地下滲灌條件下水鹽運動規(guī)律的室內(nèi)試驗研究

地下滲灌條件下水鹽運動規(guī)律的室內(nèi)試驗研究

中國鹽漬土地面積1667萬hm，主要分布在干燥和半干旱地區(qū)。鹽堿化土壤的農(nóng)業(yè)利用,一是通過種植耐鹽堿的作物,二是通過灌溉調(diào)節(jié),使土壤根層的含鹽量低于作物的耐鹽強度。近年來,由于水資源的缺乏,研究西北干旱半干旱地區(qū)節(jié)水灌溉條件下土壤水鹽運動規(guī)律及其調(diào)控愈來愈受到重視。地下滲灌不但可降低地表水分蒸發(fā),而且可使土壤耕層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。我們利用土柱試驗的方法,模擬地下滲灌不同水頭條件下土壤水分和鹽分在水平方向和垂直方向的分布規(guī)律,為鹽堿化土壤作物灌溉技術(shù)和方法提供技術(shù)指導(dǎo)。1材料和方法1.1土壤理化性質(zhì)的測定供試土壤取自甘肅省民勤縣雙茨科鄉(xiāng)裕民村,經(jīng)碾壓、粉碎、自然風(fēng)干、過1mm孔徑土篩后測定其基本物理化學(xué)性質(zhì)。利用篩分法和吸管法測定土壤顆粒組成,經(jīng)分析土壤質(zhì)地為砂壤土。用殘渣烘干法測定土壤含鹽量為0.85%,pH值為8.04。根據(jù)鹽堿土分類標準判斷,土樣為鹽土。1.2土壤水分分析模擬不同壓力水頭地下滲灌條件下飽和、非飽和土壤一維水平入滲裝置,由有機玻璃水平土柱入滲裝置和馬氏瓶供水系統(tǒng)兩部分組成。有機玻璃入滲儀直徑4cm、高40cm,控制裝土容重1.4g/cm3,用馬氏瓶控制壓力水頭為2、30、80cm,設(shè)定每次入滲水量相同,入滲完成后,在距水源不同入滲距離的土壤中取土,烘干后用1∶5的土水比浸提,測定土壤溶液電導(dǎo)率,以確定入滲完成后鹽分在土壤中的分布情況。模擬不同壓力水頭地下滲灌條件下飽和、非飽和土壤一維垂直入滲裝置,由直徑2.4cm、高5.5cm的有機玻璃入滲儀和馬氏瓶供水系統(tǒng)兩部分組成,同樣控制裝土容重1.4g/cm3,目的是控制不同的滲透流速和滲透水量,研究不同滲透流速和滲透水量對排鹽效果的影響。為與模擬不同壓力水頭地下滲灌條件下飽和非飽和土壤一維水平和垂直入滲做比較,設(shè)置了常用的地表積水入滲試驗,入滲裝置為7cm×7cm×80cm的方形有機玻璃入滲儀,裝土容重相同,在土柱高度的一側(cè)面上,每間隔4cm在測孔上埋入土壤三參數(shù)(水分、土壤電導(dǎo)率、溫度)測定儀,設(shè)定積水層厚度為2cm,測定積水非飽和垂直入滲條件下土壤水分和土壤電導(dǎo)率的變化情況。研究得到了土壤溶液電導(dǎo)率(ms/cm)與溶液含鹽量(%)的關(guān)系為y=35.092x。2結(jié)果與分析2.1壓力對土壤鹽分含量的影響試驗研究表明,2、30、80cm3種入滲壓力水頭條件下的土壤水平入滲速率同樣符合Philip水平入滲公式,即i=at-0.5,其中i為入滲速率,t為時間。2、30、80cm3種入滲水頭的入滲速度與時間的關(guān)系式分別為:i=1.8764t-0.5、i=3.2577t-0.5、i=4.0487t-0.5(圖1)。圖1表明,隨著入滲水頭的增大,相同入滲時間內(nèi)的入滲速率增大。試驗表明,隨著入滲壓力水頭的增大,相同入滲時間內(nèi)的入滲距離也在增大(圖2)。對2、30、80cm入滲水頭壓力下的入滲水量與入滲距離研究表明,入滲水量和入滲距離均成正比,且三者直線重合,說明水頭壓力對入滲水量和入滲距離之間的關(guān)系沒有影響(圖3),這一規(guī)律可用于控制農(nóng)田灌溉中的計劃濕潤層深度。對入滲完成后的土柱進行取樣,土樣烘干后用1∶5的土水比浸提,測定的鹽分含量如圖4。從圖4中可以看出,2、30cm2種入滲水頭的土壤含鹽率沿入滲方向變化趨勢較明顯,80cm入滲水頭的土壤含鹽率沿入滲方向的分布雖呈逐漸增大的趨勢,但是具有很大的跳躍性。以上說明入滲水頭壓力越小,排鹽效果就會越好。圖1水平入滲時間與速率的關(guān)系2.2土壤水滲流對土壤排鹽效果的影響試驗改變滲透水頭壓力獲取不同的流速,水分從飽和土壤水中滲出,在垂直滲透過程中驅(qū)動水分運動的力是重力勢梯度與壓力勢梯度,且飽和導(dǎo)水率是一個常量。用萬分之一精度天平控制供試土樣重量,以保證土壤中含鹽量相等;用蒸餾水進行入滲,減少水中離子對滲出液電導(dǎo)率的影響。此土柱達到飽和所需水量為9.24mL,據(jù)此以每滲出10mL滲出液作為一個計量單位測定滲出液的電導(dǎo)率。將土壤初始含鹽率視為100%,排鹽率為排出鹽量占土壤總鹽量的比例,結(jié)果見表1。對表1數(shù)據(jù)用無重復(fù)雙因素方差分析法進行分析,結(jié)果見表2。從表1可以看出,隨著滲透流速的增大,相同水量的排鹽率越來越小。同一流速條件下隨著入滲水量的增加,排鹽率越來越大。由表2對表1的行列方差分析知,土壤水滲透流速對土壤排鹽效果有顯著影響。因此在進行灌溉壓鹽、排鹽時應(yīng)選擇合適的灌水方式盡量減緩水在土壤中入滲的流速,使土壤中的鹽分盡量溶解在水中,以便增強壓鹽、排鹽效果;滲透水量對壓鹽、排鹽效果亦有顯著影響,入滲水量越多壓鹽、排鹽效果越好,然而鹽漬化嚴重的地區(qū)往往是缺水的地區(qū),只能用有限的水量去進行壓鹽灌溉。不同流速不同滲出水量對應(yīng)的平均排鹽率見表3。對表3中的數(shù)據(jù)以滲出水量為X軸,以單位水量排鹽率為Y軸進行作圖,并用冪函數(shù)關(guān)系對點據(jù)進行擬合,得到各曲線的相關(guān)性R2均大于0.999。由此可見,滲出水量與對應(yīng)的單位水量排鹽率呈顯著冪函數(shù)遞減關(guān)系,實際運用中可以依此為標準根據(jù)控鹽要求選取合適的壓鹽灌溉水量。2.3土壤鹽分含量為了研究土壤中不同土層深度處水分和電導(dǎo)率隨時間的變化規(guī)律,我們規(guī)定把入滲鋒剛到達測孔處、土壤水分和電導(dǎo)率開始變化的時間作為每個測孔處計時的零點,以后各測孔處都按照相同的時間間隔進行測定取值。入滲過程中采用三參數(shù)測定儀直接測定土壤水分、電導(dǎo)率。以往研究表明,土壤電導(dǎo)率除了與土壤本身的含鹽量有關(guān)外也同樣與土壤含水量有關(guān),然而在土壤含水率變化不大的情況下,電導(dǎo)率主要取決于土壤含鹽量,土壤電導(dǎo)率與含鹽量呈正相關(guān)關(guān)系。對土壤積水深度2cm垂直入滲過程中土壤電導(dǎo)率的變化進行研究(圖5),發(fā)現(xiàn)距離入滲源7、15、19cm測孔處土壤電導(dǎo)率隨測定取值時間呈冪函數(shù)遞減關(guān)系。初始時電導(dǎo)率值很大,然后在很短的時間內(nèi)急劇下降,說明開始時土壤含水率低,土壤水含鹽量和單位水量的排鹽率都很高,隨著時間的延長電導(dǎo)率值呈平緩下降的趨勢,說明土壤含鹽率和單位水量的排鹽率都在逐漸減小。從圖5中還可以看出,7cm處電導(dǎo)曲線位于3條曲線的最下面,19cm處電導(dǎo)曲線位于3條曲線的最上面,說明土壤鹽分隨水分逐漸向土壤下層運移累積。對入滲結(jié)束時及入滲結(jié)束后24h的電導(dǎo)率進行測定,結(jié)果見表4。由表4得出,入滲結(jié)束時距入滲源7~27cm的6個點的平均電導(dǎo)率為7.1ms/cm,經(jīng)過24h水分再分布后各點平均電導(dǎo)率為5.2ms/cm;31cm和35cm2個點處入滲結(jié)束時平均電導(dǎo)率為29.2ms/cm,經(jīng)過24h水分再分布后平均電導(dǎo)率為35.5ms/cm,說明水分再分布增強了壓鹽的效果。對各測孔處體積含水率隨測定取值時間的變化進行研究,見圖6。發(fā)現(xiàn)距離入滲源7、15、19cm各測孔處含水率隨時間逐漸增加,最后趨于一個穩(wěn)定值,同時由表4知,距離入滲源越近這個穩(wěn)定值越高,入滲結(jié)束后各點平均含水率為32.6%,經(jīng)過24h水鹽再分布后各點平均含水率為25.2%,說明水分入滲過程結(jié)束后,土壤中的水分在吸力梯度和重力勢的作用下仍然繼續(xù)向下運動,原飽和層中的水分逐漸排出,原干燥層中的水分逐漸增加,進行了土壤水分的再分布過程。由于鹽隨水動的特點,使得上層土壤中的鹽分可以隨水分繼續(xù)向下層移動,增強了壓鹽效果。采用同樣的試驗裝置與設(shè)計,又分別對15、30、80cm水頭壓力下的入滲情況進行研究,得到與上面一致的結(jié)論。3土壤水回用的水量和入滲速度的關(guān)系通過飽和、非飽和土壤水水平和垂直一維入滲