滯后連續(xù)滴水的自動(dòng)化三管對(duì)北疆棉田濕潤體鹽分的影響

阿依波爾·達(dá)吾列提開來得，董文明，葉爾古麗·奴爾沙哈提，穆哈西

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院/新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

土壤鹽堿化是在干旱、半干旱條件下，不合理灌溉及管理不當(dāng)所造成的土壤退化(鹽堿化)問題，也是世界關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來，地下水源的礦化度增大，導(dǎo)致鹽堿地的面積不斷擴(kuò)大，隨著鹽堿化面積的擴(kuò)大，采用大水漫灌控制鹽分的壓鹽用水量也增多。目前使用滴灌技術(shù)可節(jié)約了部分灌溉用水量，但是滴灌條件下鹽分積累在濕潤鋒邊緣，由于單個(gè)滴灌滴頭流量及濕潤體較小，無法淋洗作物根系發(fā)育范圍內(nèi)的鹽分，所以土壤的鹽堿化日益加劇直接影響作物根系，導(dǎo)致作物的產(chǎn)量降低甚至絕產(chǎn)(如圖1所示)，因而研究作物根系發(fā)育范圍內(nèi)鹽分的意義很大。

目前國內(nèi)外改良鹽堿地的研究成果以下幾個(gè)方面：(1)土壤鹽堿化與地下水位的關(guān)系研究；(2)大型工程對(duì)于土壤鹽堿化發(fā)生的季節(jié)性和梯度表現(xiàn)的研究；(3)秸稈條件下土壤水鹽的變化規(guī)律研究；(4)大水壓鹽對(duì)水鹽的變化趨勢研究等；(5)新疆許多學(xué)者的研究主要集中在對(duì)滴灌條件下水分在土壤中的入滲規(guī)律及濕潤體的變化，有些研究者采用數(shù)值計(jì)算的方法模擬計(jì)算了單個(gè)滴頭對(duì)土壤濕潤體水鹽的分布情況，證明了土壤鹽分積累在濕潤體邊緣，但是作物根系范圍內(nèi)積累的鹽分仍然存在(如圖2所示)。由于滴灌條件下土壤鹽分積累在濕潤體邊緣，所以新疆采用每年2～3次大水漫灌壓鹽的方法控制鹽分(如圖3所示)，秋季一次平均壓鹽用水定額為3000～4500 m/hm甚至更多。近年來，由于新開墾面積增大，水資源短缺和土壤的鹽堿化已成為新疆農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的障礙。

圖1 鹽堿化的滴灌棉田

圖2 滴灌濕潤體邊緣積累的鹽分 圖3 漫灌的核桃地

新疆降雨稀少、蒸發(fā)量大、水資源短缺，在滴灌時(shí)不僅鹽分積累在濕潤鋒邊緣，而且滴灌淋洗鹽分的范圍小。因而作者以滴灌條件下鹽分積累在濕潤體邊緣為切入點(diǎn)，采用三條管滯后連續(xù)滴水的方法擴(kuò)大濕潤體的脫鹽范圍，淋洗根系發(fā)育范圍內(nèi)積累的鹽分，降低根系發(fā)育范圍內(nèi)積累的鹽分對(duì)作物的影響。根據(jù)滴灌條件下鹽分積累在濕潤體邊緣的情況，將現(xiàn)有的滴灌改為滯后連續(xù)滴水的自動(dòng)化裝置，即“一種追壓濕潤鋒邊積累鹽分的自動(dòng)化三管裝置”。根據(jù)濕潤體內(nèi)檢測的鹽含量來確定毛管間距及滴水時(shí)間間隔。在此基礎(chǔ)上，采用滴頭錯(cuò)位布置的三管滯后連續(xù)滴水的方法，灌水4次后濕潤體的40 cm處取土檢測鹽分，從而揭示其淋洗作物根系發(fā)育范圍內(nèi)的鹽分，為節(jié)水淋洗毛根系發(fā)育范圍內(nèi)的鹽分提供科學(xué)和實(shí)踐依據(jù)。

1材料與方法

1.1水樣和土樣的取樣及測定方法

試驗(yàn)于2019年4月至2021年9月新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，最高溫度25℃，最低溫度20℃。試驗(yàn)土取自呼圖壁縣二十里店棉花地，試驗(yàn)土為以硫酸根離子為主的鹽土。土樣不同深度平均初始鹽量(離子總量)為10.53 g/kg，取土深度為0～60 cm，pH=8.52(如表1所示)，初始含水率為6%，土壤容重為1.25 g/cm，水樣的pH=8.62，灌溉水源初始含鹽量(離子總量)9.5 g/kg(當(dāng)?shù)氐乃龉喔人?。試驗(yàn)設(shè)備有環(huán)刀、土鉆、尺子、烘干箱、鋁盒、電子秤、水箱、滴灌管、毛管及滴頭。

對(duì)試驗(yàn)土進(jìn)行碾壓、曬干、粉碎、過篩后，分層夯實(shí)裝在土箱內(nèi)，土壤容重調(diào)節(jié)為1.25 g/cm，試驗(yàn)土箱的長度和寬度為2 m，深度為1 m，試驗(yàn)5個(gè)土箱內(nèi)分別進(jìn)行(重復(fù)一次)。土壤含水量采用烘干法，土壤容重采用環(huán)刀法，水樣和土樣鹽分測定采用溶液法。

表1 灌溉水源和試驗(yàn)地土樣的初始狀況(g/kg)

1.2試驗(yàn)參數(shù)的選定

1)毛管間距的確定。根據(jù)土壤對(duì)水分的吸濕能力和土壤參數(shù)(包括土壤性質(zhì)、容重、初始含鹽量及土壤含水量)的基礎(chǔ)上，毛管直徑為φ16、滴頭間距為20 cm，滴頭流量為3 L/h，中心的1號(hào)毛管為基準(zhǔn)，中心的1號(hào)管滴水2 小時(shí)后結(jié)束試驗(yàn)，采用曬干濕潤體的方法和濕潤體內(nèi)水平和垂直不同梯度取土檢測含鹽量的方法，然后根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較確定毛管間距，也就是確定1號(hào)毛管左右兩側(cè)的2號(hào)毛管和3號(hào)毛管的安裝位置。

表2 三種1號(hào)管兩側(cè)毛管間距方案的濕潤體和脫鹽半徑比較

2)最優(yōu)方案的確定(如表2所示)。方案1是在毛管間距為10 cm，滴頭流量3 L/h的條件下，當(dāng)?shù)喂嗟晤^滴水時(shí)間2 小時(shí)時(shí)，不僅土壤濕潤體半徑較小，而且出現(xiàn)地面積水的現(xiàn)象，濕潤體曬干7天后，在濕潤體邊緣積累的鹽分反彈后脫鹽半徑變小；方案2是在滴頭流量和滴水時(shí)間不變，毛管間距為15 cm的條件，可避免地面積水，濕潤體曬干7天后，在濕潤體內(nèi)的鹽分反彈后的脫鹽半徑較大，可覆蓋根系的發(fā)育范圍，因此，毛管間距適當(dāng)；方案3是滴頭流量和滴水時(shí)間不變，毛管間距為20 cm的條件，滴水后，土壤濕潤體和脫鹽半徑都大，但是中心1號(hào)管與左右兩側(cè)毛管(1號(hào)和2號(hào))濕潤體間產(chǎn)生交匯鋒，淋洗濕潤體交匯鋒之間鹽分的能力降低，淋洗鹽分的效果不理想。因此，中心管左右兩側(cè)的毛管分別安裝在中心1號(hào)毛管的15 cm處最合適。

1.3自動(dòng)化三管滴水概況

1)基本思路。自動(dòng)化三管滴水由兩個(gè)部分組成：一是中心1號(hào)毛管滴水2 小時(shí)后結(jié)束試驗(yàn)，采用濕潤體內(nèi)取土和曬干剖面法，以滴灌濕潤體的大小和含鹽量及剖面鹽分的反彈足跡為依據(jù)，確定中心1號(hào)毛管兩側(cè)的2號(hào)和3號(hào)毛管的安裝位置；二是根據(jù)試驗(yàn)1的結(jié)果，另一土箱內(nèi)1號(hào)毛管的左右兩側(cè)安裝2號(hào)和3號(hào)毛管，中心1號(hào)毛管滴水2小時(shí)后，2號(hào)和3號(hào)毛管開始滴水，這時(shí)三支毛管同時(shí)滴水，且同時(shí)滴水2小時(shí)后停水，這樣灌水4次后三條毛管的濕潤體曲線如圖4所示。

2)自動(dòng)化過程。自動(dòng)化裝置由支管、3條毛管、機(jī)電箱、繼電器、時(shí)間繼電器及1和2號(hào)球閥組成(如圖5所示)。繼電器和時(shí)間繼電器安裝在機(jī)電箱內(nèi)，繼電器的一邊與電源相連，另一邊與1號(hào)和2號(hào)球閥相連；其中1號(hào)球閥來控制總灌水量、停水時(shí)間及灌水周期， 2號(hào)球閥來控制2號(hào)毛管和3號(hào)毛管的滴水時(shí)間。用繼電器檢測電源開關(guān)及電磁閥的正常狀況，然后自動(dòng)開啟1號(hào)球閥，設(shè)定的2小時(shí)(可調(diào)節(jié))滴水時(shí)間作業(yè)完工后，2號(hào)球閥自動(dòng)開啟，這時(shí)三支毛管同時(shí)滴水，且滴水2小時(shí)后自動(dòng)停水。

3)滯后連續(xù)滴水。中心的1號(hào)毛管滴水2小時(shí)后2號(hào)和3號(hào)毛管開始滴水，這時(shí)三條毛管同時(shí)滴水2小時(shí)后同時(shí)停水。如1號(hào)毛管從8:00開始滴水12:00停水，2號(hào)和3號(hào)毛管從10:00開始滴水12:00停水(如圖6所示)。

圖4 三管灌水4次后的濕潤體

圖5 三管的自動(dòng)化示意圖 圖6 三管的滴水規(guī)律

1.4數(shù)據(jù)的測定方法

1)確定濕潤體含鹽量檢測點(diǎn)的方法。根據(jù)已確定的參數(shù)，滴頭間距為20 cm，滴頭流量為3 L/h，毛管間距為15 cm，滴頭錯(cuò)位布置的條件下灌水4次(如圖7所示)。在此基礎(chǔ)上，以濕潤體曬干7天后的鹽分反彈足跡為依據(jù)，滴灌的濕潤體內(nèi)每10 cm和不同深度取土檢測含鹽量(如圖8所示)，共取土檢測10個(gè)點(diǎn)的含鹽量(八大離子)。由于檢測鹽分的點(diǎn)數(shù)和數(shù)據(jù)多, 為清楚地解釋植物根系發(fā)育范圍內(nèi)鹽分的變化情況，選擇檢測鹽分分析點(diǎn)的位置是非常重要。

2)檢測鹽分分析點(diǎn)位置的選擇。檢測結(jié)果表明：濕潤體隨灌水次數(shù)的增多而變大，濕潤體內(nèi)鹽分也向濕潤體邊緣方向運(yùn)移(積累)，濕潤體脫鹽邊界線內(nèi)的鹽分逐漸降低，鹽分積累在濕潤體邊緣；濕潤體剖面曬干7天后鹽分的反彈距為5 cm，濕潤體內(nèi)的鹽分只反彈在過渡區(qū)內(nèi)(如圖7和8所示)；棉花根系的發(fā)育范圍主要分布在10～40 cm的深度,水平分布在距主干0～40 cm的范圍。綜合上述3種原因，對(duì)濕潤體40 cm處檢測的含鹽量進(jìn)行分析(如圖8所示)。在此基礎(chǔ)上，以土樣初始含鹽量的均值為依據(jù)，與檢測鹽分的均值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算濕潤體含鹽量的降低量。

2結(jié)果與分析

2.1濕潤體的40 cm處不同深度鹽分的變化過程

三管滯后連續(xù)滴水所產(chǎn)生濕潤體如圖8所示。灌水4次后濕潤體的40 cm處不同深度取土檢測鹽分(如表3所示)。結(jié)果表明：濕潤體內(nèi)的鹽分隨灌水次數(shù)的增多而降低，濕潤體內(nèi)鹽分逐漸向濕潤體邊緣積累，深度為60 cm以上的鹽分呈降低趨勢，脫鹽效果很明顯；含鹽量的平均值按大小排為：SO>K+Na>Cl>Ca>HCO>Mg。

表3 灌水4次后土壤不同深度的含鹽量(g/kg)

2.2濕潤體水平40 cm處不同深度鹽分的降低量

不同深度的土樣初始含鹽量減去灌水4次后不同深度的含鹽量可獲得鹽分降低量(如表4所示)。土壤不同深度的鹽分降低量按大小排為：SO>K+Na>Ca>HCO>Mg> Cl。

2.3總體分析

土樣初始含鹽量均值和灌水4次后的含鹽量均值繪制濕潤體鹽分的垂直及平均方向的運(yùn)移過程(如圖9所示)。結(jié)果表明：土壤初始含鹽量均值B曲線(來自表1的最后一列)，灌水4次后鹽含量的均值A(chǔ)曲線(來自表3的最后一列)，A和B曲線的差值表明含鹽量的降低量；在濕潤體的水平40 cm處不同深度含鹽量的降低量有所不同，易溶鹽含量多降低量也多，反之相反(如圖10所示)；濕潤體的30 cm以內(nèi)的淋洗鹽分的效果好，30 cm以外降低的含鹽量少。這進(jìn)一步表明鹽分積累在濕潤體邊緣的原理。

表4 灌水4次后土壤不同深度的鹽分降低量(g/kg)

圖9 灌水前后含鹽量的變化

圖10 不同深度含鹽量的低過程線

不同深度鹽分的降低量不僅跟灌水次數(shù)有關(guān)，而且跟不同深度土壤容重及易溶鹽的多少也有關(guān)系。在三管滯后連續(xù)滴水的條件下，灌水4次后深度為0～50 cm之間的鹽分呈不斷降低趨勢，尤其是深為0～30 cm處的降低量最多。SO在土深為0～40 cm范圍內(nèi)的降低量較大，其余的鹽分逐漸降低向濕潤體邊緣運(yùn)移。說明濕潤體內(nèi)的含鹽量隨灌水次數(shù)的增多而向濕潤體邊緣運(yùn)移，逐步積累在濕潤體邊緣。

3討論與結(jié)論

植物根系的發(fā)育范圍因種類不同而有差異，寧夏1號(hào)枸杞垂直根系主要分布在20～40 cm的深度,水平根系主要分布在距樹干0～14 cm的范圍；玉米80%的毛根系垂直分布在50 cm的深度以內(nèi),水平根分布在距玉米干的35 cm范圍之內(nèi)；葡萄80%的垂直根系主要分布在60 cm的深度以內(nèi),水平根系主要分布在距葡萄干的40 cm范圍。本研究結(jié)果表明：在三管滯后連續(xù)滴水的條件下，濕潤體40 cm的鹽分滿足密植作物棉花、玉米、枸杞、葡萄等作物毛根系的發(fā)育范圍的淋洗要求，這與土壤水鹽隨水運(yùn)移的規(guī)律一致。

為摸清呼圖壁縣二十里店棉花地的鹽堿化原因，以當(dāng)?shù)氐耐寥篮退礊椴牧希谕寥廊葜睾偷嗡恳讯ǖ臈l件下，采用滴頭錯(cuò)位布置的三管滯后連續(xù)滴水的方法，灌水4次后，滴灌的濕潤體內(nèi)每10 cm和不同深度取土檢測含鹽量(八大離子)。根據(jù)棉花毛根系的發(fā)育范圍及鹽分的運(yùn)移過程進(jìn)行分析，揭示其淋洗根系發(fā)育范圍內(nèi)的鹽分變化，為節(jié)水洗鹽提供科學(xué)和實(shí)踐依據(jù)。

本研究表明：在三管滯后連續(xù)滴水的條件下，濕潤體曬干7天后，鹽分的反彈距為5 cm，濕潤體40 cm的鹽分隨灌水次數(shù)的增多而降低，離滴頭越遠(yuǎn)濕潤體邊緣積累的鹽分越多，鹽分積累在濕潤體邊緣；采用三管滯后連續(xù)滴水的方法，可以擴(kuò)大脫鹽范圍、降低鹽分對(duì)作物根系的影響；采用三管滯后連續(xù)滴水4次后，土壤含鹽量降低，不同深度鹽分的降低量不僅跟灌水次數(shù)有關(guān)，而且跟不同深度土壤容重及易溶鹽的多少有關(guān)；通過三管滯后連續(xù)滴水的方法針對(duì)性滴水把濕潤體內(nèi)積累的鹽分往外追壓，從而擴(kuò)大濕潤體脫鹽范圍。