滴灌施钙时间对盐碱土水盐运移特征研究

第24卷第3期农业工程学报Vol.24No32008年3月TransactionsoftheCSAEMar.200853滴灌施钙时间对盐碱土水盐运移特征研究孙海燕1,2，王全九1,3，彭立新4，张江辉5，张胜江5(1．西安理工大学水资源研究所，西安710048；2．石河子大学水利建筑工程学院，石河子832003；3．中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌712100；4．新疆下板地建设管理局，喀什844000；5．新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐832001)摘要：通过室内试验测定新疆昌吉地区盐碱土在不同滴灌施钙时间的入渗运动过程，研究不同施钙时间（前期施用Ca-W、后期施用W-Ca、中间施用W-Ca-W、前后期施用Ca-W-Ca）的盐碱土土壤盐分运移和水分运动。结果表明不同施钙方式对滴灌盐碱土土壤水分分布具有影响，对盐碱土盐分运移影响明显，随着湿润锋水平、垂直运移距离的增加，不同滴灌施钙方式的土壤含盐量、钠离子含量和钠吸附比均在不断增加，Ca-W-Ca方式的达标脱盐区评价系数和脱钠区深度系数均大于其他方式，钠吸附比均小于其他方式，脱盐效果均优于其他方式，说明Ca-W-Ca方式更有利于作物根系生长，改良盐碱土效果最明显。关键词：盐碱土；滴灌；施钙时间；水盐运移中图分类号：S152.7文献标识码：A文章编号：1002-6819(2008)-3-0053-06孙海燕，王全九，彭立新，等.滴灌施钙时间对盐碱土水盐运移特征研究[J].农业工程学报，2008，24(3)：53－58．SunHaiyan,WangQuanjiu,PengLixin,etal.Effectsofcalcium-usingtimeindripirrigationonwaterandsalttransportcharacteristics[J].TransactionsoftheCSAE,2008,24(3)：53－58.(inChinesewithEnglishabstract)0引言20世纪80年代中期以来，由于西北等干旱地区绿洲灌溉农业的迅速发展，导致了大面积的土地次生盐渍化。近年来，水资源缺乏和土壤盐渍化已成为西北等干旱地区灌溉农业可持续发展所面临的重要生态环境问题[1]。对于大多数非盐生植物而言，土壤盐分是一个重要的生长限制因子，而合理的水盐调控有助于缓解盐碱土对作物生长的影响[2]。采用膜下滴灌技术开发利用盐碱土和防治土壤次生盐碱化具有明显效果，在新疆等干旱地区得到大面积推广应用[3-5]。膜下滴灌能使作物主根系区形成脱盐区,为作物生长创造一个良好的局部水盐环境，是盐碱土地区土壤改良和开发利用的一种重要方法[6-8]。化学改良也是传统的盐碱地改良方法，国内外许多学者不断地进行研究和完善，并将之与生产实践相结合[9-13]。但如何将水利改良与化学改良方式进行结合，提高膜下滴灌淋洗盐分效果，仍需深入研究。本文针对膜下滴灌开发利用盐碱地的实际情况，以新疆地区盐碱土为研究对象，收稿日期：2007-07-05修订日期：2008-01-08基金项目：国家863项目“水盐调控精量灌溉技术”（2006AA100207）；国家自然科学基金资助项目（50579062）；国家科技支撑计划课题“干旱区绿洲农业节水技术研究与示范”（2007BAD38B00）；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20050700001）作者简介：孙海燕（1975－），女，山东青岛人，博士生，主要从事水土资源理论与应用方面的研究。西安西安理工大学水资源研究所748信箱，710048。Email:[e-mail]将施钙方法与滴灌技术相结合，在滴灌灌水时将钙离子随滴灌水施入土壤，研究不同施钙时间对土壤水盐运移的影响，旨在提出合理的施钙时间，为寻求科学开发利用和改良盐碱土的新方法提供参考。1材料与方法1.1试验材料试验土样选自新疆昌吉地区盐碱土，土样经碾压、粉碎、风干、过筛，通过颗粒组成分析，供试土壤为砂质粘壤土，试验土壤的初始含水率为3.18cm3/cm3，初始含盐量为10.2mg/g。试验系统包括两部分，即供水、供钙系统和试验土箱。供水、供钙系统用马氏瓶，可以对系统进行稳压的供给。实验土箱用有机玻璃制作，大小为50cm×40cm×50cm。1.2试验过程试验土壤经风干和碾碎后，经孔为1mm筛子筛选，按照预定土壤容重1.35g/cm3，依据每5cm分层的方式装入试验土槽中，总厚度选取50cm。试验过程中滴头流量为1L/h，硝酸钙水滴施，Ca2＋的浓度为600mg/L，施钙时间均为总灌水时间的1/2。根据一次灌溉过程中滴水（以“W”表示）和施钙（以“Ca”表示）的先后顺序，试验设计见表1。在滴水过程中，在不同的灌水时刻用尺子观测湿润锋水平运移距离和垂直运移距离，同时记录该时刻的马氏瓶读数。灌水结束后，使用直径为1cm的54农业工程学报2008年采样器，以滴头下方为中心，分别在不同水平和垂直方向上采集间距为5cm的土壤样品，测定土壤样品的含水率、含盐量、4种阳离子Ca2+、Na+、K+、Mg2+含量。土壤水分采用烘干法测定，土壤盐分使用DDBJ-350型电导率仪，测定土水比为1︰5土壤水浸提液的电导率值。Ca2+、Na+、K+、Mg2+4种阳离子采用原子吸收测定。表1试验设计Table1Experimentaldesign施钙时间/min（0～1/4）T（1/4～1/2）T（1/2～3/4）T（3/4～1）TCa-WCaCa注：T为总灌水时间。2结果与分析2.1湿润锋运移特性分析图1显示不同施钙方式的湿润锋水平、垂直运移曲线。随着入渗时间的增大，不同施钙方式的湿润锋水平、垂直距离均在增大。说明不同施钙方式的湿润锋运移规律与无钙滴灌土壤湿润锋运移规律基本一致。将4种情况下湿润锋的水平、垂直距离与入渗时间之间关系统一分析，发现符合幂函数关系，即：BAxRt=（1）DCyRt=（2）式中t──入渗时间，min；xR、yR──分别为湿润锋水平、垂直运移距离，cm；A、B、C、D──拟合参数。式（1）、（2）经整理得到式（3）。B-DFAECxyRttR==（3）式中E、F──拟合参数。当t＜1（单位时间），yxRR/＞1时,说明该时段内水平运移距离大于垂直运移距离。当t趋于无穷时，yxRR/→0，说明水平扩散距离趋于恒定值，垂直扩散距离不断增大。由式（1）、（2）分别对t求导，则可得湿润锋水平、垂直运移速率，为式（4）与（5）。B-1ABxxdRVtdt==（4）D-1CDyydRVtdt==（5）式中xV、yV──分别为水平、垂直运移速率，cm/min。由此分析，湿润锋运移速率与入渗时间均符合良好的幂函数关系。由表2知，拟合参数B和D在（0，1）范围内，B-1和D-1则在（-1，0）范围内，随着入渗时间t的增大，水平、垂直湿润锋运移速率减少。将式（4）与（5）相除，得：B-DFABMCDxxyydRVdtttdRVdt===（6）式中M──拟合参数，可以由参数A、B、C、D计算确定。上式中当t＜1（单位时间），/xyVV＞1,说明该时段内水平运移速率大于垂直运移速率。当t趋于无穷时，/xyVV的值趋于零，说明水平运移速率趋于零，垂直运移速率趋于恒定值。表2拟合参数表Table2Curvefittingcoefficients拟合参数Ca-W-CaW-Ca-WCa-WW-CaW-WA3.1102.9602.5653.4553.536B0.4200.4300.4490.4220.409C2.0321.6281.4111.2540.818D0.3260.2710.3130.3000.393E1.5321.8101.8182.8594.425F0.0900.1600.1360.1100.017A/C1.5301.8181.8182.7554.320B-D0.0940.1590.1360.1220.016M1.9702.8872.6093.8804.500利用以上公式拟合试验资料，参数的拟合结果见表2，表中显示不同施钙方式计算参数A/C、B-D和拟合参数E、F的值相差较小，故在实际应用中可直接用A/C、B-D、AB/CD计算得E、F、M。图2显示灌水结束后，不同施钙方式滴灌条件下的土壤含水率分布情况。由图可知，不同施钙方式对滴灌盐碱土土壤水分运移具有影响，四种不同施钙方式Ca-W、W-Ca、W-Ca-W、Ca-W-Ca对土壤含水率的分布都表现为以滴头为中心，随着距滴头距离的增加土壤含水率逐渐减少，在湿润锋附近处的土壤含水率变化梯度也最大。在0～4cm垂直运移距离内，不同施钙方式的土壤含水率均高于无钙滴灌。相同施钙总量条件下，不同的施钙方式，进入土壤的Ca2+与Na+的交换次序和时间不同，使土壤水势不同，从而影响土壤水分运移，Ca-W-Ca方式的土壤含水率最大，为作物根系提供更适宜的水分。第3期孙海燕等：滴灌施钙时间对盐碱土水盐运移特征研究55图1不同施钙方式湿润锋水平、垂直运移曲线Fig.1Horizontalandverticalmovementcurveofwettedfrontfordifferentcalcium-usingmode图2不同施钙方式的土壤含水率分布Fig.2Distributionofsoilwatercontentfordifferentcalcium-usingmode2.2盐分运移特性分析2.2.1盐分含量分布特性图3显示灌水结束后，不同施钙方式滴灌条件下的土壤含盐量分布情况。由图可知，不同方式的土壤在滴灌后对土壤盐分均有淋洗作用，在横向距滴头约0～20cm，纵向距滴头约5cm以内区域范围的土壤含盐量明显低于初始含盐量（EC1:5为2.86mS/cm）形成脱盐区。由于不同的施钙时间对土壤中钠离子的置换影响不同，使不同施钙方式的土壤盐分分布存在差异，Ca-W-Ca方式与其他方式相比盐分分布差异较大，脱盐区域最明显，更有利于作物根系生长。2.2.2钠离子分布特性土壤中的钠离子含量是反映土壤盐分的重要指标，也是盐分对作物生长和土壤孔隙状况产生直接影响的元素。为了对土壤的钠离子含量进行定量的对比分析，将土壤中钠离子含量低于初始钠离子含量的区域深度称之为脱钠区深度h3，将土壤中钠离子含量高于初始钠离子含量的区域深度称之为积钠区深度，这样就把湿润区域深度分为脱钠区和积钠区，根据土壤的湿润锋深度H，提出h3/H为脱钠区深度系数。通过这个指标可直接定量判断滴灌湿润体中的钠离子分布情况。图4显示不同施钙方式滴灌条件下的土壤钠含量分布情况。由图可知钠离子的分布与土壤盐分分布一致，即滴头附近区域横向距滴头约0～20cm，纵向距滴头约5cm以内区域范围的土壤含钠量明显低于初始含钠量，随着入渗距离的增加土壤含钠量增加。在施钙的土壤入渗过程中，土壤胶体表面吸附的阳离子与代换性钙离子通过离子交换进入土壤，使原来盐碱土壤胶体所吸附的Na+等离子被换到土壤肥液中，从而实现盐碱土脱盐。不同施钙方式的脱钠区深度系数列于表3中。不同的施钙方56农业工程学报2008年式对土壤的脱钠情况具有影响，脱钠区深度系数由大到小为Ca-W-CaW-Ca-WCa-WW-CaW-W，与其他方式相比，Ca-W-Ca方式钠离子与代换性钙离子的交换程度更大，Ca-W-Ca方式脱钠区范围最明显，适宜于作物根系生长的范围更大。表3不同施钙方式的脱钠区深度系数Table3Depthcoefficientsofthesodiumdesalinizationzonefordifferentcalcium-usingmode脱钠区系数Ca-W-CaW-Ca-WCa-WW-CaW-Wh3/H0.8650.8390.8260.8140.781图3不同施钙方式的土壤含盐量分布Fig.3Distributionofsaltcontentinsoilfordifferentcalcium-usingmode图