井灌井排對農(nóng)田水鹽分布的影響規(guī)律

張雪萍，李 娜，焦平金，遲碧璇

（1.中國水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京 100048；2.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054）

0 引 言

土壤次生鹽漬化嚴(yán)重制約灌區(qū)糧食生產(chǎn)安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展［1，2］。在農(nóng)田排水工程不配套的局面下，為滿足旱區(qū)作物高騰發(fā)量需求的大量灌溉抬高了地下水位，加劇了淺層水分蒸發(fā)引起的表層土壤鹽分積聚，極易引發(fā)土壤次生鹽漬化［3，4］。地下水位的持續(xù)抬高又強化了灌區(qū)用水量的居高不下；在地下水淺埋條件下，為控制鹽害而增加的壓鹽用水量難以促使表層積鹽往深層淋洗，而淺埋水蒸發(fā)又加速了表層返鹽，形成持續(xù)積鹽［5］。故健全排水與灌溉工程系統(tǒng)來調(diào)控地下水位和阻斷土壤持續(xù)返鹽是治理土壤次生鹽漬化的關(guān)鍵。

引黃灌區(qū)發(fā)生次生鹽漬化主要緣于大量的引黃灌溉水量和地下水積聚［6］。與引黃灌區(qū)的單純渠灌相比，井灌井排可快速降低地下水位并減少引黃用水量，但不加限制地井灌井排將導(dǎo)致地下水降落過大而引起生態(tài)環(huán)境惡化［7，8］。故井灌井排和渠灌結(jié)合是防止引黃灌區(qū)土壤次生鹽漬化和生態(tài)環(huán)境惡化的有效灌排方式［9-11］。從地下水總量變化與調(diào)控的角度開展了有關(guān)井渠結(jié)合規(guī)模、用水比例和多井布局等方面的研究［12，13］，然而井灌井排影響下的土壤剖面鹽分變化研究較少，鮮見土壤鹽分時空分布變化受井灌井排的影響研究，而這種由排水工程改變的田間水鹽空間分布差異及其脫鹽狀況將顯著影響作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)［14］。

為此，基于試驗監(jiān)測對比了井灌井排、渠灌和井渠結(jié)合影響下的水鹽時空變化，分析了單井影響范圍內(nèi)的水鹽時空變化規(guī)律，探討了土壤水鹽變化與地下水埋深的關(guān)系及其影響機制，將為控制土壤次生鹽漬化提供理論依據(jù)與技術(shù)應(yīng)用支撐。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市河套灌區(qū)義長灌域，該區(qū)降水稀少且蒸發(fā)強烈，主要引黃河水灌溉。試區(qū)多年平均降雨量為100～230 mm，主要發(fā)生在7-9月，年均蒸發(fā)量較大，高達2 400 mm，蒸降比大于10，平均氣溫為6.5～7.8 ℃，屬典型的溫帶大陸性氣候。試區(qū)主要種植作物為玉米和葵花，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土。目前絕大部分區(qū)域采用渠灌，在山前部分區(qū)域分布有井灌井排區(qū)或井渠結(jié)合區(qū)。

1.2 試驗設(shè)計與監(jiān)測

為了解不同灌排方式對區(qū)域地下水位及土壤水鹽含量的影響，在義長灌域選擇了渠灌、井灌井排和井渠結(jié)合3種典型灌排方式長期運行的區(qū)域進行水鹽監(jiān)測。分別在渠灌區(qū)、井灌井排區(qū)和井渠結(jié)合區(qū)內(nèi)設(shè)置3 個水位監(jiān)測井，地理坐標(biāo)分別為108.1701E、41.0399N，108.7121E、41.1872N 和 108.1963E、41.2344N。2013-2018年連續(xù)監(jiān)測了3 個區(qū)域的地下水埋深變化，監(jiān)測頻次為5 d 一次；并分別于2019年4月13日、5月21日和7月18日在3個監(jiān)測井周邊進行土壤剖面取樣以分析土壤剖面的含水量和含鹽量分布。對于3 種灌排方式，井灌井排區(qū)的秋澆水為抽取井內(nèi)的地下水，渠灌區(qū)和井渠結(jié)合區(qū)的秋澆水均來自于地表渠道輸水，渠灌區(qū)的生育階段灌水為渠道輸水，井灌井排區(qū)和井渠結(jié)合區(qū)的生育階段灌水為地下水。3種灌排區(qū)均進行秋澆，玉米生長期內(nèi)一般進行2～3次灌水，葵花種植前還有1次播前春灌。

為進一步評價單井影響范圍內(nèi)的水鹽時空變化，在井渠結(jié)合區(qū)選擇典型灌溉井（坐標(biāo)為108.0475 E、41.2078 N），并在該井控制范圍內(nèi)進行試驗觀測。2018年7月-2020年7月期間，在距灌溉井水平徑向145、170、425 和510 m 處分別設(shè)置監(jiān)測井以觀測地下水位與井水含鹽量，并在監(jiān)測井附近采集土樣以測定其土壤剖面水鹽含量。地下水位與含鹽量及土壤剖面含水量每十天監(jiān)測一次；土壤剖面含鹽量分別在春灌前（4月30日）、生育期灌水前（7月30日）和秋澆前后（9月30日和12月20日）取樣測定。

土壤剖面取樣土層沿垂向深度依次為0～10、10～30、30～50、50～70、70～100、100～140 cm，共6 層。土樣使用土鉆法采集，烘干后測定土壤質(zhì)量含水率，土壤含鹽狀況采用土壤電導(dǎo)率來表征。將土樣風(fēng)干后充分研磨，過2 mm 篩，按照水土浸提液法采用電導(dǎo)率儀（雷磁DDSJ-318）測定5∶1 土壤標(biāo)準(zhǔn)液電導(dǎo)率。土壤全鹽量采用下式［15］計算，

式中：c 為土壤含鹽量，%；EC5∶1為5∶1 水土浸提液的電導(dǎo)率，dS∕m。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

為探討地下水埋深與土壤貯水量和累積含鹽量的關(guān)系，采用線性函數(shù)和指數(shù)函數(shù)分別擬合不同深度土壤剖面的貯水量和累積含鹽量與地下水埋深，并選用決定系數(shù)R2來表征擬合效果。

土壤貯水量的計算公式為：

式中：S 為計算深度內(nèi)的土壤貯水量，mm；θ 為土壤質(zhì)量含水率；ρb為土壤干容重，g∕cm3；h 為計算深度內(nèi)的各層土壤厚度，cm。

土壤累積含鹽量的計算公式為：

式中：SS為計算深度內(nèi)的累積含鹽量，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌排方式影響的水鹽時空變化

2.1.1 地下水埋深

灌排方式顯著影響地下水埋深的長期變化（圖1）。渠灌下地下水埋深較淺且波動較大；地下水埋深上升主要發(fā)生在10月和4月，為兩次灌水量較大的秋澆和春灌期間，在作物生長的5-9月間，地下水埋深由淺變深。井灌井排維持較深的地下水埋深且埋深呈逐年下降的趨勢，地下水埋深均超過20.0 m。井渠結(jié)合可使地下水位穩(wěn)定在一定范圍，大體為1.6～5.0 m。

圖1 不同灌排方式下的地下水位埋深在2013-2018年的變化Fig.1 Depth of groundwater under different modes of irrigation and drainage during 2013-2018

2.1.2 土壤剖面含水量

土壤剖面含水量分布受不同灌排方式的影響顯著（圖2），不同時期下整個剖面的水分含量在不同灌溉方式間呈現(xiàn)出一致變化，即渠灌＞井渠結(jié)合＞井灌井排。渠灌區(qū)的土壤剖面含水量在20%～30%范圍變化，井灌井排區(qū)的土壤剖面含水量大都保持在10%左右，而井渠結(jié)合區(qū)的土壤剖面含水量位于10%～25%范圍。

圖2 不同灌排方式影響下土壤剖面含水量變化Fig.2 Soil profile water content under different modes of irrigation and drainage

2.1.3 土壤剖面含鹽量

土壤剖面含鹽量在不同灌排方式間的差異也顯著（圖3），渠灌區(qū)的土壤剖面含鹽量最大，井灌井排區(qū)的土壤剖面含鹽量最小，井渠結(jié)合區(qū)的土壤剖面含鹽量介于兩者之間。渠灌區(qū)的土壤剖面含鹽量不僅較大且變幅也明顯，大都位于300～1 000 μS∕cm 的變化范圍。井灌井排區(qū)的剖面含鹽量最小，沿剖面深度的變化亦較小，穩(wěn)定在300 μS∕cm 左右。井渠結(jié)合區(qū)的土壤剖面鹽分變化亦不大，大都位于300～500 μS∕cm區(qū)間。

圖3 不同灌排方式影響下土壤剖面含鹽量變化Fig.3 Soil profile salinity under different modes of irrigation and drainage

2.2 單井影響范圍的水鹽時空變化

2.2.1 地下水埋深及其鹽分含量

2018年7月20日-2020年7月20日地下水埋深沿井位水平徑向距離變化由圖4 給出。由圖4 可見，地下水埋深隨徑向距離的增加而逐漸變淺，5-9月作物生長期的埋深徑向差距明顯高于非生長期（當(dāng)年10月-次年4月）的相應(yīng)值，生長期的地下水埋深比非生長期更深。距離井位145、170、425 和510 m 的地下水埋深的變化范圍分別為3.0～5.4、2.7～4.9、2.1～4.4 和1.8～4.2 m，波動范圍在各距離間較為一致。從兩年地下水埋深的平均變化上看（圖5），地下水埋深隨徑向距離增加呈線性減少的變化趨勢，徑向距離每增加100 m 地下水埋深將平均減少0.35 m。

圖4 地下水埋深沿徑向距離的時間變化Fig.4 Temporal variation of groundwater depth along radial distance

圖5 地下水埋深沿徑向距離空間變化Fig.5 Depth of groundwater changes along radial distance

地下水含鹽量沿井位徑向水平距離的變化由圖6給出。與地下水埋深比，地下水含鹽量隨徑向水平距離的變化較小，隨著井灌運行時間的增加逐漸減少并穩(wěn)定至1 000 μS∕cm附近，遠低于1 000 mg∕L的農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［16］。

圖6 地下水含鹽量沿徑向距離的時間變化Fig.6 Temporal variation of groundwater salinity along radial distance

2.2.2 土壤剖面水鹽含量

土壤剖面含水量的2年平均分布沿井位水平徑向距離的變化由圖7 給出。由圖7 可見，土壤剖面水分含量沿徑向距離的變化不明顯。這表明當(dāng)?shù)叵滤裆钤?.8～5.4 m范圍內(nèi)變化時，地下水變化對0～1.4 m深土壤剖面水分分布影響不大。

圖7 土壤剖面含水量的時間平均在不同徑向距離的分布Fig.7 Temporal average variation of soil profile water content along radial distance

沿井位水平徑向距離的土壤剖面鹽分含量的時間平均分布由圖8 給出。由圖8 可見，灌溉井近端的根層和底層鹽分含量明顯小于遠端的相應(yīng)值，而近端的中層鹽分含量卻高于遠端的相應(yīng)值。從0～1.4 m 深剖面的加權(quán)平均看，土壤含鹽量隨徑向距離的增加而增加，510 m處的平均含鹽量較145 m處的相應(yīng)值增加了31.0%，形成以井位為低點的“漏斗”狀脫鹽區(qū)。

圖8 土壤剖面含鹽量的時間平均在不同徑向距離的分布Fig.8 Temporal average variation of soil profile salinity along radial distance

2.2.3 土壤水鹽變化與地下水埋深關(guān)系

不同深度土壤貯水量與地下水埋深關(guān)系由圖9給出。當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?.0 m 時，0～0.1、0～0.3、0～0.5、0～0.7、0～1.0 和0～1.4 m 深度的土壤剖面貯水量分別與地下水埋深變化的關(guān)系不大，R2均小于0.01。這表明把當(dāng)?shù)氐叵滤裆羁刂浦?.0 m以上時，供給作物生長的水量主要源于降雨和灌溉用水，地下水蒸發(fā)對上層土壤水分的補給量可忽略。

圖9 不同深度土壤貯水量與地下水埋深的關(guān)系Fig.9 Relationships between soil water storage under different vertical depth and groundwater depth

不同深度土壤剖面累積含鹽量與地下水埋深的關(guān)系由圖10 給出。當(dāng)?shù)叵滤裆钤?.5～5.2 m 內(nèi)變化時，0～0.1、0～0.3、0～0.5、0～0.7、0～1.0 和0～1.4 m 深度的土壤剖面累積含鹽量與地下水埋深呈較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，R2均小于0.16。這表明盡管把地下水埋深控制到2.5 m 以上，埋深的減少仍會引起上層土壤剖面鹽分累積；結(jié)合對土壤貯水量影響較小可知這種鹽分累積的增加效應(yīng)不應(yīng)是通過潛水蒸發(fā)導(dǎo)致的返鹽，更可能是通過降低灌溉洗鹽效果影響的。

圖10 不同深度土壤累積含鹽量與地下水埋深的關(guān)系Fig.10 Relationships between accumulated soil salt under different vertical depth and groundwater depth

3 討 論

長期使用黃河水灌溉的渠灌區(qū)大幅抬高了地下水埋深，使土壤剖面維持較高的水鹽含量。盡管較大的土壤貯水量能夠抵消因抬高水位造成土壤剖面鹽分累積對作物吸水的脅迫影響，然而要維持作物生長的適宜水鹽條件仍需加大灌溉洗鹽水量，長此以往將導(dǎo)致土壤次生鹽漬化，既浪費了水資源又不能維持土壤的生產(chǎn)能力。在地下水含鹽量較低的地區(qū)，通過抽取地下水灌溉形成井灌井排，可大幅降低地下水位和減少土壤剖面水鹽含量，然而井灌井排易過度降低地下水位，水位的逐年下降將導(dǎo)致區(qū)域植被退化和生態(tài)環(huán)境惡化［3］。具備井灌井排和渠灌各自優(yōu)勢的井渠結(jié)合灌排方式既可使地下水埋深控制在合理范圍，又能使土壤剖面水鹽含量維持在適宜范圍。如在本研究條件下，井渠結(jié)合使地下水埋深長期維持在1.6～5.0 m，土壤剖面含水量處于10%～25%范圍，土壤剖面含鹽量大體在300～500 μS∕cm范圍。

進一步剖析井渠結(jié)合下單井影響范圍的水鹽分布狀況發(fā)現(xiàn)，盡管單井周邊的漏斗型地下水降落空間變化未改變土壤剖面墑情，卻造成以井位為土壤剖面含鹽量低點的“漏斗”狀脫鹽區(qū)。具體表現(xiàn)為，地下水埋深沿灌溉井水平徑向距離的增加逐漸變淺，雖然地下水含鹽量和土壤剖面含水量的徑向空間差異不明顯，土壤剖面含鹽量卻隨徑向距離的增加而增加。從相關(guān)性上看，土壤剖面貯水量與地下水埋深的相關(guān)性較小，而土壤剖面累積含鹽量則表現(xiàn)出與地下水埋深的弱相關(guān)關(guān)系。這種土壤剖面鹽分與水分分布的非一致性變化較為少見。

傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，土壤上層剖面的鹽分累積增加源于淺埋地下水向上蒸發(fā)把鹽分帶至表層導(dǎo)致返鹽［5］。然而本研究發(fā)現(xiàn)在地下水位埋深超過2.0 m 條件下地下水與土壤剖面貯水量的相關(guān)性較小，這表明在沒有地下水上升補充上層土壤的前提下，土壤上層剖面鹽分累積量卻隨埋深的變淺而增加。之所以會造成這種矛盾是因為地下水對上層土壤鹽分累積的影響不僅可通過淺層水分向上蒸發(fā)的途徑輸送鹽分，也可通過影響土壤上層剖面鹽分的向下淋洗過程來實現(xiàn)。單井周圍地下水埋深隨徑向距離增加逐漸變淺的空間變化造成了上層鹽分向下層淋洗運動的空間差異，近井端由于較高的地下水位降落使更多的灌溉水溶洗上層土壤鹽分向下層運移，而遠井端較小的水位降落空間自然會減少灌溉水的入滲量進而減少上層鹽分的洗脫作用。故土壤上層鹽分含量隨灌溉井位徑向距離增加而提高是由于漏斗型地下水空間分布影響上層鹽分洗脫作用的結(jié)果，進一步形成以井位為鹽分低點的漏斗狀脫鹽分布區(qū)。

綜上可見，合理匹配井灌井排與渠灌可使土壤剖面水鹽含量維持在利于作物生長的范圍，若灌溉井的控制面積過大將會導(dǎo)致地下水埋深形成較大的降落漏斗，造成上層土壤含鹽量沿水平徑向的空間差異較大，而這種水鹽漏斗狀空間分布的差異可采用調(diào)整井距或輻射井［17］等來消減。

4 結(jié) 論

（1）渠灌下地下水埋深較淺且土壤剖面水鹽含量較高，井灌井排下地下水埋深較深且土壤剖面水鹽含量較低，井渠結(jié)合可使地下水埋深控制在合理范圍并使土壤剖面水鹽含量維持在適宜作物生長的范圍。井渠結(jié)合下地下水埋深、土壤剖面含水量與含鹽量均長期維持在1.6～5.0 m，10%～25%和300～500 μS∕cm的范圍。

（2）單井影響范圍內(nèi)，地下水埋深沿井位徑向距離的增加而逐漸變淺，增加100 m徑向距離將平均降低0.35 m的埋深；地下水中鹽分含量和土壤剖面含水量沿徑向距離的變化不明顯，而土壤剖面含鹽量隨徑向距離的增加而增加。

（3）當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?.0 m 時，地下水埋深與土壤剖面貯水量的相關(guān)性較小，與土壤剖面累積含鹽量呈弱相關(guān)關(guān)系。