滴灌频率对土壤水盐动态的影响过程研究

徐亚南，李明思

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003)

滴灌具有“浅灌勤灌”的特点，相对于地面灌溉而言，滴灌频率较高。前人的研究指出[1-4]，高频滴灌可以抑制作物根区土壤盐分。Behera等[5]和Reedy等[6]通过田间与室内的试验发现，少量多次灌溉对土壤溶质的淋洗效率要高于一次性大水量灌溉的淋洗效率，但这会增加深层渗漏量。然而也有不少试验结果发现[7,8]，灌水频率高、单次灌水量较小时，很难影响到深层的土壤盐分，导致溶质淋洗效率降低，特别是在蒸发强烈地区，这种现象尤为明显。

目前，学者们对高频灌溉下的土壤盐分运移情况得到不同的试验结果；对于高频灌溉是否产生深层渗漏以及湿润层的盐分去向等问题认识并不统一。其原因在于对高频灌溉的抑盐机理尚不明确。高频滴灌中，灌水起着淋洗土壤盐分的作用；而滴水间隔期间的蒸发起着土壤返盐的作用。所以，高频滴灌的抑盐作用实际上是洗盐与返盐之间的博弈结果。但是，灌水频率的变化(单次滴水量与滴水间隔天数之间的关系)与抑盐效果之间的关系问题还需要做深入的研究。本文基于室内土槽试验，在滴水总量相同、而滴水频率不同的条件下，从滴水入渗和蒸发2个过程比较土壤盐分垂直下移和垂直上升返盐的运移规律，分析并探讨滴灌频率对土壤盐分运移的影响过程。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2016年4-9月在石河子大学水利建筑工程学院水利与土木工程实验中心进行(经度44°18′25N，纬度86°03′27E，海拔451 m)，年平均气温6.1 ℃，年降雨量208 mm，蒸发量为1 967 mm,无霜期160～170 d，大于10 ℃积温 3 693 ℃，年辐射总量5 392 MJ/m2，年日照2 680 h，为典型的半干旱生态类型。

供试土壤物理黏粒(<0.01 mm)量为28.87%，按照卡庆斯基土壤基本质地分类法定为中壤土。其原状土壤的干容重为1.49 g/cm3；孔隙率为44.57%；饱和质量含水率为29.91%；田间持水率(质量百分数)为26.56%。用美国SEC公司生产的1500F1型压力膜仪测得土壤水分特征曲线如式(1)所示。

S=19 627 387 e-1.168 543 θg(R= 0.941 5)

(1)

式中：S为土壤水吸力，MPa；θg为土壤质量含水率，%；R为相关系数。

为便于取样，本试验在玻璃土槽中进行，玻璃土槽尺寸为100 cm×20 cm×80 cm。土槽底部铺10 cm厚度的细砾石垫层，上覆多孔PVC隔板，板厚10 mm，板上孔距50 mm×50 mm。试验前先将土壤风干、磨碎，过2 mm筛以去除杂质，装土时按照设计容重分层装填，每装填5 cm厚压实，各层之间表面刷毛以保证上下土层接触良好。土槽装填总高度60 cm。

1.2 试验方法

试验设置4个滴灌频率处理，总滴水量都为10 L，滴头设计流量为1 L/h。各处理设计如表1所示。

表1 试验处理方法

试验指标均在自然蒸发条件下测得。各处理的土壤盐分本底值以及初始含水率如表2所示。

表2 各处理土壤本底值

注：C为土壤盐分含量，g/kg；θg为土壤质量含水率，%。

滴水停止24 h后即可取样。处理IF1取样5次；处理IF2取样3次。为了解表土蒸发对盐分运动过程的影响，对处理IF3灌水后24 h和48 h各取样一次，共取样4次；IF4(4 d)灌水后24、48和72 h各取样一次，共取样3次。采用直径1 cm土钻分别在水平方向和垂直方向取土样。其中，水平方向以滴水点为对称点，向两边±5 cm和±15 cm布置取样点；垂直方向每10 cm土层深度设一取样点，从表土一直取到60 cm深度。

1.3 测定项目

采用烘干法测定土壤含水率。用烘干残渣法测土壤含盐量。其中，用DDS-11A型(上海雷磁)数显电导率仪测定土壤浸出液的电导率；然后在105 ℃的干燥箱中烘干残渣(用过氧化氢处理土壤有机质)，标定土壤盐分质量分数与电导率值对应关系如式(2)所示。

C=0.004 7Ec+1.64 (n=49，R2=0.993 4)

(2)

式中：C为土壤盐分质量分数，g/kg；Ec为土壤浸出液电导率，μS/cm；n为样本数。

采用自制微型土壤蒸发器[9]测表土蒸发。微型蒸发器主要由内筒和外筒两部分组成。内、外筒均打孔，孔距为10 mm×10 mm，孔径为2 mm。内筒直径为5.3 cm，高度为11 cm。外筒直径为7 cm，高度为12 cm。外筒内按设计容重填土。滴水后外筒中的土壤水与土槽中的土壤水建立联系。第一次滴水后12 h将内筒垂直压入外筒内土中，尽量不破坏土体结构，取出原状土，并用刮刀刮平底部后用纱网包扎，再用电子天平称重，最后放回外筒中用力压紧，使土样顶面与土槽内土面齐平。土柱重量每减少1 g相当于0.453 3 mm蒸发水量。

2 结果与分析

2.1 单次滴水量对土壤水分分布的影响

总滴水量均为10 L条件下，随着滴水次数的增加，土壤湿润深度增大；随着单次滴水量的增大(滴灌频率减小)，土壤湿润深度也加深(如图1所示)。

处理IF1共滴水5次，其中，第一次灌水结束24 h后，湿润锋运移深度不足10 cm，5次滴水结束24 h后，湿润锋运移至30cm处。处理IF2中，湿润锋随灌水次数的增加不断加深，最终也运移至30 cm处。IF3和IF4的滴水次数少，但单次滴水量大，水分蒸发损失少，湿润锋运移深度均达到 40 cm。

图1 土壤水分分布

由图1可知，单次滴水量对土壤入渗深度的影响要大于滴水次数对入渗深度的影响。根据土壤入渗理论可知[10]，土壤导水率随土壤含水率的增大而增大。对于处理IF1，由于其滴灌频率高，滴水间隔时间短，土壤水分来不及充分再分布就开始又一次滴水，所以，每次滴水时的初始含水率增大，导水率增大，导致湿润锋运移逐步加深[如图1(a)所示，为每一次滴水24 h后的含水率分布]。传统上认为，灌水量超出土壤田间持水量时就会出现深层渗漏。对于处理IF4，单次滴水量大，土壤含水率超出了田间持水率(26.56%)，所以，该处理的入渗深度最大。这从土壤水分分布上也可以得到证明。处理IF1、IF2和IF3的土壤含水率随滴水次数而逐步增大，最终在土层15 cm处形成峰值，分别为25.134 2%、25.798 1%、25.036 8%，但是都没有超过田间持水率。而IF4的含水率峰值为27.092 7%，大于田间持水率。

2.2 滴水间隔天数对土壤水分分布的影响

试验中，各处理的表土都存在蒸发，如图2所示。但是，蒸发作用对土壤水分分布的影响随着滴水间隔天数的延长而增大。

图2 各处理试验过程中表土蒸发强度

处理IF1和IF2的滴水间隔天数小，土壤水分的蒸发作用都不明显，如图1(a)和图1(b)所示。处理IF1在5 cm土层处的含水率不仅没有因为蒸发而减小，反而每次滴水前都在增大，相应的土壤基质吸力由0.409 kPa减小到0.007 kPa。处理IF2的表土蒸发强度很大，但是其5 cm深度处的土壤含水率只在第二次滴水前有所减小，而第三次滴水时则又重新接近初始状况，相应的基质吸力为0.014 kPa。然而，处理IF3和IF4的滴水间隔天数长，水分蒸发作用就很明显，如图1(c)和图1(d)所示。处理IF3滴水后48 h在5 cm土层处的含水率减少了3.220 8%～3.371 9%，相应的土壤基质吸力由0.011～0.012 kPa增大到0.502～0.545 kPa，0～30 cm土层的含水率都减少了；而处理IF4滴水后48 h在5 cm土层处的含水率减少了1.898 8%，滴水后72 h则减少了3.349 5%，相应的基质吸力由初期的0.001 kPa最终增大到0.052 kPa，0～40 cm土层的含水率都减少。

根据土壤蒸发理论[10]，滴水入渗使水分向土壤下层运移，而蒸发则使水分向土壤上层运移。但是，灌水结束的一定时段内，土壤表面含水率很高，可以保持稳定蒸发，不影响下层的水分运移趋势，所以，表层以下的土壤水分仍然保持向下运移的“惯性”。当蒸发时间延长、土壤表层含水率不能够维持稳定蒸发时，上层土壤基质吸力增大，土壤下层的水分开始向上层运移，使下层含水率降低，整个水分蒸发过程表现出一种“滞后”现象。因此，当滴水间隔天数短时，表现不出蒸发作用；当滴水间隔天数长时，蒸发作用强烈。

2.3 滴灌频率对土壤盐分运移的影响

各处理都反映出土壤盐分随着水分的入渗而向下移动，而且随滴水次数的增加而运移深度增大。与土壤盐分本底值相比(见表2)，土壤上层脱盐，下层积盐(见图3)。但是，由于存在表土蒸发作用，当滴水间隔时间较大时，在2次滴水之间出现土壤盐分上移返盐现象[见图3(c)和图3(d)]。

虽然处理IF1和IF2单次滴水量小，土壤入渗深度相对较浅，淋洗盐分的深度也浅，但是，由于IF1和IF2的滴水间隔时间短，表土蒸发对土层水分影响小，导致土壤盐分持续受水分渗透的影响，随滴水次数增加而被抑制在土壤下层。处理IF3和IF4的单次滴水量较大，更多的盐分可以被溶解并被淋洗到深层，但是，IF3和IF4的滴水间隔时间相对较长，水盐运移受到表土蒸发的作用明显，滴水后48 h土壤盐分均上移。然而，与土壤盐分本底值相比，其上部仍处在脱盐状态，下部处在积盐状态，只是积盐深度变浅。从图1和图3可以看出，处理IF3和IF4滴水入渗时将盐分淋洗到土层深处；而在滴水间隔期间，蒸发作用使上部土壤含水率大幅度减小，导致上部土壤水分对盐分的溶解能力下降，盐分的对流运移速率也降低，所以上部土层的返盐量较小(分别为2.138 3和3.344 0 g/kg)；相比较而言，下部土层的返盐量较高(分别为12.579 6和21.951 8 g/kg)。

图3 土壤盐分变化过程

这表明滴灌频率较高时，土壤盐分主要向深层运移，抑盐作用明显；滴灌频率较低时，土壤盐分在深度方向上下波动，抑盐作用降低，但是仍存在抑盐作用。

2.4 滴灌频率对抑盐效果的影响

当累积滴水量均达到10 L时，为考虑蒸发返盐作用取下一次滴水前测得的土壤盐分作为分析数据，分析各处理的土壤盐分状态，从含盐量相对变化幅度和积盐深度两个指标评估抑盐效果。试验显示，各处理的脱盐率相差不大，但是积盐深度明显不同(见表3)。

各处理表层土壤(0～10 cm)的脱盐率相差不大。在土层10～20 cm处，第二次试验的脱盐率小于第一次试验的脱盐率，这是因为第二次试验的土壤盐分本底值就比第一次试验的本底值小了约10 g/kg(见表2)，再加上该层的土壤水分小于表层土壤水分，盐分在该层的对流运移速度小，所以整体上都比第一次试验的脱盐率小。

表3 各处理滴水10 L后土壤积(脱)盐率 %

注：表中“+”为积盐；“-”为脱盐。

处理IF1和IF2的积盐深度在20～30 cm之间；处理IF3的积盐深度在30～40 cm之间；处理IF4的积盐深度甚至可达到40 cm以下。这说明单次滴水量越大(滴灌频率小)的处理，其抑盐效果越好。这是因为单次滴水量越大，土壤盐分被淋洗的深度越深；虽然，相应的滴水间隔天数也长，表土蒸发作用大，但是，由于浅层土壤水分蒸发散失后其含水率明显降低，土壤盐分的对流运移速度降低，所以蒸发返盐量有限，主要表现为下层积盐深度变浅。

3 讨 论

前人的研究显示，高频滴灌对土壤盐分有抑制作用[11,12]；也有研究显示，由于高频滴灌单次灌水量少，土壤盐分淋洗较浅，很容易出现蒸发返盐现象[8]。本文在不考虑地下水埋深和地下水补给的影响情况下，试验得出高频滴灌具有抑盐的效果；滴水间隔期间存在蒸发返盐现象，这与前人的研究结果一致。但是，进一步的研究分析发现，土壤蒸发返盐受滴水间隔天数影响。只有当滴水间隔天数较长时，才有明显的蒸发返盐现象；而当间隔天数较短时，尽管地表有蒸发作用，土壤却没有返盐现象。这可能是由于滴水时土壤表层盐分被淋洗到下层(脱盐)，表层含盐量明显减少；而滴水刚结束时土壤表层含水率高，表土处在稳定蒸发阶段，对下层土壤水分运动没有影响；当表土含水率明显减少并开始影响下层土壤水分时，又开始了新一轮滴水，土壤始终没有返盐的机会，盐分一直向下层运移。即便滴水间隔天数较长时有蒸发返盐现象，其上层土壤的返盐量也是有限的，只是下层的积盐深度变浅。这可能是由于较大的单次滴水量将盐分淋洗得较深[13]，而上层土壤水分蒸发后盐分对流运移速度减小，使得上层土壤蒸发返盐量不大，再加上滴水时上层土壤含盐量减少，总体上土壤上层是处在脱盐状态。

对比各处理滴水脱盐和蒸发返盐过程可以发现，盐分在对流运移条件下运移和积累较快，如果没有地下水的补充，土壤上层在滴水时的脱盐幅度比蒸发时的返盐幅度大，而下层返盐幅度相对较大。因为蒸发时上层土壤的含水率减少，限制了盐分向上层的对流运移，而下层土壤含水率相对较高，可使盐分上移。

单从滴灌抑盐效率的角度来分析，在一定的地表蒸发强度条件下，单次滴水量与滴水间隔天数之间应该存在一定的协调关系，这样才能保持土壤盐分被持续抑制在土壤深层而没有明显的返盐现象。而它们两者之间的关系应该是设计盐碱地上滴灌灌水制度的理论依据之一。

4 结 语

本文通过以上试验和详细分析，揭示了高频滴灌抑盐的详细过程，较为深入的阐明了抑盐机理，得到以下结论。

(1)高频滴灌时，滴水可使土壤盐分即刻向下层运移即盐分向下运移速度快，而蒸发不会使土壤盐分即刻向上层运移即此时盐分向上运移速度较慢；只有滴水间隔天数较大时(大于2 d)，盐分才会沿土层垂直方向上、下波动。

(2)高频滴灌的抑盐作用主要取决于单次滴水量，单次滴水量越大，土壤盐分淋洗的越深，抑盐效果越好。

(3)在没有地下水补充和地表蒸发不强烈的情况下，滴水间隔天数所造成的蒸发返盐量有限，只是土壤下层积盐深度变浅，而土壤上层仍处在脱盐状态；甚至当滴水间隔天数较小时(小于2 d)，土壤盐分持续向下层运移，没有蒸发返盐现象。

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