基于不同供水壓力不同土壤添加物的暗管灌溉特性研究
——以吉林西部蘇打鹽堿土為例

朱振學，徐 航，張禮紹，高金花

（1.吉林省水利水電勘測設計審查總站，長春130033；2.長春工程學院水利與環(huán)境工程學院，長春130012；3.吉林省水工程安全與災害防治工程實驗室，長春130012）

0 引 言

吉林西部是我國糧食主產(chǎn)區(qū)，是中國鹽堿土面積最大的地區(qū)，鹽堿土面積為213 萬hm2，屬于世界三大鹽堿土地區(qū)之一。該地區(qū)具有堿化程度高、土壤滲透性弱的特點，對作物生長不利，制約了吉林省西部糧食增產(chǎn)及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，故增加農(nóng)田土壤水分入滲及降低土壤含鹽量是亟待解決的問題[1-3]。

暗管排水技術是一種利用埋設在地下的管道（管壁有多孔或縫隙）來排除土壤中多余“水”和“鹽”的技術。其主要原理是將暗管埋設于作物根層土壤以下，當降雨或者地下水位上升時，排除土壤中的過多水分，以防漬澇災害；還可以通過灌水等淋洗手段去除土壤中過多的鹽分[4-8]。目前國內(nèi)外學者圍繞暗管排水技術與水鹽運移特性做了一系列研究。王洪義[9]等人對大慶地區(qū)的蘇打鹽堿地進行田間試驗，研究排鹽暗管不同間距與埋深下的鹽堿地土壤脫鹽效果，得出暗管采用“淺、密”式布置排水排鹽效果最好。王振華[10]等研究了在滴管淋洗條件下暗管不同埋設間距對土壤剖面鹽分分布及脫鹽淋洗效果的影響，結(jié)果表明暗管間距越小則暗管排水階段排水流量越大。衡通[11]等研究了滴管條件下排水暗管不同管徑和不同埋深對土層含鹽量分布及脫鹽效果的影響，表明暗管管徑越大、埋深越淺則暗管排水排鹽效率越高。

綜上所述，國內(nèi)外學者針對利用暗管系統(tǒng)進行灌溉的研究較少。因此本研究根據(jù)前期試驗結(jié)論選用3%稻殼與5%玉米秸稈作為添加物，從不同供水壓力下濕潤鋒水平向右、豎直向上、豎直向下運移距離隨灌水歷時的變化規(guī)律，累計入滲量以及土壤剖面水鹽分布狀況3個方面，研究暗管系統(tǒng)灌溉時土壤水鹽運移特性。分析不同供水壓力下蘇打鹽堿土水鹽運移特性，探究暗管灌溉機理，為灌溉工程的規(guī)劃設計提供參考依據(jù)與理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吉林西部位于松嫩平原的西南部，東北地區(qū)中部，屬半干旱半濕潤的大陸性季風氣候區(qū)。全年溫差較大，年平均氣溫在4.9 ℃，年均降水量350～500 mm，主要集中在6～8月，年均蒸發(fā)量1 500～1 900 mm，年均蒸發(fā)量與降水量的比值約為3.4～4.9，降水少、蒸發(fā)強。受降雨、氣溫及植被等條件的影響，形成了東南到西北土壤質(zhì)地由砂土到黏土的變化趨勢，土壤堿性逐漸變大。由于土壤水分入滲能力差，天然降雨及灌溉水入滲淺，不能滿足作物根系吸水的需要，導致農(nóng)作物減產(chǎn)。近年來不合理的灌溉、施肥，使植被遭到破壞，土壤鹽堿化趨勢越來越嚴重，土地鹽堿化已經(jīng)對該區(qū)的生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展構成嚴重威脅[12-15]。本試驗用土為吉林省西部洮南市安定鎮(zhèn)內(nèi)蘇打鹽堿土，安定鎮(zhèn)地處東經(jīng)122°15′37″～122°29′52″，北緯45°02′24″～45°19′46″。本研究通過室內(nèi)暗管系統(tǒng)灌溉試驗，從不同供水壓力下濕潤鋒水平向右、豎直向上、豎直向下運移距離隨灌水歷時的變化規(guī)律、累計入滲量以及土壤剖面水鹽分布狀況3個方面，初步探明不同供水壓力對暗管系統(tǒng)水鹽運移特性的影響。

試驗土壤所含鹽分類型為碳酸氫鹽，初始含鹽量在3.0～4.5 g/kg 之間，依照吉林西部平原鹽堿化土壤的分級指標可知試驗土壤為中鹽堿土，按國際制土壤質(zhì)地分類標準可知土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土。采用環(huán)刀法測定土壤飽和含水量及田間持水量，用Eye Tech 激光粒度粒型分析儀測定土壤顆粒組成，土壤基本物理性質(zhì)指標如表1所示。

表1 土壤基本物理性質(zhì)指標

1.2 試驗裝置與方法

根據(jù)前期試驗結(jié)論，本試驗選取3%稻殼與5%玉米秸稈作為土壤混摻添加物。若供水壓力太小則水流滲透不出去，供水壓力太大則會形成管涌，因此結(jié)合根系層深度以及經(jīng)驗參數(shù)，暗管系統(tǒng)灌溉時供水壓力設置3 個水平，分別為60、80、100 cm。試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案

試驗在長春工程學院水利館實驗中心進行，試驗裝置主要由供水系統(tǒng)、有機玻璃箱和暗管組成，如圖1所示。供水系統(tǒng)為恒壓供水馬氏瓶。馬氏瓶直徑50 cm、高100 cm，底部安裝智能計量系統(tǒng)。有機玻璃箱壁厚為10 mm，尺寸為120 cm×60 cm×170 cm。為了防止氣阻，在有機玻璃箱靠近底部設置3個半徑2 cm 的排氣孔。暗管采用PVC 雙壁波紋管，管徑為10 cm，埋深60 cm，坡降為1/400，采用透水性無紡布為暗管外包料。暗管進水端位于靠近有機玻璃箱邊壁40 cm 處。暗管濾層結(jié)構鋪設在暗管一周，厚度為20 cm，濾層采用細沙墊層，平均粒徑為0.1～2 mm。暗管上開孔徑為5 mm 的圓形孔，呈“品字形”分布，如圖2所示。

圖1 試驗裝置圖（單位：cm）

圖2 單位暗管結(jié)構圖

采用暗管系統(tǒng)灌溉試驗，具體操作過程為：有機玻璃箱最下層鋪設厚度為10 cm 的強透水材料（直徑5～10 mm 的礫石），目的是為底部出流提供良好條件。強透水材料頂部放置尼龍絲網(wǎng)作為支撐網(wǎng)，防止上方土體流失。將添加物均勻混摻后的土壤分層裝入有機玻璃箱內(nèi)，每層厚度為5 cm。每裝一層在箱體內(nèi)壁涂一圈凡士林，避免邊際效應產(chǎn)生，層間刮毛以防產(chǎn)生明顯的土層分離。

試驗開始后每隔1 h 記錄一次馬氏瓶水位變化用以計算累計入滲量及入滲速率，并且每小時記錄一次各方向上的濕潤鋒運移距離。濕潤鋒豎直向上運移距離從暗管濾層頂端開始記錄，以濕潤鋒豎直向上運移至土壤表面為試驗結(jié)束時間。暗管埋深為60 cm，濾層厚度為20 cm，因此濕潤鋒豎直向上運移距離為40 cm 時到達土壤表面，此時結(jié)束灌溉。灌溉結(jié)束后，采用烘干法測定土壤含水量，采用烘干殘渣法測土壤含鹽量[16-20]。各處理進行三組重復試驗，取均值作為分析計算結(jié)果。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

利用Microsoft Excel 2016 對原始數(shù)據(jù)進行整理與分析，使用Origin軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同供水壓力濕潤鋒運移特性

濕潤區(qū)前緣即為濕潤鋒，濕潤鋒的移動和變化可以反映暗管灌溉時水流的運動。濕潤鋒隨著灌溉歷時不斷向暗管四周運移，濕潤鋒的運移距離決定暗管周圍濕潤區(qū)范圍的大小，濕潤鋒向下運移距離過大則可能導致深層滲漏，向上運移距離過小則不能滿足作物根區(qū)需水要求，達不到暗管灌溉的目的。因此，研究暗管灌溉時各方向上的濕潤鋒運移距離對利用暗管灌溉實現(xiàn)暗管灌排一體功能至關重要[21-23]。

混摻稻殼、玉米秸稈在不同供水壓力下對豎直向上、豎直向下、水平向右方向上濕潤鋒運移距離隨灌溉歷時的關系分別如圖3和圖4所示，符合冪函數(shù)關系。灌溉結(jié)束時，同一供水壓力下各方向上濕潤鋒運移距離大小關系為：豎直向上＞水平向右＞豎直向下。從添加物不同種類下比較濕潤鋒運移距離，同一時刻下濕潤鋒運移距離的關系為玉米秸稈＞稻殼。從不同供水壓力下比較濕潤鋒運移距離，同一時刻下濕潤鋒運移距離的關系為100 cm＞80 cm＞60 cm。由圖3和圖4可知各方向上濕潤鋒運移距離均隨灌溉歷時延長而增大，同一時刻下濕潤鋒豎直向上運移距離差距較大，豎直向下與水平向右運移距離差距相對較小。

圖3 混摻稻殼在不同供水壓力下各方向濕潤鋒運移距離與灌溉歷時的關系

圖4 混摻玉米秸稈在不同供水壓力下各方向濕潤鋒運移距離與灌溉歷時的關系

各處理灌溉歷時與各方向濕潤鋒運移距離如表3所示。由表可知供水壓力越大，灌溉歷時越短，運移速度更快，濕潤鋒豎直向下運移距離受灌溉歷時的影響較大。農(nóng)作物根系深度約在30～40 cm，供水壓力為100 cm 時混摻玉米秸稈土壤濕潤鋒向上運移歷時最短，水分入滲速度最快，可以較快速地浸潤作物根系，增加根層土壤的水分，為作物提供足夠的根系吸水量，增加作物產(chǎn)量。

表3 各處理灌溉歷時與各方向濕潤鋒運移距離

2.2 不同供水壓力累計入滲量變化特性

累計入滲量是指入滲開始后一段時間內(nèi)入滲到土壤中的總水量。累計入滲量定量的反映了土壤的入滲情況，對農(nóng)田灌溉、水資源有效利用以及鹽堿土改良具有重要意義[24,25]。

混摻稻殼、玉米秸稈下累計入滲量與灌溉時間的關系如圖5所示。在相同累計入滲量下，入滲時間由快到慢的順序是：100 cm＞80 cm＞60 cm。從添加物不同種類下比較累計入滲量，同一時刻下累計入滲量的關系為玉米秸稈＞稻殼。由圖可知各處理累計入滲量隨著灌溉歷時的增加不斷增大，說明暗管在土壤中不斷的出流，暗管供水壓力對累計入滲量有明顯的作用。灌水初期，暗管周圍土壤孔隙較大，土壤水吸力較大，暗管內(nèi)外壓力差很大，故土壤入滲較快，累計入滲量增幅較大，暗管周圍的土壤含水率隨之迅速增高。隨著灌溉歷時的增長，暗管外部周圍土壤水吸力隨著含水率的升高而逐漸減小，土壤基質(zhì)勢增大，暗管內(nèi)外壓力差越來越小，故暗管周圍土壤能在短時間內(nèi)趨近飽和，累計入滲量穩(wěn)定增加[26]。

圖5 混摻稻殼、玉米秸稈下累計入滲量與灌溉時間的關系

各處理累計入滲量與平均入滲速率如表4所示。由表可知不同暗管供水壓力在灌溉結(jié)束時累計入滲量差距不大。混摻玉米秸稈土壤在供水壓力為100 cm 時，水分到達農(nóng)作物根系的速度最快，可以快速為農(nóng)作物根系補充足夠水分，對農(nóng)作物生長有利。

表4 各處理累計入滲量與平均入滲速率

2.3 不同供水壓力土壤剖面水分分布特性

添加物混摻層土壤剖面含水率的多少直接影響到作物根系的吸水狀況，進而影響到作物的產(chǎn)量，分析暗管上方混摻層各方向上土壤剖面含水率的分布及其變化規(guī)律可以為暗管灌排系統(tǒng)的應用提供一定的參考依據(jù)[27-29]。

暗管灌溉結(jié)束后，以暗管上方濾層頂端為原點，水平向右為x，豎直向上方向為y，暗管平行方向為z，在x、y兩個方向上每隔10 cm 設為一個取樣點，在z方向取3 個樣點重復點，取至濕潤鋒位置處，測定土壤剖面含水率，得到土壤剖面含水率分布狀況。不同供水壓力下不同土壤添加物在灌溉結(jié)束后土壤剖面含水率分布狀況如圖6所示。供水壓力的大小影響濕潤鋒運移的形狀和快慢，決定土壤水分水平方向和豎直方向運移的快慢，從而影響土壤水分分布。由圖可知：濕潤體內(nèi)部豎直向上、水平向右兩個方向的土壤剖面含水率均隨著與暗管濾層頂端的距離增大而減小。在方向相同的情況下，不同暗管供水壓力相同距離的土壤含水率表現(xiàn)為：60 cm＞80 cm＞100 cm。在距離相同的情況下，相同供水壓力在不同方向的土壤含水率表現(xiàn)為：水平向右＞豎直向上。由圖6可以看出，添加物混摻下混摻層濕潤體呈半橢圓形狀，靠近暗管濾層頂端的土壤體積含水率在46%左右，水平向右方向從暗管濾層頂端開始至40 cm 距離土壤含水率變化不大，而40 cm 至濕潤鋒附近土壤含水率有明顯降低趨勢，濕潤鋒附近土壤含水率在15%左右；豎直向上距離暗管濾層頂端20 cm內(nèi)土壤含水率變化幅度較小，20 cm 至土壤表面土壤含水率明顯降低，土壤表面含水率在11%左右。

圖6 不同供水壓力下不同土壤添加物在灌溉結(jié)束后土壤剖面含水率分布狀況

2.4 不同供水壓力土壤剖面鹽分分布特性

“鹽隨水來，鹽隨水去”，土壤鹽分運動受到土壤水分運動的影響。隨著不同暗管供水壓力下土壤水分運動，鹽分會隨著水分被帶到濕潤鋒附近，使得濕潤鋒附近含鹽量較大[30-32]。

不同供水壓力下不同土壤添加物在灌溉結(jié)束后土壤剖面含鹽量分布狀況如圖7所示，土壤鹽分隨著水分向著濕潤鋒附近運動。混摻稻殼土壤在60 cm、80 cm、100 cm 供水壓力下表面含鹽量分別為0.522%、0.482%、0.494%；混摻玉米秸稈土壤在60 cm、80 cm、100 cm 供水壓力下表面含鹽量分別為0.493%、0.473%、0.495%。混摻稻殼土壤在60 cm、80 cm、100 cm 供水壓力下水平向右方向上濕潤鋒附近土壤含鹽量分別為0.547%、0.512%、0.495%；混摻玉米秸稈土壤在60 cm、80 cm、100 cm 供水壓力下水平向右方向上濕潤鋒附近土壤含鹽量分別為0.489%、0.502%、0.517%。土壤表面以及水平向右方向上濕潤鋒附近含鹽量皆大于0.45%，說明暗管灌溉時濕潤體濕潤鋒附近土壤積鹽超過了中鹽土壤閥值。暗管灌溉過程中土壤鹽分隨著水分向濕潤鋒附近運移，導致土壤表面出現(xiàn)積鹽現(xiàn)象。

圖7 不同供水壓力下不同土壤添加物在灌溉結(jié)束后土壤剖面含鹽量分布狀況

因此，利用暗管系統(tǒng)進行灌排時，應遵循先排后灌的原則，制定合理的暗管系統(tǒng)灌排制度。根據(jù)暗管系統(tǒng)灌排的特點，地表灌溉水可以將上層土壤鹽分淋洗至暗管排出，從根本上降低暗管上方土壤鹽分，減少土壤鹽分反復積鹽返鹽的過程。

3 結(jié) 論

（1）供水壓力越大，各方向上濕潤鋒運移距離越遠，灌溉歷時越短。同一供水壓力下各方向上濕潤鋒運移距離大小關系為：豎直向上＞水平向右＞豎直向下。玉米秸稈作用效果強于稻殼。

（2）供水壓力越大，累計入滲量越大，平均入滲速率越快。

（3）濕潤體內(nèi)部豎直向上、水平向右兩個方向的土壤剖面含水率均隨著與暗管濾層頂端的距離增大而減小。

（4）土壤鹽分隨著水分向濕潤鋒附近運移。土壤表面以及水平向右方向上濕潤鋒附近含鹽量皆大于0.45%。

綜上所述，在供水壓力為100 cm，5%玉米秸稈與土壤混摻的情況下，濕潤鋒運移距離較遠，灌溉歷時較短，累計入滲量較大，平均入滲速率較快。該方案可以為農(nóng)作物提供足夠的根系吸水量，加快水分到達農(nóng)作物根系的速度，增加農(nóng)作物產(chǎn)量，對治理土壤鹽堿化和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有一定意義。