灌溉與凍結(jié)交互作用對不同類型土地鹽分遷移分配影響

岳衛(wèi)峰，吳禮軍，郭夢申，劉 宇，楊麗清，徐 洋，劉曉麗

（1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875；2.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)水利發(fā)展中心義長分中心試驗(yàn)站，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015100）

0 引言

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是全國較大的鹽堿化灌區(qū)，土壤剖面鹽分在年內(nèi)呈“春返、夏脫、秋積、冬儲”的運(yùn)動特征，年際間具有相似的周期性變化規(guī)律[1]。秋澆是河套灌區(qū)在其特定的自然氣候條件下，每年10-11月份進(jìn)行的一次大規(guī)模灌溉過程，既提供給植物生長必需的水分[2]，亦起到淋洗耕層土壤鹽分、改良土壤的作用。然而由于灌溉范圍大、灌溉時(shí)間集中，使得灌溉后農(nóng)田中的地下水位長時(shí)間保持高位，農(nóng)田中的鹽分隨地下水遷移到周邊荒地中，造成農(nóng)田局部排鹽，呈現(xiàn)荒地和耕地“插花分布”的交錯(cuò)格局[3]，加之土壤于11月中下旬開始凍結(jié)，凍結(jié)過程中在水分變化不大的情況下出現(xiàn)鹽分積聚的現(xiàn)象[4,5]，也成為引起灌區(qū)土壤次生鹽堿化的因素之一。因此，研究灌溉和凍結(jié)交替作用對灌區(qū)不同土地類型土壤鹽分運(yùn)移的影響，對于灌區(qū)土壤鹽漬化防治與水土資源可持續(xù)利用具有十分重要的意義。

目前眾多學(xué)者對干旱、半干旱地區(qū)不同土地類型土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了大量研究，并取得了豐碩成果[6-9]。李亮等[10]利用水鹽平衡原理，在野外實(shí)測資料的基礎(chǔ)上，研究了河套灌區(qū)耕地與荒地間水鹽補(bǔ)排關(guān)系，發(fā)現(xiàn)荒地和低洼濕地有排水積鹽的作用，耕地每年平均有28.1%的灌溉水浸入荒地，荒地每年積鹽268.5 g/m2，為灌溉水鹽分的38.3%。富廣強(qiáng)等[11]對新疆瑪納斯河鹽漬土水、熱、鹽的分布進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)凍融期土壤剖面含鹽量表現(xiàn)為“積鹽-脫鹽-再積鹽”的變化規(guī)律。陳乃嘉等[12]采用實(shí)地采樣與室內(nèi)模擬對比實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，開展了土壤凍融實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)影響水鹽運(yùn)移的因素主要為溫度梯度和蒸發(fā)作用。王國帥等[13]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，揭示了耕地-荒地-海子系統(tǒng)間水分和鹽分運(yùn)移關(guān)系，結(jié)果表明，在灌溉條件下耕地地下水遷移給荒地的平均鹽量為3 231.9 kg/（hm2·a）?，F(xiàn)有研究表明，不同土地類型水鹽運(yùn)移涉及農(nóng)田灌溉淋洗鹽分到地下水、地下水從農(nóng)田到非耕地水平流動過程，以及不同類型土地鹽分在灌溉、蒸發(fā)和凍融等作用下在非飽和帶遷移累積等過程[14,15]。除此之外，土壤水鹽的遷移還受灌水量、灌水時(shí)間、氣象、地下水埋深、礦化度和土壤質(zhì)地等諸多因素的影響[16,17]。

為探討灌溉與凍結(jié)交互過程中土壤鹽分的連續(xù)動態(tài)變化，明晰灌溉與凍結(jié)過程對干旱灌區(qū)土壤鹽分運(yùn)移的影響，本文以內(nèi)蒙河套灌區(qū)義長灌域一典型試驗(yàn)區(qū)內(nèi)3個(gè)不同位置試驗(yàn)點(diǎn)（代表不同土地類型）為研究對象，在田間連續(xù)監(jiān)測試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了秋澆與凍結(jié)條件下不同土地類型的鹽分運(yùn)動特性以及主要離子的變化，進(jìn)而評估了秋澆淋洗鹽分的效果，為秋澆的合理開展提供一定的依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況和研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙河套灌區(qū)義長灌域的東北部，地理位置為N41°03'34″～41°04'15″，E108°24'20″～108°25'53″，地勢平坦開闊，西北高東南低，南北坡降1/8 000～1/10 000，東西坡降1/5 000～1/7 000，地貌形態(tài)為黃河沖積、湖積平原。試驗(yàn)區(qū)引黃河水灌溉，區(qū)內(nèi)土壤肥沃，種植面積1.34 km2，分布有玉米、小麥、葵花等不同作物的耕地[17]，此外還有鹽荒地和居民用地等不同類型用地，基本反映了河套灌區(qū)的土地利用類型和水鹽交換條件，具有較好的典型性。氣候類型屬中溫帶大陸性氣候，冬季嚴(yán)寒干燥，夏季炎熱少雨，年平均氣溫6.1 ℃，年均降水量177.5 mm，四季分配不均勻，多集中在7-9月，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均蒸發(fā)量2 041.1 mm。全年盛行東北風(fēng)，年均風(fēng)速2.7 m/s，其中春季風(fēng)力最強(qiáng)，且持續(xù)時(shí)間長，風(fēng)速可達(dá)3.0 m/s。地下水以潛水為主，埋深較淺，約為2 m，地下水水平流動緩慢，以垂直運(yùn)動為主。地下水埋深及化學(xué)特征受灌溉、蒸發(fā)影響較大[18]。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布置有3個(gè)監(jiān)測井試驗(yàn)點(diǎn)（見圖1），其中1號試驗(yàn)點(diǎn)位于耕地旁邊，靠近引水渠道，2號試驗(yàn)點(diǎn)位于田間，接受灌溉補(bǔ)給，3號試驗(yàn)點(diǎn)位于荒地中，靠近排水渠道，以此代表不同類型土地，其土壤以粉粘壤土、粉壤土和粉粘土為主，為河套灌區(qū)典型性土壤。試驗(yàn)區(qū)監(jiān)測時(shí)間從2018年10月21日至2018年12月16日，灌溉時(shí)間為2018年11月6日至14日。監(jiān)測期內(nèi)對試驗(yàn)區(qū)耕地-非耕地的地下水埋深、礦化度及土壤含鹽量進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測情況如下：

圖1 典型試驗(yàn)區(qū)監(jiān)測點(diǎn)位分布圖Fig.1 Layout of monitoring sites in the typical monitoring area

（1）土壤鹽分?jǐn)?shù)據(jù)：分別于2018年10月21日、11月5、15、17、19、21、24 和29日、12月4、9 和16日，在1 號、2號和3 號各試驗(yàn)點(diǎn)附近選擇1 個(gè)典型的觀測剖面取樣共11 次，取樣深度為150 cm，分為0～10，10～30，30～70，70～100 和100～150 cm 共5 個(gè)土層，并測定各層土壤pH、電導(dǎo)率和可溶性鹽分CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Na++K+的平均含量。

（2）地下水埋深和礦化度數(shù)據(jù)：地下水埋深每5日觀測一次，地下水樣品與土壤樣品的采集時(shí)間一致，在1 號、2 號和3 號各監(jiān)測井中重復(fù)3 次進(jìn)行地下水取樣，測定每組樣品的地下水pH 和可溶性鹽分CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Na++K+的含量，取平均值。同時(shí)測量得到灌溉水礦化度為676.2 mg/L。

1.3 研究方法

依據(jù)水鹽平衡原理，計(jì)算了試驗(yàn)點(diǎn)不同深度的土壤儲鹽量及鹽分通量，考慮到研究區(qū)域土壤鹽分遷移主要以垂直運(yùn)動為主，分析鹽分垂向時(shí)空變異規(guī)律；同時(shí)應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析法和相關(guān)分析法對影響土壤儲鹽量變化的主要離子進(jìn)行了分析。

依據(jù)各土層含鹽量的測定值，采用下式計(jì)算土壤單位面積（1 m2）的儲鹽量。

式中：Si,j,k指第i種類型土地第j層土壤第k次取樣時(shí)的儲鹽量，g/m2；hi,j是第i種類型土地第j層土壤的厚度，cm；γi,j為第i種類型土地第j層土壤的干容重，取為1.49 g/cm3；Ci,j,k指第i種類型土地第j層土壤第k次取樣時(shí)所測定的含鹽量，g/kg。i=1，2，3（分別代表耕地、鹽荒地及耕地周邊其他區(qū)域）；j=1，2，…，5（分別為0～10 cm、10～30 cm、30～70 cm、70～100 cm、100～150 cm）。

那么前后2 次取樣時(shí)間段內(nèi)土壤各層和地下水中儲鹽量的變化率為：

式中：δi,j,k為第i種類型土地第j層土壤第k時(shí)段（從第k次取樣到第k+1次取樣的時(shí)間）土壤儲鹽量的變化率，%。

土壤中儲鹽量的變化量應(yīng)與其遷入遷出量之差相等，則：

式中：Qi,j,k分別為第i種類型土地第j層土壤第k時(shí)段下邊界的鹽分通量，g/m2，方向以向下為正；Qi,0,k為第i種類型土地第1層（j=1）土壤第k時(shí)段上邊界的鹽分通量，g/m2。

灰色關(guān)聯(lián)分析法是基于各因素變化曲線幾何形狀的相似相異程度來衡量其關(guān)聯(lián)度大小的量化方法，是對系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢的定量描述和比較。

原始數(shù)據(jù)變換：對原始數(shù)據(jù)消除量綱，將其轉(zhuǎn)化成可比較的數(shù)列，采用均值化變換，即用各數(shù)列數(shù)據(jù)除以各數(shù)列的平均值。

計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)：經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的參考序列記為{X0}，比較序列記為{Xi}，則在對應(yīng)時(shí)刻位置的關(guān)聯(lián)系數(shù)ki為：

式中：?min和?max分別表示所有比較序列與參考序列在所絕對差中的最小值和最大值；ρ為分辨系數(shù)，一般取值0.5；?0i表示對應(yīng)時(shí)刻位置參考序列和各比較序列的絕對差值。

計(jì)算關(guān)聯(lián)度：關(guān)聯(lián)度ri是對序列關(guān)聯(lián)性大小的量度，為各因子關(guān)聯(lián)系數(shù)的算術(shù)平均數(shù)。

式中：N為比較序列的長度。

2 結(jié)果與討論

2.1 鹽分變異特征

按照統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，利用SPSS 24.0 軟件對不同點(diǎn)位土壤的pH 值、土壤含鹽量、相關(guān)離子含量以及地下水的pH值、礦化度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。一般情況下，變異系數(shù)Cv可以反映變量的離散程度，Cv<10%屬于弱變異性，10%≤Cv≤100% 屬于中等變異，Cv>100% 屬于強(qiáng)變異性[17]。

表1 土壤及地下水鹽分特征描述性統(tǒng)計(jì)Tab.1 Descriptive statistics of soil and groundwater salt characteristics

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)，3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)土壤pH 值均在8.2 以上，呈弱堿性，pH 值的變異系數(shù)Cv<10%，屬于弱變異性。3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的平均土壤含鹽量分別為2.7 g/kg、1.1 g/kg 和3.4 g/kg，荒地土壤含鹽量最高，耕地旁次之，田間的土壤含鹽量最低，含鹽量的變異系數(shù)分別為119.4%、28.6%、115.3%，田間的2號試驗(yàn)點(diǎn)土壤含鹽量為中等變異，耕地旁的1 號試驗(yàn)點(diǎn)和荒地的3 號試驗(yàn)點(diǎn)土壤含鹽量表現(xiàn)出強(qiáng)變異性，說明非耕地的1 號和3 號試驗(yàn)點(diǎn)受灌溉和凍結(jié)影響較大，耕地中的2號試驗(yàn)點(diǎn)在灌溉和凍結(jié)作用下，鹽分呈現(xiàn)動態(tài)平衡。

將土壤分層統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，土壤的pH 值隨著土壤深度的增大而減小，1 號、2 號和3 號試驗(yàn)點(diǎn)深層土壤（100～150 cm）pH 值平均分別為8.0、8.0 和8.1，相較于表層土壤（0～10 cm）pH 值降幅分別為2.2%、4.1%和16.1%，其中位于鹽荒地中的3 號試驗(yàn)點(diǎn)表層土壤pH 值最大（平均為9.7），且在整個(gè)監(jiān)測期內(nèi)的pH 值變化幅度明顯；各層土壤pH 值的變異系數(shù)Cv<10%，均屬于弱變異性。土壤含鹽量隨著土壤深度的增加而減小，結(jié)合變異系數(shù)的波動情況（見圖2），除2號試驗(yàn)點(diǎn)最底層土壤含鹽量變異系數(shù)Cv<10%外，其他土層均屬于中等變異。各試驗(yàn)點(diǎn)表層土壤含鹽量變異系數(shù)普遍較大，這與史海濱、余根堅(jiān)等[19,20]論述的“表層土壤含鹽量變異系數(shù)普遍較大”結(jié)論相似，說明表層土壤鹽分的變化更容易受到灌溉和氣候的影響。2號試驗(yàn)點(diǎn)在100～150 cm土層中土壤含鹽量變異系數(shù)與0～100 cm 土層相比有了明顯變化，從中度變異變?yōu)槿踝儺?，說明灌溉與凍結(jié)的共同作用對于田間的淺-中層土壤鹽分均有所影響，對底層土壤鹽分影響很小?？偠灾?，灌溉和凍結(jié)對不同土地類型影響程度有所差別，非耕地土壤鹽分變異最小的土壤層為30～70 cm，而淺表層（0～30 cm）受影響最大；對于耕地其最小變異則為100～150 cm 土層，變異系數(shù)最大位于70～100 cm土層。

圖2 不同深度土壤含鹽量變異系數(shù)Fig.2 Variation coefficients of soil salinity at different depths

3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的地下水pH 均為7.8，在試驗(yàn)期內(nèi)地下水呈中性偏堿性，地下水pH 的變異系數(shù)Cv< 10%，屬于弱變異性。1號、2 號、3 號試驗(yàn)點(diǎn)平均礦化度分別為953.5 mg/L、1 355.8 mg/L和1 213.7 mg/L，相比而言，2號和3號試驗(yàn)點(diǎn)地下水礦化度高于1 號試驗(yàn)點(diǎn)，這是由于1 號試驗(yàn)點(diǎn)臨近引水渠道，受渠道側(cè)滲補(bǔ)給影響從而提升了地下水水質(zhì)，與陳愛萍[21]的研究結(jié)果一致。3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)地下水礦化度的變異系數(shù)Cv分別為16.8%、6.2%、10.3%，耕地中的2 號試驗(yàn)點(diǎn)地下水礦化度為弱變異特征，非耕地中的1 號和3 號試驗(yàn)點(diǎn)礦化度均為中等變異，且耕地旁的1 號試驗(yàn)點(diǎn)的變異系數(shù)最大，說明1 號試驗(yàn)點(diǎn)受到灌溉水的影響較為明顯。此外，從整個(gè)監(jiān)測期來看，各試驗(yàn)點(diǎn)鹽分的時(shí)間變異系數(shù)（28.6%～119.4%）大于水分的時(shí)間變異系數(shù)（6.2%～16.8%），說明鹽分的運(yùn)移機(jī)制比水分的運(yùn)移機(jī)制復(fù)雜[16]。

2.2 土壤儲鹽量變化規(guī)律

根據(jù)土壤含鹽量分析結(jié)果，采用式（1）得到各時(shí)段不同深度土層儲鹽量，經(jīng)過Origin 插值，繪制3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)土壤儲鹽量隨時(shí)間變化如圖3所示。同時(shí)，圖3 的柱狀圖表示3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)地下水礦化度在整個(gè)監(jiān)測期內(nèi)的變化情況，折線圖表示3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)地下水埋深在整個(gè)監(jiān)測期內(nèi)的變化情況。

圖3 秋澆前后土壤儲鹽量變化Fig.3 Variation of soil salt storage before and after autumn irrigation

可以看出3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)地下水礦化度隨時(shí)間波動不大，波動范圍為772.3～1 442.5 mg/L，由于臨近引水渠道，秋澆開始后1號試驗(yàn)點(diǎn)地下水礦化度逐漸變小，秋澆后第15 d 之后礦化度有所提升；2 號試驗(yàn)點(diǎn)地下水礦化度先增大，隨后又逐漸減小，這是因?yàn)榍餄苍诟刂羞M(jìn)行，表層土壤中大量的鹽淋濾到地下水中，隨后耕地中的鹽分隨水分不斷側(cè)向運(yùn)移，但是整體來看，2 號試驗(yàn)點(diǎn)的礦化度無顯著變化；3 號試驗(yàn)點(diǎn)在水平側(cè)滲和蒸發(fā)的共同作用下，地下水礦化度總體呈增大的趨勢。

地下水埋深是區(qū)域鹽堿化的重要控制因素，土壤鹽分與地下水埋深有著緊密聯(lián)系。整個(gè)監(jiān)測期內(nèi)，1號、2號、3號試驗(yàn)點(diǎn)平均地下水埋深分別為69.6 cm、136.0 cm 和126.8 cm，1號試驗(yàn)點(diǎn)地下水埋深較淺，并且由于靠近引水渠道，灌溉后其地下水埋深不超過60 cm。3 個(gè)不同位置試驗(yàn)點(diǎn)地下水埋深表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律：在灌溉結(jié)束后一段時(shí)間埋深變淺，隨后埋深又逐漸增大，灌溉后整體地下水埋深相較于灌溉前地下水埋深較淺。但不同試驗(yàn)點(diǎn)變化并不同步，1號試驗(yàn)點(diǎn)在灌溉期地下水埋深迅速變小，之后長時(shí)間維持在接近地表位置；而2 號和3 號試驗(yàn)點(diǎn)在灌溉結(jié)束3 d 內(nèi)地下水埋深逐漸變小，之后在排水作用下緩緩增大。

土壤儲鹽量隨土層深度變化規(guī)律：1 號和3 號試驗(yàn)點(diǎn)100 cm 以上土層儲鹽量隨土層深度的增加而逐漸減小，但深層100～150 cm 土層的儲鹽量兩處試驗(yàn)點(diǎn)隨時(shí)間變化并不一致。經(jīng)計(jì)算，1 號試驗(yàn)點(diǎn)表層（0～10 cm）土壤儲鹽量平均為856.2 g/m2，0～150 cm 土層平均土壤儲鹽量為802.5 g/m2；3號試驗(yàn)點(diǎn)表層（0～10 cm）土壤儲鹽量平均為1576.9 g/m2，0～150 cm 土層平均土壤儲鹽量為894.2 g/m2，表層土壤儲鹽量遠(yuǎn)大于平均土壤儲鹽量，說明研究區(qū)干排鹽效果十分明顯。而2號試驗(yàn)點(diǎn)土壤儲鹽量隨土層深度的增加而逐漸增大，其表層（0～10 cm）土壤儲鹽量平均為194.7 g/m2，0～150 cm 土層平均土壤儲鹽量為420.1 g/m2。3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)0～150 cm 土層平均土壤儲鹽量對比看出，位于荒地中的3號試驗(yàn)點(diǎn)儲鹽量最大，位于耕地旁的1 號試驗(yàn)點(diǎn)次之，位于田間的2 號試驗(yàn)點(diǎn)最小?，F(xiàn)有研究表明[10,13]，大部分耕地土壤鹽分經(jīng)灌溉淋洗進(jìn)入地下水中，并在水力梯度作用下遷移到臨近低洼地區(qū)，同時(shí)部分鹽分會隨著土壤水的側(cè)向運(yùn)動向耕地旁、荒地滲透。因此，非耕地的1號和3 號試驗(yàn)點(diǎn)土壤儲鹽量相較耕地的2 號試驗(yàn)點(diǎn)土壤儲鹽量大，特別是在凍結(jié)作用下，鹽分表聚現(xiàn)象明顯。

各土層土壤儲鹽量隨時(shí)間變化規(guī)律：經(jīng)計(jì)算，秋澆期間灌水深度累計(jì)達(dá)到了260.5 mm，隨灌溉水而進(jìn)入耕地的鹽分則達(dá)到176.2 g/m2。隨著11月中旬秋澆的進(jìn)行，耕地嚴(yán)重積水，導(dǎo)致2號試驗(yàn)點(diǎn)在秋澆期間無法進(jìn)行取樣，但經(jīng)過插值分析，田間2 號試驗(yàn)點(diǎn)的儲鹽量相較于非耕地1 號和3 號試驗(yàn)點(diǎn)的儲鹽量要少。秋澆后10～20 d 內(nèi)，1 號試驗(yàn)點(diǎn)土壤儲鹽量增加，秋澆后20 d 后表層（0～10 cm）儲鹽量達(dá)2400 g/m2左右；2 號試驗(yàn)點(diǎn)在灌溉后10～20 d 內(nèi)，中層（0～100 cm）儲鹽量有所增加，在灌溉后25 d 后，30～70 cm、100～150 cm 土壤鹽分增加較為明顯；3號試驗(yàn)點(diǎn)在灌溉后整體鹽分增加，尤其是第15 d后表層土壤儲鹽量達(dá)2 000 g/m2，但是由于臨近排水渠道，底層土壤鹽分隨水分排走，在灌溉后15 d 后中底層70～100 cm土壤儲鹽量下降較為明顯。

可以看出，秋澆期間連續(xù)大水量的灌溉使得耕地土壤發(fā)生脫鹽，鹽分隨地下水及土壤側(cè)滲遷移至耕地旁邊甚至荒地或通過排水溝排出灌區(qū)，起到了淋洗耕地土壤鹽分的作用，但是灌區(qū)鹽分并沒有被完全排出，部分鹽分遷移至非耕地土壤中，由于蒸發(fā)和凍結(jié)作用的存在，鹽分會重新積聚在表層或者中層，因此可以通過適當(dāng)減少秋澆灌水量或進(jìn)行間歇性灌溉[22]，從而減少返鹽量。

2.3 儲鹽量變化率及鹽分通量

結(jié)合試驗(yàn)區(qū)秋澆時(shí)間和當(dāng)?shù)貧鉁貤l件的影響，將試驗(yàn)期分為秋澆前（2018年10月21日至2018年11月5日）、秋澆期（2018年11月5日至2018年12月9日）和凍結(jié)期（2018年12月9日至2018年12月16日）共3 個(gè)時(shí)段。為了定量表征不同時(shí)期不同試驗(yàn)點(diǎn)土壤鹽分的變化以及垂向上的運(yùn)動趨勢，采用式（2）和式（3）計(jì)算得到儲鹽量的變化率以及通量，如表2所示。

表2 各時(shí)段不同深度土壤儲鹽量變化率 %Tab.2 Change rate of soil salt storage at different depths during the different periods

從整個(gè)試驗(yàn)期看，3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)整體0～150 cm土壤儲鹽量相較初始時(shí)均有不同程度的增加，1 號試驗(yàn)點(diǎn)增幅59.8%，2 號試驗(yàn)點(diǎn)增幅13.8%，3 號試驗(yàn)點(diǎn)增幅20.1%。非耕地的1 號和3號試驗(yàn)點(diǎn)在淺中層（0～70 cm）土壤儲鹽量變化率均為正，在深層（70～150 cm）土壤儲鹽量變化率為負(fù)，表層土壤鹽分不斷積聚，深層土壤鹽分有所減少；耕地中的2號試驗(yàn)點(diǎn)僅在表層（0～10 cm）土壤儲鹽量變化率為負(fù)，其他各層儲鹽量變化率均為正，表層土壤鹽分不斷減少，中深層土壤鹽分則有所增加。

在秋澆期，田間的2號試驗(yàn)點(diǎn)在各層土壤儲鹽量變化率均為負(fù)，各層土壤鹽分均減少，整體0～150 cm 土壤儲鹽量降幅達(dá)10.7%，可見秋澆基本達(dá)到了減少耕地土壤鹽分和將鹽分淋洗至根系層以下的目的；非耕地的1 號和3 號試驗(yàn)點(diǎn)在0～70 cm 土壤儲鹽量變化率為正，在70～150 cm 土壤儲鹽量變化率為負(fù)，在水平側(cè)滲和所處位置地下水埋深較淺的影響下，土壤中的鹽分隨水分不斷向土表運(yùn)移，“水去鹽留”導(dǎo)致表層土壤鹽分積聚，深層土壤鹽分減少，但整體0～150 cm 土壤儲鹽量增幅達(dá)48.6%和11.5%，由此可見，灌區(qū)鹽分并沒有被完全排出，并且由于秋澆水中含有一定量的鹽分，且排水排鹽量有限，導(dǎo)致灌水后整體的土壤儲鹽量有所增加，為了更有益于排鹽，需加強(qiáng)灌期土壤和地下水的排泄工作。

在凍結(jié)期，1 號和2 號試驗(yàn)點(diǎn)各層儲鹽量變化率幾乎均為正，絕大部分土壤層的鹽分均在增加，整體0～150 cm 土壤儲鹽量增幅達(dá)25.1%和24.4%，其中，1 號試驗(yàn)點(diǎn)底層儲鹽量變化率最大達(dá)70.1%，2 號試驗(yàn)點(diǎn)10～30 cm 儲鹽量變化率最大達(dá)43.9%。3 號試驗(yàn)點(diǎn)由于靠近排水渠道，在凍結(jié)和排水的共同作用下，各深度土壤儲鹽量有增有減，主要表現(xiàn)為中層30～100 cm 儲鹽量增加，底層和淺表層儲鹽量減少，但整體0～150 cm土壤儲鹽量降幅達(dá)8.5%。

計(jì)算各土層土壤鹽分通量如表3所示，其中上邊界通量Q0即為灌溉水入滲所帶入的鹽分，在已知Q0的條件下，從第1層往下可以推求每一層上下邊界的鹽分通量，以向下為正。

表3 各時(shí)段不同深度界面鹽分通量Tab.3 Salt flux at different depths during the different periods

從表3 可以看出，在整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)，非耕地的1 號和3 號試驗(yàn)點(diǎn)各界面通量均為負(fù)，說明灌溉、蒸發(fā)和凍結(jié)的共同作用使得非耕地的土壤鹽分垂直向上遷移，從而造成表層土壤鹽分不斷積聚，深層土壤鹽分不斷減少。耕地中的2號試驗(yàn)點(diǎn)在0、10、30、70、100 cm 土壤界面通量為正，150 cm 土壤界面通量為負(fù)，鹽分以向下遷移為主，表層土壤鹽分不斷減少，使耕作層土壤含鹽量保持在適宜水平。秋澆期，非耕地的1號和3 號試驗(yàn)點(diǎn)各土壤層鹽分遷移方向與整個(gè)試驗(yàn)期保持一致，鹽分呈現(xiàn)表聚現(xiàn)象。而耕地的2號試驗(yàn)點(diǎn)各土壤層下界面通量均為正，土壤鹽分向下遷移，說明秋澆起到了積極的壓鹽作用。同時(shí)這個(gè)時(shí)期3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的鹽分通量相比其他時(shí)期較大，平均分別占整個(gè)試驗(yàn)期通量的64.1%、52.8%和60.3%，由此可見，灌區(qū)內(nèi)不同土地類型的鹽分垂向遷移在這個(gè)時(shí)期的運(yùn)動最為活躍。

在凍結(jié)期，由于毛細(xì)和凍結(jié)作用的存在，1 號和2 號試驗(yàn)點(diǎn)各土壤層下界面通量均為負(fù)，土壤鹽分向上遷移，開始出現(xiàn)返鹽現(xiàn)象，結(jié)合儲鹽量變化率可以看到1號試驗(yàn)點(diǎn)底層儲鹽量變化率最大達(dá)70.1%，底部返鹽現(xiàn)象明顯，2 號試驗(yàn)點(diǎn)10～30 cm儲鹽量變化率最大達(dá)43.9%，淺中層返鹽現(xiàn)象明顯。3號試驗(yàn)點(diǎn)各土壤層下界面通量均為正，土壤鹽分向下遷移，在溶質(zhì)梯度和排水的作用下，鹽分從淺層土壤向深層土壤運(yùn)移，盡管整體0～150 cm 土壤儲鹽量降幅達(dá)8.5%，但進(jìn)入下層土壤鹽分多于排出下層的土壤鹽分，導(dǎo)致中層30～100 cm 儲鹽量增加，底層和淺表層（0～30 cm）儲鹽量減少。

通過以上分析可以看出，秋澆淋洗鹽分是一個(gè)持續(xù)時(shí)間較長的過程，灌溉對于耕地的土壤排鹽起到了一定的積極作用，但由于受到凍結(jié)的影響，出現(xiàn)返鹽現(xiàn)象，因此秋澆后很長時(shí)間內(nèi)才是排水排鹽的關(guān)鍵時(shí)期[23]。同時(shí)，灌溉會將耕地的鹽分隨土壤和地下水側(cè)向遷移至非耕地（耕地旁邊甚至荒地），而非耕地中的鹽分受到側(cè)向運(yùn)移和凍結(jié)的影響，表層鹽分有所積聚，進(jìn)入凍結(jié)期后受到凍結(jié)和毛細(xì)作用的影響，鹽分仍然以向上運(yùn)移為主，僅會因?yàn)榭拷潘溃艿脚潘饔糜绊懖趴赡鼙憩F(xiàn)出鹽分的向下遷移現(xiàn)象。因此為提高排水排鹽的效果，建議秋澆的時(shí)間應(yīng)提前至9月末或10月初，或者至少應(yīng)在封凍前完成秋澆排水排鹽工作。

2.4 土壤鹽分主要離子變化分析

為明晰影響整個(gè)監(jiān)測期內(nèi)不同試驗(yàn)點(diǎn)土壤儲鹽量變化的主要離子，采用玫瑰圖繪制秋澆前、秋澆期和凍結(jié)期3個(gè)典型時(shí)期內(nèi)不同深度土壤中離子變化情況（見圖4）。結(jié)果顯示，影響不同試驗(yàn)點(diǎn)土壤鹽分變化的陽離子主要為Na++K+，陰離子主要為。

圖4 灌溉前后不同土層土壤離子比例變化（單位：%）Fig.4 Changes in proportion of soil salt ions in different soil layers before and after autumn irrigation

圖5 主要離子與土壤儲鹽量關(guān)系Fig.5 Relationship between main ions and soil salt storage

為進(jìn)一步定量確定上述離子對土壤儲鹽量的影響，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法將不同試驗(yàn)點(diǎn)土壤儲鹽量作為參考序列，將對應(yīng)時(shí)間深度的各離子含量作為比較序列，采用式（4）和式（5）計(jì)算得到3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)主要離子與土壤儲鹽量關(guān)聯(lián)度。與參考數(shù)列關(guān)聯(lián)度越大的比較數(shù)列，其發(fā)展方向和速率與參考數(shù)列越接近，與參考數(shù)列的關(guān)系越緊密[17]。計(jì)算得到，對1號試驗(yàn)點(diǎn)土壤儲鹽量的影響程度排序?yàn)椋簩? 號試驗(yàn)點(diǎn)土壤儲鹽量的影響程度排序?yàn)椋?0.600)，對3 號試驗(yàn)點(diǎn)土壤儲鹽量的影響程度排序?yàn)椋壕C合相關(guān)分析和灰色關(guān)聯(lián)分析法得到，對非耕地的1號和3號試驗(yàn)點(diǎn)土壤儲鹽量的影響較大，對耕地的2 號試驗(yàn)點(diǎn)土壤儲鹽量的影響較大。

由上述關(guān)聯(lián)分析結(jié)果再結(jié)合圖4 可知，進(jìn)入秋澆期，1 號試驗(yàn)點(diǎn)Cl-減少增加；凍結(jié)期Cl-和都增加，尤其是30～150 cm。2 號試驗(yàn)點(diǎn)在秋澆期和凍結(jié)期減少增加，各層基本均呈現(xiàn)出相反的變化趨勢。3 號試驗(yàn)點(diǎn)各時(shí)期以增加為主，各層Cl-和也表現(xiàn)出相反的趨勢，秋澆期在排水作用下底層排出的鹽分主要是凍結(jié)期底層排出鹽分主要是Cl-。整體來看，耕地和非耕地在秋澆期和凍結(jié)期增加，非耕地內(nèi)部的Cl-維持動態(tài)平衡，耕地內(nèi)的維持動態(tài)平衡。

3 結(jié)論

（1）整個(gè)試驗(yàn)期，3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的地下水pH 值均為7.8，平均礦化度分別為953.5 mg/L、1 355.8 mg/L 和1 213.7 mg/L。無論是pH 值還是礦化度，其變異性均不大，因此，就此次試驗(yàn)監(jiān)測而言，秋澆對地下水水質(zhì)的影響不十分明顯。不同位置試驗(yàn)點(diǎn)的地下水埋深變化表現(xiàn)較強(qiáng)的一致性，灌溉對于非耕地地下水埋深變化影響的滯后性不明顯，僅表現(xiàn)在增幅強(qiáng)度不同。對于土壤而言，3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)土壤pH 值均為8.2，屬于弱變異。平均土壤含鹽量分別為2.7 g/kg、1.1 g/kg、3.4 g/kg，非耕地土壤含鹽量表現(xiàn)出強(qiáng)變異性，隨著土層深度的增加而減小，耕地土壤含鹽量為中等變異，含鹽量隨土壤深度的增加而增大，表明灌溉和凍結(jié)對不同類型土地鹽分運(yùn)移的影響有所差別。

（2）秋澆期間，對于非耕地1 號和3 號試驗(yàn)點(diǎn)，土壤鹽分變化呈現(xiàn)較強(qiáng)的一致性，表現(xiàn)在70 cm 以上土層處于積鹽狀態(tài)，而70 cm 以下土層呈現(xiàn)脫鹽狀態(tài)，鹽分表聚現(xiàn)象尤為明顯。而對于耕地2號試驗(yàn)點(diǎn)，秋澆起到了積極的壓鹽作用，使得耕地在整個(gè)秋澆期間處于脫鹽狀態(tài)。綜合來看，干排鹽的效果之所以較為顯著，應(yīng)該同時(shí)存在著地下水和土壤水側(cè)滲排鹽，至于兩部分的排鹽貢獻(xiàn)則有待進(jìn)一步研究。

（3）秋澆和凍結(jié)影響土壤鹽分變化的陽離子主要為Na++K+，陰離子主要為。受側(cè)向運(yùn)移和凍結(jié)作用的影響，對非耕地的土壤儲鹽量的影響較大；受灌溉淋洗和凍結(jié)作用的影響，對耕地土壤儲鹽量的影響較大。整體耕地和非耕地在秋澆期和凍結(jié)期增加，非耕地內(nèi)部的Cl-維持動態(tài)平衡，耕地內(nèi)的維持動態(tài)平衡。