農(nóng)田荒漠過渡帶包氣帶土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律研究

崔尚進(jìn)， 劉鵬飛*， 聶振龍， 朱譜成

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所， 石家莊 050061； 2.自然資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 石家莊 050061)

由于早期農(nóng)業(yè)用水不合理等因素，造成西北一些地區(qū)出現(xiàn)淺層水咸化、土壤鹽漬化和荒漠化等問題[1-4]。尤其是石羊河流域下游民勤等地區(qū)被巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠包圍，隨時(shí)面臨被沙漠吞并的風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。因此，民勤一些地區(qū)為防止荒漠化進(jìn)一步惡化，不僅設(shè)立了許多荒漠自然保護(hù)區(qū)，而且對農(nóng)業(yè)用水實(shí)行嚴(yán)格的管理制度[7-9]。而農(nóng)田荒漠過渡帶地處農(nóng)田和沙漠之間，是防止綠洲沙漠化的一道屏障，如何實(shí)現(xiàn)農(nóng)田耕種與荒漠保護(hù)區(qū)植被協(xié)同發(fā)展是西北重點(diǎn)關(guān)注問題之一[10-13]。因此，對于農(nóng)田荒漠過渡帶包氣帶土壤水分和鹽分運(yùn)移規(guī)律的研究十分必要。

目前，對于農(nóng)田荒漠過渡帶包氣帶土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律的研究已取得一定進(jìn)展。庫軍強(qiáng)等[14]以民勤荒漠綠洲過渡帶為例，研究了不同類型沙堆土壤物理屬性對包氣帶土壤水分空間分布的影響，結(jié)果表明干旱季節(jié)固定,半固定和流動(dòng)白刺沙堆分別以50、130、110 cm土層含水量最大。張帥普等[15]對黑河中游綠洲與荒漠交錯(cuò)地帶植被生長季節(jié)包氣帶土壤水分含量進(jìn)行持續(xù)3年監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)綠洲-荒漠過渡帶包氣帶土壤水分梯度與河流和土地利用方式密切相關(guān).。閆柯等[16]對準(zhǔn)噶爾盆地南緣荒漠-綠洲過渡帶包氣帶土壤水分,鹽分和養(yǎng)分的分析測定及對比分析,得出荒漠-綠洲過渡帶植被斑塊格局土壤水鹽及養(yǎng)分分布特征。王國帥等[17]通過河套灌區(qū)兩年現(xiàn)場觀測試驗(yàn)，采用土壤水動(dòng)力學(xué)與溶質(zhì)動(dòng)力學(xué)方法，建立了耕地-荒地-海子系統(tǒng)水量和鹽量平衡模型，進(jìn)而揭示了耕地-荒地-海子系統(tǒng)間水分和鹽分運(yùn)移關(guān)系。席琳喬等[18]通過測定滴灌和漫灌兩種灌溉方式下的地下水質(zhì)和包氣帶土壤理化性質(zhì)，得出灌溉方式對荒漠綠洲過渡帶地下水和土壤的影響，結(jié)果表明：滴灌方式下土壤鹽分表聚趨勢大于漫灌方式。張克海等[19]以黑河中游荒漠綠洲過渡帶上的固沙植被泡泡刺和沙拐棗為對象，研究了不同植被根區(qū)垂直方向和水平方向上土壤含水量的分布特征及其變異性，結(jié)果表明土層越深,固沙植被根區(qū)土壤含水量越高。

通過以往研究發(fā)現(xiàn)，對于灌溉期農(nóng)田灌溉后，農(nóng)田荒漠過渡帶上農(nóng)田區(qū)和荒漠區(qū)包氣帶土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律以及兩者之間相互影響的研究較少。為此，以石羊河流域下游某一試驗(yàn)場為例，對灌溉期農(nóng)田灌溉后農(nóng)田區(qū)和荒漠區(qū)包氣帶土壤含水率和鹽分進(jìn)行監(jiān)測，旨在查明農(nóng)田區(qū)灌溉后對過渡帶荒漠區(qū)包氣帶土壤水鹽運(yùn)移的影響，為農(nóng)田區(qū)農(nóng)作物和荒漠區(qū)植被協(xié)同發(fā)展提供一定的理論支撐。

1 試驗(yàn)場概況

選定試驗(yàn)場位于石羊河流域下游農(nóng)田荒漠過渡帶，地理坐標(biāo)為38°06′2.40″N，103°20′1.00″E。試驗(yàn)場內(nèi)農(nóng)田區(qū)農(nóng)作物類型以玉米和食葵為主，荒漠區(qū)天然植被類型主要以鹽爪爪、蘆草和紅柳等荒漠化植被為主。試驗(yàn)場內(nèi)約10 m有一層較厚的黏土層，將含水層劃分為上下兩層。其中上層潛水水位埋深在約2 m，在強(qiáng)烈蒸發(fā)作用下咸化，礦化度達(dá)到6～9 g/L，下層是區(qū)內(nèi)主要淡水開采層，礦化度為0.5～2 g/L。對試驗(yàn)場地內(nèi)淺層土壤取樣，不同深度顆粒組成如表1所示。

為獲取土壤包氣帶水鹽動(dòng)態(tài)變化過程，在試驗(yàn)場農(nóng)田區(qū)和荒漠區(qū)布設(shè)包氣帶監(jiān)測剖面，監(jiān)測設(shè)備采用土壤三參數(shù)傳感器(5TE)，測量土壤中的溫度、含水率和電導(dǎo)率。由于灌溉期水位波動(dòng)較為頻繁，在農(nóng)田區(qū)和荒漠區(qū)設(shè)置水位觀測孔，孔內(nèi)安裝水位自動(dòng)記錄儀Diver，用于實(shí)時(shí)觀測剖面附近地下水位的變化情況。農(nóng)田灌溉期間荒漠區(qū)水位變化如圖1所示，可以看出，6～8月集中灌溉期間，荒漠區(qū)水位埋深從約1.9 m上升到約1.5 m，相應(yīng)的包氣帶土壤水鹽必定發(fā)生變化。因此，對灌溉前后農(nóng)田區(qū)和荒漠區(qū)包氣帶水鹽數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

圖1 灌溉期荒漠區(qū)水位變化Fig.1 Water level change in desert area during irrigation period

2 包氣帶土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律

2.1 灌溉前后包氣帶土壤含水率變化

對試驗(yàn)場地內(nèi)灌溉前后農(nóng)田區(qū)和荒漠區(qū)包氣帶土壤含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。農(nóng)田區(qū)灌溉后含水率監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。可以看出，灌溉后初期各層土壤含水率有所增加，表層增加的幅度較大。灌溉中后期，土壤含水率主要受蒸發(fā)作用影響，表層土壤含水率快速下降，深層土壤含水率較灌溉前有較小幅度的增加，這是由于灌溉后淺層水位上升，在毛細(xì)作用下對深層水補(bǔ)給量變大。

灌溉期荒漠區(qū)土壤含水率監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3所示，可以看出，農(nóng)田灌溉后荒漠區(qū)80 cm以下土壤含水率呈持續(xù)小幅度上升趨勢，40～60 cm土壤含水率變化不明顯，而20 cm以上土壤含水率整體處于下降的趨勢。分析原因，由于農(nóng)田區(qū)灌溉后也造成了荒漠區(qū)淺層水位上升，毛細(xì)水對深層土壤補(bǔ)給量變大，表層土壤由于強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，土壤含水率持續(xù)減少，而40～60 cm土壤含水率受蒸發(fā)作用和毛細(xì)作用共同影響，兩種作用下其變化不明顯。

表2 農(nóng)田區(qū)包氣帶土壤含水率變化幅度Table 2 Variation range of soil moisture content in vadose zone of farmland area

表3 荒漠區(qū)包氣帶土壤含水率變化幅度Table 3 Variation range of soil moisture content in vadose zone in desert area

2.2 灌溉前后包氣帶土壤鹽分變化

對比試驗(yàn)場地內(nèi)灌溉前后農(nóng)田區(qū)包氣帶土樣鹽分，結(jié)果如圖2所示。農(nóng)田區(qū)灌溉后，40 cm以上表層土壤鹽分明顯降低，鹽分峰值隨水分運(yùn)移下移，由20 cm處運(yùn)移至40 cm處。40～80 cm土壤鹽分較灌溉前有小幅度增長，80 cm以下深層土壤鹽分變化不明顯，說明表層鹽分主要隨灌溉水分向下運(yùn)移，小部分留在40～80 cm處的土壤，大部分進(jìn)入地下水中。

對比試驗(yàn)場地內(nèi)灌溉前后荒漠區(qū)包氣帶土樣鹽分，結(jié)果如圖3所示。農(nóng)田灌溉后，荒漠區(qū)20 cm以上土壤鹽分明顯增長，20～50 cm土壤鹽分有小幅度增長，50～110 cm土壤鹽分小幅度減少，而110 cm以下土壤鹽分又有所增加。分析其原因，農(nóng)田區(qū)灌溉后表層鹽分進(jìn)入淺層地下水中，同時(shí)水位上升與荒漠區(qū)形成水位差，農(nóng)田區(qū)地下水在水動(dòng)力作用下攜帶鹽分進(jìn)入荒漠區(qū)，部分鹽分又在毛細(xì)作用下進(jìn)入110 cm以下深部土壤中?；哪畢^(qū)水位上升后，毛細(xì)水對上層土壤補(bǔ)給量變大，攜帶更多的鹽分上移。同時(shí)在強(qiáng)蒸發(fā)作用下，土壤中的水分?jǐn)y帶鹽分停留在40 cm以上土壤中，其中大部分匯聚在20 cm以上表層土壤中。

圖2 農(nóng)田區(qū)土壤鹽分變化Fig.2 Changes of soil salinity in farmland

圖3 荒漠區(qū)土壤鹽分變化Fig.3 Changes of soil salinity in desert area

3 調(diào)控和非調(diào)控土壤水鹽運(yùn)移對比

3.1 確定適宜調(diào)控水位

通過以上灌溉前后農(nóng)田區(qū)和荒漠區(qū)包氣帶土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律可知，農(nóng)田區(qū)灌溉后會(huì)引起荒漠區(qū)包氣帶土壤鹽分升高，其中影響包氣帶水鹽運(yùn)移的主要為毛細(xì)作用和蒸發(fā)作用，而兩者均與水位有關(guān)。因此，為緩解灌溉期荒漠區(qū)包氣帶鹽分升高問題，需對農(nóng)田和荒漠區(qū)進(jìn)行水位調(diào)控。

灌溉期荒漠區(qū)淺層水埋深變化如圖1所示，可以看出，荒漠區(qū)非灌溉期淺層水埋深在約1.9 m，受灌溉影響后埋深最高上升到約1.5 cm。為確定適宜調(diào)控水位，通過Hydrus軟件模擬計(jì)算荒漠區(qū)淺層水埋深1.9～2.5 m時(shí)土壤蒸發(fā)量。計(jì)算結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯裆钚∮?.1 m時(shí)，土壤蒸發(fā)量隨埋深變大快速減少，埋深大于2.1 m時(shí)，土壤蒸發(fā)量隨埋深變大減少速率減緩。

圖4 不同水位埋深土壤蒸發(fā)量Fig.4 Soil evaporation at different water levels

對試驗(yàn)場周邊區(qū)域上不同水位埋深時(shí)土壤鹽分取樣，結(jié)果如圖5所示可以看出，埋深小于2 m時(shí)，表層土壤鹽分隨埋深變大快速減少，埋深大于2 m時(shí)，表層土壤鹽分隨埋深變大減少速率減緩。因此，結(jié)合以上土壤蒸發(fā)量和土壤表層鹽分隨埋深變化規(guī)律，確定淺層水調(diào)控埋深為2.1 m。

圖5 不同水位埋深土壤含鹽量Fig.5 Soil salt content at different water levels

3.2 調(diào)控和非調(diào)控土壤含水率對比

通過表4和表5可以看出，調(diào)控后農(nóng)田區(qū)和荒漠區(qū)土壤含水率整體變化趨勢相近。非調(diào)控時(shí)，農(nóng)田區(qū)灌溉后除表層外，土壤含水率都有小幅度升高。水位調(diào)控后，由于毛細(xì)作用對淺層土壤的補(bǔ)給量變少，在強(qiáng)蒸發(fā)作用下農(nóng)田區(qū)土壤含水率出現(xiàn)一定幅度的減少，而荒漠區(qū)淺層土壤含水率較非調(diào)控時(shí)降低幅度更大。而農(nóng)田區(qū)由于農(nóng)作物較密集，其蒸發(fā)作用弱于荒漠區(qū)，表層土壤含水率降低幅度小于荒漠區(qū)。由于調(diào)控后，農(nóng)田區(qū)對荒漠區(qū)不再有側(cè)向補(bǔ)給，荒漠區(qū)深部土壤含水率出現(xiàn)小幅度降低。

表4 農(nóng)田區(qū)調(diào)控非調(diào)控土壤含水率對比Table 4 Comparison of soil moisture content under water level regulation and non regulation in farmland area

表5 荒漠區(qū)調(diào)控非調(diào)控土壤含水率對比Table 5 Comparison of soil moisture content under water level regulation and nonregulation in desert area

3.3 調(diào)控和非調(diào)控土壤鹽分對比

從圖6可以看出，非調(diào)控灌溉后農(nóng)田區(qū)40 cm以上土壤鹽分均小于灌溉前，而調(diào)控后鹽分減少幅度明顯大于非調(diào)控時(shí)。調(diào)控前，灌溉前后鹽分峰值由20 cm處運(yùn)移至40 cm處，而調(diào)控后，灌溉前后鹽分峰值由20 cm處運(yùn)移至60 cm處，說明調(diào)控后鹽分向下運(yùn)移深度更大，灌溉對表層土壤淋濾作用更明顯。非調(diào)控灌溉后，40～80 cm處土壤鹽分均增加，而調(diào)控后增加幅度大于調(diào)控前。調(diào)控前80 cm以下土壤鹽分灌溉前后變化不明顯，而調(diào)控后90 cm以下土壤鹽分均低于灌溉前。分析原因，40～80 cm處土壤可能由于土壤性質(zhì)等原因?yàn)辂}分主要富集區(qū)，水位調(diào)控后，表層鹽分更大程度隨灌溉水下移，主要匯聚在40～80 cm處。深層土壤灌溉期也受到一定淋濾作用，灌溉后在毛細(xì)和蒸發(fā)作用下鹽分又回到土壤中，而調(diào)控后由于水位更深，毛細(xì)水對深層土壤補(bǔ)給量變少，回到深層土壤中的鹽分也相應(yīng)減少。

從圖7中可以看出，非調(diào)控時(shí)灌溉后荒漠區(qū)水位上升，土壤表層鹽分增加，而調(diào)控后雖然40 cm以上土壤鹽分有所增加，但表層鹽分增加幅度明顯減少。非調(diào)控時(shí)，灌溉前后40 cm處鹽分峰值有所增加，同時(shí)在表層土壤形成新的鹽分峰值，60～110 cm土壤鹽分降低，110 cm以下土壤鹽分升高。而調(diào)控時(shí)，灌溉前后鹽分峰值上移，由50 cm處運(yùn)移到40 cm處，但峰值變小。70～130 cm土壤鹽分升高，140 cm以下土壤鹽分有小幅度降低。分析原因，水位調(diào)控后，淺層地下咸水中進(jìn)入深部土壤中的鹽分減少，同時(shí)毛細(xì)水?dāng)y帶深部土壤鹽分向上運(yùn)移，導(dǎo)致深部土壤鹽分小幅度降低。由于毛細(xì)水上升高度有限，水位變深后毛細(xì)水?dāng)y帶淺層咸水和深部土壤中的鹽分主要滯留在80～130 cm中部土壤中。而40～80 cm淺層土壤由于毛細(xì)水補(bǔ)給量變少，由毛細(xì)作用進(jìn)入淺層土壤的鹽分減少。而且由于強(qiáng)烈蒸發(fā)作用，表層土壤含水率快速減少水勢降低，淺層土壤對表層土壤形成補(bǔ)給關(guān)系，淺層土壤自身水分也會(huì)攜帶鹽分向上運(yùn)移。因此，40～80 cm淺層土壤鹽分減少，鹽分峰值位置上移但值減小。

圖6 農(nóng)田區(qū)調(diào)控非調(diào)控土壤含鹽量對比Fig.6 Comparison of soil salinity under water level regulation and non regulation in farmland area

圖7 荒漠區(qū)調(diào)控非調(diào)控土壤含鹽量對比Fig.7 Comparison of soil salinity under water level regulation and non regulation in desert area

4 結(jié)論

(1)農(nóng)田荒漠過渡帶上，荒漠區(qū)包氣帶土壤水鹽運(yùn)移與農(nóng)田區(qū)密切相關(guān)。對土壤含水率而言，灌溉前后，農(nóng)田區(qū)和荒漠區(qū)土壤含水率變化趨勢相似，表層土壤含水率降低，深部土壤含水率小幅度升高。對土壤鹽分而言，灌溉后，農(nóng)田區(qū)部分鹽分隨水分側(cè)向流入荒漠區(qū)，引起荒漠區(qū)深部鹽分增加，同時(shí)水位上升。水位上升后毛細(xì)水對表層土壤補(bǔ)給量增加，在強(qiáng)蒸發(fā)作用下鹽分隨水分上移，表層土壤鹽分升高。

(2)水位調(diào)控后，農(nóng)田區(qū)不同深度土壤含水率均出現(xiàn)一定幅度的減少，灌溉對農(nóng)田區(qū)土壤鹽分淋濾作用更明顯。荒漠區(qū)表層土壤含水率較非調(diào)控時(shí)有更大幅度的減少，表層鹽分增加幅度減少，40～70 cm上層土壤鹽分減少。

(3)對于農(nóng)田荒漠過渡帶區(qū)域，灌溉期進(jìn)行水位調(diào)控，可以有效緩解灌溉作用引起的荒漠區(qū)表層土壤聚鹽現(xiàn)象，更利于荒漠區(qū)植被生長。