暗管排水对南疆高水位膜下滴灌棉田盐分淋洗效果的影响

杨玉辉，周新国，李东伟，季强

▪农田排水▪

暗管排水对南疆高水位膜下滴灌棉田盐分淋洗效果的影响

杨玉辉1,2，周新国1*，李东伟1，季强3

（1.中国农业科学院 农田灌溉研究所，河南 新乡 453000；2.塔里木大学 水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300；3.宿迁市宿城区园艺技术推广站，江苏 宿迁 223800）

【】探索暗管排水对南疆盐碱地改良效果。在南疆高水位盐渍化棉田开展了2 a暗管排水试验。研究了滴灌条件下暗管排水不同间距与埋深对土壤盐分分布及脱盐率的影响，分析了灌溉淋洗定额对土壤盐渍化程度及暗管排水参数的响应，探讨了适宜南疆高水位盐渍化棉田的暗管排水技术参数。南疆高水位膜下滴灌棉田无排水时，生育期内灌水对土壤盐分淋洗效果不明显；暗管排水条件下，灌水后土壤盐分淋洗脱盐率在10%～30%之间；土壤盐渍化程度越高，盐分淋洗潜力越大，在暗管排水参数与灌水量一致的条件下，灌水淋洗脱盐效果更佳；土壤淋洗效果一致的条件下，暗管排水间距增加，灌水定额增量呈倍数增长；暗管排水间距与埋深减小时，土壤淋洗脱盐率与淋洗效果均提高。南疆高水位膜下滴灌棉田暗管排水参数建议为间距10 m、埋深0.8 m。

暗管排水；盐分淋洗；滴灌；盐渍土；盐分淋洗曲线

0 引言

【研究意义】土壤盐渍化是导致土壤退化并影响灌溉农业可持续发展[1-2]的全球问题，我国盐碱地总面积约占全国耕地面积的6%左右，约80%盐碱地有发展为耕地的潜力。新疆位于我国西北部，极端干旱的气候条件使其成为我国土壤盐碱化、次生盐渍化的主要分布区域，而塔里木盆地绿洲区由于其独特的内陆盆地地形、高盐成土母质、浅埋地下水位，使得土壤盐碱化、次生盐渍化尤为严重，当地遭受盐渍害的耕地面积占总耕地面积41.21%，部分地区更是高达54.91%，63.2%低产农田是由于土壤盐渍化造成的[3]，盐渍化危害严重制约当地农业可持续发展。【研究进展】新疆膜下滴灌种植模式自20世纪90年代末期推广应用，至今已有20多年的历史[4]，由于其对盐碱地适应性强并具有根区土壤脱盐[5-6]、节水、增产作用[7]，目前推广面积已突破2×106hm2[8]。长期以来，膜下滴灌在土壤水盐运移特征、作物生理生长特性等[9-12]方面的表现一直是众多学者关注的焦点。长期膜下滴灌，会出现土壤盐分积累，年均积盐约0.36 g/kg[13]，长此以往，势必加剧本就盐渍化严重的土壤耕作环境[14-17]，造成作物产量降低[18-19]、土壤可耕性衰退[20]等。土壤中过多的盐分积累对作物种子萌发[21]和苗期生长[22-23]造成严重的影响，迫使农户采取非生育期漫灌压盐的方式进行盐分淋洗以确保棉花膜下滴灌种植可持续发展[24-26]，以达到保证土壤持续耕作能力的目的；但此类手段并未将盐分从土壤中有效排出，在不适当的灌溉管理下，仍存在次生盐渍化的风险[27]。暗管能够将土壤多余水分排出，从而降低土壤含盐量[28]，因此被众多学者认为是盐碱地改良的根本措施。【切入点】关于暗管排水对土壤水盐环境、作物产量的影响规律等热点问题，众多学者已经做出深入的研究[29-30]，并总结出不同情景下经济、高产的暗管排水布局参数[31-33]，但对于滴灌条件下，高地温、强蒸发且暗管埋设于饱和带的盐渍化棉田土壤盐分淋洗状况研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】基于目前已取得的研究成果，在南疆多年膜下滴灌高水位盐渍化棉田开展了2 a的暗管排水改良试验，研究滴灌条件下暗管排水不同布设参数对土壤盐分分布及脱盐率的影响。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验田位于新疆生产建设兵团第一师十六团五连（80°50′50′′E，40°26′34′′N），北邻阿克苏河，东邻胜利水库，西邻上游水库，为多年膜下滴灌棉田，如图1所示。该地区海拔高度1 025 m，年均降水量40.1～82.5 mm，年均蒸发量1 976.6～2 558.9 mm，生育期平均气温22.3 ℃、平均日照时间8.3 h/d，属于典型极端干旱气候区。试验区地下水埋深0.6～1.0 m，浅层地下水矿化度一般大于5.0 g/L。

图1 试验田地理位置

试验田0～60 cm土壤以沙质壤土为主，60～100 cm土壤以壤质沙土为主，透水性较强，土壤物理指标见如表1所示。

1.2 暗管试验设计

试验选取暗管间距、埋深作为试验变量，设置了3个间距（10、20、30 m）、2个埋深（0.8、1.1 m），并设置无排水设施的棉田作为对照（CK），试验共计7个处理。2018、2019年冬春灌水量均为2 250 m3/hm2。

表1 试验田土壤物理指标

注 表中含水率均为体积含水率。

表2 试验方案

2017年棉花籽棉收获后，在试验田进行暗管排水工程施工。暗管采用D110（管内径110 mm）PVC波纹聚氯乙烯管，波纹管表面打孔，开孔面积>250 cm2/m2，外包2层无纺布，波纹管末端均连接至集水管，集水管管径为200 mm，采用小型挖掘机按设计深度开挖管沟，沟底宽30 cm，底部铺设裹料、滤料，铺设带有无纺布的暗管，二侧与顶部填滤料，回填埋管，除紧靠裹滤料20～30 cm土料不需夯实外，其他均要分层夯实。吸水管设计坡降比2‰，集水管设计坡降比3‰，集水管伸入蓄水池，蓄水池利用小型泵站按照“有水即排”的原则排水。

图2 暗管布置

1.3 田间农艺管理

滴灌带布设方式为1膜2带6行，行距为11+66+11+66+11 cm的宽、窄行配置，平均株距为11 cm；滴灌铺设在膜下宽行中间，种植模式及土样采集点如图3所示。

采用新疆天业塑化集团生产的迷宫式薄壁滴灌带。因年内平均含水率均大于70%的田间持水率，所以棉田灌溉制度以苗期不灌水，蕾期灌水1次和花铃期灌水2次的实施方案，棉花生育阶段起止日期如表3所示。灌溉水矿化度1.0 g/L，每个小区的支管上均安装水表和球阀以测量和控制灌水量，灌水时间与定额如表4所示。

图3 棉花种植模式

表3 2018—2019年各生育阶段起止日期

表4 灌水时间与定额

1.4 试验数据采集

采用Guelph1800K入渗仪测量土壤渗透性；采用环刀取原状土测定土壤体积质量，并结合室内测定法测定土壤饱和含水率与田间持水率。

每次灌水前后分别采集土样测定含盐量，土样采集点及测定方法同上，灌水前后取土日期如表5所示。

表5 灌水前后采集土样日期

土样采集点位于暗管间1/2W（W为暗管间距，图2）的膜剖面处（图3），分层取0～2（地表）、2～10、10～20、20～40、40～60 cm土样，共计5层，用以测定土壤电导率。土样烘干后粉碎过1 mm筛，配制水土比5∶1的浸提液，利用电导率仪（DDSJ-308A）测定浸提液电导率。用干燥残渣法标定出土壤含盐量与电导率关系，标定结果如图4及式（1）所示。

0.004 40.543 8， （1）

式中：为土壤含盐量（g/kg）；为电导率（μS/cm）；0.543 8为常数项。

根据灌水前后土壤含盐量，计算土壤淋洗脱盐率，计算式为：

式中：为灌水前后土壤脱盐率（%）；1为灌水前土壤含盐量（g/kg）；2为灌水后土壤含盐量（g/kg）。

盐分淋洗曲线是利用灌水前后土壤含盐量与灌溉淋洗定额所构建的拟合方程，能反映灌水淋洗效果与土壤脱盐规律[34]。盐分淋洗曲线方程为：

式中：0为灌水前计算土层土壤含盐量（g/kg）；C为灌水后计算土层土壤含盐量（g/kg）；e为灌水淋洗平衡土壤含盐量（g/kg）；w为灌溉淋洗定额（cm）；s为计算土层深度（cm）；、为拟合参数。

1.5 气象数据

2018—2019年降雨量数据采自十四团气象站（81°31′29″E，40°35′03″N），2018年6、7、8月降雨量分别为38.61、16.06、34.10 mm，2019年6、7、8月降雨量分别为19.77、2.74、6.65 mm。

1.6 统计分析

使用Excel 2010、Origin 2017、AutoCAD2014绘制文中图表；利用SPSS 23.0进行数据处理及分析；采用单因素方差分析（ANOVA）方法分析土壤盐分淋洗脱盐率显著性。

2 结果与分析

2.1 暗管排水对土壤盐分分布的影响

生育期内共灌水6次，膜下滴灌-暗管排水模式下土壤含盐量如图5所示。2018年蕾期灌水前，含盐量分布表现为：W30D0.8处理＞W20D0.8处理＞CK＞W30D1.1处理＞W20D1.1处理＞W10D1.1处理＞W10D0.8处理，每次灌水后含盐量均明显降低；灌水结束后，强烈的蒸散发使水分携带盐分上移至观测土层，使土壤含盐量升高，所以呈“波浪式”变化规律。

CK含盐量灌水后有所下降，但年内仍呈阶梯式上升；2018年W20D0.8、W30D0.8处理土壤含盐量变化幅度较大，分别介于2.74～4.75、3.73～5.57 g/kg之间，W20D0.8处理含盐量逐次灌水呈下降趋势，W10 D0.8、W10D1.1、W20D1.1、W30D1.1处理波动较小，分别介于1.46～2.35、2.03～2.83、2.48～3.49、2.85～3.93 g/kg范围之间；2019年W10D0.8、W20D0.8、W30D0.8、W10D1.1、W20D1.1、W30D1.1处理分别在1.45～2.08、2.70～3.60、2.79～3.84、2.22～2.84、2.96～3.72、3.34～4.38 g/kg范围内波动，且W30D0.8、W30D1.1处理含盐量呈上升趋势，2019年盛铃期灌水后含盐量呈CK＞W30D1.1处理＞W30D0.8处理＞W20D1.1处理＞W20D0.8处理＞W10D1.1处理＞W10D0.8处理的分布规律。观察2019年各处理盐分波动范围可以发现，随着暗管间距的减小，盐分变化的范围值、范围域均在减小，表明暗管间距减小时，土壤含盐量降低，且在较小范围内波动。

2018年蕾期灌水前W20D0.8、W30D0.8处理土壤含盐量均处于较高水平，W30D0.8处理通过3次灌水，土壤含盐量波动范围大，但总量并未降低，说明淋洗后并未将盐分及时排出，仅淋洗至深层土壤，待灌水结束后随水分蒸发运移至0～60 cm土层；W20D0.8通过3次灌水，土壤含盐量呈明显下降趋势，2019年3次灌水后含盐量并未明显下降，说明在有效排水间距下，土壤盐渍化程度越高，暗管排盐能力越佳。

图5 灌水前后土壤含盐量

2.2 土壤淋洗脱盐率分析

土壤淋洗脱盐率如表6所示，由于滴灌灌水量小，使得每次灌水脱盐率较小。无排水时土壤淋洗脱盐率较低，说明滴灌对于CK土壤盐分淋洗效果不明显。暗管排水条件下，2018年蕾期灌水淋洗脱盐率较高，洗盐效果较好；与2018年相比，2019年脱盐率整体下降，脱盐效果明显降低。

表6 土壤淋洗脱盐率

对2019年各时期土壤脱盐率进行显著性检验，结果如表7所示，在同一主集条件下，子集第一列与第二列相互比较。

由表7可知，W10D0.8、W20D0.8、W30D0.8、W10D1.1处理与CK淋洗脱盐率差异显著且均值差为正值，说明暗管排水淋洗脱盐率显著优于CK。主集为暗管埋深时，10 m间距与20、30 m间距淋洗脱盐率差异均达到显著水平且均值差为正值，说明间距10 m淋洗脱盐效果显著优于20、30 m；间距20 m与30 m，淋洗脱盐率均值差为正值，但未达到显著水平。主集为间距时，在10、20 m间距条件下，埋深0.8 m淋洗脱盐率显著优于1.1 m，间距30 m时，埋深间的淋洗脱盐率差异不显著。综上所述，暗管排水条件下，土壤淋洗脱盐率随间距与埋深的减小而增加。

表7 灌水淋洗脱盐率显著性分析

注 *表示均值差显著性水平为0.05；**表示均值差显著性水平为0.01。

对2019年各时期土壤脱盐率进行回归分析，结果如式（4）所示，1为间距变量（显著性为0.001），2为埋深变量（显著性为0.007）。

标准化系数为自变量与因变量同时进行标准化处理后所得到的回归系数，亦可用于比较不同自变量对因变量的作用大小。由式（4）可知，暗管间距（1）与埋深（2）标准化系数分别为-0.648、-0.480，说明暗管间距与埋深减小时，土壤淋洗脱盐率升高；常量为39.50，说明理论上最高的土壤淋洗脱盐率可达39.50%，但研究土体为0～60 cm土层，因此，分析结果仅适用于暗管埋深大于0.6 m的情况。间距（1）标准化系数显著水平高于埋深（2），说明暗管间距对淋洗脱盐率的影响相比埋深更明显。拟合优度（决定系数2）为0.803，说明灌水淋洗脱盐率回归方程的可信度较高。

=-0.6481-0.4802+39.500（2=0.803），（4）

式中：1为暗管间距（m）；2为暗管埋深（m）；39.50为常数量。

2.3 土壤盐分淋洗曲线

根据试验设计，选取4个计算土层深度（s），分别为0～10、0～20、0～40、0～60 cm；灌溉淋洗定额（w）与蕾期、盛花期、盛铃期灌水定额一致，分别为3.75、4.5、4.5 cm；灌水淋洗平衡土壤含盐量（e）一般指灌溉淋洗结束后0～2 cm土层土壤含盐量，取表层土壤饱和含水率（32.11%）与灌溉水矿化度（1.00 g/L）的乘积。拟合参数汇总及土壤盐分淋洗曲线如图6所示。

各处理盐分淋洗曲线决定系数2均大于0.90，表明各处理灌水前后含盐量能够较好地利用盐分淋洗曲线拟合。2018年，暗管埋深为0.8 m（D0.8）时，拟合参数呈W30处理＞W10处理＞W20处理分布，说明暗管间距20 m时，土壤淋洗效果最佳；其余处理的盐分淋洗曲线拟合参数呈W30处理＞W20处理＞W10处理分布，说明暗管间距越小，灌水淋洗效果越佳；相同暗管间距下，拟合参数均呈D0.8＞D1.1，说明暗管埋深越小，灌水淋洗效果越佳。

图6 土壤盐分淋洗曲线

根据各处理盐分淋洗曲线拟合方程，通过设定不同灌水淋洗情景（淋洗前盐分0分别为5.0 g/kg和3.0 g/kg，淋洗后盐分C分别为2.0、1.5 g/kg和1.0 g/kg），计算0～60 cm土层由淋洗前盐分0到达淋洗后盐分所需的理论灌水定额（cm），计算结果如表8所示。2018年暗管埋深0.8 m时，间距10、20、30 m灌水淋洗定额呈W30处理＞W10处理＞W20处理，相同模拟情景下，2019年灌水淋洗定额多于2018年，这与淋洗曲线规律相似；说明相同淋洗前盐分0与淋洗后盐分C条件下，灌水淋洗定额随暗管间距和埋深的减小而降低。

观察分析2019年数据可发现：

1）淋洗前土壤含盐量0相同时，淋洗后土壤含盐量C差值与灌水定额差值不成比例。例如将暗管埋深为0.8 m、间距为10 m、淋洗前土壤含盐量3.0 g/kg，分别淋洗至土壤含盐量为2.0 g/kg与1.0 g/kg时，灌溉淋洗定额分别为5.31、16.78 cm，因此可计算出，土壤含盐量由3.0 g/kg淋洗至2.0 g/kg与2.0 g/kg淋洗至1.0 g/kg，淋洗定额分别为5.31、11.47 cm；同样从土体中淋洗出1.0 g/kg的盐分，2种情景间淋洗定额相差2.16倍，即单位体积灌水淋洗效率下降，说明土壤含盐量越小时，灌水淋洗效率越低。

2）淋洗后土壤含盐量C相同时，淋洗前土壤含盐量0与淋洗后盐分C差值与灌水淋洗定额差值不成比例。例如暗管埋深为1.1 m、间距为10 m时，淋洗后土壤含盐量2.0 g/kg与淋洗前含盐量5.0 g/kg间的差值为3.0 g/kg，灌水淋洗定额为13.32 cm；淋洗后含盐量2.0 g/kg与淋洗前含盐量3.0 g/kg间的差值为1.0 g/kg，灌水淋洗定额为6.29 cm。单位体积土体盐分淋洗量由1.0 g/kg上升至3.0 g/kg，理论上灌水淋洗定额应增加3倍，即18.87 cm，而计算结果为13.32 cm，远小于理论值，说明含盐量较高的土壤，灌水淋洗效率更高。

表8 0～60 cm土层盐分淋洗理论灌水定额

3）相同淋洗前土壤含盐量0、淋洗后土壤含盐量时，暗管间距差值与灌水淋洗定额差值不成比例。例如暗管埋深0.8 m、淋洗前土壤含盐量5.0 g/kg、淋洗后土壤含盐量1.0 g/kg时，暗管间距由10 m升高至20 m，灌水淋洗定额增加5.24 cm，由20 m升高至30 m，灌水淋洗定额增加25.52 cm；暗管间距差值均为10 m且淋洗效果相同，2种情景灌水淋洗定额差值呈4.87倍的关系，说明相同淋洗效果时，暗管间距增加，灌水定额增量呈倍数增长。

综上所述，暗管对于淋洗含盐量较高的土壤，淋洗效率会更高；相同淋洗效果时，暗管间距增加，灌水定额增量呈倍数增长。

3 讨论

暗管主要通过降低地下水位或从土壤剖面中去除多余的水分，从而降低土壤含盐量[35]，所以暗管排水条件下土壤含盐量显著低于无排水时。暗管间距与埋深是影响土壤含盐量与淋洗脱盐率的重要因子。本文研究结果表明，暗管间距与埋深减小时，土壤含盐量降低，盐分淋洗脱盐率、灌水淋洗效果升高，且差异显著；无排水时，灌水对土壤淋洗效果不明显，且年内与年际间发生积盐。这与王振华等[36]研究结果相似。

石培君等[37]通过室内模拟研究发现，暗管排水结合滴灌条件下，灌水对于0～80 cm土壤盐分淋洗脱盐率为80.5%；本研究表明，暗管排水条件下，滴灌对于0～60 cm土体盐分具有一定的淋洗作用，但受地下水位埋深浅、土壤含水率高等试验环境因素的影响，土壤淋洗脱盐率在10%～30%之间。

在暗管排水参数一致的条件下，土壤含盐量越高，淋洗脱盐潜力越大，单位体积灌水的淋洗效率也会越高；由土壤淋洗脱盐率数值分析可知，相同的灌溉条件下，2019年土壤淋洗脱盐率较2018年有所下降，一方面是由于2018年6—8月降雨量大于2019年6—8月降雨量，另一方面是由于盐渍化棉田经2018年灌溉淋洗，土壤含盐量减少、淋洗脱盐潜力下降。综上所述，在暗管排水参数与灌水量一致的条件下，土壤盐渍化程度越高，灌水淋洗脱盐潜力越大，淋洗脱盐率也会越高。

盐分淋洗曲线是以土壤淋洗前后盐分变化与淋洗用水量为变量构建的方程，能较好地反映土壤淋洗脱盐规律和淋洗效果[38]。张金龙等[39]通过铺设暗管结合漫灌淋洗，并分析盐分淋洗曲线，试验结果表明，淋洗曲线方程能够很好地拟合土壤淋洗脱盐特征；暗管间距减小时，土壤淋洗脱盐效果增加。本文通过构建淋洗曲线方程，对比不同处理拟合参数分布，得出相似结果。

4 结论

1）南疆高水位膜下滴灌棉田暗管排水条件下，灌水对土壤盐分具有一定的淋洗作用，土壤淋洗脱盐率在10%～30%之间。

2）土壤淋洗效果一致的条件下，暗管排水间距增加，灌水定额增量呈倍数增长。

3）南疆高水位膜下滴灌棉田暗管排水参数建议为间距10 m、埋深0.8 m。

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The Efficacy of Subsurface Drain in Desalinizing Cotton Field with Shallow Groundwater and Mulched Drip-irrigation in Southern Xinjiang

YANG Yuhui1,2, ZHOU Xinguo1*, LI Dongwei1, JI Qiang3

(1. Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453000, China;2. College of Water Resource and Architectural Engineering, Tarim University, Alaer 843300, China;3.Suqian Sucheng District Horticultural Technology Promotion Station, Suqian 223800, China)

【】Soil problems in southern Xinjiang of China are many and vary, characterized by scarce rainfall, shallow groundwater and high soil salinity. To safeguard crop production, mulched drip irrigation coupled with subsurface drain have been developed as the dominant cultivation in this region. The purpose of this paper is to experimentally study the efficacy of this system in desalinizing cotton fields.【】A two-year experiment was carried out in a cotton field with shallow groundwater table. Spacing of the subsurface drains varied from 10 m to 30 m, and their buried depth varied from 0.8 m to 1.1 m. Treatment without drains was taken as the control (CK). The field was mulched, and the cottons were drip-irrigated. The effect of the drains on spatiotemporal dynamics of soil salt was measured, and its variation in response to irrigation amounts was analyzed.【】A lack of drainage system resulted in inter- and intra-annual salt accumulation in the soil surface; installing subsurface drains reduced salt accumulation, with the reduction increasing significantly with the decrease in drain spacing and increase in their burying depth. Irrigation amount did not show a noticeable impact on salt leaching when the drains were absent, while having the drains in place increased the leaching rate by 10%～30%. Significance analysis of the desalination rate of the irrigation showed that salt leaching rate increased significantly with the decrease in drain spacing and the increase in drain depth. Regression analysis found that the desalination rate was impacted by drain spacing more than by the drain depth. The difference in soil salt content before and after the irrigation can be fitted to a leaching curve with2> 0.90. Using this curve, we calculated the irrigation amount required to leach salt in the 0～60 cm of soil below a critical value, which can be used to design the subsurface drainage system【】The optimal design parameters for the areas we studied were: drain spacing 10 m, and drain depth 0.8 m. This can meet the requirement by keeping the salt content in the cotton field below a critical value.

subsurface drainage; salt leaching; drip irrigation; saline soil; salt leaching curve

S156.4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021168

1672 - 3317（2021）11 - 0137 - 08

2021-04-21

国家重点研发计划项目（2018YFC1508301）；国家自然科学基金项目（51709266）；中国农业科学院创新工程项目；中国农业科学院基本科研业务费专项（FIRI202004-0202）

杨玉辉（1990-），男，新疆昌吉人。讲师，硕士研究生，主要从事排水技术与新理论方面的研究工作。E-mail: yyh4353050@163.com

周新国（1970-），男，河南信阳人。研究员，博士生导师，博士，主要从事农业高效用水与环境效应研究。E-mail: firizhouxg@126.com

杨玉辉, 周新国, 李东伟, 等. 暗管排水对南疆高水位膜下滴灌棉田盐分淋洗效果研究[J]. 灌溉排水学报,2021, 40(11): 137-144.

YANG Yuhui, ZHOU Xinguo, LI Dongwei, et al. The Efficacy of Subsurface Drain in Desalinizing Cotton Field with Shallow Groundwater and Mulched Drip-irrigation in Southern Xinjiang[J]. Journal of Irrigation and Drainage,2021, 40(11): 137-144.

责任编辑：赵宇龙