滞后连续滴水的自动化三管对北疆棉田湿润体盐分的影响

阿依波尔·达吾列提开来得，董文明，叶尔古丽·奴尔沙哈提，穆哈西

(新疆农业大学水利与土木工程学院/新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

土壤盐碱化是在干旱、半干旱条件下，不合理灌溉及管理不当所造成的土壤退化(盐碱化)问题，也是世界关注的焦点。近年来，地下水源的矿化度增大，导致盐碱地的面积不断扩大，随着盐碱化面积的扩大，采用大水漫灌控制盐分的压盐用水量也增多。目前使用滴灌技术可节约了部分灌溉用水量，但是滴灌条件下盐分积累在湿润锋边缘，由于单个滴灌滴头流量及湿润体较小，无法淋洗作物根系发育范围内的盐分，所以土壤的盐碱化日益加剧直接影响作物根系，导致作物的产量降低甚至绝产(如图1所示)，因而研究作物根系发育范围内盐分的意义很大。

目前国内外改良盐碱地的研究成果以下几个方面：(1)土壤盐碱化与地下水位的关系研究；(2)大型工程对于土壤盐碱化发生的季节性和梯度表现的研究；(3)秸秆条件下土壤水盐的变化规律研究；(4)大水压盐对水盐的变化趋势研究等；(5)新疆许多学者的研究主要集中在对滴灌条件下水分在土壤中的入渗规律及湿润体的变化，有些研究者采用数值计算的方法模拟计算了单个滴头对土壤湿润体水盐的分布情况，证明了土壤盐分积累在湿润体边缘，但是作物根系范围内积累的盐分仍然存在(如图2所示)。由于滴灌条件下土壤盐分积累在湿润体边缘，所以新疆采用每年2～3次大水漫灌压盐的方法控制盐分(如图3所示)，秋季一次平均压盐用水定额为3000～4500 m/hm甚至更多。近年来，由于新开垦面积增大，水资源短缺和土壤的盐碱化已成为新疆农业可持续发展的障碍。

图1 盐碱化的滴灌棉田

图2 滴灌湿润体边缘积累的盐分 图3 漫灌的核桃地

新疆降雨稀少、蒸发量大、水资源短缺，在滴灌时不仅盐分积累在湿润锋边缘，而且滴灌淋洗盐分的范围小。因而作者以滴灌条件下盐分积累在湿润体边缘为切入点，采用三条管滞后连续滴水的方法扩大湿润体的脱盐范围，淋洗根系发育范围内积累的盐分，降低根系发育范围内积累的盐分对作物的影响。根据滴灌条件下盐分积累在湿润体边缘的情况，将现有的滴灌改为滞后连续滴水的自动化装置，即“一种追压湿润锋边积累盐分的自动化三管装置”。根据湿润体内检测的盐含量来确定毛管间距及滴水时间间隔。在此基础上，采用滴头错位布置的三管滞后连续滴水的方法，灌水4次后湿润体的40 cm处取土检测盐分，从而揭示其淋洗作物根系发育范围内的盐分，为节水淋洗毛根系发育范围内的盐分提供科学和实践依据。

1材料与方法

1.1水样和土样的取样及测定方法

试验于2019年4月至2021年9月新疆农业大学实验室进行，最高温度25℃，最低温度20℃。试验土取自呼图壁县二十里店棉花地，试验土为以硫酸根离子为主的盐土。土样不同深度平均初始盐量(离子总量)为10.53 g/kg，取土深度为0～60 cm，pH=8.52(如表1所示)，初始含水率为6%，土壤容重为1.25 g/cm，水样的pH=8.62，灌溉水源初始含盐量(离子总量)9.5 g/kg(当地的水做灌溉水源)。试验设备有环刀、土钻、尺子、烘干箱、铝盒、电子秤、水箱、滴灌管、毛管及滴头。

对试验土进行碾压、晒干、粉碎、过筛后，分层夯实装在土箱内，土壤容重调节为1.25 g/cm，试验土箱的长度和宽度为2 m，深度为1 m，试验5个土箱内分别进行(重复一次)。土壤含水量采用烘干法，土壤容重采用环刀法，水样和土样盐分测定采用溶液法。

表1 灌溉水源和试验地土样的初始状况(g/kg)

1.2试验参数的选定

1)毛管间距的确定。根据土壤对水分的吸湿能力和土壤参数(包括土壤性质、容重、初始含盐量及土壤含水量)的基础上，毛管直径为φ16、滴头间距为20 cm，滴头流量为3 L/h，中心的1号毛管为基准，中心的1号管滴水2 小时后结束试验，采用晒干湿润体的方法和湿润体内水平和垂直不同梯度取土检测含盐量的方法，然后根据试验的结果进行比较确定毛管间距，也就是确定1号毛管左右两侧的2号毛管和3号毛管的安装位置。

表2 三种1号管两侧毛管间距方案的湿润体和脱盐半径比较

2)最优方案的确定(如表2所示)。方案1是在毛管间距为10 cm，滴头流量3 L/h的条件下，当滴灌滴头滴水时间2 小时时，不仅土壤湿润体半径较小，而且出现地面积水的现象，湿润体晒干7天后，在湿润体边缘积累的盐分反弹后脱盐半径变小；方案2是在滴头流量和滴水时间不变，毛管间距为15 cm的条件，可避免地面积水，湿润体晒干7天后，在湿润体内的盐分反弹后的脱盐半径较大，可覆盖根系的发育范围，因此，毛管间距适当；方案3是滴头流量和滴水时间不变，毛管间距为20 cm的条件，滴水后，土壤湿润体和脱盐半径都大，但是中心1号管与左右两侧毛管(1号和2号)湿润体间产生交汇锋，淋洗湿润体交汇锋之间盐分的能力降低，淋洗盐分的效果不理想。因此，中心管左右两侧的毛管分别安装在中心1号毛管的15 cm处最合适。

1.3自动化三管滴水概况

1)基本思路。自动化三管滴水由两个部分组成：一是中心1号毛管滴水2 小时后结束试验，采用湿润体内取土和晒干剖面法，以滴灌湿润体的大小和含盐量及剖面盐分的反弹足迹为依据，确定中心1号毛管两侧的2号和3号毛管的安装位置；二是根据试验1的结果，另一土箱内1号毛管的左右两侧安装2号和3号毛管，中心1号毛管滴水2小时后，2号和3号毛管开始滴水，这时三支毛管同时滴水，且同时滴水2小时后停水，这样灌水4次后三条毛管的湿润体曲线如图4所示。

2)自动化过程。自动化装置由支管、3条毛管、机电箱、继电器、时间继电器及1和2号球阀组成(如图5所示)。继电器和时间继电器安装在机电箱内，继电器的一边与电源相连，另一边与1号和2号球阀相连；其中1号球阀来控制总灌水量、停水时间及灌水周期， 2号球阀来控制2号毛管和3号毛管的滴水时间。用继电器检测电源开关及电磁阀的正常状况，然后自动开启1号球阀，设定的2小时(可调节)滴水时间作业完工后，2号球阀自动开启，这时三支毛管同时滴水，且滴水2小时后自动停水。

3)滞后连续滴水。中心的1号毛管滴水2小时后2号和3号毛管开始滴水，这时三条毛管同时滴水2小时后同时停水。如1号毛管从8:00开始滴水12:00停水，2号和3号毛管从10:00开始滴水12:00停水(如图6所示)。

图4 三管灌水4次后的湿润体

图5 三管的自动化示意图 图6 三管的滴水规律

1.4数据的测定方法

1)确定湿润体含盐量检测点的方法。根据已确定的参数，滴头间距为20 cm，滴头流量为3 L/h，毛管间距为15 cm，滴头错位布置的条件下灌水4次(如图7所示)。在此基础上，以湿润体晒干7天后的盐分反弹足迹为依据，滴灌的湿润体内每10 cm和不同深度取土检测含盐量(如图8所示)，共取土检测10个点的含盐量(八大离子)。由于检测盐分的点数和数据多, 为清楚地解释植物根系发育范围内盐分的变化情况，选择检测盐分分析点的位置是非常重要。

2)检测盐分分析点位置的选择。检测结果表明：湿润体随灌水次数的增多而变大，湿润体内盐分也向湿润体边缘方向运移(积累)，湿润体脱盐边界线内的盐分逐渐降低，盐分积累在湿润体边缘；湿润体剖面晒干7天后盐分的反弹距为5 cm，湿润体内的盐分只反弹在过渡区内(如图7和8所示)；棉花根系的发育范围主要分布在10～40 cm的深度,水平分布在距主干0～40 cm的范围。综合上述3种原因，对湿润体40 cm处检测的含盐量进行分析(如图8所示)。在此基础上，以土样初始含盐量的均值为依据，与检测盐分的均值进行对比，计算湿润体含盐量的降低量。

2结果与分析

2.1湿润体的40 cm处不同深度盐分的变化过程

三管滞后连续滴水所产生湿润体如图8所示。灌水4次后湿润体的40 cm处不同深度取土检测盐分(如表3所示)。结果表明：湿润体内的盐分随灌水次数的增多而降低，湿润体内盐分逐渐向湿润体边缘积累，深度为60 cm以上的盐分呈降低趋势，脱盐效果很明显；含盐量的平均值按大小排为：SO>K+Na>Cl>Ca>HCO>Mg。

表3 灌水4次后土壤不同深度的含盐量(g/kg)

2.2湿润体水平40 cm处不同深度盐分的降低量

不同深度的土样初始含盐量减去灌水4次后不同深度的含盐量可获得盐分降低量(如表4所示)。土壤不同深度的盐分降低量按大小排为：SO>K+Na>Ca>HCO>Mg> Cl。

2.3总体分析

土样初始含盐量均值和灌水4次后的含盐量均值绘制湿润体盐分的垂直及平均方向的运移过程(如图9所示)。结果表明：土壤初始含盐量均值B曲线(来自表1的最后一列)，灌水4次后盐含量的均值A曲线(来自表3的最后一列)，A和B曲线的差值表明含盐量的降低量；在湿润体的水平40 cm处不同深度含盐量的降低量有所不同，易溶盐含量多降低量也多，反之相反(如图10所示)；湿润体的30 cm以内的淋洗盐分的效果好，30 cm以外降低的含盐量少。这进一步表明盐分积累在湿润体边缘的原理。

表4 灌水4次后土壤不同深度的盐分降低量(g/kg)

图9 灌水前后含盐量的变化

图10 不同深度含盐量的低过程线

不同深度盐分的降低量不仅跟灌水次数有关，而且跟不同深度土壤容重及易溶盐的多少也有关系。在三管滞后连续滴水的条件下，灌水4次后深度为0～50 cm之间的盐分呈不断降低趋势，尤其是深为0～30 cm处的降低量最多。SO在土深为0～40 cm范围内的降低量较大，其余的盐分逐渐降低向湿润体边缘运移。说明湿润体内的含盐量随灌水次数的增多而向湿润体边缘运移，逐步积累在湿润体边缘。

3讨论与结论

植物根系的发育范围因种类不同而有差异，宁夏1号枸杞垂直根系主要分布在20～40 cm的深度,水平根系主要分布在距树干0～14 cm的范围；玉米80%的毛根系垂直分布在50 cm的深度以内,水平根分布在距玉米干的35 cm范围之内；葡萄80%的垂直根系主要分布在60 cm的深度以内,水平根系主要分布在距葡萄干的40 cm范围。本研究结果表明：在三管滞后连续滴水的条件下，湿润体40 cm的盐分满足密植作物棉花、玉米、枸杞、葡萄等作物毛根系的发育范围的淋洗要求，这与土壤水盐随水运移的规律一致。

为摸清呼图壁县二十里店棉花地的盐碱化原因，以当地的土壤和水源为材料，在土壤容重和滴水量已定的条件下，采用滴头错位布置的三管滞后连续滴水的方法，灌水4次后，滴灌的湿润体内每10 cm和不同深度取土检测含盐量(八大离子)。根据棉花毛根系的发育范围及盐分的运移过程进行分析，揭示其淋洗根系发育范围内的盐分变化，为节水洗盐提供科学和实践依据。

本研究表明：在三管滞后连续滴水的条件下，湿润体晒干7天后，盐分的反弹距为5 cm，湿润体40 cm的盐分随灌水次数的增多而降低，离滴头越远湿润体边缘积累的盐分越多，盐分积累在湿润体边缘；采用三管滞后连续滴水的方法，可以扩大脱盐范围、降低盐分对作物根系的影响；采用三管滞后连续滴水4次后，土壤含盐量降低，不同深度盐分的降低量不仅跟灌水次数有关，而且跟不同深度土壤容重及易溶盐的多少有关；通过三管滞后连续滴水的方法针对性滴水把湿润体内积累的盐分往外追压，从而扩大湿润体脱盐范围。