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分析膜下滴灌暗管排水规律及土壤脱盐效果试验

2020-07-01 280 上传者：管理员

摘要：为了探索膜下滴灌盐碱地在灌溉过程中暗管排水规律及土壤脱盐效率，设计了一种暗管排水模型试验装置系统来探究灌溉过程中暗管排水规律和排盐效果．试验通过控制灌水时间、灌水量、观测并记录暗管出水时间、排水流量、排水矿化度、土壤盐分剖面等指标，分析灌溉排水过程中暗管排水流速和排水矿化度特征以及各土层土壤脱盐效率．结果表明:经过3次灌水淋洗试验后，暗管排水流速最终趋于1.5～3.5L/h稳定范围，排水矿化度稳定在20～40g/L内;0～40cm土层脱盐率高达85%,0～80cm土层土壤脱盐率为80.5%，两暗管中间位置处脱盐率最小分别为57.96%,56.73%,69.29%，暗管上方脱盐率最大分别为71.73%,73.34%,84.26%，暗管排盐量占0～80cm土层总盐分含量的28.9%，其余盐分被淋洗到了80cm土层以下．

关键词：
暗管排水
滴灌
盐碱土
脱盐效果
节水灌溉理论
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土壤盐渍化是一个世界性难题，全球大约有8.31亿hm2的土壤受到盐渍化威胁[1,2]。新疆作为中国农业大区，现有耕地中近1/3的面积受到盐碱危害，其中80%以上为土壤次生盐碱化，土壤盐渍化已经成为新疆农业经济发展的障碍[3]，成为低中产田的主要原因[4,5]。随着膜下滴灌技术的推广与发展，新疆已成为全球膜下滴灌技术面积应用最广泛的地区。由于此技术具有调控土壤中盐分的作用，在短时间内可以使作物根区形成脱盐区，促进作物高产[6]。但这种“浅灌、勤灌、湿润范围小”的灌溉特点，被认为不产生深层渗漏，很难将盐分淋洗到下层并携带到地下水中，盐分无法排出土体。另外恶劣的灌溉水质和施肥会带来新的盐分离子，加剧了土壤盐分的累积，以及不合理的灌溉管理措施造成地下水位上升、土壤次生盐渍化等新的农业生态环境问题[7].

排水被认为是改良盐碱地最有效的水利措施之一[8]，具有和灌溉同样重要的作用，国内外学者对暗管排水技术研究发现其具有很好的改良效果[9]。中国滨海及沿海地区在暗管排水技术方面已经取得了较好的成果，在工程实践中大面积推广，而西北干旱区暗管排水技术虽在工程实践中应用较早[10]，但在理论和应用方面的研究还不够成熟。李显溦等[11]利用Hydrus模型对暗管排水农田的水盐运动参数进行了研究，结果表明上层土壤脱盐率可以达到77.5%，但是暗管排盐量十分有限，仅占暗管以上土体总盐分的11.7%。文献[12]通过连续3a的大田暗管排水试验，得出0～200cm土体内脱盐率为42.99%.

上述研究都是在田间试验基础上进行的，在这类试验中，很难对地下水动态、排水持续时间、总排盐量进行监测。因此，文中通过膜下滴灌与暗管排水相结合，分析暗管排水规律及土壤脱盐的动态变化过程，为制定合理的暗管设计及灌溉策略提供理论支撑。

1、材料与方法

1.1试验材料

试验装置是由混凝土砌筑而成，长5m，宽2m，深2m，由土槽和蓄水池组成，蓄水池通过连通管与土槽相连用来模拟地下水位，所有墙面均设防渗层，如图1所示。排水暗管为PVC管，管径为9cm，开孔率为6%，铺设3～5cm细砂和粗砂作为滤层。暗管埋深1m，间距4m，埋设2根暗管，倾斜度为5‰。连通管也为PVC管，管径为3.2cm，开孔率为10%,PVC管周围包裹1层无纺布，连通管埋深1.8m，将地下水位控制在1.2m左右。灌溉水及地下水矿化度均为0.25g/L,3次灌水试验结束后地下水矿化度增加到2.7g/L.

图1试验装置示意图

试验用土为新疆石河子市146团盐荒土，土壤初始含盐量为13.5g/kg，根据中国盐土分类标准，该土壤为重度盐碱土。土壤初始质量含水率为2.5%，饱和含水率为43%，饱和渗透系数为86.5cm/d，土壤质地为砂壤土。试验前将土风干，过5mm土筛除去杂质，将土壤掺和形成均质土壤，分层装填，每10cm夯实1次，保证每次压实度基本相同。装填后土壤容重为1.48g/cm3，第一次灌水后略有沉降为8cm，经计算土壤容重达到了1.52g/cm3。试验利用500L塑料水桶与水泵组成供水系统，采用单翼迷宫式滴灌带，滴头流量为3.6L/h，滴头间距为30cm，根据大田滴灌带布设模式，试验共铺设6条滴灌带。试验过程中灌水前各土层内体积含水率和含盐量见表1，表中d为土壤深度，ρv为体积含水率，ms为含盐量。

表1灌水前各土层内体积含水率变化

1.2试验设计及方法

试验中通过水泵持续供水，直到暗管开始排水为止，记录灌水时间和水量，用量筒收集排水，暗管排水停止后记录排水历时t和总排水量Q。灌水前和排水结束后24h内在距离暗管间距分别为0,40,80,120,160,200cm处取样，每隔10cm取1个样，由于暗管埋深1m，滤层5cm，为保证滤层结构不受影响取样深度为80cm，将所取土样在105℃下烘干8h，研磨、过0.5mm土壤筛，按土水比为1∶5配置成溶液，用电导率仪测定其电导率。通过烘干法测定各时刻的排盐量，然后通过排水量与单方水排盐量计算各次总排盐量。暗管总排盐量与0～80cm土层初始总盐量之比为暗管排盐率，通过每次灌水结束后各土层含盐量与初始含盐量之比得出脱盐率，灌溉排水参数见表2，表中ti为灌溉历时，Qi为灌溉水量，Qd为排水水量，td为排水历时，M为灌溉定额。

表2灌溉排水水量及历时参数

2、结果与分析

图2为排水流速和排水矿化度随排水历时的变化特征

2.1膜下滴灌暗管排水过程中排水量的变化

排水流速不仅可以反映排水过程中各时段暗管排水能力的大小，而且是判别暗管排水排盐性能的关键。由图2a可知，第一次灌水后0～2h时段排水流量最大为24.8L/h，随着排水历时的延长，排水流速呈下降趋势至20h时结束。第二次灌水后0～2h时段暗管流速最大为5.0L/h，随后在短时间内下降并稳定于2.0～4.0L/h，第18h后排水流量呈逐渐下降的趋势，至26h结束。第三次灌水后自暗管开始排水到停止排水时，整个过程中排水流速基本稳定于2.5L/h,28～36h内呈现逐渐下降的趋势至36h结束。第一次排水初始阶段排水流速较大，随着灌溉过程的进行，后2次排水过程中排水流量基本保持稳定的状态。这是由于土壤初始含水率较低，没有达到土体的最优含水量，在分层填装时虽然经过了压实，但土体还是比较疏松，土壤有效孔隙度较好，且土壤基质势远远大于水流重力势，在基质吸力作用下水流很快可以与地下水汇合形成汇流。另外，随着灌溉过程的持续，土体上层土壤中细小颗粒在对流和弥散作用下在暗管上方形成天然滤层，降低了土壤有效孔隙度，使水流在土壤中的运动接近饱和均匀流，运动规律符合达西定律。经过3次灌水淋洗，暗管排水流量最终稳定在1.5～3.5L/h内。

图2排水流速和排水矿化度随排水历时的变化特征

2.2膜下滴灌暗管排水过程中排水矿化度的变化

矿化度为水中各种阳离子和阴离子的和，同时也表示了水中所含盐分的数量，图2b为3次排水过程中矿化度的动态变化。3次排水过程中矿化度的变化存在明显差异，第一次排水开始阶段矿化度较小，随着排水历时的延长，矿化度呈直线上升高达95g/L，这是由于初始阶段排水流速较快，短时内只有少量的盐溶于水并进入暗管，随着灌溉的进行，排水流速逐渐稳定，水流在土体中运动并与地下水在暗管上方交汇，使土体内盐分充分溶解并形成汇流进入暗管。因此，开始排水阶段矿化度较低，结束阶段矿化度较高。第二次排水过程中排水矿化度呈先增加后降低再增加的趋势，这是由于第一次试验结束后，土壤中水盐发生了重分布，大量的水分和盐分聚集于暗管周围，盐分得到了充分溶解，但不能形成汇流。第二次试验后土体内水分达到饱和并与地下水交汇形成汇流，将暗管周围的盐分带入暗管，随着持续的灌水，地下水位不断的上升，暗管上方的盐分逐渐地被淋洗。灌水结束后，地下水位逐渐下降，表层积水在重力作用下在土体内运动，不断地将盐分离子带到深层土壤与地下水形成汇流渗入暗管。第三次排水过程中，排水矿化度基本稳定于20～40g/L内。

2.3膜下滴灌暗管排水对土壤脱盐效果的影响

表3为灌水过程中各土层内含盐量及脱盐率分析结果，其中l为水平距离暗管距离，α为脱盐率，αavg为平均脱盐率。从表中看出，0～20cm土层内脱盐率最大分别为78.95%,80.10%,86.60%，随着深度的增加，脱盐效率逐渐减小，60～80cm内脱盐率最小分别为42.04%,52.03%,70.45%。距离暗管不同剖面处脱盐率差异较大，水平距离0cm(暗管上方)处脱盐率最大，3次试验后的脱盐率分别为71.73%,73.34%,84.26%，两暗管中间位置处土壤脱盐率最小，3次灌水后的脱盐率分别为57.96%,56.73%,69.29%。这表明水平方向土壤脱盐率与距离暗管的间距成反比关系，距离暗管间距越大，脱盐率越小，距离暗管间距越小，脱盐率越大。在0～80cm土体内，每次灌水淋洗后整个土层内的脱盐率分别为64.95%,69.73%,80.05%。根据水平和垂直方向观察，每次灌水过程中土壤脱盐效果均较明显，说明灌溉与排水对盐碱化土壤的改良具有较好的协同作用。

表3各灌溉过程中各土层盐分含量及脱盐率

3、讨论

暗管排水脱盐效果受多重因素影响，许多学者针对不同因素下暗管排水规律及土壤脱盐效果进行了研究。李显溦等[11]通过蓄水淋洗条件下暗管排水试验，得出土壤脱盐率可达77.5%，与研究结论相近，但前者认为暗管排盐率仅为11.7%，而文中研究经过3次灌水试验得出暗管排盐率为28.9%，是由于前者所选研究区地下水位较深，灌溉水在暗管周围可能出现绕流现象，使盐分随水流流向暗管下层土壤，而文中研究地下水较浅，灌水后可以使地下水位上升至暗管以上，灌溉水与地下水在暗管上方形成汇流流入暗管，上层淋洗到下层的盐分也随之排出暗管。文献[12]通过连续3a的大田暗管排水试验，得出0～200cm土体内脱盐率为42.99%，文中经过3次灌水试验后0～80cm土层内脱盐率高达80.05%，这与前者研究结果差异较大，主要是前者在大田所选暗管间距较大为48m，埋深2.2m，表明浅密式暗管更有利于盐碱地土壤盐分的淋洗。此外，不同剖面处土壤的脱盐率与距离暗管的间距成反比关系，距离暗管间距越大，脱盐率越小，距离暗管间距越小，脱盐率越大，地下水位在暗管上下波动时，更有利于暗管周围土壤盐分的淋洗。

4、结论

试验发现经过3次灌水淋洗试验得出暗管排水流速随灌溉过程的进行趋于稳定状态，排水矿化度随排水历时的延长先增大后减小，随灌溉次数的增加趋于稳定的变化趋势。与初始土壤盐分相比，3次灌水后0～40cm土层内盐分含量小于2g/kg，达到了非盐化土水平，40～80cm土层内盐分达到了轻度盐化水平。

经计算暗管排盐量占0～80cm土层总盐量的28.9%，其余盐分淋洗到了80cm以下土层，或者溶解到了地下水中，说明膜下滴灌条件下暗管排盐可降低土壤盐分，提高灌溉用水洗盐效率，使膜下滴灌技术得以持续发展。

参考文献：

[3]胡明芳,田长彦,赵振勇,等.新疆盐碱地成因及改良措施研究进展[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2012,40(10):111-117.

[7]李明思,刘洪光,郑旭荣.长期膜下滴灌农田土壤盐分时空变化[J].农业工程学报,2012,28(22):82-87.

[10]姚中英,赵正玲,苏小琳.暗管排水在干旱地区的应用[J].塔里木大学学报,2005(2):76-78.

[11]李显溦,左强,石建初,等.新疆膜下滴灌棉田暗管排盐的数值模拟与分析Ⅰ:模型与参数验证[J].水利学报,2016,47(4):537-544.

石培君,刘洪光,何新林,李红,李开明.膜下滴灌暗管排水规律及土壤脱盐效果试验研究[J].排灌机械工程学报,2020,38(07):726-730.

基金:国家自然科学基金资助项目(51669029);“十三五”国家重点研发计划项目(2016YFC0501406).

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期刊名称：中国农业文摘-农业工程

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主管单位：中华人民共和国教育部

主办单位：中国农业大学

出版地方：北京

专业分类：农业

国际刊号：1002-5103

国内刊号：11-2531/S

创刊时间：1989年

发行周期：双月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：10-12个月

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