微咸水灌溉下滴头流量及灌水量对压砂土壤入渗及水盐分布的影响

谭军利，马永鑫，王西娜，李 淼，李存云

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏 银川 750021；3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏 银川 750021；4.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)

合理利用微咸水灌溉农田是缓解淡水资源紧缺的重要途径。目前，国内外在微咸水灌溉方面已经开展了大量实践与研究。灌溉方式是合理利用微咸水灌溉的关键因素之一[1-2]。微咸水滴灌条件下滴头附近土壤含水率高，盐分含量低；而在湿润体周围则盐分含量高。这种水盐分布特征可以为作物生长创造良好的水盐条件，使滴灌成为利用微咸水的适宜灌溉方式。滴灌条件下的水盐分布受滴头流量和灌水量的影响[3]，而且这两个参数对于滴灌系统的设计具有重要意义。不合理的技术参数选择可能会导致盐分表聚，进而抑制作物生长[4-5]。

目前针对微咸水滴灌下滴头流量及灌水量对土壤水盐分布的影响已开展了大量研究。刘春卿等[6]发现大滴头流量促进了水分的水平运动，而小滴头流量的淋盐效果明显好于大滴头流量。张志刚等[7]研究表明湿润体的形状大小受滴头流量及灌水量的影响，随着滴头流量增加，湿润体含水量也随之增大且距滴头越近含水量越大，外围含水量则较小。土壤含水率分布同时受滴头流量和灌水量的控制[8]。灌水量大小不仅影响湿润体范围，而且直接决定上层土壤盐分含量[9-10]。

近年来压砂地上大面积采用微咸水滴灌方式灌溉西瓜等作物，改变了压砂地种植西瓜主要依靠天然降水的现状。由于缺乏微咸水滴灌下滴头流量及灌水量对压砂地土壤水盐分布的了解，生产实践中滴头流量及灌水定额的选择具有很大的盲目性。土表覆砂改变了滴灌入渗的边界条件，覆砂层孔隙多、入渗速率快，土壤层水分入渗速率相对较慢。边界条件的改变也相应改变了土壤水盐运移及分布特征。本文采用室内土槽模拟试验，研究压砂条件下微咸水滴灌滴头流量及灌水量对土壤水分入渗及水盐分布的影响，以期为压砂地合理利用微咸水提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采自银川市西夏区平吉堡农场玉米地耕作层。供试土壤砂粒、粉粒、黏粒含量分别为33.6%、28.5%、37.9%，土壤质地为粉壤土(美国制)，土壤容重为1.45 g·cm-3，田间持水量为17.4%(质量)。土壤晾干后过1 mm筛备用。风干土含水率为2.0%(质量)，初始土壤浸提液(土水比为1∶5)电导率为0.21 dS·m-1。

供试覆盖砂石取自中卫市沙坡头区兴仁镇压砂地中。砂石样品取回后，用标准砂石套筛进行筛分共分6种粒径(见表1)。不同粒径砂石均用自来水反复清洗之后晾干备用。按照表1砂石级配重新混匀并测得砂石容重为1.9 g·cm-3。

表1 试验砂层砂石级配

1.2 试验方法

土槽试验于2016年4—5月在宁夏大学土木与水利工程学院结构大厅内进行。试验装置示意见图1，包括有机玻璃长方槽和马氏瓶两部分，有机玻璃槽(高×宽×长)70 cm×25 cm×38 cm，马氏瓶直径18.4 cm、高40 cm。利用马氏瓶进行恒压供水，滴灌流量采用1/4铜球阀控制，在进行试验前通过测定单位时间内通过铜球阀的水流，旋转铜球阀的旋钮控制滴头流量。铜球阀用夹子固定在土槽一角模拟滴灌，滴灌下土壤湿润体形状接近半球体，长方形土槽可以近似看作1/4的湿润体，土槽一角看作球体的中心位置，在沿土槽长方向观察土壤水分的水平和垂直入渗并用记号笔刻画不同时刻湿润锋的位置。

图1 试验装置示意图

向有机玻璃土槽装土时，按土壤干容重1.45 g·cm-3分层装土，每5 cm一层，层与层之间打毛，共装11层，之后在最上面两层装入不同粒径混合的砂石混合物模拟压砂条件，按1.9 g·cm-3装入，土槽装完静置24 h后进行滴灌试验。

试验设置3个滴头流量(0.85、1.70、3.40 L·h-1，灌水量为5.88 L)处理及3个灌水量(5.88、6.60、10.00 L，滴头流量为3.40 L·h-1)处理，灌水量是根据计划湿润层深度分别为30、35、55 cm达到田间持水量计算获得。灌溉水是根据压砂地主要分布区中卫香山地区地下水的离子成分特点，用分析纯NaCl、CaCl2和MgSO4按质量比2∶1∶2配置，其电导率为2.5 dS·m-1。土槽模拟试验过程中按照预定时间记录入渗量并在有机玻璃土槽上刻画湿润锋位置，用直尺量取水平和垂直入渗距离。当灌水量达到目标灌水量时停止供水。

停止灌水后用直径2 cm的土钻采集距滴头不同距离的砂层，分析砂层的含水率和砂层浸提液的电导率(砂水比为10∶1)；之后将砂层全部取出，用直径2 cm的土钻采集土壤样品。在水平方向上按距滴头5、10、15、20 cm等(根据湿润体的大小来确定)，取样深度以5 cm为间隔取土(实际深度依据湿润体的大小来确定)。用烘干法测定土壤含水率(质量)，剩余土壤样品晾干后测定土壤浸提液(土水比为1∶5)的电导率。

1.3 数据处理

试验数据处理采用Excel和Origin 14.0进行数据整理、处理、拟合计算及绘图，并采用Surfer14软件绘制土壤含水率及电导率等值线图。

2 结果与分析

2.1 滴头流量对湿润锋迁移的影响

滴头流量是影响滴灌条件下水分运动的重要因素，图2为相同灌水量下3种滴头流量对湿润锋垂直和水平运移的动态变化过程。从图2可以看出，随着滴头流量增大，入渗时间缩短，导致土壤水分在垂直方向和水平方向的入渗存在较大差异(图2a、2b)，进而改变了滴灌湿润体的形状(图2c)。总体上看，增加滴头流量促进了水分在垂直方向的运动，而小滴头流量则有利于水分在水平方向运动。滴灌初期，同一滴头流量下垂直入渗的距离显著大于水平扩散距离。这可能由于覆砂的缘故，砂层大孔隙数量多，重力势作用有利于垂直入渗，水分能够迅速入渗。同一入渗时间下，水平扩散过程中3.40 L·h-1和1.70 L·h-1处理的湿润锋运移距离显著大于0.85 L·h-1处理，但3.40 L·h-1和1.70 L·h-1处理之间无显著差异。

滴灌过程中，湿润体的形状也发生了显著变化。湿润体垂直方向的距离/水平方向的距离可以反映湿润体的形状，该比值为1时表明湿润体形状接近球形，大于1时为椭球形。滴灌初期，垂直入渗比较快，湿润体中垂直/水平的比值远远大于1。随着滴灌时间延长，该比值急剧降低。如0.85 L·h-1处理的湿润体垂直/水平的比值从1.75下降到1.1。滴头流量对湿润体垂直/水平的比值有明显的影响，尤其是在湿润体稳定后。从图2c中可以看出，随滴头流量增大，湿润体垂直/水平比值呈先减小后增大的趋势，0.85、1.70 L·h-1和3.40 L·h-1流量下稳定湿润体的比值分别为1.10、0.90和1.13。从该比值可以看出，0.85 L·h-1和3.40 L·h-1处理该比值接近于1.1，1.70 L·h-1处理该比值小于1，说明1.70 L·h-1处理在供试土壤上有利于水分在水平方向的分布。湿润体的形状除了与滴头流量有关外，还与土壤质地有关，本试验中供试土壤为粉壤土，其垂直入渗能力大于水平侧渗能力。压砂地分布区主要种植西瓜、甜瓜等瓜类，其根系分布比较浅。因此，从瓜类作物根系分布及供试土壤的特性来说，滴头流量为1.70 L·h-1是比较适宜瓜类及粉壤土的滴头流量。

图2 滴头流量对土壤水分垂直和水平方向入渗的影响

由表2可知，湿润锋水平入渗距离(X)、垂直入渗距离(Z)与入渗时间(t)存在显著的幂函数关系，决定系数(R2)均大于0.95。从表2可以看出，随滴头流量增加，幂函数的常数项呈增加趋势，幂指数项则呈先增加后降低趋势。在压砂地上滴头流量0.85 L·h-1的水平入渗的幂指数明显小于1.70 L·h-1和3.40 L·h-1处理。根据不同的灌水时间可以计算出3种滴头流量在水平方向的扩散距离和垂直方向的入渗距离，可为实际工程滴头流量、滴头间距以及湿润比等参数的优选提供理论依据。

表2 滴头流量对湿润体水平入渗及垂直入渗的影响

2.2 滴灌灌水量对湿润锋迁移的影响

在农业灌溉中，通过湿润锋与灌水量之间的关系可以调控计划湿润层深度[11]。图3为相同滴头流量(3.40 L·h-1)不同灌水量下湿润体水平入渗距离(X)和垂直入渗距离(Z)随入渗时间(t)的变化过程。由图3可知，灌水量越大，持续入渗时间越长，垂直入渗距离和水平入渗距离均呈增长趋势(图3a、3b)，但在整个入渗过程中相同入渗时间内，无论垂直入渗还是水平入渗灌水量处理之间差异不明显。

图3 灌水量对湿润体垂直入渗、水平入渗的影响

在入渗过程中，湿润体的垂直距离/水平距离的比值先急剧降低之后趋于稳定。在滴头流量为3.40 L·h-1时，湿润体的垂直/水平比值从1.4下降到1.1～1.3左右，5.88 L和6.60 L处理的垂直距离/水平距离比值接近1.1，而灌水量增大后湿润体稳定后的比值为1.3。这说明增加单个滴头灌水量促进了水分的垂直入渗。因此，在压砂地上滴灌设计时根据作物计划湿润层深度与滴头流量确定适宜的灌水量，提高水分利用效率。

由表3可知，湿润体水平入渗距离、垂直入渗距离与入渗时间同样存在显著的幂函数关系，决定系数(R2)均大于0.99。水平入渗的幂函数指数b随灌水量增加呈先减小后增大的趋势，而垂直入渗的幂函数指数d则随灌水量增加则呈先增加后减小的趋势，这表明压砂地上相同滴头流量条件下随着灌水时间延长水平入渗的距离增加速率比垂直入渗的快。

表3 滴灌灌水量对湿润体垂直入渗和水平入渗的影响

2.3 滴头流量及灌水量对砂层水盐分布的影响

压砂地上水分首先要经过砂层才能达到土壤层，砂层对从滴头出水起到了二次分配的作用。砂层含水率的分布状况亦会影响水分向下层的运动；另外，砂层是一种多孔介质，能存储一部分水分。图4显示出，砂层水分含量在沿滴头水平方向呈现波动起伏，这反映了砂层的非均质性对砂层含水率的影响；随距滴头距离增加，砂层含水率呈减小的趋势。这也反映了砂层在水平方向具有一定水分传导的能力。

灌水量相同时，滴头流量对砂层含水率影响较大。从图4a可以看出，滴头流量为1.70 L·h-1的砂层含水率大于0.85 L·h-1和3.40 L·h-1处理，0.85 L·h-1处理砂层含水率最小。这是因为相同灌水量时，滴头流量越大灌水时间缩短，水分在砂层中扩散的时间和扩散距离缩短，而滴头流量越小灌水时间越长，砂层中的水分在重力作用下向土壤层入渗，使得砂层含水率降低。

从图4b可以看出，滴头流量相同时，灌水量越大，砂层含水率反而降低，但砂层含水率沿水平方向变化幅度减小。这是因为灌水量大，入渗时间长，砂层所能保持的水分减少。对于灌水量为10.00 L的处理，距离滴头0～20 cm范围内的砂层含水率在3.5%～4.5%之间，而灌水量为6.60 L的处理中砂层含水率则从7%下降到3.5%。

图4 滴头流量及灌水量对砂层含水率的影响

从图5可以看出，滴头流量对砂层电导率存在一定程度的影响，0.85 L·h-1处理在距滴头水平距离0～35 cm范围内砂层电导率介于0.10～0.15 dS·m-1，1.70 L·h-1处理则在0.13～0.20 dS·m-1之间，3.40 L·h-1与0.85 L·h-1处理砂层电导率比较接近。相同滴头流量下灌水量对砂层电导率影响不大，但都随着距滴头距离增加呈下降趋势。

图5 滴头流量及灌水量对砂层电导率的影响

2.4 滴头流量对土壤水盐分布的影响

图6为覆砂条件下不同滴头流量的土壤含水率等值线图。从图6可以看出，水分在砂层中运移后才进入土壤，所以含水率重心点的位置并不在滴头附近。0.85 L·h-1处理含水率为20%的范围在水平方向0～20 cm和垂直方向0～15 cm；1.7 L·h-1处理含水率为21%的范围在水平方向10～15 cm和垂直方向10～15 cm；3.4 L·h-1处理含水率为20%的范围在水平方向0～15 cm和垂直方向7～17 cm左右。砂层起到了水分传导的作用，将滴灌的点源入渗变成了部分饱和的砂层面源入渗，改变了土壤水分的分布规律。由此看出，滴头流量小，水分在水平方向上分布范围广，而滴头流量越大则越有利于在垂直方向上分布。

图6 滴头流量对土壤含水率分布的影响

图7为不同滴头流量覆砂条件下土壤盐分等值线分布图。从图7可以看出，盐分含量低的区域(即盐分淋洗区域)并没有分布在滴头附近，反而是在距滴头较远的区域。如0.85 L·h-1处理0.15 dS·m-1包围的范围水平方向距滴头11～25 cm，垂直方向在0～15 cm；1.70 L·h-1处理的范围水平方向距离滴头8～25 cm，垂直方向在0～12 cm；3.40 L·h-1处理的范围水平方向距离滴头12～27 cm，垂直方向在0～10 cm。随着滴头流量减小，盐分淋洗区域的面积增大，而盐分累积区在湿润锋处。

图7 滴头流量对土壤盐分分布的影响

2.5 滴灌灌水量对土壤水盐分布的影响

图8为相同滴头流量(3.40 L·h-1)不同灌水量条件下土壤含水率分布图。由图8可知，随着灌水量增加，湿润体中高含水率(19%～20%)的范围无论是水平方向还是垂直方向均逐渐扩大，而且随着灌水量增加，湿润体土壤含水率的分布模式与裸地时滴灌下土壤含水率的分布模式一致，即土壤含水率沿着滴头从水平和垂直两个方向呈递减的趋势。这说明灌水量较低时，砂层对土壤含水率的分布影响较大，灌水量增大之后，砂层对土壤含水率分布的影响逐渐减小。

图8 滴灌灌水量对土壤含水率分布的影响

灌水量是微咸水灌溉条件下控制盐分分布的重要因素之一，只有达到一定的灌水量，上层土壤盐分才会得到充分淋洗。图9为灌水量对压砂条件下土壤盐分分布的影响。由图9可知，低盐分布区范围随着滴灌灌水量增大不断扩大，并且低盐分布区在水平方向上逐渐向滴头靠近。由于灌水量的差异，导致进入土体的盐分也存在差异，随着灌水量的增加，在湿润锋处累积的盐分呈增加趋势。

图9 滴灌灌水量对土壤盐分分布的影响

3 讨 论

3.1 滴头流量及灌水定额对覆砂条件湿润体特征的影响

滴灌条件下湿润体的形状大小和特征受众多因素影响，如土壤质地、容重、滴头流量及灌水定额等[11-12]，其中滴头流量与灌水定额是影响湿润体形状的主要因素。因此，明确覆砂条件下微咸水滴灌滴头流量与灌水定额对制定滴灌灌溉计划具有重要作用。就现有的研究来看，滴头流量对湿润体影响的研究存在不同的结论。有研究表明[13-16]，随滴头流量增加湿润锋半径增大，即增加了水平运移距离；也有研究认为，相同灌水量时，增加滴头流量促进了湿润锋垂直方向运移[17]。本研究中，随滴头流量增加水分在水平方向及垂直方向运移距离均呈增加趋势，但垂向距离/水平距离的比值表明，滴头流量增加有利于土壤水分的垂向运移，这与魏群等[18]的研究结果一致。李道西等[19]等认为这与土壤质地关系密切，在砂土上增加滴头流量促进了湿润锋垂直运移，对于轻壤土则有利于湿润锋水平运移。湿润体的体积及半经与灌水量之间呈正比关系[8,20-22]。本试验中也可以看出，湿润锋水平及垂直距离均随灌水量增加而增大。

覆砂条件下，湿润锋的水平距离和垂直距离均与入渗时间呈显著的幂函数正相关关系。但幂函数的常数项与指数项与裸地条件下的相应常数存在较大差异。魏群等[18]对陕北黄绵土入渗的研究结果表明，滴灌条件下水平和垂直入渗距离均与入渗时间呈显著的幂函数关系，在滴头流量4.0 L·h-1时，水平和垂直方向的幂函数系数为2.273和0.885，指数分别为0.449和0.646。而本研究中，3.4 L·h-1处理中水平和垂直方向的系数分别为9.69和14.15，指数分别为0.26和0.20。这表明覆砂条件下滴灌初始入渗速率较快，而在入渗过程中湿润锋运动速率较裸地慢。这可能是因为水分通过砂层时入渗速率快，而经过砂层后，由于砂层对水分入渗有时滞效应及二次分配作用，使得湿润锋运动速率变缓。

3.2 滴头流量及灌水定额对压砂条件下土壤水盐分布的影响

一般而言，滴灌条件下土壤水分随着离滴头水平距离的增加呈减小趋势[12]，土壤盐分主要分布在湿润体的边缘。本研究中，在灌水量为5.88 L时土壤高含水率区以及低含盐量区均没有出现在滴头周围，而是出现在离滴头较远的位置，并随着滴头流量增加，土壤高含水率区以及低含盐量区向滴头位置靠拢。这种现象与土壤表层覆砂有关，覆砂之后改变滴灌点源入渗的方式，首先水分在砂层中向水平及垂直方向运动，满足砂层的持水量后水分才可以通过砂层中的孔隙入渗到土壤中，从而改变了土壤水分和盐分分布模式。砂层的这种影响随着灌水量增加而不断减弱(图8和图9)。这可能是因为灌水量增大时砂层达到饱和，砂层中水分在水平方向传导能力降低，滴灌的水分沿着滴头下方的饱和区进入土壤，此时砂层的效应减弱。因此，在压砂地上滴灌带的布置应当与作物种植行的中心位置错开一定的距离，为作物提供较好的水盐环境。

低含盐量即盐分淋洗区域的面积，在灌水量相同条件下，小滴头流量处理下盐分淋洗区域的面积最大，即小滴头流量有利于土壤盐分的淋洗，这与刘春卿等[6]、王一民等[13]、郭安安等[23]研究结果一致。土壤含水率随着灌水量增加而增加，盐分淋洗区的范围不断扩大。

4 结 论

1)滴头流量越大，湿润锋在水平和垂直方向上运移距离越大，湿润锋的水平和垂直入渗距离与入渗时间之间存在幂函数关系。从湿润体的垂直距离/水平距离的比值来看，滴头流量越大越有利于水分的垂直入渗，越小则有利于水平入渗。

2)砂层覆盖改变了微咸水滴灌条件下土壤水分、盐分的分布规律，高含水率及低盐分分布区出现在离滴头较远的区域，并随着滴头流量增加逐渐向滴头附近靠拢。

3)随滴灌灌水量增加高含水率及低盐分分布区的范围不断扩大，土壤水分及盐分分布模式越接近无覆砂条件下的分布模式。