干旱区微咸水膜下滴灌棉田土壤水流系统及其应用

【摘要】膜下滴灌是将地表滴灌和覆膜培植相结合的一种新型节水灌溉技术,既可以发挥滴灌浅层浸润的优点,又能起到增温保墒效果,节水增产,在我国干旱区,尤其新疆地区发展迅速。我国西北地区广泛分布有微咸水,采用膜下滴灌对其开发利用是解决农业用水的重要途径。但因可能产生的盐渍化风险,需对这种控制土壤生境的特殊土壤水流系统模式进行研究,为微咸水可持续膜下滴灌提供理论与技术支撑。近年来,国内外在滴灌土壤水盐运移规律、灌溉制度制定与微咸水利用等方面开展了大量研究。但以微咸水膜下滴灌土壤水流系统为研究对象,当前研究尚有不足或需加强之处：土壤水盐迁移、聚集与耗失的控制模式还不够明晰；滴灌条件下地下水-土壤-植物-大气连续体(GSPAC)关键环节的土壤水盐均衡需细致探讨；膜下滴灌的准确水盐运移数值模型需进一步识别；膜下滴灌土壤水流系统作用下的田间土壤盐分空间变异特征有待查明,年际漫灌洗盐模式还有优化空间。为此,本文在广泛收集国内外文献、深入分析研究背景的基础上,开展了以下工作：1.以GSPAC和土壤水流系统理论为指导,基于概念土壤水流模式分析,设计田间实验方案,识别分析微咸水膜下滴灌土壤水流系统模式特征与控制因子。2.根据获取的实验监测成果(地下水位、水质；土壤水质、水势、含水量；作物蒸腾与土面蒸发等),结合膜下滴灌土壤水流系统模式,分析土壤水流系统作用下的田间土壤生境(水、盐、热动态等)的时空变化规律及其与作物生理动态的关系；准确确定土壤水流系统各水均衡因子,进行土壤水盐均衡分析；由土壤水盐监测与均衡计算成果识别建立膜下滴灌三维土壤水盐运移数值模拟模型,刻画水盐运移特征。3.基于微咸水膜下滴灌模式作用下田间土壤盐分状态,利用EM38-MK2型电磁感应仪调查田间土壤空间盐分分布,分析不同水质滴灌、漫灌洗盐前后土壤盐分空间变异特征,评价漫灌洗盐效果,应用经识别验证的土壤水盐运移参数建立漫灌洗盐数值模拟模型,优化漫灌洗盐方案。通过上述研究得出如下主要结论：1,微咸水膜下滴灌土壤水流系统及其作用下的土壤生境(1)基于测得的膜下滴灌土壤剖面水势分布,定义从地表到地下水位相对均质土壤剖面的土壤水流系统模式,可将土壤水渗流场、介质场、水化学场、温度场及微生物场等耦合统一于土壤水流系统框架之中,并在不同时空四维尺度动态演化。膜下滴灌土壤水流系统上边界包括作为蒸发汇的膜间裸地、覆膜形成的隔水区域、蒸发作用较弱的苗孔和作为强周期性势源的滴头；下边界为可受灌溉入渗、潜水蒸发和地下水侧向径流影响的地下水位。典型灌水周期灌前零通量曲面以下的下渗水流和灌期不断升高的地下水位指示：灌区当前灌水制度存在深层渗漏。(2)土壤水流系统决定膜下滴灌土壤水盐分布。在滴灌有限浸润深度和上边界土面蒸发汇的综合作用下,土壤盐分在滴灌形成的湿润体周围和膜间裸地附近积聚。基础水文地质背景条件、气象条件、滴灌设置、作物种植模式与覆膜是控制土壤水流系统动态的主要因子。(3)在土壤水流系统模式作用下,宽行(覆膜隔水边界)、窄行(滴灌点源分布处)、膜间(土面蒸发汇)各深度(15、25、40cm)土壤水盐热动态日变化特征表现为：表层动态变化强烈,随深度增加趋于平缓。因强烈根系吸水作用与土面蒸发,滴灌后第一日,宽行含水量最大,窄行次之,膜间最小。宽行含盐率15cm深度处最大,25cm处次之,40cm处最小；窄行15cm处受滴灌淋洗强度大,含盐率最小；膜间15cm处为积盐状态。覆膜处升温时刻早于未覆膜处。棉花蒸腾与光合作用主要在白天进行,光合作用对环境变化较为敏感。典型花铃期滴灌周期内,含水量和地温也表现为由浅至深动态变化幅度趋缓。在根系吸水与土面蒸发作用下,窄行含水量动态变化强度要大于宽行和膜间；宽行含水量大于窄行和膜间；膜间25cm处含水量小于15和40cm处。土壤水流系统对水分的重分布作用和灌溉水温影响地温变化规律：15、25和40cm处地温除日内具有周期性波动外,随时间变化振幅逐渐增大。蒸腾与光合作用速率具有日内周期性波动特征,受灌水周期内的土壤水、热、盐动态影响,灌前较小,灌后先增大后减小。不同生育期土壤水分动态表现为：有灌水发生时的动态变化强度大于生育期无灌水发生时；各生育期土壤含水率均值宽行最大,窄行次之,膜间最小,灌水定额增加时各位置含水量增加,窄行含水率波动性强于宽行及膜间。微咸水膜下滴灌0～60cm深度土壤在整个生育期表现为积盐,在花期后期达到最大值并保持在大致稳定状态。地温(15和25cm深度)主要受气温控制,膜下滴灌土壤水流系统对地温有一定影响,在发生灌水的生育期窄行地温较低。苗期光合与蒸腾速率比明显大于其他生育期,覆膜增温保墒对这一状态有重要影响。2.土壤水流系统水盐均衡计算及三维数值模拟(1)基于一定尺度转化和折算方法,计算得均衡体(单位面积地表到地下水位)在均衡期(2012年8月15日-8月24日)内蒸散发总量为32.27mm,其中土面蒸发量仅为1.61mm,蒸腾占蒸散发量的95%；计算各水均衡因子,统计均衡误差为2.19mm,精度较高；土壤水对地下水的渗漏补给量占滴灌水量的53.2%,灌溉水漏失严重。盐分均衡计算结果表明,在均衡期内均衡体盐分渗漏排出量为灌水带入量的1.56倍,盐分淋洗量达115g/m2。因此,即使在微咸水灌溉条件下,土壤含盐率较高时,较大灌水定额的滴灌对盐分也可能具有淋洗效应。(2)从土壤水流系统模式分析出发,基于水盐均衡计算结果和高密度时空水盐动态监测,识别建立微咸水膜下滴灌三维土壤水盐运移数值模拟模型,并通过可靠性验证,进一步提高了模型仿真度和对模型结构的认识,获取了优化的土壤水分特征和溶质运移相关参数。(3)基于数值模型计算结果,分析微域时空尺度在灌水过程的水盐动态变化和灌水周期内的土壤盐分动态,是对常规监测手段的重要补充,深化对膜下滴灌土壤水流系统的认识。灌水过程中窄行响应最为迅速且波动幅度最大。三维模拟结果显示,滴头处含水量大于其他部位,且沿滴灌带方向发生入渗交汇,强度大于横向交汇。灌水结束后,形成的半椭圆柱状淡化湿润体空间分布与棉花种植模式及根系分布相适应,利于棉花生长。滴灌周期内,滴灌结束后土壤水盐会有再分布的过程,滴灌周期表层渗流场内(地表以下0-50cm),随蒸散发作用进行,根系密度最大处,土壤水矿化度最高；不同位置15、25和40cm深度在对滴灌响应时土壤水矿化度迅速降低,之后随蒸散发过程又逐渐增加,窄行25cm处受根系吸水影响较大,动态变化最为强烈。3.膜下滴灌条件下的田间土壤盐分变异特征与漫灌洗盐(1)EM38-MK2型电磁感应仪可高密度快速调查0-60cm根系主要分布区的盐分空间分布。EM38-MK2型电磁感应仪测定的大地表观电导率ECa与土壤含盐率间具有显著的线性回归关系,漫灌前、后解译模型相关系数分别为0.616和0.778,含水率变化较大时须相应对仪器进行取样率定。(2)对漫灌前微咸水及淡水灌溉处理土壤含盐率进行描述性统计特征分析表明：微咸水灌溉处理的积盐程度大于淡水灌溉处理,变异系数相对较小。将解译所得土壤含盐率作为区域化变量,拟合不同处理半方差函数模型,微咸水处理为指数模型,淡水处理为高斯模型,二者的块金常数及块金效应均较小,表现为强的空间相关性。微咸水处理变程为6m,淡水处理为3.91m。膜下滴灌条件下田间土壤盐分的空间变异特征主要表现为基底变异与滴灌影响叠加,局部高盐极值点基本分布于滴灌带两侧,淡水处理的微域及全域空间变异程度强于微咸水处理。(3)漫灌前、后土壤含盐率分别服从指数和球状模型,二者变程相近,但灌后基台值远大于灌前,变异程度增强。Kriging插值结果显示：漫灌并未消除土壤盐分(0-60cm)高值区(大于7g/kg)。漫灌后土壤含盐率均值大于灌前,不降反增,灌后积盐增量达4×104kg/hm2。以实测高含盐率土壤剖面为淋洗对象,利用HYDRUS-1D进行水盐运移数值模拟,得出的优化灌水定额(360mm)较实际灌水定额(615mm)节水255mm,0-30cm脱盐率达41.9%。对尚待开展的研究简述如下：(1)精细监测土壤水流系统中水化学与微生物行为,深化认识土壤水流系统；提高膜下滴灌三维土壤水盐运移模拟模型计算速度；减少深层渗漏,须少量多次滴灌,对生产力有更高要求。(2)可利用EM38-MK2型电磁感应仪等盐分普查设备进行系统细致的区域土壤盐分调查,结合数值模拟等手段,制定分区合理漫灌定额；长期的微咸水灌溉,需完善排水、排盐渠系,选定排盐区。(3)土壤水盐热原位监测,受土壤含水量干扰较大；土壤水提取器等,因取样延迟或提取困难,均需进一步改善。本文主要创新有：1.提出多场耦合的膜下滴灌土壤水流系统,用于分析揭示土壤生境(如土壤水、盐、热动态等)的时空变化规律。2.精细监测计算土壤水流系统水盐均衡,并结合土壤水盐动态,建立优化结构与参数的膜下滴灌三维土壤水盐运移数值模拟模型,刻画水盐运移特征。3.利用EM38-MK2型电磁感应仪高密度调查田间土壤盐分,结合膜下滴灌土壤水流系统盐分迁移分布特征,分析田间土壤盐分空间变异,用数值模拟手段优化漫灌洗盐方案。
【作者】栗现文；
【导师】靳孟贵；
【作者基本信息】中国地质大学，地下水科学与工程，2014，博士
【关键词】新疆；干旱区；微咸水；盐渍化；数值模拟；空间变异；

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