干旱地區(qū)排鹽暗管優(yōu)化布局關(guān)鍵參數(shù)研究

錢穎志，朱 焱※，黃介生，伍靖偉，敖 暢，何 帥

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院，石河子 832000）

0 引 言

土壤鹽堿化是影響干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素[1-2]，新疆作為典型的干旱地區(qū)，也飽受土壤鹽堿化的困擾[3]。近些年，為了改良鹽堿化土壤，暗管在干旱地區(qū)得到廣泛使用[4]。干旱地區(qū)暗管主要用處是在非生育期配合淋洗排除土壤中的鹽分，從而達(dá)到加速土壤脫鹽的效果[5-6]。暗管起初用于降雨豐富、地下水位較高的地區(qū)，用于排除土壤中多余的水分，降低地下水位，以及加速排除地表積水，防止作物產(chǎn)量受到澇漬的影響[7]。對于排水的暗管布局，已有關(guān)于暗管排水效率和暗管埋深以及間距之間關(guān)系的理論公式[8-10]，也有基于這些理論開發(fā)的數(shù)值模型，如 DRAINMOD[11]，可用于指導(dǎo)這些地區(qū)的暗管布局[12-13]。此外，還有一些學(xué)者基于試驗(yàn)，研究了排水暗管的合理布局。陳誠等[14]提出了考慮多目標(biāo)的暗管埋深間距參數(shù)，并對比了濱海區(qū)暗管布置“淺密型”與“深寬型”的優(yōu)缺點(diǎn)；Jafari-Talukolaee等[15]監(jiān)測了不同埋深和間距暗管條件下的地下水位、暗管流量及作物產(chǎn)量，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了適用于伊朗北部的合適布局參數(shù)。干旱地區(qū)氣候、土壤及水文條件與濕潤地區(qū)不同，沿海地區(qū)排水暗管的布局參數(shù)是否適用于干旱地區(qū)也有待考證。針對這個(gè)問題，許多學(xué)者開展了不同暗管間距或埋深的田間試驗(yàn)研究。蘇挺[16]開展了不同埋深的暗管排鹽田間試驗(yàn)，試驗(yàn)證明暗管能有效降低土壤含鹽量，且當(dāng)暗管埋深在1.5 m時(shí)脫鹽效果最好；楊玉輝等[17]針對高地下水位的膜下滴灌農(nóng)田開展田間暗管試驗(yàn)，并推薦了20 m作為暗管合理間距。盡管已有不少關(guān)于暗管排鹽工程布局的試驗(yàn)研究，但目前的研究大多考慮因素和水平較少，不能綜合考慮不同暗管布局參數(shù)對于土壤脫鹽的影響；此外，目前的研究結(jié)論大多基于當(dāng)?shù)刈匀粭l件得出，對于自然條件存在差異的其他地區(qū)，已有的結(jié)論不一定具有適用性，Sreenivas等[18]指出，對于排鹽暗管合理布局參數(shù)的選取，結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀粭l件開展實(shí)地調(diào)研和試驗(yàn)是很有必要的。本文所關(guān)注研究區(qū)域位于新疆自治區(qū)焉耆盆地，當(dāng)?shù)鼐哂懈珊档貐^(qū)的典型氣候特征，降水少，蒸發(fā)大[19]，同時(shí)由于其位于盆地，靠近博斯騰湖，與許多干旱地區(qū)不同，該地地下水位較高，埋深常年位于3 m以內(nèi)。在這樣的氣候和水文地質(zhì)條件下，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展受到土壤鹽堿化的嚴(yán)重威脅。因此，有必要在研究區(qū)域開展考慮多因素、多水平不同暗管布局參數(shù)的暗管排鹽試驗(yàn)，研究不同暗管布局參數(shù)對于土壤脫鹽的影響。

對于干旱地區(qū)，暗管通常配合非生育期的淋洗進(jìn)行排鹽。已有研究表明，不同淋洗定額下，土壤脫鹽效果及作物產(chǎn)量明顯不同[20-21]。在布置暗管條件下，已有研究表明不同淋洗定額下，脫鹽率也會(huì)明顯不同[22]。但是關(guān)于布設(shè)暗管特別是不同布局參數(shù)的暗管條件下，淋洗定額對土壤脫鹽的影響以及淋洗定額與暗管布局參數(shù)對于土壤脫鹽的影響是否有交互作用仍缺乏研究，此外綜合考慮各暗管布局參數(shù)以及淋洗定額的影響，建立能夠指導(dǎo)干旱地區(qū)暗管布局及淋洗定額選取的經(jīng)驗(yàn)公式是很有意義的。因此，有必要針對具有不同布局參數(shù)的暗管開展不同淋洗定額的淋洗試驗(yàn)，研究暗管排水排鹽條件下淋洗定額對土壤脫鹽的影響。

基于上述問題，本文在研究區(qū)域開展了淋洗條件下的暗管排水排鹽試驗(yàn)，研究暗管布局參數(shù)中影響土壤脫鹽的顯著因素，對比不同淋洗定額下，相同暗管布局的暗管排水排鹽量與脫鹽率的差異，并在前述分析的基礎(chǔ)上，通過擬合得到脫鹽率經(jīng)驗(yàn)公式，以期為干旱地區(qū)暗管合理布局選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)田位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)焉耆盆地中心 27團(tuán) 10連，地處北緯 41°54'、東經(jīng) 86°27'，海拔1 052 m，屬霍拉山溝口的開都河古沖洪積扇與開都河中下游沖積平原的緩變區(qū)。平均氣溫8.4 ℃，無霜期175 d，最大凍土深度95 cm。年平均降水量73.1 mm，年平均蒸發(fā)量1 890.1 mm，2018和2020年試驗(yàn)所在月份（10—11月）月平均蒸發(fā)量分別為47.2和47.0 mm，降水量分別為14.5和0 mm。需要說明的是，2019年該地塊淋洗通過在玉米生育期最后一次灌水施加額外灌水定額完成，且灌溉期間，田間作物尚未完全成熟和收獲，地表覆膜也未揭除，而2018和2020年冬灌時(shí)作物已經(jīng)收獲，地表為裸地。由于2019年淋洗方式以及上邊界條件與2018和2020年差別較大，因此本文未分析其試驗(yàn)結(jié)果。研究區(qū)域土壤以粉砂土為主，黏粒、粉粒和砂粒含量分別約占50%、30%和20%。2018年和2020年試驗(yàn)前試驗(yàn)地地下水位分別為2.3和3.0 m，土壤0～40 cm平均含鹽量分別為11.23和11.32 g/kg。研究區(qū)域主要作物為玉米，棉花，番茄，色素椒等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及取樣測試方案

試驗(yàn)在一塊長約720 m、寬約86 m的試驗(yàn)田開展。試驗(yàn)設(shè)計(jì)考慮的暗管布局參數(shù)有間距、埋深和管徑，每個(gè)變量設(shè)置 3個(gè)水平，其中，暗管埋深和間距主要根據(jù)已有文獻(xiàn)中推薦的暗管埋深和間距結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行設(shè)置[16,18]，暗管管徑采用當(dāng)?shù)匕倒苌a(chǎn)廠家的常用管徑。各個(gè)參數(shù)（變量）和水平之間采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行組合，共 9個(gè)處理，各處理編號(hào)及具體暗管布局參數(shù)如表1所示（暗管坡降均為2‰）。每個(gè)試驗(yàn)處理包括3根暗管，其中左右 2根暗管作為保護(hù)暗管，中間暗管為監(jiān)測取樣暗管。各個(gè)處理共用 1條排水溝，排水溝深約2 m，各個(gè)小區(qū)沿暗管方向長度為86 m。各個(gè)試驗(yàn)處理、排水溝及農(nóng)渠空間位置如圖1所示。

表1 各試驗(yàn)處理暗管布局參數(shù)Table 1 Subsurface drainage pipe layout parameters of each experimental treatment

淋洗試驗(yàn)共進(jìn)行2 a（2018和2020年），灌溉方式為淹灌。試驗(yàn)期淋洗由當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶根據(jù)實(shí)際來水量控制灌水時(shí)長，通過在支渠監(jiān)測流量過程，在灌水時(shí)間內(nèi)求和計(jì)算得到總灌水量，并在整個(gè)試驗(yàn)田上進(jìn)行平均得到灌水定額。經(jīng)監(jiān)測，2018和2020年淋洗定額分別為490和288 mm。2020年試驗(yàn)是在2018年基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但是經(jīng)過接近2 a生育期施肥引入的鹽分以及土壤在強(qiáng)烈蒸發(fā)下的返鹽作用，試驗(yàn)期土壤表層含鹽量初始值均在10 g/kg左右，差別不大，且本文分析的主要指標(biāo)脫鹽率為去除了初始含鹽量影響的均一化指標(biāo)，因此不考慮 2018年試驗(yàn)對2020年試驗(yàn)的累加影響。

試驗(yàn)淋洗用水來自上游河流，通過灌區(qū)支渠輸送至田間。經(jīng)監(jiān)測，2018和 2020年灌水電導(dǎo)率分別為 0.33和0.36μS/cm，折合礦化度分別約為0.44 和0.48 g/L，2 a灌水電導(dǎo)率差別不大，因此不考慮不同年份灌溉水礦化度不同對于試驗(yàn)結(jié)果的影響。結(jié)合灌水定額可知，2018和 2020年由于灌水引入田間的鹽分分別約為 215和138 g/m2，該數(shù)值遠(yuǎn)小于灌水前土壤剖面2 m以內(nèi)土壤鹽分質(zhì)量（約為 19 600 g/m2），因此不考慮灌溉水鹽分對土壤鹽分結(jié)果的影響。

為研究土壤水鹽含量變化，在灌溉前和排水過程結(jié)束后，分別進(jìn)行土壤取樣。2018年試驗(yàn)灌水前后取樣日期分別為10月11日和11月16日，2020年試驗(yàn)灌水前后取樣日期分別為10月25日和11月13日。2 a取樣時(shí)間差異主要由于灌水量不同造成，2018年灌水量（490 mm）明顯大于2020年（288 mm），因此取樣間隔較長。需要說明的是，本文的試驗(yàn)中，試驗(yàn)后期（進(jìn)入11月后）氣溫較低，大約為5 ℃，日蒸發(fā)量很小，因此不考慮取樣時(shí)間間隔造成的土壤水鹽運(yùn)移影響。而試驗(yàn)前期，地表存在積水層，水面蒸發(fā)主要影響地表積水層的厚度，此時(shí)，土壤水鹽主要是在淹灌水層的作用下向下運(yùn)移，因此不考慮水面蒸發(fā)對水鹽運(yùn)移的直接影響。關(guān)于水面蒸發(fā)對積水層厚度的影響，通過折減考慮。具體方法為基于田間觀測得到的淹灌水層存在時(shí)間長度結(jié)合氣象數(shù)據(jù)中日蒸發(fā)量，計(jì)算積水層存在期間的總蒸發(fā)水量，再用監(jiān)測得到灌水定額減去水面蒸發(fā)量，即為折減后的灌水定額，折減后2018和2020年灌水定額分別為466和273 mm。

土壤樣品通過土鉆取樣得到，取樣深度為2 m（若地下水淺于2 m則取到地下水位深度為止）。豎直方向上每 20 cm取一次樣，平面上在距離暗管不同位置設(shè)置 3個(gè)土壤取樣點(diǎn)（寬度方向位于田塊中央），以客觀反映土壤脫鹽效果。不同暗管間距對應(yīng)的土壤取樣的具體方案如表2所示。

表2 不同暗管間距土壤取樣點(diǎn)位置Table 2 Soil sampling position with different subsurface pipe spacing

土壤質(zhì)量含水率通過烘干法[23]測得，土壤體積含水率通過質(zhì)量含水率乘以土壤容重獲得。其中，土壤容重通過開挖土壤剖面并利用環(huán)刀取樣獲得，并同時(shí)利用激光粒徑分析儀（Mastersizer 2000，英國馬爾文儀器有限公司）測得黏粒、粉粒及砂粒含量，各層容重及顆粒組成如表3所示。對于土壤含鹽量，通過電導(dǎo)率儀（雷磁DDSJ-308F，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）測得土壤1:5浸提液電導(dǎo)率（EC1:5），并選取一定數(shù)量土樣利用殘?jiān)娓煞╗23]測得土壤全鹽量（TDS），率定 EC1:5和TDS關(guān)系曲線后，將其余所測得EC1:5轉(zhuǎn)化為TDS。經(jīng)率定，試驗(yàn)所在地TDS和EC1:5關(guān)系曲線可以用式（1）來表示

表3 試驗(yàn)地土壤容重及顆粒組成Table 3 Soil bulk density and soil particle composition of experimental position

式中TDS為土壤全鹽量，g/kg；EC1:5為土壤1:5浸提液電導(dǎo)率，μS/cm。

為了研究暗管出水流量及鹽分濃度，在暗管排水過程中，對各個(gè)處理的中間暗管流量進(jìn)行監(jiān)測，并對暗管出水進(jìn)行取樣。暗管出水流量監(jiān)測頻率與暗管出水取樣頻率保持一致，為2～4次/d（排水初期頻率大，后期頻率?。?。其中，暗管排水流量通過量筒測體積配合秒表得到，暗管出水水樣通過離心管取得。暗管排水電導(dǎo)率（ECw）通過電導(dǎo)率儀測得，并選取一定數(shù)量水樣利用殘?jiān)娓煞╗23]測得礦化度（Cw），率定ECw和Cw關(guān)系曲線后，將其余所測得ECw轉(zhuǎn)化為Cw。將暗管排水濃度與暗管排水流量相乘，并在排水時(shí)長內(nèi)求和，得到暗管累積排鹽量。經(jīng)率定，試驗(yàn)所在地Cw和ECw關(guān)系曲線可以用式（2）來表示

式中Cw為暗管排水礦化度，g/L；ECw為暗管排水電導(dǎo)率，μS/cm。

1.3 土壤脫鹽評價(jià)指標(biāo)及分析方法

為了定量表征土壤脫鹽效果，本文選取脫鹽率作為評價(jià)指標(biāo)。脫鹽率是指研究區(qū)域土壤鹽分的減小值占初始值的比例，它可以評價(jià)淋洗和暗管協(xié)同作用下土壤層的脫鹽效果，在已有研究中得到廣泛采用[3,24]。土壤脫鹽率的計(jì)算公式為

式中N為脫鹽率，%；S1為土壤鹽分初始值，g/kg；S2為土壤鹽分終值，g/kg。

由于土壤脫鹽率與所選土壤深度有關(guān)，因此在計(jì)算前，需要指定土壤深度。本試驗(yàn)將土壤深度選定為80 cm，該深度為當(dāng)?shù)刂饕魑锏母底畲笊疃取?/p>

由于本文試驗(yàn)不同變量不同水平采用正交試驗(yàn)進(jìn)行組合，無法通過直接比較不同處理的試驗(yàn)結(jié)果分析顯著影響因素。因此，本文2.4及2.5部分采用正交試驗(yàn)多因素方差分析法和極差分析法[25]分析影響試驗(yàn)結(jié)果的顯著性因素以及試驗(yàn)結(jié)果和影響因素的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 淋洗前后土壤含水率變化

2018和2020 年各處理試驗(yàn)前后土壤剖面含水率分別如圖2和圖3所示，圖中含水率為其相同深度取樣點(diǎn)的平均值。由圖2可知，對于2018年試驗(yàn)，灌水前各處理土壤剖面含水率呈現(xiàn)由上到下逐漸增加的趨勢，0～40 cm深度含水率約為0.16 cm3/cm3，180 cm以下含水率接近飽和，約為0.40 cm3/cm3。試驗(yàn)結(jié)束后，各處理土壤剖面含水率仍然呈現(xiàn)由上到下逐漸增加的趨勢，但 0～40 cm含水率明顯增大，約為0.30 cm3/cm3，180 cm以下含水率變化不大，約為0.42 cm3/cm3左右，但由于地下水位的上升，飽和土壤深度明顯上移。由圖3可知，對于2020年試驗(yàn)，灌水前0～40 cm含水率約為0.13 cm3/cm3，180 cm以下含水率約為0.30 cm3/cm3左右，各處理土壤剖面含水率趨勢與 2018年相似，但整體含水率特別是180 cm處含水率明顯小于2018年（P＜0.01），分析原因可能是2020年取樣時(shí)間較晚，取樣時(shí)地下水位更深（2018年約為2.3 m，而2020年約為3.0 m）。試驗(yàn)后，土壤0～40 cm含水率約為0.30 cm3/cm3，180 cm處含水率約為0.40 cm3/cm3，趨勢與2018年類似。

2.2 淋洗前后土壤含鹽量變化

2018和2020 年各個(gè)試驗(yàn)處理試驗(yàn)前后土壤剖面含鹽量分別如圖4和圖5所示，圖中含鹽量為其相同深度取樣點(diǎn)的平均值。由圖4可知，對于2018年試驗(yàn)，灌水前各處理土壤剖面含鹽量呈現(xiàn)上大下小的趨勢，其中不少處理呈現(xiàn)明顯的表聚現(xiàn)象（如A5、A9）。各處理0～40 cm平均含鹽量變化范圍為 6.78～15.68 g/kg，＞40～200 cm平均含鹽量變化范圍為2.87～11.27 g/kg。試驗(yàn)結(jié)束后，由于淋洗作用，表層含鹽量明顯減小，各處理土壤剖面含鹽量上大下小的趨勢變?yōu)樯闲∠麓螅魈幚?～40 cm平均含鹽量變化范圍為2.72～6.12 g/kg，＞40～200 cm含鹽量變化范圍為3.88～7.72 g/kg。由圖5可知，對于2020年試驗(yàn)，灌水前大多處理土壤剖面含鹽量無明顯趨勢，且與 2018年不同，不少處理的土壤含鹽量峰值出現(xiàn)在0.4 m深度位置附近（如A1、A3、A4、A8等），可能是農(nóng)機(jī)在進(jìn)行作物收獲和去膜時(shí)對田間進(jìn)行了淺耕，導(dǎo)致表層鹽分結(jié)晶被翻入0.4 m位置。各處理0～40 cm平均含鹽量變化范圍為4.98～17.66 g/kg，＞40～200 cm含鹽量變化范圍為3.74～11.61 g/kg。試驗(yàn)結(jié)束后，由于淋洗作用，各處理表層含鹽量均有不同程度的減小，但由于淋洗定額小于2018年，因此脫鹽效果不如2018年明顯。各處理土壤剖面含鹽量無明顯趨勢，0～40 cm平均含鹽量變化范圍為1.83～14.60 g/kg，＞40～200 cm含鹽量變化范圍為4.14～11.36 g/kg。

2.3 暗管排水排鹽量

由于試驗(yàn)暗管出口設(shè)置在排水溝中（圖1），在排水過程中，部分處理（A1、A2、A4）暗管出口處由于排水溝中水位過深，無法進(jìn)行暗管出流流量監(jiān)測，故而無法分析相同淋洗定額下不同暗管布局參數(shù)的暗管出流流量之間的差異，但是仍然可以根據(jù)暗管流量和排水電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化分析暗管出流過程的變化規(guī)律，并通過比較 2 a試驗(yàn)的暗管累積排水排鹽量的差異，分析淋洗定額對暗管排水排鹽量的影響。2個(gè)試驗(yàn)?zāi)攴莶煌幚淼陌倒芰髁亢团潘妼?dǎo)率隨時(shí)間變化過程分別如圖6和圖7所示。需要注意的是，圖6和圖7中時(shí)間是以開始灌水時(shí)刻作為0時(shí)刻。各處理不同年份暗管累積排鹽量如圖8所示。

由圖6可見，各處理的暗管峰值流量變化范圍為38～320 L/h，出流時(shí)長變化范圍為245～441 h，但各處理出流過程均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且暗管流量上升過程很迅速，時(shí)間短，其中2020年不少處理由于開始出流時(shí)間位于晚上（大約為開始灌水100 h后），因此沒能監(jiān)測到暗管出流的上升階段。暗管流量上升速度快而下降速度慢的原因可能是許多淋洗水由大孔隙通過優(yōu)先流的方式直接補(bǔ)給地下水，導(dǎo)致地下水迅速上升，暗管達(dá)到峰值流量；在短時(shí)間上升到峰值流量后，隨著暗管不斷排水，地下水位不斷降低，暗管流量緩慢減小，直至停止出流，流量下降過程很長的原因是雖然試驗(yàn)田一側(cè)設(shè)置有排水溝，但由于田塊寬度較大（86 m），排水溝影響有限，地下水下降主要靠暗管排水，因此地下水下降速度慢。對比同一個(gè)處理不同年份的暗管出流過程可以發(fā)現(xiàn)，2020年各處理的暗管排水過程時(shí)長和過程流量均小于2018年（A3處理個(gè)別時(shí)間點(diǎn)除外），從圖8也可以看出，相對于2018年，2020年各處理的暗管累積排水量均有不同程度的減小，主要原因是2020年淋洗定額較小。此外由圖8可見，2020年暗管出流開始時(shí)間相對于2018年較晚，分析原因是2020年灌水前地下水位較深，因此地下水上升到暗管埋深位置較晚。

由圖7可見，不同年份各處理的暗管水流電導(dǎo)率在出流過程中相對平穩(wěn)，無明顯變化趨勢，經(jīng)計(jì)算，平均排水電導(dǎo)率為 12.65 mS/cm。僅有部分處理的電導(dǎo)率在暗管剛開始出流及排水過程快結(jié)束時(shí)存在一定波動(dòng)，原因是暗管剛開始排水時(shí)，排出的水大部分為通過大孔隙滲流到暗管的優(yōu)先流，由于優(yōu)先流在土壤中流速快，淋洗出的鹽分少，所以電導(dǎo)率小，因此此時(shí)暗管出流電導(dǎo)偏??；而當(dāng)暗管排水快結(jié)束時(shí)，暗管流量很小，此時(shí)暗管排水水樣的電導(dǎo)率受暗管出口附近淤積的鹽分影響較大，導(dǎo)致部分處理測得的暗管排水末期電導(dǎo)偏大。此外，對比2018和2020年相同處理的暗管排水電導(dǎo)率平均值可以發(fā)現(xiàn)，各處理的暗管排鹽濃度差別不大，但2020年各處理的暗管排鹽平均濃度略大于2018年平均濃度，原因是 2020年各處理的土壤鹽分含量，特別是0.8 m以下的土壤鹽分含量略微大于2018年。由圖8 可見，相對于2018年，2020年各處理的暗管累積排鹽量均明顯下降，這是因?yàn)?2020年淋洗定額減小導(dǎo)致各處理的暗管累積排水量明顯下降，而不同淋洗定額下各處理的排鹽濃度差別不大，因此 2020各處理暗管累積排鹽量明顯減小。

2.4 土壤脫鹽率顯著性影響因素極差分析和方差分析

根據(jù)公式（3）計(jì)算2018和2020年各處理脫鹽率，并根據(jù)正交試驗(yàn)極差分析方法，分別分析2018和2020年暗管布局參數(shù)對土壤脫鹽率的影響及相關(guān)關(guān)系，如表4所示。由表4可見，對于2018和2020年，隨著暗管間距減小，土壤脫鹽率逐漸增大（K3＞K2＞K1），隨著暗管埋深增大，土壤脫鹽率逐漸增大（K3＞K2＞K1），說明 2018和 2020年80 cm土壤脫鹽率均與暗管間距為負(fù)相關(guān)關(guān)系，與暗管埋深為正相關(guān)關(guān)系，但對于暗管管徑，2018和2020年K值大小與暗管管徑變化趨勢不一致。2018和2020年土壤脫鹽率在不同暗管埋深下的極差分別為18.35%和14.99%，不同暗管間距下的極差分別為12.11%和10.19%，在不同暗管管徑下的極差分別為3.77%和5.44%，說明暗管埋深和間距均對土壤脫鹽率有一定影響，且暗管埋深對于土壤脫鹽率的影響程度大于暗管間距，而管徑對脫鹽率影響較小。根據(jù)極差分析結(jié)果，為了達(dá)到最大脫鹽率，對于2018年暗管間距、埋深和管徑應(yīng)分別取為6 m、1.4 m 和160 mm，而對于2020年，暗管間距、埋深和管徑應(yīng)分別取為6 m、1.4 m 和110 mm，由極差分析結(jié)果得到的2 a最優(yōu)暗管布局不完全一致，原因可能是暗管管徑在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)對土壤脫鹽率的影響無顯著性，導(dǎo)致2 a結(jié)果不一致，因此在極差分析的基礎(chǔ)上，仍需要通過方差分析檢驗(yàn)個(gè)試驗(yàn)因素對土壤脫鹽率影響的顯著性。

表4 不同暗管布局參數(shù)下土壤脫鹽率極差分析Table 4 Range analysis of soil desalinization rate under different subsurface drainage layout parameters

為了驗(yàn)證各布局參數(shù)對脫鹽率影響的顯著性水平，結(jié)合正交試驗(yàn)多因素方差分析方法，分別計(jì)算 2018和2020年各影響因素對應(yīng)F值及顯著性，如表5所示。由表5可見，對于2018和2020年2 a不同淋洗定額的試驗(yàn)，暗管埋深和暗管間距對80 cm土壤脫鹽率均有顯著影響，這是因?yàn)殡S著暗管間距減小，單位土體擁有的暗管越多，因此能排出的鹽分越多，而暗管埋深越大，其能夠?qū)⒌叵滤档降奈恢镁驮缴钆懦龅乃忠簿驮蕉啵c之對應(yīng)排出的鹽分也就越多。由表5還可以看出，不同淋洗定額試驗(yàn)下，暗管管徑在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)均對80 cm土壤脫鹽率無顯著性影響，原因是試驗(yàn)所設(shè)置的暗管管徑水平為常用的 3種暗管直徑，對于常用管徑，最小管徑也能滿足暗管充分排水，因此管徑對80 cm土壤脫鹽率無顯著性影響。這也解釋了前述由極差分析結(jié)果得到的2 a最優(yōu)暗管布局不完全一致的原因。

表5 土壤脫鹽率影響因素F檢驗(yàn)值Table 5 F-test value of influence factors of soil desalination rate

此外，分析表4中2018和2020年各處理脫鹽率數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，相對于2018年，2020年由于淋洗定額減小，各個(gè)處理脫鹽率顯著減小（P＜0.01）。為檢驗(yàn)淋洗定額與暗管布局參數(shù)對于土壤脫鹽率影響是否具有交互作用，利用SPSS計(jì)算可得淋洗定額與暗管間距、埋深和管徑對于土壤脫鹽率的交互作用F值分別為0.1、0.8和0.6，均小于臨界值，可見淋洗定額與暗管布局參數(shù)對土壤脫鹽率變化無交互影響。

2.5 脫鹽率經(jīng)驗(yàn)公式及其應(yīng)用

根據(jù)2.4部分研究結(jié)果，在試驗(yàn)條件下，為了達(dá)到最大脫鹽率，暗管間距和埋深應(yīng)分別取為6和1.4 m，而暗管管徑則對土壤脫鹽率無顯著影響，可在90～160 mm范圍內(nèi)取值。然而該布置參數(shù)是基于試驗(yàn)設(shè)置的三個(gè)變量三個(gè)水平得到的結(jié)論，受限于試驗(yàn)水平數(shù)的影響。此外，該布置僅以增加土壤脫鹽率為目標(biāo)，而未考慮暗管施工費(fèi)用的影響。在實(shí)際工程中，最優(yōu)暗管布置應(yīng)為在滿足脫鹽目標(biāo)下的最經(jīng)濟(jì)暗管布局。因此，本部分將基于前述試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論，擬合得到土壤脫鹽率與暗管布局參數(shù)的定量關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，考慮暗管施工費(fèi)用，研究最優(yōu)暗管布局參數(shù)。

根據(jù)2.4部分結(jié)論，土壤脫鹽率與暗管間距和埋深呈近似負(fù)相關(guān)和正相關(guān)關(guān)系，與暗管管徑無顯著關(guān)系，且淋洗定額與暗管布局參數(shù)對土壤脫鹽率變化無交互影響。因此考慮用如式（4）形式的多元線性方程對脫鹽率（N）進(jìn)行擬合

式中L為暗管間距，m；D為暗管埋深，m；I為灌溉定額，m；a、b、c、d為待擬合參數(shù)。

將2018和2020年各處理脫鹽率分別作為率定值和驗(yàn)證值。經(jīng)擬合，a、b、c、d分別為-0.8、28、58、-14。將根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到的脫鹽率（觀測值）與根據(jù)該經(jīng)驗(yàn)公式擬合得到的脫鹽率（模擬值）作在 1:1直線附近，如圖9所示。經(jīng)計(jì)算，對于2018年率定值，脫鹽率模擬值與觀測值R2為0.96，RMSE=2.95%，對于2020年驗(yàn)證值，脫鹽率模擬值與觀測值R2為0.94，RMSE=5.89%，說明率定和驗(yàn)證的模擬值與觀測值趨勢一致，且誤差均較小，所得經(jīng)驗(yàn)公式可以用于指導(dǎo)研究區(qū)域的暗管工程布局。

以本研究區(qū)域?yàn)槔?，該區(qū)域試驗(yàn)前土壤0.8 m深度以內(nèi)平均含鹽量為8.6 g/kg，而新疆地區(qū)棉花的耐鹽閾值可以取為5.5 g/kg[26-27]，則目標(biāo)脫鹽率為36%。為節(jié)約水資源，將灌溉定額設(shè)置為300 mm[24]，則此時(shí)由式（4）得出，暗管合適間距和埋深滿足D=0.03L+1.16。實(shí)際工程中，暗管工程造價(jià)由土方量及暗管材料費(fèi)決定，如式（5）所示

式中L0為待鋪設(shè)暗管農(nóng)田的總寬度；Q、Q1和Q2分別為總費(fèi)用、土方費(fèi)用及材料費(fèi)用，元；q1為土方單價(jià)，元/m3；q2為單根暗管價(jià)格，元/m；w為暗管施工時(shí)開挖溝的寬度， m。

由公式（5）可見，工程造價(jià)與暗管間距呈負(fù)相關(guān)，即暗管間距越大，工程造價(jià)越低。實(shí)際施工時(shí)，暗管最大埋深取決于當(dāng)?shù)氐叵滤?、鋪管機(jī)最大開挖深度等，對于本研究，冬灌前地下水位位于2 m以下，而試驗(yàn)所設(shè)置最大暗管埋深為1.4 m，因此在試驗(yàn)研究范圍內(nèi)，暗管最合適埋深可以取為1.4 m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，此時(shí)暗管間距為8 m，由于暗管管徑在試驗(yàn)范圍內(nèi)對土壤脫鹽無顯著性影響，且暗管管徑越大，單價(jià)越高，因此為節(jié)約工程造價(jià)，暗管管徑可以取為90 mm，此時(shí)采用300 mm的淋洗定額進(jìn)行冬灌，即可以滿足36%的目標(biāo)脫鹽率。

3 討 論

暗管排鹽條件下土壤脫鹽率受到暗管布局參數(shù)的影響，根據(jù)本文分析結(jié)果，暗管管徑在常見的管徑范圍內(nèi)對于土壤脫鹽率無明顯影響，而管徑較小的暗管成本較低，因此可以選用90 mm的波紋管作為暗管；暗管間距和埋深均對土壤脫鹽率有顯著性影響，脫鹽率與暗管間距和埋深分別呈負(fù)相關(guān)和線性正相關(guān)。除暗管布局參數(shù)外，土壤脫鹽率還受到淋洗定額的影響。根據(jù)本文分析結(jié)果，相同暗管布局參數(shù)下，較大淋洗定額對應(yīng)的土壤脫鹽率顯著高于較小淋洗定額的土壤脫鹽率，但暗管布局參數(shù)與淋洗定額對土壤脫鹽率的影響無交互作用。脫鹽率和暗管間距、埋深以及灌水定額近似滿足N=-0.8L+28D+58I-14。對于研究區(qū)域，考慮節(jié)約水資源和節(jié)省工程造價(jià)，在目標(biāo)脫鹽率為 36%條件下，合適暗管埋深為1.4 m，間距為8 m，暗管管徑為90 mm，此時(shí)采用300 mm的淋洗定額進(jìn)行冬灌，即可以滿足脫鹽要求。

本文推薦的暗管布局參數(shù)與陳誠等[14]推薦的 120～150 cm 作為沿海地區(qū)灘涂地區(qū)暗管埋深以及蘇挺[16]推薦的1.5 m適宜埋深作為合適埋深均較為接近，但與楊玉輝等[17]推薦的20 m作為高地下水位的膜下滴灌農(nóng)田暗管合理間距存在一定差異，分析原因主要是楊玉輝等[17]研究區(qū)域地下水埋深（0.6～1.0 m）明顯小于本文研究區(qū)域（2.0 m以下）。已有研究考慮暗管布局參數(shù)不夠全面，本文所推薦的暗管布局是綜合考慮暗管間距、埋深以及管徑三種布局參數(shù)對土壤脫鹽影響后得到的結(jié)論，且該結(jié)論得到了2 a試驗(yàn)的驗(yàn)證。本文還證明增加淋洗定額會(huì)顯著增加土壤脫鹽率，這與竇旭等[22]的研究結(jié)果一致。但已有的這方面研究大多基于同一種暗管布局研究淋洗定額對土壤脫鹽的影響，本文還證明暗管布局參數(shù)和淋洗定額對土壤脫鹽率影響無交互作用，并將淋洗定額作為脫鹽率的影響因素，和暗管布局參數(shù)一同考慮在擬合得到的脫鹽率經(jīng)驗(yàn)公式中?？紤]到暗管布局參數(shù)也受到土質(zhì)等其他因素的影響，因此不同土質(zhì)情況下的合適暗管布局參數(shù)還需要進(jìn)一步研究。此外，本文設(shè)置的淋洗定額水平數(shù)較少，得到的脫鹽率經(jīng)驗(yàn)公式在不同淋洗定額下的模擬效果還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

通過布置不同暗管布局參數(shù)的暗管排鹽工程，并配合不同淋洗定額進(jìn)行淋洗試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

1）暗管排水過程中，暗管排水流量先迅速增加，后緩慢減小，而暗管排水電導(dǎo)率相對平穩(wěn)，其主要與所在土壤剖面含鹽量水平有關(guān)，而與淋洗定額及暗管流量無關(guān)，且暗管排水和排鹽總量均隨著淋洗定額的減小而減小。

2）80 cm以上土壤脫鹽率與暗管間距呈顯著負(fù)相關(guān)，和暗管埋深呈顯著正相關(guān)，而和管徑無顯著性關(guān)系，和淋洗定額呈顯著負(fù)相關(guān)，且淋洗定額與暗管布局參數(shù)對土壤脫鹽率影響無交互作用。

3）綜合研究區(qū)脫鹽率經(jīng)驗(yàn)公式，考慮節(jié)約水資源和節(jié)省工程造價(jià)，在目標(biāo)脫鹽率為 36%條件下，合適暗管埋深為1.4 m，間距為8 m，管徑為90 mm。此時(shí)采用300 mm的淋洗定額進(jìn)行冬灌，即可以滿足脫鹽要求。