太陽能暗管排水對銀北灌區(qū)油葵土壤環(huán)境及產(chǎn)量影響

黃 愉，田軍倉,2,3

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021)

0 引 言

寧夏銀北灌區(qū)已經(jīng)成為寧夏土壤鹽漬化最為嚴重的地區(qū)[1]。改善土壤環(huán)境，提高作物產(chǎn)量是當?shù)孛媾R的迫切問題。根據(jù)“鹽隨水來，鹽隨水去”的水鹽運移原理，暗管排水技術(shù)能夠?qū)Ⅺ}分隨地下水通過暗管排出，有效控制地下水位，減輕土壤次生鹽漬化，從而達到改善土壤環(huán)境的目的。目前國內(nèi)暗管排水應(yīng)用研究多采用大量灌水淋洗和短時間排水的方法[2-4]，而在地下水位常年很高的惠農(nóng)地區(qū)，必須長時間連續(xù)排水才能有效控制地下水位。利用太陽能作為暗管系統(tǒng)排水的能量來源，能夠?qū)崿F(xiàn)長時間連續(xù)排水，在節(jié)能環(huán)保的同時，也降低了暗管排水系統(tǒng)的運行成本，有利于暗管排水系統(tǒng)的長期運行與推廣。為了建立寧夏惠農(nóng)區(qū)廟臺鄉(xiāng)基于太陽能暗管排水工程的灌溉排水制度，石佳[5]、張申[6]分別研究了太陽能暗管排水對油葵、玉米水分利用效率的影響和土壤脫鹽作用，本試驗在他們的基礎(chǔ)上，著重研究基于太陽能暗管排水的灌排制度對土壤環(huán)境的改善作用和油葵產(chǎn)量的影響，進一步為寧夏惠農(nóng)區(qū)土壤鹽堿化防治提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017-2018年在寧夏石嘴山市惠農(nóng)區(qū)廟臺鄉(xiāng)先鋒六隊進行，該地位于東經(jīng)105°52′25″～106°59′02″，北緯38°52′06″～39°06′19″。試驗區(qū)屬于西北內(nèi)陸溫帶干旱氣候區(qū)，海拔高度在1 091.40～1 092.20 m之間，地形南高北低，自然坡降在1/5 000，地貌類型為黃河沖積平原。年平均氣溫在8.2～8.8 ℃之間，多年年平均降水量178.70 mm，年日照時數(shù)在3 000 h以上。試驗區(qū)土壤類型為砂壤土，土壤容重為1.48 g/cm3，pH為9.12。

1.2 太陽能暗管排水系統(tǒng)

排水管主管和支管都采用普通UPVC塑料波紋管，主管直徑為Φ100 mm，支管為Φ75 mm，管外包有過濾無紡布。試驗區(qū)利用抽水泵從集水井提水排水，抽水系統(tǒng)能量來源為太陽能電池板，最長日開泵時長為11 h，但實際時長受光照強度影響；抽水泵流量為30 m3/h，揚程為4 m。暗管埋深為1.6～2 m，坡度為1/2 000，暗管間距為50 m。太陽能暗管排水控制區(qū)總面積為66.7 hm2。

1.3 試驗設(shè)計

采用對比試驗方法，試驗設(shè)暗管排水區(qū)為處理區(qū)，非暗管排水區(qū)為對照區(qū)。在處理區(qū)和對照區(qū)由南向北選取3個土壤水分和地下水位觀測點，在每個點埋設(shè)1.5 m的TDR管，并打2 m的地下水位觀測井，各點之間距離為30 m。在栽培方式、土壤、施肥、灌溉定額相同的條件下，觀測處理區(qū)和對照區(qū)油葵整個生育期土壤含鹽量、土壤粒徑分布、地下水水位、地下水pH、地下水礦化度和產(chǎn)量等變化情況。

試驗由兩年時間完成，每年的灌溉排水制度見表1和表2。

表1 2017年油葵灌排制度設(shè)計方案

表2 2018年油葵灌排制度設(shè)計方案

1.4 監(jiān)測內(nèi)容與方法

地下水pH采用PH計測定，地下水礦化度由ST300G電導(dǎo)率儀測定。

土壤含鹽量采用電導(dǎo)率法測定。

土壤粒徑使用BT-2003激光粒度分布儀測定，其他指標采用常規(guī)分析方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 太陽能暗管排水對地下水埋深及地下水礦化度、pH的影響

圖1為處理區(qū)與對照區(qū)在2017年和2018年兩年降雨、灌水和地下水埋深變化圖。由圖1可以看出，大部分時間內(nèi)處理區(qū)的地下水埋深都大于對照區(qū)；兩年的5-9月為當?shù)毓喔燃竟?jié)，地下水埋深整體較小，4、5月份達到最小，由于受到降水和灌水的影響，地下水埋深都有比較大的起伏變化；在非灌溉季節(jié)，由于不再進行灌水，而且降水大幅減少，地下水埋深整體較大，11月份冬灌過后，地下水埋深減小，在此之后不再灌水，地下水埋深在2月份達到最大。在整個觀測時段內(nèi)，2017年處理區(qū)平均地下水埋深為105.01 cm，比對照區(qū)增加4.5%；2018年整個觀測時段處理區(qū)平均地下水埋深為99.54 cm，比對照區(qū)增加6.4%?？梢钥闯?018年太陽能暗管排水對地下水位有更好的調(diào)控效果，是因為2018年暗管排水持續(xù)時間比2017年多66.7%，而2017年平均地下水埋深比2018年更深，是因為2018年觀測期降水量比2017年多71.7%。由此可知，排水時間越長對地下水埋深的控制效果越好。

圖1 降雨、灌水和地下水埋深變化

地下水礦化度與灌水和降水量的變化有一定關(guān)系，聯(lián)系圖1和圖2可以看出，在灌水和降水較多的5-9月，地下水礦化度的起伏變化比較明顯，這是由于灌溉初期，灌水稀釋了地下水，地下水礦化度降低，隨著蒸發(fā)、滲漏、土壤鹽分溶解和排水的消耗，地下水礦化度再次回升。在9月底以后，處理區(qū)和對照區(qū)的地下水礦化度都趨于一個穩(wěn)定值，兩年基本分別維持在4.2和3.8 g/L。2017年整個觀測時段處理區(qū)地下水礦化度平均值為3.80 g/L，比對照區(qū)降低7.9%；2018年整個觀測時段處理區(qū)地下水礦化度平均值為3.66g/l，比對照區(qū)降低9.0%。兩年暗管排水對降低地下水礦化度都有一定效果，2018年效果更好。

圖2 地下水礦化度變化

圖3 地下水pH變化

2.2 太陽能暗管排水對不同深度土層含鹽量的影響

從圖4看出，2017年和2018年處理區(qū)0～20、20～40、40～60 cm土層含鹽量大部分時段內(nèi)都低于對照區(qū)，2018年由于排水時間更長，相較于2017年土壤含鹽量的降低更為明顯。在兩年的觀測中，無論是處理區(qū)還是對照區(qū)，各個土層的土壤含鹽量都有先降低后增加的趨勢，7、8月份為低谷期，這是因為6-9月份試驗區(qū)灌水量和降水量分別為全年的54%和70%以上，土壤含鹽量會受到淋洗作用而降低，9月之后到冬灌之前不在灌水，而且降雨大幅減少，由于蒸發(fā)強烈，土壤會再一次積鹽，土壤含鹽量有回升的趨勢。整體來看，0～20 cm土層土壤含鹽量變化幅度最大，20～40 cm相對較大，40～60 cm最平穩(wěn)。

圖4 不同土層土壤含鹽量變化

從表3看出，兩年的觀測結(jié)果都顯示各土層土壤的脫鹽率隨土層深度的增加而降低，0～20 cm土層脫鹽率最高，40～60 cm土層脫鹽率最低；2018年與2017年相比，0～60 cm土層整體平均脫鹽率增加5%，0～20、20～40和0～60 cm各個土層脫鹽率分別增加6.1%、3.4%和0.8%，這是因為2018年暗管排水持續(xù)時間比2017年更長，說明增加排水時長，能夠有效地提高土壤脫鹽效果。0～20 cm土層脫鹽率增加最多，40～60 cm土層脫鹽率增加不明顯的原因是上層土壤鹽分在排水過程中隨水分向下移動，在下層土壤中累積，從圖5的土壤含鹽量剖面分布圖中可以明顯看出這個現(xiàn)象。

表3 土壤平均含鹽量與脫鹽率

從圖5可以看到在兩年的觀測中，處理區(qū)和對照區(qū)的各層土壤含鹽量在播種前都高于排水后，排水結(jié)束后，處理區(qū)各個土層土壤含鹽量下降明顯，處理區(qū)0～20 cm土層含鹽量2017年由1.65 g/kg下降到1.51 g/kg，降低8.5%，2018年由1.77 g/kg下降到1.47 g/kg，降低16.9%；20～40 cm土層含鹽量2017年由1.79 g/kg下降到1.50 g/kg，降低16.2%，2018年由1.82 g/kg下降到1.44 g/kg，降低20.8%；40～60 cm土層含鹽量2017年由1.79 g/kg下降到1.53 g/kg，降低14.5%，2018年由1.83 g/kg下降到1.57 g/kg，降低14.2%。2018年與2017年相比，增加排水時長后，0～20 cm土層脫鹽效果增加最明顯，20～40 cm土層脫鹽效果有一定的增加，40～60 cm土層脫鹽效果不增反減，說明暗管排水對表層土壤的脫鹽效果最好，因此可知，隨著排水時間和排水量的增長，土壤中的一部分鹽分會隨著排水向土壤下層移動。

圖5 不同年份土壤鹽分剖面分布

2.3 太陽能暗管排水對不同深度土壤粒徑的影響

土壤粒徑是影響土壤水力特性、土壤肥力狀況的一個重要物理特性[8]。圖7是灌溉用水黃河水的泥沙粒徑分布圖，黃河水泥沙粒徑分布集中且相對較細，試驗灌溉用黃河水含砂率為15.65%，說明灌溉的同時會帶來大量細顆粒泥沙。從圖6可以看出，2018年排水結(jié)束后與播種前相比，處理區(qū)0～20 cm和20～40 cm土層土壤粒徑組成主要分布區(qū)都有所后移，20～40 cm土層土壤粒徑組成主要分布區(qū)后移明顯，說明土壤中粗顆粒比重增加，細顆粒比重減少，40～60 cm土層土壤粒徑主要分布區(qū)變化不大，細顆粒比重稍微有所增加；對照區(qū)土壤粒徑排水結(jié)束后與播種前相比，0～20 cm和20～40 cm土層都沒有明顯變化，40～60 cm土層粗顆粒比重有所增加；將排水結(jié)束后的處理區(qū)和對照區(qū)土壤粒徑對比發(fā)現(xiàn)，0～20 cm土層粒徑分布變化不明顯，20～40 cm土層土壤粒徑組成主要分布區(qū)有所后移，40～60 cm土層土壤粒徑組成主要分布區(qū)明顯前移。說明在暗管排水作用下，上層土壤中的細顆粒會隨著排水向下移動，從而改善了上層土壤的通氣性。

圖6 不同時間不同深度土壤粒徑組成

圖7 黃河水泥沙粒徑

由表4看出，播種前與排水結(jié)束后相比，油葵處理區(qū)0～20 cm土層0.1～1 μm和1～10 μm區(qū)間分布量占比分別減少2.64%和23.71%，10～100 μm和100～1 000 μm區(qū)間分布量占比分別增加15.26%和11.09%；20～40 cm土層0.1～1 μm和1～10 μm區(qū)間分布量占比分別減少8.79%和27.23%，10～100 μm和100～1 000 μm區(qū)間分布量占比分別增加2.58%和33.44%；40～60 cm土層0.1～1 μm和100～1 000 μm區(qū)間分布量占比分別減少1.67%和6.9%，1～10 μm和10～100 μm區(qū)間分布量占比分別增加7.82%和0.75%。處理區(qū)0～20 cm和20～40 cm土層細顆粒比重減少明顯，對照區(qū)沒有這個現(xiàn)象，說明上層土壤細顆粒隨排水向下移動，這一現(xiàn)象與圖7觀察到的一致。

表4 油葵田間土壤不同時期粒徑分布 %

2.4 太陽能暗管排水對油葵產(chǎn)量的影響

由圖8可知，2017年處理區(qū)油葵產(chǎn)量比對照區(qū)增產(chǎn)13.8%，2018年處理區(qū)油葵產(chǎn)量比對照區(qū)增產(chǎn)21.6%；兩年相比，2018年排水時長為1 000 h，2017年為600 h，排水時長增加66.7%，2018年比2017年處理區(qū)增產(chǎn)率高7.8%，說明增加排水時長能有效增產(chǎn)。

由表5看出，2017年和2018年處理區(qū)油葵灌溉水分生產(chǎn)效率和作物水分生產(chǎn)效率都要高于對照區(qū)，2017年油葵處理區(qū)比對照區(qū)灌溉水分生產(chǎn)效率增加13.3%，作物水分生產(chǎn)效率增加16.4%；2018年油葵處理區(qū)比對照區(qū)灌溉水分生產(chǎn)效率增加21.8%，作物水分生產(chǎn)效率增加22.9%，說明暗管排水能夠有效增加油葵水分生產(chǎn)效率。兩年相比，2018年處理區(qū)和對照區(qū)灌溉水分生產(chǎn)效率都高于2017年，作物水分生產(chǎn)效率都低于2017年，這是由于2018年排水時間更長而降雨更多導(dǎo)致。

圖8 不同年份產(chǎn)量

表5 油葵水分生產(chǎn)效率

3 結(jié) 論

(1)2017、2018年暗管排水使平均地下水埋深分別增加4.5%和6.4%，平均地下水礦化度分別降低7.9%和9.0%；通過兩年調(diào)控效果的對比發(fā)現(xiàn)，在生育期內(nèi)太陽能暗管排水系統(tǒng)下，排水時間越長，地下水埋深調(diào)控效果和地下水礦化度降低效果越好。

(2)兩年的觀測結(jié)果表明各土層土壤平均含鹽量脫鹽率隨土層深度的增加而降低，0～20 cm土層脫鹽率最高，兩年分別為7.2%和13.3%，40～60 cm土層脫鹽率最低，兩年分別為2.5%和3.3.%，暗管排水技術(shù)對于表層土壤的脫鹽效果最為明顯，土壤中的鹽分會隨著排水向土層深處運動；兩年平均土壤脫鹽率分別為4.7%和8.2%，排水持續(xù)時間越長，土壤脫鹽效果越好。

(3)暗管排水會使表層土壤中的細顆粒隨排水運動到下層土壤，從而使上層土壤的通氣性得到改善。

(4)暗管排水技術(shù)能夠有效提高油葵產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率。2017年和2018年油葵處理區(qū)產(chǎn)量分別比對照區(qū)增產(chǎn)13.8%和21.6%，2018年比2017年處理區(qū)增產(chǎn)21%。2017年和2018年處理區(qū)比對照區(qū)灌溉水分生產(chǎn)效率分別增加13.3%和21.8%，作物水分生產(chǎn)效率分別增加16.4%和22.9%。

綜上所述，太陽能暗管排水技術(shù)能夠有效改善土壤環(huán)境，提高油葵產(chǎn)量；將太陽能技術(shù)與暗管排水技術(shù)結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)長時間的連續(xù)排水作業(yè)，對改善銀北地區(qū)土壤環(huán)境和提高油葵產(chǎn)量有著十分重要的意義。綜合石佳[5]、張申[6]的試驗結(jié)果和經(jīng)濟成本考慮，油葵生育期內(nèi)灌水2次、播前灌水1次、冬灌1次，整個生育期5-9月持續(xù)排水，這是適宜惠農(nóng)當?shù)靥柲馨倒芘潘畻l件下油葵的灌排制度。

□