地下滴灌土壤湿润体内水盐空间分布规律

朱珠，王世昌，文豪，李男 ，张旭贤*

（1塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

（2新疆维吾尔自治区教育厅普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300）

新疆南疆地区属温带极端大陆性气候，夏季炎热干燥，冬季漫长严寒，降水量少，日照丰富。应对南疆水资源短缺与土壤盐渍化制约农业可持续化发展的问题，发展节水灌溉技术能够有效节水控盐。地下滴灌技术以其精准灌溉和施肥、减少地表蒸发、减少农药施用、促进根系深扎等优势逐渐发展起来［1−2］。滴灌带埋深小于20 cm为浅埋式地下滴灌，相较于传统地下滴灌，其具有布设成本低、埋深浅、滴灌带铺设后易于维修和回收等优点［3］。土壤水盐是影响作物生长的主要因素，而室内土柱模拟试验将土壤水分运动可视化成为可能。MOHAMMED A K［4］通过室内土柱试验研究了在地下滴灌不同滴水方式条件下的分层土壤湿润峰形态。王荣莲等［5］针对地下滴灌玉米出苗问题，采用内蒙古3种典型土壤，用土箱开展毛管铺设参数及灌水定额对地下滴灌湿润半径的影响规律试验。王炳尧等［6］开展室内土柱试验，研究了2种不同土质，湿润锋运移距离与灌水时间和滴头流速间的量化关系。刘子尚等［7］针对埋深和流量两因素，通过室内浅埋式滴灌入渗试验，设置三个滴头埋深与不同滴头流量处理，得出浅埋滴灌入渗条件下土壤湿润锋发展规律。陈小三［8］研究了不同土壤容重、不同滴头流量、不同土壤初始含水率三因素对湿润峰运移规律的影响，得出滴灌结束时和滴灌结束24 h后土壤含水率变化规律。近年来，科研工作者通过大量研究，针对地下滴灌对土壤湿润峰及土壤水分影响规律，取得诸多研究成果。然而，对于浅埋式地下滴灌在土壤湿润体内部土壤水分和盐分的分布规律探究较少。本试验以地下滴灌不同埋深为研究因素，探讨滴头在不同埋深条件下，湿润体内部土壤水分和盐分分布规律，以期为南疆浅埋式地下滴灌技术应用于生产提供参考。

1 材料与方法

试验区位于塔里木大学水利与建筑工程学院节水灌溉试验基地温室内。采用室内土柱模拟试验，土柱长50 cm、宽50 cm、高50 cm，由5 mm厚亚克力板制成。供试土壤取自节水灌溉试验基地表层0～20 cm原状土，土壤类型为砂壤土，pH为7.34，电导率为1 605µS/cm，容重为1.38 g/cm3。用于地下滴灌装置为滴箭，由中国农业科学院农田灌溉研究所研发［9］。试验装置由马氏瓶、土柱、滴箭组成。为研究地下滴灌不同埋深对湿润体内土壤水盐空间分布规律，将原状土风干，过1 mm土筛，以5 cm分层，按容重1.38 g/cm3分层装填土柱，层间打毛，土柱装好后自然沉降24 h。设置三个试验处理，每个处理3个重复，土壤初始条件相同、容重相同、滴头流量相同，滴头空气中流量为0.7 L/h，滴头埋深不同，T1处理埋深0 cm（滴头位于地表）、T2处理埋深10 cm、T3处理埋深15 cm。为达到较一致的土壤湿润深度，T1处理滴灌510 min，T2、T3处理滴灌300 min。马氏瓶恒定供水，一维垂直定水头法测定土壤水平和垂直入渗过程。灌水结束后土钻取土，试验装置示意图与取样点示意图如图1，沿取样点向下每5 cm土壤深度取土，直至干土位置，得出湿润峰边界空间坐标。空间取样两个断面，命名为D1（土柱边界断面）与D2（湿润体1/2断面）。烘干法测定土样质量含水量，DDSJ−308A电导率仪测定土样电导率值。Origin 2020数据分析与作图，SPSS 20.0单因素方差分析。

图1 试验装置与取样点示意图

2 结果与分析

2.1 不同滴头埋深对土壤水分空间分布的影响

土壤湿润体水分含量是影响作物根系的重要因素。图2依据测定的湿润峰处坐标，绘制土壤质量含水量在湿润峰剖面二维空间分布图，剖面土壤水分分布与土壤湿润峰运动形状较一致。随滴头浅埋深度增加，土壤水分向下运移深度越深。滴头位于地表时，入渗510 min后，水分垂直入渗至36 cm深度；滴头埋深15 cm，入渗300 min后，水分垂直入渗至36 cm深度；而滴头埋深10 cm，土壤水分垂直入渗至30 cm。滴头位于地表，土壤水分水平入渗湿润峰大；滴头浅埋，土壤水分水平入渗湿润峰小。这是由于滴头位于地表，开始时水分运动主要受土壤基质势驱动水平运动接近于垂直运动，水平湿润峰较大；滴头浅埋，水分开始运动时主要受土壤基质势与重力势共同作用，水平湿润峰较小［10］。各处理土壤水分空间分布图，表现出在滴头附近区域土壤质量含水率较大，接近田间持水率22.69%［11］。单因素方差分析各处理的D1和D2剖面，土壤水分含量不存在显著性差异。但在单个剖面内比较D1和D2剖面，距离滴头不同水平距离纵向一维土壤质量含水量均存在显著差异（P＜0.05）。T1处理滴头下方土壤质量含水量均值为13.75%，距离滴头15 cm一维纵深土壤质量含水量均值为11.31%，湿润峰边界距离滴头30 cm一维纵深土壤质量含水量均值为7.43%。T2处理剖面滴头下方土壤质量含水量均值为18.25%，距离滴头10 cm一维纵深土壤质量含水量均值为16.62%，湿润峰边界距离滴头21 cm一维纵深土壤质量含水量均值为12.38%。T3处理剖面滴头下方土壤质量含水量均值为17.22%，距离滴头10 cm一维纵深土壤质量含水量均值为16.99%，湿润峰边界距离滴头21 cm一维纵深土壤质量含水量均值为12.26%。综上，滴头位于地表时，地表水分含量较高，根系层水分含量较低。滴头浅埋可在作物根系层产生高水分含量区，利于作物根系吸收利用。

图2 不同滴头埋深处理下水分空间分布

2.2 不同滴头埋深对土壤水分均值含量影响差异比较

为探讨滴头埋深对土壤水分含量是否有影响，对三个处理湿润体内土壤质量含水量作单因素方差分析。由表1得出不同埋深处理间存在显著性差异（P＜0.01），进一步做多重比较，滴头位于地表与两个浅埋处理存在显著性差异，滴头浅埋湿润体水分高于滴头位于地表湿润体水分，地下滴灌较地表滴灌在湿润体内水分平均增加3.82%至4.46%。但滴头埋深10 cm与埋深15 cm处理不存在显著差异。

表1 各处理土壤水分均值多重比较

2.3 不同滴头埋深对土壤盐分空间分布的影响

图3依据测定的湿润峰处坐标，绘制土壤电导率在湿润峰剖面二维空间分布图，剖面土壤盐分分布与土壤湿润峰运动形状较一致。滴头埋深10 cm与15 cm处理土壤盐分淡化区大于滴头位于地表处理。滴头埋深15 cm处理湿润体内部盐分淡化区横纵方向均最大。由单因素方差分析可知，三个处理土壤湿润体内土壤盐分平均值不存在显著差异。但在单个剖面内距离滴头不同距离一维纵深土壤间存在显著差异。滴头位于地表湿润体内盐分含量最大；与滴头埋深10 cm处理比较，滴头埋深15 cm处理土壤电导率值减少16.54%。与土壤水分分布规律相似，在滴头附近产生盐分淡化区，在湿润峰处存在盐分累积区。由土壤脱盐率表征灌水对土壤盐分淋洗作用，土壤脱盐率为土壤初始盐分与灌水结束盐分差值与土壤初始盐分的比值。T1处理滴头下方0～30 cm土壤脱盐率达54.34%，35～36 cm湿润峰处积盐率达125.23%；距离滴头15 cm一维纵深土壤脱盐率达42.77%，35 cm湿润峰处积盐率达143.21%；距离滴头30 cm，0～20 cm一维纵深土壤平均积盐率达51.65%。T2处理滴头下方土壤脱盐率达59.86%，距离滴头10 cm一维纵深土壤脱盐率达54.26%，距离滴头21 cm，0～25 cm一维纵深土壤平均积盐率达39.05%。T3处理滴头下方土壤脱盐率达76.32%，距离滴头10 cm一维纵深土壤脱盐率达56.71%，距离滴头21 cm，0～25 cm一维纵深土壤平均积盐率达28.93%。T3处理较T1与T2处理，湿润体内脱盐区土壤脱盐率平均增加18.29%与9.45%。

图3 不同滴头埋深处理下盐分空间分布

3 讨论

开展浅埋式地下滴灌对南疆绿洲灌溉农业具有重要意义［12］。本研究通过分析三个不同滴头埋深对湿润体内土壤质量含水量与土壤电导率值的影响，量化了在土壤湿润体内部土壤水分和盐分的分布以及脱盐率变化。地下滴灌不同埋深对土壤水分的影响存在显著差异，滴头浅埋滴灌湿润体内水分大于滴头位于地表滴灌。地表滴灌直接将水分滴入地表，以滴头为中心缓慢入渗，在地表形成饱水区，增加地表蒸发损失。而地下滴灌则通过灌水器内供水压力将水分滴入作物根系层土壤，在土壤中依靠土壤毛管力及重力作用扩散到周围土壤，增加根层土壤水分，显著降低地表蒸发损失［13］。土壤盐分在湿润体内部表现出三个明显分区，即盐分淡化区、过渡区和积盐区。滴头埋深不同对湿润体内盐分影响不存在显著差异。但滴头埋深15 cm，会获得更大范围脱盐区，脱盐率高，在湿润峰处积盐率较低。与肖娟等［14］研究结果一致，湿润体内土壤质量含水率和电导率的分布与湿润峰形状相关，近似为一组同心椭球面，随湿润体半轴增加，土壤含水率逐渐减小，直至湿润峰处；而土壤电导率则逐渐增加。地下滴灌以滴头为中心在土壤湿润体内呈现高水分含量区及盐分淡化区，能够节水抑盐、在作物根区提供较好的生境［15−17］。在试验影响因素中，本研究仅考虑了滴头埋深单因素影响，应根据作物根系分布深度不同，调整滴头埋设深度，增加影响土壤水分和盐分运动的其他因素，研究在不同滴头流量、灌水量、土壤初始含水率、土壤容重、土壤分层等多因素影响下［18−19］，地下滴灌土壤湿润体内土壤水盐分布及脱盐率变化规律，为地下滴灌应用提供更全面参考。

4 结论

浅埋式地下滴灌在湿润体内呈明显三个分区，土壤水分高含量区、过渡区和干湿分隔区。以滴头埋深处呈现土壤水分高含量区。滴头浅埋与滴头位于地表处理，土壤湿润体内水分差异显著，而滴头埋设深度不同对土壤水分影响差异不显著。地下滴灌较地表滴灌在湿润体内水分平均增加3.82%至4.46%。滴头埋深15 cm较滴头埋深10 cm可纵向扩大土壤湿润体，在作物根系层增加土壤水分。

浅埋式地下滴灌在湿润体内水盐分布特征与湿润峰形状相关，两个取样剖面土壤盐分不存在显著差异，剖面内盐分存在显著差异。土壤水分随湿润峰运移位置增加而减小，土壤盐分随湿润峰运移位置增加而增加。地下滴灌较地表滴灌盐分淋洗效果好，脱盐率高。滴头埋深15 cm可横向和纵向扩大盐分淋洗范围，土壤湿润体内脱盐区脱盐率高于地表滴灌与滴头埋深10 cm处理，而积盐区积盐率则较低。