三环追压非等灌对枸杞根系湿润体盐分的影响

摘要：针对新疆降水稀少、蒸发量大，土壤盐碱化面积不断蔓延，改良盐碱地用水量居高不下等问题，提出一种以作物为圆心滞后滴水的3环灌溉模式，探究其节水排盐效果.将枸杞作为研究对象，根据土壤湿润体内盐分运移规律，试验确定第1环、第2环、第3环的半径分别为5，10，15 cm.在滴水器流量为3 L／h的条件下，第1环（最内环）先开始滴水，2 h之后，其滴水产生的土壤湿润体脱盐范围超出第2环位置时，打开第2环滴水阀门;以此类推，2 h之后打开第3环滴水阀门，各环滞后滴水将根系发育范围内的盐分逐步追压至根系发育范围之外，从而达到节水排盐的效果.对晾干后土体采用剖面法取样测定不同位置的盐分含量，结果表明：环心附近的盐分少，离环心越远盐分含量越多;环心水平方向40 cm处不同深度取土检测盐分质量比：在（0，10］，（10，20］，（20，30］，（30，40］和（40，50］ cm分别为61.550，57.640，53.470，50.690和129.650 g／kg，表明土壤盐分积累在湿润体边缘，排盐效果良好;同时，试验的灌水定额为31.5 mm（315 m³／hm²），年总灌水量为1 890 m³／hm²，较常规滴灌条件下枸杞的年灌水量3450 m³／hm²节约了1560 m³／hm²，节水效果显著.

关键词： 三环追压非等灌;土壤湿润体;盐分的反弹足迹;环尺寸;自动化

中图分类号： S275.6;S278 文献标志码： A 文章编号：1674-8530（2024）09-0948-09

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.21.0291

董文明，何金春，穆哈西，等.三环追压非等灌对枸杞根系湿润体盐分的影响[J]. 排灌机械工程学报，2024，42（9）：948-956.

DONG Wenming， HE Jinchun， MU Haxi， et al. Effect of three-ring pressure and unequal irrigation on salt content of root moist body of Lyceum Barbarum[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME）， 2024， 42（9）： 948-956. （in Chinese）

Effect of three-ring pressure and unequal irrigation on salt

content of root moist body of Lyceum Barbarum

DONG Wenming^1，2，3， HE Jinchun^1，2， MU Haxi^1，2*， YANG Peiling³

（1. College of Hydraulic and Civil Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， Xinjiang 830052， China; 2. Xinjiang Key Laboratory of Hydraulic Engineering Security and Water Disasters Prevention， Urumqi， Xinjiang 830052， China; 3. College of Hydraulic and Civil Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China）

Abstract： Aiming at the problems of scarce precipitation， high evaporation， continuous spread of soil salinization area， and high water consumption in improved saline-alkali land in Xinjiang， a 3-ring irrigation mode with lagged dripping centered on the crop was proposed to investigate its water-saving and salt-drainage effect. Taking Lycium Barbarum as the research object， according to the salt transport law within the soil wetting body， the test determines that the radius of the 1st ring， the 2nd ring and the 3rd ring were 5， 10 and 15 cm， respectively. Under the condition of dripper flow rate of 3 L／h， the 1st ring （the innermost loop） started dripping first. After 2 h， when the desalination ranges of the soil wetting body produced by the dripping exceeded the position of the 2nd loop， then the drip valve of the 2nd loop was opened. By analogy， after 2 h， the third loop drip valve was opened， and each loop lag drip would root development range of salts gradually chase pressure to the root development to outside the range， thereby achieving the effect of water-saving and salt discharge. The profile method was used to sample and measure the salt content at different positions of the soil after drying. The results show that there is less salt near the loop center， and the farther away from the loop center the higher the salt content. Soil samples are taken at different depths of 40 cm in the horizontal direction of the center of the ring to test the salt mass ratio： 61.550， 57.640， 53.470， 50.690， and 129.650 g／kg are taken at （0，10］， （10，20］， （20，30］， （30，40］， and （40，50］ cm， respectively， which indicate that soil salts accumulate at the edge of the wetted body and the effect of salt exclusion is good. At the same time， the irrigation quota of this experiment is 31.5 mm （315 m³／hm²）， and the total annual irrigation water volume is 1890 m³／hm²， which is higher than that of the conventional drip irrigation conditions. The annual irrigation volume of Lycium Barbarum is 3450 m³／hm²， saving 1560 m³／hm²， and the water-saving effect is remarkable.

Key words： three-ring chases pressure unequal irrigation;soil moisture body;rebound footprint ofsalt;size of ring;automation

新疆降雨稀少、蒸发量大，属于西北干旱缺水地区.近十几年来，滴灌技术的普及，土壤盐分积累在湿润体边缘，使土壤盐碱化面积不断扩大^［1］.新疆已有120万hm²农田变成盐碱地，压盐用水量占农业用水量的38.2％，水盐不平衡的现状日益凸显，土壤的盐碱化已成为农业可持续发展的障碍^［2-3］.目前存在以下5个问题：① 滴灌湿润体覆盖不了根系的发育范围.② 灌水时间较长.③ 在滴灌条件下盐分积累在湿润锋边缘，导致土壤盐碱化.④ 水源的矿化度高.土壤本身的盐分和水源的盐分加之肥料的混合物形成污水（咸水），污水通过不同渠道下渗补给地下水，导致地下水的矿化度逐步增大易形成地下咸水（苦咸水），再抽地下咸水对作物进行灌溉，造成土壤盐碱化面积不断增大，作物易绝产甚至死亡，对生物圈和生态平衡造成威胁.⑤ 水量浪费.新疆采用改良盐碱地的年压盐用水量达8 000～10 000 m³／hm²，在滴灌条件下，每年2～3次压盐，秋季一次压盐的用水量为3 000～4 500 m³／hm²，甚至更多^［4-6］.由上述5种问题可知，控制作物根系发育范围内的盐分是关键问题，有重要的研究意义.

土壤盐碱化是造成土壤退化、土壤质量降低及荒漠化的主要原因，也是全世界农业生产亟待解决的重大问题.世界各国从20世纪60年代开始研究盐碱地，取得了令人瞩目的成就.国内外改良盐碱地的研究现状可归纳为这几种措施^［7-9］：农业改良（可调节土壤水、肥、气、热等，但土壤易盐碱化），水利改良，生物改良，化学改良，土壤酸碱度的改良，以及最近采用双管、三管及四管滴灌的方法，但是水源的浪费现象依然比较严重.

在新疆水资源短缺、土地盐碱化严重的背景下，文中以滴灌条件下盐分积累在湿润体边缘的规律为切入点，将现有的滴灌带布设模式改为半径不同、滞后连续滴水的三环滴灌（即多环追压非等灌^［10］）.通过试验确定3个环的半径，在各环围绕枸杞滞后滴水的条件下，后环安装在前环脱盐边界线内，逐步往外追压根系发育范围内的盐分，扩大湿润体的脱盐范围，以节约压盐用水量;简介3环追压非等灌的自动化过程，为改良盐碱地、生态系统及农业的快速协调发展提供理论和实践依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2017年8月至2020年10月在新疆农业大学实验室进行，最高温度为25 ℃，最低温度为20℃.试验土取自新疆呼图壁县二十里店棉花地，试验土是以硫酸根离子为主的强碱性土.土样初始盐分（离子总量质量比）为77.549～86.377 g／kg，平均值为81.928 g／kg;取土深度为0～50 cm，pH为10.85，体积初始含水率为6％，土壤容重为1.25 g／cm³;水样的pH为7.9，盐分初始质量比为0.566 g／kg.试验设备有环刀、土钻、尺子、烘干箱、铝盒、电子秤、水箱、土箱、滴灌管、滴水器、滴水环及滴头.水样和土样的盐分初始质量比ω_m1见表1，h为取土深度.

对试验土进行碾压、晾干、粉碎、过筛之后，分层夯实装于3个土箱内，土箱的长和宽均为0.8 m，高度为1.2 m.试验重复一次，灌水6次的湿润体内取土检测盐分.土壤含水量采用烘干法，土壤容重采用环刀法，土样盐分采用溶液法.

1.2 试验方法

1.2.1 试验参数的选定

1） 试验的组成部件.试验由毛管、滴水器、小球阀、滴头、圆环等5个部件组成，如图1所示.球阀用于控制流入圆环的流量，滴水器流量q_a为3 L／h.水通过滴水器流入圆环，圆环上的每个滴头同时滴水.

2） 圆环上滴头间距.以滴灌的相邻2个滴头同时滴水所产生湿润体的交汇锋间不发生盐分积累的原理为依据^［11］，通过试验确定各环的相邻滴头间距为5 cm.

3） 第1环半径.图2是半径为15 cm的圆环中心的盐分示意图，图中圆环中心竖向盐分的淋洗效果并不理想，可见三环中第1环的半径是淋洗圆环中心盐分的关键.取3种不同环半径进行试验并对结果进行比选，表2为第1环半径方案比较，表中r，t_d分别为环半径、滴水时间，选定第1环半径为5 cm.

4） 灌水定额.灌水定额是指一次灌水单位灌溉面积上的灌水量，是在无雨条件下，作物一次灌水满足植物蒸发蒸腾量（作物、气象、土壤与农业措施等）即作物正常生长所需的水量.所以，作物的设计灌水定额必须综合考虑灌区的地理位置（山区、平原区、南疆、北疆等）、作物类型及计划湿润层深度（作物种类、田间持水量、各生育期耗水量及降水量等）、土壤性质（土壤类型、田间持水量、土壤含水率上限和下限等）等因素^［12-14］.灌水定额用最大净灌水深度表示时，最大净灌水深度是指当土壤缺水量达到允许缺水量时，为补充该缺水量所需要的水深，计算式^［15］为

m_max=0.1γHP（θ_max-θ_min），（1）

灌水定额及土壤体积含水率满足2个条件，即

m_minlt;m_J≤m_max，（2）

θ_dwlt;θ_min≤θ_max，（3）

以上式中：m_max为灌水定额或最大净灌水深度，mm;γ为土壤容重，g／cm³;H为计划湿润层深度，m;P为土壤湿润比，％;θ_max为土壤田间持水量，即允许土壤质量含水率上限（占干土质量），％;θ_min为计划湿润层内允许土壤质量含水率下限（占干土质量），％;θ_max-θ_min为土壤有效持水量（占干土质量），％;m_J为净灌水深度，mm;θ_dw为土壤的凋萎系数^［16］.

测定的土壤容重γ为1.25 g／cm³，计划湿润深度H为0.6 m;通过观测得θ_max为28％，θ_min为16％，土壤湿润比为P为35％.数据代入式（1）计算得m_max为31.5 mm.

5） 设计灌水周期T（d）：

T=m_max／I_a，（4）

式中：I_a为作物蒸发蒸腾量，通过调查，I_a为5.5 mm／d.

灌溉水利用系数为0.98，m_max计及毛管的损失后为m_m=32 mm，代入式（4）计算灌水周期T约为6 d.

6） 灌水延续时间，为通过滴头将灌水量灌到毛管灌水深度所需要的灌水时间，计算式为

t=[SX（]m_mS_rS_t[]nq_a[SX）]，（5）

式中：t为某次灌水延续时间，h;S_r，S_t分别为枸杞的株距、行距，m;n为滴水器数量.

野外试验栽种植物的株、行距均为1.8 m，每棵枸杞的滴水量用滴水器上的球阀控制，n为3，q_a为3 L／h，数据代入式（5）计算得灌水延续时间t约为12 h.根据3环滞后连续滴水要求，可知第1环滴水6 h，第2环滴水4 h，第3环滴水2 h，如图3所示.

1.2.2 试验顺序及滴水规律

1） 试验顺序.① 在表2中所选的第1环半径为5 cm的条件下，第1环滴水2 h后结束试验，在第1环湿润体内取土检测盐分（8种离子），并以晾干湿润体剖面及湿润体盐分的反弹足迹为依据，确定第1环湿润体的脱盐和积盐边界线，并确定第2环的尺寸及安装位置;② 尺寸已确定的第1环和第2环安装在另一个试验箱内，第1环滴水2 h之后，第1环脱盐边界线内的第2环开始滴水，这时第1环和第2环同时滴水，这2个环同时滴水2 h后结束试验，在2个环同时滴水所产生湿润体内取土检测盐分，待湿润体剖面晾干后，观测双环湿润体的大小、脱盐边界线、积盐边界线及盐分的反弹足迹并以此为依据，确定第3环的尺寸及安装位置;③ 最后三环试验.

2） 三环的滴水规律.三环的尺寸已确定后，把3个环安装在另一个箱内，第1环滴水2 h后，在第1环湿润体脱盐边界线内安装的第2环开始滴水，这时第1环和第2环都在滴水（如图3所示）.第1环和第2环同时滴水2h后，在第2环湿润体的脱盐边界线内安装的第3环开始滴水，这时3个环同时滴水，2 h后结束试验（如图3所示）.三环的累积滴水延续时间为12 h，即第1环从8：00点开始滴水至14：00结束，第2环从10：00滴水至14：00结束，第3环从12：00滴水至14：00结束（如图3所示）.

环的数量大于2（即多环）;第1环、第2环及第3环的灌水量都不相同（即非等灌）;各环滞后连续滴水加速盐分向湿润体边缘积累（即追压）.因此，该技术的名称为三环追压非等灌技术，安装各环的方法如图4所示.

1.2.3 数据的测定方法

1） 湿润体盐分检测点的选择方法.在三环滞后连续滴水的条件下，灌水6次后湿润体的一半取土（水平距每10 cm和不同深度）检测盐分，取土深度为50 cm、水平50 cm，共检测盐分点数25个，每个检测点都有8种离子.由于检测盐分的点数和数据多， 为清晰展示根系发育范围内盐分的变化情况，采用以下方法确定检测盐分点的位置.

2） 盐分检测点位置的确定.① 试验表明湿润体内盐分随灌水次数增多而向湿润体边缘运移，湿润体脱盐边界线内的盐分逐渐减少并逐步积累在湿润体边缘;② 湿润体剖面晾干7 d后盐分的反弹距为5 cm，湿润体内的盐分反弹仍在过渡区内;③ 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内^［17］.综合分析上述3种因素，以灌水6次后湿润体为对象，在湿润体离环心水平距40 cm处检测不同深度的盐分.检测结果与对应土样盐分初始值进行对比，计算湿润体盐分的降低量，揭示三环法对土壤湿润体盐分运移的驱动规律.

2 试验结果与分析

2.1 单环湿润体盐分的反弹足迹

图5为试验箱装置.在第1箱中心安装半径为5 cm的单环.滴水器流量为3 L／h，灌水2 h后结束试验.采用立即剖面法，单环湿润体的一半离环心水平方向每10 cm不同深度取土检测盐分.图6为单环湿润体取土样点.

湿润体的另一半保留下来晾干7 d后盐分的反弹足迹如图7所示;采用观测值绘制盐分的变化过程，并选定第2环的尺寸及安装位置如图8所示，图中h′为下渗深度、L为离环心水平距.

对图8进行分析可知：曲线C表示积盐区边界线，离环心水平距为26 cm;曲线B是过渡区边界线，离环心水平距为23 cm.一般积盐区包括过渡区，故积盐区为离环心18～26 cm的区域，下渗深度为19～25 cm区域;曲线A表示湿润体的脱盐边界线，离环心水平距为18 cm，下渗深度为19 cm，则第2环安装在脱盐边界线内10 cm处时，第2环的半径为10 cm.在此基础上，以第2环的半径为依据，另做第2箱的双环试验.

2.2 双环湿润体盐分的反弹足迹

在第2箱中心安装双环.通过试验已确定的环半径：第1环为5 cm，第2环为10 cm.在滴水器流量为3 L／h的条件下，首先第1环滴水2 h之后第2环开始滴水，这时第1环和第2环同时滴水，并在2 h后结束试验.双环湿润体如图9所示.

在双环湿润体的一半水平方向每10 cm不同深度取土检测盐分，取土点如图10所示.

采用立即剖面法，双环湿润体剖面的另一半晾干7 d后盐分的反弹足迹如图11所示.结果表明湿润体盐分的反弹只发生在过渡区内.

采用观测值绘制盐分的反弹足迹，并选定第3环的安装位置，如图12所示.

曲线C表示积盐区边界线，离环心水平距为35 cm，下渗深度为41 cm.曲线B表示过渡区边界线，离环心水平距为31 cm，下渗深度为38 cm.一般积盐区包括过渡区，因此积盐区为离环心水平距24～35 cm区域，下渗范围为32～41 cm.曲线A表示湿润体的脱盐区边界线，离环心水平距为24 cm，下渗深度为32 cm，因此第3环安装在脱盐区边界线内15 cm处时，第2环的半径为15 cm.在此基础上，以第3环半径为依据，另做第3箱的三环试验.

2.3 三环灌湿润体盐分的反弹足迹

在第3箱内安装3个环，图13为三环的湿润体盐分反弹足迹.通过试验已确定第1环、第2环、第3环的半径分别为5，10，15 cm.根据三环的滴水规律，在土箱中心安装的第1环滴水2 h之后，第1环脱盐范围内的第2环开始滴水，这时第1环、第2环同时滴水.第1环和第2环滞后连续滴水2 h之后，第2环脱盐边界线内的第3环开始滴水，这时三环同时滴水.采用这种滞后连续滴水的方法，灌水6次后结束试验.在此基础上，采用立即剖面法，把三环湿润体的一半离环心水平方向每10 cm取土检测不同深度的盐分（取土深度为50 cm），另一半晾干7 d后观测盐分的反弹足迹，并绘制三环湿润体盐分的变化过程线，即三环滞后连续滴水所产生湿润体盐分的变化过程，如图14所示.

2.3.1 对湿润体盐分的影响

1） 环心水平方向不同深度盐分的变化过程.表3为灌水6次后在环心水平方向40 cm处不同深度取土检测盐分结果，ω_m为盐分质量比.结果表明：湿润体内的盐分随灌水次数增多而降低，湿润体内盐分逐渐向湿润体边缘积聚.

对表3不同深度的盐分分布可知：深度为40 cm以上的盐分呈降低趋势，脱盐效果很明显.在（40，50］ cm盐分逐渐增多，盐分平均值由大到小按离子排序为SO^2-₄，Na⁺，Cl^-，Ca²⁺，Mg²⁺，HCO^-₃，K⁺.

2） 离环心水平方向40 cm处不同深度盐分的降低量.采用表1中的土样不同深度初始盐分减去灌水6次后相对应深度的盐分可获得盐分降低量，如表4所示，Δω_m为盐分质量比降低量.

2.3.2 湿润体内盐分的各向运移过程

采用表3离环心水平方向40 cm处不同深度的盐分（8种离子）绘制盐分的垂向运移过程，如图15所示.结果表明：环心近处的盐分少，离环心越远在湿润体边缘积累的盐分越多，盐分积累在湿润体边缘.由于土样是SO^2-₄ 为主的盐土，其次是Na⁺离子，且水源中的SO^2-₄ 含量也较大，分析结果表明，含量较高的SO^2-₄ 和Na⁺在灌水过程中的初期垂向运移速度较慢，但是随灌水次数增多，其向湿润体边缘运移明显.

图16为土样和灌水6次后的平均盐分，即采用滞后连续滴水的三环追压非等灌法，灌水6次的结果，图中曲线D表示灌水6次后的盐分均值曲线（来自表3的最后一列），E表示土壤初始盐分的均值曲线（来自表1的最后一列）.不同试验结果表明离环心水平40 cm内的盐分小于50 cm外不同深度的盐分，这进一步说明：湿润体内的盐分随灌水次数增多而运移并逐步积累在湿润体边缘.在垂直方向进行分析可知：深度超过40 cm位置的土壤内盐分继续减少，在（40，50] cm的盐分逐步增多，这符合土壤盐分随水运移的规律.

滴灌条件下枸杞的年灌水量为3 450 m³／hm²时效果最佳^［18］.文中试验的灌水定额为31.5 mm（315 m³／hm²），灌水6次时，年总灌水量为189 mm（1 890 m³／hm²），因此，节水效果显著.目前改良盐碱地的年压盐用水量为8 000～10 000 m³／hm²，三环追压非等灌法的年灌水量为1 890 m³／hm²，可节约的水量为6 110～8 110 m³／hm².采用三环追压非等灌栽种枸杞不需要压盐，与常规滴灌相比每年可节约2～3次压盐的水量.

2.3.3 三环追压非等灌技术的自动化过程

三环追压非等灌的自动化系统由屏幕、微电脑时控开关、调压器、电磁阀、3条毛管、滴水器、小球阀和3个圆环滴灌管组成，如图17所示.3个电磁阀与调压器和屏幕相连，调压器是为保护电磁阀正常运作.该自动化技术可远程控制.通过编程完成由电磁阀控制各环（内环、中环和外环）的工作状态，系统最终实现：控制所有轮灌组的总灌水量、灌水周期、各环的滴水时间及滴水间隔（参数可调），系统按设计的参数自动循环完成.屏幕安装在首部的支管上，在屏幕参数当前状态中设置各环的总滴水时间，在参数设置中调节各环滴水间隔;三环工作状态中的开关用于控制工作状态.

根据滴灌条件下盐分积累在湿润体边缘的原理，采用滞后滴水的三环滴灌模式较常规滴灌在节水和排盐效果方面优势明显： 1） 灌水量一定的条件下，形成的湿润体形状更贴近果树根系形状，用水效率更高，有效预防根系盐分返盐; 2） 各环滞后滴水可加速湿润体内盐分向外运移的速度，可缩短灌水时间，提高排盐效率; 3） 减少下渗的污水量; 4） 较常规滴灌每年可节约3次的压盐用水量.此结果适合于当地的实际情况，并与前人研究结果一致^［18］.根据果树的类型、根系发育深度和土壤性质，可调节各环的滴水时间及增多环的数量，以可持续利用.三环追压非等灌已实现自动化，结构和操作简单，可远程控制.

3 结 论

1） 三环追压非等灌由半径不同滞后连续滴水的3个环状滴灌带组成，环的数量和各环半径取决于枸杞根系的水平发育范围及土壤易溶盐的多少.各环安装在前环脱盐边界线内，从而向外追压根系发育范围内积累的盐分.试验结果表明：原土样盐分质量比的平均值为81.928 g／kg，灌水6次后降低到70.600 g／kg，盐分的降低量为11.328 g／kg.同时，每年可节约2～3次的压盐用水量，节水效果显著.

2） 采用三环滞后连续滴水灌溉模式，枸杞根系发育范围内盐分运移规律不仅与土壤性质、土壤初始含水量、滴水器流量有关，而且与各环的大小及安装位置、灌水周期及滴水时间有关.随着灌水次数增加，湿润体内的盐分向外运移并积累在湿润体边缘，为作物根系营造了低盐的土壤环境.

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（责任编辑 张文涛）