improved, which was suitable as a parameter for the layout of the underground pipe drainage pipe of Xinjiang saline soil. These results revealed that the drip evolution mode had great importance for the underground pipe drainage salinity, laied the foundation for the following long-term research, ultimately achieved improvement goals, and met the conditions for the growth of the crops.

saline soils; drip irrigation; underground pipe drainage; desalination rate; leaching

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.029

2017-03-16

2017-06-03

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD20B03-3)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41361071)

王振華(1979—)，男，教授，博士，主要從事干旱區(qū)節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究，E-mail: wzh2002027@163.com

S278

A

1000-1298(2017)08-0253-09