引黃灌區(qū)不同灌溉強度和灌溉方式對土壤水分和成分的影響

李東陽

（河南黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，鄭州 450003）

經(jīng)過60多年的發(fā)展，中國引黃灌溉工程取得了顯著的成效，各項基礎(chǔ)水利設(shè)施陸續(xù)建造。在黃河流域沿線，引黃灌溉成為當(dāng)?shù)鼐用褶r(nóng)業(yè)灌溉的主要方式。但是黃河水中泥沙含量較多，容易導(dǎo)致渠道堵塞，不得不使用大量的人力、物力、財力來進(jìn)行河道 的 清 淤 工 作［1，2］，這 也 制 約 了 引 黃 灌 區(qū) 農(nóng) 業(yè) 發(fā)展［3］。因此使用科學(xué)的手段促進(jìn)引黃灌區(qū)灌溉效率的提升成為研究的熱點。

甘肅省位于中國西北部地區(qū)，是中國西北大開發(fā)涉及的重要省份。甘肅省也是土壤鹽漬化程度較高的地區(qū)，其存在大量的鹽漬化的土地?zé)o法有效利用［4，5］，水資源的嚴(yán)重缺乏也制約了鹽堿地農(nóng)業(yè)利用，甘肅省雖然存在100多處沿黃灌區(qū)的大中小高揚程提灌工程，但水資源的短缺依然是制約土地利用的主要因素［6］。灌溉總量不足、灌水時間錯位、灌溉方式落后以及灌溉成本較高成為引黃灌區(qū)不可忽視的問題［7］。對灌溉方式以及土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對引黃灌區(qū)的灌溉方式進(jìn)行優(yōu)化尤為重要。

針對甘肅省引黃灌區(qū)的農(nóng)業(yè)土壤的現(xiàn)狀展開研究，采用實地試驗方法，對比不同灌溉強度下土壤的基本性質(zhì)以及泥沙輸送規(guī)律，提出了波涌灌溉的灌溉模式，并對比了波涌灌溉與傳統(tǒng)灌溉的差別，突出了波涌灌溉的優(yōu)越性，旨在明確灌區(qū)土壤的基本性質(zhì)，提出灌溉方式，為甘肅省引黃灌溉中存在的問題提供解決辦法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省白銀市靖遠(yuǎn)縣北灘鄉(xiāng)，海拔1 385～1 705 m，屬于興電灌區(qū)的中游地帶，黃河水經(jīng)過9級泵站的提升引入該灌區(qū)內(nèi)，黃河水提升高度為480 m。興電灌區(qū)的面積約為21 000 hm2，大部分土地為鹽堿性土地，約占總耕地面積的30%。研究區(qū)土壤類型大部分為灰鈣土質(zhì)，成土母質(zhì)為黃土。該區(qū)域?qū)儆邳S土丘陵溝壑干旱區(qū)，受青藏高原和騰格里沙漠的影響，氣候類型為大陸性干旱荒漠氣候，年降雨量較少，平均年降雨量僅為200～300 mm，平均氣溫約為7℃，年日照時間約為3 000 h。

1.2 試驗設(shè)計

為研究不同灌溉條件下土壤的入滲規(guī)律，設(shè)計了土壤入滲規(guī)律試驗研究。試驗區(qū)分布見圖1。試驗區(qū)設(shè)立4個試驗小區(qū)，分別編號為0、1、2以及3。每個試驗小區(qū)為2.5 m×2.5 m的正方形，小區(qū)間隔1.5 m。0區(qū)域為對照組，不進(jìn)行灌溉處理。而1、2、3區(qū)域的灌溉量分別為600、900及1 200 m3/hm2。設(shè)置3個重復(fù)試驗。

試驗區(qū)大部分土地為干旱鹽堿質(zhì)土地，年降水小，蒸騰量大，不利于農(nóng)作物生長［8-10］。探究土壤含水率情況，對比傳統(tǒng)灌溉以及波涌灌溉對土壤含水率的影響。波涌灌溉是新型地面灌溉技術(shù)［11-13］，具有灌水時間短，灌溉均勻［14］，符合引黃灌區(qū)的實際情況的特點［15］。不同灌溉方式對土壤含水率的試驗設(shè)計見圖2。設(shè)置2個試驗區(qū)A及B，試驗區(qū)長80 m，寬2 m，A采用傳統(tǒng)灌溉，B采用波涌灌溉。為減少試驗誤差，試驗前將試驗田平整，2個試驗區(qū)用保護行隔開。試驗灌溉參數(shù)見表1。

表1 灌溉方式的技術(shù)參數(shù)

由表1可知，灌溉時的灌水流量為8.0 L/（m·s），傳統(tǒng)灌溉的放水總時間為20 min。當(dāng)田地長度在200 m以下時，波涌灌溉的周期數(shù)一般選擇2～3；當(dāng)田地的長度大于200 m時，波涌灌溉的周期數(shù)一般選擇3～4。試驗區(qū)的長度為80 m，因此選擇灌溉周期數(shù)為2。由于灌流水量較大，水流速度較快，選取循環(huán)率為1/3。

1.3 指標(biāo)計算

選取灌溉參數(shù)、土壤含水率、土壤顆粒泥沙含量作為評價指標(biāo)，其中灌溉參數(shù)包括灌溉水量以及灌溉均勻度。

1）灌溉水量的計算如式（1）。

灌溉水量=灌溉流量×灌溉時間×田地寬度

式中，灌溉流量使用電磁流量計測定；灌溉時間使用秒表測定。

2）灌溉均勻度用于評價灌溉質(zhì)量，灌溉均勻度可評價作物的生長效果以及產(chǎn)量［16］。灌溉均勻度計算如式（2）。

式中，S為灌溉均勻度；Hi為第i點的灌溉入滲量，Ha為灌溉的平均入滲量，N為試驗點數(shù)。

3）土壤含水率測定。以試驗區(qū)0～10 cm表層土為研究對象，將表層土壤分為0～2、3～5及6～10 cm試驗，分別取樣置于烘干鋁盒中，準(zhǔn)確稱取重量，記為土樣的濕重；烘箱中恒溫烘干8 h后稱重記為土樣的干重［17］。

式中，m濕為土樣的濕重；m干為土樣的干重；m盒為鋁盒的質(zhì)量。

4）按照土壤粒徑的分布規(guī)律，將土壤分為砂粒（0.050～2.000 mm）、粉粒（0.002～0.050 mm）以及黏粒（<0.002 mm），研究不同灌溉強度土壤泥沙粒徑的分布。土壤中入田泥沙質(zhì)量根據(jù)灌水前后土壤顆粒分配及灌溉水中泥沙顆粒分配計算［18］。

式中，m沙為入田泥沙的質(zhì)量；m土為土壤的質(zhì)量；ai為灌水后土壤中某粒徑的沙重百分?jǐn)?shù)；bi為灌水前土壤中某粒徑的沙重百分?jǐn)?shù)；ci為灌溉水中泥沙中某粒徑的沙重百分?jǐn)?shù)。

式中，ρ為田泥沙的質(zhì)量比重。

由于一次灌水的泥沙量較小，可以忽略不計，因此，得出某一田地中的各點的泥沙含量算式。

式中，f為田地中的各點的泥沙含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率

不同深度土壤在不同灌溉強度時的含水率變化見圖3。灌溉前的含水量0～2、3～5、6～10 cm分別為9.51%、9.34%及10.18%。灌溉水量為600 m3/hm2時，土壤含水率在18%左右。灌溉水量為900 m3/hm2時，土壤含水率在21%左右，灌溉水量為1 200 m3/hm2時，土壤含水量在23%左右，6～10 cm土壤含水量大。

2.2 土壤泥沙顆粒分布

土壤泥沙粒徑的分布規(guī)律見圖4。土壤灌溉前0～2 cm土壤砂粒、粉粒以及黏粒的占比分別為2.59%、80.37%及17.04%。隨灌溉強度的增加，土壤砂粒含量先增加后減少，而粉粒含量逐漸減少。3～5 cm及6～10 cm土壤表現(xiàn)出相同的規(guī)律?？梢钥闯?，在同一灌溉強度下，隨土層厚度增加，砂粒含量增加，粉粒含量則呈下降趨勢。

2.3 波涌灌溉灌水強度

波涌灌溉模式灌溉水量為61.61%，灌溉均勻度為88.39%。波涌灌溉的灌溉均勻度較高，且灌溉水量較少。

2.4 波涌灌溉土壤含水量

研究不同灌溉方式下0～10、11～20及21～30 cm土壤含水率情況見圖5。

傳統(tǒng)灌溉0～10、11～20及21～30 cm土壤含水率分別為23.45%、26.39%以及29.47%，波涌灌溉0～10、11～20及21～30 cm土壤含水率分別為27.58%、29.31%及32.52%。波涌灌溉可提高土壤含水率，從而保證農(nóng)作物的正常生長。同時也證明波涌灌溉的優(yōu)越。

3 小結(jié)與討論

對甘肅省引黃灌區(qū)的實際情況展開針對性研究，實地取樣探究土壤基本情況及泥沙顆粒輸送規(guī)律。

1）不同灌溉強度土壤含水率的變化。0～2、3～5、6～10 cm土壤含水率分別為9.51%、9.34%、10.18%。灌溉水量為600、900及1 200 m3/hm2時，土壤中含水率分別為18%、21%及23%左右。

2）泥沙顆粒分布規(guī)律。灌溉前，占比為砂粒<黏粒<粉粒，隨灌溉強度及土層厚度增加，砂粒先增加后減少，粉粒減少。

3）波涌灌溉應(yīng)用效果良好。波涌灌溉灌溉水量為61.61%，灌溉均勻度為88.39%，好于傳統(tǒng)灌溉。波涌灌溉0～10、11～20及21～30 cm土壤含水率分別為27.58%、29.31%及32.52%，相同土層深度，波涌灌溉的土壤含水量均高于傳統(tǒng)灌溉。

4）研究探究了灌區(qū)土壤的物理性質(zhì)，提出了科學(xué)的灌溉方式，具有實際應(yīng)用價值。但僅對表層土壤展開研究，后續(xù)研究將進(jìn)一步擴大土壤范圍，充實研究內(nèi)容。