局部秋澆條件下凍融期“秋澆-春灌”農(nóng)田土壤水鹽歸趨研究

范理權(quán)，史海濱，閆建文*，李仙岳，竇 旭，祁 茜，李慧祥

（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.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)水利發(fā)展中心義長分中心 沙河所渠供水所，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015100）

0 引 言1

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國典型的干旱地區(qū)，是亞洲最大的一首制平原引水灌區(qū)[1-2]。該灌區(qū)每年作物收獲后均需進行秋澆，以實現(xiàn)土壤保墑和壓鹽。隨著節(jié)水改造工程的實施，灌區(qū)年平均引水量減少20%[3]，秋澆面積大幅度縮減，春灌面積增加[4]。春灌農(nóng)田受到種植制度和農(nóng)民種植意愿的影響，表現(xiàn)為插花狀的空間分布特征，且面積差異較大。

灌區(qū)明溝排水不健全且塌坡嚴重導(dǎo)致排水和排鹽能力較差[5]。秋澆后地下水位上升顯著，秋澆與非秋澆農(nóng)田在局部秋澆后存在水位差，為水鹽遷移提供了驅(qū)動力。凍結(jié)前不進行秋澆的農(nóng)田在第二年會進行春灌，秋澆后至翌年春灌前土壤會經(jīng)歷凍融期。凍融過程中，秋澆與非秋澆農(nóng)田土壤的物理性狀和水鹽運移規(guī)律存在差異，由此引發(fā)了新的水鹽分布問題，需要進一步分析，以指導(dǎo)當(dāng)?shù)厍餄埠痛汗嗟膶嵤?/p>

【研究進展】虎膽·吐馬爾白等[6]通過凍融期覆蓋探究了土壤水鹽時空動態(tài)變化規(guī)律。李瑞平等[7]基于SHAW 模型提出不同鹽漬化土壤的秋澆節(jié)水灌溉制度。馬睿等[8]對義長灌域土壤凍結(jié)過程中的地下水向凍土層的遷移量進行了估算。毛俊等[9]探究了鹽分對季節(jié)性凍融土壤蒸發(fā)的影響規(guī)律。富廣強等[10]研究了季節(jié)性凍融期鹽荒地的水鹽運移規(guī)律。張殿發(fā)等[11]對凍融條件下土壤水鹽遷移機理進行了研究，認為凍融過程中鹽分的遷移受溫度梯度、鹽分濃度梯度及溫度影響。彭振陽等[12]針對內(nèi)蒙古河套灌區(qū)局部秋澆條件下農(nóng)田土壤水鹽運移的特殊性進行了研究。此外，以往針對土壤凍融過程的水、熱、鹽變化規(guī)律也開展了大量研究[13-14]?！厩腥朦c】在河套灌區(qū)秋澆面積減小、春灌面積增加的趨勢下，局部秋澆灌溉將直接影響秋澆農(nóng)田土壤的水鹽狀況，進而影響翌年的春灌制度?！緮M解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本研究開展局部秋澆條件下凍融期“秋澆-春灌”農(nóng)田土壤水鹽歸趨研究，明確局部秋澆條件下凍融期土壤水鹽遷移規(guī)律，為局部秋澆經(jīng)歷凍融過程后的翌年春灌農(nóng)田灌溉制度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)五原縣屈二紅圪旦（41°07′46.98″N，108°12′38.40″E，海拔1 020 m），屬義長灌域廣勝西支渠控制范圍。試驗區(qū)地處季節(jié)性凍融區(qū)，土壤于每年的11 月中下旬開始凍結(jié)，在5月中旬凍土層全部消融，凍融歷時約180 d。試驗區(qū)年平均最高氣溫為14.8 ℃，年平均最低氣溫為1.6 ℃，年平均降水量為136.3 mm，年平均蒸發(fā)量為1 937.9 mm，日照時間為266 h。風(fēng)速在2.5～3 m/s 之間變化，地下水埋深在1.6～2.1 m 之間變化。試驗區(qū)土壤為中度鹽漬化土壤，主要土質(zhì)為粉土及粉壤土。試驗區(qū)土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗區(qū)土壤理化性質(zhì)Table 1 Test area soil physical properties table

1.2 試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)采集

試驗持續(xù)時間為2021 年9 月24 日—2022 年5 月7 日。試驗區(qū)東西寬50 m，南北長40 m，總面積為0.2 hm2，秋澆和春灌農(nóng)田各占試驗區(qū)面積的50%。試驗區(qū)西側(cè)為2021 年進行秋澆灌溉的農(nóng)田（以下簡稱秋澆農(nóng)田），東側(cè)為2022 年進行春灌的農(nóng)田（以下簡稱春灌農(nóng)田）（圖1）。2021 年11 月23 日—12 月24日為凍結(jié)期Ⅰ，2021 年12 月25 日—2022 年2 月17日為凍結(jié)期Ⅱ，2022 年2 月18 日—3 月25 日為消融期Ⅰ，2022 年3 月26 日—4 月20 日為消融期Ⅱ。

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

土壤溫度采用HZR8T 四路土壤溫度記錄儀自動監(jiān)測，每隔2 h 記錄1 次。監(jiān)測深度為田面以下0、10、20、40、60、80、100 cm。在5 眼地下水觀測井中放置HOBO 水位觀測計，在秋澆和春灌農(nóng)田中心觀測井中放置HOBO 水質(zhì)觀測計，每12 h 記錄1 次地下水的水位和鹽分濃度。

采用土鉆法采集0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 土層的土樣。分別在10 月20 日進行秋澆、11 月8 日進行秋澆后、翌年5 月6 日進行春灌前取樣；此外，在凍融期每隔10～15 d 取1 次土樣，試驗期間共計取樣16 次。每次取樣后利用烘干法測定土壤質(zhì)量含水率，并將烘干土樣粉碎過篩，取5 g 干土和25 g 蒸餾水按1∶5 的土水比混合后攪拌、離心，將離心后的提取液用電導(dǎo)儀（DDS-307A型）測定土壤EC。

用梯形量水堰測定秋澆水量，并收集灌溉水，用電導(dǎo)儀測定EC。10 月30 日，研究區(qū)進行秋澆，秋澆水量約為225 mm。灌溉水平均礦化度為0.55 g/L。

1.3 研究方法

土壤電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換為土壤全鹽量的計算式為[15]：

式中：C為土壤全鹽量（g/kg）；EC1:5為土水比1∶5的土壤浸提液電導(dǎo)率（dS/m）。

地下水EC和礦化度（TDS）的轉(zhuǎn)換式為[16]：

式中：TDS為地下水礦化度（g/L）；EC為地下水電導(dǎo)率（dS/m）。

土壤積鹽率為0～100 cm土層剖面某一時期與前一時期相比土壤含鹽量的增加率，計算式為[17]：

式中：t為土壤積鹽率（%）；Wi為第i時期土壤含鹽量（kg/hm2）；Wi-1為第i-1時期土壤含鹽量（kg/hm2）。

土壤脫鹽率為0～100 cm 土層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，其計算式為[18]：

式中：ω為土壤脫鹽率（%）；St為灌溉后某一時期土壤含鹽量（kg/hm2）；S0為灌溉前土壤含鹽量（kg/hm2）。

采用式（5）計算第j次取樣時第i層土壤單位面積的儲鹽量[19]：

考慮一維條件下的各土層鹽分平衡，土層內(nèi)儲鹽量的增加量與其流入與流出量之差相等，計算式為[19]：

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2016 軟件進行數(shù)據(jù)分析，利用 Surfer 12.0 繪制土壤水分和鹽分的時空分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秋澆-非秋澆（翌年春灌）農(nóng)田土壤溫度變化特征

由圖2 可知，隨著土層深度的增加，在凍結(jié)和消融過程中土壤溫度隨時間的變化均表現(xiàn)出滯后效應(yīng)，滯后時間隨著土層深度的增大而增加。隨著土層深度的增加，凍結(jié)過程中，溫度降幅逐漸變小；消融過程中，溫度漲幅逐漸變大。

圖2 秋澆-非秋澆（翌年春灌）農(nóng)田土壤溫度變化Fig.2 Temperature changes of each layer of autumn watering - non-autumn irrigation (spring irrigation the following year)

局部秋澆后1 周，秋澆和春灌農(nóng)田各土層平均溫 度和秋澆前1 周相比均發(fā)生了不同程度的降低，秋澆農(nóng)田平均溫度降幅為0.38～1 ℃；春灌農(nóng)田平均溫度降幅為1.28～2.38 ℃。由于秋澆農(nóng)田表面存在隔水層，具有一定的保溫作用，因此秋澆農(nóng)田降幅小于春灌農(nóng)田。隨著土層深度的增加，秋澆農(nóng)田土壤溫度降幅逐漸變大，而春灌農(nóng)田降幅逐漸變小。凍融過程中，秋澆和春灌農(nóng)田僅0～60 cm 土層存在負溫。在凍結(jié)過程中，秋澆農(nóng)田0～60 cm 土層溫度降至0 ℃歷時50 d，而春灌農(nóng)田歷時82 d。在消融階段，秋澆農(nóng)田0～60 cm土層溫度升至0 ℃歷時55 d，而春灌農(nóng)田歷時41 d。其中，春灌農(nóng)田40 cm 深度處的土壤溫度降至0 ℃相比秋澆農(nóng)田遲8 d，60 cm 深度處的土壤溫度降至0 ℃相比秋澆農(nóng)田遲23 d。受到上層凍土的阻礙，春灌農(nóng)田在凍結(jié)期Ⅱ的土壤含水率增加主要是由灌溉水滲流所導(dǎo)致，所以春灌農(nóng)田隨著土層深度的增加溫度降至0 ℃的時間要遲于秋澆農(nóng)田。

2.2 秋澆-非秋澆（翌年春灌）農(nóng)田地下水埋深及礦化度變化

由圖3（a）可知，局部秋澆后，地下水位達到最高，秋澆、春灌農(nóng)田平均地下水埋分別為0.47、0.60 m。凍結(jié)期Ⅰ末，地下水位開始下降；翌年3月初，水位降至最低，此時秋澆和春灌農(nóng)田平均地下水埋深分別為2.06、2.17 m。消融期Ⅰ結(jié)束，水位再次上升，秋澆和春灌農(nóng)田平均地下水埋深分別為0.84、0.82 m。由圖3（b）可知，秋澆開始后，秋澆和春灌農(nóng)田的地下水礦化度開始提高，而后趨于下降。在局部秋澆后至凍結(jié)期Ⅰ末，秋澆和春灌農(nóng)田地下水位之間相互波動變化，凍結(jié)期Ⅰ中12月2—4日、12月15—17日和12月21—23日3個時段的春灌農(nóng)田水位高于秋澆農(nóng)田。

圖3 秋澆-非秋澆（翌年春灌）農(nóng)田地下水埋深和礦化度的動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of groundwater depth and mineralization degree of farmland under autumn watering and non-autumn

2.3 秋澆-非秋澆（翌年春灌）農(nóng)田土壤剖面含水率時空變化特征

由圖4可知，秋澆后，秋澆農(nóng)田0～20 cm土層含水率增加74.81%，為春灌農(nóng)田的2.24倍。凍結(jié)期Ⅰ，隨著土壤溫度的降低，秋澆農(nóng)田0～40 cm土層含水率相比秋澆后增加41.76%。在凍結(jié)期Ⅱ，秋澆農(nóng)田20～80 cm土層含水率增幅為7.04%～40.18%。消融期Ⅰ的秋澆農(nóng)田0～100 cm土層含水率相比凍結(jié)期Ⅱ減少10.44%。由于凍土層尚未融通，因此該時期土壤含水率沒有明顯減小。進入消融期Ⅱ，隨著凍土層逐漸融通，秋澆農(nóng)田0～80 cm土層含水率相比消融期Ⅰ減少16.35%，而80～100 cm土層含水率增加12.46%。

圖4 秋澆-非秋澆（翌年春灌）農(nóng)田土壤剖面含水率分布Fig.4 Distribution of soil moisture content in autumn watering - non-autumn irrigation (spring irrigation the following year)

由于春灌農(nóng)田沒有進行秋澆灌溉，因此主要受灌區(qū)地下水位整體上升和灌溉水側(cè)向滲流的影響。0～100 cm土層含水率相比秋澆前增加19.91%。凍結(jié)期Ⅰ，春灌農(nóng)田0～40 cm土層含水率相比秋澆后增加57.74%。凍結(jié)期Ⅰ秋澆和春灌農(nóng)田之間的水位相互波動，且地下水會補給土壤水，因此該時期春灌農(nóng)田0～40 cm土層含水率明顯增大。消融期春灌農(nóng)田含水率變化規(guī)律與秋澆農(nóng)田基本一致。

經(jīng)歷凍融過程后，翌年春灌前，土壤含水率由表層至深層呈遞增趨勢，此時秋澆農(nóng)田與年前秋澆前相比含水率增幅為春灌農(nóng)田的2.96 倍，春灌農(nóng)田0～100 cm 土層含水率平均增加8.62%，主要受到灌溉水滲流作用的影響。

2.4 秋澆-非秋澆（翌年春灌）農(nóng)田土壤剖面鹽分時空變化

由圖5 可知，秋澆后，秋澆農(nóng)田0～80 cm 土層脫鹽率為18.45%～49.74%，80～100 cm土層積鹽5.91%。秋澆農(nóng)田在凍結(jié)期Ⅰ的20～40 cm 土層積鹽4.05%，凍結(jié)期Ⅱ的40～60 cm 土層積鹽10.71%，其他土層在整個凍結(jié)期均呈脫鹽狀態(tài)。在消融期Ⅰ，秋澆農(nóng)田積鹽47.32%。由于凍土層融化，水分釋放會攜帶鹽分，并且該時期凍層尚未徹底融通，故凍層和凍層以下土層鹽分量增加。進入消融期Ⅱ，隨著凍層的融通，秋澆農(nóng)田和消融期Ⅰ相比0～80 cm 土層脫鹽52.92%，而80～100 cm 土層積鹽8.72%。

圖5 秋澆-非秋澆（翌年春灌）農(nóng)田土壤剖面鹽分分布Fig.5 Soil cross-sectional salt distribution map of autumn watering-non-autumn irrigation (spring irrigation the following year)

春灌農(nóng)田秋澆后，0～80 cm 土層脫鹽57.44%，80～100 cm 土層積鹽43.24%。由于春灌農(nóng)田沒有進行秋澆灌溉，造成其脫鹽的原因是秋澆后地下水位上升，秋澆和春灌農(nóng)田間水分存在水平側(cè)向補給，使春灌農(nóng)田土壤鹽分得到了淋洗。春灌農(nóng)田在凍結(jié)期Ⅰ積鹽42.59%，由于凍結(jié)期Ⅰ秋澆和春灌農(nóng)田之間水位相互波動，在水勢梯度的作用下，秋澆農(nóng)田水分通過側(cè)向徑流將鹽分傳輸至春灌農(nóng)田，導(dǎo)致其鹽分量增加。凍結(jié)期Ⅱ春灌農(nóng)田脫鹽19.83%，地下水位的下降是造成春灌農(nóng)田凍結(jié)期Ⅱ脫鹽的主要原因。消融階段春灌農(nóng)田變化規(guī)律和秋澆農(nóng)田基本一致。在消融期Ⅰ，春灌農(nóng)田積鹽27.12%。

經(jīng)歷凍融過程后，在翌年春灌前，春灌農(nóng)田土層含鹽量為秋澆農(nóng)田的1.60倍。此時的秋澆農(nóng)田與秋澆前相比1 m土層整體脫鹽58.35%；而春灌農(nóng)田0～60 cm土層脫鹽17.29%；60～100 cm土層積鹽41.59%。

2.5 秋澆-非秋澆（翌年春灌）農(nóng)田鹽分通量

由表2和表3可知，秋澆和春灌農(nóng)田各時期不同深度土壤鹽分運動方向存在較強的一致性，在秋澆期、凍結(jié)期Ⅰ和消融期Ⅰ鹽分整體向下運動，其他時期鹽分則整體向上運動。凍結(jié)期Ⅰ，受到秋澆灌溉的影響，秋澆農(nóng)田各土層鹽分通量為春灌農(nóng)田的1.61～2.32倍。隨著溫度的持續(xù)下降，凍土層逐漸變厚，在凍結(jié)作用影響下，凍結(jié)期Ⅱ鹽分整體向上運動。消融期Ⅰ，秋澆和春灌農(nóng)田各土層鹽分通量均隨著土層深度的增大而增大，導(dǎo)致消融階段土層積鹽，秋澆農(nóng)田各土層鹽分通量為春灌農(nóng)田3～15倍。消融期Ⅱ，隨著土層逐漸融通，蒸發(fā)作用增強，春灌農(nóng)田各層土壤養(yǎng)分整體向上運動，但60～100 cm土層鹽分通量明顯大于0～60 cm土層，導(dǎo)致深層土壤積鹽。秋澆農(nóng)田0～60 cm土層鹽分通量隨著土層深度的增加而減小，而春灌農(nóng)田逐漸增加。

表2 秋澆農(nóng)田各時期各土層鹽分通量Table 2 The salt flux of each soil layer in each period of autumn watering farmland is divided g/m2

表3 春灌農(nóng)田各時期各土層鹽分通量Table 3 The salt flux of each soil layer in each period of spring irrigation farmland g/m2

由整個試驗期鹽分凈通量可知，秋澆和春灌農(nóng)田各土層鹽分通量均為負值，但秋澆農(nóng)田隨著土層深度的增加，鹽分通量逐漸增加，這說明秋澆農(nóng)田經(jīng)歷凍融過程后，在翌年春灌前呈脫鹽狀態(tài)；春灌農(nóng)田隨著土層深度的增加先增加后減小，這也說明春灌農(nóng)田存在深層積鹽。

3 討 論

由于節(jié)水改造工程的實施，河套灌區(qū)引水量逐年減少，多年的水鹽平衡體系被打破[18]，灌區(qū)內(nèi)部鹽分普遍重新分配。隨著引水量的減少，秋澆面積減少，春灌面積相應(yīng)增加[4]。局部秋澆后，灌溉和非灌溉農(nóng)田是凍融期耕地鹽分遷移發(fā)生的主要區(qū)域。

溫度是土壤水分遷移的主要驅(qū)動力。局部秋澆后1 周與秋澆前1 周相比，秋澆農(nóng)田0～100 cm 土層溫度降幅為0.38～1.00 ℃；春灌農(nóng)田溫度降幅為1.28～2.38 ℃。秋澆農(nóng)田灌溉后形成隔水層，具有一定的保溫作用，導(dǎo)致秋澆農(nóng)田溫度降幅小于春灌農(nóng)田[20]。本研究中，局部秋澆后1 周，隨著土層深度的增加，秋澆農(nóng)田溫度降幅變大，春灌農(nóng)田溫度降幅變小。凍結(jié)過程中，秋澆農(nóng)田0～60 cm 土層溫度降至0 ℃相比春灌農(nóng)田早30 d，消融過程中，秋澆農(nóng)田0～60 cm 土層溫度升至0 ℃相比春灌農(nóng)田遲10 d。秋澆農(nóng)田各土層最低溫度均小于春灌農(nóng)田，且隨著土層深度的增加，溫差變大。由于春灌農(nóng)田沒有進行秋澆灌溉，土壤含水率低于秋澆農(nóng)田。

研究表明，水分在溫度梯度下的運動決定了鹽分的運動趨勢[11]。在凍結(jié)期Ⅰ，秋澆農(nóng)田0～40 cm 土層含水率相比秋澆后增加了41.76%；在凍結(jié)期Ⅱ，20～80 cm 土壤含水率增幅為7.04%～40.18%。凍結(jié)時，溫度降低導(dǎo)致水分在土水勢作用下向凍層遷移，非凍結(jié)層的水分向上層凍結(jié)區(qū)移動導(dǎo)致凍結(jié)層含水率增大，這與以往研究結(jié)果一致[11]。春灌農(nóng)田在凍結(jié)期Ⅰ積鹽42.59%，與以往研究結(jié)果一致[21-22]。目前，關(guān)于凍結(jié)過程中鹽分的遷移規(guī)律尚不統(tǒng)一。研究表明，水分聚集的凍結(jié)層中未發(fā)生積鹽[10]，反而呈脫鹽狀態(tài)[13,23]。本研究中，秋澆后和凍結(jié)期是秋澆農(nóng)田脫鹽的關(guān)鍵時期，并且秋澆農(nóng)田在凍結(jié)期Ⅱ的脫鹽率大于在凍結(jié)期Ⅰ的脫鹽率，而春灌農(nóng)田在凍結(jié)期Ⅱ脫鹽19.83%。本研究中，凍結(jié)期Ⅱ地下水位開始下降，因此導(dǎo)致春灌農(nóng)田在凍結(jié)期Ⅱ脫鹽。研究表明，凍結(jié)前土壤溶液當(dāng)中的鹽分濃度梯度為正時，凍結(jié)層易積鹽；當(dāng)凍結(jié)前土壤溶液鹽分濃度梯度為負時，凍結(jié)層易脫鹽[24]。

由凍融期內(nèi)各土層鹽分凈通量可知，秋澆和春灌農(nóng)田各土層鹽分凈通量均為負值，但秋澆農(nóng)田鹽分通量隨著土層深度的增加而增加，春灌農(nóng)田隨著土層深度的增加先增加后減小。土壤凍結(jié)過程中鹽分遷移受土壤類型、初始含水率、土壤溶液濃度、鹽分組成以及凍結(jié)溫度等因素共同影響[11]。春灌農(nóng)田與秋澆農(nóng)田的相鄰區(qū)域，在局部秋澆后經(jīng)歷凍融過程中，土壤水分和鹽分受到了一定程度影響，秋澆不進行灌溉的農(nóng)田第二年會進行春灌，因此，對于合理的春灌制度有待進一步研究。

4 結(jié) 論

1）局部秋澆后，在凍結(jié)過程中，秋澆農(nóng)田0～60 cm土層溫度降至0 ℃相比春灌農(nóng)田早30 d，在消融過程中，秋澆農(nóng)田0～60 cm土層溫度升至0 ℃相比春灌農(nóng)田遲10 d。

2）局部秋澆后至凍結(jié)期Ⅰ末，秋澆和春灌農(nóng)田水位之間相互波動變化，形成水頭差，成為水分遷移的主要驅(qū)動力。

3）秋澆后和凍結(jié)期是秋澆農(nóng)田脫鹽的關(guān)鍵時期，秋澆農(nóng)田從秋澆后至凍結(jié)期脫鹽47.38%；而春灌農(nóng)田在凍結(jié)、消融階段分別積鹽35.68%、16.87%。

4）在整個凍融期內(nèi)，秋澆和春灌農(nóng)田各層鹽分凈通量均為負值，但秋澆農(nóng)田鹽分通量隨著土層深度的增加而增加；而春灌農(nóng)田隨著土層深度的增加先增加后減小。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）