棉田膜下滴灌条件下土壤水盐分布特征试验研究

摘要

膜下滴灌作为干旱半干旱地区盐碱地或次生盐碱地开发利用的一种新的技术，本论文针对新疆棉花膜下滴灌技术存在的科学问题和实际应用问题，在查阅国内外有关文献基础上，采用室内外试验与理论分析方法，对土壤水盐分布特征及其相关问题进行了深入研究，得到了如下结论：
　　(1)碎石的存在增加了土壤的入渗能力，土壤累积入渗量与湿润锋推进过程均随碎石含量的增加存在先增加后减小的变化趋势，在碎石含量为30％时达达到最大值；其推进过程可以利用Philip一维垂直入渗幂级数解前两项进行描述；不同碎石粒径之间对土壤水分累积入渗量与湿润锋推进过程的影响程度不如碎石含量明显，其影响程度由大到小的顺序依次为5～10mm>2～5mm>10～20mm；利用Wang(2002)提出的水平入渗法确定了Brooks-Corey模型土壤水力参数，并利用Hydrus-1D模拟分析了该方法的可行性，结果显示该方法可以用于确定土石混合介质的水力参数；对一维垂直代数模型在土石混合介质的适用性进行验证也具有一定的可靠性；从土壤盐分淋洗效果来看，累积入渗量越大盐分淋洗效果越好，在碎石粒径为5～10mm时盐分淋洗效果最好，脱盐区系数达到0.91，脱钠区系数达到0.64，脱钠区系数小于脱盐区系数，这也说明钠离子淋洗要比总盐分淋洗困难。
　　(2)滴灌设计湿润宽度是确定滴头流量大小的重要指标，滴头流量的增大促使水平湿润半径的扩展范围，沿毛管方向土壤含水量分布均匀度与盐分淋洗效果是滴头间距设计的依据，在相同的灌水量下，滴头流量越大交汇区盐分淋洗效果越好；相同的滴头流量，滴头间距越小交汇区的盐分淋洗效果越好；相同的滴头流量与滴头间距，灌水量越大，交汇区盐分淋洗效果越好。
　　(3)通过分析提高钙离子与钾离子浓度置换吸附在土壤胶体颗粒上的钠离子，以及强化土壤盐分的淋洗效果，结果表明在施钙溶度为800mg/L，以Ca-W-Ca的形式进行改良盐碱地的效果最好；与施钙相比，施钾改良盐碱地的效果不如施钙效果好。
　　(4)大田膜下滴灌条件下，在灌水之前由于覆膜作用，形成膜下与膜间的水势梯度，在此梯度作用下造成膜间含盐量高于膜下，地温低于膜下。双管布置形式容易为作物根区创造适宜的水盐环境，单管布置时外行棉花处在水盐胁迫作用下，因此每亩棉花株数、单铃重、产量均低于双管布置。双管布置时水分生产效率为1.69～1.84kg/m3，单管布置时水分生产效率为1.52～1.63kg/m3。棉花根系分布受覆膜与湿润宽度的影响，由于棉花根系具有向水性与去盐性，单管布置时，膜间含水量较低，含盐量较高，根系分布明显低于膜下。
　　(5)长期进行膜下滴灌土壤盐分会逐渐累积在土壤当中。在生育期内，灌水开始前土壤含盐量最高，土壤盐分随灌水的进行而得到淋洗，灌水结束后土壤开始返盐。不同发展年限的土壤盐分含量随年限的增加而逐渐升高，在发展膜下滴灌3、4年的0～120cm土壤平均含盐量分别比发展2年的膜下滴灌土壤平均含盐量高出1.26％与8.56％；土壤中各大离子的含量也随年限的增加有逐渐升高的趋势，因此及时准确的掌握膜下滴灌条件下土壤盐分的累积过程，为膜下滴灌长期发展给与指导。

目录

独创性声明

学位论文使用授权声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 膜下滴灌土壤水盐运移特征研究现状

1.2.1 膜下滴灌方法基本特征

1.2.2 滴灌土壤水分运动研究

1.2.3 滴灌土壤盐分迁移特征研究

1.2.4 覆膜滴灌土壤温度场特征研究

1.2.5 滴灌条件下水肥耦合与作物生长及产量关系研究

1.2.6 滴灌条件下水肥盐迁移模拟及数值计算

1.3 盐碱化土壤改良技术

1.3.1 土壤盐碱化形成特点

1.3.2 化学改良技术

1.4 膜下滴灌技术存在的问题

1.5 本论文研究的主要内容

1.5.1 土石混合介质水盐运移特征试验研究

1.5.2 点源及其交汇入渗土壤水盐运移特征试验研究

1.5.3 随水滴施化学改良剂盐碱土水盐运移特征试验研究

1.5.4 大田膜下滴灌土壤水、盐、热运移特征试验研究

1.5.5 膜下滴灌年季间土壤盐分累积特征试验研究

2 试验材料与方法

2.1 试验区概况

2.2 一维土柱模拟试验

2.3 点源及其交汇入渗土壤水盐运移特征试验研究

2.4 随水滴施改良剂土壤水盐运移特征试验研究

2.5 膜下滴灌不同系统布置形式土壤水盐运移特征试验研究

2.6 膜下滴灌年季间土壤盐分累积特征试验研究

3 土石混合介质的水盐运移特征研究

3.1 土石混合介质水分运动特征研究

3.1.1 碎石含量对累积入渗量变化过程的影响

3.1.2 碎石粒径对累积入渗量变化过程的影响

3.1.3 碎石含量对湿润峰推进过程的影响

3.1.4 碎石粒径对湿润峰推进过程的影响

3.2 水平入渗法确定土石混合介质水力参数

3.2.1 水平入渗法确定土壤水力参数方程的描述

3.2.2 推求土石混合介质水力参数

3.2.3 土石混合介质水力参数的验证

3.3 水平入渗法确定土石混合介质的扩散率

3.3.1 水平入渗法确定土壤水分扩散率方程描述

3.3.2 土石混合介质扩散率推求

3.4 垂直一维非饱和土壤水分运动代数模型在土石混合介质中的适用性研究

3.5 土石混合介质一维垂直积水入渗盐分运移特征研究

3.5.1 土石混合介质盐分运移特征研究

3.5.2 土石混合介质Na+运移特征研究

3.6 本章小结

4 点源及其交汇入渗土壤水盐运移特征研究

4.1 点源入渗土壤水盐运移特征研究

4.1.1 不同滴头流量下水平湿润锋的推进过程

4.1.2 不同滴头流量下湿润体含水量分布

4.1.3 不同滴头流量下湿润体含盐量分布

4.1.4 不同灌水量下湿润体水盐分布

4.2 交汇入渗土壤水盐运移特征试验研究

4.2.1 不同滴头流量下交汇区宽度的推进过程

4.2.2 不同滴头间距下交汇区土壤水盐分布

4.2.3 不同滴头流量下交汇区土壤水盐分布

4.2.4 不同灌水量下交汇区土壤水盐分布

4.3 本节小结

5 随水滴施改良剂改良盐碱地土壤水盐运移特征田间试验研究

5.1 随水滴施钙离子土壤水盐运移特征研究

5.1.1 施钙浓度对土壤水平湿润半径的影响

5.1.2 施钙浓度对滴灌湿润体含水量的影响

5.1.3 施钙浓度对滴灌湿润体含盐量的影响

5.1.4 间歇施钙方式下土壤含水量的分布

5.1.5 间歇施钙方式下土壤含盐量的分布

5.1.6 两种施钙方式对比分析

5.1.7 本节小结

5.2 施钾改良盐碱地土壤水盐运移特征田间试验研究

5.2.1 施钾浓度对水平湿润锋的影响

5.2.2 施钾浓度对土壤含水量的影响

5.2.3 施钾浓度对土壤含盐量的影响

5.2.4 施钾浓度对土壤钠吸附比的影响

5.2.5 施钾方式对土壤含水量的影响

5.2.6 施钾方式对土壤含盐量的影响

5.2.7 施钾方式对水平方向土壤钠吸附比的影响

5.2.8 本节小结

6 大田膜下滴灌土壤水、盐、热运移特征试验研究

6.1 灌水前土壤水盐分布

6.2 苗期棉花地温变化趋势

6.2.1 表层地温的变化趋势

6.2.2 不同土层深度膜下与膜间地温对比

6.2.3 垂直方向土温变化趋势

6.3 膜下滴灌双管系统布置形式土壤水盐运移特征研究

6.3.1 不同滴头流量下土壤含水量在整个生育期的变化过程

6.3.2 不同滴头流量下土壤含盐量在整个生育期内变化过程

6.3.3 灌水结束后不同滴头流量下含盐量分布特征

6.4 膜下滴灌单管系统布置形式土壤水盐运移特征研究

6.4.1 不同滴头流量下整个生育期内土壤含水量变化趋势

6.4.2 不同滴头流量下整个生育期内土壤含盐量变化趋势

6.4.3 不同滴头流量下灌水结束后土壤含盐量变化趋势

6.5 对比分析单双管系统布置土壤脱盐效果、作物产量、根系分布

6.5.1 作物根层土壤水盐对比

6.5.2 棉花产量对比

6.5.3 棉花根系分布对比

6.6 本章小结

7 膜下滴灌土壤盐分年季间变化特征研究

7.1 实验区概况

7.2 生育期内土壤盐分变化趋势

7.3 生育期内年季间土壤盐分变化趋势

7.3.1 灌水前年季间土壤含盐量的对比

7.3.2 灌水结束后年季间土壤含盐量的对比

7.4 膜下滴灌年季间土壤各离子分布特征

7.4.1 膜下滴灌年季间土壤钠离子分布特征

7.4.2 膜下滴灌年季间土壤钙离子分布特征

7.4.3 膜下滴灌年季间土壤氯离子分布特征

7.4.4 膜下滴灌年季间土壤钠吸附比变化特征

7.5 本章小节

8 结论与讨论

8.1 结论

8.1.1 碎石含量与碎石粒径对土壤水力参数及其水盐运移的影响

8.1.2 点源及其交汇入渗条件下滴头流量、滴头间距、灌水量对土壤水盐运移特征的影响

8.1.3 随水滴施化学改良剂对土壤水盐运移特征的影响

8.1.4 膜下滴灌条件下土壤水、盐、热运移特征及其棉花生长特性

8.1.5 膜下滴灌年季间土壤盐分累积特征

8.2 讨论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文、参加的科研工作