引黃灌溉對黃河下游鹽堿地土壤水鹽含量的影響研究

趙然杭，杜欣澄，韓 軍，王興菊，張擴成，李 倩，王宜新，李 鵬

(1.山東大學土建與水利學院，濟南 250061；2.濟南市邢家渡引黃灌溉管理處，濟南 250100； 3.濱州市濱城區水利局，山東 濱州 256600)

引黃灌區是我國重要的農產品生產基地，為我國農業和國民經濟的穩定發展提供了可靠的依托基礎。邢家渡灌區地處黃河下游區域，農業產值占全國的8%，是全國重要的商品糧生產基地。然而灌區土壤含鹽量高，土壤鹽堿化嚴重等問題一直是制約灌區農業發展的瓶頸。灌區通過40多年引黃灌溉，原土壤鹽堿化現象得到了改善，糧食產量大幅提高，現如今，灌區水資源供需矛盾突出[1,2]，節水灌溉等措施越來越得到重視，然而灌溉水量的變化，會直接導致水土環境變化[3]，對區域生態系統健康和自然生態環境演變產生影響。因此，探究引黃灌溉對土壤水鹽含量變化的影響，確定適宜灌水定額，對灌區農業生產和生態系統健康、協調發展有重要意義。

進入21世紀以來，灌溉對土壤鹽分的影響一直被國內學者關注，在黃河上游西北、華北等地建立了引黃灌溉研究區域，諸多研究成果表明，灌溉可使根系層的土壤鹽分隨灌溉水運移至深層，進而能有效的降低土壤含鹽量，改善土壤鹽漬化程度[4,5]，灌溉水的濃度對土壤水鹽含量有較大影響，利用低濃度的水進行灌溉對降低土壤鹽分效果顯著，而利用高濃度的水進行灌溉，不僅不能降低土壤鹽分，反而容易造成次生鹽堿化的現象[6,7]；針對新疆試驗區進行的滴灌制度與漫灌制度對土壤水鹽運移的影響分析，發現滴灌比漫灌方式的土壤水分入滲更加均勻且規律明顯，兩種灌溉制度下，土壤鹽分淋洗程度均隨灌水定額的增加而增加，但增幅減少[8,9]；針對黃河上游河套地區引黃灌區的研究表明，引黃灌溉是降低土壤鹽分的有效措施，也是土壤次生鹽漬化的主導因素[10-12]。

綜上所述，以上研究區域多為黃河上游的西北與華北地區。對于黃河下游地區，尤其是黃河下游鹽堿化較為嚴重的區域，土壤水鹽的研究甚少，周垂田[13]采用水鹽平衡的方法分析引黃灌溉與土壤含鹽量的相關性，認為灌溉是影響未來灌區土壤鹽分含量的主要因素，對于不同灌水定額在灌溉前后對各層土壤鹽分如何影響沒有細致分析。本文選擇邢家渡引黃灌區土壤鹽漬化較為嚴重的區域為研究對象，研究灌溉前后，引黃灌溉對鹽堿地土壤水鹽含量的影響，探求理想的節水、控鹽的灌水定額，旨在為黃河下游灌區的灌溉管理提供科學依據與參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

山東省濟南市邢家渡灌區地處黃河下游，屬大陸性季風氣候區，多年平均降水量和水面蒸發量分別為573.2、1 117.0 mm，降水多集中于夏季和秋初，多年平均氣溫12.8 ℃，最高極端氣溫41.6 ℃，最低極端氣溫-22.8 ℃，無霜期195 d左右，全年日照時數2 684 h。灌區土壤鹽堿化嚴重，常年地下水埋深在2～3 m[14]，實驗測得地下水礦化度在3 g/L左右，灌區歷年平均引黃灌溉量2.744 億m3，主要種植作物為冬小麥夏玉米。

選取土壤鹽堿化嚴重、鹽漬化等級高的濟陽農場為研究區域，以農場種植的夏玉米作為灌區典型種植作物，通過灌溉試驗，研究引黃灌溉對土壤水鹽變化的影響，確定適宜灌水定額。研究區域位置如圖1所示。

在研究區域設置試驗區，試驗區位置見圖2。在試驗區內不同部位取樣進行室內試驗，根據試驗結果判定土壤類型為黏土，0～100 cm土壤平均干容重1.604 g/cm2，平均全鹽量0.444%，屬中度鹽漬化土，土壤性質見表1與表2。

1.2 試驗方法

充分考慮不同引黃灌溉定額對土壤水鹽變化的影響不同，本研究參照《山東省主要農作物灌水定額》標準，并結合當地灌溉經驗，按定額差設置4種不同灌水定額對試驗田進行灌溉試驗，分別獲取灌溉前后土壤水鹽含量的數據。

將試驗區劃分成4個試驗單元，每個試驗單元面積60 m2，分別記為塊田A、塊田B、塊田C、塊田D，單元之間設置過渡帶，防止塊田之間水分相互入滲影響試驗效果。每塊試驗田設置不同的灌水定額，依次為：570 m3/hm2(定額Ⅰ)，780 m3/hm2(定額Ⅱ)，990 m3/hm2(定額Ⅲ)，1 200 m3/hm2(定額Ⅳ，即當地經驗灌水定額)。4個單元均種植夏玉米，播種和收獲時間分別為2017年5月13日和2017年9月19日。根據當地實際情況，在玉米生育期內灌兩次水，灌水時間分別為2017年5月14日和2017年6月28日。具體灌水方案見表3。

表1 土壤物理性質Tab.1 Soil physical properties

表2 土壤含鹽量Tab.2 Soil salinity

表3 灌水方案一覽表 m3/hm2

根據灌區土壤類型分布情況，約85%的為壤土與黏土，所選試驗區內的土壤經試驗判定為黏土。每個試驗單元設置3個采樣點，通過對比采集的土樣的測定結果，去除不合理的試驗結果，增加試驗數據的可靠性及土壤樣本的代表性。另外，考慮到玉米的主根系分布在0～40 cm土層，隨著作物發育，后期深層根量增加[15]，對于久耕地，水鹽含量測定土壤取樣深度為1 m，在取樣深度內，用土鉆從地表向下取樣，每20 cm為一層，共取5層[16]，分別于灌溉前一天和灌溉后第七天進行取樣，取樣時間分別為2017年5月13日、5月20日和6月27日、7月4日。試驗單元布置詳見圖3，采樣深度見圖4。取樣期間降雨蒸發數據見表4和表5。

圖3 試驗單元及取樣點布置圖(單位：m3/hm2)Fig.3 Layout of test unit and sampling point

圖4 取樣深度圖Fig.4 Sampling depth diagram

1.3 測定項目及方法

測定項目包括土壤水分及土壤全鹽量，參照《土壤分析技術規范》[16]，土壤水分采用土壤水分測定儀測定，土壤全鹽量采用質量法測定。

表4 取樣期間降雨量數據表Tab.4 Rainfall data table during sampling period

表5 取樣期間蒸發量數據表 Tab.5 Evaporation data table during sampling period

1.3.1 土壤含水率的測定

用土鉆按照取樣深度，逐層取樣，每次取樣后，立刻將便攜式土壤水分測定儀探頭插入土體中，顯示器顯示的數據為土壤體積含水率。分別于2017年5月13日與5月20日進行第一次灌溉前后土壤含水率的測定，第一次灌溉前，未對試驗區進行劃分，各層土壤含水率取平均值作為灌溉前測定值，數據見表6。

表6 第一次灌溉前與灌溉后土壤含水率測定結果 %

第一次灌溉后，各層土壤含水率明顯增加，表層土壤含水率增加最明顯，平均增加量為18.1%；4種灌水定額中定額Ⅱ灌溉后的土壤含水率最高，為30.15%。于2017年6月27日與7月4日進行第二次灌溉前后土壤含水率的測定，數據見表7。

第二次灌溉后，各層土壤含水率明顯增加，表層土壤含水率增加較明顯，平均增加量為11.65%；4種灌水定額中定額Ⅲ灌溉后的土壤含水率最高，為26.85%。

1.3.2 土壤全鹽量的測定

利用2次灌溉前后的土壤取樣，進行土壤全鹽量測定試驗。將所取土壤風干過2 mm孔徑篩，稱取20 g放于三角瓶中，加入蒸餾水100 mL，用振蕩器震蕩3 min，靜止1 min過濾，得到水土比5∶1的澄清液，用水浴機蒸干，用質量法測定土壤全鹽量。第一次與第二次灌溉前后土壤全鹽量的測定結果分別見表8與表9。

表7 第二次灌溉前與灌溉后土壤含水率測定結果 %

第一次灌溉后1 m內土壤含鹽量明顯降低，60 cm以下土層土壤含鹽量減少量最明顯，平均減少量為0.36%；4種灌水定額中，定額Ⅲ下1 m內的土壤鹽分含量最少，均值為0.191%。

第二次灌溉后20～40 cm土層土壤含鹽量降低；4種灌溉定額中定額Ⅱ下20～40 cm土層土壤全鹽量最小，為0.177%。

表8 第一次灌溉前與灌溉后土壤全鹽量測定結果 %

表9 第二次灌溉前與灌溉后土壤全鹽量測定結果 %

2 結果與分析

2.1 灌溉前與灌溉后土壤含水率的變化情況

第一次灌溉前，未對試驗區進行劃分，各層土壤含水率取平均值作為灌溉前測定值。 第一次灌溉前與灌溉后土壤含水率隨深度變化情況見圖5。

圖5 第一次灌溉前后土壤含水率變化Fig.5 Soil moisture content changes before and after the first irrigation

由圖5可知，灌溉前，1 m深度內，5層土壤的含水率從11.7%增至20%，隨土層深度增加而增加；灌溉后，土壤含水率隨土層深度增加呈現先減小后增加的趨勢，最小值出現在40～60 cm土層，為25.56%；灌溉后較灌溉前5層土壤含水率的增幅分別為17.6%、10.83%，11.2%，9.93%，10.78%，平均增加量為12.07%；灌溉前，主根區(0～40 cm)土壤含水率在11.7%～20%之間，小于60%～80%的田間持水率(26%～29%)，不適于作物播種，灌溉后，土壤含水率均值為28.43%，滿足作物生長對土壤水分的需求。

以4種定額分別對4塊試驗田進行灌溉后，主根區土壤含水率均值分別為28.6%、30.15%、28.2%、26.75%，呈現隨灌水定額的增加先增加后減小的趨勢，其中定額Ⅱ灌溉后的土壤含水率均值最大為30.15%，灌水定額每增加一個額度，土壤含水率增幅分別為1.55%、-1.95%、-1.55%，定額Ⅱ時增幅最大。第二次灌溉前后土壤含水率隨深度變化情況見圖6。

圖6 第二次灌溉前后土壤含水率變化Fig.6 Soil moisture content changes before and after the second irrigation

由圖6可知，灌溉前，A、B、C、D地塊的土壤含水率隨深度的增加分別從10.1%增至21.4%，11.8%增至22.1%，11.8%增至27.8%，19.2%增至29.2%，呈現隨土層深度增加而增加的趨勢；灌溉后，A、B、C、D地塊的土壤含水率隨深度的增加分別從19.9%增至29.3%、從23.4%增至30.7%、從26.5%增至30.6%，呈現隨土層深度增加而增加的趨勢，定額Ⅳ下土壤含水率在27.8%～30.4%之間；灌溉前，定額Ⅰ～Ⅳ下土壤含水率均值分別為15.38%、17.3%、19.4%、23.74%；灌溉后，分別為25.92%、27%、28.36%、28.76%，灌溉后較灌溉前，定額Ⅰ～Ⅳ下土壤含水率增加量分別為10.54%、9.7%、9.76%、5.02%，平均增加量為7%。

灌溉后，定額Ⅰ～Ⅳ下主根區內土壤含水率均值分別為22.75%、24.75%、26.85%、29.75%，呈現隨灌水定額增加而增加的趨勢，灌水定額每增加一個額度，土壤含水率增幅分別為2%、3.45%、2.9%，定額III時增幅最大。

2.2 灌溉前與灌溉后土壤全鹽量的變化情況

土壤鹽分含量對作物生長有重大影響，小開河灌區的調查結果表明，土壤全鹽量在0.1%～0.3%范圍時，多數作物都能正常生長；當土壤全鹽量在0.3%～0.6%區間時，則一般農作物生長都會受到不同程度的抑制作用，其中有些農作物因受鹽害會接連死亡；當土壤全鹽量超過1.0%時，則農作物一般都不能正常生長，土地荒廢，造成農業減產。第一次灌溉前后土壤全鹽量隨深度變化情況見圖7。

圖7 第一次灌溉前后土壤全鹽量變化Fig.7 Soil total salinity variation before and after the first irrigation

由圖7可知，灌溉前，1 m深度內的土壤全鹽量隨深度增加分別從0.264%增至0.549%，除表層土壤為輕度鹽漬化外，其余各層均為中度鹽漬化，灌溉后，A、B、C、D地塊的土壤全鹽量隨深度的增加分別從0.322%降至0.17%、從0.186%波動增至0.287%、從0.216%降至0.177%、從0.321%降至0.211%，表層土壤鹽漬化等級仍為輕度鹽漬化，20～100 cm土層由中度鹽漬化降為輕度鹽漬化。

灌溉前，1 m內土壤含鹽量均值為0.444%，灌溉后，定額Ⅰ～Ⅳ下土壤含鹽量均值分別為0.202%、0.211%、0.191%、0.224%，分別比灌溉前減少了0.242%、0.233%、0.253%、0.22%，可見4種灌水定額灌溉后，定額Ⅲ下土壤全鹽量最小且土壤鹽分減少量最多。第二次灌溉前后土壤全鹽量隨深度變化情況見圖8。

圖8 第二次灌溉前后土壤全鹽量變化Fig.8 Soil total salinity variation before and after the second irrigation

由圖8可知，灌溉前，A、B、C、D地塊的土壤全鹽量隨深度的增加分別從0.241%增至0.343%、從0.205%先降至0.112%后增至0.214%、從0.123%先增至0.232%后降至0.098%、從0.206%降至0.165%，其中20～40 cm處土壤全鹽量高，分別為0.273%、0.207%、0.232%、0.237%；灌溉后，A、B、C、D地塊的土壤全鹽量隨深度的增加分別從0.262%增至0.285%、從0.274%降至0.201%、從0.254%先降至0.207%后增至0.245%、從0.240%增至0.318%，其中20～40 cm處土壤全鹽量最少，分別為0.239%、0.177%、0.207%、0.211%；灌溉后較灌溉前表層土壤鹽分增加，4個地塊分別增加了0.021%、0.069%、0.132%、0.034%，20～40 cm土層土壤鹽分減少，4個地塊分別減少了0.003 4%、0.03%、0.025%、0.006%，40～100 cm土層土壤含鹽量增加，4個地塊分別增加了0.064%、0.055%、0.151%、0.117%，說明灌溉后，鹽分隨水分向下運移，20～40 cm土層土壤鹽分得到淋洗，4種灌水定額中，定額Ⅱ淋洗效果最佳。

此階段作物根系主要集中在20～40 cm層，定額Ⅰ～Ⅳ下20～40 cm土層的全鹽量分別為0.239%、0.177%、0.207%、0.211%，定額Ⅱ下土壤全鹽量最低，大于或小于定額Ⅱ時土壤全鹽量增加。

3 討 論

(1)2次灌溉后土壤含水率變化特征不同。第一次灌溉后，0～60 cm土層含水率隨深度增加而減小，60 cm土層含水率最小，大于60 cm土層的含水率隨深度增加而增加；第二次灌溉后，0～100 cm土層含水率隨深度增加而增加。產生兩種不同現象的原因為：第一次灌溉后，于5月19日產生了降雨，導致5月20日取樣測得的淺層土壤含水率較高，說明降雨對淺層土壤含水率有較大影響，故而土壤含水率呈現隨深度增加先減小后增加的趨勢；而第二次灌溉后，于 6月29日產生的降雨，距7月4日取樣時間間隔較長，且期間蒸發比5月份的更強，降雨對淺層土壤含水率的影響小。

土壤水分運移受土水勢與毛細現象的雙重影響，當上層土壤土水勢大于等于下層土壤土水勢時，土壤水分會向下運移，而深層水分只有在毛細作用下才向上運移，且越靠近表層效果越弱[17,18]。灌溉后，土壤水分一方面向深層入滲，造成深層土壤水分增加，另一方面在蒸發作用下，經毛細作用向上運移補充淺層土壤損失水分，但蒸發水量大于補充水量，淺層土壤水分逐漸減少，從而造成土壤含水率隨土層深度增加而增加的現象。

(2)不同灌水定額對主根區土壤含水率的影響程度不同。以4種定額分別對4塊試驗田進行第一次灌溉后，定額Ⅰ～Ⅳ下主根區土壤含水率含量及增長幅度呈現隨灌水定額的增加先增加后減小的趨勢，定額Ⅱ時最優；第二次灌溉后，定額Ⅰ～Ⅳ下主根區內土壤含水率含量呈現隨灌水定額增加而增加的趨勢，但定額Ⅲ時增幅最大。說明兩次灌溉定額Ⅱ、Ⅲ的灌溉水利用效率較高，對主根區土壤含水率作用效果最顯著，而過大的灌溉定額會導致水分向深層滲漏，造成水資源的浪費。

(3)2次灌溉對土壤鹽分的影響不同。第一次灌溉后土壤鹽漬化等級由中度鹽漬化降為輕度鹽漬化，1 m內土壤全鹽量均值由0.444%降至0.207%；第二次灌溉前后，土壤鹽漬化等級不變，仍為輕度鹽漬化，20～40 cm土層土壤全鹽量較灌溉前減少，其余各層土壤全鹽量均增加。產生兩種不同現象的原因為：第一次灌溉后土壤中可溶性鹽離子隨水分運移至深層，造成各層土壤全鹽量減少的現象；第二次灌溉在6月份，降雨量較5月份大，降雨與灌溉水下滲補充地下水，使地下水位增加，在外界強蒸發的影響下，水分經毛細作用向上運移，由于當地地下水礦化度在3 g/L左右，含量較高，水分在上移時受高濃度淺層地下水影響，上移水分中鹽離子含量高，而黏土對離子有一定的吸附性，導致鹽分在上移過程中受阻，使較多鹽分的停留在60～100 cm層，同時，0～40 cm土層土壤鹽分隨灌溉水向下運移，在一定程度上增加了60～100 cm土層土壤全鹽量，兩者共同作用，造成60～100 cm土層土壤全鹽量高的現象，由于表層土壤鹽分易受外界影響，在外界強蒸發的作用下，土壤水分蒸發，鹽分析出，從而造成表層土壤鹽分增加的現象。

(4)不同灌水定額對土壤全鹽量的影響程度不同。以4種定額分別對4塊試驗田進行第一次灌溉后，1 m土壤全鹽量均值分別為0.202%、0.211%、0.191%、0.224%，定額Ⅲ下土壤全鹽量最小，大于或小于此定額時，土壤全鹽量會增加；第二次灌溉后，由于此階段作物根系主要集中在20～40 cm層，定額Ⅰ～Ⅳ下20～40 cm土層土壤全鹽量分別為0.239%、0.177%、0.207%、0.211%，呈現隨灌水定額增加先減小后增加的趨勢，定額Ⅱ下土壤全鹽量最小，大于或小于此定額時，土壤全鹽量會增加，確定定額Ⅱ與定額Ⅲ為適宜灌水定額。

4 結 語

本文選擇邢家渡引黃灌區土壤鹽漬化較為嚴重的濟陽農場為研究區域，研究黃河下游灌區引黃灌溉對鹽堿土水鹽含量的影響，選擇四種典型的灌水定額，分析灌溉前后土壤水鹽含量變化。結果表明：

引黃灌溉可有效地增加主根區土壤含水率。灌溉前主根區土壤含水率小于26%，不適宜作物生長，灌溉后土壤含水率均值在26%以上，較灌溉前增加7%～12.07%，達到作物生長時對土壤含水率的要求。

4種灌水定額中，定額Ⅱ與Ⅲ對土壤含水率作用最顯著，且灌溉水利用率高。定額Ⅱ與定額Ⅲ在第一次與第二次灌溉后的土壤含水率分別為30.15%、26.85%，灌溉水利用率分別為1.55%、3.45%。

引黃灌溉可有效地降低1 m深度內的土壤鹽漬化等級。灌溉后較灌溉前，1 m深度內土壤鹽漬化程度降低，由中度鹽漬化降為輕度鹽漬化。

4種灌水定額中，定額Ⅱ與定額Ⅲ對土壤鹽分的沖洗作用顯著，定額Ⅱ在第二次灌溉后20～40 cm土層的土壤全鹽量為0.177%，定額Ⅲ第一次灌溉后1 m內的土壤全鹽量均值為0.191%，明顯小于其他2種定額灌溉后的全鹽量，且減少量較大，分別為0.03%和0.253%。

綜合考慮灌溉對土壤水鹽含量的影響，確定定額Ⅱ～Ⅲ(780～990 m3/hm2)既能有效地增加土壤含水率，又能有效地減少土壤含鹽量，為灌區理想的灌水定額。