滴灌條件下排水暗管埋深及管徑對土壤鹽分的影響*

衡 通 王振華? 李文昊 張金珠 楊彬林

（1 石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子 832000）

（2 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆石河子 832000）

新疆一直是中國西北地區(qū)鹽堿土分布面積最大、最集中和鹽堿威脅最嚴重的省份之一，鹽堿地面積約2.2×107hm2［1］，其中已改良的宜耕地面積不到25%。水資源短缺和土壤鹽堿化嚴重制約了新疆農業(yè)的發(fā)展［2］。膜下滴灌對農業(yè)具有節(jié)水、增收的作用，對鹽堿地具有較強的適應能力，隨著其運用年限的累積［3］，在新疆現(xiàn)行灌溉制度下，膜下滴灌全生育期內均不排水，由最初的“渠道漫灌”轉變?yōu)椤坝泄酂o排”［4］。已有研究結果表明［5］，根系層積鹽量已達到0.36 g kg-1a-1，鹽分在田間土層的不斷積累［6-8］，有必要探索膜下滴灌條件下鹽堿地改良的模式或方法。

改良鹽堿地方式眾多，運用大水漫灌配合暗管排水排鹽是最直接、最快捷的改良方式之一［9］。我國自20世紀80年代引進暗管排水，并取得了顯著的效果，張?zhí)m亭［10］在山東省打魚張灌區(qū)利用不同管材（陶管、礫石水泥濾水管和波比水泥管），設計2種間距、3種埋深、4種管徑的田間暗管排水試驗，提出了不同工程布局下暗管排水的改堿效果及其適宜條件，為今后推廣暗管排水改良鹽堿地技術提供了科學依據(jù)。于淑會等［11］對暗管排鹽及綠化配套的技術參數(shù)進行了系統(tǒng)研究，提出了不同暗管埋深、間距和管徑等技術措施，為暗管排鹽技術的發(fā)展起到重要推廣作用［12］。李顯溦等［13］利用HYDRUS軟件和小區(qū)暗管淋洗試驗對相應數(shù)值模型和水鹽運動參數(shù)進行了校驗，為長期排鹽策略的規(guī)劃、設計提供了科學可靠的理論依據(jù)。朱海波等［14］設計了3種間距（10、15、20 m）和3種埋深（0.6、0.9、1.2 m）的暗管排水組合，研究沿海新墾區(qū)暗管排水效果及排水含鹽量變化情況，認為在間距相同的情況下，暗管埋深越大，初始排水的鹽度、排水中期時段的流量、電導率也越大。李從娟等［15］認為暗管排水鹽漬土含鹽量主要受地下水埋深、礦化度、土壤質地和氣候等的影響，在區(qū)域尺度上地形因素也是土壤鹽分空間分布的影響因子。

研究表明，暗管排水可以有效降低農田地下水埋深［16］、治理澇漬災害［17］、排除鹽分，對提高作物產量均具有顯著效果。但采用漫灌時暗管排水無法有效排出根系層中的土壤鹽分，土壤次生鹽漬化嚴重［18］，通常每隔幾年就必須進行地面沖洗，本質上無法將鹽分從土壤內部排出，需對其排鹽效率進行改進。本文選取新疆鹽堿區(qū)水資源缺乏、蒸發(fā)量大、返鹽嚴重的代表性地區(qū)，在原有滴灌下設計田間暗管排水排鹽試驗，研究排水暗管不同管徑及埋深對土壤空間鹽分分布的影響，以及不同埋深的脫鹽效果，為干旱鹽荒區(qū)改良和棄耕地重建提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地選在新疆生產建設兵團141團常年絕收的棄耕地，位于沙灣縣安集海鄉(xiāng)北端，85°21′E、44°36′N。總規(guī)劃面積為3.4 hm2，地勢南高北低，南北自然坡降0.24%。年平均氣溫6.8℃，當?shù)亟邓伲杲邓?82 mm），蒸發(fā)大（年蒸發(fā)量1 717 mm），地下水埋藏較深（大于4 m）。土壤已達鹽土水平（＞20 g kg-1）［19］，土壤pH為8.51，田間持水量為14.39%～27.58%。土壤基本理化性質見表1。

1.2 研究方法

試驗區(qū)埋設50 mm和90 mm兩種管徑的吸水管，共10條暗管，間距15 m，每條長200 m（見圖1）。考慮到試驗地不同埋設地段排水脫鹽情況，分別在不同管徑的0.6、1.0、1.4 m埋深處設置觀測點，含未鋪設暗管對照區(qū)，共7處觀測點。吸水管選用帶孔PVC單壁波紋管，壁厚3 mm，開孔縫隙≤1 mm，開孔面積＞250 cm2m-2，設計坡降0.4%。集水管為PVC硬塑料管，管徑250 mm，壁厚5 mm設計坡降0.3%。

表1 供試土壤的基本理化性質Table 1 Physio-chemical properties of the tested soil

圖1 田間滴灌與暗管系統(tǒng)配套試驗示意圖Fig. 1 Schematic of the experiment on drip irrigation and underground drainage pipe system

于2016年3—4月春季化雪后在鹽荒棄耕地上進行暗管排水試驗施工。施工前，在試驗區(qū)的周圍打田埂，按平面布置測量放線，用小型挖掘機按設計深度開挖管溝。每挖二十米檢查溝深與縱坡，鋪設包裹無紡布的吸水管，管周圍裝填粒徑≤4 cm的砂礫石，厚約20 cm，分層回填埋管。除緊靠濾料30 cm的土料不需夯實外，其他均要分層夯實。緊靠濾料30 cm的土料由人工回填，30 cm以上土層需分層夯實。吸水管末端各設置一集水井，選用優(yōu)質樹脂一體式集水井，并由集水管連接，匯入排水溝。暗管工程施工完成后深翻、旋耕整地，深翻深度60 cm，整地標準為±2 cm。

圖2 油葵與滴灌配套模式示意圖Fig. 2 Schematic of the Helianthus annuus Linn field and drip irrigation system

灌溉淋洗采用滴灌的方式，每次大定額淋洗前60 d對試驗田（包括對照區(qū)域）進行深翻曬地。于6月初鋪設滴灌帶并播種油葵（Helianthus annuusLinn），形成滴灌條件下作物、水利改良雙重改土模式，本文著重分析滴灌系統(tǒng)配套暗管排水對土壤鹽分的影響，油葵與滴灌配套模式見圖2。采用“一膜兩管四行”的模式播種，其中地膜寬度1.4 m，供試油葵品種為KF366，株距10 cm，行距30 cm，6月8日播種，6月15日出苗，油葵受鹽脅迫長勢較差，于9月5日犁地育肥，滴灌帶單孔出流量2.6 L h-1，滴頭間距30 cm，灌溉水源為地表水（礦化度在0.8 g L-1），為防止地表徑流形成漫灌，滴灌模式采用輪灌。灌溉淋洗分兩次進行：本試驗第一次灌水從2016年6月8日開始，共持續(xù)108 h，其中0～60 h為供水階段，持續(xù)灌水量為1 150 mm，47～108 h為排水階段（水鹽重分布階段，第47小時為首次排水時間）；第二次灌水從2016年9月9日開始，共持續(xù)110 h，供水時長64 h，試驗區(qū)持續(xù)灌水量為1 227 mm，暗管排水時長為68 h，未鋪設暗管對照區(qū)兩次滴灌淋洗均未灌水。

1.3 數(shù)據(jù)的測定與處理

為得到試驗地整體排水脫鹽情況，分別在50、90 mm管徑暗管0.6、1.0、1.4 m埋深處設置觀測點，含未鋪設暗管對照區(qū)，共7處觀測點進行土壤取樣，各處觀測點取3次重復。采樣分8次進行，采集土樣日期分別為2016年4月5日、2016年5月5日、2016年6月8日、2016年6月17日、2016年7月13日、2016年8月15日、2016年9月8日、2016年9月20日。每次分層取0～3、3～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180、180～200 cm共計11層土樣。

對所取土樣烘干后測試其含水率，并將相應土樣稱取10 g經粉碎過1 mm篩后放入三角瓶中，加入50 ml蒸餾水，使用振蕩機振蕩三角瓶10 min，靜置15 min后進行過濾，得到土水質量比1:5的浸提液，通過DDS-307數(shù)顯電導率儀測定浸提液電導率（EC）。用干燥殘渣法標定出含鹽量與電導率之間的關系：

式中，y為土壤含鹽量，g kg-1；EC為電導率，mS cm-1。

土壤脫鹽率的計算公式為：

式中，N為脫鹽率，%；S1為土壤鹽分初始值，g kg-1；S2為灌后土壤鹽分終值，g kg-1。

采用Guelph1800K入滲儀測量土壤滲透性；田間持水率采用室內測定法測定［20］；采用環(huán)刀取原狀土測定土壤容重；土壤粒徑分布采用LSI3320激光粒度儀測定。其他指標采用常規(guī)分析方法測定［21］。用Microsoft Excel 2007、SPSS19.0進行數(shù)據(jù)處理，Origin8.5完成制圖。

2 結 果

2.1 暗管不同埋深土層含鹽量的變化

兩次灌水后各暗管陸續(xù)排出高礦化度的水，土壤鹽分均大幅度減小，通過對暗管不同埋深、不同管徑排鹽效果的對比，得出暗管排水各土層含鹽量的變化規(guī)律。不同暗管埋深土壤剖面含鹽量隨深度的變化趨勢見圖3。6月8日灌前土壤鹽化程度較高，含鹽量整體大于20 g kg-1（鹽土水平）。表層鹽分出現(xiàn)積聚，均大于38.04 g kg-1，在0～40 cm鹽分相對集中，從40 cm深度開始鹽分逐漸降低。1.4 m埋深暗管由于地勢低且靠近明溝，其在0～140 cm土層的鹽分含量均大于1.0、0.6 m埋深，受明溝地下水位影響，在140～200 cm土層深度鹽分出現(xiàn)降低。灌后各埋深土壤含鹽量均大幅度減少，其中0.6 m埋深土壤含鹽量降值最大，平均各層土壤含鹽量與灌前6月8日未鋪暗管對照相比降低7.96 g kg-1，淺層鹽分在滴灌水動力驅動下遷移，并通過暗管排出土體，體現(xiàn)“鹽隨水走”的特征。不同埋深的暗管總體排鹽效果呈現(xiàn)CK＜1.4 m＜1.0 m＜0.6 m。非排水期間（6月17日—9月8日）砂礫空隙以及暗管中不存在多余水流，此空間的存在使周圍局部土壤中水分不同程度上向此處遷移，導致淺層（0～60 cm）土壤鹽分出現(xiàn)小幅度返鹽現(xiàn)象。第二次灌水后，垂直方向上不同深度脫鹽效果相差較大：0～60 cm土層脫鹽程度較高，其中90 mm管徑0.6 m埋深土層平均含鹽量由第一次（6月8日）灌水前的27.96 g kg-1降至5.42 g kg-1，土體得到最大程度的沖刷；60～100 cm土層位于暗管下方，部分土壤仍處于重度鹽化水平（10～20 g kg-1），降幅較小。由此可見，100 cm以上土層含鹽量不同程度的減少，這說明在滴灌淋洗條件下，絕大部分鹽分會通過暗管排出土體，土壤淺層鹽分明顯降低對改善新疆鹽漬土有重要意義。100 cm以下土層含鹽量在20～22 g kg-1范圍內。未鋪暗管對照區(qū)CK土壤含鹽量較大，淺層土壤鹽分波動幅度較小，由于對照區(qū)CK西、北兩側被灌溉水渠環(huán)繞，水渠附近土壤中低礦化度的重力水通過孔隙長期侵入周邊土體中。有時因為土壤黏緊，重力水無法通過排水溝排出，暫時滯留在土壤的大孔隙中并形成高礦化度的上層滯水，被水渠附近作物及雜草吸收，一定程度上起到了降低土壤鹽分的作用。大部分時間由于重力水的不斷補給使得其在土壤中滯留時間較長無法排除，并占據(jù)了土壤孔隙，不僅阻礙土壤空氣的供應，而且對高等植物根的吸水有不利影響。

圖3 暗管不同埋深土壤鹽分剖面分布Fig. 3 Distribution of soil salt in profile relative to buried depth of the underground pipes

比較圖3數(shù)據(jù)看出，暗管管徑為50 mm時，試驗區(qū)兩次灌水后各土層含鹽量變化趨勢與90 mm暗管管徑相近。距離暗管埋設6個月的時間內，試驗各土層（0～200 cm）含鹽量隨時間推移逐漸減小，1.0 m和1.4 m埋深間已無顯著差異，說明在50 mm管徑時，增加暗管埋深至1.4 m對暗管的降鹽效果無顯著影響。

2.2 暗管管徑對土壤平均含鹽量變化的影響

圖4為暗管不同管徑土壤鹽分剖面分布圖。第一次灌水前，2種管徑同一埋深不同土層土壤含鹽量差異較小，均處于24～34 g kg-1之間。對2次灌水后不同埋深以上位置的土層進行分析（圖4），暗管在3種埋深的土壤含鹽量差異明顯：首先，2種管徑在暗管不同埋深均呈現(xiàn)上層土壤鹽分差值高于下層土壤，隨土層深度的增加差值逐漸減小，說明上層土壤導水性能優(yōu)于下層土壤；其次，50 mm管徑各土層含鹽量均高于90 mm管徑，50 mm管徑在各觀測點平均含鹽量累積降低11.92 g kg-1，90 mm管徑累積降低15.51 g kg-1，為50 mm管徑的1.31倍，90 mm管徑降鹽效果更好；未鋪暗管CK經過2次灌水后土壤整體仍呈現(xiàn)積鹽趨勢，淺層鹽分較高，且各土層土壤鹽分均大于鋪設暗管的小區(qū)，這說明首年滴灌條件下暗管排水的應用使暗管上方各土層的土壤鹽分得到不同程度的降低。

圖5為暗管不同管徑對土壤含鹽量的影響。以圖5a為例，在4—5月試驗地經歷深翻曬地擾動，且新疆處于春季，降雨相對其他月份較少，土壤鹽分亦在動態(tài)變化。5—6月進入夏季，強降雨及灌水使土壤鹽分下降明顯，暗管在0.6 m埋深處從5月5日到至第一次灌水后6月17日，50、90 mm管徑土層含鹽量均降低6 g kg-1以上，相對未鋪暗管對照區(qū)平均含鹽量減少9.25 g kg-1。7—8月田間未進行灌水，蒸發(fā)強且降雨較5—6月少，平均含鹽量略有回升，9月20日經過第二次灌水淋洗后，90 mm管徑土壤總體鹽分降低10.41 g kg-1，降幅最大。4—9月平均含鹽量呈現(xiàn)9月＜6月＜7月＜8月＜4月＜5月的趨勢。

圖4 暗管不同管徑土壤鹽分剖面分布Fig. 4 Distribution of soil salt in profile relative to diameter of the underground pipes

圖5 不同埋深及不同管徑排水暗管下土壤含鹽量的變化Fig. 5 Soil salt content in the experiment field relative to depth and diameter of the underground pipes

從圖5還能看出，從4—9月土壤平均含鹽量呈現(xiàn)灌水時降低明顯，不灌水時回升的特點，不同管徑平均含鹽量呈現(xiàn)90 mm＜50 mm＜CK的趨勢，說明土壤平均含鹽量隨暗管管徑的減小而逐漸減小。

2.3 暗管排水對土壤脫鹽效果的影響

暗管排水對脫鹽率的影響，見表2，由于1.4 m埋深下土壤鹽分無明顯降低，所以各觀測點只對1.4 m以上土層在暗管不同埋深脫鹽率進行分析。暗管不同埋深處脫鹽效果隨管徑和灌水次數(shù)不同有明顯差別：第一次灌水50 mm管徑在0.6、1.0、1.4 m埋深處含鹽量均有所減少，其中0.6 m埋深處脫鹽率最高為18.84%，1.0、1.4m埋深脫鹽率差異不大，分別為13.02%、16.98%，CK的脫鹽率為-2.36%，負值表示鹽分略有增加；90 mm管徑在0.6 m埋深處脫鹽率仍高于1.0和1.4 m埋深。第二次灌水后，除暗管在1.4 m埋深處以外，在0.6和1.0 m脫鹽效果明顯高于首次灌水，以90 mm管徑為例，在0.6和1.0 m埋深處第二次灌水分別較第一次灌水脫鹽率高10.89、2.71 g kg-1，脫鹽率呈現(xiàn)CK＜1.4 m＜1.0 m＜0.6 m。

比較表3數(shù)據(jù)還能看出，在同一埋深處暗管不同管徑之間的差異較大，以0.6 m管徑為例，兩次灌水，90 mm管徑在各埋深處脫鹽率均大于50 mm，在0.6 m埋深處土壤平均脫鹽率最大，為57.04%。兩次灌水平均脫鹽率呈現(xiàn)CK＜50 mm＜90 mm。綜上，暗管在0.6 m埋深處排鹽效果優(yōu)于1.0 m、1.4 m埋深，暗管埋深越小，土壤總體脫鹽效果越好；土壤平均脫鹽率隨暗管管徑的減小而逐漸減小，90 mm管徑相比50 mm管徑暗管排鹽優(yōu)勢更加明顯。

3 討 論

3.1 暗管不同埋深及管徑對土壤脫鹽效果的影響

通過2次灌水，分析大定額滴灌壓鹽時期暗管排水不同埋深、管徑對土壤鹽分剖面分布的影響、以及不同處理間土壤脫鹽效果，針對新疆膜下滴灌棉田地下水埋深較大這一特點，且采用漫灌時暗管排水無法有效排出根系層中的土壤鹽分，本試驗在原有滴灌管網條件下鋪設排水暗管改良鹽堿土，極大程度降低土壤鹽分，使淺層（0～60 cm）土壤含鹽量降至12 g kg-1以下中度鹽化水平，暗管排水階段性改良效果明顯。上文分析僅局限于暗管各埋深之間、各管徑之間對土壤鹽分的影響，未對試驗中不同暗管埋深及管徑排鹽效果差異性產生的原因進行探討。張金龍等［22］研究得出暗管經歷3次漫灌淋洗后0～1 m深土體土壤脫鹽率在56.54%～78.78%之間，本試驗經過兩次滴灌淋洗，0～1.4 m土層土壤脫鹽率介于20.69%～57.04%，由于深層土壤脫鹽效果較差，故小于其研究結果。張潔等［23］研究表明暗管排水下脫鹽率隨土層深度的增加而降低，本試驗結果脫鹽率呈現(xiàn)CK＜1.4 m＜1.0 m＜0.6 m。與其結論一致，接近各暗管上方的土壤，由于其排水性能更佳，所以此處土層脫鹽率應更高。Ritzema等［24］研究表明，在一季作物期間內，使用暗管排水可以使土壤含鹽量降低50%，Ghumman等［25］認為土壤含鹽量可以降低17%左右；本研究4—9月土壤最大脫鹽率為57.04%，脫鹽率大于前兩者。牛麗霞等［26］認為，為了同時排漬和控鹽，適宜黃河河口地區(qū)的暗管最小設計埋深為1.2 m，與本文研究得出的最適宜暗管埋深0.6 m結論不同。試驗區(qū)氣候干燥，土壤偏堿性，地勢不平，暗管啟動施工前種植小麥、油葵等耐鹽作物均不能正常生長，出苗率低于40%，棄耕年限較長，這是由于長期自然條件惡劣，加上不合理的灌溉方式導致的。在兩次灌水試驗中，由于土壤剖面垂直方向上大孔隙及裂隙的存在，灌水后田間各土層可能存在局部的優(yōu)先流，因此，田間不同土層的鹽分運移理論上通常是極度不一致的，但總體運移效果極顯著，對土壤剖面鹽分分布特征有著直接的影響。

表2 暗管排水對土壤脫鹽率的影響Table 2 Effect of the underground drainage pipes on desalination rate of the soils

3.2 最佳脫鹽效果的暗管埋深和管徑

對暗管不同埋深及管徑各土層土壤鹽分進行差異性分析、回歸分析，具體數(shù)據(jù)見表3。由于本文樣本量較少，為了較好地說明研究結果，本文選取p＜0.1作為顯著水平。從表3數(shù)據(jù)可以看出，1.0 m和1.4 m埋深之間、1.0、1.4 m不同管徑之間四種對比情況下不具備顯著差異性之外，其余埋深、管徑子集間差異性顯著（p＜0.1），這說明試驗區(qū)鋪設1.0 m和1.4 m埋深不同管徑暗管對土壤的排鹽效果差異較小，為達到較高的脫鹽率暗管埋深應選擇0.6 m。從二者標準系數(shù)以及顯著性水平的值可以推出，暗管埋深對土壤鹽分的影響相比與管徑更為明顯，進而推出暗管不同埋深土壤脫鹽效果與管徑相比差異性更加顯著。

表3 暗管不同埋深及管徑對土壤鹽分差異性及回歸分析Table 3 Variance analysis and regression analysis of soil salt in the soil layers relative to buried depth and diameter of the pipes

暗管排水改良鹽堿地的效果受灌水量、淋洗次數(shù)的影響，灌水量小達不到脫鹽目的。灌水量過大，暗管排水不均勻，易產生地表積水，灌后返鹽嚴重，也達不到改良的目的，因此要設計合理的灌水周期及灌水量。長期應用暗管排水能將土壤鹽分達到脫鹽狀態(tài)，但由于其具有周期性，短時間內無法達到改良目的。針對不同程度的鹽漬化農田，如何合理設計灌水量及淋洗措施等各項技術參數(shù)，達到更為有效的降鹽效果，還有待進一步研究。

4 結 論

不同暗管埋深對土壤鹽分影響顯著，不同土層脫鹽效果相差較大。土壤平均脫鹽率隨暗管管徑的減小而逐漸減小，為了保證滴灌條件下暗管排鹽效果，并在實際工程中提高鹽堿土改良效果，應在已知管徑可選范圍的情況下選擇管徑大的暗管。暗管在90 mm管徑、0.6 m埋深時，滴灌淋洗時土壤脫鹽率差異最大，0～60 cm土層含鹽量已降至輕度鹽化水平（3～6 g kg-1），是適宜北疆鹽漬土的暗管排水最優(yōu)埋深與管徑布設參數(shù)。這對改良土壤鹽害具有重要意義，今后還應在暗管設計中多采用淺埋深暗管，研究土壤剖面年際內鹽分、淺層地下水位的變化，配合長期灌水，達到暗管排水改良土壤鹽分的目的。

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