燥紅土微咸水滴灌下水鹽運移規(guī)律的試驗研究

董麗艷，王衛(wèi)華

(昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院, 云南 昆明 650500)

隨著經(jīng)濟飛速發(fā)展，人口迅速增長，水資源日益劇減,尤其是淡水資源急劇減少,已成為不可忽視的問題，合理的利用水資源顯得尤為重要[1]。同時，由于工業(yè)和生活用水量比重不斷加大，導(dǎo)致可用的農(nóng)業(yè)灌溉水資源日益緊缺。為解決農(nóng)業(yè)灌溉水資源短缺的問題，除了提高淡水資源利用效率，還可以研究和開發(fā)利用早期認(rèn)為不適宜灌溉的劣質(zhì)水[2-4]，如微咸水。合理開發(fā)利用微咸水已成為緩解淡水供需緊張的一個重要舉措。由于微咸水中含有一定量的鹽分離子，用其灌溉必然會對作物及土壤帶來一定的影響。所以，采取適宜的灌溉方式及掌握灌溉后水鹽運移規(guī)律，這是合理利用微咸水的關(guān)鍵所在。

云南省地下水資源天然補給量為752.44×108m3·a-1，其中微咸水1.24×108m3·a-1，半咸水0.62×108m3·a-1，咸水3.11×108m3·a-1；全省地下水可開采量為177.63×108m3·a-1，初步統(tǒng)計實際開采量僅占可采資源量的3.53%，為6.28×108m3·a-1，地下水的利用率僅占全省地下水資源的0.85%[5]；加之地區(qū)分布差異較大，降水時空分布不均，干濕兩季差異明顯，人們節(jié)水意識不強；近年來由于自然、人為因素造成很多河流、湖泊及水庫水質(zhì)惡化，水量不斷減少，某些地區(qū)河流甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。因此，在云南紅土地區(qū)發(fā)展微咸水灌溉，提高水資源利用效率是非常有必要的。

前人研究結(jié)果表明利用，微咸水、咸水灌溉，與優(yōu)質(zhì)水灌溉相比減產(chǎn)不大。馬文軍[6]在河北省曲周縣對微咸水灌溉下褐土化潮土上的作物產(chǎn)量的影響研究，得出在微咸水灌溉下的冬小麥或玉米產(chǎn)量一般可以達(dá)到淡水灌溉下的85%～90%，并節(jié)約了60%～75%的淡水資源。滴灌是一種灌溉水分利用效率較高的灌溉方式，在微咸水灌溉中使用滴灌，鹽分主要分布在濕潤體邊緣，并且會在滴頭下方形成一個有利于作物生長的淡化區(qū)。吳忠東[7]在南皮生態(tài)試驗站，通過室內(nèi)一維土柱試驗研究了粉質(zhì)粘壤土在礦化度為3 g·L-1的微咸水灌溉下，灌水量對土柱各深度積鹽規(guī)律、不同深度土層平均含鹽量變化規(guī)律的影響；蒲勝海等[8]對新疆的砂壤土進(jìn)行了三維土箱的微咸水滴灌入滲試驗，得出利用微咸水滴灌能形成一個含水率較高且含鹽量較低的區(qū)域，為作物提供一個良好的水鹽環(huán)境。目前，國內(nèi)外學(xué)者對于微咸水灌溉后的土壤質(zhì)量、作物產(chǎn)量、土壤水鹽運移情況和灌溉制度等方面開展了大量研究[9-17]，但以上研究多基于干旱半干旱地區(qū)，供試土樣多為黃土、黑土和褐土，而水資源總量豐富但局部分布不均的云南紅土高原燥紅土微咸水滴灌下水鹽分布的研究卻鮮見報道。本文基于前人研究基礎(chǔ)，通過室內(nèi)三維土箱入滲試驗著重研究了云南燥紅土在不同礦化度、不同滴頭流量下，水平、豎直方向上水鹽分布規(guī)律、濕潤鋒運移痕跡、剖面含水率、含鹽量變化規(guī)律等，旨在構(gòu)建適合該地區(qū)的微咸水科學(xué)灌溉模式，為今后進(jìn)一步研究該地區(qū)微咸水灌溉對作物生長及產(chǎn)量影響的機理奠定基礎(chǔ)。

1 試驗內(nèi)容與方法

1.1 供試土樣

容重為1.2 g·cm-3的供試土樣經(jīng)過風(fēng)干、碾磨過2 mm的篩，采用馬爾文MS 2000激光顆粒分析儀測定土壤機械組成，采集10份土樣進(jìn)行分析，取其平均值。供試土樣質(zhì)地為：粉粒、砂粒、黏粒的體積百分含量分別為28.63%、16.80%、54.57%；并且利用國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)對供試土樣進(jìn)行分類，試驗使用的土壤類型為燥紅土，質(zhì)地類型為黏壤土；試驗測得該土壤飽和含水率為41 g·g-1，土壤初始含水率為0.03 g·g-1，初始含鹽量為0.04%；用離心機法測得容重為1.2 g·cm-3的紅壤土樣本含水率和相應(yīng)壓強間的關(guān)系，繪制出土壤水分特征曲線如圖1。

1.2 試驗設(shè)計

在容重1.2 g·cm-3、滴頭流量3.74 L·h-1下進(jìn)行不同礦化度的入滲試驗，采用去離子水與NaCl按一定配比分別配置3個礦化度水平，即：1(礦化度2.88 g·L-1)，2(礦化度4.86 g·L-1),3(礦化度8.33 g·L-1)；分別將這3個處理進(jìn)行單點源、雙點源入滲試驗，總計6個處理，各處理重復(fù)3次。

在容重1.2 g·cm-3、礦化度2.88 g·L-1條件下進(jìn)行不同滴頭流量的單點源入滲試驗，分別為：1(滴頭流量2.68 L·h-1),2(滴頭流量3.74 L·h-1)，3(滴頭流量4.68 L·h-1)，共3個處理，各處理重復(fù)3次。試驗結(jié)果采用各組數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行分析。

1.3 試驗裝置與測定項目

由土箱和供水系統(tǒng)構(gòu)成試驗裝置，利用蠕動泵控制滴頭流量，一定時間內(nèi)用量筒標(biāo)定流速。為觀察三維入滲下土壤水分運動的情況，本試驗采用40 cm×40 cm×40 cm玻璃土箱，每5 cm裝填1次土，夯實，層間打毛，裝土高度共計35 cm。單點源試驗中，把滴頭1放置在土箱一角處；雙點源試驗中，把滴頭1放置在圖2所示土箱的2個角部(2個滴頭1即是雙點源滴頭的位置)。從該角頂點處分別標(biāo)記與土箱邊壁成30°和60°位置線，不同時刻用彩色圖釘在所畫的線上標(biāo)記，方便記錄水平運移距離。試驗中采用先密后疏的時間間隔記錄數(shù)據(jù)，當(dāng)濕潤鋒邊界遷移到距土箱底部5 cm處時，試驗結(jié)束。不同時刻下在土箱側(cè)壁標(biāo)記濕潤鋒運移痕跡，試驗結(jié)束后于水平方向間隔10 cm，垂直方向間隔5 cm取土，直到濕潤鋒干濕交界處。雙點源試驗中，濕潤鋒干濕交界未達(dá)到距土箱底部10 cm處。烘干法測含水率。稱取烘干后過1 mm篩的土樣20 g，按5∶1的水土比進(jìn)行混合，用振蕩器振蕩搖勻5 min，過濾后得到清液，用DDSJ-308A型雷磁電導(dǎo)率儀測定土壤電導(dǎo)率值，利用標(biāo)定曲線得出土壤含鹽量。以下著重對垂直滴灌帶滴頭位置剖面、平行滴灌帶滴頭位置剖面和濕潤鋒交匯剖面等3個特征剖面(如圖2)的水鹽運移情況進(jìn)行分析。

圖1 土壤水分特征曲線Fig.1 Characteristic curve of soil moisture

2 結(jié)果分析

2.1 垂直滴灌帶滴頭位置剖面

1.滴頭；2.滴灌帶；3.平行滴灌帶滴頭位置剖面；4.濕潤鋒交匯剖面；5.垂直滴灌帶滴頭位置剖面1.Dripper;2.Drip tape;3.Parallel drip irrigation dripper position profile; 4.Wetting front intersection profile; 5.Vertical drip irrigation dripper position profile.圖2 土箱特征剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of dripping profile

2.1.1 單點源入滲下礦化度對濕潤鋒推進(jìn)速度的影響 為探討滴入不同礦化度的水后土體中水鹽受礦化度影響的變化規(guī)律，對土壤容重為1.2 g·cm-3，滴頭流量為3.74 L·h-1下不同礦化度對濕潤鋒推進(jìn)深度的影響進(jìn)行分析，如圖3。用多項式對濕潤鋒推進(jìn)深度與時間的關(guān)系進(jìn)行擬合，R2(相關(guān)系數(shù))均達(dá)到0.99以上，表明相關(guān)顯著。由圖3可看出，濕潤鋒推進(jìn)深度隨時間的變化趨勢較平緩，濕潤鋒推進(jìn)深度隨礦化度增大分別為21.5、22.4、22.78 cm。濕潤鋒的推進(jìn)速度隨著入滲水礦化度的升高而呈上升趨勢。歸因于入滲水鹽分提高有利于土壤團聚體的形成，降低了土壤顆粒間的排斥力，進(jìn)而增強了土壤膠體的紊凝性、增加了土壤大孔隙的比例，促進(jìn)水分在土壤中的入滲。這與蒲勝海等[8]的觀點相符：對新疆砂壤土進(jìn)行微咸水滴灌入滲試驗時，微咸水中含有一定量的鹽分離子，當(dāng)這些離子進(jìn)入土壤以后，與土壤膠體顆粒以及化學(xué)成分發(fā)生物理化學(xué)作用，使土壤結(jié)構(gòu)及孔隙特征發(fā)生變化，從而影響土壤的入滲特性。

2.1.2 單點源入滲下滴頭流量對濕潤鋒推進(jìn)速度的影響 對土壤容重為1.2 g·cm-3,礦化度為2.88 g·L-1不同滴頭流量下的微咸水滴灌濕潤鋒推進(jìn)深度進(jìn)行分析，如圖4所示，誤差棒浮動范圍比較均勻，說明樣本數(shù)據(jù)變異性較?。幌嗤葜?、相同礦化度下，隨滴頭流量的增加，濕潤鋒推進(jìn)深度增大，滴頭流量越大，濕潤鋒推進(jìn)深度的增幅也越大，隨著入滲時間的延長，濕潤鋒推進(jìn)速度在減緩。30～150 s時，滴頭流量2.68 L·h-1下濕潤鋒運移速率最快；150～870 s時，滴頭流量3.74 L·h-1下濕潤鋒運移速率比較穩(wěn)定，平均推進(jìn)速率達(dá)1.65 m·s-1,且?guī)缀醮笥?.68 L·h-1滴頭流量下濕潤鋒運移速率;870 s之后，3.74 L·h-1滴頭流量下濕潤鋒運移速率仍有部分大于4.68 L·h-1滴頭流量運移速率。3.74 L·h-1滴頭流量下濕潤鋒推進(jìn)深度比2.68 L·h-1滴頭流量下平均增加了0.55 cm，滴頭流量4.68 L·h-1下濕潤鋒推進(jìn)深度比3.74 L·h-1滴頭流量下的推進(jìn)深度平均增加了1.17 cm。一方面是由于微咸水具有增強土壤凝絮作用，增加大孔隙土壤的比例，從而有利于水分入滲；另一方面，由于滴頭流量的改變使土壤水勢發(fā)生變化，從而提高土壤的導(dǎo)水率。滴頭流量是滴灌設(shè)計中的重要技術(shù)參數(shù)，滴頭流量過小，土壤濕潤區(qū)域小，不能為作物根區(qū)提供必需的水分，滴頭流量過大會形成地表徑流，浪費灌溉用水。同時不同水質(zhì)下滴頭流量對濕潤體的影響也不相同[18-19]。最終濕潤鋒推進(jìn)深度均接近22 cm，相差不大，因此建議推廣使用3.74 L·h-1的滴頭流量。對于根系較短的淺層作物，在地表下10～15 cm，滴頭流量3.74 L·h-1下的水分運移速率比較穩(wěn)定，利于作物根系吸收利用水分，而對于根系較發(fā)達(dá)的深層作物，滴頭流量3.74 L·h-1和4.68 L·h-1下水分所能到達(dá)的土層幾乎一致。

圖3 不同礦化度下濕潤鋒推進(jìn)深度隨時間的變化曲線Fig.3 Wetting front advancing curve with time under different salinity

圖4 不同滴頭流量下濕潤鋒推進(jìn)深度隨時間的變化曲線Fig.4 Wetting front advancing curre with time under different dripper discharge

2.1.3 雙點源入滲下礦化度對水分分布特征的影響 入滲水中的離子成分除了影響土壤入滲特性以外，還在不同程度上影響土壤水分分布特征。利用Surfer 8.0(三維立體圖制作軟件)分別做出不同礦化度下，土壤容重為1.2 g·cm-3、滴頭流量為3.74 L·h-1的滴灌帶位置剖面含水率等值曲線分布特征圖，見圖5。由圖5可知，0～10 cm土層土壤含水率與飽和含水率值基本接近，10 cm土層以下含水率大約在飽和含水率的60%～80%；當(dāng)?shù)V化度≤4.86 g·L-1時，10～15 cm土層含水率基本穩(wěn)定在一個值附近，變化不大；總體來看，等值含水率曲線近似橢圓曲線，圖中2個滴頭正下方及交匯部分含水率均比較大；隨著土層深度的增加，土壤含水率不斷減小。這是因為入滲水礦化度的增大使土壤中溶液鹽分離子濃度增大，鹽分離子活躍使土壤黏粒膨脹，降低了土壤顆粒間的排斥力，從而土壤的容水性能也相應(yīng)降低[20]。對比分析圖5a、b、c,可以看出圖5a中交匯部分含水率與圖b、c交匯處含水率分布明顯不同，并且在同一入滲深度處，入滲水礦化度越高，土壤剖面含水率也越大。由于入滲水礦化度的增加導(dǎo)致土壤溶液濃度增大，溶質(zhì)勢減小，對水分子吸引力變大，進(jìn)而增強了土壤的持水性能。

2.1.4 雙點源入滲下礦化度對鹽分分布特征的影響 土壤容重為1.2 g·cm-3，滴頭流量為3.74 L·h-1的不同礦化度下土壤剖面等值含鹽量曲線分布圖見圖6。由圖6可知：整個土壤剖面含鹽量并非均與入滲水的礦化度密切相關(guān)。根據(jù)土壤各層(0～5 cm，5～10 cm，10～15 cm，15～20 cm， 20～25 cm)含鹽量的平均值分析礦化度對土壤剖面鹽分分布的影響，可以看出：(1)0～10 cm土層內(nèi)含鹽量逐漸減小，10 cm以下土層的含鹽量在增大，這是由于在入滲過程中，土壤表面蒸發(fā)導(dǎo)致水分向上移動且把鹽分帶到了表層，并在10 cm土層處達(dá)到最小值；隨著土層深度加深，含鹽量逐漸增加。(2)交匯部分形成一個較大區(qū)域的低鹽區(qū)(低于0.1%)，從圖a礦化度為8.33 g·L-1的含鹽量等值線圖中可以看出，0～13 cm土層區(qū)域含鹽量在0.3%～0.4%之間，含鹽量過高不適合作物生長；由圖6b中看出：在2個滴頭下形成的濕潤鋒交匯剖面上含鹽量均在0.1%～0.25%之間，且該剖面其他位置的最大含鹽量為0.25%。由圖5b可以看出該交匯區(qū)域含水率高，說明如果對該地區(qū)作物進(jìn)行微咸水滴灌，可采用礦化度≤4.86 g·L-1的微咸水進(jìn)行灌溉；從圖6c中可以看出0～7 cm土層含鹽量在0.13%～0.15%之間，7 cm以下的土層是低鹽區(qū)。(3)同一入滲深度，礦化度越高，含鹽量也越大，在微咸水入滲時，增加入滲水的礦化度，實際就是增加土壤通量濃度，從而增加抑制了鹽分從小孔隙擴散到大孔隙，降低了鹽分的運移速率，從而使得同一入滲深度的土層含鹽量隨礦化度的增加而增加。

圖5 不同礦化度微咸水滴灌下含水率等值線圖/(g·g-1)Fig.5 Contour map of water content under drip irrigation of brackish water with different salinity

圖6 不同礦化度微咸水滴灌下含鹽量等值線圖/%Fig.6 Contour map of salt content under drip irrigation of brackish water with different salinity

2.2 平行滴灌帶滴頭位置剖面

雙點源入滲試驗中，在平行滴灌帶滴頭位置剖面上，隨著入滲時間的延長，相鄰兩滴頭的濕潤鋒相會產(chǎn)生一個交匯區(qū)，不同灌溉水質(zhì)下水平濕潤距離的不同導(dǎo)致雙點源交匯及交匯區(qū)大小的不同。交匯區(qū)濕潤寬度與水平濕潤距離之比定義為地表濕潤比[20]。表1給出了3種礦化度下交匯區(qū)濕潤參數(shù)。從表1中可以看出，隨著灌水礦化度的升高，所需交匯時間縮短。如8.33 g·L-1礦化度下交匯時間比2.88 g·L-1礦化度下提前16 min。隨灌水礦化度的增加，交匯區(qū)濕潤寬度增大，地表濕潤比也在增加。從圖7中可以看出，單點源入滲試驗中，在地表水平方向上，隨灌水礦化度的增加，距離滴頭越遠(yuǎn)，含水率越低，這是水分由滴頭向四周擴散的結(jié)果；地表水平方向高礦化度微咸水灌溉的含水率大于低礦化度灌溉含水率，這是由于土壤鹽分一方面可以增加土壤的凝絮性和有效孔隙；另一方面灌水礦化度的升高使土壤中鈉離子含量增加，鈉離子有分散土壤顆粒的作用，使得土壤的導(dǎo)水通氣能力降低，水平擴散能力提高。表1中也可以看出隨灌水礦化度增加，水平濕潤距離也增加。而平行滴灌帶滴頭位置剖面上含鹽量運移規(guī)律與垂直滴灌帶滴頭位置剖面相同，故不再分析。

2.3 濕潤鋒交匯剖面

在實踐中對作物進(jìn)行灌溉時，多數(shù)情況下都是多滴頭同時運行且滴頭間距不大，相鄰滴頭間將出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，即交匯區(qū)域。該區(qū)域的濕潤體特征值將會呈現(xiàn)特殊的分布規(guī)律。因此將本次試驗滴頭流量3.74 L·h-1，不同礦化度下單、雙點源入滲試驗的同一位置處(由于兩滴頭間距為40 cm，故選取兩滴頭連線的中點即20 cm處斷面和單點源滴灌下該斷面不同入滲土層)水鹽含量進(jìn)行對比分析，如其增加比率為正值，則表示交匯區(qū)濕潤鋒面上的水鹽含量大于單點源滴灌下相同位置的水鹽含量，反之，則小于單點源滴灌下相同位置的水鹽含量。表2給出了3種礦化度微咸水滴灌下不同入滲深度的水鹽含量對比。

表1 不同礦化度下交匯區(qū)濕潤參數(shù)

圖7 單點源入滲不同礦化度下含水率分布圖Fig.7 Distribution of moisture content at different salinity under single point source infiltration

2.3.1 交匯區(qū)與單點源相同位置處含水率對比 表2可見，交匯作用對不同位置含水率大小分布的影響很大。各礦化度微咸水滴灌下，各入滲土層含水率增加比率在2.42%～30.35%之間，且含水率增加比率全為正值，說明交匯區(qū)域含水率大于單點源滴灌下相同位置處的含水率，交匯作用增加了重疊部分的含水率。各礦化度微咸水滴灌下，交匯區(qū)域含水率隨入滲土層深度的增加而降低。歸因于交匯斷面處于2個滴頭中間的位置，交匯以前其水分為點源運動，水分在土壤基質(zhì)勢的作用下向四周運動，濕潤鋒逐漸擴大，隨著入滲時間的推移，重力勢逐漸取代基質(zhì)勢，成為水分運動的主要動力，濕潤區(qū)也趨于穩(wěn)定，交匯區(qū)域兩側(cè)的水勢梯度基本一致，故含水率變化也相對穩(wěn)定。

2.3.2 交匯區(qū)與單點源相同位置處含鹽量對比 表2可見，礦化度為8.33 g·L-1的入滲各土層含鹽量增加比率全為正值，說明隨灌水礦化度的升高，交匯區(qū)濕潤鋒面上的含鹽量比單點源滴灌下相同位置的含鹽量增加更快，原因是在相鄰2個滴頭濕潤鋒運移的交匯區(qū)域，交匯時鹽分聚集在濕潤鋒處，隨著交匯時間延長，交匯區(qū)域兩側(cè)的水勢梯度繼續(xù)增大，使交匯區(qū)域擴大，鹽分也重新分布，故交匯區(qū)域含鹽量較高。隨灌水礦化度增大，單點源微咸水滴灌下土壤表層鹽分從0.11%增至0.18%；交匯區(qū)域土壤表層含鹽量從0.11%增至0.27%。而灌水礦化度分別為2.88、4.86 g·L-1時，單點源滴灌下同一位置處含鹽量的增加比率多為負(fù)值，而采用8.33 g·L-1礦化度的微咸水進(jìn)行滴灌，會使交匯區(qū)域積鹽明顯，因而不建議使用高礦化度的微咸水對作物進(jìn)行灌溉。

表2 交匯作用對含水率和含鹽量的影響

3 結(jié) 論

本文通過對室內(nèi)土箱微咸水滴灌入滲試驗的水鹽運移規(guī)律分析得出以下結(jié)論：1)在一定的土壤容重及礦化度條件下分別進(jìn)行了3種滴頭流量的單點源入滲試驗，通過對水鹽運移規(guī)律分析得知：隨著滴頭流量增大，會加大濕潤鋒的推進(jìn)深度，最終的濕潤深度推進(jìn)達(dá)到22 cm，三者相差不超過1.2 cm；同時2.68 L·h-1滴頭流量下濕潤鋒運移速率只在入滲剛開始最快，之后相對較慢；而3.74 L·h-1滴頭流量下濕潤鋒運移速率比較穩(wěn)定，平均推進(jìn)速率達(dá)1.65 m·s-1，且在整個入滲過程中大部分濕潤鋒運移速率均大于4.68 L·h-1滴頭流量下的運移速率；2)在一定的土壤容重及滴頭流量下分別進(jìn)行了3種礦化度的單、雙點源入滲試驗，單點源入滲試驗中，濕潤鋒推進(jìn)深度隨礦化度增大分別為：21.5、22.4、22.78 cm；雙點源入滲試驗中，礦化度增大，會在滴頭正下方及交匯部分形成較高含水率區(qū)域；但8.33 g·L-1礦化度下含鹽量比較大，達(dá)到0.4%左右，不適合作物生長，而在礦化度為4.86 g·L-1的微咸水灌溉時，在交匯部分會形成一個含鹽量0.1%左右的適合作物生長的低鹽區(qū)域；(3)在一定的土壤容重及滴頭流量下，對比分析3種礦化度下單、雙點源入滲試驗同一入滲深度可知，入滲水礦化度越高，土壤剖面含水率、含鹽量也越大，交匯時間更短：8.33 g·L-1礦化度下交匯時間比2.88 g·L-1礦化度下提前16 min；3)該地區(qū)燥紅土用礦化度≤4.86 g·L-1的微咸水灌溉時，相比單點源滴灌下同一位置處含鹽量的增加比率幾乎為負(fù)值，積鹽不顯著；4)3個不同礦化度下微咸水滴灌后均在0～10 cm土層內(nèi)含鹽量逐漸減小，10 cm以下土層的含鹽量則增大。綜合以上結(jié)論，建議滴頭流量3.74 L·h-1，微咸水礦化度≤4.86 g·L-1可作為昆明燥紅土地區(qū)開展微咸水滴灌的參考灌溉條件，其對不同作物生長的影響有待于在實踐中進(jìn)一步驗證。