膜下滴灌暗管排水规律及土壤脱盐效果试验研究.pdf

年 月 第 卷 第 期 石 培 君 膜 下 滴 灌 暗 管 排 水 规 律 及 土 壤 脱 盐 效 果 试 验 研 究 石 培 君 刘 洪 光 何 新 林 李 红 李 开 明 石 河 子 大 学 水 利 建 筑 工 程 学 院 新 疆 石 河 子 石 河 子 大 学 现 代 节 水 灌 溉 兵 团 重 点 实 验 室 新 疆 石 河 子 收 稿 日 期 修 回 日 期 网 络 出 版 时 间 网 络 出 版 地 址 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 十 三 五 国 家 重 点 研 发 计 划 项 目 第 一 作 者 简 介 石 培 君 男 甘 肃 古 浪 人 硕 士 研 究 生 主 要 从 事 节 水 灌 溉 理 论 与 技 术 研 究 通 信 作 者 简 介 刘 洪 光 男 山 东 金 乡 人 高 级 实 验 师 主 要 从 事 节 水 灌 溉 理 论 与 技 术 研 究 摘 要 为 了 探 索 膜 下 滴 灌 盐 碱 地 在 灌 溉 过 程 中 暗 管 排 水 规 律 及 土 壤 脱 盐 效 率 设 计 了 一 种 暗 管 排 水 模 型 试 验 装 置 系 统 来 探 究 灌 溉 过 程 中 暗 管 排 水 规 律 和 排 盐 效 果 试 验 通 过 控 制 灌 水 时 间 灌 水 量 观 测 并 记 录 暗 管 出 水 时 间 排 水 流 量 排 水 矿 化 度 土 壤 盐 分 剖 面 等 指 标 分 析 灌 溉 排 水 过 程 中 暗 管 排 水 流 速 和 排 水 矿 化 度 特 征 以 及 各 土 层 土 壤 脱 盐 效 率 结 果 表 明 经 过 次 灌 水 淋 洗 试 验 后 暗 管 排 水 流 速 最 终 趋 于 稳 定 范 围 排 水 矿 化 度 稳 定 在 内 土 层 脱 盐 率 高 达 土 层 土 壤 脱 盐 率 为 两 暗 管 中 间 位 置 处 脱 盐 率 最 小 分 别 为 暗 管 上 方 脱 盐 率 最 大 分 别 为 暗 管 排 盐 量 占 土 层 总 盐 分 含 量 的 其 余 盐 分 被 淋 洗 到 了 土 层 以 下 关 键 词 暗 管 排 水 脱 盐 效 果 盐 碱 土 滴 灌 中 图 分 类 号 文 献 标 志 码 文 章 编 号 石 培 君 刘 洪 光 何 新 林 等 膜 下 滴 灌 暗 管 排 水 规 律 及 土 壤 脱 盐 效 果 试 验 研 究 排 灌 机 械 工 程 学 报 第 期 石 培 君 等 膜 下 滴 灌 暗 管 排 水 规 律 及 土 壤 脱 盐 效 果 试 验 研 究 土 壤 盐 渍 化 是 一 个 世 界 性 难 题 全 球 大 约 有 亿 的 土 壤 受 到 盐 渍 化 威 胁 新 疆 作 为 中 国 农 业 大 区 现 有 耕 地 中 近 的 面 积 受 到 盐 碱 危 害 其 中 以 上 为 土 壤 次 生 盐 碱 化 土 壤 盐 渍 化 已 经 成 为 新 疆 农 业 经 济 发 展 的 障 碍 成 为 低 中 产 田 的 主 要 原 因 随 着 膜 下 滴 灌 技 术 的 推 广 与 发 展 新 疆 已 成 为 全 球 膜 下 滴 灌 技 术 面 积 应 用 最 广 泛 的 地 区 由 于 此 技 术 具 有 调 控 土 壤 中 盐 分 的 作 用 在 短 时 间 内 可 以 使 作 物 根 区 形 成 脱 盐 区 促 进 作 物 高 产 但 这 种 浅 灌 勤 灌 湿 润 范 围 小 的 灌 溉 特 点 被 认 为 不 产 生 深 层 渗 漏 很 难 将 盐 分 淋 洗 到 下 层 并 携 带 到 地 下 水 中 盐 分 无 法 排 出 土 体 另 外 恶 劣 的 灌 溉 水 质 和 施 肥 会 带 来 新 的 盐 分 离 子 加 剧 了 土 壤 盐 分 的 累 积 以 及 不 合 理 的 灌 溉 管 理 措 施 造 成 地 下 水 位 上 升 土 壤 次 生 盐 渍 化 等 新 的 农 业 生 态 环 境 问 题 排 水 被 认 为 是 改 良 盐 碱 地 最 有 效 的 水 利 措 施 之 一 具 有 和 灌 溉 同 样 重 要 的 作 用 国 内 外 学 者 对 暗 管 排 水 技 术 研 究 发 现 其 具 有 很 好 的 改 良 效 果 中 国 滨 海 及 沿 海 地 区 在 暗 管 排 水 技 术 方 面 已 经 取 得 了 较 好 的 成 果 在 工 程 实 践 中 大 面 积 推 广 而 西 北 干 旱 区 暗 管 排 水 技 术 虽 在 工 程 实 践 中 应 用 较 早 但 在 理 论 和 应 用 方 面 的 研 究 还 不 够 成 熟 李 显溦 等 利 用 模 型 对 暗 管 排 水 农 田 的 水 盐 运 动 参 数 进 行 了 研 究 结 果 表 明 上 层 土 壤 脱 盐 率 可 以 达 到 但 是 暗 管 排 盐 量 十 分 有 限 仅 占 暗 管 以 上 土 体 总 盐 分 的 文 献 通 过 连 续 的 大 田 暗 管 排 水 试 验 得 出 土 体 内 脱 盐 率 为 上 述 研 究 都 是 在 田 间 试 验 基 础 上 进 行 的 在 这 类 试 验 中 很 难 对 地 下 水 动 态 排 水 持 续 时 间 总 排 盐 量 进 行 监 测 因 此 文 中 通 过 膜 下 滴 灌 与 暗 管 排 水 相 结 合 分 析 暗 管 排 水 规 律 及 土 壤 脱 盐 的 动 态 变 化 过 程 为 制 定 合 理 的 暗 管 设 计 及 灌 溉 策 略 提 供 理 论 支 撑 材 料 与 方 法 试 验 材 料 试 验 装 置 是 由 混 凝 土 砌 筑 而 成 长 宽 深 由 土 槽 和 蓄 水 池 组 成 蓄 水 池 通 过 连 通 管 与 土 槽 相 连 用 来 模 拟 地 下 水 位 所 有 墙 面 均 设 防 渗 层 如 图 所 示 排 水 暗 管 为 管 管 径 为 开 孔 率 为 铺 设 细 砂 和 粗 砂 作 为 滤 层 暗 管 埋 深 间 距 埋 设 根 暗 管 倾 斜 度 为 连 通 管 也 为 管 管 径 为 开 孔 率 为 管 周 围 包 裹 层 无 纺 布 连 通 管 埋 深 将 地 下 水 位 控 制 在 左 右 灌 溉 水 及 地 下 水 矿 化 度 均 为 次 灌 水 试 验 结 束 后 地 下 水 矿 化 度 增 加 到 图 试 验 装 置 示 意 图 试 验 用 土 为 新 疆 石 河 子 市 团 盐 荒 土 土 壤 初 始 含 盐 量 为 根 据 中 国 盐 土 分 类 标 准 该 土 壤 为 重 度 盐 碱 土 土 壤 初 始 质 量 含 水 率 为 饱 和 含 水 率 为 饱 和 渗 透 系 数 为 土 壤 质 地 为 砂 壤 土 试 验 前 将 土 风 干 过 土 筛 除 去 杂 质 将 土 壤 掺 和 形 成 均 质 土 壤 分 层 装 填 每 夯 实 次 保 证 每 次 压 实 度 基 本 相 同 装 填 后 土 壤 容 重 为 第 一 次 灌 水 后 略 有 沉 降 为 经 计 算 土 壤 容 重 达 到 了 试 验 利 用 塑 料 水 桶 与 水 泵 组 成 供 水 系 统 采 用 单 翼 迷 宫 式 滴 灌 带 滴 头 流 量 为 滴 头 间 距 排 灌 机 械 工 程 学 报 第 卷 为 根 据 大 田 滴 灌 带 布 设 模 式 试 验 共 铺 设 条 滴 灌 带 试 验 过 程 中 灌 水 前 各 土 层 内 体 积 含 水 率 和 含 盐 量 见 表 表 中 为 土 壤 深 度 为 体 积 含 水 率 为 含 盐 量 表 灌 水 前 各 土 层 内 体 积 含 水 率 变 化 第 二 次 灌 水 前 第 三 次 灌 水 前 试 验 设 计 及 方 法 试 验 中 通 过 水 泵 持 续 供 水 直 到 暗 管 开 始 排 水 为 止 记 录 灌 水 时 间 和 水 量 用 量 筒 收 集 排 水 暗 管 排 水 停 止 后 记 录 排 水 历 时 和 总 排 水 量 灌 水 前 和 排 水 结 束 后 内 在 距 离 暗 管 间 距 分 别 为 处 取 样 每 隔 取 个 样 由 于 暗 管 埋 深 滤 层 为 保 证 滤 层 结 构 不 受 影 响 取 样 深 度 为 将 所 取 土 样 在 下 烘 干 研 磨 过 土 壤 筛 按 土 水 比 为 配 置 成 溶 液 用 电 导 率 仪 测 定 其 电 导 率 通 过 烘 干 法 测 定 各 时 刻 的 排 盐 量 然 后 通 过 排 水 量 与 单 方 水 排 盐 量 计 算 各 次 总 排 盐 量 暗 管 总 排 盐 量 与 土 层 初 始 总 盐 量 之 比 为 暗 管 排 盐 率 通 过 每 次 灌 水 结 束 后 各 土 层 含 盐 量 与 初 始 含 盐 量 之 比 得 出 脱 盐 率 灌 溉 排 水 参 数 见 表 表 中 为 灌 溉 历 时 为 灌 溉 水 量 为 排 水 水 量 为 排 水 历 时 为 灌 溉 定 额 表 灌 溉 排 水 水 量 及 历 时 参 数 灌 溉 日 期 结 果 与 分 析 图 为 排 水 流 速 和 排 水 矿 化 度 随 排 水 历 时 的 变 化 特 征 膜 下 滴 灌 暗 管 排 水 过 程 中 排 水 量 的 变 化 排 水 流 速 不 仅 可 以 反 映 排 水 过 程 中 各 时 段 暗 管 排 水 能 力 的 大 小 而 且 是 判 别 暗 管 排 水 排 盐 性 能 的 关 键 由 图 可 知 第 一 次 灌 水 后 时 段 排 水 流 量 最 大 为 随 着 排 水 历 时 的 延 长 排 水 流 速 呈 下 降 趋 势 至 时 结 束 第 二 次 灌 水 后 时 段 暗 管 流 速 最 大 为 随 后 在 短 时 间 内 下 降 并 稳 定 于 第 后 排 水 流 量 呈 逐 渐 下 降 的 趋 势 至 结 束 第 三 次 灌 水 后 自 暗 管 开 始 排 水 到 停 止 排 水 时 整 个 过 程 中 排 水 流 速 基 本 稳 定 于 内 呈 现 逐 渐 下 降 的 趋 势 至 结 束 第 一 次 排 水 初 始 阶 段 排 水 流 速 较 大 随 着 灌 溉 过 程 的 进 行 后 次 排 水 过 程 中 排 水 流 量 基 本 保 持 稳 定 的 状 态 这 是 由 于 土 壤 初 始 含 水 率 较 低 没 有 达 到 土 体 的 最 优 含 水 量 在 分 层 填 装 时 虽 然 经 过 了 压 实 但 土 体 还 是 比 较 疏 松 土 壤 有 效 孔 隙 度 较 好 且 土 壤基 质 势 远 远 大 于 水 流 重 力 势 在 基 质 吸 力 作 用 下 水 流 很 快 可 以 与 地 下 水 汇 合 形 成 汇 流 另 外 随 着 灌 溉 过 程 的 持 续 土 体 上 层 土 壤 中 细 小 颗 粒 在 对 流 和 弥 散 作 用 下 在 暗 管 上 方 形 成 天 然 滤 层 降 低 了 土 壤 有 效 孔 隙 度 使 水 流 在 土 壤 中 的 运 动 接 近 饱 和 均 匀 流 运 动 规 律 符 合 达 西 定 律 经 过 次 灌 水 淋 洗 暗 管 排 水 流 量 最 终 稳 定 在 内 图 排 水 流 速 和 排 水 矿 化 度 随 排 水 历 时 的 变 化 特 征 膜 下 滴 灌 暗 管 排 水 过 程 中 排 水 矿 化 度 的 变 化 矿 化 度 为 水 中 各 种 阳 离 子 和 阴 离 子 的 和 同 时 也 表 示 了 水 中 所 含 盐 分 的 数 量 图 为 次 排 水 过 程 中 矿 化 度 的 动 态 变 化 次 排 水 过 程 中 矿 化 度 的 变 化 存 在 明 显 差 异 第 一 次 排 水 开 始 阶 段 矿 化 度 较 小 随 着 排 水 历 时 的 延 长 矿 化 度 呈 直 线 上 升 高 达 这 是 由 于 初 始 阶 段 排 水 流 速 较 快 短 时 内 只 第 期 石 培 君 等 膜 下 滴 灌 暗 管 排 水 规 律 及 土 壤 脱 盐 效 果 试 验 研 究 有 少 量 的 盐 溶 于 水 并 进 入 暗 管 随 着 灌 溉 的 进 行 排 水 流 速 逐 渐 稳 定 水 流 在 土 体 中 运 动 并 与 地 下 水 在 暗 管 上 方 交 汇 使 土 体 内 盐 分 充 分 溶 解 并 形 成 汇 流 进 入 暗 管 因 此 开 始 排 水 阶 段 矿 化 度 较 低 结 束 阶 段 矿 化 度 较 高 第 二 次 排 水 过 程 中 排 水 矿 化 度 呈 先 增 加 后 降 低 再 增 加 的 趋 势 这 是 由 于 第 一 次 试 验 结 束 后 土 壤 中 水 盐 发 生 了 重 分 布 大 量 的 水 分 和 盐 分 聚 集 于 暗 管 周 围 盐 分 得 到 了 充 分 溶 解 但 不 能 形 成 汇 流 第 二 次 试 验 后 土 体 内 水 分 达 到 饱 和 并 与 地 下 水 交 汇 形 成 汇 流 将 暗 管 周 围 的 盐 分 带 入 暗 管 随 着 持 续 的 灌 水 地 下 水 位 不 断 的 上 升 暗 管 上 方 的 盐 分 逐 渐 地 被 淋 洗 灌 水 结 束 后 地 下 水 位 逐 渐 下 降 表 层 积 水 在 重 力 作 用 下 在 土 体 内 运 动 不 断 地 将 盐 分 离 子 带 到 深 层 土 壤 与 地 下 水 形 成 汇 流 渗 入 暗 管 第 三 次 排 水 过 程 中 排 水 矿 化 度 基 本 稳 定 于 内 膜 下 滴 灌 暗 管 排 水 对 土 壤 脱 盐 效 果 的 影 响 表 为 灌 水 过 程 中 各 土 层 内 含 盐 量 及 脱 盐 率 分 析 结 果 其 中 为 水 平 距 离 暗 管 距 离 为 脱 盐 率 为 平 均 脱 盐 率 从 表 中 看 出 土 层 内 脱 盐 率 最 大 分 别 为 随 着 深 度 的 增 加 脱 盐 效 率 逐 渐 减 小 内 脱 盐 率 最 小 分 别 为 距 离 暗 管 不 同 剖 面 处 脱 盐 率 差 异 较 大 水 平 距 离 暗 管 上 方 处 脱 盐 率 最 大 次 试 验 后 的 脱 盐 率 分 别 为 两 暗 管 中 间 位 置 处 土 壤 脱 盐 率 最 小 次 灌 水 后 的 脱 盐 率 分 别 为 这 表 明 水 平 方 向 土 壤 脱 盐 率 与 距 离 暗 管 的 间 距 成 反 比 关 系 距 离 暗 管 间 距 越 大 脱 盐 率 越 小 距 离 暗 管 间 距 越 小 脱 盐 率 越 大 在 土 体 内 每 次 灌 水 淋 洗 后 整 个 土 层 内 的 脱 盐 率 分 别 为 根 据 水 平 和 垂 直 方 向 观 察 每 次 灌 水 过 程 中 土 壤 脱 盐 效 果 均 较 明 显 说 明 灌 溉 与 排 水 对 盐 碱 化 土 壤 的 改 良 具 有 较 好 的 协 同 作 用 表 各 灌 溉 过 程 中 各 土 层 盐 分 含 量 及 脱 盐 率 灌 水 次 数 第 一 次 第 二 次 第 三 次 讨 论 暗 管 排 水 脱 盐 效 果 受 多 重 因 素 影 响 许 多 学 者 针 对 不 同 因 素 下 暗 管 排 水 规 律 及 土 壤 脱 盐 效 果 进 行 了 研 究 李 显溦 等 通 过 蓄 水 淋 洗 条 件 下 暗 管 排 水 试 验 得 出 土 壤 脱 盐 率 可 达 与 研 究 结 论 相 近 但 前 者 认 为 暗 管 排 盐 率 仅 为 而 文 中 研 究 经 过 次 灌 水 试 验 得 出 暗 管 排 盐 率 为 是 由 于 前 者 所 选 研 究 区 地 下 水 位 较 深 灌 溉 水 在 暗 管 周 围 可 能 出 现 绕 流 现 象 使 盐 分 随 水 流 流 向 暗 管 下 层 土 壤 而 文 中 研 究 地 下 水 较 浅 灌 水 后 可 以 使 地 排 灌 机 械 工 程 学 报 第 卷 下 水 位 上 升 至 暗 管 以 上 灌 溉 水 与 地 下 水 在 暗 管 上 方 形 成 汇 流 流 入 暗 管 上 层 淋 洗 到 下 层 的 盐 分 也 随 之 排 出 暗 管 文 献 通 过 连 续 的 大 田 暗 管 排 水 试 验 得 出 土 体 内 脱 盐 率 为 文 中 经 过 次 灌 水 试 验 后 土 层 内 脱 盐 率 高 达 这 与 前 者 研 究 结 果 差 异 较 大 主 要 是 前 者 在 大 田 所 选 暗 管 间 距 较 大 为 埋 深 表 明 浅 密 式 暗 管 更 有 利 于 盐 碱 地 土 壤 盐 分 的 淋 洗 此 外 不 同 剖 面 处 土 壤 的 脱 盐 率 与 距 离 暗 管 的 间 距 成 反 比 关 系 距 离 暗 管 间 距 越 大 脱 盐 率 越 小 距 离 暗 管 间 距 越 小 脱 盐 率 越 大 地 下 水 位 在 暗 管 上 下 波 动 时 更 有 利 于 暗 管 周 围 土 壤 盐 分 的 淋 洗 结 论 试 验 发 现 经 过 次 灌 水 淋 洗 试 验 得 出 暗 管 排 水 流 速 随 灌 溉 过 程 的 进 行 趋 于 稳 定 状 态 排 水 矿 化 度 随 排 水 历 时 的 延 长 先 增 大 后 减 小 随 灌 溉 次 数 的 增 加 趋 于 稳 定 的 变 化 趋 势 与 初 始 土 壤 盐 分 相 比 次 灌 水 后 土 层 内 盐 分 含 量 小 于 达 到 了 非 盐 化 土 水 平 土 层 内 盐 分 达 到 了 轻 度 盐 化 水 平 经 计 算 暗 管 排 盐 量 占 土 层 总 盐 量 的 其 余 盐 分 淋 洗 到 了 以 下 土 层 或 者 溶 解 到 了 地 下 水 中 说 明 膜 下 滴 灌 条 件 下 暗 管 排 盐 可 降 低 土 壤 盐 分 提 高 灌 溉 用 水 洗 盐 效 率 使 膜 下 滴 灌 技 术 得 以 持 续 发 展 参 考 文 献 胡 明 芳 田 长 彦 赵 振 勇 等 新 疆 盐 碱 地 成 因 及 改 良 措 施 研 究 进 展 西 北 农 林 科 技 大 学 学 报 自 然 科 学 版 李 明 思 刘 洪 光 郑 旭 荣 长 期 膜 下 滴 灌 农 田 土 壤 盐 分 时 空 变 化 农 业 工 程 学 报 姚 中 英 赵 正 玲 苏 小 琳 暗 管 排 水 在 干 旱 地 区 的 应 用 塔 里 木 大 学 学 报 李 显溦 左 强 石 建 初 等 新 疆 膜 下 滴 灌 棉 田 暗 管 排 盐 的 数 值 模 拟 与 分 析 模 型 与 参 数 验 证 水 利 学 报 责 任 编 辑 谈 国 鹏