暗管排水砂滤料对稻田盐碱地水盐运移规律的影响

刘嘉斌，田军仓,2,3*，张 萌，王金鹏，杨振峰，赵广兴

▪农田排水▪

暗管排水砂滤料对稻田盐碱地水盐运移规律的影响

刘嘉斌1，田军仓1,2,3*，张 萌1，王金鹏1，杨振峰1，赵广兴1

（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）

【目的】通过研究不同砂滤料暗管排水对稻田盐碱地土壤水盐运移规律的影响，探明暗管排水最佳砂滤料，为稻田盐碱地治理提供理论依据。【方法】根据当地暗管排水现状及以往过滤经验，采用对比试验设计，研究细砂粒、细砂粒和细碎石混合（1∶2）、细碎石3种不同砂滤料暗管排水条件下土壤水分、盐分运移规律。【结果】暗管砂滤料采用细砂粒和细碎石（1∶2）混合处理在水稻灌水期可以有效降低0～60 cm土壤体积含水率，提高土壤脱盐率；在水稻停水晒田期可以有效缓解0～60 cm土壤水分流失，抑制土壤返盐。【结论】暗管排水砂滤料选用细砂粒和细碎石（1∶2）混合适宜稻田重度盐碱地治理。

暗管排水；砂滤料；盐碱地；土壤水分；土壤盐分

0 引 言

【研究意义】由于自然和人为因素影响，我国宁夏、新疆等地形成了大量盐碱地，其不利于作物生长发育，造成作物大面积减产，甚至绝产，严重制约我国农业可持续发展[1]。灌水洗盐、化学改良等传统盐碱地改良措施会造成水资源浪费且改良效果差，并且化学药剂容易造成二次污染，而采用暗管排水排盐技术可以有效防治土壤盐碱化、改善土壤环境[2-6]，同时结合盐碱地种植水稻可以明显改良土壤水环境，加快洗盐速度[7]。因此对于干旱少雨且盐碱化较重地区而言，暗管排水结合稻田淹灌可以最大限度地降低土壤盐分，提升水稻产量，实现盐碱地改良和利用[8-9]。【研究进展】国内外学者针对暗管排水的水盐运移规律进行了广泛研究。Qian等[10]通过田间试验和数值模拟的方法研究表明暗管埋深和间距对土壤脱盐率均有显著影响，但管径对土壤脱盐率影响可以忽略不计；张金龙等[11]通过田间试验研究不同暗管间距对盐碱地土壤脱盐效果的影响，表明暗管埋设间距越小，暗管排水排盐效率越高，但施工成本会增加，因此在暗管布置时要进行综合效益评价；石佳等[4]通过田间试验表明暗管排水可以有效降低土壤盐分，提高油葵产量，增加土壤水分利用效率；陈名媛等[12]通过田间试验表明土壤脱盐率在暗管垂直方向上随土层深度增加而降低；杨玉辉等[13]在膜下滴灌条件下探究不同暗管间距与埋深对土壤脱盐效果的影响，结果表明暗管间距和埋深越小土壤脱盐率越高；Long等[14]利用模型箱进行管道模拟试验，结果表明排水管道包裹无纺布或填充碎石均能减少管道堵塞程度；Liu等[15]针对暗管堵塞问题，研究了分别包裹机织土工布和编织土工布的暗管排水特性，结果表明包裹编织土工布暗管排水效率高，不易堵塞。【切入点】目前对暗管排水排盐技术研究主要集中在暗管布置以及暗管外包料选择及脱盐率等方面，但关于不同暗管砂滤料对重度盐碱地水盐运移规律研究甚少。【拟解决的关键问题】本试验利用作物措施结合暗管排水技术对重度盐碱地进行改良，研究在不同砂滤料暗管排水条件下稻田土壤水盐运移规律特征，以筛选出最佳暗管砂滤料，为当地重度盐碱地治理和利用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于宁夏回族自治区银川市兴庆区月牙湖乡月牙湖村，属典型温带大陆性气候，昼夜温差大，干旱少雨，试验区位置见图1。试验于2021年5月1日—9月30日进行，在试验期内日平均气温为22.39 ℃，总降雨量为84.07 mm，降雨主要集中在6—9月。试验地为盐荒地，经过铺砂改造。试验区0～60 cm土壤平均初始盐分为5.15 g/kg，属于重度盐碱化土壤[16]，试验区地下水埋深在1.2～1.6 m之间。试验区稻田盐碱地暗管排水前土壤理化性质见表1。

表1 试验区0～60 cm土层初始土壤理化性质

图1 试验区位置

1.2 试验设计

本文根据宁夏当地暗管排水施工技术规范及以往暗管排水过滤经验，选取粒径范围分别在0.3～3.5 mm细砂粒和10～20 mm细碎石2种初始砂滤料，并且在灌水方式、灌水量、灌溉水含沙量、暗管有效滤水面积、水稻种植品种等相同条件下，设计3种不同砂滤料暗管排水排盐装置。试验处理设计方案见表2，暗管排水砂滤料布置剖面见图2。

表2 试验处理设计

图2 不同处理砂滤料布置剖面图

1.3 试验实施

暗管布置形式为东西布设，首端埋深1.0 m，末端埋深1.2 m，暗管坡度为1.6‰，田间吸水管直径为110 mm，集水管直径为200 mm。各处理地块长×宽=75 m×16 m，且各处理试验区间设置1.2 m深的防渗带和50 cm高的田埂，以防止土壤水分交换。以水稻“秋优88”为供试作物，在5月19日进行水稻旱播，5月20日开始黄河水淹灌，9月4日灌溉后停水晒田，关闭暗管碟阀，10月1日收割，在其生育期内灌溉、施肥及其他田间管理措施均与当地农户一致。暗管排水田间布置见图3。灌溉水源为黄河水，其为265.5 mg/L，为0.532 mS/cm。

图3 田间暗管布置

1.4 测定指标和方法

土壤体积含水率测定：采用TDR仪测量土壤体积含水率，每个处理试验区取3个测点，分别测定不同深度的土壤体积含水率（0～20、20～40、40～60 cm）。

暗管滤水流量测定：各处理区暗管上安装流量表，在每次稻田灌水后定时记录流量表读数，并且采用容积法校准滤水流量，每次测定3次取平均值。

土壤全盐量测定：各处理区标记3处位置，采用土钻取不同深度（0～20、20～40、40～60 cm）土样，将土样自然风干后，利用电导率仪DDS-307A测定土水质量比为1∶5土壤浸提液电导率，然后换算土壤全盐量[17]。土壤全盐量换算方程为：

式中：为土壤全盐量（g/kg）；为电导率（μS/cm）。

土壤脱盐率计算式：

式中：为脱盐率（%）；1为土壤盐分初始值（g/kg）；2为灌后土壤盐分终值（g/kg）。

1.5 数据处理

所有数据采用SPSS 26进行分析，采用Origin 2021、ArcGIS 10.7、Excel 2010进行绘图。统计特征值可以精确描述数据分布情况，是具有代表性的数据特征值，其中变异系数V可以客观反映数据变化程度，规定V＜10%为弱变异性，10%＜V＜100%为中等变异性，V＞100%为强变异性[18]。

2 结果与分析

2.1 土壤水分时空运移规律

表3为暗管排水条件下水稻生育期内各处理0～60 cm不同深度土壤体积含水率统计特征值。由表3可知，除F1处理40～60 cm土层的土壤水分属于弱变异性以外，F1处理0～20、20～40 cm土层和F2、F3处理各土层土壤水分均属于中等变异性，且随土层深度的增加变异系数有减小的趋势。F1、F2、F3处理在水稻全生育期内0～60 cm平均土壤体积含水率分别为37.50%、50.25%、43.89%，可见F2处理较F1处理和F3处理平均土壤体积含水率分别提高34.0%和14.49%。

表3 水稻生育期内不同处理不同土层土壤体积含水率统计特征值

由图4可知，在水稻灌水期内（6月17日—9月7日），F1处理在0～20、20～40、40～60 cm的土壤体积含水率随时间变化呈相对平稳的趋势；F2处理在0～20、20～40、40～60 cm的土壤体积含水率随时间呈下降趋势，在灌水期结束时各土层体积含水率分别下降23.03%、19.05%、16.31%；F3处理在0～20、20～40、40～60 cm的土壤体积含水率随时间呈上升趋势，灌水期结束时各土层体积含水率分别提高26.59%、23.15%、3.57%。在水稻停水晒田后（9月7—18日），暗管排水蝶阀关闭，由于土壤蒸发，各处理不同土层的土壤水分均有下降趋势，同时由于F2处理灌溉期入渗量大，停水后地下水有顶托现象，（9月18日）在0～20 cm土层中F2处理土壤体积含水率显著高于F1处理和F3处理，且F3处理显著高于F1处理，F2处理土壤体积含水率分别比F1和F3处理高121.36%、35.28%，F3处理比F1处理高63.63%；20～40 cm土层中F2处理和F3处理土壤体积含水率显著高于F1处理，F2处理和F3处理之间差异不显著，F2处理和F3处理分别比F1处理高61.79%和43.03%；40～60 cm土层中F2处理土壤体积含水率显著高于F1处理和F3处理，F2处理土壤体积含水率分别比F1处理和F3处理高51.17%和76.94%。

注 图中不同小写字母表示各处理间差异显著(P＜0.05)，下同。

图5为水稻生育期内不同处理土壤水分时空分布。由图5可知，在水稻灌水期间，F1处理0～60 cm土壤水分均匀分布，且土壤体积含水率随时间变化相对平缓；F2处理土壤水分在40～60 cm土层中呈聚集型，其灌水期内平均土壤体积含水率比0～20、20～40 cm土层分别提高25.26%、18.49%，40～60 cm深层土壤保持较高的土壤水分可为应对干旱条件提供水源；F3处理0～60 cm土壤水分随时间呈聚集型，作物根系层土壤水分过高可能会导致土壤通气不畅，最终影响水稻生长发育。在水稻停水晒田后，各处理表层土壤受蒸发影响较大，土壤体积含水率下降速度较快，且随土层深度增加而有减小的趋势。由图亦可得知，F2处理土壤水分流失速度最为缓慢，在水稻晒田结束时（9月18日），0～20、20～40、40～60 cm处土壤体积含水率较灌水期结束时（9月7日）而言，分别减少了20.83%、13.76%、15.68%。综上，F2处理由于砂滤料级配优于F1处理和F3处理，在水稻灌水期内可以有效降低0～60 cm土壤体积含水率，在水稻停水晒田后可有效提升0～60 cm土壤保水能力。

图5 水稻生育期内不同处理土壤水分时空分布

2.2 暗管排水滤水流量规律

滤水流量是反应砂滤料暗管排水过滤性能的重要指标之一。由表4可知，F1、F2、F3处理滤水流量变化均属于中等变异性，且F2处理变异系数明显小于F1、F3处理，表明F2处理暗管排水过滤层对于F1处理和F3处理而言较为稳定。在暗管排水期间内，F2处理平均滤水流量最大，为0.38 m3/h，F3处理次之，F1处理最小，F2处理滤水流量比F1处理和F3处理提高了123.53%和100.0%。

表4 水稻生育期内不同处理滤水流量统计特征值

由图6可知，不同砂滤料的暗管排水装置在试验期内滤水流量变化趋势保持一致，均在试验初期滤水流量快速下降，随后下降速率减缓，最终滤水流量趋于稳定，分析原因主要为土壤水分逐渐达到饱和状态，入渗速度减慢，并且砂滤料孔隙逐渐被土壤颗粒和杂质填充，最终导致过滤层滤水能力减弱。但各处理装置滤水流量在试验期前后存在明显差异，其变化范围可大致反应砂滤料在试验末期堵塞程度，F1、F2、F3处理装置滤水流量试验期初、末差分别为0.35、0.18、0.42 m3/h，表明各处理在试验期内砂滤料堵塞程度分别为77.78%、32.14%、72.41%，说明暗管排水砂滤料选用细砂粒和细碎石（1∶2）混合可以有效减缓砂滤料堵塞程度，提高滤水能力。

2.3 土壤盐分时空运移规律

表5为暗管排水条件下水稻生育期内各处理0～60 cm不同深度土壤盐分统计特征值，由表5可知，3组处理土壤盐分变化在水稻生育期内均属于中等变异性，且各处理变异系数随着土层深度增加而减少，F2处理下不同土层的变异系数均大于F1处理和F3处理。其中在0～60 cm土层中，F3处理平均土壤盐分最大，F2处理次之，F1处理最小，F3处理较F1处理和F2处理土壤全盐量分别高24.13%和18.94%。

表5 水稻生育期内不同处理不同土层土壤全盐量统计特征值

由图7可知，3个处理在0～60 cm不同土层的土壤盐分随时间变化规律保持一致，在水稻灌水期内土壤盐分呈下降趋势，停水后有一定幅度上升。3个处理在持续灌水的条件下土壤盐分呈现差异性，在灌水期结束时（9月10日），在0～20 cm土层中，F3处理土壤盐分显著高于F1处理和F2处理，且F1、F2、F3处理脱盐率分别为64.46%、71.28%、53.08%；在20～40 cm土层中F2处理土壤盐分显著低于F1处理和F3处理，F1、F2、F3处理脱盐率分别为41.28%、60.10%、50.53%；在40～60 cm土层中，F3处理土壤盐分显著高于F1处理和F2处理，F1处理和F2处理之间未产生显著性差异，F1、F2、F3处理脱盐率分别为33.24%、47.71%、32.84%。在灌水期结束后，受蒸发和地下水位影响，土壤出现返盐。在水稻收获时（9月30日），3个处理在不同土层的土壤全盐量均存在显著性差异，F3处理土壤盐分最高，F1处理次之，F2处理最低。在0～20 cm土层中，F1、F2、F3处理土壤盐分相比于灌水期结束时，返盐率分别为34.12%、17.05%、24.95%；在20～40 cm土层中，F1、F2、F3处理返盐率分别为22.31%、6.25%、13.88%；在40～60 cm土层中，F1、F2、F3处理返盐率分别为19.51%、2.33%、7.47%。综上表明，F2处理在水稻灌水期内可以有效降低0～60 cm土壤盐分，在水稻停水晒田后可有效抑制0～60 cm土壤返盐。

图7 水稻生育期内不同处理不同土层土壤全盐量随时间变化

图8为水稻生育期内不同处理土壤盐分时空分布。由图8可知，各处理土壤盐分均随土层深度增加而增加，在水稻全生育期内，F1处理在不同土层中盐分变化较为平缓，而F2、F3处理土壤盐分出现分层现象，其中F3处理土壤盐分在40～60 cm土层中呈聚集型。在水稻全生育期内，F1处理土壤全盐量在0～20、20～40、40～60 cm土层中分别减少了53.27%、29.41%、20.44%；F2处理分别减少了67.04%、57.64%、45.30%；F3处理分别减少了40.80%、43.99%、27.21%。结果表明，F2处理在灌水期内土壤水分持续下降的条件下可以有效淋洗土壤盐分，且3个处理均在0～20 cm土层处脱盐率最高，主要原因为0～20 cm表层土壤结构疏松，且受外界影响较大，如灌水、降雨等因素，所以0～20 cm土壤脱盐率是最高的，随着土壤深度增加受外界影响减弱，土壤脱盐率减小。

图8 水稻生育期内不同处理土壤盐分时空分布

3 讨 论

暗管排水砂滤料孔隙与土壤水盐运移规律密切相关，陶园等[19]研究表明过滤层良好的颗粒级配是影响过滤性能的重要因素之一。研究表明，F1、F2、F3处理试验期内平均滤水流量分别为0.17、0.38、0.19 m3/h，F2处理滤水流量分别是F1处理和F3处理的2.24倍和2.0倍。主要原因是F2处理暗管排水砂滤料选用细砂粒和细碎石（1∶2）混合时，砂滤料级配较好，孔隙适中，会形成稳定的过滤层，这与胡玲玲等[20]研究结果保持一致，在稳定过滤层作用下可以有效增加暗管排水排盐量。

本研究表明，在3种不同砂滤料暗管排水条件下，各处理土壤水分时空分布存在明显的差异性。其中在水稻灌水期间F1处理0～60 cm土壤水分均匀分布，主要原因为细砂粒孔隙在试验初期迅速被土壤细小颗粒堵塞，因此暗管排水流速稳定，土壤连通性较好[21]。F2处理暗管排水砂滤料选用细砂粒和细碎石混合（1∶2）时，0～20、20～40、40～60 cm土壤体积含水率随时间变化呈下降趋势，这与温越等[22]在暗管排水条件下滴灌油葵时水分运移规律基本一致，并且研究发现土壤水分存在分层现象，40～60 cm处土壤水分明显高于0～40 cm，主要原因可能是F2处理在高效排水排盐作用下改变了40～60 cm深层土壤的颗粒级配，土壤孔隙度增加，进而提高了土壤体积饱和含水率，这与于丹丹等[9]对盐碱地不同灌水定额试验所得出结论相似。F3处理在水稻灌水期内0～20、20～40、40～60 cm土壤体积含水率持续升高，这是因为细碎石较大的孔隙逐渐被流失的土壤杂质填充，暗管滤水能力减弱，导致土壤水分升高，严重时可能会影响水稻根系通气情况，抑制水稻生长。在水稻停水晒田后，暗管排水蝶阀关闭，由于土壤蒸发，各处理不同土层的土壤水分均有下降趋势，同时由于F2处理灌溉期入渗量大，致使土壤孔隙增大，土壤气体被水包围，形成气泡阻碍土壤水分下渗，从而提高土壤保水率。

本研究表明在不同砂滤料的暗管排水条件下，水稻灌水期内各处理土壤全盐量均有效降低，随土层深度增加脱盐率减小；而在水稻停水晒田后，各处理均出现返盐现象，随土层深度增加返盐率减小，这与窦旭等[23]在暗管排水条件下不同春灌定额水盐运移规律研究结果保持一致。在水稻灌水期内，F2处理在不同土层脱盐率均高于F1处理和F3处理，主要原因为F2处理在0～60 cm土层水分下渗速度快，且暗管排水排盐量高，可以有效淋洗土壤盐分。在水稻停水晒田后，F2处理在不同土层返盐率低于F1处理和F3处理，其原因可能是该处理砂滤料级配较好，土壤水分的分层阻碍了土壤毛管水的流通，破坏了土体的连通性，从而抑制了土壤盐分向上聚集，这与王曼华等[24]研究结果相似。

4 结 论

1）在重度稻田盐碱地暗管排水工程条件下，细砂粒和细碎石混合（1∶2）的F2处理暗管排水装置滤水流量明显优于细砂粒F1处理和细碎石F3处理。

2）在水稻灌水期间，F2处理由于砂滤料级配良好，可以有效降低0～60 cm土壤体积含水率，避免水稻根系层因土壤含水率过高导致通气不畅等问题，在水稻停水晒田后，F2处理有效提高了0～60 cm土层的保水能力。

3）在水稻全生育期内，F2处理的脱盐率以及抑盐效果明显优于F1处理和F3处理。

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Effect of Sand Filter in Subsurface Drain on Water and Salt Movement in Paddy Soil

LIU Jiabin1,TIAN Juncang1,2,3*, ZHANG Meng1, WANG Jinpeng1, YANG Zhenfeng1, ZHAO Guangxing1

(1. School of Civil and Hydraulic Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; 2. Engineering Technology Research Center of Water-saving and Water ResourceRegulation in Ningxia, Yinchuan 750021, China; 3. Engineering Research Center for Efficient Utilization of Modern Agricultural Water Resources in Arid Regions, Ministry of Education, Yinchuan 750021, China)

【Background and objective】 Saline-alkali soils are widely distributed in Ningxia. Because of the scarcity of precipitation, such soils are often reclaimed by flooding rice field combined with subsurface drain. This paper presents the results of an experimental study of water and salt movement in a paddy field as affected by the sand filter in the subsurface drain.【Method】The field experiment was designed based on our current understanding and previous experimental results of the subsurface drains in different regions across the province. The experiment compared three filters: fine sand, mixture of fine sand and fine gravel sand at 1∶2 ratio and fine gravel. In each treatment, we measured spatiotemporal dynamics of soil water and soil salt.【Result】 The filter with mixture of fine sand and fine gravel at 1∶2 ratio effectively reduced water content in the top 0～60 cm soil, increasing soil desalination during irrigation period as a result. Decrease in water content in the top 0～60 cm soil reduced evaporation, thereby alleviating salt accumulation in the root zone and reliveing salt stress to the crop.【Conclusion】 The most effective filter for the subsurface drain in the studied paddy field is a mixture of fine sand and fine gavel at 1∶2 ratio.

concealed pipe drainage; filter media; saline soil; soil moisture; soil salinity

刘嘉斌, 田军仓, 张萌, 等. 暗管排水砂滤料对稻田盐碱地水盐运移规律的影响[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(11): 114-121.

LIU Jiabin, TIAN Juncang, ZHANG Meng, et al. Effect of Sand Filter in Subsurface Drain on Water and Salt Movement in Paddy Soil[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(11): 114-121.

S278

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022226

1672 - 3317（2022）11 - 0114 - 08

2022-03-24

国家自然科学基金项目（51869024）；宁夏自治区重点研发计划重大项目（2018BBF02022）；国家重点研发项目（2021YFD1900600）；宁夏高等学校一流学科建设项目（NXYLXK2021A03）

刘嘉斌（1996-），男，山西朔州人。硕士研究生，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail: 540917057@qq.com

田军仓（1958-），男，陕西宝鸡人。教授，博士生导师，主要从事节水灌溉理论与技术研究、水资源高效利用和水资源工程等方面研究。E-mail: slxtjc@163.com

责任编辑：赵宇龙