衡 通，何新林，楊麗莉，趙 麗，龔 萍，許 璇，王鑫宇

暗管與豎井排水工程改良新疆鹽漬土的設(shè)計(jì)與效果評(píng)價(jià)

衡 通，何新林※，楊麗莉，趙 麗，龔 萍，許 璇，王鑫宇

（1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子 832003；2. 寒旱區(qū)生態(tài)水利工程兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子 832003；3. 石河子大學(xué)理學(xué)院，石河子 832003）

為探討干旱區(qū)鹽漬化農(nóng)田水利改良措施的可行性，在新疆瑪納斯河流域安集海灌區(qū)進(jìn)行了田間暗管與豎井排水工程試驗(yàn)，分別在距離暗管0.5 m（P1）、7.5 m（P2），距離豎井0.5 m（S1）、30 m（S2）和60 m（S3），以及未鋪管區(qū)（CK）域設(shè)置7處觀測(cè)區(qū)，評(píng)估農(nóng)田排水措施在鹽漬土改良期間的排水功能、土壤脫鹽效果，同時(shí)監(jiān)測(cè)棉花生長(zhǎng)與地下水位動(dòng)態(tài)。結(jié)果表明：5 a排水改良期間，0～80 cm深度土壤含鹽量的總體降幅達(dá)到29.2 g/kg，棉花干物質(zhì)量和籽棉產(chǎn)量年際增幅分別為16%和21%，淺層地下水位年際降幅1.1 m；改進(jìn)的暗管與豎井協(xié)同排水相比單獨(dú)應(yīng)用暗管排水量增加了119%，進(jìn)一步減少了鹽分淋溶時(shí)期的深層滲漏量。研究結(jié)果可為干旱鹽漬區(qū)的水土資源合理利用提供科學(xué)和理論依據(jù)。

土壤；鹽分；產(chǎn)量；鹽漬化；暗管排水；地下水位；干旱區(qū)；棉花

0 引 言

土壤鹽漬化是限制干旱荒漠區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)功能作用的重要環(huán)境因素。全世界約8.3×106km2的土地受到鹽漬化的影響，未來(lái)土壤鹽漬化將會(huì)影響全球20%的灌溉土地[1]，它嚴(yán)重制約了作物的生長(zhǎng)和生產(chǎn)力的提高，尤其是在干旱半干旱地區(qū)，會(huì)導(dǎo)致地下水鹽漬化加劇。新疆位于中亞內(nèi)陸干旱荒漠區(qū)，沙漠面積約4.3×105km2，鹽漬化土壤面積約3.02×104km2，占總耕地的37.72%，年增長(zhǎng)率達(dá)到0.26%[2]。Liang等[3]發(fā)現(xiàn)生物炭施用顯著降低了新疆鹽漬土的容重，增加了土壤孔隙度，但僅適用于多年耕作下的輕度鹽漬化農(nóng)田。Tong等[4]研究表明暗管排水結(jié)合滴灌在抑制新疆鹽漬土含鹽量方面的表現(xiàn)優(yōu)于洪水灌溉，但由于暗管系統(tǒng)的可控排水空間有限，可溶性污染物的深層滲漏會(huì)進(jìn)一步加劇生態(tài)系統(tǒng)的污染[5]。目前迫切需要設(shè)計(jì)合理有效的農(nóng)田排水措施，從而有效解決土壤鹽漬化造成的水土資源污染問(wèn)題。

土壤鹽漬土的改良主要涉及水利措施、生物化學(xué)措施以及農(nóng)藝耕作等措施[6]。Wang等[7]認(rèn)為土壤鹽堿化改良中應(yīng)當(dāng)以水利改良措施為基礎(chǔ)。Li等[8]同樣認(rèn)為土壤鹽漬化改良要遵循“從水入手，水利先行”的原則，水利措施是土壤脫鹽的動(dòng)力。水利措施包括暗管排水和豎井排水[9]，其中，暗管排水是利用地表淡水淋溶土壤，水分經(jīng)過(guò)入滲攜帶鹽分進(jìn)入埋設(shè)于土壤的帶孔吸水管中，再由吸水管匯入排水溝內(nèi)。豎井排水的作用是通過(guò)調(diào)蓄地下地表水，調(diào)控耕作區(qū)土壤水鹽的平衡。Bahceci等[10]研究表明埋設(shè)3 a暗管排水后，表層鹽漬化土壤的脫鹽率達(dá)到了80%。Sharma等[11]研究表明農(nóng)田排水措施促進(jìn)了鹽漬土的開(kāi)墾，控制了地下水位，降低了不同區(qū)塊土壤含鹽量（降幅16%～66.3%），并且作物的年增產(chǎn)幅度在18.8%～27.6%之間。石磊等[12]采用豎井與暗管排水改良新疆南疆次生鹽漬化土壤，土壤脫鹽率介于31%～49%，實(shí)現(xiàn)了玉米高產(chǎn)。

土壤鹽漬化的研究多集中在土壤水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律[13]、鹽漬土的物理化學(xué)性質(zhì)[14]，以及鹽漬土改良技術(shù)參數(shù)[15-16]等方面。土壤鹽漬化是可溶性鹽分表聚的過(guò)程，其主要發(fā)生區(qū)域是植物耕作層[17]。截至目前，在干旱荒漠地區(qū)關(guān)于鹽漬土改良設(shè)計(jì)與實(shí)施的成功案例較少，尤其是暗管與豎井的排水與排鹽功能尚未評(píng)估，其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與田間試驗(yàn)監(jiān)測(cè)仍處于探索階段。為了填補(bǔ)這些知識(shí)空白，本研究進(jìn)行了一項(xiàng)為期5 a的鹽漬土改良試驗(yàn)，通過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)暗管與豎井排水工程，設(shè)計(jì)田間排水與棉花生長(zhǎng)試驗(yàn)，評(píng)估暗管與豎井在鹽漬土改良期間的排水與脫鹽功能，同時(shí)探究農(nóng)田排水措施在西北鹽漬化棉田應(yīng)用的可行性，以期提出適用于干旱荒漠區(qū)鹽漬化土壤改良與作物增產(chǎn)的合理控制模式，為鹽漬土的開(kāi)發(fā)與水土資源的持續(xù)利用提供科學(xué)與理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地選取在中國(guó)新疆瑪納斯河流域下游的典型鹽漬化農(nóng)田，該試驗(yàn)地位于瑪納斯河流域中下游的安集海灌區(qū)內(nèi)（85°21′E，44°36′N(xiāo)），總規(guī)劃面積為3.4 hm2。試驗(yàn)地東南方位高程為385.1 m，西北方位高程為383.5 m。該試驗(yàn)地于1997年開(kāi)墾，同年采用膜下滴灌模式種植棉花，1997－2009年平均籽棉產(chǎn)量為4 800 kg/hm2，受土壤鹽漬化積累的影響，2010－2014年棉田逐年絕收，并于2015年成為棄耕土地，春、秋季的淺層地下水埋深分別在1.0～1.5 m、3.5～4.5 m之間。2016年2月對(duì)該試驗(yàn)地塊進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)，勘察內(nèi)容包括試驗(yàn)地的氣象、土壤、植被與水文地質(zhì)（田間鼠道、盲溝）等內(nèi)容，圖1與表1分別反映了試驗(yàn)地氣象與土壤數(shù)據(jù)。2016年3－4月進(jìn)行暗管排水工程（記為Pa）的現(xiàn)場(chǎng)施工，并在2020年5月進(jìn)行暗管與豎井排水工程（記為Sa）的現(xiàn)場(chǎng)施工。

圖1 氣溫與降雨量動(dòng)態(tài)變化（2016—2020年）

表1 試驗(yàn)地土壤基本物理性質(zhì)

1.2 暗管與豎井排水工程設(shè)計(jì)與施工

暗管排水工程的參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括坡降、管徑、埋深和間距等[18-20]。利用水量平衡原理和Hooghoudt方程設(shè)計(jì)暗管埋深及間距[21]，計(jì)算式如下：

式中為暗管埋深，m；h為排水期間的地下水臨界深度，m；D為滯流水頭，m；為暗管管徑，mm；為暗管間距，m；K、K分別為暗管上方和下方的滲透系數(shù)，m/d；為防治鹽堿化的設(shè)計(jì)排水模數(shù)，m/d。本研究設(shè)計(jì)暗管間距15 m，埋深0.7 m。

暗管排水工程于2016年3月開(kāi)始施工，2016年4月底完工，施工前，檢查凍土層深度是否低于暗管埋深，按設(shè)計(jì)間距進(jìn)行測(cè)量放線。采用輕型抓斗式挖土機(jī)，每隔20 m觀察管溝的深度和坡度。隨后人工鏟平溝槽底部，并回填粒徑4 cm左右的砂礫石料；在斜坡下降方向上鋪上一層薄薄的無(wú)紡布，管道四周再次填充20 cm深度的砂礫石料。當(dāng)吸水管填充后，在管道的末端安裝集水井，底座為磚砌，并由集水管連接，匯入排水溝。此外，對(duì)灌溉水渠、排水溝、蓄水池進(jìn)行了防滲襯砌；除挖掘機(jī)開(kāi)挖管溝外，其余工序均由人工作業(yè)完成。本試驗(yàn)采用的無(wú)紡布（聚丙烯樹(shù)脂，450 g/m2）、吸水管（PVC雙壁波紋管）、集水管（PVE硬塑料管）、集水井（PVC樹(shù)脂）均為新疆天業(yè)?公司產(chǎn)品。2020年3月，對(duì)老舊的集水井進(jìn)行改造，并對(duì)吸水管、集水管進(jìn)行了清淤處理。

豎井排水工程的參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括井距、井?dāng)?shù)、設(shè)計(jì)排水流量、抽水設(shè)備等[22-23]。選用800 mm PVC波紋管（新疆天業(yè)?）作為井身，厚度2.5 cm。開(kāi)挖豎井前，加工井身，包括打滲孔（孔隙率：10%）、側(cè)壁和底端包裹無(wú)紡布2個(gè)工序。用車(chē)載式水井鉆機(jī)（HWF-2000，濟(jì)寧魯恒?）垂直鉆井，到達(dá)最大深度后清理基底土渣。然后垂直下放井身，利用錨桿、鋼筋網(wǎng)進(jìn)行井壁的支撐，使井口水平。最后人工回填細(xì)顆粒的砂礫石墊料（粒徑≦4 cm），并在井口設(shè)置保護(hù)網(wǎng)。

1.3 地面淋洗與作物種植方案

土地面淋洗配合田間排水措施是干旱區(qū)鹽堿地改良的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)地面淋洗配合暗管排水的日期分別為2016年6月8日（L1-Pa）、2016年9月8日（L2-Pa）、和 2017年4月18日（L3-Pa）；設(shè)計(jì)地面淋洗配合暗管與豎排水的日期分別為2020年5月15日（L4-Pa-Sa）、2020年10月15日（L5-Pa-Sa）。灌溉水源來(lái)自于天山融雪，鹽分為0.8 g/L。淋洗需水量的計(jì)算式[24]如下：

試驗(yàn)地于2017－2020年每年4－5月播種棉花（Linn.），且均為耐鹽品種（Dongsheng.9112）。棉花灌水施肥與地面淋洗方案見(jiàn)表2。

表2 棉花生長(zhǎng)季灌水施肥（2016－2020年）及地面淋洗方案

注：Pa、Sa分別代表暗管和豎井，L1-Pa、L2-Pa、L3-Pa、L4-Pa-Sa、L5-Pa-Sa分別代表5次淋洗事件。下同。

Note: Paand Sarepresent subsurface pipes and shafts respectively, and L1-Pa, L2-Pa, L3-Pa, L4-Pa-Saand L5-Pa-Sarepresent five leaching events respectively. Same below.

1.4 監(jiān)測(cè)指標(biāo)及方法

1.4.1 監(jiān)測(cè)分區(qū)方案

試驗(yàn)地為得到鹽漬化土壤改良的整體監(jiān)測(cè)效果，設(shè)置水平距離暗管不同位置觀測(cè)點(diǎn)（P1：0.5 m，P2：7.5 m）、水平距離豎井不同位置觀測(cè)點(diǎn)（S1：0.5 m，S2：30 m，S3：60 m）作為2個(gè)因素，包含緊鄰試驗(yàn)地東側(cè)的未鋪管觀測(cè)區(qū)（CK），共7個(gè)觀測(cè)區(qū)（P1S1、P1S2、P1S3、P2S1、P2S2、P2S3和CK），見(jiàn)圖2。此外，在7個(gè)觀測(cè)區(qū)根據(jù)棉花膜間、寬窄行處重復(fù)采樣3次[25]。

注：P1、P2分別代表水平距離暗管0.5 m、7.5 m的觀測(cè)點(diǎn)；S1、S2、S3分別代表水平距離豎井0.5 m、30 m、60 m的觀測(cè)點(diǎn)，豎井與暗管構(gòu)成了P1S1、P1S2、P1S3、P2S1、P2S2、P2S3共6處觀測(cè)區(qū)。

1.4.2 排水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

地面淋洗期間監(jiān)測(cè)暗管與豎井的排水流量和排水礦化度。暗管排水水樣采集和監(jiān)測(cè)的具體方法是：由1名觀察員攜帶水槽進(jìn)入集水井，將水槽置于暗管出口位置，并定時(shí)，10 s后，將水槽從井中取出，并將水池中的水倒進(jìn)量筒。完成讀數(shù)后，收集水樣，并將其送至實(shí)驗(yàn)室用烘干法測(cè)定排水礦化度。此過(guò)程從暗管首次排水開(kāi)始，平均4～6 h監(jiān)測(cè)1次，重復(fù)4次。量筒容量分別為500、1 000和2 000 mL，水槽容量為10 000 mL。豎井排水流量的監(jiān)測(cè)根據(jù)深水泵（4SP5-25A, Shanghai Yangguang?, China）的抽水時(shí)間與管道流量計(jì)（LDG-MIK, Hangzhou Meacon?, China）共同決定，水樣采集方法與時(shí)間與暗管一致。采集排水樣品后測(cè)定其礦化度，具體方法是采用烘干法將其置于180℃±3℃的烘箱烘干至質(zhì)量不變。

試驗(yàn)初期（2016年）布置地下水觀測(cè)井并監(jiān)測(cè)地下水水位，具體位置是沿著田塊膜間裸地方向（東西向）每隔50 m布設(shè)一處地下水位觀測(cè)井，井深25 m，內(nèi)徑32 mm，共3處地下水位觀測(cè)井。此外，3處地下水觀測(cè)井與2處豎井位于一條直線上。地下水水樣采集和監(jiān)測(cè)日期為每月中旬（2016年3月－2020年12月），每次監(jiān)測(cè)（3處地下水監(jiān)測(cè)井，2處豎井）重復(fù)測(cè)量5次。

2.4.3 棉花與土壤樣品監(jiān)測(cè)與分析

2016－2020年在6個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)逐月采集0～20 cm，60～80 cm，120～140 cm和180～200 cm共4個(gè)土層土壤樣品，每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)重復(fù)采樣3次。土壤樣品瓶密封后轉(zhuǎn)入車(chē)載冷藏箱，并于采集當(dāng)日帶回室內(nèi)實(shí)驗(yàn)冷藏室測(cè)定土壤含鹽量（g/kg）[26]。

棉花自播種日起，每隔7 d監(jiān)測(cè)出苗率，直至棉花進(jìn)入現(xiàn)蕾期；株高與干物質(zhì)量的測(cè)量日期在棉花盛花期。每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)隨機(jī)選取3株棉花植株，采用卷尺測(cè)量棉花從主根莖至頂端生長(zhǎng)點(diǎn)的高度，即為株高；隨后收集棉花植株樣本，并在烘箱105 ℃下殺青至質(zhì)量不變，再降低至80 ℃烘干3 d后，采用天平（精度0.01 g）稱(chēng)量棉花各器官干物質(zhì)量。當(dāng)棉花進(jìn)入吐絮期末，試驗(yàn)地各處理人工采摘棉花3次，每次間隔7 d，并將3次采摘的棉花總和記為籽棉產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均采用SPSS 19.0（SAS Institute Inc.，Chicago）軟件進(jìn)行相關(guān)性分析、顯著性分析和方差分析。采用Excel（Excel 2010?，Microsoft Corp）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，Origin 2018（Origin Lab, Northampton, MA, USA）進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化。

2 結(jié)果與分析

2.1 暗管與豎井排水動(dòng)態(tài)

圖3與圖4分別是暗管與豎井淋洗期間的排水動(dòng)態(tài)圖。暗管與豎井排水期間土壤鹽分的淋濾過(guò)程分別用排水流量、排水量、排水礦化度和排鹽量進(jìn)行定義。L1-Pa、L2-Pa、L3-Pa的平均排水流量分別為1.16、1.94和1.22 m3/h；平均排水礦化度分別為164.58、142.51和122.56 g/L；總排水量分別為195.08、291.7和222.44 m3。

圖3 暗管排水動(dòng)態(tài)（2016—2017）

L4-Pa-Sa、L5-Pa-Sa的排水時(shí)間分別為90和84 h，排水流量分別在30 h（4.5 m3/h）、36 h（5.3 m3/h）時(shí)達(dá)到峰值，排水礦化度均呈現(xiàn)緩慢升高的趨勢(shì)，總排水量分別為760 m3（L4-Pa-Sa）和800 m3（L5-Pa-Sa）；總排鹽量分別為62 t（L4-Pa-Sa）和43 t（L5-Pa-Sa）。總體上，暗管排水期間（前3次排水事件），暗管排水流量在排水開(kāi)始后30～36 h內(nèi)達(dá)到峰值，排水礦化度隨排水次數(shù)的增加逐漸減小；暗管與豎井協(xié)同排水期間（L4-Pa-Sa、L5-Pa-Sa），豎井排水流量波動(dòng)幅度較小，介于1.88～2.36 m3/h之間，排水礦化度分別在20、44 h后高于暗管。

圖4 暗管與豎井排水動(dòng)態(tài)（2020）

2.2 土壤鹽分與地下水位動(dòng)態(tài)

圖5是試驗(yàn)地改良期間土壤含鹽量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)圖，土壤含鹽量在水平距離暗管不同位置處（0.5、7.5 m）隨時(shí)間變化差異顯著（<0.05）。2016年3月－2017年9月期間，各土層土壤含鹽量隨時(shí)間的推移均呈現(xiàn)階梯式下降的趨勢(shì)。2017年9月－2020年3月，停止使用地面淋洗與暗管排水后，60～80 cm土壤含鹽量呈現(xiàn)大幅增長(zhǎng)，平均漲幅為12.2 g/kg（圖5b）；180～200 cm土壤含鹽量呈現(xiàn)緩慢降低的趨勢(shì)，而0～20、120～140 cm土壤含鹽量呈現(xiàn)緩慢積鹽的趨勢(shì)（圖5a、5c、5d）。

圖5 2016—2020年土壤含鹽量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

2020年3月－12月，暗管與豎井（Pa?Sa）排水應(yīng)用期間，0～20、60～80 cm土壤含鹽量呈現(xiàn)階梯式下降的趨勢(shì)，并且Pa-Sa在2次應(yīng)用后，0～20、60～80 cm土壤含鹽量已降低至6.51 g/kg。未鋪管區(qū)（CK）土壤含鹽量波動(dòng)幅度較小，0～20、60～80 cm土層土壤含鹽量略高于120～140、180～200 cm，均介于27.2～36.9 g/kg之間。5年暗管與豎井排水改良期間0～80 cm深度土壤含鹽量的總體降幅達(dá)到29.2 g/kg。在2條暗管中間位置（P2, 7.5 m）土壤含鹽量降幅最小，在靠近暗管0.5 m位置（P1）土壤含鹽量降幅最大，并且60～80 cm土層土壤含鹽量降幅略高于0～20 cm。一種可能的解釋是，P1觀測(cè)點(diǎn)靠近暗管埋設(shè)層的土壤（60～80 cm）鹽分響應(yīng)比表層土壤（0～20 cm）更為復(fù)雜，該處土壤含鹽量不僅受地表地下水復(fù)合補(bǔ)給，還受到植物根區(qū)鹽分的累積。

試驗(yàn)地塊所處的安集海灌區(qū)位于瑪納斯河流域中下游，目前安集海灌區(qū)95%以上各級(jí)渠系均采用了防滲措施。灌溉水源由農(nóng)渠引入試驗(yàn)地塊首部灌溉過(guò)濾系統(tǒng)，進(jìn)一步從埋藏在地下的主干管道輸送至田塊內(nèi)部的出水樁，因此可以忽略灌溉水源深層滲漏對(duì)于地下水的補(bǔ)給。圖6是試驗(yàn)地改良期間地下水水位變化趨勢(shì)圖，暗管與豎井排水期間地下水位出現(xiàn)過(guò)3次較大幅度的連續(xù)下降，時(shí)間分別為2017年3月－9月、2018年3月－8月、2020年4月－10月，降幅分別為2.2、2.3和2.8 m。淺層地下水位均值已從2016年的2.5 m降低至2020年的7.0 m，年際降幅為1.1 m。單獨(dú)應(yīng)用暗管排水期間地下水整體降幅為3.2 m，平均單次排水地下水降幅為1.06 m。未排水對(duì)照區(qū)（CK）與試驗(yàn)排水地塊相鄰，地下水位無(wú)較大差異。進(jìn)行3次淋洗后，地下水的下降趨勢(shì)僅能維持11個(gè)月（2017年9月－2018年8月），而在2018年8月至2020年3月期間地下水位整體呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)，漲幅1.1 m。應(yīng)用暗管和豎井排水期間地下水整體降幅為2.5 m，平均單次排水地下水降幅為1.25 m。

圖6 2016—2020年淺層地下水位變化

2.3 棉花生長(zhǎng)與產(chǎn)量

表3為試驗(yàn)地改良期間棉花生長(zhǎng)與產(chǎn)量指標(biāo)?？傮w上，工程改良期間未受擾動(dòng)的土壤（P2）相比暗管位置處的回填土（P1）籽棉產(chǎn)量更高。而P1位置處棉花出苗率和株高相比P2更高，其中2018年P(guān)1與P2位置處棉花株高差異顯著（<0.05）。這主要是由于干旱區(qū)土壤長(zhǎng)期受強(qiáng)蒸發(fā)作用的影響，擾動(dòng)土壤（P1）相比未擾動(dòng)土壤（P2）耕作層水汽更容易通過(guò)空氣溢出地表，造成干旱，威脅棉花生長(zhǎng)及產(chǎn)量。棉花干物質(zhì)量和籽棉產(chǎn)量、皮棉產(chǎn)量均逐年升高，其中2017－2018年P(guān)1位置的棉花干物質(zhì)量比P2位置低6%～21%，籽棉產(chǎn)量比P2位置低17%～45%，2020年棉花干物質(zhì)量與產(chǎn)量均無(wú)顯著差異，2017－2020年埋管區(qū)棉花干物質(zhì)與產(chǎn)量年際增幅分別為16%和21%。這表明隨著水利改良措施應(yīng)用年限的增加，埋管區(qū)棉花生長(zhǎng)及產(chǎn)量與CK觀測(cè)區(qū)的差異逐年減小，至第5年處于同一水平。

表3 2017－2020年棉花生長(zhǎng)與產(chǎn)量指標(biāo)

注：字母a、b、c表示組間差異的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性水平（<0.05）

Note: The letters a, b, and c represent the level of statistical significance of the difference between the groups (<0.05).

3 討 論

在干旱區(qū)，維持植物根區(qū)水鹽平衡主要包括兩個(gè)過(guò)程，一是由于雨水和灌溉造成鹽分的深層滲出，二是由于蒸發(fā)蒸騰作用，使土壤中的鹽分上升至地表。不合理的灌溉頻繁導(dǎo)致地下水位抬高，此時(shí)如果農(nóng)田缺少排水措施，便會(huì)引發(fā)土壤鹽堿化危害。暗管與豎井排水工程在鹽漬土改良中最直接的作用是能夠排水、排鹽、降低地下水位，但是在不同的地區(qū)它們的功能不同。例如，在一些河流密集的氣候濕潤(rùn)地區(qū)，暗管與豎井是常年持續(xù)排水的，此時(shí)地下水位和土壤含鹽量并不隨著暗管排水量和排鹽量的增長(zhǎng)而降低[27-28]。本研究處于干旱地區(qū)，暗管與豎井僅在地面淋洗發(fā)生后開(kāi)始排水，并且隨著排水量和排鹽量的增加，地下水位和土壤含鹽量逐漸降低。暗管排水初期土壤含鹽量較高，土壤鹽分淋溶效果較好；淋洗后期，隨著土壤含鹽量的減少，淋洗效果顯著下降，而在此期間，替換土壤中相同含量的鹽分則需要更多的淋溶水分。暗管作為水平排水，其排水深度局限于埋管層以上的區(qū)域（0～1 m土層），因此，本研究在前3次排水期間，土壤1 m深度以下鹽漬水并未排出土體，而是持續(xù)向深層滲漏。在2020年增加豎井排水時(shí)，其作為垂直排水，排水深度達(dá)到26 m，極大地提高了排水效率。暗管與豎井排水期間濕潤(rùn)鋒隨入滲水流持續(xù)堆疊，土壤鹽分在土壤水勢(shì)驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)至暗管與豎井位置，大部分鹽漬水由埋藏于淺層（1 m）的暗管排出，一部分鹽漬水滲漏至深層并由豎井排出，其余部分則通過(guò)深層滲漏的方式進(jìn)入淺層地下水。

表4是試驗(yàn)地改良期間工程投入與農(nóng)業(yè)產(chǎn)出。2016－2020年，試驗(yàn)地采用暗管和豎井排水的逐年投入比例分別為29.4%（2016年）、11.0%（2017年）、10.3%（2018年）、13.2%（2019年）和36.1%（2020），其中施工與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料所耗費(fèi)的資金占總投入的78.4%，農(nóng)業(yè)收入主要來(lái)源是棉花，2016年種植油葵，并作為綠肥育土，自2017年起種植棉花，棉花產(chǎn)量由2017年3.8 t/hm2增長(zhǎng)至2020年的7.0 t/hm2?？傮w上，試驗(yàn)地經(jīng)過(guò)5 a改良已扭虧為盈，并且逐步成為棉花高產(chǎn)田。盡管前期的鹽漬土改良已達(dá)到階段性目標(biāo)，但是在一些潛在方法上存在缺陷，即未考慮在單獨(dú)地塊進(jìn)行豎井排水對(duì)照試驗(yàn)[29-30]。許模等[31]指出，豎井排水技術(shù)在水文地質(zhì)條件較好的地區(qū)有一定的應(yīng)用前景，但對(duì)于某些地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地下水位較深的地區(qū)，采用豎井排水是不合適的。楊鵬年等[32]指出，豎井可以在短時(shí)間內(nèi)有效地控制地下水位，降低土壤含鹽量，但由于灌區(qū)缺乏橫向排水，導(dǎo)致土壤鹽分在包氣帶的中下層停留，一旦田間“四水”（大氣水、地表水、土壤水和地下水）發(fā)生改變，將面臨土壤次生鹽漬化和地下水水質(zhì)惡化等風(fēng)險(xiǎn)；在一些沒(méi)有河流、水庫(kù)的純井灌區(qū)，一旦農(nóng)作物在生育期內(nèi)發(fā)生汛情，僅依賴(lài)豎井排水短期內(nèi)起不到緩解作用。例如，棉花苗期遭遇強(qiáng)降雨天氣，發(fā)生澇漬災(zāi)害，農(nóng)田生產(chǎn)者被迫臨時(shí)開(kāi)挖排水溝用來(lái)降低淺層地下水位。

本研究發(fā)現(xiàn)采用Pa?Sa與單獨(dú)采用Pa相比，總排水量增加了119%。排水量增加和地下水位降幅的提高歸因于暗管與豎井協(xié)同排水，同時(shí)減少了鹽分深層滲漏的損失。進(jìn)一步的研究應(yīng)側(cè)重于在確保農(nóng)田生態(tài)可持續(xù)的前提下控制農(nóng)田排水措施的應(yīng)用的成本，并提供規(guī)范的實(shí)施與管理標(biāo)準(zhǔn)以應(yīng)對(duì)干旱區(qū)土壤次生鹽漬化。

表4 鹽漬土工程改良的成本投入與產(chǎn)出

4 結(jié) 論

本文針對(duì)新疆鹽漬化棄耕棉田，從提高棉花產(chǎn)量，控制地下水位與土壤鹽分的目標(biāo)出發(fā)，開(kāi)展為期5 a的暗管與豎井排水措施下的棉花生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，評(píng)估了農(nóng)田排水措施在鹽漬土改良期間的排水與脫鹽功能，結(jié)論如下：

1）5 a排水改良期間0～80 cm深度土壤含鹽量的總體降幅達(dá)到29.2 g/kg，水平距離暗管與豎井0.5 m位置處土壤含鹽量降幅最小，并且60～80 cm土層土壤含鹽量降幅略高于0～20 cm。

2）未受擾動(dòng)的土壤相比暗管與豎井回填處的土壤更有利于棉花生長(zhǎng)，棉花干物質(zhì)量和籽棉產(chǎn)量年際增幅分別為16%和21%。

3）采用暗管與豎井協(xié)同排水相比單獨(dú)應(yīng)用暗管總排水量增加了119%，排水量的提高和地下水位降幅的增加歸因于暗管與豎井協(xié)同排水，同時(shí)減少了鹽分深層滲漏的損失。

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Design and effect evaluation of subsurface pipe and vertical shaft drainage project to improve saline soil in Xinjiang

Heng Tong, He Xinlin※, Yang Lili, Zhao Li, Gong Ping, Xu Xuan, Wang Xinyu

(1.&,832003; 2.-&832003; 3.832003)

Soil salinization has greatly threatened agricultural productivity and land resources in arid desert regions. The field soil improvement needs to meet the large-scale production requirements fully. Soil salinization can affect 20% of the irrigated land on a global scale, leading to a noticeable reduction in crop growth and yield. One of these regions include the Xinjiang province, China, which is located in the inland arid desert regions of Central Asia. The desert covers an area of 4.3×105km2. The saline–alkali land area is 3.02×104km2, accounting for 37.72% of the total cultivated land, with the annual increase of saline–alkali land accounts for 0.26%. It is a high demand to mitigate soil salinity. The impact of soil salinization can be reduced to involve water conservancy, farm management (deep-ripping, backfilling of guest soil), chemical amendments (gypsum), and biological measures (cultivation of salt–tolerant crops). The water conservancy measures include the subsurface pipe (a) and vertical shaft (a) drainage. Specifically, theaapproach uses the surface fresh water to leach the salt from the saline–alkali soil, whereby the water entersaburied in the soil and flows into a drainage ditch. Theadrainage approach uses the subsurface wells to pump out groundwater in order to effectively lower the groundwater level and discharge saline water out of the planting area. The purpose ofais to regulate the distribution and balance of the soil water and salt in the planting area. Previous empirical studies on soil salinization was focused mainly on the water and salt transport, physical and chemical properties of saline–alkaline soil, and technical parameters or salinization improvement. However, theaandadrainage approaches are still in the exploratory stage for the improvement of saline–alkali lands due mainly due to the secondary soil salinization. In addition, the previous studies did not provide sufficient evidence on the effect of the combinedaandadrainage measures. Moreover, previous studies have focused on the 0-100 cm soil layer depths rather than the groundwater recharge on the soil salinity. In this study, a soil improvement was conducted in the five-year growing season field to evaluate the agricultural soil ecosystem underaandadrainage approaches. The main objective of this study was to evaluate the desalination and drainage effect of the drip irrigation and leaching that combined withaandain the process of improving saline-alkali soil conditions, including the soil desalination rate, drainage flow, salt discharge, and groundwater level. This study shows that saline-alkali soils were improved to assess the effects of the combinedaandadrainage measures on the agricultural soil ecosystem. The average annual decline of groundwater level from 2016 to 2020 was 1.1 m. More importantly, the seed cotton yield increased by 21%. It infers that the value of saline–alkali soil can be improved by combining theaandadrainage measures. This finding can provide a strong reference for the sustainable development of future saline-alkali soil improvement and agricultural land resource utilization for cotton production in arid desert regions.

soils; salts; yield; salinization; subsurface drainage; groundwater level; arid region; cotton

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.014

S278

A

1002-6819(2022)-21-0111-08

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2022-10-05

2022-10-29

國(guó)家自然科學(xué)基金-NSFC 新疆聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目（U1803244）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51969027）；第三次新疆綜合科學(xué)考察項(xiàng)目（2021xjkk0804）；兵團(tuán)財(cái)政科技計(jì)劃項(xiàng)目（2021DB012，2022DB020）

衡通，博士，講師，研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)水氮調(diào)控及環(huán)境效應(yīng)。Email：365547306@qq.com

何新林，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水資源高效利用。Email：hexinlin2002@163.com