基于兩種不同質地土壤淺溝排鹽效果分析

虎膽·吐馬爾白，胡鉅鑫，米力夏提·米那多拉，楊未靜

（1.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程重點實驗室，南京210029；2.新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊830052）

滴灌引起的土壤積鹽問題早已引起了國內外學者的關注，為了尋找改良鹽堿土壤及預防土壤的次生鹽漬化問題的方法，國內學者展開了各種研究。國內學者如李顯溦等人研究了新疆膜下滴灌下的暗管排鹽技術[1-6]，優化了暗管排鹽模式效率不高的問題；周和平[7-10]等人提出的“土壤鹽分定向遷移”的排鹽理論；Phogat V[11]等人對滴灌條件下柑橘樹的水鹽運動進行了數值模擬，針對土壤中過量氮肥的淋洗進行模擬研究；Ajdary K[12,13]等人通過11年的研究對比了氮素淋洗后的土壤的含氮量與普通沙壤土的氮素含量；Jacques D[14]等人對包氣帶中水分中有機物和無機物的不同污染進行模擬，對土壤中污染物的變化和遷移進行預測。本文選擇了兩種干旱地區常見的土壤類型，通過田間試驗數據進行數值模擬。旨在通過研究不同類型土壤水鹽運動規律的差異，根據土壤不同的物理組成成分資料對比分析不同類型土壤對排鹽溝排鹽效果的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

田間試驗于2017年在新疆維吾爾自治區石河子市現代節水灌溉兵團重點試驗室試驗基地暨石河子節水灌溉試驗站中進行。試驗站位于新疆維吾爾自治區石河子市西郊大學農試場二連，年均蒸發量1 660 mm，多年平均降水量為207 mm。

1.2 田間試驗

田間試驗共為兩個測坑（A 和B），排鹽淺溝上口寬度分別設置為40 cm，底寬均為25 cm，高為30 cm。觀測點分別為滴灌帶、排鹽溝溝坡及排鹽溝溝底下方10、20、30、40、60、80、100 cm。試驗測坑示意圖見圖1，土壤初始含水量及含鹽率見表1，灌水量見表2。

表1 土壤剖面初始含水量和含鹽量的分布Tab.1 Distribution of initial water content and salt content in soil profile

表2 實際灌水量Tab.2 Actual irrigation amount

1.3 土壤顆粒分析

試驗土壤取自新疆石河子節水灌溉試驗站，并帶到河海大學國家重點試驗室中采用LS I3 320 型號的顆粒分析儀進行顆粒分析試驗。田間土壤的試驗結果按照卡慶斯分類法所得土壤的顆粒分析如表3所示。

表3 土壤顆粒分析結果Tab.3 Resultsofsoilparticleanalysis

1.4 數值模型

根據田間測坑尺寸在HYDRUS-2D[15-17]模型中進行模型構建。測坑長寬均為2 m，以排鹽溝中心線為軸，左右呈現對稱，為了減少模型運算可以簡化模型。將試驗區域根據中心線進行劃分，數值模擬時間確定為一個或兩個灌水周期，灌水前為初始條件，灌水后至下一個或再下一個灌水前為模擬時間段進行數值模擬的，模擬區域以及有限元劃分見圖2。根據實際情況以及模型區域的劃分，分別對圖中各個邊界進行邊界條件設定。

在HYDRUS中根據圖2建立模型，并根據實際田間情況設置各邊界的水分運動條件。其中BC 邊界處中間位置設立2 cm滴灌管入滲區域，其邊界條件為變流量邊界條件，流量設置與實際灌溉一致。上邊界BC 處為變流量邊界條件，變量情況結合氣象站觀測數據進行設定；因實地觀測地下水埋深超過3 m，即下邊界AF處設為自由排水邊界，左右邊界AB、EF處為零通量邊界條件，DE、CD 邊界處為大氣邊界條件，根據氣象數據進行相關設定[18-22]。

2 結果與分析

2.1 不同類型土壤膜下滴灌棉田淺溝排鹽土壤水分運動規律

圖3～圖6 顯示的是兩種不同類型土壤含水率在不同生育期的剖面分布圖。土壤類型分別為壤土及粉壤土，其具體物理組成成分見表3。兩組模擬所選擇的土壤初始含水率、降雨、蒸發、邊界條件及根系吸水模型均相同。

圖3 顯示的是5月10日土壤剖面含水率，為播種后第21天，氣象站記錄環境平均溫度為21.6 ℃，且有少量降雨。從圖3 可以看出，土壤中整體含水率較大，主要是由于2016年冬季降雪量較大，導致春季播種時土壤含水率較高。播種之后，土壤中水分隨著下方自由排水邊界遷移，土壤中水分呈現水平方向上的下降趨勢，同時由于當地干燥的氣候，土壤表層的水分發生了較為均勻的蒸發現象。對比圖3，粉壤土的土壤整體含水率高于壤土的含水率，且其排鹽溝和底部自由排水界面土壤含水率變化量明顯小于壤土。綜合圖3 和圖4、圖（a）中壤土的含水率小于圖（b）中粉壤土含水率，這是由于在相同含水率條件下，粉壤土的非飽和導水率小于壤土，體現為粉壤土的持水性能較好。因此，在蒸發條件相同的情況下，粉壤土中的水分蒸發速度小于壤土，同理，粉壤土的下滲速度緩于壤土，導致粉壤土中整體含水率高于壤土。

圖5為6月4日的土壤含水率圖，需結合6月3日為第一次灌水日作為條件進行分析。灌水后，相比與壤土，粉壤土中水分運動速率較慢，土壤含水率在水平方向和豎直方向上變化較為緩慢。且粉壤土由于其物理性質，其飽和土壤含水率較高，則灌水后最大含水率能達到0.28 cm3/cm3。因此，灌水及降雨的水分能夠在粉壤土表層中停留較長時間。

圖6顯示的8月31日的土壤剖面含水率，為吐絮期最后一次灌水后2日。此時，土壤中含水率分布受到排鹽淺溝影響較為明顯，整體土壤含水率等值線偏向豎直分布，并且在排鹽溝底出現明顯的集中。

2.2 不同類型土壤膜下滴灌棉田淺溝排鹽土壤鹽分運動規律

由于粉壤土的性質，導致其中的水分運動能力比壤土差，也使水中的溶質運動能力相較于壤土更差。圖7～圖10 顯示的是不同類型土壤在生育期內土壤鹽分電導率的分布情況以及變化情況。生育期內，土壤中的鹽分受到蒸發作用向大氣邊界移動；受到灌溉水的影響，滴灌帶下方的鹽分隨著每次灌水不斷向周邊土壤區域中運動，使得土壤根系范圍的鹽分受到了淋洗作用；同時，作物根系在生長過程中不斷吸收水分及鹽分以供作物生長。三種運動共同作用了生育期內土壤鹽分的運動和變化。

圖7 及圖8 顯示的5月10日及6月2日土壤電導率的分布情況，即灌溉初期未灌水時土壤中鹽分分布的基本規律。圖片顯示，土壤中的鹽分水平方向上呈現出較為均勻地分布，在排鹽溝溝底部有少量的積聚現象，但是在排鹽溝溝坡附近，呈現的是較為均勻的水平分布。此階段未灌水，但會出現部分少量降雨，因此，土壤邊坡的土壤鹽分可能較滴頭下方略小，但排鹽溝底部隨著蒸發導致的水分上升，其下方鹽分存在一定的積聚現象。

對比分析圖7～圖10，顯示的是壤土和粉壤土的在生育期不同時期土壤剖面電導率的分布情況。土壤中鹽分分布與水分分布基本一致。圖9 至圖10 分別是灌水后1 天、3 天后土壤中鹽分的分布情況。通過對比（a）、（b）圖，粉壤土土壤電導率在水平方向上的變化小于壤土，滴頭正下方處集中部位的土壤鹽分淋洗效果不明顯，而壤土滴灌帶下方有明顯的折線，表面此部位電導率下降明顯。對比（a）、（b）兩圖，壤土土壤電導率在排鹽溝附近未能呈現較好的積聚現象，而粉壤土電導率在水平方向上整體呈現下降趨勢，且在排鹽溝邊坡處有明顯的積聚現象。則對于分析可得，由于粉壤土對水分的黏滯性，土壤中鹽分不易通過水分沖刷而進行排鹽，但其鹽分主要集中于排鹽溝坡及排鹽溝底部，因此，可以主要選擇排鹽溝溝坡較陡的排鹽溝，并且考慮通過機械刮土的方式進行排鹽。

3 討論與結論

（1）根據壤土及粉壤土土壤組成及土壤性質可以看出，粉壤土黏粒及粉粒含量較高，導致土壤的非飽和導水率較差，相對于壤土，其持水性能更好；根據土壤導水率及模擬對比結果可以看出，粉壤土中鹽分積聚相對于壤土較強，導致各土層土壤鹽分在水分變化邊界積聚較明顯，土壤鹽分淋洗效果略差。

（2）對比壤土和粉壤土在不同時期的水分變化情況及鹽分變化情況可以得出：相對于壤土，粉壤土的鹽分更偏向于積聚在土壤邊坡上，且其鹽分積聚效果比壤土更為明顯；相對于壤土，淺溝排鹽的模式更適用于粉壤土，且粉壤土而更適合采用機械刮土的方式對排鹽溝溝壁進行排鹽。對于水資源緊缺的干旱地區，相對于傳統春澆、秋澆等方法，鹽堿度較高的粉壤土地區，可以利用淺溝排鹽及機械刮土的方式進行土壤鹽分的排除，避免大面積土壤鹽漬化。