地下加氣滲灌對土壤水分入滲速率及水鹽分布的影響

王學成，王則玉，姚寶林，朱 珠，劉 冉

(1.塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆阿拉爾 843300；2. 塔里木大學現代農業工程重點實驗室，新疆阿拉爾 843300；3. 新疆農業科學研究院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830000)

0 引 言

【研究意義】水資源不足和土壤鹽漬化嚴重是制約干旱及半干旱地區農業發展的重要因素[1，2]。新疆南疆地處內陸干旱區，降水少且蒸發強烈，水資源嚴重匱乏，鹽堿土分布廣泛[3]。研究土壤水鹽運移規律，對新疆南疆鹽堿地改良具有重要意義。【前人研究進展】地下灌溉技術是將灌溉水通過埋入地下的灌水器運送到作物根系生長的土壤中，具有保持土壤原有結構和有效減少土壤表面水分蒸發損失的效果，是一種高效節水灌溉方法[4，5]。目前針對地下灌溉的研究多集中在作物生長方面[6～8]和各種地下灌溉模式對土壤濕潤體大小形狀、濕潤體內部水分分布情況等[9～11]。微孔滲灌是近年來應用的一種地下灌溉技術。滲灌管出水孔均勻密集，灌溉過程不同于滴灌的“點源”模式，可以看作“線源”狀的連續地下灌溉技術，可有效防止水分向深層入滲、土壤空穴等現象，并具有抗堵塞性能強、使用成本低等優點[12]。加氣灌溉技術是地下灌溉技術的進一步發展[13，14]，現階段對加氣灌溉的研究多集中在對作物生長發育方面，馬筱建等[15]的研究表明，加氣灌溉對促進芹菜生長具有一定的正效應，其中滲灌加氣處理較不加氣處理增產2.0%，地下滴灌加氣處理較不加氣處理增產5.1%；李元等[16]研究表明，加氣灌溉能顯著提高果實的品質及產量，且加氣頻率、滴灌帶埋深和灌水控制對果實的品質，形態及產量的影響依次降低，滴灌帶埋深為 25 cm，每天加氣 1 次處理的甜瓜果實品質及果實形態指標最好，產量最高；楊文龍等[17]研究表明，加氣灌溉在促進植株生長發育的同時，也有效提高了作物產量和品質。【本研究切入點】針對不同加氣灌溉模式下土壤入滲特征及對土壤中水鹽分布情況研究較少。土壤水鹽分布情況對作物生長具有重要影響，并且土壤中水鹽的分布與水分入滲特征之間有著密切關系，不同的灌溉方式造成水分入滲特征不同，影響土壤中鹽分分布[18]。需研究地下加氣滲灌對土壤水分入滲速率及水鹽分布的影響。【擬解決的關鍵問題】研究不同加氣滲灌模式下土壤入滲特征及水鹽運移規律，為加氣灌溉技術在南疆地區推廣和節水灌溉技術及鹽堿地改良技術提供參考。

1 材料與方法

試驗于2021年3月1日至5月10日在新疆生產建設兵團阿拉爾市塔里木大學節水灌溉試驗基地(81°17′E，40°32′N，海拔1 108 m)進行。使用土箱裝土，土箱長寬高尺寸為150 cm×60 cm×110 cm，供試土壤為田間原狀砂壤土，初始電導率為725 μS/cm。將土風干后過2 mm篩，按5 cm 1層裝入土箱，土壤容重為1.40 g/cm3。層間打毛，土壤初始含水率為1%。

試驗設置加氣量與加氣時間段2個因素，加氣量設置V(A1)，1.5V(A2)2個水平。V為標準加氣量，標準加氣量采用公式[19]計算：

式中，V-標準加氣量，SL-土箱橫截面積，6 600 cm2，L-土箱長，120 cm，ρb-土壤容重，1.40 g/cm3，ρs-土壤密度2.67 g/cm3。

得到每次標準加氣量為 396 L，依據氣泵功率轉化為標準加氣時間。加氣時間段設置為灌水之前加氣(B1)、灌水中間段加氣(B2)2個水平，并設置對照組CK(不加氣)，共計5個處理，每個處理設置3個重復，共計15個試驗小區，每小區為一個土箱。表1

表1 試驗設計Table 1 Test design

采用馬氏瓶恒定供水，馬氏瓶內液面高度保持在1.5 m。加氣泵加氣，泵功率為55 W，出氣量為30 L/min。滲灌管埋入土下20 cm，滲灌管一端封閉，另一端連接氣泵及馬氏瓶。各處理灌水量一致，均設置為13 L。灌水過程中每5 min記錄1次灌水量，隨著入滲速率越來越慢，記錄時間間隔逐漸放大為10、15、 30和60 min。圖1

注:1、馬氏瓶 2、氣泵 3、4、5、球閥 6、土箱

灌水結束后靜置24 h取土，以滲灌管鋪設位置為參考位置0 cm，沿垂直于滲灌管方向向兩側0、 5、10、15 cm處取樣，每個位置在一維縱深處取樣，深度間隔為5 cm，直至濕潤體邊緣。采用烘干質量法測定土壤質量含水率，使用電導率儀(DDSJ-308A)測定土壤電導率值。圖 2

脫鹽率計算公式[20]如下：

脫鹽率=(Ec0-Ec1)/Ec0×100%.

式中，Ec0-初始電導率(μS/cm)，Ec1-灌水結束后電導率(μS/cm)。

使用Microsoft Excel 2019統計數據，Origin 2018 進行制圖，并采用SPSS 22.0對數據進行單因素方差分析。

圖2 取樣點Fig.2 Sampling point (cm)

2 結果與分析

2.1 不同加氣處理對土壤入滲特征的影響

研究表明，各加氣處理灌水結束時間各不相同。其中CK處理灌水時間最長為345 min，T4灌水時間最短為195 min，各處理灌水時長CK>T1>T2>T3>T4。T1、T2、T3、T4處理灌水時間較CK處理分別縮短8.70%、28.99%、31.88%、43.48%。灌溉開始時灌前加氣處理較其他處理水分入滲更快，其中T3處理最快，達到400 mL/min。T1處理次之，為330 mL/min。各處理隨著時間的增長，入滲速率逐步降低。灌水前加氣處理在75 min之前累計灌水量最大，T1、T3處理較不加氣分別上升11.54%，16.75%。T1、T3處理在75 min之前水分平均入滲速率較不加氣分別提高16.21%、23.38%。灌水中間段加氣處理在灌水時間為75 min時加氣后水分入滲速率有上升趨勢，T2處理上升10.31%，T4處理上升14.63%。T2與T4處理灌水中間段加氣之后的75～195 min中，較不加氣的CK處理水分平均入滲速率分別提高 40.10%，46.23%。圖3，圖4

2.2 不同加氣處理對土壤濕潤體內水分空間分布及均勻性影響

研究表明，加氣處理通過影響水分在土壤中的入滲速率，進而影響到土壤濕潤體的體積大小。滲灌管埋入地表下20 cm處，不同加氣處理濕潤體在垂直方向上均處于滲灌管偏下位置，水平方向上均為對稱關系。隨著距離滲灌管越來越遠，土壤平均質量含水率越來越低。

圖3 不同加氣處理下累計入滲量變化Fig.3 Effect of different aeration treatments on cumulative infiltration

圖4 不同加氣處理下入滲速率變化Fig.4 Effect of different aeration treatments on infiltration rate

各處理濕潤體范圍在垂直方向上各不相同，CK、T1、T2、T3、T4處理濕潤體分別分布于土壤表層下5～40 cm、5～42 cm、3～45 cm、5～43 cm、3～44 cm，加氣處理對水分滲灌管上方擴散影響不大，但對水分向滲灌管下方擴散具有一定影響，灌前加氣與灌水中間段加氣處理較不加氣處理豎直方向擴散距離增加3～5 cm。當加氣量相同時，灌水中間段加氣較灌前加氣水分在豎直方向擴散距離更大。各處理濕潤體水平方向濕潤峰均擴散至20～25 cm處。CK、T1、T2、T3、T4處理在距離滲灌管水平距離0 cm，土壤土層深度為10～40 cm中的20～30 cm一維縱深處土壤平均質量含水率分別為16.2%、13.31%、14.61%、13.07%、13.21%，其他濕潤范圍質量含水率平均值分別為8.62%、9.82%、11.05%、10.63%、11.59%。CK、T1、T2、T3、T4處理在距離滲灌管水平距離10 cm，土壤土層深度為10～40 cm濕潤體內一維縱深處，土壤平均質量含水率分別為8.82%、9.96%、10.36%、9.91%、10.23%。各處理在距離滲灌管水平距離15 cm，土壤土層深度為15～35 cm濕潤體內部一維縱深處，土壤平均質量含水率分別為5.68%、8.65%、8.72%、8.74%、9.49%。CK 處理較加氣處理在滲灌管附近處土壤含水率高，但在距離滲灌管較遠的濕潤體邊緣位置土壤質量含水率低于各加氣處理，加氣處理可以促進水分在濕潤體內部的運動，使得濕潤體內水分分布較CK更為均勻。加氣量相同的情況下，灌水中間段加氣較灌前加氣濕潤體內質量含水率更為均勻，濕潤體體積也更大。隨著加氣量的增加，水分擴散的范圍及水分在濕潤體內部的均勻程度都有所提高。圖5

T4

2.3 不同加氣處理對土壤中鹽分分布影響

研究表明，各處理在滲灌管附近區域形成一定淡化脫鹽區域，并在濕潤峰處發生一定積鹽現象。各處理水分運移范圍及均勻性各不相同，對應的所產生的脫鹽區域也有差異。CK處理滲灌管上部脫鹽區域位于0～10 cm，滲灌管下部0～15 cm。T1及T3處理脫鹽區域為滲灌管上部0～10 cm，滲灌管下部0～20 cm。T2及T4處理脫鹽區域為滲灌管上部0～15 cm，滲灌管下部0～20 cm。加氣處理較不加氣處理脫鹽區域更大，加氣量相同時灌水中間段加氣較灌前加氣脫鹽區域更大。圖6

CK

T1

T2

T3

T4

滲灌管上方0～10 cm處，T4脫鹽率最高，為74.43%。CK處理脫鹽率最低，為62.34%。T4處理與CK處理之間具有顯著性差異，其他各處理之間不具有顯著性差異。滲灌管下方0～10 cm處T4脫鹽率最高，為80.58%，T2處理次之。CK處理最低，為65.21%。CK處理與T2、T3、T4之間均具有顯著差異性，與其他各處理之間不具有顯著性差異。滲灌管下方10～15 cm處T4脫鹽率最高為80.41%，CK處理脫鹽率為58.48%，CK與T1之間不具顯著差異性，但與T2、T3與T4處理之間具有顯著差異性。滲灌管下方15～20 cm處，CK處理為積鹽區域，積鹽率為60.52%，其余各處理之間均具有顯著差異性，脫鹽效果為T4>T2>T3>T1。滲灌管上方10～15 cm處，CK，T1、T2處理為積鹽區域，但T2與T4之間仍為脫鹽區域，T4脫鹽率為24.55%。T2脫鹽率為5.06%。各處理在滲灌管上方10～15 cm處均為積鹽區域。在滲灌管上方0～10 cm脫鹽區域處T3、T4脫鹽效果最好，脫鹽率分別為57.93%，60.21%，并且與CK，T1、T2處理均有顯著性差異。在滲灌管下方0～10 cm脫鹽區域處T4處理脫鹽效果最好，為73.28%，T2處理次之。CK處理脫鹽率為45.15%，與加氣處理間均具有顯著性差異，其他各組之間不具有顯著差異。在滲灌管下方10～15 cm脫鹽區域為CK、T1、T3處理靠近濕潤峰處脫鹽區域，脫鹽率分別為10.55%、14.83%、36.14%。T2、T4處理脫鹽區域達到15～20 cm。加氣時間段因素較加氣量因素對滲灌管下方脫鹽效果及脫鹽范圍的影響更大。同等加氣量處理下，灌水中間段加氣較灌前加氣效果更好。表2，表3

表2 距滲灌管0 cm一維縱深處脫鹽率/積鹽率Table 2 Desalination rate / salt accumulation rate in one dimensional longitudinal depth 0 cm away from the infiltration irrigation pipe(%)

表3 距滲灌管10 cm一維縱深處脫鹽率/積鹽率Table 3 Desalination rate / salt accumulation rate in one-dimensional longitudinal depth 10 cm away from infiltration irrigation pipe(%)

3 討 論

鹽分及水分在土壤中的分布對作物的生長發育具有重要意義[21]。試驗研究發現，加氣處理下水分在土壤中入滲速率要高于CK處理，這是由于加氣后土壤內部孔隙變大，水分在土壤中的流通性也隨之變強，與朱艷等[22]和Bhattarai等[23]研究發現加氣灌溉可以提高土壤充氣孔隙度，增加土壤通氣性的結論一致。當不進行加氣處理時，滲灌管附近區域土壤處于持續的飽和濕潤狀態，限制了土壤孔隙中水分的移動性，灌水時間變長，水分在濕潤體內運移受到阻礙，因此導致濕潤體內土壤水分布不均勻，與Meek等[24]研究發現土壤持續飽和狀態下水分移動緩慢的研究結論相一致。根據“鹽隨水來，鹽隨水去”的水鹽運移規律，水分運移范圍變大對應的鹽分運移范圍也隨之變大。灌水中間段加氣的脫鹽范圍及鹽分淋洗效果較灌前加氣都有所提升，因為灌水一段時間后，鹽分在濕潤體內部向周圍運動的過程中，不斷地進行積累，使得鹽分離子的運移變得越來越困難，最終在濕潤峰處形成積鹽區域[25]。灌水中間段加氣會在鹽分積累的過程中再次為積累的鹽分離子及水分打通毛細管道，促進鹽分離子在濕潤體內部的運移[26]，擴大脫鹽區域并增強對鹽分的淋洗效果。

4 結 論

4.1加氣處理能有效提高水分在土壤中的入滲速率，并且加氣處理的地下滲灌模式較不加氣處理濕潤體體積更大，水分分布更為均勻，濕潤體內脫鹽區域及脫鹽率都有提高，尤其是滲灌管下方0～10 cm脫鹽區域，各加氣處理與不加氣處理之間脫鹽率均具有顯著性差異。

4.2當加氣時間段一致時，1.5倍標準加氣量較1倍標準加氣量處理水分平均入滲速率、濕潤體體積、水分分布均勻程度及脫鹽效果都有顯著提升效果。可以通過提升加氣量的方法，增大水分在土壤中的擴散區域及脫鹽區域并提升水分入滲速率。

4.3加氣量相同時，灌水中間段加氣較灌水前加氣在濕潤體內部水分分布均勻程度及脫鹽范圍面積方面都有提高，灌水中間段加氣較灌前加氣在節水及鹽分淋洗方面效果更好。

加氣滲灌可以促進水分在濕潤體內部的運動，并且可以擴大鹽分淋洗范圍。隨著加氣量的增加，效果更為顯著，且灌水中間段加氣的作用要高于灌水前加氣。