土槽模擬開溝覆膜滴灌技術下鹽分調控規律

葉建威，劉洪光，何新林，龔 萍，張 杰，阿爾娜古麗·艾買提

(石河子大學水利建筑工程學院 現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000)

0 引 言

膜下滴灌技術已經成為新疆不可替代節水灌溉技術之一。眾多研究表明，膜下滴灌技術在眾多鹽堿地上應用顯現了強大生命力和影響力，節水同時還能使作物在鹽漬化土壤上獲得高產，因而得到廣泛應用[1-4]。自1996年以來，新疆兵團引進滴灌技術，與薄膜覆蓋技術相結合形成膜下滴灌技術并開展試驗示范，在鹽堿地上得到了前所未有的發展，目前新疆棉田膜下滴灌面積已經突破200萬hm2，成為世界上大田應用膜下滴灌面積最大地區。但膜下滴灌技術仍屬于局部灌溉，僅僅在滴頭作用下形成根系層脫鹽區，以利于作物正常出苗，在根系吸水與蒸發作用下，根區下方鹽分勢必會上移，第2年耕作又會造成鹽分重分布[5]。此外，許多學者研究發現，隨著滴灌年限增長，覆膜間裸地鹽分與農田土壤鹽分含量有增加趨勢[6-10]。而在一些土壤表層含鹽量大于2%以上的重鹽堿地上進行膜下滴灌，膜下滴灌技術在解決出苗問題和后續生長問題出現了困難[11,12]，鹽分會積累在濕潤區邊緣，若遇小雨，鹽分極有可能會被沖回到作物根部區而引起鹽害[13]。因此，膜下滴灌技術適用于輕、中度鹽化土壤(含鹽量小于2%)，而在重度鹽化土壤(含鹽量大于2%)，該技術就不適用了。為了使膜下滴灌技術能夠在重鹽堿地中繼續有效運用，需要在膜下滴灌技術基礎上，增加開溝技術，原理如圖1所示。

圖1 開溝覆膜滴灌技術示意圖

將作物種植在膜下的壟溝里面，當滴灌灌水時，滴灌濕潤體隨著灌水時間增加而向四周不斷擴大，而滴灌濕潤體內土壤鹽分被溶解稀釋；當滴灌灌水結束后，由于覆膜的影響，膜下部分土壤蒸發量很小，膜間裸地強烈蒸發強烈，鹽分隨著土壤水蒸發不斷向裸地表層土埂聚集，且由于開溝形成土埂為鹽堿創建一個存在空間, 將鹽堿更有效的調節到作物根系區以外, 從而達到鹽堿在土壤的局部分離, 滿足作物生長需要目的。本文利用開溝覆膜滴灌技術，在不同灌水定額與灌水次數下，用土槽試驗探討了土壤鹽分運移和再分布規律, 為該技術的應用提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗在現代節水灌溉兵團重點實驗室進行，供試土壤采自石河子市瑪納斯縣六戶地鄉(147團)，經風干碾碎，過2 mm篩，采用美國Beckman Coulter公司生產的LS13320-全新納微米激光粒度分析儀測定沙粒、粉粒和黏粒含量分別為55%、35%、10%，按美國土壤質地分類標準，該土壤為沙壤土[14]；采用環刀法測定，田間持水率為29.83%(體積含水率，下同)，飽和含水率為42.1%，密度為1.32 g/cm3；采用烘干法測定土壤初始含水率并換算得體積含水率為8.94%。

1.2 試驗裝置與方法

試驗裝置為一土槽，長×寬×高為200 cm×60 cm×120 cm，采用單翼迷宮式滴灌帶，滴頭間距30 cm，滴灌帶間距50 cm并垂直土槽鋪設在開溝中心位置，開溝深度15 cm，寬度25 cm，滴頭流量控制為2.4 L/h。供試土壤按田間密度1.32 g/cm3分6層裝入土槽，層與層接觸面打毛。設計3個不同灌水處理，分別為225、300、450 m3/hm2，每個處理灌水連續進行2次，灌水間隔為10 d。每次灌水48 h后，待水分分布穩定，沿垂直滴灌帶方向，在兩滴頭中間取一剖面，從滴灌帶開始，每隔10 cm設置為一取樣點，取至40 cm處，共計5個取樣點，在取樣點下，每隔5 cm取一土樣，取樣深度為70 cm，距滴灌帶距離較遠沒有受滴灌水分影響的區域不設取樣點(見圖2)。將土樣自然風干、磨碎、過2 mm篩，獲得風干土樣，均制備成1∶5土水比浸提液，用“FG3-ELK型”電導率儀測定其電導率。采用烘干殘渣法標定，確定土樣含鹽量。經測定，土壤初始含鹽量為2.75%，按土壤鹽化程度及分級標準(如表1所示)，屬于重度鹽化土壤。

圖2 試驗裝置圖和取樣布置圖

2 結果與分析

2.1 使用開溝覆膜滴灌技術不同土層含鹽量的變化

根據土壤鹽分分布狀況，土壤鹽分分布區域可分為脫鹽區與積鹽區[11]，即將點源入滲過程中土壤含鹽率高于土壤初始含鹽率的區域稱之為積鹽區，將低于土壤初始含鹽率的區域稱之為脫鹽區。

(1)灌水定額為225 m3/hm2時不同土層含鹽量的變化。灌水定額為225 m3/hm2時，試驗結束后其土壤剖面鹽分含量變化如圖3所示。第1次灌水后[見圖3(a)]，整個鹽分含鹽在0.11%～4.00%之間變化。隨著滴灌水分的擴散，地面的蒸發和地膜對蒸發的抑制，鹽分隨著水分運動在土壤中重新分布，這使得區域范圍內土壤含鹽量有升有降。在第1次經灌水與水鹽重分布后，可以看出，覆膜間(距離滴頭0 cm處)，樣點下方0～55 cm深度為脫鹽區，土壤鹽分降低明顯，脫鹽率為16.4%～96.0%；而覆膜間(距離滴頭10 cm處)，脫鹽區為0～35 cm，這說明了在覆膜間，隨著距滴頭距離增大，鹽分垂直向下隨水分運移速度減小；覆膜邊(距離滴頭20 cm處)，10～30 cm 深度為脫鹽區，其余深度為積鹽區；覆膜外(距離滴頭30與40 cm處)，距地表35 cm深度范圍內基本上均為積鹽區域，尤其距地表15 cm深度范圍內增加明顯，積鹽率最高達到41.8%，這是因為開溝覆膜滴灌條件下，每次灌水后，覆膜間，蒸發受到抑制，覆膜外，外界條件蒸發旺盛，使得土壤基質勢減小，土壤吸力變大，在水分不斷向土壤濕潤體周圍擴散時，鹽分也隨著側向運移，并在土埂表層聚集。

圖3 灌水定額為225 m3/hm2時鹽分空間變化

間隔10 d，再次進行灌水后，試驗結束后其土壤剖面鹽分含量變化如圖3(b)所示。將圖3兩次試驗進行對比發現，與第1次灌水后結果相比，無論是覆膜間，還是覆膜邊或覆膜外，各樣點下方土壤脫鹽區、積鹽區深度并無變化，但各采樣點土壤含鹽量有較小的變化。

(2)灌水定額為300 m3/hm2時不同土層含鹽量的變化。灌水定額為300 m3/hm2時，試驗結束后其土壤剖面鹽分含量變化如圖4所示。與灌水量225 m3/hm2相比較，覆膜間(距離滴頭10 cm處)，樣點下方脫鹽區增大為0～60 cm，且脫鹽效果顯著，脫鹽率高達37.1%～95.6%；覆膜邊(距離滴頭20 cm處)，脫鹽區明顯增加為5～55 cm，其中5～50 cm土層脫鹽率達到27.3%～86.7%；覆膜外(距離滴頭30與40 cm處)，距地表40 cm深度范圍內，積鹽區與脫鹽區交替變換。說明了隨著灌水定額增加，覆膜間、覆膜邊鹽分淋洗的深度增加，整體上脫鹽區增加。

間隔10 d后，再次進行灌水，兩次試驗結果對比發現，無論是覆膜間，還是覆膜邊或覆膜外，與灌水定額為225 m3/hm2相比，其各樣點下方土壤鹽分變化差異變化更小，說明了第1次灌水對鹽分的淋洗起主要作用，鹽分達到了較穩定的狀態。

圖4 灌水定額為300 m3/hm2時鹽分空間變化

(3)灌水定額為450 m3/hm2時不同土層含鹽量的變化。灌水定額為450 m3/hm2時，試驗結束后其土壤剖面鹽分含量變化如圖5所示。從圖5可以看出，與灌水量300 m3/hm2相比較，無論是覆膜間，還是覆膜邊或覆膜外，各樣點下方土壤鹽分含鹽量大部分均進一步減少。說明灌水定額的增加促進鹽分隨水分向遠離滴頭和向深層方向運移。再將兩次灌水結果進行比較，發現兩次灌水結果基本一致，說明在灌水定額為450 m3/hm2時，第1次灌水對鹽分淋洗起決定作用，鹽分達到穩定的狀態。

圖5 灌水定額為450 m3/hm2時鹽分空間變化

2.2 不同灌水定額下土壤鹽分運動鹽分空間分布

王全九，王文焰等[11]學者根據土壤鹽分分布狀況與作物生長關系，又將是否可以滿足作物正常生長, 將脫鹽區分成達標脫鹽區與未達標脫鹽區。本試驗所取土樣地區，當土壤含鹽量小于1.5%時，作物便可正常生長，故以含鹽量1.5%為界限來判定達標與未達標脫鹽區域。為了研究灌水穩定后的土壤鹽分分布規律，灌水結束48 h后監測土壤含鹽量分布情況，并用Sufer 8.0軟件繪制土壤含鹽率等值線圖(如圖6～圖8所示)。將土壤含鹽量1.5%所對應的等值線用加粗虛線表示，以便對土壤鹽分分布特征進行描述。

由圖6可知，灌水定額為225 m3/hm2時，第一次經灌水后，達標脫鹽區類似于一個有效截面寬0～20 cm，長50 cm不規則濕潤體形狀，這是因為鹽分隨水分在灌水結束后重分布過程中，在外表蒸發條件下造成土壤基質勢不均衡，表現為鹽分側向移動速度大于垂直運移速度；而經第2次灌水后，達標脫鹽區變化并不明顯，但鹽分小于1%的區域有所增大，即由重度鹽化土壤淋洗成輕度鹽化土壤區域增加，因此在該灌水定額下，第1次灌水未使整個剖面鹽分趨于穩定狀態。

圖6 225 m3/hm2灌水定額兩次灌水后鹽分空間分布

由圖7可知，當灌水定額增加到300 m3/hm2，第1次經灌水后，達標脫鹽區增加為一個有效截面寬0～23 cm，長58 cm不規則濕潤體形狀，說明隨著灌水定額增加，土壤濕潤體范圍進一步擴大，鹽分也隨水分向水平擴散與向下遷移速度加快。而經第2次灌水后，達標脫鹽區內土壤鹽分變化差異性較小，故經第1次灌水后，鹽分達到了相對穩定的狀態。

圖7 300 m3/hm2灌水定額兩次灌水后鹽分空間分布

由圖8可知，進一步增大灌水定額為450 m3/hm2，隨著水分淋洗增加，達標脫鹽區繼續增加一個有效截面寬0～30 cm，長60 cm不規則濕潤體形狀。但經第2次灌水后，達標脫鹽區內土壤鹽分變化差異基本一致，因而經第1次灌水定額為450 m3/hm2淋洗后，鹽分達穩定狀態。

圖8 450 m3/hm2灌水定額兩次灌水后鹽分空間分布

綜上所述，增加灌水定額可以較好淋洗土壤鹽分，降低土壤鹽化程度，但增加灌水定額勢必會加大農作業投入。根據葡萄根系分布研究表明，葡萄根系大部分分布在0～40 cm深度范圍內[15]。故在灌水定額為225 m3/hm2時，達標脫鹽區即可滿足當地葡萄正常生長要求，給作物提供一個適宜的水鹽生長環境，但經第1次淋洗結果表明，鹽分未達到穩定狀態。故綜合考慮，在重鹽堿地上使用開溝覆膜滴灌技術，建議當地可選擇300 m3/hm2作為第1次灌水洗鹽定額。

3 討 論

膜下滴灌技術是將滴灌技術與覆膜種植相結合，通過滴灌樞紐系統將水肥等按作物不同需求時期，借助管道系統使之以滴狀、均勻、定時、定量浸潤作物根系發育的一種高效節水灌溉技術[16]，具有節水增產、抑鹽、增溫保墑、減少病蟲害等優點，但隨著大田膜下滴灌技術推廣應用，發現該技術在輕、中度鹽堿地上能取得顯著經濟和社會效益，而面對鹽分含量過大重鹽堿地時，卻不能較好解決作物出苗與生長問題。開溝覆膜滴灌技術在膜下滴灌技術的基礎上，增加了開溝技術，使得鹽分隨著土壤水蒸發不斷向裸地表層土埂聚集，為鹽堿創建一個存在空間, 將鹽堿更有效的調節到作物根系區以外，保證作物正常生長。

開溝覆膜滴灌技術的應用使得在重度鹽堿地上種植作物有了很好的出路。本試驗顯示，在一定灌水定額下，可以在作物根區范圍內形成洗鹽，為作物提供良好生長環境，這與前人研究結論[6]較為一致。與溝灌入滲相比，開溝覆膜滴灌技術增加了覆膜技術，從覆膜效果來看，地膜覆蓋具有保溫增溫、減少水分蒸發、減少水肥流失等優點，從而到達一定的作物增產效果，這與張曉輝[17]，王懷學[18]研究結論一致。但隨著膜下滴灌大面積實施，水鹽平衡關系又有新的變化，農田由原有的“漫灌排水”演變成“滴灌無排”，土壤鹽分始終沒有離開土體，土壤次生鹽堿化等治理問題面臨新的風險與挑戰。此外，土壤水鹽運移規律不僅受土壤質地和前期含水量的影響，而且開溝設計參數(開溝溝距、溝深)也成為影響入滲量的重要因素[19]。本試驗僅僅在設定的開溝參數下，分析了不同灌水定額條件下土壤鹽分運移規律，在一定程度上可為重度鹽堿地上開展作物種植提供依據。

4 結 語

(1)利用開溝覆膜滴灌技術，第1次合適灌水定額對鹽分的淋洗起主要作用，可使土體鹽分達到較穩定的狀態，鹽分也隨水分側向運移，并在土埂表層聚集。

(2)灌水定額的增加促進鹽分隨水分向遠離滴頭和向深層方向運移，使得覆膜間、覆膜邊鹽分淋洗的深度增加，脫鹽區增加。

(3)在灌水定額為300 m3/hm2時，可以在滴灌帶橫向0～23 cm，下部58 cm處迅速形成一個鹽堿度小于1.5%的達標脫鹽區，滿足當地作物正常出苗。故建議當地可選擇300 m3/hm2作為第1次灌水洗鹽定額。

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