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(xué)研究院水文水資源與水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210029；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊830052）

滴灌引起的土壤積鹽問題早已引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，為了尋找改良鹽堿土壤及預(yù)防土壤的次生鹽漬化問題的方法，國內(nèi)學(xué)者展開了各種研究。國內(nèi)學(xué)者如李顯溦等人研究了新疆膜下滴灌下的暗管排鹽技術(shù)[1-6]，優(yōu)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(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，針對土壤中過量氮肥的淋洗進(jìn)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(jī)物和無機(jī)物的不同污染進(jìn)行模擬，對土壤中污染物的變化和遷移進(jìn)行預(yù)測。本文選擇了兩種干旱地區(qū)常見的土壤類型，通過田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬。旨在通過研究不同類型土壤水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律的差異，根據(jù)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(qū)概況

田間試驗(yàn)于2017年在新疆維吾爾自治區(qū)石河子市現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)試驗(yàn)室試驗(yàn)基地暨石河子節(jié)水灌溉試驗(yàn)站中進(jìn)行。試驗(yàn)站位于新疆維吾爾自治區(qū)石河子市西郊大學(xué)農(nóng)試場二連，年均蒸發(fā)量1 660 mm，多年平均降水量為207 mm。

1.2 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)共為兩個(gè)測坑（A 和B），排鹽淺溝上口寬度分別設(shè)置為40 cm，底寬均為25 cm，高為30 cm。觀測點(diǎn)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(yàn)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(shí)際灌水量Tab.2 Actual irrigation amount

1.3 土壤顆粒分析

試驗(yàn)土壤取自新疆石河子節(jié)水灌溉試驗(yàn)站，并帶到河海大學(xué)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室中采用LS I3 320 型號的顆粒分析儀進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)。田間土壤的試驗(yàn)結(jié)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(jié)果Tab.3 Resultsofsoilparticleanalysis

1.4 數(shù)值模型

根據(jù)田間測坑尺寸在HYDRUS-2D[15-17]模型中進(jìn)行模型構(gòu)建。測坑長寬均為2 m，以排鹽溝中心線為軸，左右呈現(xiàn)對稱，為了減少模型運(yùn)算可以簡化模型。將試驗(yàn)區(qū)域根據(jù)中心線進(jìn)行劃分，數(shù)值模擬時(shí)間確定為一個(gè)或兩個(gè)灌水周期，灌水前為初始條件，灌水后至下一個(gè)或再下一個(gè)灌水前為模擬時(shí)間段進(jìn)行數(shù)值模擬的，模擬區(qū)域以及有限元?jiǎng)澐忠妶D2。根據(jù)實(shí)際情況以及模型區(qū)域的劃分，分別對圖中各個(gè)邊界進(jìn)行邊界條件設(shè)定。

在HYDRUS中根據(jù)圖2建立模型，并根據(jù)實(shí)際田間情況設(shè)置各邊界的水分運(yùn)動(dòng)條件。其中BC 邊界處中間位置設(shè)立2 cm滴灌管入滲區(qū)域，其邊界條件為變流量邊界條件，流量設(shè)置與實(shí)際灌溉一致。上邊界BC 處為變流量邊界條件，變量情況結(jié)合氣象站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定；因?qū)嵉赜^測地下水埋深超過3 m，即下邊界AF處設(shè)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(jù)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)設(shè)定[18-22]。

2 結(jié)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(yùn)動(dòng)規(guī)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(fā)、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(huán)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(dǎo)致春季播種時(shí)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(xiàn)水平方向上的下降趨勢，同時(shí)由于當(dāng)?shù)馗稍锏臍夂颍寥辣韺拥乃职l(fā)生了較為均勻的蒸發(fā)現(xiàn)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(dǎo)水率小于壤土，體現(xiàn)為粉壤土的持水性能較好。因此，在蒸發(fā)條件相同的情況下，粉壤土中的水分蒸發(fā)速度小于壤土，同理，粉壤土的下滲速度緩于壤土，導(dǎo)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(jié)合6月3日為第一次灌水日作為條件進(jìn)行分析。灌水后，相比與壤土，粉壤土中水分運(yùn)動(dòng)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(zhì)，其飽和土壤含水率較高，則灌水后最大含水率能達(dá)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(shí)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(shí)，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(xiàn)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(yùn)動(dòng)規(guī)律

由于粉壤土的性質(zhì)，導(dǎo)致其中的水分運(yùn)動(dòng)能力比壤土差，也使水中的溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)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(nèi)土壤鹽分電導(dǎo)率的分布情況以及變化情況。生育期內(nèi)，土壤中的鹽分受到蒸發(fā)作用向大氣邊界移動(dòng)；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(qū)域中運(yùn)動(dòng)，使得土壤根系范圍的鹽分受到了淋洗作用；同時(shí)，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(yùn)動(dòng)共同作用了生育期內(nèi)土壤鹽分的運(yùn)動(dòng)和變化。

圖7 及圖8 顯示的5月10日及6月2日土壤電導(dǎo)率的分布情況，即灌溉初期未灌水時(shí)土壤中鹽分分布的基本規(guī)律。圖片顯示，土壤中的鹽分水平方向上呈現(xiàn)出較為均勻地分布，在排鹽溝溝底部有少量的積聚現(xiàn)象，但是在排鹽溝溝坡附近，呈現(xiàn)的是較為均勻的水平分布。此階段未灌水，但會(huì)出現(xiàn)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(fā)導(dǎo)致的水分上升，其下方鹽分存在一定的積聚現(xiàn)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(shí)期土壤剖面電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率下降明顯。對比（a）、（b）兩圖，壤土土壤電導(dǎo)率在排鹽溝附近未能呈現(xiàn)較好的積聚現(xiàn)象，而粉壤土電導(dǎo)率在水平方向上整體呈現(xiàn)下降趨勢，且在排鹽溝邊坡處有明顯的積聚現(xiàn)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(jìn)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(jī)械刮土的方式進(jìn)行排鹽。

3 討論與結(jié)論

（1）根據(jù)壤土及粉壤土土壤組成及土壤性質(zhì)可以看出，粉壤土黏粒及粉粒含量較高，導(dǎo)致土壤的非飽和導(dǎo)水率較差，相對于壤土，其持水性能更好；根據(jù)土壤導(dǎo)水率及模擬對比結(jié)果可以看出，粉壤土中鹽分積聚相對于壤土較強(qiáng)，導(dǎo)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(shí)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(jī)械刮土的方式對排鹽溝溝壁進(jìn)行排鹽。對于水資源緊缺的干旱地區(qū)，相對于傳統(tǒng)春澆、秋澆等方法，鹽堿度較高的粉壤土地區(qū)，可以利用淺溝排鹽及機(jī)械刮土的方式進(jìn)行土壤鹽分的排除，避免大面積土壤鹽漬化。