张强伟 亢勇
摘要 为探明微润灌对土壤水盐运移的影响,以南疆盐碱土为研究对象,采用室内模拟试验,分析了不同初始含水率(0%、4%、8%、12%)条件下微润灌土壤水盐分布特征。结果表明,土壤累计入渗量及平均入渗率均随着土壤含水率的升高而逐渐下降,成负相关关系;不同初始含水率湿润体在垂直方向上均处于微润带埋设位置偏下,水平方向上成左右对称关系;土壤初始含水率对湿润锋运移距离及湿润体的大小影响较小;随着初始含水率的逐渐增大,等值线图逐渐变疏,土壤水势梯度降低;初始含水率对湿润体内平均含水率影响较小;土壤脱盐区范围及脱盐率随着初始含水率的增大逐渐降低,两者成负相关关系。
关键词 盐碱土;初始含水率;微润灌;土壤水盐
中图分类号 S274.2;S152.7 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2018)13-0183-04
Effect of Soil Initial Water Content on Soil Water and Salt Movement of Moistube-Irrigation
ZHANG Qiang-wei KANG Yong
(College of Water Resource and Architectural Engineering,Tarim University,Alar Xinjiang 843300)
Abstract In order to identify the effect of moistube-irrigation on water and salt movement,the saline-alkali soil irrigated by moistube was selected as the research object,the soil water and salt distribution characteristics were analyzed under different initial water content(0%,4%,8%,12%)by laboratory simulation test. The results showed that soil cumulative infiltration rate and the average infiltration rate were decreased with the increase of soil water content;each horizontal distribution of moisture was symmetric about the center of buried moistube. Each vertical distribution of moisture area under different buried depths was under the buried depths. Soil wetting pattern was under the embedding position and symmetric about the center of buried moistube. The size of the wetting front transport distance and wetting body changed small. Contour map was gradually sparse,soil water potential gradient was reduced.The average water content in the soil wetting pattern was small changed with initial soil water content.The range of soil desalting and desalting rate were decreased with the increase of initial soil water content.
Key words saline-alkali soil;initial water content;moistube-irrigation;soil water and salt
鹽分是影响作物生长的重要因子,盐分分布与水分入渗、作物蒸腾和土壤蒸发作用有着密切的关系。生产实际中,一般利用灌溉技术对土壤盐分进行调控,为作物生长创造适宜的低盐环境。不同的灌溉方式,土壤水分运移差异较大,进而影响土壤盐分分布状况[1]。
微润灌溉是近年来发明的一种应用半透膜技术的全新地下精准微灌技术。该技术将利用功能性半透膜制成的微润带埋设在作物根系附近,以膜内外水势梯度为驱动,根据作物需水需求,以缓慢出流的方式为作物根区输送水分。微润带出水孔均匀密集,水分出流可以看作“线源”状,可有效防止地表蒸发、减少深层渗漏,其抗堵塞性能强、运行成本低,是一种省水、高效的连续地下灌溉技术[2-3]。微润灌与传统灌溉方式的差异导致作物根区保持土壤水分的状态也不尽相同,进而对土壤水分和盐分的运移产生影响。目前已有研究表明,微润灌土壤累积入渗量与水头压力成正相关,且水头压力越大,土壤水分分布范围越广,土壤平均含水率越高[4]。微润带埋深显著影响土壤湿润体的形状,土壤累计入渗量与埋深成负相关关系,土壤湿润均匀系数与埋深成正相关[5]。微润灌土壤湿润体是以微润带为轴心的柱状体,黏壤土为近似圆柱体,砂土湿润体横剖面为“倒梨”形,砂土的湿润范围最大,壤土次之,黏土最小[6-7]。微润灌条件下压力水头是影响流量的主要因素,土壤含水率和水势呈对称分布,湿润面积略大于地下滴灌[8]。微润带埋深15 cm时,土层平均脱盐率和土壤平均含水率分别达到26.05%、25.1%,为番茄生长创造了一个良好的水盐环境[9]。
已有的研究成果为微润灌技术的推广和应用提供了一定的技术支撑,但针对南疆地区特殊气候和土壤条件下的微润灌研究,目前鲜有报道。微润带可适应土壤含水率调整微孔出流量,土壤初始含水率必将对微润灌溉土壤水分运移及盐分迁移产生较大的影响。本文以南疆盐碱土为研究对象,设定不同的土壤初始含水率,分析其对微润灌溉土壤水盐运移的影响,以期为微润灌技术在南疆盐碱地上的推广和应用提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于2016年3—5月在塔里木大学节水灌溉试验基地(东经80°51′、北纬40°37′)进行。该区处于塔克拉玛干沙漠南缘,多年平均气温10~11 ℃,年平均降水量50~70 mm,全年蒸发量1 400~1 700 mm。
1.2 试验材料
试验土壤取自塔里木沙漠边缘未开垦的荒地,取土深度从表层至40 cm,土壤类型为砂壤土,土壤体积质量为1.4 g/cm3,田间持水率为24%。将取得的土壤经风干、碾压、均匀混合、过2 mm筛后制成试验土样,混合后土壤中主要含有钠离子、氯离子和硫酸根离子,其初始含盐量为29.5 g/kg。将处理好土样按照原始體积质量分层装入土槽(120 cm×60 cm×60 cm)内,每1层高为5 cm,装土高度为50 cm,层间打毛,以利于充分结合。
1.3 试验方法
试验共设计4个土壤初始含水率,分别为0%、4%、8%、12%,利用马氏瓶提供恒定水头,水头压力1.5 m。灌水试验开始后用秒表记录灌水时间,对马氏瓶水位刻度进行读数。3~12 h内每隔3 h测定1次,24 h测定1次,24~36 h内每隔6 h测定1次,36~72 h内每隔12 h测定1次。当马氏瓶水位降至1/3处添加水量,灌水时间控制在72 h。最终根据不同时间对应的灌水量计算累计入渗量及入渗速率。灌水结束后,沿微润带方向上选取3个断面,断面间距为25 cm。在每个断面上以微润带铺设位置为参考位置0 cm,沿垂直于微润带方向向两侧5、10、15、20、25 cm处取样,每个位置取样深度分别为0、5、10、15、20、25、30、35、40 cm(图1)。样品土壤含水率、土壤含盐量分别利用烘干法、电导法测定。
2 结果与分析
2.1 土壤不同初始含水率对累计入渗量的影响
土壤不同初始含水率对土壤累计入渗量及微润带出流量具有明显作用。由图2可知,在整个灌水时间内,初始含水率为0%的土壤累计入渗量最大,达到13.266 L,平均入渗率为184 mL/h;初始含水率为12%的土壤累计入渗量最小,仅为3.63 L,平均入渗率为50 mL/h。累计入渗量及平均入渗率均随着初始含水率的升高逐渐下降,尤其土壤含水率达到12%,土壤累计入渗量及平均入渗率急剧下降,仅是初始含水率为0%的27%。分析认为,土壤初始含水率直接影响微润带出流量。由于微润带流量的大小可根据膜内外水势梯度自行调节,在水头压力及微润带埋深一致的条件下,土壤初始含水率是影响膜内外水势梯度的唯一因素。微润灌流量微小,直接将水输送到土壤中,入渗主要受土壤含水率的影响,当初始含水率较低时,入渗速率主要靠基质势和毛管力驱动,入渗界面土壤水势较低,土壤入渗能力强,当土壤有一定初始含水率时,土壤团聚体遇水则会膨胀崩解,土壤孔隙度降低,形成不透水的结皮,土壤入渗速率较低。总体表现为土壤累计入渗量与土壤初始含水率成负相关关系。
2.2 土壤不同初始含水率对湿润体内水分分布及均匀度的影响
土壤不同初始含水率对累计入渗量影响较大,进而影响土壤湿润区范围及湿润体内土壤含水率。由图3可知,其中(0,15)为微润带埋设位置。不同初始含水率湿润体在垂直方向上均处于微润带埋设位置偏下,水平方向上呈左右对称关系。不同初始含水率湿润锋距离在水平方向上为均为0~15 cm、垂直方向上为0~35 cm土层,相差不大,说明土壤初始含水率对湿润体的大小影响较小。
从湿润体内土壤含水率等值线图疏密程度可以看出,土壤初始含水率越低,等值线越密,土壤水势梯度较大;随着初始含水率的逐渐增大,等值线图逐渐变疏,土壤水势梯度降低。分析认为,土壤含水率越低,吸水能力越强,水分运移速率越快。初始含水率为0%时,土壤水势梯度达到最大值,微润带流量较高,水分运移速率较快,土壤含水率增幅较大。初始含水率为12%时,由于土壤有一定的含水率,吸水能力下降,土壤之间水势梯度相对降低,土壤含水率增幅较小,该现象与土壤累计入渗量呈对应关系。灌水结束后,初始含水率为0%、4%、8%、12%的湿润体内平均含水率分别为16.35%、16.53%、16.31%、16.87%,初始含水率对湿润体内平均含水率影响较小。计算发现,微润灌溉湿润均匀程度随着初始含水率的增大而增大,当初始含水率分别为0%、4%、8%和12%时,湿润体灌水均匀度分别为87.23%、90.41%、92.53%和94.10%,湿润体内含水率多为10%~20%,能为作物生长提供适宜的水分环境。
2.3 土壤不同初始含水率对土壤盐分的影响
土壤盐分迁移一般随着土壤水分的运动而迁移。水分运移特性不同,必然导致土壤盐分呈现不同的空间分布特征。由图4可知,不同初始含水率条件下,微润带土壤盐分再分布均以微润带为中心,形成脱盐区。
土壤初始含水率为0%和4%条件下,土壤脱盐区范围较大,水平方向为0~10 cm,垂直方向上为10~25 cm土层,土壤盐分主要集中在30 cm土层。土壤脱盐区范围随初始含水率的增大而降低,土壤初始含水率为8%条件下,土壤脱盐区范围水平方向为0~5 cm,垂直方向为10~25 cm;土壤初始含水率为12%条件下,土壤脱盐区范围最低,垂直方向上仅为10~20 cm。土壤盐分的运移与水分密切相关,不同含水率条件下,微润带自动调节出水量,即土壤含水率越低,出流量越大。最终灌水结束后,不同处理下湿润体内平均含水率相差不大,说明在水头压力和微润带埋深一致条件下,微润带可根据土壤含水率状况自行调节出水量,使土壤含水率处于平衡状态;但从对盐分淋洗效果来看,不同含水率处理对土壤脱盐区影响较大,土壤含水率较高状态下,土壤脱盐区范围较小。因此,在土壤含水率较高条件下,需提高水头压力,增大微润带出流量,才可对土壤盐分形成有效淋洗。
经计算,在初始含水率为0%、4%、8%、12%的条件下,脱盐区内土壤平均含盐量分别为14.42、16.57、21.63、23.38 g/kg,平均脱盐率为51.90%、43.80%、26.68%、20.75%。说明土壤初始含水率越高,微润灌对土壤盐分淋洗效果越差,脱盐率越低。
3 结论与讨论
土壤累计入渗量及平均入渗率均随着含水率的升高逐渐下降,之间成负相关关系。在水头压力及微润带埋深一致条件下,土壤初始含水率是影响膜内外水势梯度的唯一因素。初始含水率较低,入渗速率主要靠基质势和毛管力驱动,入渗界面土壤水势较低,土壤入渗能力强,初始含水率较高,土壤团聚体遇水则会膨胀崩解,土壤孔隙度降低,形成不透水的结皮,土壤入渗速率降低。
不同初始含水率湿润体在垂直方向上均处于微润带埋设位置偏下,水平方向上成左右对称关系。土壤初始含水率对湿润锋运移距离及湿润体的大小影响较小。土壤初始含水率越低,等值线越密,土壤水势梯度较大;随着初始含水率的逐渐增大,等值线图逐渐变疏,土壤水势梯度降低。初始含水率为0%、4%、8%、12%的湿润体内平均含水率分别为16.35%、16.53%、16.31%、16.87%,初始含水率对湿润体内平均含水率影响较小。湿润体内含水率多为10%~20%,能为作物生长提供适宜的水分环境。
在水头压力和微润带埋深一致条件下,微润带可根据土壤含水率状况自行调节出水量,使土壤含水率处于平衡状态。不同初始含水率处理对土壤脱盐区影响较大,土壤含水率较高状态下,土壤脱盐区范围及脱盐率较低,脱盐效果较差,两者成负相关关系。因此,在土壤含水率较高条件下,需提高水头压力,增大微润带出流量,才可对土壤盐分形成有效淋洗。
4 参考文献
[1] 郑晓辉,巴特尔·巴克,李宏,等.不同灌水方式下干旱區盐碱地土壤水盐运移特征分析[J].东北农业大学学报,2011,42(5):95-98.
[2] 杨文君,田磊,杜太生,等.半透膜节水灌溉技术的研究进展[J].水资源与水工程学报,2008,19(6):60-63.
[3] 窦超银,李春龙,李光永.吸力式微润灌水器水力特性试验研究[J].灌溉排水学报,2012,34(4):83-87.
[4] 薛万来,牛文全,张俊,等.压力水头对微润灌土壤水分运动特性影响的试验研究[J].灌溉排水学报,2013,32(6):7-11.
[5] 牛文全,张俊,张琳琳,等.埋深与压力对微润灌湿润体水分运移的影响[J].农业机械报,2013,44(12):128-134.
[6] 张俊,牛文全,张琳琳,等.微润灌溉线源入渗湿润体特性试验研究[J].中国水土保持科学,2012,10(6):32-38.
[7] 吴卫熊,张廷强,何令祖,等.微润灌条件下广西山区主要土壤水分运移规律研究[J].中国农村水利水电,2016(12):8-11.
[8] 张珂萌,牛文全,薛万来,等.间歇和连续灌溉土壤水分运动的模拟研究[J].灌溉排水学报,2015,34(3):11-16.
[9] 张子卓,牛文全,许建,等.膜下微润带埋深对温室番茄土壤水盐运移的影响[J].中国生态农业学报,2015,23(9):1112-1121.