農(nóng)田排水改良鹽漬化土壤效果與環(huán)境污染研究

竇 旭 史海濱 李瑞平 苗慶豐 閆建文 田 峰

(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)蒙古工程研究中心，呼和浩特 010018)

0 引言

土壤鹽漬化是許多干旱區(qū)和半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力下降的主要原因[1]，聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織于2021年發(fā)布的全球鹽漬土壤分布圖表明，全球鹽漬土壤面積逾 8.33億hm2(占地球面積的 8.7%)。鹽漬化土壤不僅抑制了作物生長(zhǎng)，降低了產(chǎn)量和品質(zhì)，而且降低了肥料利用效率[2]，同時(shí)土壤次生鹽漬化加劇等農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的治理也面臨新的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)[3]，因此對(duì)于存在土壤鹽漬化危害的灌區(qū)，農(nóng)田排水系統(tǒng)輸出灌溉淋洗時(shí)土壤中的鹽分、維持農(nóng)田良性水鹽運(yùn)移[4]，從而降低土壤中的鹽分。農(nóng)田排水技術(shù)也是農(nóng)田灌溉可持續(xù)發(fā)展的保障以及保護(hù)土地資源的重要措施，同時(shí)還可以提高作物產(chǎn)量[5]，并且暗管排水占地少、污染小、壽命長(zhǎng)、無(wú)坍塌和長(zhǎng)草，易于管理，節(jié)省勞力，土方工程量少，運(yùn)行維護(hù)方便，便于機(jī)械化施工等[6]。研究表明，暗管排水技術(shù)對(duì)于改良鹽漬化土壤具有較好的效果[7-8]，同時(shí)提高了田間土地利用效率，改善了田間交通能力，為耕作、種植和收獲等作業(yè)創(chuàng)造了有利條件[9]，在國(guó)內(nèi)外鹽漬化土壤治理中應(yīng)用越來(lái)越普遍[10-12]，因此利用暗管排水技術(shù)改良鹽漬化土壤對(duì)于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

農(nóng)田排水作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中重要的措施，主要通過(guò)灌溉淋洗降低土壤中鹽分，在農(nóng)田排水過(guò)程中也會(huì)對(duì)地表水和地下水水質(zhì)產(chǎn)生不利影響，以及過(guò)多的養(yǎng)分流失對(duì)環(huán)境造成污染[13]，并且農(nóng)田中氮素流失也意味著很大一部分氮肥的損失[14]。地下排水系統(tǒng)被認(rèn)為是養(yǎng)分和其他污染物的主要來(lái)源，在排水過(guò)程中將土壤養(yǎng)分、除草劑、殺蟲(chóng)劑等排出土體，導(dǎo)致養(yǎng)分利用效率降低并造成面源污染[15]，農(nóng)田排水是造成面源污染的主要驅(qū)動(dòng)力[16]，其污染物的遷移、轉(zhuǎn)化和匯集過(guò)程也相對(duì)復(fù)雜[17]。研究表明，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、化學(xué)需氧量的濃度變化主要取決于排水過(guò)程，為了控制大型灌區(qū)系統(tǒng)的污染，需要了解在不同種植結(jié)構(gòu)下農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)地表水和地下水的污染[15]。近年來(lái)，學(xué)者們利用控制排水等方式來(lái)減少土壤中養(yǎng)分的流失，從而減輕排水過(guò)程中造成的環(huán)境污染[18-20]。因此在利用農(nóng)田排水技術(shù)改良鹽漬化土壤過(guò)程中摸清其污染物的遷移、流失以及各種物理化學(xué)轉(zhuǎn)化的過(guò)程至關(guān)重要。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年4月至2020年11月在烏拉特前旗暗管排水綜合試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市河套灌區(qū)下游烏拉特灌域西山咀農(nóng)場(chǎng)四分場(chǎng)與五分場(chǎng)，位于108°37′28″～108°39′49″E、40°44′54″～40°45′49″N，海拔1 017.97～1 019.95 m。試驗(yàn)區(qū)南側(cè)為改良耕地，利用明溝排水技術(shù)，當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)明溝排水溝深 1.5 m，間距100 m；北側(cè)為荒地，利用暗管排水技術(shù)，試驗(yàn)區(qū)面積323 hm2，布設(shè)暗管管長(zhǎng)200 m，管徑80 mm，埋深分別為60、100 cm，間距為20 m，雙層布置，坡度為0.1%。試驗(yàn)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(qiáng)，無(wú)霜期較短。多年平均氣溫6～8℃，多年平均降雨量196～215 mm，蒸發(fā)量2 172.5 mm；無(wú)霜期130 d；風(fēng)速2.5～3 m/s；最大凍土深度1.2 m。pH值7.9～8.9。共布設(shè)8個(gè)地下水觀測(cè)井和4處田間負(fù)壓計(jì)，在荒地、耕地上各安放2個(gè)微型蒸發(fā)器來(lái)測(cè)量土壤的蒸發(fā)量，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)設(shè)置田間微型氣象站(HOBO-U30型，Onset，美國(guó))自動(dòng)記錄氣象數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 2019—2020年油葵生育期降雨量和氣溫Fig.1 Rainfall and temperature during growth period of oil sunflower in 2019—2020

1.2 土壤性質(zhì)

利用環(huán)刀在1 m土層內(nèi)土壤剖面上取原狀土后在室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)土壤容重、飽和(質(zhì)量)含水率、田間持水率、飽和導(dǎo)水率，共5層(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm)，各剖面取3個(gè)重復(fù)。初始土壤剖面(0～100 cm)平均質(zhì)量含水率約為22.57%，電導(dǎo)率(EC1∶5)為1.27 dS/m，pH值為8.8左右。試驗(yàn)區(qū)土壤基本物理性質(zhì)如表1所示。土壤基礎(chǔ)肥力為有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、有效磷、速效鉀質(zhì)量比分別為13.54 g/kg、0.85 g/kg、86 mg/kg、9.432 mg/kg、218 mg/kg。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤物理性質(zhì)Tab.1 Soil physical quality in experimental area

1.3 數(shù)據(jù)采集

在試驗(yàn)區(qū)土壤鹽分淋洗和環(huán)境污染過(guò)程中，針對(duì)農(nóng)田鹽分與污染物遷移、轉(zhuǎn)化、匯集過(guò)程，分別進(jìn)行了斗渠尺度水量平衡測(cè)定試驗(yàn)、斗溝排水水質(zhì)和水量過(guò)程試驗(yàn)；支溝排水水量及污染物進(jìn)入容泄區(qū)過(guò)程監(jiān)測(cè)。選擇典型支渠灌溉控制區(qū)(控制灌溉面積為323 hm2)，在作物生育期觀測(cè)灌水過(guò)程的水量平衡。采用流速儀測(cè)定典型支渠的引水量，以及田間的實(shí)際灌水量和排水量之間的關(guān)系，試驗(yàn)在支渠控制的十分渠(斗渠)和新開(kāi)渠(斗渠)內(nèi)進(jìn)行，如圖2所示，步驟為：①在斗渠入口位置，利用流速儀測(cè)定灌溉引水量。②測(cè)定控制區(qū)內(nèi)排水溝灌水前后排水溝水位，計(jì)算排水溝儲(chǔ)水量變化量，并且測(cè)量排水溝流速及確定排水時(shí)間和排水量。③微型蒸發(fā)器測(cè)定農(nóng)田土壤蒸發(fā)量。④利用負(fù)壓計(jì)測(cè)量土壤土水勢(shì)數(shù)據(jù)。表2為試驗(yàn)區(qū)灌溉制度，大棚采用滴管種植蔬菜，生育期排水很少，春灌和秋澆制度與向日葵一致。牧草灌溉制度與向日葵一致。

圖2 試驗(yàn)區(qū)采樣點(diǎn)布設(shè)及種植結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Layout of sampling points and planting structure in test area

表2 試驗(yàn)區(qū)灌溉制度Tab.2 Irrigation schedule in test area

圖3 試驗(yàn)區(qū)排水溝水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)位置布設(shè)示意圖Fig.3 Layout of water quality and drainage discharge positions of drainage ditches in test area

排水是灌區(qū)各種農(nóng)田污染物遷移和匯集的主要驅(qū)動(dòng)力，農(nóng)田中滲流排水進(jìn)入斗溝，并且向排水支溝和干溝匯集，最后進(jìn)入承泄區(qū)(十排干)。各種污染物隨水流運(yùn)動(dòng)發(fā)生對(duì)流和摻混，并在遷移過(guò)程中發(fā)生轉(zhuǎn)化，根據(jù)灌區(qū)實(shí)際情況，進(jìn)行排水過(guò)程的逐日測(cè)定。

1.4 DRAINMOD模型原理及輸入?yún)?shù)

由于試驗(yàn)區(qū)暗管數(shù)量過(guò)多，對(duì)每個(gè)暗管的排水量進(jìn)行測(cè)量存在歷時(shí)時(shí)間長(zhǎng)、人力物力消耗等缺點(diǎn)，因此研究農(nóng)田水文循環(huán)過(guò)程通常采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與DRAINMOD模型相結(jié)合的手段，可以很好地模擬田間水文循環(huán)規(guī)律或進(jìn)行水量平衡計(jì)算。

DRAINMOD模型以水量平衡計(jì)算為基本原理，在計(jì)算時(shí)段內(nèi)，模型進(jìn)行地表水量平衡計(jì)算的方程可表示為

P+I=F+ΔS+R

(1)

式中P——降雨量，cmI——灌溉水量，cm

ΔS——地表水的儲(chǔ)水量變化量，cm

R——地表徑流，cm

F——地表入滲量，cm

在相同計(jì)算時(shí)段內(nèi)，土壤水量平衡方程為

ΔV=D+ET+DS-F

(2)

式中 ΔV——土壤水分變化量，cm

D——土壤側(cè)向排水量，cm

ET——蒸散量，cm

DS——深層滲漏量，cm

地下水進(jìn)入排水管(溝)的速度依賴于地下水位、排水管(溝)深度及間距等因素。采用模型計(jì)算暗管排水量，假設(shè)在飽和區(qū)土壤中發(fā)生側(cè)向水流為基礎(chǔ)，在排水管(溝)中點(diǎn)處的地下水位高度使用側(cè)向飽和導(dǎo)水率來(lái)進(jìn)行計(jì)算。DRAINMOD模型[24]利用Hooghoudt穩(wěn)定流公式計(jì)算無(wú)積水時(shí)的地下排水量；當(dāng)田面有積水，地下水位上升到地表時(shí)，地下排水量則由 Kirkham公式計(jì)算。采用Green-Ampt公式計(jì)算地表入滲量。模型還通過(guò)設(shè)置地面平整度與田埂高度來(lái)計(jì)算每日地表凈流量，即地表排水量。DRAINMOD模型在逐日計(jì)算作物實(shí)際騰發(fā)量(AET)時(shí)，比較土壤供水能力(即潛水上升通量)與潛在騰發(fā)量(PET)，取二者中較小的一個(gè)值作為每日的AET。即當(dāng)土壤較為濕潤(rùn)時(shí)，AET 等于 PET；否則 AET 小于PET，其值取決于土壤向上的供水能力。本文根據(jù)較為完整的氣象資料，采用FAO56 Penman-Monteith法計(jì)算出PET后輸入模型。表3為模型輸入數(shù)據(jù)。

表3 DRAINMOD模型主要輸入?yún)?shù)Tab.3 Main input parameters for DRAINMOD model

由于試驗(yàn)區(qū)暗管為雙層布設(shè)，因此利用DRAINMOD模型先模擬暗管埋深為60 cm的排水量，再模擬暗管埋深為100 cm的排水量，減去埋深為60 cm的排水量即可求出埋深為100 cm暗管的實(shí)際排水量。以雙層排水中2根暗管(1根暗管埋深100 cm、1根暗管埋深60 cm)排水量作為控制單元，統(tǒng)計(jì)各種植結(jié)構(gòu)上暗管數(shù)量，計(jì)算出相應(yīng)的排水量，最終確定區(qū)域上的排水量。

1.5 試驗(yàn)區(qū)排水過(guò)程及主要污染物遷移、轉(zhuǎn)化及摻混過(guò)程演算

試驗(yàn)區(qū)一、二、三號(hào)斗溝各承納140條暗管的排水量，四號(hào)斗溝匯集13條農(nóng)溝的排水量；支溝承納一、二、三、四號(hào)斗溝排水量，最終由排水泵站抽入容泄區(qū)(十排干)。試驗(yàn)區(qū)斗溝長(zhǎng)度1.9 km，深度1.7 m；排水支溝長(zhǎng)度為1.7 km，深度2 m。由于試驗(yàn)區(qū)排水溝有一定的蓄水能力，能夠在一定程度消減水量和濃度的變化幅度，故采用馬斯京根法描述匯流排水溝蓄水能力對(duì)于子流域出口水質(zhì)和水量過(guò)程的影響。

將排水斗溝所控制的所有暗管(排水農(nóng)溝)出口流量之和作為斗溝的入口流量，將排水支溝所控制的所有排水斗溝的出口流量之和作為支溝的入口流量，則斗溝、支溝出口流量為

Qt+1=D0It+1+D1It+D2Qt

(3)

其中

(4)

式中Qt+1、Qt——t+1、t時(shí)刻的斗溝(支溝)出口斷面出口流量，m3/s

It+1、It——t+1、t時(shí)刻斗溝(支溝)入口流量，m3/s

D0、D1、D2——河段流量系數(shù)，由圣維南方程組與馬斯京根槽蓄曲線方程經(jīng)過(guò)有限差分合解得到

Δt——計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)度，取24 h

x——流量比重因子，反映上、下游斷面流量在槽蓄量中的相對(duì)權(quán)重

K——河段水流傳播時(shí)間，K≈Δt，h

Ct+1=Cte-kt

(5)

k——綜合一階動(dòng)力學(xué)系數(shù)，d-1

(6)

W1t、W2t——進(jìn)入?yún)R流排水溝的排水量和匯流排水溝內(nèi)槽蓄水量，m3

對(duì)于鹽分而言，在排水溝中，主要受水流運(yùn)動(dòng)和摻混的作用，其反應(yīng)量不能以一階方程進(jìn)行模擬計(jì)算，每天實(shí)測(cè)其暗管和農(nóng)溝排水的鹽分，再利用式(6)計(jì)算斗溝和支溝出口鹽分濃度。

表4 水量過(guò)程模擬參數(shù)Tab.4 Parameters for simulating drainage processes

模擬結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)包括相對(duì)誤差(RE)、相關(guān)系數(shù)(R)及效率系數(shù)(NS)。其中RE是模擬值和測(cè)量值的絕對(duì)誤差和測(cè)量值之比，其絕對(duì)值越小，模擬值與測(cè)量值越接近，絕對(duì)值越大，模擬值與測(cè)量值差值越大；R表示模擬值與測(cè)量值之間的接近程度，R越接近于1，表明模擬值和測(cè)量值更密切相關(guān)，越接近于0，則表明模擬值與測(cè)量值越不相關(guān)；NS表示模型的模擬結(jié)果可信度，NS越靠近1，表示模擬結(jié)果的可信度越高，越靠近-∞，表示模擬結(jié)果越不可信。

1.6 數(shù)據(jù)計(jì)算及分析方法

1.6.1土壤含鹽量

土壤電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換為土壤含鹽量計(jì)算公式[26]為

C=3.765 7EC1∶5-0.240 5

(7)

式中C——土壤含鹽量，g/kg

1.6.2排水礦化度

排水電導(dǎo)率(ECw)和礦化度(TDS)轉(zhuǎn)換公式[27]為

TDS=0.69ECw

(8)

式中TDS——地下水礦化度，g/L

ECw——排水電導(dǎo)率，dS/m

1.6.3脫鹽率

土壤脫鹽率計(jì)算公式[1,28]為

(9)

式中N——脫鹽率，%

S1——春灌前土壤電導(dǎo)率，dS/m

S2——春灌后土壤電導(dǎo)率，dS/m

1.6.4鹽分總量和脫鹽量

某一鹽漬化類型的鹽分總量計(jì)算式為

SSi=10ASiAihWu

(10)

式中SSi——i類型區(qū)鹽分總量，t

ASi——i類型區(qū)平均含鹽量，g/kg

Ai——i類型區(qū)面積，hm2

h——土壤深度，取1 m

Wu——土壤容重，取1.46 g/cm3

其中i=1,2,3,4,5分別表示非鹽漬化區(qū)、輕度鹽漬化區(qū)、中度鹽漬化區(qū)、重度鹽漬化區(qū)及鹽土區(qū)。

定義灌溉后某一區(qū)脫鹽量為

DSi=SSib-SSia

(11)

式中DSi——i類型區(qū)脫鹽量，t

SSib——春灌前i類型區(qū)鹽分總量，t

SSia——秋澆后i類型區(qū)鹽分總量，t

1.6.5數(shù)據(jù)處理

采用Origin 2018與Excel 2016軟件整理數(shù)據(jù)和制圖，利用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析，多重比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田排水過(guò)程分析

2.1.1DRAINMOD模型率定與驗(yàn)證

基于DRAINMOD模型對(duì)暗管排水和明溝排水的排水量進(jìn)行了率定和驗(yàn)證(表5)。利用2019年數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，2020年數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，其中率定小區(qū)模擬值與實(shí)際值RE為4.12%～12.02%、R為0.80～0.92及NS為0.85～0.9，驗(yàn)證小區(qū)模擬值與實(shí)測(cè)值RE為6.19%～13.44%、R為0.83～0.90及NS為0.82～0.88，暗管排水的模擬效果好于明溝排水，但均在能接受范圍之內(nèi)。在降雨時(shí)期，排水量實(shí)測(cè)值與模擬值相差略大，模型對(duì)降雨比較敏感，實(shí)測(cè)排水量相對(duì)較小。由表5可知，2019、2020年春灌時(shí)期排水量無(wú)顯著差異。生育期排水量有較大差異，生育期排水量受灌溉和降雨的影響較大，2019年生育期降雨相對(duì)較少，在生育期排水量小于2020年，2020年油葵、玉米暗管排水量實(shí)測(cè)值較2019年分別高92.63%、36.77%；2020年油葵、玉米明溝排水量實(shí)測(cè)值較2019年分別高5.77%、6.47%。秋澆由于灌水量相對(duì)較大，排水量也相對(duì)較大。在荒地中利用大水淋洗土壤鹽分，只進(jìn)行春灌和秋澆，2019、2020年荒地中春灌排水量較向日葵分別高21.48%、21.91%；秋澆排水量較向日葵分別高26.48%、17.12%；秋澆排水量較玉米分別高10.41%、25.87%?；牡刂信潘肯鄬?duì)較大，造成這種差異可能因?yàn)榛牡刂形词芨蓴_的大孔隙形成優(yōu)先流動(dòng)路徑，因此與傳動(dòng)耕作相比，水向下運(yùn)動(dòng)阻力較小，這也是荒地比傳統(tǒng)耕作土壤更具保水能力的結(jié)果；另一方面，荒地在試驗(yàn)區(qū)北側(cè)，地勢(shì)較低，地下水埋深相對(duì)較淺，因此排水量相對(duì)較大。

表5 不同小區(qū)排水量觀測(cè)值及模擬值Tab.5 Observations and simulations of drainage in different plots

2.1.2試驗(yàn)區(qū)排水過(guò)程分析

采用式(3)、(4)計(jì)算2019—2020年試驗(yàn)區(qū)斗溝和支溝出口位置出口流量(圖4)。利用2019年數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，2020年數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。率定過(guò)程中模擬值與實(shí)測(cè)值RE為5.15%～16.02%、R為0.85～0.90、NS為0.82～0.93，驗(yàn)證過(guò)程中模擬值與實(shí)測(cè)值RE為7.19%～15.44%、R為0.78～0.85、NS為0.80～0.84，模擬值峰值大于實(shí)測(cè)值，是因?yàn)閰R流暗管和斗溝進(jìn)入支溝，在農(nóng)溝進(jìn)入斗溝，以及斗溝進(jìn)入支溝過(guò)程中，槽蓄一定程度上消減了斗溝和支溝出口水量變化的峰值，具有一定的延遲效應(yīng)，同時(shí)其計(jì)算值是在DRAINMOD模型的基礎(chǔ)上計(jì)算的，結(jié)果對(duì)降雨和灌溉也較為敏感。支溝由于相對(duì)較深較寬，進(jìn)水口流量較大，但其蓄水能力比較強(qiáng)，導(dǎo)致其出口排水流量相對(duì)較小，因此實(shí)測(cè)值比模擬值較小，但總體來(lái)說(shuō)模擬值與實(shí)測(cè)值較好地吻合。兩年的春灌和秋澆排水量無(wú)顯著差異，秋澆排水量大于春灌排水量。2020年生育期排水較頻繁，因?yàn)樵囼?yàn)區(qū)2020年種植玉米面積增加，玉米在生育期進(jìn)行了3次灌溉，同時(shí)2020年降雨也相對(duì)頻繁，因此其排水量較大。

圖4 排水斗溝和支溝出口流量變化曲線Fig.4 Variation curves of outlet flow of drainage ditch and branch ditch

2.2 農(nóng)田排水對(duì)排水溝鹽分和主要污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響

圖5 斗溝出口位置還原性物質(zhì)、鹽分質(zhì)量濃度變化曲線Fig.5 Variation curves of mass concentration of reducing substances and salinity at outlet of ditch

圖6 支溝出口位置還原性物質(zhì)、鹽分質(zhì)量濃度變化曲線Fig.6 Variation curves of mass concentration of reducing substances and salinity at outlet of branch ditch

表6 作物生育期污染物排放總量和質(zhì)量濃度Tab.6 Contaminant mass and concentration during growth period of crops

2.3 農(nóng)田排水對(duì)鹽漬化土壤脫鹽效果及改良效果的影響

2.3.1農(nóng)田排水對(duì)鹽漬化土壤脫鹽效果的影響

表7為不同排水方式不同土層在2019年春灌前和2020年秋澆后土壤含鹽量(以EC表示，單位dS/m)以及脫鹽率。春灌前由于強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，土壤返鹽情況嚴(yán)重，在暗管排水試驗(yàn)區(qū)，鹽分相對(duì)較小，0～20 cm土壤EC為9.03 dS/m，較20～40 cm和40～100 cm分別大26.25%和47.29%；在明溝排水試驗(yàn)區(qū)，鹽分相對(duì)較大，0～20 cm土壤EC為1.07 dS/m，較20～40 cm和40～100 cm分別大20.56%和28.04%，鹽分呈現(xiàn)顯著的表聚型。經(jīng)過(guò)2年灌溉淋洗后，土壤脫鹽率在土體中自上而下降低。0～20 cm土壤脫鹽率最大，暗管排水試驗(yàn)區(qū)0～20 cm土壤脫鹽率為67.56%，較20～40 cm和40～100 cm分別高5.12、16.84個(gè)百分點(diǎn)；明溝排水試驗(yàn)區(qū)0～20 cm土壤脫鹽率為34.54%，較20～40 cm和40～100 cm分別高12.90、15.58個(gè)百分點(diǎn)。淋洗之后土壤鹽分由表聚型向均勻型變化，暗管排水和明溝排水在2020年秋澆之后土壤EC分別在2.20～2.63 dS/m、0.61～0.65 dS/m之間。

表7 2019—2020年不同土層土壤脫鹽率Tab.7 Soil desalination rate of different soil layers in 2019—2020

土壤脫鹽率與土壤初始含鹽量有著密切的關(guān)系，土壤初始EC與脫鹽率擬合相關(guān)性函數(shù)如圖7所示，其中圖7a為試驗(yàn)區(qū)暗管排水土壤脫鹽率，相關(guān)性函數(shù)曲線為一元二次函數(shù)，決定系數(shù)均不小于0.765 8，擬合效果良好。由圖7a可知，暗管排水0～20 cm土壤脫鹽率最高時(shí)EC大約為12 dS/m，春灌前小于12 dS/m的鹽分含量區(qū)，脫鹽率隨初始含鹽量的增加而增加，且增長(zhǎng)速率越來(lái)越緩慢，而當(dāng)含鹽量大于12 dS/m時(shí)，土壤脫鹽率緩慢下降，但脫鹽率仍高于鹽分含量在0～8 dS/m的土壤，原因可能是受灌水量和灌水次數(shù)的影響，當(dāng)初始含鹽量較大時(shí)，水中溶解鹽分程度有限，淋洗效率降低導(dǎo)致土壤脫鹽率開(kāi)始下降。20～40 cm和40～100 cm土壤脫鹽率隨著初始含鹽量的增加而增加，其中20～40 cm土壤含鹽量大于6 dS/m時(shí)，脫鹽率增加速率緩慢，40～100 cm土壤含鹽量大于5 dS/m時(shí)，脫鹽率增加速率緩慢。

由圖7b可知，明溝排水由于含鹽量相對(duì)較小，均在3.08 dS/m以下，土壤脫鹽率相關(guān)性函數(shù)為線性關(guān)系，決定系數(shù)在0.742 7～0.885 8之間，模擬效果良好。0～20 cm土層土壤脫鹽率最高，平均脫鹽率為34.54%，隨著土壤深度的增加土壤脫鹽率減小，由于明溝排水試驗(yàn)區(qū)土壤含鹽量相對(duì)較小，土壤脫鹽率隨著初始含鹽量的增加而增大。

圖7 2019—2020年脫鹽率與初始含鹽量關(guān)系Fig.7 Relationships between desalination rate and initial salt content in 2019—2020

2.3.2農(nóng)田排水對(duì)不同鹽漬化等級(jí)的影響

分析2019年春灌前至2020年秋澆后土壤改良效果表明，灌溉結(jié)合排水技術(shù)淋洗鹽漬化土壤具有土壤鹽分均質(zhì)化的作用。表8為2019年春灌前到2020年秋澆后不同鹽漬化等級(jí)土壤含鹽量在灌溉過(guò)程中的變化，綜合考慮耐鹽農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況和主要土壤鹽分組成類型，根據(jù)鹽漬化土壤的劃分標(biāo)準(zhǔn)[29]，春灌前輕度鹽漬化土壤占總面積的14.70%，中度鹽漬化土壤占總面積的26.47%，重度鹽漬化土壤占總面積的17.65%，鹽土占總面積的41.18%，所占面積較大。經(jīng)過(guò)2年灌溉淋洗后，中度鹽漬化土壤和鹽土類型面積均有所下降，中度鹽漬化土壤面積下降2.94個(gè)百分點(diǎn)，鹽土面積下降29.42個(gè)百分點(diǎn)，非鹽漬化土壤、輕度和中重度鹽漬化土壤面積分別增加2.94、8.83、20.59個(gè)百分點(diǎn)。其中鹽土對(duì)試驗(yàn)區(qū)土壤脫鹽率貢獻(xiàn)最大，為126.78%，由于灌溉后鹽分降低，輕度鹽漬化土壤和重度鹽漬化土壤面積增加，貢獻(xiàn)率分別為-1.68%和-25.95%。

表8 2019—2020年不同等級(jí)鹽漬化區(qū)鹽分淋洗前后平均含鹽量、面積及脫鹽量Tab.8 Distributions of salinity,areas and desalination in different level saline regions before and after leaching in 2019—2020

3 討論

3.1 農(nóng)田排水過(guò)程分析

濱海地區(qū)暗管排水技術(shù)主要是為了降低地下水位，排出多余的水分，起到排澇降漬和滿足田間作業(yè)的要求[30]，而在干旱地區(qū)，利用農(nóng)田排水將鹽分淋洗出土壤，是鹽漬化土壤改良的重要技術(shù)[12]。DRAINMOD模型模擬農(nóng)田水文變化較早即有應(yīng)用，且模擬效果較好[31]，本研究經(jīng)過(guò)率定和驗(yàn)證表明，利用DRAINMOD模型模擬排水量時(shí)，暗管排水的模擬效果好于明溝排水，模擬值與實(shí)測(cè)值RE、R及NS均在可接受范圍之內(nèi)。本研究處于干旱半干旱地區(qū)，排水事件的發(fā)生主要是在農(nóng)田灌溉和降雨過(guò)程中，同時(shí)由于生育灌溉次數(shù)和灌水量相對(duì)較少，因此其在生育期的排水量也相對(duì)較少，春灌和秋澆排水量相對(duì)較大，排水效果也較好，可以有效地淋洗土壤中的鹽分。

馬斯京根法對(duì)農(nóng)田排水系統(tǒng)中的各級(jí)排水溝進(jìn)行排水過(guò)程的演算已經(jīng)得到了驗(yàn)證和應(yīng)用[16-17]，該方法考慮了排水過(guò)程中排水溝蓄水能力對(duì)排水過(guò)程的影響。本研究在DRAINMOD模擬農(nóng)田排水的基礎(chǔ)上計(jì)算排水系統(tǒng)中各排水溝的排水量，結(jié)果表明，排水過(guò)程中支溝和各斗溝排水量實(shí)測(cè)值較模擬值有一定的滯后性，但總體來(lái)說(shuō)吻合性較好，模擬過(guò)程中模擬值與實(shí)測(cè)值RE為5.15%～15.44%、R為0.85～0.90及NS為0.80～0.93。試驗(yàn)區(qū)排水系統(tǒng)中排水量伴隨著農(nóng)田排水的產(chǎn)生而產(chǎn)生，同時(shí)支溝較深和較寬，在斗溝匯集到支溝的過(guò)程中，槽蓄作用的影響較大，支溝水較深，因此排水流量也相對(duì)較小，在后續(xù)試驗(yàn)中可以將支溝的坡度適當(dāng)增大，減少支溝中積水，防止支溝中的水反滲到農(nóng)田中對(duì)農(nóng)田造成污染，起到對(duì)水質(zhì)凈化的效果。

3.2 農(nóng)田排水對(duì)環(huán)境污染的影響

農(nóng)田排水對(duì)水土環(huán)境的污染越來(lái)越受到重視，面源污染問(wèn)題尤為突出[32]，其最明顯的特征之一是污染范圍廣和空間異質(zhì)性大[33]，這也是當(dāng)前灌區(qū)環(huán)境治理的重點(diǎn)。研究表明，非點(diǎn)源污染在農(nóng)業(yè)活動(dòng)中占80%[34]，同時(shí)也是造成水質(zhì)損害的重要原因之一[35]，在各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，灌溉和降雨的動(dòng)態(tài)作用下，這種污染物通過(guò)地表徑流、農(nóng)田排水和地下滲漏進(jìn)入到土壤和地下水[36]，其中由化肥和農(nóng)藥造成的污染大多數(shù)情況下是導(dǎo)致湖泊和河流等水質(zhì)下降的主要原因[37]，污染程度與農(nóng)田在灌溉過(guò)程中灌水量和施肥量有著較大的關(guān)系[36]。因此，在研究排水過(guò)程中明確污染物的排放規(guī)律和對(duì)環(huán)境造成的污染至關(guān)重要。

3.3 農(nóng)田排水對(duì)土壤鹽分的影響

在干旱地區(qū)，利用農(nóng)田排水將鹽分淋洗出土壤，是鹽漬化土壤改良的重要技術(shù)[12]，在作物非生育期利用暗管排水技術(shù)結(jié)合對(duì)鹽分進(jìn)行淋洗，達(dá)到加速土壤脫鹽的效果[38]，并且對(duì)土壤鹽分淋洗效果較好[39]，為作物在生育期的生長(zhǎng)和發(fā)育提供有力條件，達(dá)到增產(chǎn)的目的。研究表明，暗管排水對(duì)土壤鹽分的淋洗效果與暗管埋深[40]、間距[41]、灌水量[6]、土壤初始鹽分[42]和暗管不同外包材料[43]等有著密切的聯(lián)系。本研究表明，在鹽漬化土壤中不同排水方式對(duì)土壤的脫鹽效果不同，暗管排水具有較好的脫鹽效果，可以作為土壤改良的主要技術(shù)，明溝排水脫鹽效果相對(duì)欠佳，但在防止土壤次生鹽漬化起到了重要作用。土壤中初始含鹽量不同，對(duì)土壤脫鹽率也有著重要的影響，相同灌水量條件下，暗管排水土壤脫鹽率隨著初始含鹽量的增大而增大，但當(dāng)土壤含鹽量達(dá)到一定程度時(shí)，土壤脫鹽率的增加速率變緩，從而達(dá)到極限，導(dǎo)致脫鹽效率下降，這可能與灌水量有一定關(guān)系[42]，因此后續(xù)試驗(yàn)中，可以在非生育期適當(dāng)增加灌水量來(lái)提高土壤脫鹽率，達(dá)到降低土壤鹽分的目的，同時(shí)也為后續(xù)對(duì)鹽漬化土壤改良的研究提供一定的參考依據(jù)。試驗(yàn)區(qū)由于鹽漬化程度較高，以中、重度鹽漬化土壤和鹽土為主，淋洗過(guò)程中土壤鹽分逐漸降低，在經(jīng)過(guò)2年的灌溉淋洗之后，試驗(yàn)區(qū)土壤以輕中、重度鹽漬化土壤為主，其中鹽土面積下降最多。因此，需要繼續(xù)增加淋洗周期，在作物非生育期進(jìn)行鹽分淋洗使土壤鹽漬化程度降低，同時(shí)應(yīng)結(jié)合種植牧草等耐鹽堿較強(qiáng)的植物，在生育期也要注重施肥，以期達(dá)到利用暗管技術(shù)改良鹽漬化土壤的同時(shí)利用作物根系使土壤疏松，使土壤慢慢適應(yīng)種植作物，從而達(dá)到種植經(jīng)濟(jì)作物的目的。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)連續(xù)2年試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，DRAINMOD模型可以較好地模擬不同排水方式下的排水量，暗管排水的模擬效果好于明溝排水，在降雨時(shí)期，排水量實(shí)測(cè)值與模擬值相差略大，模型對(duì)降雨比較敏感，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，DRAINMOD模型模擬值與實(shí)測(cè)值RE、R及NS均在能接受范圍之內(nèi)，表明模型在干旱、半干旱地區(qū)具有一定的適用性。

(3)經(jīng)過(guò)2年灌溉淋洗后，土壤脫鹽率在土體中自上而下降低。0～20 cm土壤脫鹽率最大，暗管排水試驗(yàn)區(qū)0～20 cm土壤脫鹽率為67.56%，較20～40 cm和40～100 cm分別高5.12、16.84個(gè)百分點(diǎn)；明溝排水試驗(yàn)區(qū)0～20 cm土壤脫鹽率為34.54%，較20～40 cm和40～100 cm分別高12.90、15.58個(gè)百分點(diǎn)。淋洗之后土壤鹽分由表聚型向均勻型變化，暗管排水和明溝排水在2020年秋澆后土壤EC分別在2.20～2.63 dS/m、0.61～0.65 dS/m之間。試驗(yàn)區(qū)中度鹽漬化土壤和鹽土類型面積均有所下降，中度鹽漬化土壤面積下降2.94個(gè)百分點(diǎn)，鹽土面積下降29.42個(gè)百分點(diǎn)，非鹽漬化土壤、輕度和中重度鹽漬化土壤分別增加2.94、8.83、20.59個(gè)百分點(diǎn)。其中鹽土對(duì)試驗(yàn)區(qū)土壤脫鹽率貢獻(xiàn)最大，為126.78%，由于灌溉后鹽分降低，輕度鹽漬化土壤和重度鹽漬化土壤面積增加，貢獻(xiàn)率分別為-1.68%和-25.95%。