微咸地下水浅埋条件下滴灌频率对土壤盐分运移过程的影响

梁萌帆，李明思

（石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832003）

随着滴灌技术的大面积应用，该技术与土壤盐碱化之间的关系也越来越受到学术界的关注。针对滴灌农田中出现的盐碱化现象及其产生的原因，学术界存在很多争论[1-2]。有些研究表明，除了微咸水滴灌会造成土壤次生盐碱化以外[3-4]，有些淡水滴灌也表现出田面盐分积累现象[5-6]，而有些则表现出抑盐效果[7-8]。学者们早已发现地下水（或微咸地下水）埋深是影响农田盐碱化的重要因素，并在地下水埋深较浅的情况下，针对土壤盐分动态开展了很多研究工作。Seeboonruang等[9-13]研究了浅层地下水物理化学性质与地表土壤盐分之间的关系，发现表层土壤的盐分状况取决于地下水埋深、矿化度及土壤特性，地下水埋深越浅，越容易发生土壤盐碱化。Haj-Amor等[14-15]在突尼斯绿洲针对椰枣林充分灌溉条件下土壤盐渍化过程和浅层地下水动态问题进行了为期十年的研究，结果表明，在高蒸发强度下，虽然大量灌溉水可稀释地下水盐分浓度，但是由于地下水位上升使得土壤盐分更容易增加，而地下水埋深80 cm加上频繁灌溉（20天间隔）可以使土壤保持安全的盐分水平。

一些学者的研究表明，滴灌频率对农田土壤盐分动态有影响。徐亚南等[16]在无地下水影响情况下试验得出，高频滴灌具有抑盐作用，可将盐分抑制在耕作层底部一定范围内，积盐层在这一范围内随灌水频率而上下波动；杜磊等[17]通过田间试验研究指出，提高滴灌频率可对土壤盐分起到抑制作用，耕作层中的脱盐效果明显。

前人的研究成果表明，埋深较浅的地下水（或微咸水）对滴灌农田盐碱化状况影响很大，甚至可能是造成干旱区农田盐碱化的主导因素。然而，关于微咸地下水浅埋条件下滴灌频率对土壤盐分运移的影响机理研究得还不深入。新疆的灌区大都分布在山前冲积扇和冲击平原上，灌区下游地下水埋深较浅，而且潜水普遍是微咸水。在这些地方采用滴灌技术就会遇到微咸地下水埋深与滴灌技术耦合作用下的土壤盐碱化问题。本文以室内试验为基础，研究微咸地下水浅埋条件下滴灌频率对土壤盐分运移过程的影响，探求该条件下土壤盐分状况的演变机理，为发展滴灌农田盐碱化治理技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置和材料

试验于2017年4月至9月在石河子大学水利与土木工程实验中心进行。

1.1.1 试验装置

由土柱、供水系统和辐射灯组成。土柱内径44 cm，高为80 cm，底部装有15 cm反滤层，上覆多孔PVC板，防止上层土壤进入砂砾层。试验装置如图1所示。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experiment device

1.1.2 试验材料

供试土壤取自新疆石河子市炮台镇荒地。供试土壤物理粘粒（＜0.01 mm）含量为15.09%，按照卡庆斯基土壤基本质地分类法定为沙壤土。其原状土壤的干容重为1.62 g/cm3，孔隙率为37.94%，田间持水率（质量百分数）为16.81%，饱和含水率（质量百分数）为23.42%。

1.2 试验方法

试验前先将供试土壤风干、磨碎，过2 mm筛以去除杂质，搅拌混合均匀，按照设计容重分层装填到土柱内，各层之间表面刷毛以使土层上下接触良好，土柱填土高度60 cm。土柱装填完成后，经过24 h静置后开始试验，试验采用滴灌灌水和地下水供给同时进行的方式，3个处理第1次滴水时间一致，均为9：30。滴灌使用蒸馏水，每个土柱灌水总量为2 L，滴头流量0.2 L/h。供试地下水矿化度为3 g/L，主要成分为硫酸钠。土柱上方悬挂275 W辐射灯模拟蒸发 ，每天光照10 h。距土柱底部5 cm高度处安设一铜管，用以连接土柱和马氏瓶，通过调整马氏瓶通气管的高度控制土柱中的地下水埋深，地下水埋深均为60 cm。

各处理设计如表1所示。3个滴灌频率处理试验为1组，共3组，每组试验的土壤盐分本底值分别为 11.907 g/kg、12.195 g/kg、12.577 g/kg，对应的土壤初始质量含水率分别为2.14%、2.29%和2.12%，分别记为试验一、试验二和试验三。

表1 试验方案表Tab.1 The test scheme table

1.3 测试指标

灌水结束后立即用直径2 cm土钻取样。取样方式为水平方向以滴水点为中心，距离滴水点5 cm处设取样点，垂直方向每10 cm深度取一个样，且每次取土的位置不重复；同时每次滴水结束后从土柱和马氏瓶的连接处用医用注射器抽取地下水样；以后每隔24 h取样，共计取样8次。

采用自制微型蒸发器测表土蒸发，使用方式见文献[16]。采用烘干法测定土壤含水率和地下水矿化度。用土壤浸提液电导率法测土壤含盐量，其中，用DDS-11A型（上海雷磁）数显电导率仪测定土壤的电导率；然后用烘干残渣法标定土壤盐分质量分数与电导率值的对应关系，如式（1）所示。

式中：C为土壤盐分质量分数（g/kg），EC为土壤浸出液电导率（ms/cm），n为样本数。

由于本试验的初始含盐量不同，不能单纯从含盐量的值来分析土壤盐分变化情况，根据测试数据分析土壤水分或盐分相对于初始含水率或初始含盐量的变化率，其计算方法如式（2）所示。

式（2）中：Wt为试验后土样含水质量或含盐质量(g)，W0为土样初始含水质量或含盐质量（g），Gt为试验后土样干土质量（g），G0为土样初始干土质量（g），η为相对于土样初始含水量或初始含盐量的变化率（%）。

2 结果与分析

2.1 滴灌频率对地下水补充土壤水过程的影响

结果（图2）显示：浅埋地下水对灌溉水的下渗有顶托作用，灌水后各层土壤的含水率都快速升高，最终使整个土层的含水率都超过20%。地下水在毛管作用下的上升现象很明显，可产生稳定蒸发。随着单次灌水量的增大，土壤水下渗速度有加快的趋势。

图2 土壤水分分布Fig.2 Soil moisture distribution

在灌水1 d后，微咸地下水影响下的各灌水频率处理与对照处理的表层土壤（0-10 cm）的含水率差别并不大，都在田间持水率（T处理的平均含水率为16.17%，CK处理的平均含水率为16.19%）附近。然而，随着时间的推移，两者的差别越来越大。灌水4 d后，T处理的平均含水率为20.51%，而CK处理的相应含水率为11.34%。随着滴灌频率的增加，T处理的含水率趋于稳定，虽然T8比T2和T4的含水率低，但是没有波动现象。CK处理的相应含水率波动很大，CK8的含水率持续降低。这表明蒸发作用使这2种处理的土壤表层含水率的变化产生了不同的效果。对于T处理来说，蒸发使地下毛管水上升，补充到地表层，使地表处在稳定蒸发阶段；对于CK处理来说，蒸发使土壤含水率降低。

在10-20 cm土层中，T处理的含水率变化过程与0-10 cm土层中的情况类似。滴水1 d后，T处理的含水率与CK处理的含水率相同，都低于田间持水率，随后两者的含水率差别增大。其中，T处理的含水率随时间而逐步增大；滴水4-5 d后，基本稳定在21.39%附近，表明地下上升毛管水向上层土壤补充水分。在10-20 cm土层中，CK处理的含水率受蒸发影响减小，含水率随着灌水频率的增大而增高，但是仍然小于田间持水率；其滴水4 d后的平均含水率（10.11%）比相应的T处理的平均含水率低11.28个百分点。

对于20-30 cm土层，2种处理的土壤含水率差别增大。滴水4 d后，T处理的土壤含水率基本达到了21%-22%；而CK处理的土壤含水率几乎处在初始含水率水平，CK2和CK4处理的灌水都没有渗入到这个深度，只有CK8处理的含水率有所增大，表明单次灌水量的增加可增大土壤入渗深度。

在30-40 cm土层中，2种处理的土壤水分情况与20-30 cm土层的水分变化情况基本类似。但是滴水2-3d后，T处理的含水率就基本稳定在21.74%水平上，而且T8处理的含水率在滴水1 d后就高出初始含水率5.70倍，说明此时的灌溉入渗水分已经与地下上升毛管水相衔接；相应地，CK处理的土壤含水率始终处在初始含水率水平，说明灌溉水没有下渗到这一深度。

40-60 cm土层内，滴水2 d后的CK处理土壤含水率始终处在初始含水率水平，而T处理的含水率都已经达到22.16%，并保持不变，其中，40-50 cm土层平均含水率为21.87%，标准差为0.49；50-60 cm土层平均含水率为22.44%，标准差为0.32，非常接近饱和质量含水率（23.42%）。

2.2 滴灌频率对土壤盐分分布的影响

表2 地表蒸发强度Tab.2 Surface evaporation strength

结果（图 3）显示：在地下水影响下，30-60 cm土层处在脱盐状态，而0-30 cm土层处在积盐状态。对照处理仅0-10 cm土层出现脱盐，10-20cm土层出现积盐现象，而20 cm以下土层的含盐量均无变化。

图3 土壤盐分相对变化率Fig.3 The relative change rate of soil salt

在0-10 cm土层中，滴水后2-3 d内，T处理的盐分含量处在下降状态，即脱盐状态，随后就表现出积盐现象；但是积盐程度随着灌水频率的增加而降低，试验结束时处理T2的盐分相对变化率分别比处理T4和T8小65.80%和105.21%。

在10-20 cm土层中，T处理在滴水1 d后也是处在积盐状态，其中处理T8在滴水3 d后的积盐程度开始下降，最终比T2和T4处理的积盐程度还小。而T2和T4处理的积盐程度在滴水5 d后不再升高。

在20-30 cm土层中，处理T8的积盐程度始终小于T2和T4处理的积盐程度，而T2和T4处理的盐分状态波动很明显。

在30-50 cm土层中，T处理滴水1 d后处在脱盐状态；而在50-60 cm土层中，其一直处在脱盐状态，并且，处理T8在40-60cm土层内的脱盐程度最大。

从试验结果分析，增加滴灌频率仅对0-20 cm土层有抑盐作用，这与蒸发对土壤水分的影响深度一致，增加灌水频率缩短了蒸发返盐的时间，起到了压盐作用[16]。但是在滴水4 d后，灌水频率对10-20 cm土层的盐分就失去了抑制作用，T2处理的积盐程度逐步升高，这与土壤出现稳定蒸发的时段相一致，即地下水的稳定蒸发破坏了滴水频率的抑盐作用。相反，T8处理的积盐程度下降，则体现出单次灌水量增大对盐分的淋洗作用[16]。

从盐分的相对变化过程分析，T处理20-30 cm土层的积盐程度随滴灌次数而出现明显的波动，与其上、下层的盐分变化规律都有所不同。由对照处理的水分分布可知（图2c），在没有地下水影响下，滴灌水入渗不到该层，而且该层也超出了土壤蒸发影响范围；但是，在地下水影响下，该土层正是地下水受蒸发作用而开始上升的土层，导致土壤含水率增大，导水率增大，促进灌溉水分下渗，所以，其盐分状况的波动应该与滴水下渗洗盐和地下水上升返盐交替作用有关。该层的盐分运移现象类似于一个过渡层，其上层是盐分向上聚集区，其下层是盐分向下脱盐区；而该层盐分运移的波动现象受滴灌频率的影响。

30-60 cm土层的脱盐状态与地下上升毛管水的影响范围相一致。根据图2d-2f可知，地下上升毛管水使30-60cm土层含水率接近饱和状态，那么，由上升地下水补充到该层单位体积土体的盐分含量为：

2.培养业务人员和财务人员税务筹划意识及业务能力，最大限度地节约采购成本。餐饮行业进项税发票的取得直接关系到企业的经营成本及利润的多寡，营改增后在企业里应对相关政策进行宣传和培训，尤其要对业务人员和财务人员加强增值税及发票知识的培训，让他们清楚地知道能否取得可抵扣发票及取得发票的税率对于经营成本和企业利润都产生直接的影响。采购人员应减少向小规模纳税人的供应商采购，因为小规模纳税人一般只能开具增值税普通发票，即使到税务局代开发票也只是3%的税率。在和供应商的价格谈判过程中，除了要考虑采购总价还要考虑可抵扣的税金对于成本的影响。

式（3）中：Csg为由地下水带入单位体积土壤中的盐分含量（g/kg），θvt为观测时刻的土壤最大的平均体积含水率比值，θ0为初始时刻的土壤最大的平均体积含水率比值，Cwg为地下水矿化度（g/L）。

计算结果如表3所示。

表3 地下水带入单位体积土壤中的盐分含量Ta.3 Salt content in soil per unit volume of groundwater

由表3可知：T处理30-60 cm土层因地下水上而代入土壤中的盐分含量远小于土壤的初始含盐量（11.907-12.577 g/kg），所以对土壤盐分有稀释作用，使土壤脱盐。而40-60 cm土层中处理T8的脱盐程度最大，表明T8处理渗入到该土层中的灌溉水量比T2和T4处理的同类指标多，使得土壤盐分浓度更低。另外，这也可以证明，灌水2 d以后T8处理的20-30 cm土层含盐量持续下降的原因。由于T8处理只灌1次水，灌水2 d后该土层主要受稳定蒸发的上升毛管水作用，而上升毛管水所携带的盐分少于土壤的初始含盐量，稀释了该土层中的盐分浓度。

2.3 滴灌频率对地下水矿化度的影响

结果（图4）显示：在地下水影响下，上升毛管水溶解土壤盐分，使地下水中的含盐量增加；同时，上升毛管水可以提高土壤含水率，导致灌溉水下渗速度增大，产生深层渗漏现象；而当含盐量很低的灌溉水进入地下水时，又可使地下水矿化度降低。

图4 地下水矿化度变化Fig.4 Change of salinity of groundwater

运用SPSS软件进行t检验，结果见表4。由表4可知，3个处理都通过显著性检验（P＜0.05）。

滴水后1-3 d时段内，T处理的地下水矿化度都高于3 g/L，而且随时间而升高，这一时段与30-60 cm土层含水率接近饱和含水率的时间相一致，表明地下水矿化度的升高是由于其上升毛管水溶解了该层土壤中的盐分所导致。

表4 样本t检验Tab.4 Sample t test

根据式（3）的原理可以得到灌溉水溶解土壤盐分后所得到的矿化度如下：

式（4）中：Cig为溶解土壤盐分后灌溉水的矿化度（g/L），Csg0为土壤盐分本底值（g/kg），γd为土壤干容重（kg/dm3），其余符号含义同式（3）。

假设水分将该层的土壤盐分全部溶解并扩散至地下水体中，则由式（4）可得到溶解单位体积（1dm3）土壤盐分后的地下水矿化度，如表5所示。

表5 地下水溶解土壤中盐分后的矿化度Tab.5 Salinity after soil salt dissolved in groundwater

如果将单位体积土壤中的盐分全部溶解并扩散至地下水体中，可使地下水矿化度升高2倍。在滴水3 d后，处理T2、T4和T8的地下水矿化度仅分别升高了 0.08、0.13、0.16 g/L；滴水 4 d 后，T2 和T4处理的地下水矿化度分别达到了4.38 g/L和4.42 g/L。这说明能够扩散至地下水体中的盐分并不多。

结合土壤盐分相对变化率的情况（图3）可知：土层中存在盐分运动方向相反的2个区域：一个是0-20 cm土层，盐分在蒸发作用下向地表聚集；另一个是30-60 cm土层，盐分被地下水溶解而进入地下水中；20-30 cm土层是盐分上下波动最显著的区，体现出盐分运移过程发生变化的过渡现象，而造成这种过渡层波动的主要因素就是不同频率的滴灌措施。

由于处理T8的单次灌水量大，入渗速度快（7.3 cm/h），存在深层渗漏；虽然在渗漏过程中可溶解部分土壤盐分，但是，灌溉水是蒸馏水，本身含盐量几乎为0，当其渗漏到地下水体中后造成地下水矿化度也降低。处理T4是4 d灌一次水，在试验开始第6 d后（第2次灌水2 d后），一部分灌溉水渗入到地下水体中，使地下水矿化度开始降低。张江辉[18]在塔里木盆地六县进行的排水试验显示，灌溉冲洗作用使土壤脱盐和地下水得到淡化。

与T8处理相反，T2处理的单次灌水量少，土壤入渗速度慢（4.1 cm/h），难以直接进入地下水体中，所以，不能直接稀释地下水；但是，可以将上层（0-30 cm）的盐分反复溶解，并将其中一部分盐分带到下层土壤中（图3c）；由于下层土壤接近于饱和状态，地下水持续溶解该层盐分，使地下水矿化度升高。曹红霞等[19]的试验结果也表明灌水频率与土壤排水速度之间的这种关系，即高频灌溉条件下，土壤向地下水中排水缓慢；而低频灌溉条件下，土壤向地下水中排水速度快。

3 讨论

（1）试验用土的孔隙率并不高（37.94%），意味着孔径较大的孔隙含量多，因此毛管水上升高度不大。对于本文试验用土，只有当灌溉水与下层的自然上升毛管水接通以后，地下水才能在蒸发作用下上升到地表（图2d）。尹娟[20]和刘伟佳[21]等都对地下水上升高度做了研究，研究结果表明，地下水埋深越深，地下上升毛管水越难以到达土壤表面。本文的研究进一步揭示出地下水上升到地表的过程实际上由2个水分运动形式不同的区构成，即地下水在毛管力作用下自然上升的区，以及灌溉水与地下水联通以后在地表蒸发作用下而拉动地下水上升的区。本文试验表明，如果干旱沙漠地区的地下水埋深较浅，耕种时应首先解决排水问题，然后再考虑灌溉；否则，尽管沙土渗透性较好，但是灌溉水会促进地下水稳定蒸发，造成土壤盐碱化。

（2）试验中地下水毛管上升区的土壤脱盐现象和地下水矿化度升高的现象都反映出在土壤饱和区中似乎存在较明显的分子扩散现象。溶质分子扩散服从Fick第一定律，即溶质分子将由浓度高处向浓度低处运移，溶液浓度梯度越大，溶质分子扩散通量越大[22]。本试验中的土壤初始含盐量较大，将其换算为所含水量的矿化度后，是地下水矿化度的3倍（表3）；因此饱和区土壤与地下水之间形成较大的盐分浓度梯度，给溶质分子扩散提供了条件，所以盐分从浓度高的土壤进入地下水中，使土壤含盐量降低，地下水矿化度升高。史文娟等[23]研究得出，接近地下水位处的土壤因分子扩散作用而出现明显的脱盐现象。

（3）本文试验结果（表2）显示，滴灌频率越大，地下水的消耗量越小。曹红霞等[18]的试验结果也表明，不同地下水埋深条件下，高频灌水使得表土蒸发消耗的水分主要是存在于土壤中的灌溉水，而潜水蒸发量较少。本文的试验结果与此类似。这是由于上层土壤中的灌溉水与下层土壤中的上升毛管水接通以后，整个土层处在稳定蒸发状态；滴灌频率大，意味着其灌水间隔时间短，受蒸发作用的时间也短，因此，地下水消耗量小。实际上，从测出的蒸发强度来看，T2＞T4＞T8，这表明 T2处理的土壤蒸发量中有相当一部分是灌溉水被蒸发掉了，也就是说，滴灌频率越大、单次灌水量越少，灌溉水被蒸发掉的几率越高，但是，它对抑制表层土壤返盐作用明显。

4 结论

本文基于土柱试验，对微咸地下水影响下的滴灌频率与土壤盐分动态关系进行了研究，得到以下结论：

（1）在地下水浅埋条件下，地下水对土壤水的补充存在两种形式，一种是地下上升毛管水直接进入下层土壤，使土壤水接近饱和状态，另一种是在地表蒸发拉动作用下，地下水上升到地表，增大上层土壤含水率，形成稳定蒸发。

（2）在灌水量一定的情况下，低频滴灌（单次滴水量大）可使土壤尽早出现稳定蒸发。本文试验结果表明：地下上升毛管水使下层土壤含水率平均增加19.76个百分点；地表蒸发拉动作用使上层土壤含水率平均增加18.76个百分点。

（3）微咸地下水影响下，增大滴灌频率仅能降低表层土壤的积盐程度，不能抑制整个上层土壤的积盐现象；但是下层饱和区土壤因地下水溶解作用可使土壤脱盐。本文试验结果表明：上层土壤（0-30 cm土层）平均积盐率为49.58%，下层饱和区土壤（30-60 cm土层）平均脱盐率为30.64%。整个土层的盐分动态分可为2个运动方向相反的区域。低频滴灌因其单次灌水量大，存在深层渗漏，能起到淋洗上层土壤盐分的作用。