地下滴灌土壤濕潤體內水鹽空間分布規律

朱珠，王世昌，文豪，李男 ，張旭賢*

（1塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

（2新疆維吾爾自治區教育廳普通高等學校現代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300）

新疆南疆地區屬溫帶極端大陸性氣候，夏季炎熱干燥，冬季漫長嚴寒，降水量少，日照豐富。應對南疆水資源短缺與土壤鹽漬化制約農業可持續化發展的問題，發展節水灌溉技術能夠有效節水控鹽。地下滴灌技術以其精準灌溉和施肥、減少地表蒸發、減少農藥施用、促進根系深扎等優勢逐漸發展起來［1?2］。滴灌帶埋深小于20 cm為淺埋式地下滴灌，相較于傳統地下滴灌，其具有布設成本低、埋深淺、滴灌帶鋪設后易于維修和回收等優點［3］。土壤水鹽是影響作物生長的主要因素，而室內土柱模擬試驗將土壤水分運動可視化成為可能。MOHAMMED A K［4］通過室內土柱試驗研究了在地下滴灌不同滴水方式條件下的分層土壤濕潤峰形態。王榮蓮等［5］針對地下滴灌玉米出苗問題，采用內蒙古3種典型土壤，用土箱開展毛管鋪設參數及灌水定額對地下滴灌濕潤半徑的影響規律試驗。王炳堯等［6］開展室內土柱試驗，研究了2種不同土質，濕潤鋒運移距離與灌水時間和滴頭流速間的量化關系。劉子尚等［7］針對埋深和流量兩因素，通過室內淺埋式滴灌入滲試驗，設置三個滴頭埋深與不同滴頭流量處理，得出淺埋滴灌入滲條件下土壤濕潤鋒發展規律。陳小三［8］研究了不同土壤容重、不同滴頭流量、不同土壤初始含水率三因素對濕潤峰運移規律的影響，得出滴灌結束時和滴灌結束24 h后土壤含水率變化規律。近年來，科研工作者通過大量研究，針對地下滴灌對土壤濕潤峰及土壤水分影響規律，取得諸多研究成果。然而，對于淺埋式地下滴灌在土壤濕潤體內部土壤水分和鹽分的分布規律探究較少。本試驗以地下滴灌不同埋深為研究因素，探討滴頭在不同埋深條件下，濕潤體內部土壤水分和鹽分分布規律，以期為南疆淺埋式地下滴灌技術應用于生產提供參考。

1 材料與方法

試驗區位于塔里木大學水利與建筑工程學院節水灌溉試驗基地溫室內。采用室內土柱模擬試驗，土柱長50 cm、寬50 cm、高50 cm，由5 mm厚亞克力板制成。供試土壤取自節水灌溉試驗基地表層0～20 cm原狀土，土壤類型為砂壤土，pH為7.34，電導率為1 605μS/cm，容重為1.38 g/cm3。用于地下滴灌裝置為滴箭，由中國農業科學院農田灌溉研究所研發［9］。試驗裝置由馬氏瓶、土柱、滴箭組成。為研究地下滴灌不同埋深對濕潤體內土壤水鹽空間分布規律，將原狀土風干，過1 mm土篩，以5 cm分層，按容重1.38 g/cm3分層裝填土柱，層間打毛，土柱裝好后自然沉降24 h。設置三個試驗處理，每個處理3個重復，土壤初始條件相同、容重相同、滴頭流量相同，滴頭空氣中流量為0.7 L/h，滴頭埋深不同，T1處理埋深0 cm（滴頭位于地表）、T2處理埋深10 cm、T3處理埋深15 cm。為達到較一致的土壤濕潤深度，T1處理滴灌510 min，T2、T3處理滴灌300 min。馬氏瓶恒定供水，一維垂直定水頭法測定土壤水平和垂直入滲過程。灌水結束后土鉆取土，試驗裝置示意圖與取樣點示意圖如圖1，沿取樣點向下每5 cm土壤深度取土，直至干土位置，得出濕潤峰邊界空間坐標。空間取樣兩個斷面，命名為D1（土柱邊界斷面）與D2（濕潤體1/2斷面）。烘干法測定土樣質量含水量，DDSJ?308A電導率儀測定土樣電導率值。Origin 2020數據分析與作圖，SPSS 20.0單因素方差分析。

圖1 試驗裝置與取樣點示意圖

2 結果與分析

2.1 不同滴頭埋深對土壤水分空間分布的影響

土壤濕潤體水分含量是影響作物根系的重要因素。圖2依據測定的濕潤峰處坐標，繪制土壤質量含水量在濕潤峰剖面二維空間分布圖，剖面土壤水分分布與土壤濕潤峰運動形狀較一致。隨滴頭淺埋深度增加，土壤水分向下運移深度越深。滴頭位于地表時，入滲510 min后，水分垂直入滲至36 cm深度；滴頭埋深15 cm，入滲300 min后，水分垂直入滲至36 cm深度；而滴頭埋深10 cm，土壤水分垂直入滲至30 cm。滴頭位于地表，土壤水分水平入滲濕潤峰大；滴頭淺埋，土壤水分水平入滲濕潤峰小。這是由于滴頭位于地表，開始時水分運動主要受土壤基質勢驅動水平運動接近于垂直運動，水平濕潤峰較大；滴頭淺埋，水分開始運動時主要受土壤基質勢與重力勢共同作用，水平濕潤峰較小［10］。各處理土壤水分空間分布圖，表現出在滴頭附近區域土壤質量含水率較大，接近田間持水率22.69%［11］。單因素方差分析各處理的D1和D2剖面，土壤水分含量不存在顯著性差異。但在單個剖面內比較D1和D2剖面，距離滴頭不同水平距離縱向一維土壤質量含水量均存在顯著差異（P＜0.05）。T1處理滴頭下方土壤質量含水量均值為13.75%，距離滴頭15 cm一維縱深土壤質量含水量均值為11.31%，濕潤峰邊界距離滴頭30 cm一維縱深土壤質量含水量均值為7.43%。T2處理剖面滴頭下方土壤質量含水量均值為18.25%，距離滴頭10 cm一維縱深土壤質量含水量均值為16.62%，濕潤峰邊界距離滴頭21 cm一維縱深土壤質量含水量均值為12.38%。T3處理剖面滴頭下方土壤質量含水量均值為17.22%，距離滴頭10 cm一維縱深土壤質量含水量均值為16.99%，濕潤峰邊界距離滴頭21 cm一維縱深土壤質量含水量均值為12.26%。綜上，滴頭位于地表時，地表水分含量較高，根系層水分含量較低。滴頭淺埋可在作物根系層產生高水分含量區，利于作物根系吸收利用。

圖2 不同滴頭埋深處理下水分空間分布

2.2 不同滴頭埋深對土壤水分均值含量影響差異比較

為探討滴頭埋深對土壤水分含量是否有影響，對三個處理濕潤體內土壤質量含水量作單因素方差分析。由表1得出不同埋深處理間存在顯著性差異（P＜0.01），進一步做多重比較，滴頭位于地表與兩個淺埋處理存在顯著性差異，滴頭淺埋濕潤體水分高于滴頭位于地表濕潤體水分，地下滴灌較地表滴灌在濕潤體內水分平均增加3.82%至4.46%。但滴頭埋深10 cm與埋深15 cm處理不存在顯著差異。

表1 各處理土壤水分均值多重比較

2.3 不同滴頭埋深對土壤鹽分空間分布的影響

圖3依據測定的濕潤峰處坐標，繪制土壤電導率在濕潤峰剖面二維空間分布圖，剖面土壤鹽分分布與土壤濕潤峰運動形狀較一致。滴頭埋深10 cm與15 cm處理土壤鹽分淡化區大于滴頭位于地表處理。滴頭埋深15 cm處理濕潤體內部鹽分淡化區橫縱方向均最大。由單因素方差分析可知，三個處理土壤濕潤體內土壤鹽分平均值不存在顯著差異。但在單個剖面內距離滴頭不同距離一維縱深土壤間存在顯著差異。滴頭位于地表濕潤體內鹽分含量最大；與滴頭埋深10 cm處理比較，滴頭埋深15 cm處理土壤電導率值減少16.54%。與土壤水分分布規律相似，在滴頭附近產生鹽分淡化區，在濕潤峰處存在鹽分累積區。由土壤脫鹽率表征灌水對土壤鹽分淋洗作用，土壤脫鹽率為土壤初始鹽分與灌水結束鹽分差值與土壤初始鹽分的比值。T1處理滴頭下方0～30 cm土壤脫鹽率達54.34%，35～36 cm濕潤峰處積鹽率達125.23%；距離滴頭15 cm一維縱深土壤脫鹽率達42.77%，35 cm濕潤峰處積鹽率達143.21%；距離滴頭30 cm，0～20 cm一維縱深土壤平均積鹽率達51.65%。T2處理滴頭下方土壤脫鹽率達59.86%，距離滴頭10 cm一維縱深土壤脫鹽率達54.26%，距離滴頭21 cm，0～25 cm一維縱深土壤平均積鹽率達39.05%。T3處理滴頭下方土壤脫鹽率達76.32%，距離滴頭10 cm一維縱深土壤脫鹽率達56.71%，距離滴頭21 cm，0～25 cm一維縱深土壤平均積鹽率達28.93%。T3處理較T1與T2處理，濕潤體內脫鹽區土壤脫鹽率平均增加18.29%與9.45%。

圖3 不同滴頭埋深處理下鹽分空間分布

3 討論

開展淺埋式地下滴灌對南疆綠洲灌溉農業具有重要意義［12］。本研究通過分析三個不同滴頭埋深對濕潤體內土壤質量含水量與土壤電導率值的影響，量化了在土壤濕潤體內部土壤水分和鹽分的分布以及脫鹽率變化。地下滴灌不同埋深對土壤水分的影響存在顯著差異，滴頭淺埋滴灌濕潤體內水分大于滴頭位于地表滴灌。地表滴灌直接將水分滴入地表，以滴頭為中心緩慢入滲，在地表形成飽水區，增加地表蒸發損失。而地下滴灌則通過灌水器內供水壓力將水分滴入作物根系層土壤，在土壤中依靠土壤毛管力及重力作用擴散到周圍土壤，增加根層土壤水分，顯著降低地表蒸發損失［13］。土壤鹽分在濕潤體內部表現出三個明顯分區，即鹽分淡化區、過渡區和積鹽區。滴頭埋深不同對濕潤體內鹽分影響不存在顯著差異。但滴頭埋深15 cm，會獲得更大范圍脫鹽區，脫鹽率高，在濕潤峰處積鹽率較低。與肖娟等［14］研究結果一致，濕潤體內土壤質量含水率和電導率的分布與濕潤峰形狀相關，近似為一組同心橢球面，隨濕潤體半軸增加，土壤含水率逐漸減小，直至濕潤峰處；而土壤電導率則逐漸增加。地下滴灌以滴頭為中心在土壤濕潤體內呈現高水分含量區及鹽分淡化區，能夠節水抑鹽、在作物根區提供較好的生境［15?17］。在試驗影響因素中，本研究僅考慮了滴頭埋深單因素影響，應根據作物根系分布深度不同，調整滴頭埋設深度，增加影響土壤水分和鹽分運動的其他因素，研究在不同滴頭流量、灌水量、土壤初始含水率、土壤容重、土壤分層等多因素影響下［18?19］，地下滴灌土壤濕潤體內土壤水鹽分布及脫鹽率變化規律，為地下滴灌應用提供更全面參考。

4 結論

淺埋式地下滴灌在濕潤體內呈明顯三個分區，土壤水分高含量區、過渡區和干濕分隔區。以滴頭埋深處呈現土壤水分高含量區。滴頭淺埋與滴頭位于地表處理，土壤濕潤體內水分差異顯著，而滴頭埋設深度不同對土壤水分影響差異不顯著。地下滴灌較地表滴灌在濕潤體內水分平均增加3.82%至4.46%。滴頭埋深15 cm較滴頭埋深10 cm可縱向擴大土壤濕潤體，在作物根系層增加土壤水分。

淺埋式地下滴灌在濕潤體內水鹽分布特征與濕潤峰形狀相關，兩個取樣剖面土壤鹽分不存在顯著差異，剖面內鹽分存在顯著差異。土壤水分隨濕潤峰運移位置增加而減小，土壤鹽分隨濕潤峰運移位置增加而增加。地下滴灌較地表滴灌鹽分淋洗效果好，脫鹽率高。滴頭埋深15 cm可橫向和縱向擴大鹽分淋洗范圍，土壤濕潤體內脫鹽區脫鹽率高于地表滴灌與滴頭埋深10 cm處理，而積鹽區積鹽率則較低。