东营引黄灌区波涌灌溉对田间泥沙运移影响研究

2016-03-23孙晓琴鞠茜茜王春堂山东农业大学水利土木工程学院山东泰安271018

中国农村水利水电 2016年10期

王帅，孙晓琴，周鹏，鞠茜茜，吴强，王春堂(山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 271018)

山东黄河流域农业生产主要以引黄灌溉为主，由于黄河含沙量大，黄河泥沙一直是引黄灌区亟待解决的问题。引黄泥沙淤积在渠道，造成引水、输水困难；清淤泥沙会占用大量耕地，引起土壤沙漠化[1,2]。近几年，远距离输沙技术的研究解决了引黄灌区渠道的淤积问题[3,4]。将泥沙引入田间是另一项重要措施，引黄泥沙多为细颗粒泥沙，多年引黄灌溉可明显改善灌区土壤的结构性，缩小土壤颗粒之间的比例差距。并且黄河泥沙含有丰富的养分，长期灌溉可以提高土壤中有机质、速效N、速效K等养分，改良土壤[5-7]。目前，有灌区引入田间的泥沙量占到了灌区引沙量的30%以上[8]，这对于缓解引黄渠道淤积问题起到了很大的作用。

作为一种成熟的节水灌溉技术，波涌灌溉技术已被广泛研究和应用，并有着良好的节水效果。波涌灌溉技术有灌水均匀[9,10]、提高产量[11]等优点，与传统连续灌溉相比，波涌灌溉可节水10%～40%[12]。本研究将波涌灌溉与传统连续灌溉对比，以田间泥沙运移为研究对象，探讨东营引黄灌区不同灌水定额对田间泥沙入渗深度的影响以及不同灌溉方式对田间泥沙运移的影响，研究出一种可在田间均匀输沙的灌溉方式。

1 材料与方法

1.1 试验地点简介

试验在山东东营垦利县小张村进行(北纬N37°36′0.04″，东经E118°22′2.74″)，小张村临近黄河，试验地点距黄河300 m左右，使用黄河水便利。试验区地处黄河河道与黄河大堤之间，地貌为河滩高地。属暖温带大陆性季风气候，多年平均气温12.8 ℃，年平均降水量555.9 mm，多集中在夏季，占全年总降水量的65%。试验地土壤类型为轻壤土，经测定田间持水量为25.4%。试验地平均土壤干密度：0～10 cm为1.33 g/cm3，10～20 cm为1.41 g/cm3，20～30 cm为1.50 g/cm3。试验时间为2014年11月。

1.2 试验布置

泥沙入渗深度试验设15个小区，按照0、750、900、1 050、1 200 m3/hm2的灌溉定额设置5组试验处理，每组处理设置3个重复，5组处理分别编号为W0，W1，W2，W3和W4，其中，W0组作为对照组，不灌水。小区尺寸为2 m×2 m的正方形，每个小区之间为1m的隔离行。经计算，W1～W4每组处理的每个小区分别灌水300、360、420和480 L。

田间泥沙运移试验设置7个试验田，每块试验田长100 m，宽1.5 m。试验前，试验田用大型农耕机械整平，比降均为0.3%。传统灌溉与波涌灌溉各设3个重复，中间设保护行隔开(如图1所示)。波涌灌溉周期数为2，循环率定为1/3。在每块试验田的中轴线上，距离畦首10、30、50、70、90 m处设取样点，测定各取样点的土壤颗粒级配。

试验灌溉用水直接提取黄河水，灌溉时所用黄河水平均含沙量为7.56 kg/m3。

图1 田间泥沙运移试验布置图Fig.1 Arrangement plan of silt transport in the field experiment

1.3 测定指标与方法

灌水结束2 d后，在定好的取样点取土样，测定土壤颗粒级配。用土钻在取样点依次取土壤深度为0～2、2～5、5～10、10～20、20～30、30～40 cm的土壤。土壤含水量采用烘干法测量，土壤颗粒级配采用净水沉降法测定。

2 结果与分析

2.1 不同灌水定额下土壤颗粒组成的变化

表1为不同灌水处理下各土层深度土壤颗粒的组成比例，按照土粒直径大小分成沙粒(0.05～2 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和黏粒(<0.002 mm)3个粒级。从表1中可以看出，0～2cm深的土层，对照W0，灌水处理后土壤中沙粒和黏粒所占比重显著增加(LSD，P<0.05)，粉粒所占比重显著减少(LSD，P<0.05)，并且灌水定额越大，变化越显著。当灌水定额达到480 L时，与W0相比，土壤中沙粒平均增加216.47%，粉粒平均减少13.53%，黏粒平均增加42.95%。2～5、5～10 cm深的土层，土壤颗粒比重变化趋势与0～2 cm深的土层相同，但与W0之间的差异逐渐缩小。在10～20 cm深土层，不同灌水定额处理下土壤粒径比重与W0相比，虽然和上面土层的变化趋势相同，但已无显著差异(LSD，P<0.05)。深度在20 cm以下的土壤中，各处理间土壤颗粒的组成没有显著差异，说明在试验设置的灌水定额下，灌溉水中泥沙最大的入渗深度为20 cm。

表1 不同处理下各土层深度土壤颗粒的组成Tab.1 Composition of soil particles in different soil depth under different treatments

注：每列中字母相同者表示差异未达标显著水平，字母不同者表示差异达5%显著水平。

在试验区提取黄河水处取黄河水样，分析得出黄河来水中泥沙颗粒级配，结果显示，试验期间黄河水泥沙含量为5.62 g/L，<0.25 mm的泥沙颗粒占99.8%，其中0.25～0.05 mm的泥沙颗粒占28.75%；<0.05 mm的泥沙颗粒占71.05%，其中<0.005 mm的泥沙颗粒占42.14%。这与W1～W4的土壤颗粒组成变化基本一致：沙粒、黏粒增加，粉粒减少。

2.2 不同灌水方式下，引黄泥沙在田间的运移

图2为在传统灌溉和波涌灌溉2种处理下，距渠首不同距离土层深2 cm的土壤颗粒组成的变化趋势。从图2中可以看出，传统灌溉下，随着离渠首的距离增大，各取样点土壤颗粒组成都发生了明显变化：土壤细沙(0.25～0.05 mm)所占比重降低，粗粉粒(0.05～0.01 mm)和细粉粒(0.01～0.005 mm)减少，黏粒增加。与灌前相比，距渠首5 m处土壤颗粒级配变化最大，细沙平均增加了138.58%，粗粉粒平均减少23.95%， 0.01～0.005 mm的土壤颗粒平均减少25.11%，<0.005 mm的土壤颗粒平均增加32.94%。随着距渠首的距离增大，各土壤颗粒组成与灌前的差异逐渐变小，最终在距渠首85 m处，与灌前相比差别已不明显，<0.005 mm的土壤颗粒略微增加。波涌灌溉下，灌后各取样点土壤颗粒组成差别不大，但与灌前相比，细沙(0.25～0.05 mm)平均增加34.86%，粗粉粒(0.05～0.01 mm)平均减少6.98%，0.01～0.005 mm的土壤颗粒平均减少27.69%，<0.005 mm的土壤颗粒平均增加24.47%。

图2 0～2 cm深田间土壤颗粒组成Fig.2 Soil particles composition at 0～2 cm depth

在0～2 cm的土层中，与传统灌溉相比，波涌灌溉条件下，田间泥沙运移更加均匀，这是因为传统灌溉持续放水时间长，水运行距离大，水中的泥沙在行进过程中会沉淀，使得田间的水行进到畦末时携带的泥沙减少，并且是颗粒较细的泥沙。

图3、图4分别为2种灌溉处理下2～5、10～20 cm深田间土壤颗粒组成的变化趋势。在图3中可以看出，传统灌溉下2～5 cm深土壤颗粒组成变化趋势与0～2 cm一致，但畦首与畦尾土壤颗粒组成的差异减小。到了10～20 cm深的土层，2种灌溉处理后，泥沙在田间的运移就没有了距离上的变化，与灌前相比，也没有显著差异(LSD，P<0.05)。