徐亞南，李明思

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

滴灌具有“淺灌勤灌”的特點(diǎn)，相對于地面灌溉而言，滴灌頻率較高。前人的研究指出[1-4]，高頻滴灌可以抑制作物根區(qū)土壤鹽分。Behera等[5]和Reedy等[6]通過田間與室內(nèi)的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，少量多次灌溉對土壤溶質(zhì)的淋洗效率要高于一次性大水量灌溉的淋洗效率，但這會增加深層滲漏量。然而也有不少試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)[7,8]，灌水頻率高、單次灌水量較小時(shí)，很難影響到深層的土壤鹽分，導(dǎo)致溶質(zhì)淋洗效率降低，特別是在蒸發(fā)強(qiáng)烈地區(qū)，這種現(xiàn)象尤為明顯。

目前，學(xué)者們對高頻灌溉下的土壤鹽分運(yùn)移情況得到不同的試驗(yàn)結(jié)果；對于高頻灌溉是否產(chǎn)生深層滲漏以及濕潤層的鹽分去向等問題認(rèn)識并不統(tǒng)一。其原因在于對高頻灌溉的抑鹽機(jī)理尚不明確。高頻滴灌中，灌水起著淋洗土壤鹽分的作用；而滴水間隔期間的蒸發(fā)起著土壤返鹽的作用。所以，高頻滴灌的抑鹽作用實(shí)際上是洗鹽與返鹽之間的博弈結(jié)果。但是，灌水頻率的變化(單次滴水量與滴水間隔天數(shù)之間的關(guān)系)與抑鹽效果之間的關(guān)系問題還需要做深入的研究。本文基于室內(nèi)土槽試驗(yàn)，在滴水總量相同、而滴水頻率不同的條件下，從滴水入滲和蒸發(fā)2個(gè)過程比較土壤鹽分垂直下移和垂直上升返鹽的運(yùn)移規(guī)律，分析并探討滴灌頻率對土壤鹽分運(yùn)移的影響過程。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2016年4-9月在石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院水利與土木工程實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行(經(jīng)度44°18′25N，緯度86°03′27E，海拔451 m)，年平均氣溫6.1 ℃，年降雨量208 mm，蒸發(fā)量為1 967 mm,無霜期160～170 d，大于10 ℃積溫 3 693 ℃，年輻射總量5 392 MJ/m2，年日照2 680 h，為典型的半干旱生態(tài)類型。

供試土壤物理黏粒(<0.01 mm)量為28.87%，按照卡慶斯基土壤基本質(zhì)地分類法定為中壤土。其原狀土壤的干容重為1.49 g/cm3；孔隙率為44.57%；飽和質(zhì)量含水率為29.91%；田間持水率(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))為26.56%。用美國SEC公司生產(chǎn)的1500F1型壓力膜儀測得土壤水分特征曲線如式(1)所示。

S=19 627 387 e-1.168 543 θg(R= 0.941 5)

(1)

式中：S為土壤水吸力，MPa；θg為土壤質(zhì)量含水率，%；R為相關(guān)系數(shù)。

為便于取樣，本試驗(yàn)在玻璃土槽中進(jìn)行，玻璃土槽尺寸為100 cm×20 cm×80 cm。土槽底部鋪10 cm厚度的細(xì)礫石墊層，上覆多孔PVC隔板，板厚10 mm，板上孔距50 mm×50 mm。試驗(yàn)前先將土壤風(fēng)干、磨碎，過2 mm篩以去除雜質(zhì)，裝土?xí)r按照設(shè)計(jì)容重分層裝填，每裝填5 cm厚壓實(shí)，各層之間表面刷毛以保證上下土層接觸良好。土槽裝填總高度60 cm。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)滴灌頻率處理，總滴水量都為10 L，滴頭設(shè)計(jì)流量為1 L/h。各處理設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)處理方法

試驗(yàn)指標(biāo)均在自然蒸發(fā)條件下測得。各處理的土壤鹽分本底值以及初始含水率如表2所示。

表2 各處理土壤本底值

注：C為土壤鹽分含量，g/kg；θg為土壤質(zhì)量含水率，%。

滴水停止24 h后即可取樣。處理IF1取樣5次；處理IF2取樣3次。為了解表土蒸發(fā)對鹽分運(yùn)動過程的影響，對處理IF3灌水后24 h和48 h各取樣一次，共取樣4次；IF4(4 d)灌水后24、48和72 h各取樣一次，共取樣3次。采用直徑1 cm土鉆分別在水平方向和垂直方向取土樣。其中，水平方向以滴水點(diǎn)為對稱點(diǎn)，向兩邊±5 cm和±15 cm布置取樣點(diǎn)；垂直方向每10 cm土層深度設(shè)一取樣點(diǎn)，從表土一直取到60 cm深度。

1.3 測定項(xiàng)目

采用烘干法測定土壤含水率。用烘干殘?jiān)y土壤含鹽量。其中，用DDS-11A型(上海雷磁)數(shù)顯電導(dǎo)率儀測定土壤浸出液的電導(dǎo)率；然后在105 ℃的干燥箱中烘干殘?jiān)?用過氧化氫處理土壤有機(jī)質(zhì))，標(biāo)定土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與電導(dǎo)率值對應(yīng)關(guān)系如式(2)所示。

C=0.004 7Ec+1.64 (n=49，R2=0.993 4)

(2)

式中：C為土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，g/kg；Ec為土壤浸出液電導(dǎo)率，μS/cm；n為樣本數(shù)。

采用自制微型土壤蒸發(fā)器[9]測表土蒸發(fā)。微型蒸發(fā)器主要由內(nèi)筒和外筒兩部分組成。內(nèi)、外筒均打孔，孔距為10 mm×10 mm，孔徑為2 mm。內(nèi)筒直徑為5.3 cm，高度為11 cm。外筒直徑為7 cm，高度為12 cm。外筒內(nèi)按設(shè)計(jì)容重填土。滴水后外筒中的土壤水與土槽中的土壤水建立聯(lián)系。第一次滴水后12 h將內(nèi)筒垂直壓入外筒內(nèi)土中，盡量不破壞土體結(jié)構(gòu)，取出原狀土，并用刮刀刮平底部后用紗網(wǎng)包扎，再用電子天平稱重，最后放回外筒中用力壓緊，使土樣頂面與土槽內(nèi)土面齊平。土柱重量每減少1 g相當(dāng)于0.453 3 mm蒸發(fā)水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 單次滴水量對土壤水分分布的影響

總滴水量均為10 L條件下，隨著滴水次數(shù)的增加，土壤濕潤深度增大；隨著單次滴水量的增大(滴灌頻率減小)，土壤濕潤深度也加深(如圖1所示)。

處理IF1共滴水5次，其中，第一次灌水結(jié)束24 h后，濕潤鋒運(yùn)移深度不足10 cm，5次滴水結(jié)束24 h后，濕潤鋒運(yùn)移至30cm處。處理IF2中，濕潤鋒隨灌水次數(shù)的增加不斷加深，最終也運(yùn)移至30 cm處。IF3和IF4的滴水次數(shù)少，但單次滴水量大，水分蒸發(fā)損失少，濕潤鋒運(yùn)移深度均達(dá)到 40 cm。

圖1 土壤水分分布

由圖1可知，單次滴水量對土壤入滲深度的影響要大于滴水次數(shù)對入滲深度的影響。根據(jù)土壤入滲理論可知[10]，土壤導(dǎo)水率隨土壤含水率的增大而增大。對于處理IF1，由于其滴灌頻率高，滴水間隔時(shí)間短，土壤水分來不及充分再分布就開始又一次滴水，所以，每次滴水時(shí)的初始含水率增大，導(dǎo)水率增大，導(dǎo)致濕潤鋒運(yùn)移逐步加深[如圖1(a)所示，為每一次滴水24 h后的含水率分布]。傳統(tǒng)上認(rèn)為，灌水量超出土壤田間持水量時(shí)就會出現(xiàn)深層滲漏。對于處理IF4，單次滴水量大，土壤含水率超出了田間持水率(26.56%)，所以，該處理的入滲深度最大。這從土壤水分分布上也可以得到證明。處理IF1、IF2和IF3的土壤含水率隨滴水次數(shù)而逐步增大，最終在土層15 cm處形成峰值，分別為25.134 2%、25.798 1%、25.036 8%，但是都沒有超過田間持水率。而IF4的含水率峰值為27.092 7%，大于田間持水率。

2.2 滴水間隔天數(shù)對土壤水分分布的影響

試驗(yàn)中，各處理的表土都存在蒸發(fā)，如圖2所示。但是，蒸發(fā)作用對土壤水分分布的影響隨著滴水間隔天數(shù)的延長而增大。

圖2 各處理試驗(yàn)過程中表土蒸發(fā)強(qiáng)度

處理IF1和IF2的滴水間隔天數(shù)小，土壤水分的蒸發(fā)作用都不明顯，如圖1(a)和圖1(b)所示。處理IF1在5 cm土層處的含水率不僅沒有因?yàn)檎舭l(fā)而減小，反而每次滴水前都在增大，相應(yīng)的土壤基質(zhì)吸力由0.409 kPa減小到0.007 kPa。處理IF2的表土蒸發(fā)強(qiáng)度很大，但是其5 cm深度處的土壤含水率只在第二次滴水前有所減小，而第三次滴水時(shí)則又重新接近初始狀況，相應(yīng)的基質(zhì)吸力為0.014 kPa。然而，處理IF3和IF4的滴水間隔天數(shù)長，水分蒸發(fā)作用就很明顯，如圖1(c)和圖1(d)所示。處理IF3滴水后48 h在5 cm土層處的含水率減少了3.220 8%～3.371 9%，相應(yīng)的土壤基質(zhì)吸力由0.011～0.012 kPa增大到0.502～0.545 kPa，0～30 cm土層的含水率都減少了；而處理IF4滴水后48 h在5 cm土層處的含水率減少了1.898 8%，滴水后72 h則減少了3.349 5%，相應(yīng)的基質(zhì)吸力由初期的0.001 kPa最終增大到0.052 kPa，0～40 cm土層的含水率都減少。

根據(jù)土壤蒸發(fā)理論[10]，滴水入滲使水分向土壤下層運(yùn)移，而蒸發(fā)則使水分向土壤上層運(yùn)移。但是，灌水結(jié)束的一定時(shí)段內(nèi)，土壤表面含水率很高，可以保持穩(wěn)定蒸發(fā)，不影響下層的水分運(yùn)移趨勢，所以，表層以下的土壤水分仍然保持向下運(yùn)移的“慣性”。當(dāng)蒸發(fā)時(shí)間延長、土壤表層含水率不能夠維持穩(wěn)定蒸發(fā)時(shí)，上層土壤基質(zhì)吸力增大，土壤下層的水分開始向上層運(yùn)移，使下層含水率降低，整個(gè)水分蒸發(fā)過程表現(xiàn)出一種“滯后”現(xiàn)象。因此，當(dāng)?shù)嗡g隔天數(shù)短時(shí)，表現(xiàn)不出蒸發(fā)作用；當(dāng)?shù)嗡g隔天數(shù)長時(shí)，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈。

2.3 滴灌頻率對土壤鹽分運(yùn)移的影響

各處理都反映出土壤鹽分隨著水分的入滲而向下移動，而且隨滴水次數(shù)的增加而運(yùn)移深度增大。與土壤鹽分本底值相比(見表2)，土壤上層脫鹽，下層積鹽(見圖3)。但是，由于存在表土蒸發(fā)作用，當(dāng)?shù)嗡g隔時(shí)間較大時(shí)，在2次滴水之間出現(xiàn)土壤鹽分上移返鹽現(xiàn)象[見圖3(c)和圖3(d)]。

雖然處理IF1和IF2單次滴水量小，土壤入滲深度相對較淺，淋洗鹽分的深度也淺，但是，由于IF1和IF2的滴水間隔時(shí)間短，表土蒸發(fā)對土層水分影響小，導(dǎo)致土壤鹽分持續(xù)受水分滲透的影響，隨滴水次數(shù)增加而被抑制在土壤下層。處理IF3和IF4的單次滴水量較大，更多的鹽分可以被溶解并被淋洗到深層，但是，IF3和IF4的滴水間隔時(shí)間相對較長，水鹽運(yùn)移受到表土蒸發(fā)的作用明顯，滴水后48 h土壤鹽分均上移。然而，與土壤鹽分本底值相比，其上部仍處在脫鹽狀態(tài)，下部處在積鹽狀態(tài)，只是積鹽深度變淺。從圖1和圖3可以看出，處理IF3和IF4滴水入滲時(shí)將鹽分淋洗到土層深處；而在滴水間隔期間，蒸發(fā)作用使上部土壤含水率大幅度減小，導(dǎo)致上部土壤水分對鹽分的溶解能力下降，鹽分的對流運(yùn)移速率也降低，所以上部土層的返鹽量較小(分別為2.138 3和3.344 0 g/kg)；相比較而言，下部土層的返鹽量較高(分別為12.579 6和21.951 8 g/kg)。

圖3 土壤鹽分變化過程

這表明滴灌頻率較高時(shí)，土壤鹽分主要向深層運(yùn)移，抑鹽作用明顯；滴灌頻率較低時(shí)，土壤鹽分在深度方向上下波動，抑鹽作用降低，但是仍存在抑鹽作用。

2.4 滴灌頻率對抑鹽效果的影響

當(dāng)累積滴水量均達(dá)到10 L時(shí)，為考慮蒸發(fā)返鹽作用取下一次滴水前測得的土壤鹽分作為分析數(shù)據(jù)，分析各處理的土壤鹽分狀態(tài)，從含鹽量相對變化幅度和積鹽深度兩個(gè)指標(biāo)評估抑鹽效果。試驗(yàn)顯示，各處理的脫鹽率相差不大，但是積鹽深度明顯不同(見表3)。

各處理表層土壤(0～10 cm)的脫鹽率相差不大。在土層10～20 cm處，第二次試驗(yàn)的脫鹽率小于第一次試驗(yàn)的脫鹽率，這是因?yàn)榈诙卧囼?yàn)的土壤鹽分本底值就比第一次試驗(yàn)的本底值小了約10 g/kg(見表2)，再加上該層的土壤水分小于表層土壤水分，鹽分在該層的對流運(yùn)移速度小，所以整體上都比第一次試驗(yàn)的脫鹽率小。

表3 各處理滴水10 L后土壤積(脫)鹽率 %

注：表中“+”為積鹽；“-”為脫鹽。

處理IF1和IF2的積鹽深度在20～30 cm之間；處理IF3的積鹽深度在30～40 cm之間；處理IF4的積鹽深度甚至可達(dá)到40 cm以下。這說明單次滴水量越大(滴灌頻率小)的處理，其抑鹽效果越好。這是因?yàn)閱未蔚嗡吭酱?，土壤鹽分被淋洗的深度越深；雖然，相應(yīng)的滴水間隔天數(shù)也長，表土蒸發(fā)作用大，但是，由于淺層土壤水分蒸發(fā)散失后其含水率明顯降低，土壤鹽分的對流運(yùn)移速度降低，所以蒸發(fā)返鹽量有限，主要表現(xiàn)為下層積鹽深度變淺。

3 討 論

前人的研究顯示，高頻滴灌對土壤鹽分有抑制作用[11,12]；也有研究顯示，由于高頻滴灌單次灌水量少，土壤鹽分淋洗較淺，很容易出現(xiàn)蒸發(fā)返鹽現(xiàn)象[8]。本文在不考慮地下水埋深和地下水補(bǔ)給的影響情況下，試驗(yàn)得出高頻滴灌具有抑鹽的效果；滴水間隔期間存在蒸發(fā)返鹽現(xiàn)象，這與前人的研究結(jié)果一致。但是，進(jìn)一步的研究分析發(fā)現(xiàn)，土壤蒸發(fā)返鹽受滴水間隔天數(shù)影響。只有當(dāng)?shù)嗡g隔天數(shù)較長時(shí)，才有明顯的蒸發(fā)返鹽現(xiàn)象；而當(dāng)間隔天數(shù)較短時(shí)，盡管地表有蒸發(fā)作用，土壤卻沒有返鹽現(xiàn)象。這可能是由于滴水時(shí)土壤表層鹽分被淋洗到下層(脫鹽)，表層含鹽量明顯減少；而滴水剛結(jié)束時(shí)土壤表層含水率高，表土處在穩(wěn)定蒸發(fā)階段，對下層土壤水分運(yùn)動沒有影響；當(dāng)表土含水率明顯減少并開始影響下層土壤水分時(shí)，又開始了新一輪滴水，土壤始終沒有返鹽的機(jī)會，鹽分一直向下層運(yùn)移。即便滴水間隔天數(shù)較長時(shí)有蒸發(fā)返鹽現(xiàn)象，其上層土壤的返鹽量也是有限的，只是下層的積鹽深度變淺。這可能是由于較大的單次滴水量將鹽分淋洗得較深[13]，而上層土壤水分蒸發(fā)后鹽分對流運(yùn)移速度減小，使得上層土壤蒸發(fā)返鹽量不大，再加上滴水時(shí)上層土壤含鹽量減少，總體上土壤上層是處在脫鹽狀態(tài)。

對比各處理滴水脫鹽和蒸發(fā)返鹽過程可以發(fā)現(xiàn)，鹽分在對流運(yùn)移條件下運(yùn)移和積累較快，如果沒有地下水的補(bǔ)充，土壤上層在滴水時(shí)的脫鹽幅度比蒸發(fā)時(shí)的返鹽幅度大，而下層返鹽幅度相對較大。因?yàn)檎舭l(fā)時(shí)上層土壤的含水率減少，限制了鹽分向上層的對流運(yùn)移，而下層土壤含水率相對較高，可使鹽分上移。

單從滴灌抑鹽效率的角度來分析，在一定的地表蒸發(fā)強(qiáng)度條件下，單次滴水量與滴水間隔天數(shù)之間應(yīng)該存在一定的協(xié)調(diào)關(guān)系，這樣才能保持土壤鹽分被持續(xù)抑制在土壤深層而沒有明顯的返鹽現(xiàn)象。而它們兩者之間的關(guān)系應(yīng)該是設(shè)計(jì)鹽堿地上滴灌灌水制度的理論依據(jù)之一。

4 結(jié) 語

本文通過以上試驗(yàn)和詳細(xì)分析，揭示了高頻滴灌抑鹽的詳細(xì)過程，較為深入的闡明了抑鹽機(jī)理，得到以下結(jié)論。

(1)高頻滴灌時(shí)，滴水可使土壤鹽分即刻向下層運(yùn)移即鹽分向下運(yùn)移速度快，而蒸發(fā)不會使土壤鹽分即刻向上層運(yùn)移即此時(shí)鹽分向上運(yùn)移速度較慢；只有滴水間隔天數(shù)較大時(shí)(大于2 d)，鹽分才會沿土層垂直方向上、下波動。

(2)高頻滴灌的抑鹽作用主要取決于單次滴水量，單次滴水量越大，土壤鹽分淋洗的越深，抑鹽效果越好。

(3)在沒有地下水補(bǔ)充和地表蒸發(fā)不強(qiáng)烈的情況下，滴水間隔天數(shù)所造成的蒸發(fā)返鹽量有限，只是土壤下層積鹽深度變淺，而土壤上層仍處在脫鹽狀態(tài)；甚至當(dāng)?shù)嗡g隔天數(shù)較小時(shí)(小于2 d)，土壤鹽分持續(xù)向下層運(yùn)移，沒有蒸發(fā)返鹽現(xiàn)象。

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