暗管排水控鹽對鹽漬化灌區(qū)土壤鹽分淋洗有效性評價

竇 旭，史海濱，李瑞平，苗慶豐，田 峰，于丹丹，周利穎

（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）

0 引 言

【研究意義】土壤鹽漬化是當(dāng)今世界土壤荒漠化和土地退化的重要原因，制約世界農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，是世界資源性問題和生態(tài)問題[1]，據(jù)統(tǒng)計，全球鹽漬土面積約有9.55×108hm2，在全球2.3×108hm2的耕地中，大約有4.5×107hm2的土地存在土壤鹽漬化[2-3]。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)位于干旱半干旱地區(qū)，是全國三大灌區(qū)之一，是我國重要的糧食生產(chǎn)基地[4]，但灌區(qū)降水少，蒸發(fā)強烈，同時土壤中含有大量的可溶性鹽，地下水礦化度高，在強烈的蒸發(fā)作用下，土壤及地下水中的可溶性鹽受包氣帶毛細水上升作用積聚于表層土壤，導(dǎo)致土壤鹽漬化嚴重，困擾著灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[5]。

田間排水工程是防治土壤鹽漬化最主要的手段，而灌區(qū)主要采用明溝排水技術(shù)[6]，由于灌區(qū)特殊的土壤條件和氣候條件（凍融循環(huán)），田間排水明溝塌坡嚴重，排水效果不佳，土地利用效率不高，對于防治鹽漬化起到的作用很弱[7]。因此，采用先進的排水技術(shù)防止土壤鹽漬化、發(fā)揮耕地增產(chǎn)潛力，是灌區(qū)多年來的迫切需求，同時對于河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展也具有重要的意義。暗管排水具有調(diào)節(jié)地下水位，改善土壤理化性質(zhì)，降低土壤含鹽量，遵循“鹽隨水來，鹽隨水去”原理，將土壤中的可溶性鹽滲入地下水體通過暗管排出[8-10]；另一方面可以控制地下水埋深，減少地下水通過毛細作用的蒸發(fā)[11]。【研究進展】于淑會等[12]指出，暗管區(qū)土壤鹽分和地下水位均低于無暗管區(qū)；年周期內(nèi)整體上暗管區(qū)地下水位和土壤鹽分比無暗管區(qū)均有下降。石佳等[13]研究表明暗管排水區(qū)比非暗管排水區(qū)地下水位、地下水礦化度、土壤含鹽量均降低。國外也有許多學(xué)者對暗管排水進行了研究，Abdel Dayem 等[14]研究表明暗排水能夠顯著降低土壤鹽分，但是如果想得到鹽分最佳脫鹽率，必須去除土壤鹽結(jié)皮；Siyal 等[15]利用HYDRUS-2D 和3D 模型對不同土壤質(zhì)地、土壤排水深度和剖面鹽分的淋溶進行了模擬。利用暗管排水技術(shù)改良河套灌區(qū)鹽漬化土壤是一個很好的選擇。隨著科學(xué)技術(shù)進步，以及灌區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展和現(xiàn)實需要，暗管排水技術(shù)已經(jīng)具有了在灌區(qū)應(yīng)用的基礎(chǔ)和趨勢。

【切入點】本研究通過分析暗管排水土壤脫鹽率、土壤鹽分空間異質(zhì)性、調(diào)節(jié)土壤離子平衡以及控制地下水埋深效果，探討暗管排水技術(shù)在改良土壤鹽漬化中的作用。【擬解決的關(guān)鍵問題】旨在為鹽漬化土壤改良與棄耕地重建提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2018 年9 月—2019 年6 月在烏拉特前旗暗管排水控鹽綜合試驗區(qū)進行，試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市河套灌區(qū)下游烏拉特灌域西山咀農(nóng)場四分場與五分場，東起京藏高速公路，西到四分場田間路，南以十分渠為界，北至十排干；地理位置東經(jīng)108°37′28″—108°39′49″，北緯40°44′54″—40°45′49″，海拔1 017.97～1 019.95 m。試驗區(qū)土壤含鹽量較大，土壤剖面（0～100 cm）平均電導(dǎo)率值為2.836～9.03 4 dS/m，pH 值為8.8 左右，土壤鹽漬化程度嚴重，是土壤次生鹽漬化的典范，表層土壤鹽分較大，屬于典型的表聚型土壤。土壤暗管排水面積為195 hm2，試驗區(qū)布設(shè)暗管管長為200 m，管徑80 mm，埋深分別為60、100 cm，間距分別為20 m，雙層布置，坡度為1‰；當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)明溝排水溝深1.5 m，間距100 m。試驗區(qū)共布設(shè)5 個地下水觀測井，間距分別為10、50、100、500、1 000 m，如圖1 所示。春灌定額為2 250 m3/hm2。試驗區(qū)地處中溫帶大陸性氣候區(qū)，氣溫多變，干燥多風(fēng)，日照充足，光能豐富，降水少，蒸發(fā)強，無霜期較短。試驗區(qū)多年平均氣溫6～8 ℃，極端最低氣溫-36.7 ℃，極端最高氣溫36.4 ℃；降雨主要集中在6—8 月，占全年降雨量的70%，多年平均降雨量196～215 mm，多年平均蒸發(fā)量2 172.5 mm；多年平均無霜期130 d；多年平均風(fēng)速2.5～3 m/s；多年平均日照時間3 230.9 h；最大凍土深度為1.2 m。

圖1 研究區(qū)和采樣點分布示意圖 Fig.1 Study area and schematic diagram of sampling point distribution

1.2 試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)采集

試驗區(qū)田間布置采用100 m×100 m 網(wǎng)格布置，于網(wǎng)格節(jié)點處設(shè)立采樣點，共150 個采樣點，并設(shè)9 處垂直剖面進行土壤各項指標(biāo)的測試，采用土鉆采集土壤1 m 深度，共5 層（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）進行土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與測定，試驗區(qū)各層土壤物理性質(zhì)如表1 所示。根據(jù)研究區(qū)土壤鹽堿狀況、土壤質(zhì)地、植被長勢、結(jié)合路網(wǎng)、溝渠分割情況確定以300 m×300 m 的網(wǎng)格布置采樣點，共21 個采樣點，如圖1 所示。以手持全球定位系統(tǒng)（GPS）定位儀測定實地坐標(biāo)。每個樣點取0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 共5 層，取3 次重復(fù)，在室內(nèi)實驗室進行土壤鹽分測定。

表1 試驗區(qū)土壤物理性質(zhì) Table1 Soil physical quality in experimental area

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL 整理數(shù)據(jù)與制圖，利用GS+9.0 軟件對不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)源進行對數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過計算、模擬與檢驗，得出的半方差函數(shù)模型，在Arc-GIS10.5軟件中利用Kriging 最優(yōu)內(nèi)插法繪制灌排前后土壤鹽分空間分布特征圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分空間異質(zhì)性特點

2.1.1 土壤鹽分地統(tǒng)計學(xué)特征

表2 為暗管排水土壤鹽分（EC 值）統(tǒng)計特征值，研究區(qū)為鹽荒地，土壤鹽分較大，收獲后鹽分平均值在3.976～6.818 dS/m 之間，表層土壤鹽分明顯大于深層土壤，經(jīng)過一個凍融過程，春灌前隨著氣溫和地溫的逐漸升高，土壤鹽分開始上升，到5 月由于強烈的蒸發(fā)作用，土壤返鹽現(xiàn)象嚴重，鹽分明顯高于收獲后，因此采用春灌進行淋洗壓鹽，同時結(jié)合暗管排水技術(shù)降低土壤鹽分，春灌后土壤鹽分明顯低于春灌前，春灌前土壤鹽分最大值為15.44 dS/m，土壤平均含鹽量在4.756～9.034 dS/m 之間，春灌后鹽分明顯降低，分別降低了 61.14%、52.78%、40.37%，且隨著土壤深度的增加土壤脫鹽效率降低。

變異系數(shù)反映樣點的離散程度，不同時期土壤鹽分變異系數(shù)為 23.68%～58.231%，均在 10%～100%之間，屬于中等變異性。春灌前，由于受強烈蒸發(fā)的影響，地下水蒸發(fā)返鹽過程中，溶質(zhì)以彌散運移形式為主，受結(jié)構(gòu)因素（土壤母質(zhì)、地形、土壤類型）影響較大，所以鹽分分布存在較大的異質(zhì)性；表層土壤（0～20 cm）受其影響較大，土壤鹽分變異系數(shù)比收獲時大，20～40、40～100 cm 受其影響較小，土壤鹽分變異系數(shù)均降低；春灌淋洗后，土壤0～100 cm均受到不同程度的淋洗，且淋洗程度均較大，只留在土壤中的鹽分取決于土壤水分對鹽分的攜帶能力和溶解度，即取決于土壤的含水率，所以鹽分分布的空間變異性低，說明春灌有降低土壤鹽分空間異質(zhì)性的作用。促進土壤鹽分分布由“高鹽異質(zhì)性”向“低鹽均質(zhì)性”轉(zhuǎn)變。

表2 不同時期土壤鹽分（EC 值）統(tǒng)計特征值 Table 2 Statistical characteristics of soil salinity (EC value) in different periods

表3 不同時期土壤鹽分（EC 值）半方差函數(shù)模型參數(shù) Table 3 Parameters of semi-variance function model of soil salt (EC value) in different periods

2.1.2 春灌前后土壤鹽分空間異質(zhì)性特點

土壤特性是一種區(qū)域化變量，同時具有地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特性和統(tǒng)計學(xué)的隨機特性，國內(nèi)外很多學(xué)者將地統(tǒng)計學(xué)理論應(yīng)用于土壤科學(xué)進行土壤特性空間變異性規(guī)律的研究[16-17]。由表3 可知，不同時期各層土壤鹽分的最佳擬合模型均為高斯模型，模型決定系數(shù)均在0.808～0.959 之間，殘差在0.113～0.853 之間，模擬效果較好。收獲后受管理措施，雜草根系等影響，其各層土壤空間自相關(guān)性相對春灌前后較弱，塊基比在4.85%～9.564%之間，小于25%，具有強烈的空間自相關(guān)性。春灌前，土壤鹽分主要受結(jié)構(gòu)因素（土壤母質(zhì)、地形、土壤類型）的影響，以及強烈蒸發(fā)等作用，深層土壤鹽分上升到表層，表層土壤（0～20、20～40 cm）鹽分自相關(guān)性增幅較大，深層土壤自相關(guān)性增幅較小，塊基比在0.058%～5.711%之間。春灌后，由于土壤鹽分受淋洗與排水作用，土壤鹽分空間自相關(guān)性繼續(xù)增強，且塊基比在0.039%～0.054%之間，具有較強的空間自相關(guān)性，反映了土壤鹽分趨向于均質(zhì)化。隨著土壤深度的增加，土壤空間自相關(guān)性增加，說明土壤鹽分隨土層深度的增加受結(jié)構(gòu)因素影響增強。各時期土壤鹽分塊金值均較小，可以認為在研究區(qū)范圍內(nèi)的取樣間距比較合理。

2.2 春灌對土壤脫鹽效果的影響

脫鹽率是指研究區(qū)域土壤鹽分的減小值占初始值的比例，它可以評價淋洗和暗管協(xié)同作用下，土壤層的脫鹽效果，在已有研究中得到廣泛采用[18-19]。土壤脫鹽率計算公式為：

式中：N 為脫鹽率（%）；S1為春灌前土壤鹽分（dS/m）；S2為春灌后土壤鹽分（dS/m）。

圖2 為試驗區(qū)暗管排水土壤脫鹽率，其相關(guān)性函數(shù)曲線均為一元二次函數(shù)，相關(guān)系數(shù)均大于76.46%，擬合效果良好。由圖2 可知，暗管排水0～20 cm 土壤脫鹽率最高大約在12 dS/m 左右，春灌前<12 dS/m 的含鹽量區(qū)，其脫鹽率隨初始含鹽量的增加而增加，而當(dāng)含鹽量>12 dS/m 時，其土壤脫鹽率緩慢下降，但其脫鹽率仍高于含鹽量在0～8 dS/m 的土壤，其原因可能是受灌水量和灌水次數(shù)的影響，在土壤含水率一定的情況下，當(dāng)初始鹽分較大時，水中溶解鹽分程度有限，水分對鹽分的溶解度會越低，有些難溶性鹽分不會隨著灌溉水流出土壤，初始含鹽量較大，淋洗出鹽分較小，變化的鹽分占初始鹽分比值較小，土壤脫鹽率開始下降。20～40 cm 和40～100 cm 其土壤脫鹽率隨著初始含鹽量的增加而增加，其中20～40 cm 土壤鹽分大于6 dS/m 時，其增加速率緩慢，40～100 cm 土壤鹽分大于5 dS/m 時，其增加速率緩慢。

圖2 脫鹽率與初始含鹽量關(guān)系 Fig.2 Relationship between desalination rate and initial salt content

2.3 土壤鹽分離子變化及脫鹽率

鹽分主要通過鹽分離子與土壤、植物發(fā)生各種物理化學(xué)反應(yīng)影響土壤和植物的存在狀態(tài)[20]，土壤鹽分離子組成不同導(dǎo)致土壤鹽漬化類型不同，同時影響著鹽分運移規(guī)律以及土壤理化性質(zhì)、從而決定土壤脫鹽的難易程度，因此了解土壤鹽分離子變化具有重要意義。如圖3 所示，CO32-在偏堿性土壤中易與Ca2+、Mg2+等結(jié)為沉淀，收獲后和灌前土壤中未檢測出來，收獲后土壤鹽分離子含量從大到小，依次為Cl->K++ Na+> HCO3->SO42-> Ca2+>Mg2+，陽離子以Na+為主，占陽離子總量的47.19%；陰離子以Cl-為主，占陰離子總量的58.86%，0～20 cm 土層離子量均高于20～40 cm，鹽分離子表聚現(xiàn)象嚴重。到5 月（春灌前）氣溫開始升高，土壤蒸發(fā)逐漸增強，土壤鹽分開始逐漸上升，鹽分離子也隨著上升，春灌前表層土壤鹽分離子量明顯高于收獲后。春灌后，如圖3、圖4 所示，土壤中除CO32-外，其余各離子均表現(xiàn)為下降趨勢，且HCO3-脫鹽率最小，幾乎不變，其原因可能是當(dāng)土壤淋洗離子時，土壤其他離子開始下降，為使土壤中的正負電荷平衡，碳酸鹽類礦物開始解離，產(chǎn)生一些 CO32-和HCO3-，且春灌時淋洗了一部分HCO3-，導(dǎo)致HCO3-幾乎沒變。土壤各鹽分離子脫鹽率大小表現(xiàn)為Cl->K++Na+>SO42->Mg2+>Ca2+>HCO3-。CO32-初始量幾乎為0，其脫鹽率無法計算，土壤離子脫鹽率與其初始量有很大關(guān)系。

2.4 地下水埋深動態(tài)變化及對土壤鹽分影響

2.4.1 地下水埋深動態(tài)變化

圖3 不同時期土壤離子變化 Fig.3 Soil ions change in different periods

地下水埋深是水循環(huán)過程中的重要變量，其制約著下墊面的水量遷移和轉(zhuǎn)化，影響著蒸散發(fā)，同時也是區(qū)域鹽堿化與荒漠化的重要控制因素[21]。暗管排水重要作用之一是控制地下水埋深，同時也影響著地下水循環(huán)，在全球氣候變化和日益加劇的人類活動綜合影響下，地下水資源在時間和空間上產(chǎn)生一系列變化，呈現(xiàn)出新的變化特征[22]，因此了解地下水埋深動態(tài)變化具有重要意義。由圖5 可以看出，河套灌區(qū)春灌灌水量較大，地表積水。地下水埋深在灌后7 d 開始下降，且下降速率較快，而當(dāng)?shù)孛鳒吓潘诖汗嗪?1 d開始下降，下降速率較緩。同時由于試驗區(qū)南側(cè)地勢高、北側(cè)地勢低，且試驗區(qū)北側(cè)受十排干的影響，其暗管排水地下水埋較淺。同時排水明溝深1.5 m，在春灌后其受明溝影響較大，地下水埋深比暗管排水區(qū)域較深，可見明溝對地下水埋深的控制效果較好。

圖4 春灌土壤離子脫鹽率 Fig.4 Soil ions desalination rate of spring irrigation

2.4.2 地下水埋深對土壤鹽分的影響

在干旱的河套灌區(qū)，受淋溶作用、鹽分本身對土壤水分有較強的親和力[23]，以及河套灌區(qū)降雨遠遠大于蒸發(fā)量，地下水埋深越淺，土壤積鹽越嚴重，地下水埋深較深的區(qū)域土壤鹽分含量相對較低[24]。由圖6可知，表層土壤（0～20 cm）鹽分異常高于其他土層。暗管排水地下水埋深與土壤鹽分滿足線性關(guān)系， R2>92.58%，表明擬合效果良好。暗管排水0～20 cm土壤鹽分變化隨著地下水埋深變化趨勢較大，20～40、40～100 cm 土壤鹽分隨著地下水埋深變化趨勢較小。因此，利用暗管排水控制地下水位的臨界深度、降低土壤鹽分，同時保證作物正常生長，防治因蒸發(fā)而導(dǎo)致土壤鹽漬化具有重要意義。

圖5 不同排水方式地下水埋深動態(tài)變化 Fig.5 Dynamic change of groundwater depth in different drainage ways

圖6 暗管排水地下水埋深與土壤鹽分關(guān)系 Fig.6 The relationship between the buried depth of the underground water and the salt of the soil

3 討 論

暗管排水具有降低土壤鹽分，控制地下水埋深，改善土壤理化性質(zhì)等作用，與明溝相比具有排水效果好、占地少、污染小、壽命長、無坍塌和長草問題，易于管理，節(jié)省勞力，土方工程量少，運行維護方便和便于機械化施工等顯著優(yōu)勢，而且其脫鹽效果好于明溝。春灌淋洗土壤具有降低土壤鹽分空間異質(zhì)性的作用，其淋洗后土壤脫鹽量、脫鹽率與初始含鹽量均為顯著正相關(guān)關(guān)系，這與于淑會等[12]研究結(jié)果一致。劉玉國等[8]研究表明，暗管排水可有效地降低土壤鹽分，土壤鹽分經(jīng)暗管排水由表聚型向脫鹽型轉(zhuǎn)變，本研究中雖然鹽分有所降低，但土壤鹽分仍表現(xiàn)為表聚型，可能是灌水次數(shù)和灌水量的影響。土壤鹽分離子的脫鹽率與其離子特性和離子初始量有較大關(guān)系[25]，同時也與淋洗過程中土壤中礦物質(zhì)的釋放和發(fā)生的沉淀溶解平衡有關(guān)[26]。土壤中Na+量過多會導(dǎo)致土壤顆粒和團聚體分散，使土壤孔隙減少，滲透性降低，并引起植物Ca2+、Mg2+、K+的缺乏和其他營養(yǎng)失調(diào)，Cl-量過多會抑制植物的生長發(fā)育，使植物代謝紊亂甚至發(fā)生中毒；高質(zhì)量濃度SO42-也具有明顯的毒性，它通過限制Ca2+的活動性，阻礙了植物對Ca2+的吸收[27-28]。

本研究中試驗區(qū)土壤鹽分離子量相對較多，其中，Cl-、K++ Na+、SO42-量較多，嚴重影響作物生長，利用暗管排水灌溉有效地減少土壤中的Cl-、K++Na+、SO42-，脫鹽效果較好，但其量還不足以作物生長，需要繼續(xù)灌溉淋洗，在灌溉同時需注意土壤鹽分離子平衡關(guān)系。還有研究表明[29-30]，暗管排水對土壤理化性質(zhì)有較大影響，可以改善土壤通氣性等特性，河套灌區(qū)長期大規(guī)模使用暗管排水肯定還會導(dǎo)致一些新的農(nóng)業(yè)環(huán)境問題，因此還有待進一步加強研究。

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是土壤鹽漬化的典范，近年來由于大規(guī)模發(fā)展中高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，導(dǎo)致農(nóng)田水鹽狀態(tài)改變，土壤次生鹽漬化問題凸顯，如何防治土壤鹽漬化成為灌區(qū)亟待解決的問題。在地下水埋深較小且地下水礦化度較高時，土壤鹽分與地下水鹽交換密切，在強烈的蒸發(fā)作用下，土壤存在不同程度的積鹽，土壤積鹽程度受到地下水埋深和礦化度的綜合影響[31]。因此利用暗管排水技術(shù)控制地下水埋深來防治土壤鹽漬化至關(guān)重要。研究表明[32-34]，暗管排水能有效地控制地下水埋深，南方地區(qū)需要通過暗管排水工程迅速降低地下水埋深，排水降漬，疏干土壤，有效控制土壤排水強度，以滿足機械作業(yè)要求；而北方地區(qū)為了防治強烈的蒸發(fā)，減小地下水中的可溶性鹽通過毛細水上升到土壤表層，防治土壤鹽漬化。本試驗區(qū)土壤鹽漬化程度嚴重，土壤處于中重度鹽漬化狀態(tài)，有的甚至處于鹽土狀態(tài)，在后續(xù)試驗中應(yīng)增加灌水次數(shù)，同時需要結(jié)合其他改良措施（脫硫石膏、參沙、深松深耕）來防治土壤鹽漬化。河套灌區(qū)有45.1%的耕地呈現(xiàn)出不同程度的鹽漬化，因此需要建立健全的灌溉排水系統(tǒng)在有效控制地下水位的同時降低土壤鹽分，從而防治灌區(qū)鹽漬化，對于灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

4 結(jié) 論

1）利用暗管排水春灌能降低土壤鹽分，弱化土壤鹽分空間異質(zhì)性，土壤鹽分由“高鹽異質(zhì)性”向“低鹽均質(zhì)性”轉(zhuǎn)變。暗管排水0～20、20～40、40～100 cm土壤平均脫鹽率分別為61.14%、52.78%、40.37%。暗管排水其脫鹽效果明顯好于明溝排水。

2）暗管排水0～20 cm 土壤脫鹽率最高點初始含鹽量在12 dS/m 左右，為68.17%，春灌前<12 dS/m的鹽分量區(qū)，其脫鹽率隨初始含鹽量的增加而增加，而當(dāng)含鹽量>12 dS/m 時，其土壤脫鹽率緩慢下降，但其脫鹽率仍高于含鹽量在0～8 dS/m 的土壤。明溝排水0～20 cm 土層土壤脫鹽率最高點在1.1 dS/m，脫鹽率大約為36%。隨著土壤深度的增加，二者脫鹽率均減小。

3）土壤中除CO32-表現(xiàn)為上升趨勢，其余各離子均表現(xiàn)為下降趨勢，且HCO3-脫鹽率最小，幾乎不變。土壤各鹽分離子脫鹽率大小表現(xiàn)為 Cl->K++Na+> SO42->Mg2+>Ca2+>HCO3-。

4）暗管排水地下水埋深在灌后7 d 開始下降，且下降速率較快。暗管排水地下水埋深與土壤鹽分滿足線性關(guān)系，R2>92.58%，暗管排水0～20 cm 土壤鹽分變化隨著地下水埋深變化趨勢較大，20～40、40～100 cm 土壤鹽分隨著地下水埋深變化趨勢較小。