暗管排水条件下南疆农田排水矿化度和电导率的动态变化研究

塔吉姑丽·达吾提，罗 浩，吕双庆，本秋平

(塔里木大学植物科学学院，新疆 阿拉尔 843300)

0 引 言

新疆是我国盐碱土分布面积最大、盐碱威胁最严重的省份[1,2]。目前，新疆耕地面积约416 万hm2，盐渍化面积约占31%，兵团耕地面积105 万hm2，盐碱化面积占51.52%[3]。耕地土壤盐渍化是制约新疆农业生产高效发展的重要限制因素，兵团南疆垦区这一问题更为突出。在新疆南疆盐碱地改良领域如何实现快速降低土壤含盐量、节地节水、提高耕地质量、提升土地综合生产能力、促进土地集约化发展、实现农业可持续发展成为亟须解决的重要问题[4]。

改良盐碱地方式众多，目前运用大水漫灌结合明沟排水是兵团南疆垦区盐碱地改良的主要方式，但明沟排水存在占用耕地、沟坡不稳定、沟道淤积需经常清理、易生杂草及脱盐效果不佳等诸多问题[5,6]。运用大水漫灌配合暗管排水排盐是盐碱地改良占地面积小、最直接、最快捷、最有效的方式[7]。具有提高土地利用率、减少清淤、方便田间机械作业、增产增收等优点[8]。在世界各国盐渍土改良过程中暗管排水发挥了极其重要的作用[9]。目前研究重点在不同土壤特性、气候条件、水文地质、盐渍化类型及程度条件下，暗管布设参数及排盐效果，还需考虑当地经济条件和农业生产特点，因此其技术实施具有地域性。暗排工程技术参数的确定及条件优化，特别是暗管的埋深、间距及管径的确定，是改良效果的关键[10,11]。我国自20世纪80年代开始研究暗管排水方面，并取得了一些成果[12,13]。在天津滨海新区进行暗管排盐的技术参数进行了系统研究，提出了不同暗管间距对土壤淋洗脱盐效果的影响[14]，为暗管排盐技术的推广起到重要推动作用[15]。景清华等[16]在宁夏银北灌区暗管排水进行了全面监测，监测结果表明，典型区内暗管排水矿化度远大于灌溉水，表明暗管排盐作用明显，强排区尤为突出。张兰亭[17]在山东省打鱼张灌区利用不同管材(陶管、砾石水泥滤水管和波比水泥管)，设计2种间距(100、200 m)、3种埋深(1.3、1.8、2.5～2.6 m)、4种管径(0.1、0.15、0.2、0.3 m)的田间暗管排水试验，认为100 m间距、1.8 m埋设深度、0.3 m管径相较其他布设参数脱盐效果最明显。在江苏沿海新垦区设计了3种(10、15、20 m)的间距和3种(0.6、0.9、1.2 m)的埋深暗管排水组合，研究沿海新垦区暗管排水效果及排水含盐量变化情况，认为在间距相同的条件下，暗管埋深越大，暗管排水的矿化度、排水流量、电导率也越大[18]。现有研究表明，暗管排水[19,20]可以有效增加耕地面积、控制农田地下水埋深[21]、加速土体脱盐、提高盐碱土淋洗改良效率，对提高作物产量均具有显著效果[22,23]。

新疆生产建设兵团第一师二团是新疆南疆土壤盐渍化代表性地区，本研究选择该区域典型盐渍化地块，研究排水暗管不同管径及间距对盐渍化耕地脱盐效果，为运用暗管排水排盐技术促进兵团南疆垦区盐渍化耕地改良提供重要的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

新疆生产建设兵团第一师二团位于塔里木盆地西北边缘，天山支脉喀拉铁克山山前冲洪积平原下部中段，地理坐标：东经79°49′52″，北纬40°35′30″，海拔1 053.52 m。二团属于暖温带大陆性干旱荒漠气候，年均降水量114.3 mm，平均年蒸发量2 615 mm；昼夜温差大，日照充足，年均温度11.5 ℃，1月份平均气温-8.4 ℃，7月份平均气温26.2 ℃，极端最高气温42.3 ℃，极端最低气温-25.0 ℃；平均日照时数2 448 h，≥10 ℃有效积温4 400 ℃，无霜期23 d；年太阳辐射总量61.0 万J/cm2, 最大冻土深度87 cm。二团地貌为山前冲洪积平原，地势平坦，地形为西北高东南低，土质黏重，土壤通透性极差，土壤次生盐渍化严重。二团始建于1956年，团域面积4.01 万hm2，现有耕地1.81 万hm2，其中大田种植面积1.48 万hm2，林果业0.3 万hm2，其中轻盐化面积1.07 万hm2，中盐化面积0.41 万hm2，重盐化面积500 hm2。

1.2 试验设计

暗管于2015年12月25日-2016年1月5日进行布设。试验设置2种暗管管径(φ50 mm、φ60 mm)及3种暗管间距(6、8、10 m)6个暗管排水处理。吸水暗管埋深0.8 m，比降为0.5%。每个小区长宽为120 m×100 m，小区四周设田埂(见图2)。田间吸水管采用PE打孔单壁波纹管，吸水管周围包裹8 cm砂滤料，以防止泥沙入管造成淤堵和改善排水管周围水流入管条件。集水管是汇集吸水管的水流，并将其排走的管道。集水管采用直径为200 mm的PVC管材。集水管的深度通过连接的集水井的高程控制，坡度为1%，集水管末端与集水池泵站相连。集水井位于吸水管水流方向的末端，田间吸水管中的含盐水汇入集水井中，集水井由集水管连接，最后由集水管汇入到集水井泵站中，经泵站排出试验区。

1.3 样品的采集及测定

对每次农田进行灌水时，分别采集灌溉水样、农田排水水样。灌水后，从集水管出水开始连续采集排水水样，每间隔3 h采集1次，直至集水管无水排出。本试验于2016年6月、8月、10月灌水3次，总共采集水样3次，第一次采集水样时间为2016年6月7-11日9∶00开始；第二次采集水样时间为2016年8月10-13日9∶00开始；第三次采集水样时间为2016年10月20-25日9∶00开始。

测定指标：对灌、排水水样依据电导法测定电导率；依据烘干法测定矿化度[24]。

2 结果分析

2.1 暗管排水与灌溉水的矿化度及电导率变化

图2结果表明，6、8、10月3次灌溉水的矿化度分别是0.75、0.86和0.63 g/L，暗管排水的平均矿化度分别是6.427、7.382、6.781 g/L，为灌溉水矿化度的8.57、8.58倍和10.76倍。暗管排水和灌溉水电导率变化与矿化度变化一致，结果表明，6月、8月、10月3次灌溉水的电导率分别是0.61、0.59、0.49 mS/cm。暗管排水的平均电导率分别是4.833、6.222、5.379 mS/cm，为灌溉水电导率的7.92、10.55倍和10.98倍。暗管排水中的矿化度、电导率都远高于灌溉水，表明暗管排水大量溶解了土壤中的盐分，土壤盐分随暗管水排出，有利于洗盐、降低土壤盐分。

2.2 不同暗管管径对暗管排水矿化度和电导率的影响

2.2.1 不同暗管管径对暗管排水矿化度的影响

研究结果表明(图3)，相同间距条件下，暗管管径为60 mm处理区农田排水矿化度始终高于暗管管径为50 mm处理区农田排水矿化度，两种管径农田排水矿化度差异从6月至8月至10月差异减小。在埋设暗管间距为6 m时，在6月份灌水阶段，管径为60 mm处理农田排水矿化度平均为6.701 g/L，50 mm为3.829 g/L；在8月份灌水阶段，管径为60 mm排水矿化度平均为6.992 g/L，50 mm为6.023 g/L；在10月份灌水阶段，管径为60 mm处理农田排水矿化度平均为5.918 g/L，50 mm为5.501 g/L。在三次灌水阶段内，当间距6 m时，管径60 mm处理农田排水矿化度是50 mm的1.3倍。同样以8 m间距为例，在间距8 m时，在6月份灌水阶段，管径60 mm处理农田排水矿化度平均值为8.298 g/L，50 mm为4.473 g/L；在8月份灌水阶段，管径为60 mm处理农田排水矿化度平均为8.532 g/L，50 mm为6.271 g/L；在10月份灌水阶段，管径60 mm处理农田排水矿化度平均为7.903 g/L，50 mm为5.692 g/L，在三次灌水阶段内，当间距8 m时，管径60 mm处理农田排水矿化度是50 mm的1.5倍。同样埋设暗管间距为10 m时，6月份灌水阶段，管径60 mm处理农田排水矿化度平均为8.562 g/L，50 mm为6.701 g/L。8月份灌水阶段管径60 mm处理农田排水矿化度平均为9.070 g/L，50 mm为6.023 g/L；在10月份灌水阶段，管径为60 mm处理农田排水矿化度平均为8.807 g/L，50 mm为6.900 g/L。在3次灌水阶段内，间距为10 m时，管径为60 mm处理农田排水矿化度是50 mm的1.3倍。总结来看，暗管管径的大小明显影响农田排水排出来的矿化度含量。

图1 二团盐土灌排改良田间试验平面图(单位：m)

图2 灌溉水与暗管排水矿化度和电导率的比较

图3 相同间距条件下不同管径暗管排水矿化度的变化

2.2.2 不同暗管管径对暗管排水电导率的影响

农田排水电导率与矿化度变化规律基本一致，研究结果表明(图4)，相同间距条件下，暗管管径60 mm处理农田排水电导率高于50 mm，从6-10月差异逐渐减小。以间距6 m为例，在间距6 m时，6月份灌水阶段管径60 mm处理农田排水电导率平均为4.673 mS/cm，50 mm为3.020 mS/cm；8月份灌水阶段管径60 mm处理农田排水电导率平均为6.138 mS/cm，50 mm为4.721 mS/cm；10月份灌水阶段管径60 mm处理排水电导率平均为4.652 mS/cm，50 mm为4.658 mS/cm。三次灌水阶段内，间距6 m时，管径60 mm处理农田排水电导率是50 mm的1.2倍。同样以8 m间距为例，在间距8 m时，6月份灌水阶段管径60 mm处理农田排水电导率平均为6.165 mS/cm，50 mm为3.470 mS/cm；8月份灌水阶段管径60 mm处理农田排水电导率平均为7.555 mS/cm，50 mm为5.076 mS/cm；10月份灌水阶段管径60 mm处理排水电导率平均为6.229 mS/cm，50 mm为4.365 mS/cm。三次灌水阶段内间距8 m时，管径60 mm处理农田排水电导率是50 mm的1.5倍。以间距10 m为例，在间距10 m时，6月份灌水阶段管径60 mm处理农田排水电导率平均为6.670 mS/cm，50 mm处理农田排水电导率平均5.002 mS/cm。8月份灌水阶段管径60 mm处理排水电导率平均为7.910 mS/cm，50 mm为5.766 mS/cm；10月份灌水阶段管径60 mm处理农田排水电导率平均为7.364 mS/cm，50 mm为4.985 mS/cm。三次灌水阶段内间距10 m时，管径60 mm处理农田排水电导率是50 mm的1.39倍。

图4 相同间距条件下不同管径暗管排水的电导率变化

2.3 不同暗管间距对暗管排水矿化度和电导率的影响

2.3.1 不同暗管间距对暗管排水矿化度的影响

淋洗期间各处理的农田排水矿化度变化特征研究结果表明(图5)，管径相同条件下，暗管间距10 m处理农田排水矿化度高于间距6 m和8 m。以管径50 mm为例，6月份排水矿化度在间距6 m时平均为3.829 g/L，8 m时平均为4.473 g/L，10 m时平均为6.701 g/L。在第一次灌水阶段，间距为10 m处理农田排水矿化度分别是6 m、8 m的1.8倍和1.5倍。在8月份，其排水矿化度在间距6 m时平均为6.023 g/L，8 m时平均为6.271 g/L，10 m时平均为7.302 g/L。在第二次灌水阶段，间距为10 m处理农田排水矿化度分别是6 m、8 m的1.21倍和1.16倍。在10月份，其排水矿化度在间距为6 m时的平均数值为5.918 g/L，在间距为8 m时的排水矿化度平均数值为5.692 g/L，在间距10 m时的排水矿化度的平均数值为6.900 g/L。在第三次灌水阶段，间距为10 m的农田排水的矿化度分别是间距为6 m、8 m的1.17倍和1.21倍。当管径60 mm为例，6月份的排水矿化度在间距为6 m时的平均数值为6.701 g/L，在间距8 m时的排水矿化度的平均数值为8.298 g/L，在间距为10 m时的排水矿化度的平均数值为8.562 g/L。在第一次灌水阶段，间距为10 m的农田排水的矿化度分别是间距为6 m、8 m的1.03倍和1.28倍。在8月份，其排水矿化度是在间距为6 m时的平均数值为6.992 g/L，在间距为8 m时，排水矿化度平均数值为8.532 g/L，在间距10 m时，排水矿化度平均数值为9.070 g/L。在第二次灌水阶段，间距为10 m处理农田排水矿化度分别是间距6 m、8 m的1.3倍和1.06倍。在10月份，排水矿化度在间距为6 m时平均为5.501 g/L，8 m时平均为7.903 g/L，10 m时平均为8.807 g/L。在第三次灌水阶段，间距为10 m的农田排水矿化度分别是间距为6 m、8 m的1.6倍和1.1倍。

图5 不同间距暗管排水的矿化度随时间变化

2.3.2 不同暗管间距对暗管排水电导率的影响

淋洗期间各处理农田排水电导率变化特征研究结果表明(图6)，相同管径条件下，暗管间距10 m处理农田排水电导率高于6 m和8 m。以管径50 mm为例，6月份农田排水电导率在间距6 m时，平均为3.020 mS/cm，8 m时平均为3.470 mS/cm，10 m时平均为5.002 mS/cm。第一次灌水阶段，间距为10 m处理农田排水电导率分别是6 m、8 m的1.7倍和1.4倍。在8月份农田排水电导率在间距6 m时平均为4.721 mS/cm，8 m时平均为5.076 mS/cm，10 m时平均为5.766 mS/cm。在第二次灌水阶段，间距为10 m处理农田排水电导率分别是6 m、8 m的1.2倍和1.1倍。在10月份农田排水电导率在间距6 m时平均为4.658 mS/cm，8 m时平均为4.365 mS/cm，10 m时平均为4.985 mS/cm。在第三次灌水阶段，间距为10 m处理农田排水的电导率分别是6 m、8 m的1.07倍和1.1倍；当管径60 mm时，6月份农田排水电导率在间距6 m时平均为4.673 mS/cm，8 m时平均为6.165 mS/cm，10 m时平均为6.670 mS/cm。在第一次灌水阶段，间距为10 m处理农田排水电导率分别是6 m、8 m的1.7倍和1.4倍。在8月份农田排水电导率在间距6 m时平均为6.159 mS/cm，8 m时平均为7.555 mS/cm，在间距为10 m时排水电导率的平均为7.910 mS/cm。在第二次灌水阶段，间距为10 m处理农田排水电导率分别是6 m、8 m的1.3倍和1.05倍。在10月份农田排水电导率在间距6 m时平均为4.652 mS/cm，8 m时平均为6.229 mS/cm，10 m时平均为7.364 mS/cm。在第三次灌水阶段，间距为10 m处理农田排水电导率分别是6 m、8 m的1.6倍和1.2倍。

图6 不同间距暗管排水的电导率随时间变化

3 讨 论

3.1 暗管排水与灌溉水的矿化度及电导率变化

暗管排水主要取决于受暗管控制耕地的土壤含盐量。由于土壤盐分是通过暗管排水排出土体，暗管出水水质间接反映了暗管排盐效果。本实验通过6月、8月、10月三次灌水，分析不同时期灌溉水和暗管排水的矿化度含量和电导率的变化状况，暗管排水的矿化度和电导率远大于灌溉水，暗管排水的矿化度分别是灌溉水的8.57倍、8.58倍和10.76倍；电导率分别是灌溉水的7.92、10.55倍和10.98倍。这表明暗管排水大量溶解了土壤中的盐分，土壤盐分随暗管水排出，有利于洗盐、降低土壤盐分。景清华等[16]在宁夏银北灌区暗管排水进行了全面监测，监测结果显示典型区内暗管排水矿化度远大于灌溉水，表明暗管排盐作用明显，强排区尤为突出，与其结论一致。张金龙[25]在研究了暗管排水技术改良对滨海盐土的治理效果，研究结果表明，淋洗改良几天后，暗管排水矿化度明显增加，这表明暗管排水改良技术改良滨海盐土效果较好，与本论文结论一致。苏挺[26]在新疆南疆第三师红旗农场土壤不同埋深暗管排盐效果研究，研究结果表明，在每次灌水结束后，排水矿化度首先下降，随之升高，又表现出逐渐降低趋势，这主要原因是，盐分在土壤中需要一定的溶解时间，当灌水初期，由于时间短溶解盐分较少，随着时间的增加，盐分逐渐被溶剂充分溶解后，暗管排水矿化度有所增加，随着排水时间推移，盐分被排出的快，又呈现下降趋势。

3.2 最佳洗盐效果的暗管管径和间距

对暗管不同管径及间距不同时期的灌、排水数据进行分析，相同间距条件下，暗管管径大的处理排水矿化度、电导率高于小的处理，从6月至8月至10月差异逐渐变小。从暗管管径对暗管排水矿化度含量、电导率的影响来看，60 mm管径的洗盐效果优于50 mm管径。衡通等[1]研究得出其他的暗管布设参数合理的条件下，暗管管径越大，改良盐渍土效果越好。李晓华等[27]研究表明暗管排出水的矿化度在暗管间距相同的条件下，埋设暗管管径大的处理区域的农田排水的矿化度明显高于暗管管径小的处理区，本实验矿化度和电导率的大小呈现50 mm<60 mm，与其结论一致；相同管径条件下，暗管间距大的处理排水矿化度高于小的处理。王振华[10]、朱海波[18]等研究沿海新垦区暗管排水效果及排水含盐量变化情况，认为在埋设深度相同条件下，暗管间距越小，初始排水的矿化度、电导率也越大。本实验研究表明，在暗管管径相同，从暗管间距对暗管排水矿化度、电导率的影响来看，间距10 m矿化度及电导率虽大于间距6 m、8 m，但因该区土壤质地黏重，暗管间距大的处理会因排水量小，而影响暗管洗盐效果。总体来看，以暗管埋设间距为6 m，管径60 mm对新疆生产建设兵团第一师二团土壤洗盐效果较好。

4 结 论

不同暗管间距对水样矿化度及电导率有显著的影响，不同时期排出来的盐分差距较大，暗管排水平均矿化度随暗管管径的减小而减小，为了保证灌溉水洗盐条件下暗管排盐效果，并在实际工程中提高盐渍土改良效果，可在已知管径可选范围的情况下选择管径大、间距小的设置。这对改良土壤盐渍化具有重要意义，今后还应在暗管设计中多采用大的暗管管径，小的暗管间距研究地下水位的变化，配合长期灌水，达到暗管排水改良土壤盐分的目的。

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