河套灌區(qū)不同地類鹽分遷移估算及與地下水埋深的關(guān)系

王國帥 史海濱 李仙岳 郭珈瑋 王維剛 吳 迪

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018；2.高效節(jié)水技術(shù)裝備與水土環(huán)境效應(yīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)工程研究中心， 呼和浩特 010018)

0 引言

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國3個特大型灌區(qū)之一，地處干旱半干旱區(qū)，為無灌溉則無農(nóng)業(yè)的地區(qū)[1]。節(jié)水改造前，河套灌區(qū)年用水量為52億m3。從1998年開始，國家啟動了大型灌區(qū)節(jié)水改造工程，根據(jù)黃河水利委員會分配指標(biāo)，用水量將減少到40億m3，引水量減少20%以上[2]。隨著節(jié)水改造工程的實施，灌區(qū)引水量大幅度降低，多年來形成的區(qū)域水鹽平衡體系被打破，造成區(qū)域和垂直剖面土壤水鹽的重新分布[3-6]。因此，摸清灌區(qū)內(nèi)部的鹽分遷移規(guī)律，對灌區(qū)水鹽調(diào)控具有重要意義。

河套灌區(qū)耕地面積5.74×105hm2，鹽荒地面積2.09×105hm2，水域面積為1.3×104hm2[7]。灌區(qū)存在許多小型湖泊(海子)[8-9]，耕荒地交錯，且荒地分布于耕地間隙和沙丘、湖泊周圍[3,10]。耕地-荒地-海子是河套灌區(qū)典型的地類，其水鹽變化是目前灌區(qū)主要的水鹽運移形式，但機理尚不清晰，研究耕地-荒地-海子間水鹽遷移機制很有必要。在耕地-荒地-海子系統(tǒng)中，同時精確監(jiān)測3種地類水分和鹽分變化較為困難，需要在3種地類中建立水鹽理論模型，其理論性較強，研究較為復(fù)雜。

圍繞水鹽運移國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的科學(xué)研究。WU等[11]通過研究河套灌區(qū)干排水揭示了鹽分的遷移過程，發(fā)現(xiàn)耕地中過多的灌溉水和鹽分通過地下水遷移到荒地中，干排水有助于排出耕地多余的鹽分。WANG等[12]以永聯(lián)灌域為研究對象，研究了干排鹽的作用，發(fā)現(xiàn)荒地地下水對耕地地下水橫向補給響應(yīng)較大，水鹽平衡表明，轉(zhuǎn)移到荒地的水量是人工排水的4倍，轉(zhuǎn)移到荒地的鹽量是人工排鹽的7.7倍。韋芳良等[13]通過模型分析了干排水控鹽的效果，發(fā)現(xiàn)氣候越干旱，干排水控鹽效果越好；插花式的荒地布置形式有助于增強排水效果；耕荒比對控鹽效果存在臨界值，當(dāng)耕荒比達到臨界值，耕地開始脫鹽。王學(xué)全等[7]通過水鹽均衡計算，發(fā)現(xiàn)河套灌區(qū)處于積鹽過程中，荒地和低洼濕地具有排水積鹽作用，從而減輕了耕地鹽漬化，通過蒸發(fā)可積聚進入灌區(qū)鹽分的65%。REN等[14]指出，較淺的地下水位可以為河套灌區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)提供較為穩(wěn)定的水分來源，但在蒸發(fā)蒸騰的作用下地下水中的鹽分會逐漸在土壤表層積累，進而導(dǎo)致土壤鹽漬化的形成，地下水位越淺，地下水含鹽量越高，根區(qū)土壤鹽漬化越嚴(yán)重。曾揭峰等[15]探討了鹽荒地、沙丘和海子微地形對耕地排鹽的作用機理，發(fā)現(xiàn)在灌溉期耕地鹽分向鹽荒地和沙丘運移，最終匯集到海子，耕地和鹽荒地地下水在灌溉期側(cè)向補給沙丘和海子。王國帥等[16]利用氫氧同位素二端元混合模型和土壤水動力學(xué)理論研究了耕地-荒地-海子系統(tǒng)不同類型水分的運移轉(zhuǎn)化，發(fā)現(xiàn)渠系灌溉水通過地下側(cè)向徑流貢獻給耕地地下水的水量基本遷移給荒地地下水，地下水遷移轉(zhuǎn)化是由渠系水地下側(cè)向徑流觸發(fā)的。李亮等[17]利用飽和-非飽和水平運移方程，分析了河套灌區(qū)耕地與荒地間水鹽補排關(guān)系,通過Hydrus模型發(fā)現(xiàn)，耕地鹽分被灌溉水側(cè)向浸入荒地85.7 g/m2，5 cm土層電導(dǎo)率上升了66.10%，20 cm土層電導(dǎo)率上升了63.89%[3]。任東陽等[10]通過建立水鹽平衡方程研究了鹽分在灌排單元的分配比例，發(fā)現(xiàn)荒地滯留了總引入鹽量的40%，農(nóng)田滯留了總引入鹽量的39%。岳衛(wèi)峰等[6]通過建立非農(nóng)區(qū)-農(nóng)區(qū)-水域的水鹽均衡模型，對水鹽的遷移進行了定量分析，發(fā)現(xiàn)農(nóng)區(qū)脫鹽量的75%隨地下水遷移到非農(nóng)區(qū)。

綜上，目前尚未見關(guān)于連續(xù)的耕地-荒地-海子系統(tǒng)間干排鹽的研究，未能揭示土壤和地下水的鹽分時空變化特征，沒有定量給出不同時期土壤鹽分變化，未確定地下水埋深對土層鹽分的影響。對于面臨指令性節(jié)水20%的河套灌區(qū)，研究水鹽分布規(guī)律和制定節(jié)水控鹽策略至關(guān)重要。針對以上問題，本文基于田間系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)，采用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法探討河套灌區(qū)耕地-荒地-海子間水鹽時空運移特征和地下水埋深對土壤鹽分的影響，基于溶質(zhì)動力學(xué)理論，構(gòu)建耕地-荒地-海子間水鹽理論模型，估算不同時期土壤鹽分遷移量，以期為灌區(qū)水鹽控制和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)解放閘灌域和永濟灌域交界的張連生海子(40°54′36.24″N， 107°15′59.07″E，海拔1 035 m)，試驗區(qū)耕地面積大約3.7 hm2，荒地面積大約4.3 hm2，海子面積51.2 hm2，耕地、荒地和海子相鄰(圖1)。研究區(qū)耕地最大地面高差為15 cm，耕地平均比荒地高45 cm(圖1)。研究區(qū)地處溫帶大陸性氣候，多年平均氣溫7.5℃，無霜期130～150 d，降雨量為90～144.2 mm，降雨集中在6—8月，占全年降雨量的70%，年均蒸發(fā)量2 237 mm。在作物生育期，研究區(qū)地下水埋深平均值為138 cm，耕地地下水電導(dǎo)率(EC)平均值為1.2 dS/m,荒地地下水EC平均值為2.6 dS/m，海子EC平均值為3.5 dS/m。研究區(qū)主要作物為葵花，200 cm土層土壤質(zhì)地主要為沙土、沙壤土。研究區(qū)共布設(shè)17眼地下水觀測井，其中重點觀測井7眼，一般觀測井10眼。土壤觀測點共63個，取樣點間距50 m，土壤重點觀測點7個，布設(shè)4組負壓計、4個土壤微型蒸發(fā)器和1臺自動氣象站(HOBO U30型，美國Onset公司)(圖1)。

圖1 研究區(qū)與采樣點Fig.1 Study area and layout of monitoring points

1.2 試驗設(shè)計

試驗時間為2017—2020年，由于研究區(qū)在3年期間氣象條件沒有發(fā)生較大變化， 研究區(qū)每年的土壤水鹽與地下水狀況相類似， 故以2018年為例進行研究。在2018年4月4日—11月15日取樣，選取整個研究區(qū)和A-B-C橫剖面為重要研究對象(圖1)，選取重點觀測井A(耕地)、B(荒地)和C(海子邊界)為地下水監(jiān)測點，在觀測井中間，選6個土壤取樣點作為土壤鹽分分析點(圖2)。

1.3 測試指標(biāo)

1.3.1地下水觀測

重點觀測井安裝地下水水分溫度鹽分傳感器(CTD-10型，美國Meter公司)，用EM50型采集器每1 h記錄1次地下水水位和含鹽量。一般觀測井每隔7 d測1次地下水埋深，每隔10～15 d取水樣測試地下水含鹽量。在作物生育期，研究區(qū)地下水埋深變化為：耕地90～210 cm，平均值為150 cm；荒地100～190 cm，平均值為145 cm；海子邊界30～145 cm, 平均值為87.5 cm；秋澆后，耕地為50 cm，荒地為60 cm，海子邊界為0 cm(圖3)。

圖2 研究區(qū)A-B-C橫剖面試驗設(shè)計Fig.2 Design of A-B-C cross section experiment in study area

圖3 2018年重點觀測井地下水埋深變化曲線Fig.3 Dynamics of groundwater depth of key observation well in 2018

1.3.2土水勢觀測

在耕地和荒地分別安裝2組負壓計，安裝深度分別為20、40、60、80、100 cm(圖2)，每2 d觀測1次數(shù)據(jù)。測得耕地和荒地土壤各層土水勢數(shù)據(jù)，分別取平均值，作為耕地和荒地各層土水勢的有效數(shù)據(jù)。

1.3.3土壤監(jiān)測

采用土鉆法采集土壤100 cm深土樣，共5層(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm)。每隔10～15 d取土樣，灌水前后加密取樣。用干燥法測土壤含水率，用電導(dǎo)率儀(DDS-307A型，上海佑科儀器公司)測定土水比1∶5的土壤浸提液。土壤重點觀測點，土壤取樣深度為200 cm，每隔20 cm為1層。在重點觀測點安裝土壤水分溫度鹽分傳感器(5TE型，美國Meter公司)，測土壤含水率、含鹽量和溫度，用EM50型采集器每1 h記錄1次數(shù)據(jù)。

1.3.4灌溉水量測和水樣收集

用梯形量水堰量測灌水量，收集灌溉水和每隔10～15 d取海子水樣1次，每次收集3個重復(fù)，用電導(dǎo)率儀(DDS-307A型)測定其電導(dǎo)率。5月24日、6月21日和7月4日分別灌水186、104、96 mm，作物生育期總灌水量為386 mm。10月31日，研究區(qū)進行秋澆，秋澆水量約為260 mm。灌溉水礦化度平均值為0.58 g/L。

1.3.5研究區(qū)土壤物理性質(zhì)

研究區(qū)重點觀測點(圖1)0～200 cm土層通過環(huán)刀法分別測定土壤容重和飽和導(dǎo)水率，并采用干法粒度儀(HELOS&RODOS型，新帕泰克公司，德國)測定各點土壤粒徑級配。根據(jù)測定結(jié)果(表1)，樣點A(耕地)土壤質(zhì)地較為均勻，0～200 cm土層土壤質(zhì)地為沙壤土；樣點B(荒地)土壤質(zhì)地可分為兩層，0～80 cm土層土壤質(zhì)地為沙壤土，80～200 cm土層土壤質(zhì)地為沙土；樣點C(海子邊界)土壤質(zhì)地可分為兩層，0～20 cm土層土壤質(zhì)地為沙壤土，20～200 cm土層土壤質(zhì)地為沙土。采用RETC軟件的VG模型確定土壤參數(shù)(表1)。

1.3.6氣象數(shù)據(jù)采集

大氣溫度和降雨量由自動氣象站觀測，記錄間隔為1 h/次。2018年降雨主要集中在6—9月，9月降雨量最大，為44 mm,7月上旬平均氣溫最高，為28℃(圖4)。

表1 研究區(qū)典型樣點土壤物理特性Tab.1 Soil physical characteristics of typical sample points in study area

圖4 2018年試驗區(qū)降雨和氣溫變化Fig.4 Rainfall and temperature change in 2018

1.4 研究方法

1.4.1Universal Kriging插值法

Universal Kriging插值法是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對未知樣點進行無偏、最優(yōu)估計的一種方法。Universal Kriging通過設(shè)定空間分布趨勢和分析殘差的克里金過程來研究空間場特征，其主要考慮較強的空間趨勢效應(yīng)[18-20]。

1.4.2插值精度驗證參數(shù)

采用均方根誤差(Root mean squared error,RMSE)、平均相對誤差(Mean relative error，MRE)和決定系數(shù)(Coefficient of determination，R2)驗證插值精度。MRE和RMSE越接近于0，精度越高，R2接近1，說明模型可以很好地捕捉到實測值的變動趨勢。一般認(rèn)為MRE在±10%以內(nèi)，RMSE與平均實測值的比值在20%以內(nèi)，R2在0.5以上達到率定要求。

1.4.3地下水補給量計算

地下水補給是土壤水分的重要來源，本文采用定位通量法計算研究區(qū)地下水補給。定位通量法是在某一特定位置(如地下水面以上一定位置處)z1和z2安裝負壓計，監(jiān)測土壤水勢能梯度的變化，由達西定律可知該點處的通量為[21]

(1)

(2)

K(h)=amnaθs(ah)n-1[1+(ah)n]-m-1· exp(bθs[1+(ah)n])-m

(3)

式中h1、h2——斷面z1和z2處負壓計值，hPa

Δz——z2和z1的差值，cm

Q(z1-2)——t1～t2時段內(nèi)單位面積流過的土壤水流量，mm

K(h)——非飽和導(dǎo)水率，cm/min

θs——土壤的飽和含水率，cm3/cm3

a——土壤進氣值的倒數(shù)，cm-1

h——土壤吸力，hPa

m、b——擬合經(jīng)驗參數(shù)

同樣可由Q(z1-2)求得任一斷面流量

(4)

1.4.4地下水補給土壤鹽量計算

地下水補給土壤鹽量計算公式為

(5)

式中Sb——地下水補給土壤鹽量,kg/hm2

Nd——計算時長，d

φ——土壤孔隙度，取0.36

地下水EC和地下水礦化度(TDS)轉(zhuǎn)換公式為[22]

TDS=0.69ECw

(6)

式中TDS——地下水礦化度，g/L

ECw——地下水電導(dǎo)率，dS/m

1.4.5土壤含鹽量計算

土壤電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換為土壤全鹽量計算公式為[23]

C=3.765 7EC1∶5-0.240 5

(7)

式中C——土壤全鹽量，g/kg

EC1∶5——土水比1∶5土壤浸提液電導(dǎo)率，dS/m

土壤含鹽量計算公式為[24]

(8)

式中S——土壤含鹽量，kg/hm2

ρs——土壤容重，g/cm3

l——土層深度，cm

1.4.6滲透鹽量計算

基于鹽量平衡理論，耕地水平滲透鹽量計算公式為

Sl=Si-Si-1-Sib-Sis-Sd

(9)

式中Si——第i時期荒地儲鹽量，kg/hm2

Si-1——第i-1時期荒地儲鹽量，kg/hm2

Sib——第i-1～i時期內(nèi)地下水補給荒地的鹽量，kg/hm2

Sis——第i-1～i時期內(nèi)荒地表層(0～20 cm)積累的鹽量，kg/hm2

Sd——灌溉時期荒地深層積累鹽量，kg/hm2

1.4.7土壤積鹽率計算

土壤積鹽率為0～100 cm土壤剖面某一時期與其前一時期相比土壤含鹽量的增加率，其計算公式為[25]

(10)

式中t——土壤積鹽率，%

Wi——第i時期土壤含鹽量,kg/hm2

Wi-1——第i-1時期土壤含鹽量，kg/hm2

1.4.8土壤脫鹽率計算

土壤脫鹽率為0～100 cm平均土壤剖面在灌溉后某一時期與灌溉前相比土壤含鹽量的減少率，其計算公式為

(11)

圖5 A-B-C土壤橫剖面土壤EC1∶5等值線圖Fig.5 Isoline maps of soil EC1∶5 in A-B-C soil cross section

式中ω——土壤脫鹽率，%

St——灌溉后某一時期土壤含鹽量，kg/hm2

S0——灌溉前土壤含鹽量，kg/hm2

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016軟件處理分析，利用Surfer 12.0最優(yōu)內(nèi)插法繪制土壤和地下水鹽分時空分布特征圖，利用Surfer 12.0、Adobe Photoshop和AutoCAD 2014軟件繪制研究區(qū)地形圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地-荒地間典型A-B-C土壤橫剖面鹽分時空變化特征

研究區(qū)分別在5月24日、6月21日、7月4日和10月31日(秋澆)進行灌水，根據(jù)4個時間節(jié)點前后在研究區(qū)加密取樣，利用Surfer 12.0軟件地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)插值模塊，繪制研究區(qū)不同土層深度EC1∶5時空變化特征圖。由于耕地-荒地土壤鹽分存在明顯的逐漸增高的趨勢，故采用泛克里格(Universal Kriging)進行區(qū)域估值。選取研究區(qū)典型A-B-C土壤橫剖面，繪制1 m土深耕地和荒地EC1∶5等值線圖(圖5，圖中EC1∶5單位為dS/m)，研究EC1∶5變化規(guī)律。

春播前(4月4日)，荒地土層鹽分顯著高于耕地，由于上年秋澆影響，耕地鹽分通過地下水和水平滲漏遷移到荒地。隨著溫度回升(圖4)，5月15日凍土層融通，土壤表層返鹽，耕地0～40 cm土層返鹽量較大，增加了4.61 g/kg(表2)。5月24日研究區(qū)第1次灌水后，耕地表層鹽分被淋洗到深層(圖5c)，大量鹽分隨地下水遷移到荒地，荒地深層鹽分增加。6月1日耕地1 m土體中含鹽量減少5.15 g/kg(表2)，荒地40～100 cm土層鹽分增加2.82 g/kg(表3)。6月21日第2次灌水，灌后第9天，耕地1 m土體中含鹽量減少2.81 g/kg，荒地40～100 cm土層含鹽量增加0.64 g/kg。6月30日荒地60～100 cm土層含鹽量為9.05 g/kg(表3)，灌溉期荒地深層土壤鹽分高于表層，耕地-荒地間的鹽分通過地下水遷移。7月4日第3次灌水，與第2次灌水間隔較短，7月11日荒地60～100 cm土層鹽分增加不明顯，但此時土壤蒸發(fā)強烈，荒地表層(0～20 cm)積鹽明顯，含鹽量增加3.96 g/kg(表3)?；牡?～80 cm為沙壤土，毛管作用強烈，積鹽速度快(表1)。9月15日耕地根系層(0～40 cm)含鹽量增加3.64 g/kg(圖5f、表2)，由于向日葵冠層增加了地表覆蓋，減少土壤蒸發(fā)，抑制了表層土壤返鹽；但向日葵騰發(fā)強烈，根系吸水量大，鹽分在根層聚集。秋澆前(10月15日)，荒地含鹽量為34.44 g/kg(表3)，耕地為17.17 g/kg(表2)，荒地含鹽量是耕地的2倍。秋澆后(11月15日)，荒地和耕地含鹽量分別降低21.3、7.6 g/kg(圖5h、表2、表3)。由于表層鹽分被淋洗到深層，耕地100 cm土層處鹽分較高。秋澆期耕地-荒地間以土壤水平側(cè)向滲透排鹽為主，地下水補給荒地排鹽為輔，使荒地表層土壤鹽分也得到了淋洗。由于秋澆水量較大，造成地下水埋深變淺(圖3)，易造成翌年土壤返鹽(圖5a、5b)，不利于作物生長。應(yīng)在保證秋澆洗鹽的同時，合理控制秋澆水量并及時排除地下水，控制地下水埋深。

表2 不同時期耕地各層土壤含鹽量Tab.2 Changes of soil salt in different layers of cultivated land in different periods g/kg

2.2 耕地-荒地不同土層鹽分時空變化及鹽分表觀分析

2.2.1插值精度交叉驗證

根據(jù)研究區(qū)8個特征時期，利用研究區(qū)63個取

表3 不同時期荒地各層土壤含鹽量Tab.3 Changes of soil salt in different layers of waste land in different periods g/kg

樣點，分別對土層深度0～20 cm、20～40 cm和40～100 cm進行Universal Kriging插值，不同時期不同土層鹽分時空變化如圖6～8所示。Universal Kriging插值的估計方差如表4所示，插值方差分別為：土層深度0～20 cm為0.005～0.948 dS2/m2；土層深度20～40 cm為0.004～0.117 dS2/m2；土層深度40～100 cm為0.013～0.282 dS2/m2。選取4月4日和9月15日不同土層的數(shù)據(jù)來驗證插值精度。驗證結(jié)果如表5所示，土層深度0～20 cm、20～40 cm和 40～100 cm均方根誤差的平均值分別為0.048 3、0.031 9、0.016 7 dS/m；平均相對誤差的平均值分別為1.54%、-0.59%和0.36%；決定系數(shù)的平均值分別為0.978、0.955和0.982。根據(jù)不同土層和不同時期的Universal Kriging插值的估計方差和均方根誤差、平均相對誤差和決定系數(shù)進行相互比對驗證，發(fā)現(xiàn)插值精度滿足要求，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高。

圖6 試驗區(qū)0～20 cm土層EC時空變化圖Fig.6 Temporal and spatial variation maps of EC in 0～20 cm soil layer

圖7 試驗區(qū)20～40 cm土層EC時空變化圖Fig.7 Temporal and spatial variation maps of EC in 20～40 cm soil layer

圖8 試驗區(qū)40～100 cm土層EC時空變化圖Fig.8 Temporal and spatial variation maps of EC in 40～100 cm soil layer

2.2.2不同土層深度鹽分時空變化特征

由圖6～8可知，各層土壤鹽分的空間分布較一致，研究區(qū)荒地鹽分較高，耕地鹽分較低，耕地和荒地交界處出現(xiàn)鹽分過渡帶，呈現(xiàn)出條帶狀格局。各土層鹽分存在較強的空間相似性，其原因為灌溉水通過淋洗耕地鹽分，使耕地鹽分降低，耕地地下水鹽分升高，耕地地下水鹽分橫向補給荒地，使荒地深層鹽分增加，加之荒地地勢較低，地下水埋深較淺，在長期的蒸發(fā)作用下，把深層土壤以及地下水中的鹽分帶到土壤表層，使地表鹽分升高。

2.2.3鹽分表觀分析

根據(jù)式(7)、(8)、(10)、(11)，計算結(jié)果如表6所示。在1 m耕地土體中，春播期(4月4日—5月15日)土壤返鹽量262 770 kg/hm2，返鹽率為46%，在灌溉期(6月1日—7月11日)，耕地鹽量平均值為320 160 kg/hm2，較5月15日，脫鹽量250 125 kg/hm2，脫鹽率為44%，灌溉期-秋澆前(7月11日—10月15日)，積鹽量320 160 kg/hm2，積鹽率為56%。秋澆后，脫鹽量252 285 kg/hm2，脫鹽率44%。

如表7所示，在1 m荒地土體中，春播期(4月4日—5月15日)土壤返鹽量為43 680 kg/hm2，返鹽率為9%，在灌溉期(6月1日—7月11日)，荒地鹽量平均值為679 545 kg/hm2，較5月15日，積鹽量為169 920 kg/hm2，積鹽率為25%，灌溉期-秋澆前(7月11日—10月15日)，積鹽量為329 715 kg/hm2，積鹽率為29%。秋澆后，脫鹽量為692 130 kg/hm2，脫鹽率62%。

綜上，在整個生育期，耕地1 m土體鹽分通過灌溉期淋洗積鹽率仍為56%，秋澆后鹽分沒有完全排出，脫鹽率為44%，土壤深層(100 cm)有輕微積鹽現(xiàn)象(圖5h、圖8h)?；牡? m土體中，在整個生育期都處于積鹽狀態(tài)，積鹽率為63%，秋澆后，脫鹽率為62%，1 m荒地的鹽分在全年基本可以保持平衡。

2.3 耕地地下水、荒地地下水和海子鹽分時空變化特征

2.3.1插值精度交叉驗證

利用2018年不同時期地下水和海子水實測鹽分?jǐn)?shù)據(jù)，基于Universal Kriging插值法，繪制地下水鹽分時空變化特征圖(圖9)。對插值精度進行檢驗，計算結(jié)果如表8所示。均方根誤差的變化范圍為0.025 1～0.083 7 dS/m，平均相對誤差為0.845 2%～3.635 1%，決定系數(shù)為0.771～0.976。不同時期地下水鹽分插值結(jié)果的精度較高。

2.3.2鹽分時空變化特征

如圖9所示，從時間和空間變化來看，地下水和海子鹽分分布特征比較一致，研究區(qū)海子電導(dǎo)率高，為2.6～4.8 dS/m，耕地地下水電導(dǎo)率低，為0.8～2 dS/m，荒地地下水介于二者之間，為2～3.3 dS/m，呈現(xiàn)出條帶狀分布，分布特征較為明顯，存在較強的空間相似性。研究區(qū)耕地-荒地-海子地形逐漸降低，地下水埋深逐漸變淺，在灌溉期，地下水水力梯度較大，地下水由耕地向荒地再向海子方向運移[22]，被淋洗到地下水中的可溶性鹽，隨地下水被遷移到海子中，海子成為儲鹽區(qū)。

2.4 地下水埋深對土壤鹽分的影響

河套灌區(qū)地下水埋深較淺、地下水中含有較多可溶性鹽，由于包氣帶毛細水上升，把地下水中可溶性鹽帶到土壤表層，為了保證根系層不積鹽，控制地下水埋深是一個重要因素。選取研究區(qū)W4、W5、W6、W7、W8、W9、W10共7個觀測井地下水埋深與21個土壤根系層(0～60 cm，分3層)含鹽量數(shù)據(jù)來分析二者之間的關(guān)系。在同一時期隔5d統(tǒng)計地下水埋深和土壤含鹽量數(shù)據(jù)1次，地下水埋深取7個點的平均值，0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層含鹽量分別取21個樣點的平均值。采用4個時段(春播期、灌溉期、秋澆期和全生育期)地下水埋深的平均值進行相關(guān)性分析。

2.4.1不同時期平均地下水埋深與不同土層含鹽量相關(guān)性分析

利用SPSS軟件的Pearson系數(shù)法，分析耕地地下水埋深與土壤鹽分的相關(guān)性。如表9所示，在不同時期，地下水埋深和0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層EC的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.916～-0.908、-0.970～-0.886、-0.802～-0.756，在全生育期，其Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.949、-0.912、-0.824。在4個時段，Pearson相關(guān)性呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在-0.970～-0.756之間變化，相關(guān)性高。

表4 插值方差統(tǒng)計Tab.4 Statistics of interpolation variance dS2/m2

2.4.2地下水埋深與土壤鹽分的關(guān)系

土壤鹽分隨淺層地下水埋深的增大而減小，二

表5 插值精度交叉驗證結(jié)果Tab.5 Interpolation precision cross validation parameters

者之間滿足指數(shù)關(guān)系，R2不小于0.827 1，二者的擬合程度較高(圖10)。RHOADES等[26]和管孝艷等[27]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?.5 m，EC小于0.8 dS/m時，不會影響玉米、小麥和向日葵產(chǎn)量。如圖10所示，土壤EC為0.8 dS/m時，地下水埋

表6 不同時期耕地各層土壤鹽量Tab.6 Changes of soil salt in different layers of cultivated land in different periods kg/hm2

表7 不同時期荒地各層土壤鹽量Tab.7 Changes of soil salt in different layers of waste land in different periods kg/hm2

圖9 研究區(qū)地下水EC時空變化圖Fig.9 Spatiotemporal variations of groundwater EC in study area

表8 插值精度交叉驗證參數(shù)Tab.8 Interpolation precision cross validation parameters

表9 不同時期平均地下水埋深和不同土層含鹽量相關(guān)系數(shù)Tab.9 Correlation coefficient between mean groundwater depth and soil salinity in different periods

深為1.7 m，因此研究區(qū)地下水埋深大于等于1.7 m時對作物產(chǎn)量影響較小。目前耕地平均地下水埋深約為1.5 m(圖3)，應(yīng)控制地下水埋深至1.7 m，保證作物不受鹽分脅迫。當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥诘扔?.3 m時，土壤電導(dǎo)率不變，地下水埋深影響很小?，F(xiàn)有研究成果表明[28-29]，淺層地下水埋深為1.5～2.5 m時，有利于作物生長， 但從控制土壤鹽堿化的角度看，地下水埋深宜控制在2.0 m左右，本文研究結(jié)果與之相符。研究區(qū)應(yīng)控制灌水量或采用井灌把地下水埋深控制在1.7～2.3 m之間，有利于作物生長和避免發(fā)生土壤次生鹽漬化。

圖10 地下水埋深與土壤EC的關(guān)系Fig.10 Relationship between groundwater depth and soil EC value

2.5 荒地鹽分不同來源估算

研究區(qū)灌溉時，灌溉水抬升耕地地下水水位，與鄰近未灌溉的荒地和海子會產(chǎn)生強烈的地下水水平側(cè)向交換。同時灌溉水會在耕地末端聚集，造成土壤水分水平滲透補給荒地。在作物生育期，荒地土壤水分補給源為荒地地下水毛細管補給和降雨。降雨礦化度可忽略不計，荒地鹽分來源為耕地地下水和耕地土壤鹽分水平補給，以及荒地地下水毛管補給。

荒地潛層地下水的消耗主要靠地下水的蒸散，由于研究區(qū)荒地為裸地，沒有植被覆蓋，所以地下水的蒸騰量為零，主要靠地下水的蒸發(fā)來消耗，而它的原動力主要依靠大氣蒸發(fā)強度。由于蒸發(fā)影響，地下水通過土壤毛管作用會向上運移補給土壤水分，使地下水水位下降。

選取5月15日—9月15日為計算時段(122 d)，1 m荒地積鹽總量為377 705 kg/hm2(表7)。由式(1)～(4)可得，荒地各土層地下水補給量如圖11所示，20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm土層平均地下水補給量分別為0.52、0.49、0.52、0.51 mm/d。由圖9和式(6)可得，荒地平均地下水礦化度為2.6 g/L。由式(5)可得，荒地地下水補給荒地20～100 cm土壤鹽量為17 985 kg/hm2，占積鹽量的5%；0～20 cm土壤鹽量增加202 395 kg/hm2(表7)，占積鹽量的54%，耕地地下水遷移給荒地深層土壤鹽量為114 015 kg/hm2，占積鹽量的30%，由式(9)可得，耕地水平滲透給荒地的鹽量為43 305 kg/hm2，占積鹽量11%。

3 討論

近些年，河套灌區(qū)由于節(jié)水改造工程的實施引水量逐年減少，多年形成的水鹽平衡體系被打破，灌區(qū)內(nèi)部鹽分重新分配。在河套灌區(qū)存在很多小型湖泊，耕荒地交錯且荒地分布于耕地間隙湖泊周圍。耕地-荒地-海子是河套灌區(qū)典型的地類，是灌區(qū)鹽分重分配的主要區(qū)域。

圖11 2018年荒地地下水補給量Fig.11 Groundwater recharge of wasteland in 2018

李亮等[3,17]指出，荒地受到毗鄰灌溉耕地土壤水分水平滲透以及地下水的垂直補給，水分?jǐn)y帶鹽分逐漸向土壤表層運移, 水分被蒸發(fā)而鹽分最終積聚在表層土壤之中。耕荒地間的鹽分運移在作物生育期總體是耕地流失鹽分、荒地積聚鹽分的過程，與本研究結(jié)果一致。在此基礎(chǔ)上本研究通過構(gòu)建鹽分模型定量估算了耕地和荒地的鹽量變化，發(fā)現(xiàn)在灌溉期耕地脫鹽率為44%，荒地積鹽率為25%。曾揭峰等[15]指出，耕地灌水后，鹽荒地是耕地的“鹽庫”，在作物生育期逐漸積鹽，秋澆期鹽分流失，為來年繼續(xù)積鹽清空“鹽庫”，但沒有指出秋澆后荒地鹽分脫鹽量，本文在此基礎(chǔ)上通過定量估算荒地秋澆前后鹽量變化，發(fā)現(xiàn)秋澆后，荒地脫鹽率為62%。王學(xué)全等[7]發(fā)現(xiàn)，河套灌區(qū)有較強的干排鹽能力，在現(xiàn)狀灌排工程條件下，可利用一部分棄耕荒地，用干排水措施減輕耕地鹽漬化危害。本研究發(fā)現(xiàn)，在耕地-荒地-海子中，荒地在全年鹽分基本保持平衡，為了減輕耕地鹽漬化的危害，可以利用一部分荒地來干排鹽。任東陽等[10]指出，在灌溉期，灌溉田塊與鄰近未灌溉田塊間發(fā)生劇烈的地下水橫向交換，灌區(qū)內(nèi)農(nóng)田與荒地也具有較為密切的水力聯(lián)系，土壤表層鹽分被淋洗到深層，隨地下水遷移到荒地。岳衛(wèi)峰等[6]通過建立非農(nóng)區(qū)-農(nóng)區(qū)-水域的水鹽運移及均衡模型，發(fā)現(xiàn)農(nóng)區(qū)脫鹽量的75%隨地下水遷移到了非農(nóng)區(qū)。王國帥等[22]通過對耕地-荒地-海子系統(tǒng)分別構(gòu)建水量和鹽量平衡模型，發(fā)現(xiàn)79%耕地地下水鹽分遷移到荒地中。本文發(fā)現(xiàn)耕地地下水鹽分遷移給荒地深層土壤鹽量為114 015 kg/hm2，鹽分遷移量較大。管孝艷等[27]以河套灌區(qū)沙壕渠灌域為研究區(qū)，運用Kriging插值法分析了河套灌區(qū)沙壕渠灌域土壤EC的空間變異特征，本文應(yīng)用Universal Kriging插值方法，研究了土壤和地下水鹽分時空分布特征，并基于交叉驗證參數(shù)驗證了插值精度，插值精度較高，史海濱等[4]通過反距離插值方法，研究節(jié)水改造前后沈烏灌域土壤鹽分時空分布規(guī)律，并通過參數(shù)驗證，插值精度較高。在今后的研究中，需對比研究2種插值法的精度，使水鹽空間分布更加科學(xué)。地下水埋深與土壤鹽分有密切關(guān)系，如何控制地下水埋深來控制土壤鹽漬化是一個難題，同時還需要考慮作物、氣候、土壤質(zhì)地、人文因素。因此需要及時掌握地下水埋深與土壤鹽分空間變異規(guī)律，能為防止與治理土壤鹽漬化提供重要的理論基礎(chǔ)與科學(xué)依據(jù)。管孝艷等[27]以河套灌區(qū)沙壕渠灌域為研究區(qū)，研究了地下水埋深和土壤鹽分的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)地下水埋深與土壤鹽分滿足指數(shù)關(guān)系。竇旭等[30]以河套灌區(qū)烏拉特灌域為研究區(qū)，基于統(tǒng)計學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)荒地地下水埋深與土壤鹽分滿足線性關(guān)系，耕地地下水埋深與土壤鹽分滿足指數(shù)關(guān)系。本文研究發(fā)現(xiàn)地下水埋深對0～60 cm土層鹽分滿足指數(shù)關(guān)系，地下水埋深控制在1.7～2.3 m之間，有利于作物生長。綜上，本文運用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法，直觀地反映節(jié)水改造后耕地-荒地-海子系統(tǒng)土壤剖面、不同土層深度鹽分和地下水鹽分時空分布特征，定量估算了不同時期耕地和荒地鹽量變化，分析了系統(tǒng)鹽分的表觀平衡，并指出地下水埋深的控制深度，為河套灌區(qū)耕地-荒地-海子系統(tǒng)水鹽調(diào)控提供參考依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)在耕地-荒地-海子系統(tǒng)中，春播期耕地0～40 cm土層返鹽量4.61 g/kg，灌溉期耕地大量鹽分隨地下水遷移到荒地，荒地深層含鹽量增加3.46 g/kg，生育期耕地根系層(0～40 cm)含鹽量增加3.64 g/kg。秋澆前荒地含鹽量是耕地的2倍，秋澆后荒地脫鹽量是耕地的3倍。

(2)整個生育期耕地1 m土體鹽分通過灌溉期淋洗，積鹽率仍為56%，秋澆后鹽分沒有完全排出，脫鹽率為44%，土壤深層(100 cm)有輕微積鹽現(xiàn)象；荒地1 m土體積鹽率為63%，秋澆后脫鹽率為62%，荒地鹽分全年基本保持平衡。

(3)在耕地-荒地-海子系統(tǒng)中，地下水和海子鹽分空間分布特征較為一致，被淋洗到地下水中的可溶性鹽隨地下水遷移到海子中，海子成為系統(tǒng)的儲鹽區(qū)，鹽分呈現(xiàn)條帶狀和斑塊狀分布，存在較強的空間相似性。

(4)地下水埋深大于等于1.7 m時對作物產(chǎn)量影響很小，應(yīng)采取措施將研究區(qū)目前地下水埋深降低0.2 m；當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥诘扔?.3 m時，土壤鹽分不受地下水的影響，應(yīng)控制灌水量或采用井灌將地下水埋深控制在1.7～2.3 m之間。

(5)在生育期(5月15日—9月15日)，荒地1 m土體積鹽量為377 705 kg/hm2。地下水補給荒地20～100 cm土壤鹽量為17 985 kg/hm2，占積鹽量的5%；0～20 cm土壤鹽量增加202 395 kg/hm2，占積鹽量的54%；耕地地下水遷移給荒地深層土壤鹽量為114 015 kg/hm2，占積鹽量的30%；耕地水平滲透給荒地的鹽量為43 305 kg/hm2，占積鹽量11%。