太阳能暗管排水对银北灌区油葵土壤环境及产量影响

黄 愉，田军仓,2,3

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021)

0 引 言

宁夏银北灌区已经成为宁夏土壤盐渍化最为严重的地区[1]。改善土壤环境，提高作物产量是当地面临的迫切问题。根据“盐随水来，盐随水去”的水盐运移原理，暗管排水技术能够将盐分随地下水通过暗管排出，有效控制地下水位，减轻土壤次生盐渍化，从而达到改善土壤环境的目的。目前国内暗管排水应用研究多采用大量灌水淋洗和短时间排水的方法[2-4]，而在地下水位常年很高的惠农地区，必须长时间连续排水才能有效控制地下水位。利用太阳能作为暗管系统排水的能量来源，能够实现长时间连续排水，在节能环保的同时，也降低了暗管排水系统的运行成本，有利于暗管排水系统的长期运行与推广。为了建立宁夏惠农区庙台乡基于太阳能暗管排水工程的灌溉排水制度，石佳[5]、张申[6]分别研究了太阳能暗管排水对油葵、玉米水分利用效率的影响和土壤脱盐作用，本试验在他们的基础上，着重研究基于太阳能暗管排水的灌排制度对土壤环境的改善作用和油葵产量的影响，进一步为宁夏惠农区土壤盐碱化防治提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017-2018年在宁夏石嘴山市惠农区庙台乡先锋六队进行，该地位于东经105°52′25″～106°59′02″，北纬38°52′06″～39°06′19″。试验区属于西北内陆温带干旱气候区，海拔高度在1 091.40～1 092.20 m之间，地形南高北低，自然坡降在1/5 000，地貌类型为黄河冲积平原。年平均气温在8.2～8.8 ℃之间，多年年平均降水量178.70 mm，年日照时数在3 000 h以上。试验区土壤类型为砂壤土，土壤容重为1.48 g/cm3，pH为9.12。

1.2 太阳能暗管排水系统

排水管主管和支管都采用普通UPVC塑料波纹管，主管直径为Φ100 mm，支管为Φ75 mm，管外包有过滤无纺布。试验区利用抽水泵从集水井提水排水，抽水系统能量来源为太阳能电池板，最长日开泵时长为11 h，但实际时长受光照强度影响；抽水泵流量为30 m3/h，扬程为4 m。暗管埋深为1.6～2 m，坡度为1/2 000，暗管间距为50 m。太阳能暗管排水控制区总面积为66.7 hm2。

1.3 试验设计

采用对比试验方法，试验设暗管排水区为处理区，非暗管排水区为对照区。在处理区和对照区由南向北选取3个土壤水分和地下水位观测点，在每个点埋设1.5 m的TDR管，并打2 m的地下水位观测井，各点之间距离为30 m。在栽培方式、土壤、施肥、灌溉定额相同的条件下，观测处理区和对照区油葵整个生育期土壤含盐量、土壤粒径分布、地下水水位、地下水pH、地下水矿化度和产量等变化情况。

试验由两年时间完成，每年的灌溉排水制度见表1和表2。

表1 2017年油葵灌排制度设计方案

表2 2018年油葵灌排制度设计方案

1.4 监测内容与方法

地下水pH采用PH计测定，地下水矿化度由ST300G电导率仪测定。

土壤含盐量采用电导率法测定。

土壤粒径使用BT-2003激光粒度分布仪测定，其他指标采用常规分析方法。

2 结果与分析

2.1 太阳能暗管排水对地下水埋深及地下水矿化度、pH的影响

图1为处理区与对照区在2017年和2018年两年降雨、灌水和地下水埋深变化图。由图1可以看出，大部分时间内处理区的地下水埋深都大于对照区；两年的5-9月为当地灌溉季节，地下水埋深整体较小，4、5月份达到最小，由于受到降水和灌水的影响，地下水埋深都有比较大的起伏变化；在非灌溉季节，由于不再进行灌水，而且降水大幅减少，地下水埋深整体较大，11月份冬灌过后，地下水埋深减小，在此之后不再灌水，地下水埋深在2月份达到最大。在整个观测时段内，2017年处理区平均地下水埋深为105.01 cm，比对照区增加4.5%；2018年整个观测时段处理区平均地下水埋深为99.54 cm，比对照区增加6.4%。可以看出2018年太阳能暗管排水对地下水位有更好的调控效果，是因为2018年暗管排水持续时间比2017年多66.7%，而2017年平均地下水埋深比2018年更深，是因为2018年观测期降水量比2017年多71.7%。由此可知，排水时间越长对地下水埋深的控制效果越好。

图1 降雨、灌水和地下水埋深变化

地下水矿化度与灌水和降水量的变化有一定关系，联系图1和图2可以看出，在灌水和降水较多的5-9月，地下水矿化度的起伏变化比较明显，这是由于灌溉初期，灌水稀释了地下水，地下水矿化度降低，随着蒸发、渗漏、土壤盐分溶解和排水的消耗，地下水矿化度再次回升。在9月底以后，处理区和对照区的地下水矿化度都趋于一个稳定值，两年基本分别维持在4.2和3.8 g/L。2017年整个观测时段处理区地下水矿化度平均值为3.80 g/L，比对照区降低7.9%；2018年整个观测时段处理区地下水矿化度平均值为3.66g/l，比对照区降低9.0%。两年暗管排水对降低地下水矿化度都有一定效果，2018年效果更好。

图2 地下水矿化度变化

图3 地下水pH变化

2.2 太阳能暗管排水对不同深度土层含盐量的影响

从图4看出，2017年和2018年处理区0～20、20～40、40～60 cm土层含盐量大部分时段内都低于对照区，2018年由于排水时间更长，相较于2017年土壤含盐量的降低更为明显。在两年的观测中，无论是处理区还是对照区，各个土层的土壤含盐量都有先降低后增加的趋势，7、8月份为低谷期，这是因为6-9月份试验区灌水量和降水量分别为全年的54%和70%以上，土壤含盐量会受到淋洗作用而降低，9月之后到冬灌之前不在灌水，而且降雨大幅减少，由于蒸发强烈，土壤会再一次积盐，土壤含盐量有回升的趋势。整体来看，0～20 cm土层土壤含盐量变化幅度最大，20～40 cm相对较大，40～60 cm最平稳。

图4 不同土层土壤含盐量变化

从表3看出，两年的观测结果都显示各土层土壤的脱盐率随土层深度的增加而降低，0～20 cm土层脱盐率最高，40～60 cm土层脱盐率最低；2018年与2017年相比，0～60 cm土层整体平均脱盐率增加5%，0～20、20～40和0～60 cm各个土层脱盐率分别增加6.1%、3.4%和0.8%，这是因为2018年暗管排水持续时间比2017年更长，说明增加排水时长，能够有效地提高土壤脱盐效果。0～20 cm土层脱盐率增加最多，40～60 cm土层脱盐率增加不明显的原因是上层土壤盐分在排水过程中随水分向下移动，在下层土壤中累积，从图5的土壤含盐量剖面分布图中可以明显看出这个现象。

表3 土壤平均含盐量与脱盐率

从图5可以看到在两年的观测中，处理区和对照区的各层土壤含盐量在播种前都高于排水后，排水结束后，处理区各个土层土壤含盐量下降明显，处理区0～20 cm土层含盐量2017年由1.65 g/kg下降到1.51 g/kg，降低8.5%，2018年由1.77 g/kg下降到1.47 g/kg，降低16.9%；20～40 cm土层含盐量2017年由1.79 g/kg下降到1.50 g/kg，降低16.2%，2018年由1.82 g/kg下降到1.44 g/kg，降低20.8%；40～60 cm土层含盐量2017年由1.79 g/kg下降到1.53 g/kg，降低14.5%，2018年由1.83 g/kg下降到1.57 g/kg，降低14.2%。2018年与2017年相比，增加排水时长后，0～20 cm土层脱盐效果增加最明显，20～40 cm土层脱盐效果有一定的增加，40～60 cm土层脱盐效果不增反减，说明暗管排水对表层土壤的脱盐效果最好，因此可知，随着排水时间和排水量的增长，土壤中的一部分盐分会随着排水向土壤下层移动。

图5 不同年份土壤盐分剖面分布

2.3 太阳能暗管排水对不同深度土壤粒径的影响

土壤粒径是影响土壤水力特性、土壤肥力状况的一个重要物理特性[8]。图7是灌溉用水黄河水的泥沙粒径分布图，黄河水泥沙粒径分布集中且相对较细，试验灌溉用黄河水含砂率为15.65%，说明灌溉的同时会带来大量细颗粒泥沙。从图6可以看出，2018年排水结束后与播种前相比，处理区0～20 cm和20～40 cm土层土壤粒径组成主要分布区都有所后移，20～40 cm土层土壤粒径组成主要分布区后移明显，说明土壤中粗颗粒比重增加，细颗粒比重减少，40～60 cm土层土壤粒径主要分布区变化不大，细颗粒比重稍微有所增加；对照区土壤粒径排水结束后与播种前相比，0～20 cm和20～40 cm土层都没有明显变化，40～60 cm土层粗颗粒比重有所增加；将排水结束后的处理区和对照区土壤粒径对比发现，0～20 cm土层粒径分布变化不明显，20～40 cm土层土壤粒径组成主要分布区有所后移，40～60 cm土层土壤粒径组成主要分布区明显前移。说明在暗管排水作用下，上层土壤中的细颗粒会随着排水向下移动，从而改善了上层土壤的通气性。

图6 不同时间不同深度土壤粒径组成

图7 黄河水泥沙粒径

由表4看出，播种前与排水结束后相比，油葵处理区0～20 cm土层0.1～1 μm和1～10 μm区间分布量占比分别减少2.64%和23.71%，10～100 μm和100～1 000 μm区间分布量占比分别增加15.26%和11.09%；20～40 cm土层0.1～1 μm和1～10 μm区间分布量占比分别减少8.79%和27.23%，10～100 μm和100～1 000 μm区间分布量占比分别增加2.58%和33.44%；40～60 cm土层0.1～1 μm和100～1 000 μm区间分布量占比分别减少1.67%和6.9%，1～10 μm和10～100 μm区间分布量占比分别增加7.82%和0.75%。处理区0～20 cm和20～40 cm土层细颗粒比重减少明显，对照区没有这个现象，说明上层土壤细颗粒随排水向下移动，这一现象与图7观察到的一致。

表4 油葵田间土壤不同时期粒径分布 %

2.4 太阳能暗管排水对油葵产量的影响

由图8可知，2017年处理区油葵产量比对照区增产13.8%，2018年处理区油葵产量比对照区增产21.6%；两年相比，2018年排水时长为1 000 h，2017年为600 h，排水时长增加66.7%，2018年比2017年处理区增产率高7.8%，说明增加排水时长能有效增产。

由表5看出，2017年和2018年处理区油葵灌溉水分生产效率和作物水分生产效率都要高于对照区，2017年油葵处理区比对照区灌溉水分生产效率增加13.3%，作物水分生产效率增加16.4%；2018年油葵处理区比对照区灌溉水分生产效率增加21.8%，作物水分生产效率增加22.9%，说明暗管排水能够有效增加油葵水分生产效率。两年相比，2018年处理区和对照区灌溉水分生产效率都高于2017年，作物水分生产效率都低于2017年，这是由于2018年排水时间更长而降雨更多导致。

图8 不同年份产量

表5 油葵水分生产效率

3 结 论

(1)2017、2018年暗管排水使平均地下水埋深分别增加4.5%和6.4%，平均地下水矿化度分别降低7.9%和9.0%；通过两年调控效果的对比发现，在生育期内太阳能暗管排水系统下，排水时间越长，地下水埋深调控效果和地下水矿化度降低效果越好。

(2)两年的观测结果表明各土层土壤平均含盐量脱盐率随土层深度的增加而降低，0～20 cm土层脱盐率最高，两年分别为7.2%和13.3%，40～60 cm土层脱盐率最低，两年分别为2.5%和3.3.%，暗管排水技术对于表层土壤的脱盐效果最为明显，土壤中的盐分会随着排水向土层深处运动；两年平均土壤脱盐率分别为4.7%和8.2%，排水持续时间越长，土壤脱盐效果越好。

(3)暗管排水会使表层土壤中的细颗粒随排水运动到下层土壤，从而使上层土壤的通气性得到改善。

(4)暗管排水技术能够有效提高油葵产量和水分生产效率。2017年和2018年油葵处理区产量分别比对照区增产13.8%和21.6%，2018年比2017年处理区增产21%。2017年和2018年处理区比对照区灌溉水分生产效率分别增加13.3%和21.8%，作物水分生产效率分别增加16.4%和22.9%。

综上所述，太阳能暗管排水技术能够有效改善土壤环境，提高油葵产量；将太阳能技术与暗管排水技术结合，能够实现长时间的连续排水作业，对改善银北地区土壤环境和提高油葵产量有着十分重要的意义。综合石佳[5]、张申[6]的试验结果和经济成本考虑，油葵生育期内灌水2次、播前灌水1次、冬灌1次，整个生育期5-9月持续排水，这是适宜惠农当地太阳能暗管排水条件下油葵的灌排制度。

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