河套灌区不同地类盐分迁移估算及与地下水埋深的关系

王国帅 史海滨 李仙岳 郭珈玮 王维刚 吴 迪

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 呼和浩特 010018；2.高效节水技术装备与水土环境效应内蒙古自治区工程研究中心， 呼和浩特 010018)

0 引言

内蒙古河套灌区是我国3个特大型灌区之一，地处干旱半干旱区，为无灌溉则无农业的地区[1]。节水改造前，河套灌区年用水量为52亿m3。从1998年开始，国家启动了大型灌区节水改造工程，根据黄河水利委员会分配指标，用水量将减少到40亿m3，引水量减少20%以上[2]。随着节水改造工程的实施，灌区引水量大幅度降低，多年来形成的区域水盐平衡体系被打破，造成区域和垂直剖面土壤水盐的重新分布[3-6]。因此，摸清灌区内部的盐分迁移规律，对灌区水盐调控具有重要意义。

河套灌区耕地面积5.74×105hm2，盐荒地面积2.09×105hm2，水域面积为1.3×104hm2[7]。灌区存在许多小型湖泊(海子)[8-9]，耕荒地交错，且荒地分布于耕地间隙和沙丘、湖泊周围[3,10]。耕地-荒地-海子是河套灌区典型的地类，其水盐变化是目前灌区主要的水盐运移形式，但机理尚不清晰，研究耕地-荒地-海子间水盐迁移机制很有必要。在耕地-荒地-海子系统中，同时精确监测3种地类水分和盐分变化较为困难，需要在3种地类中建立水盐理论模型，其理论性较强，研究较为复杂。

围绕水盐运移国内外学者开展了大量的科学研究。WU等[11]通过研究河套灌区干排水揭示了盐分的迁移过程，发现耕地中过多的灌溉水和盐分通过地下水迁移到荒地中，干排水有助于排出耕地多余的盐分。WANG等[12]以永联灌域为研究对象，研究了干排盐的作用，发现荒地地下水对耕地地下水横向补给响应较大，水盐平衡表明，转移到荒地的水量是人工排水的4倍，转移到荒地的盐量是人工排盐的7.7倍。韦芳良等[13]通过模型分析了干排水控盐的效果，发现气候越干旱，干排水控盐效果越好；插花式的荒地布置形式有助于增强排水效果；耕荒比对控盐效果存在临界值，当耕荒比达到临界值，耕地开始脱盐。王学全等[7]通过水盐均衡计算，发现河套灌区处于积盐过程中，荒地和低洼湿地具有排水积盐作用，从而减轻了耕地盐渍化，通过蒸发可积聚进入灌区盐分的65%。REN等[14]指出，较浅的地下水位可以为河套灌区的生态系统提供较为稳定的水分来源，但在蒸发蒸腾的作用下地下水中的盐分会逐渐在土壤表层积累，进而导致土壤盐渍化的形成，地下水位越浅，地下水含盐量越高，根区土壤盐渍化越严重。曾揭峰等[15]探讨了盐荒地、沙丘和海子微地形对耕地排盐的作用机理，发现在灌溉期耕地盐分向盐荒地和沙丘运移，最终汇集到海子，耕地和盐荒地地下水在灌溉期侧向补给沙丘和海子。王国帅等[16]利用氢氧同位素二端元混合模型和土壤水动力学理论研究了耕地-荒地-海子系统不同类型水分的运移转化，发现渠系灌溉水通过地下侧向径流贡献给耕地地下水的水量基本迁移给荒地地下水，地下水迁移转化是由渠系水地下侧向径流触发的。李亮等[17]利用饱和-非饱和水平运移方程，分析了河套灌区耕地与荒地间水盐补排关系,通过Hydrus模型发现，耕地盐分被灌溉水侧向浸入荒地85.7 g/m2，5 cm土层电导率上升了66.10%，20 cm土层电导率上升了63.89%[3]。任东阳等[10]通过建立水盐平衡方程研究了盐分在灌排单元的分配比例，发现荒地滞留了总引入盐量的40%，农田滞留了总引入盐量的39%。岳卫峰等[6]通过建立非农区-农区-水域的水盐均衡模型，对水盐的迁移进行了定量分析，发现农区脱盐量的75%随地下水迁移到非农区。

综上，目前尚未见关于连续的耕地-荒地-海子系统间干排盐的研究，未能揭示土壤和地下水的盐分时空变化特征，没有定量给出不同时期土壤盐分变化，未确定地下水埋深对土层盐分的影响。对于面临指令性节水20%的河套灌区，研究水盐分布规律和制定节水控盐策略至关重要。针对以上问题，本文基于田间系统观测数据，采用地质统计学方法探讨河套灌区耕地-荒地-海子间水盐时空运移特征和地下水埋深对土壤盐分的影响，基于溶质动力学理论，构建耕地-荒地-海子间水盐理论模型，估算不同时期土壤盐分迁移量，以期为灌区水盐控制和可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古河套灌区解放闸灌域和永济灌域交界的张连生海子(40°54′36.24″N， 107°15′59.07″E，海拔1 035 m)，试验区耕地面积大约3.7 hm2，荒地面积大约4.3 hm2，海子面积51.2 hm2，耕地、荒地和海子相邻(图1)。研究区耕地最大地面高差为15 cm，耕地平均比荒地高45 cm(图1)。研究区地处温带大陆性气候，多年平均气温7.5℃，无霜期130～150 d，降雨量为90～144.2 mm，降雨集中在6—8月，占全年降雨量的70%，年均蒸发量2 237 mm。在作物生育期，研究区地下水埋深平均值为138 cm，耕地地下水电导率(EC)平均值为1.2 dS/m,荒地地下水EC平均值为2.6 dS/m，海子EC平均值为3.5 dS/m。研究区主要作物为葵花，200 cm土层土壤质地主要为沙土、沙壤土。研究区共布设17眼地下水观测井，其中重点观测井7眼，一般观测井10眼。土壤观测点共63个，取样点间距50 m，土壤重点观测点7个，布设4组负压计、4个土壤微型蒸发器和1台自动气象站(HOBO U30型，美国Onset公司)(图1)。

图1 研究区与采样点Fig.1 Study area and layout of monitoring points

1.2 试验设计

试验时间为2017—2020年，由于研究区在3年期间气象条件没有发生较大变化， 研究区每年的土壤水盐与地下水状况相类似， 故以2018年为例进行研究。在2018年4月4日—11月15日取样，选取整个研究区和A-B-C横剖面为重要研究对象(图1)，选取重点观测井A(耕地)、B(荒地)和C(海子边界)为地下水监测点，在观测井中间，选6个土壤取样点作为土壤盐分分析点(图2)。

1.3 测试指标

1.3.1地下水观测

重点观测井安装地下水水分温度盐分传感器(CTD-10型，美国Meter公司)，用EM50型采集器每1 h记录1次地下水水位和含盐量。一般观测井每隔7 d测1次地下水埋深，每隔10～15 d取水样测试地下水含盐量。在作物生育期，研究区地下水埋深变化为：耕地90～210 cm，平均值为150 cm；荒地100～190 cm，平均值为145 cm；海子边界30～145 cm, 平均值为87.5 cm；秋浇后，耕地为50 cm，荒地为60 cm，海子边界为0 cm(图3)。

图2 研究区A-B-C横剖面试验设计Fig.2 Design of A-B-C cross section experiment in study area

图3 2018年重点观测井地下水埋深变化曲线Fig.3 Dynamics of groundwater depth of key observation well in 2018

1.3.2土水势观测

在耕地和荒地分别安装2组负压计，安装深度分别为20、40、60、80、100 cm(图2)，每2 d观测1次数据。测得耕地和荒地土壤各层土水势数据，分别取平均值，作为耕地和荒地各层土水势的有效数据。

1.3.3土壤监测

采用土钻法采集土壤100 cm深土样，共5层(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm)。每隔10～15 d取土样，灌水前后加密取样。用干燥法测土壤含水率，用电导率仪(DDS-307A型，上海佑科仪器公司)测定土水比1∶5的土壤浸提液。土壤重点观测点，土壤取样深度为200 cm，每隔20 cm为1层。在重点观测点安装土壤水分温度盐分传感器(5TE型，美国Meter公司)，测土壤含水率、含盐量和温度，用EM50型采集器每1 h记录1次数据。

1.3.4灌溉水量测和水样收集

用梯形量水堰量测灌水量，收集灌溉水和每隔10～15 d取海子水样1次，每次收集3个重复，用电导率仪(DDS-307A型)测定其电导率。5月24日、6月21日和7月4日分别灌水186、104、96 mm，作物生育期总灌水量为386 mm。10月31日，研究区进行秋浇，秋浇水量约为260 mm。灌溉水矿化度平均值为0.58 g/L。

1.3.5研究区土壤物理性质

研究区重点观测点(图1)0～200 cm土层通过环刀法分别测定土壤容重和饱和导水率，并采用干法粒度仪(HELOS&RODOS型，新帕泰克公司，德国)测定各点土壤粒径级配。根据测定结果(表1)，样点A(耕地)土壤质地较为均匀，0～200 cm土层土壤质地为沙壤土；样点B(荒地)土壤质地可分为两层，0～80 cm土层土壤质地为沙壤土，80～200 cm土层土壤质地为沙土；样点C(海子边界)土壤质地可分为两层，0～20 cm土层土壤质地为沙壤土，20～200 cm土层土壤质地为沙土。采用RETC软件的VG模型确定土壤参数(表1)。

1.3.6气象数据采集

大气温度和降雨量由自动气象站观测，记录间隔为1 h/次。2018年降雨主要集中在6—9月，9月降雨量最大，为44 mm,7月上旬平均气温最高，为28℃(图4)。

表1 研究区典型样点土壤物理特性Tab.1 Soil physical characteristics of typical sample points in study area

图4 2018年试验区降雨和气温变化Fig.4 Rainfall and temperature change in 2018

1.4 研究方法

1.4.1Universal Kriging插值法

Universal Kriging插值法是以变异函数理论和结构分析为基础，在有限区域内对未知样点进行无偏、最优估计的一种方法。Universal Kriging通过设定空间分布趋势和分析残差的克里金过程来研究空间场特征，其主要考虑较强的空间趋势效应[18-20]。

1.4.2插值精度验证参数

采用均方根误差(Root mean squared error,RMSE)、平均相对误差(Mean relative error，MRE)和决定系数(Coefficient of determination，R2)验证插值精度。MRE和RMSE越接近于0，精度越高，R2接近1，说明模型可以很好地捕捉到实测值的变动趋势。一般认为MRE在±10%以内，RMSE与平均实测值的比值在20%以内，R2在0.5以上达到率定要求。

1.4.3地下水补给量计算

地下水补给是土壤水分的重要来源，本文采用定位通量法计算研究区地下水补给。定位通量法是在某一特定位置(如地下水面以上一定位置处)z1和z2安装负压计，监测土壤水势能梯度的变化，由达西定律可知该点处的通量为[21]

(1)

(2)

K(h)=amnaθs(ah)n-1[1+(ah)n]-m-1· exp(bθs[1+(ah)n])-m

(3)

式中h1、h2——断面z1和z2处负压计值，hPa

Δz——z2和z1的差值，cm

Q(z1-2)——t1～t2时段内单位面积流过的土壤水流量，mm

K(h)——非饱和导水率，cm/min

θs——土壤的饱和含水率，cm3/cm3

a——土壤进气值的倒数，cm-1

h——土壤吸力，hPa

m、b——拟合经验参数

同样可由Q(z1-2)求得任一断面流量

(4)

1.4.4地下水补给土壤盐量计算

地下水补给土壤盐量计算公式为

(5)

式中Sb——地下水补给土壤盐量,kg/hm2

Nd——计算时长，d

φ——土壤孔隙度，取0.36

地下水EC和地下水矿化度(TDS)转换公式为[22]

TDS=0.69ECw

(6)

式中TDS——地下水矿化度，g/L

ECw——地下水电导率，dS/m

1.4.5土壤含盐量计算

土壤电导率转换为土壤全盐量计算公式为[23]

C=3.765 7EC1∶5-0.240 5

(7)

式中C——土壤全盐量，g/kg

EC1∶5——土水比1∶5土壤浸提液电导率，dS/m

土壤含盐量计算公式为[24]

(8)

式中S——土壤含盐量，kg/hm2

ρs——土壤容重，g/cm3

l——土层深度，cm

1.4.6渗透盐量计算

基于盐量平衡理论，耕地水平渗透盐量计算公式为

Sl=Si-Si-1-Sib-Sis-Sd

(9)

式中Si——第i时期荒地储盐量，kg/hm2

Si-1——第i-1时期荒地储盐量，kg/hm2

Sib——第i-1～i时期内地下水补给荒地的盐量，kg/hm2

Sis——第i-1～i时期内荒地表层(0～20 cm)积累的盐量，kg/hm2

Sd——灌溉时期荒地深层积累盐量，kg/hm2

1.4.7土壤积盐率计算

土壤积盐率为0～100 cm土壤剖面某一时期与其前一时期相比土壤含盐量的增加率，其计算公式为[25]

(10)

式中t——土壤积盐率，%

Wi——第i时期土壤含盐量,kg/hm2

Wi-1——第i-1时期土壤含盐量，kg/hm2

1.4.8土壤脱盐率计算

土壤脱盐率为0～100 cm平均土壤剖面在灌溉后某一时期与灌溉前相比土壤含盐量的减少率，其计算公式为

(11)

图5 A-B-C土壤横剖面土壤EC1∶5等值线图Fig.5 Isoline maps of soil EC1∶5 in A-B-C soil cross section

式中ω——土壤脱盐率，%

St——灌溉后某一时期土壤含盐量，kg/hm2

S0——灌溉前土壤含盐量，kg/hm2

1.5 数据处理与分析

试验数据采用Microsoft Excel 2016软件处理分析，利用Surfer 12.0最优内插法绘制土壤和地下水盐分时空分布特征图，利用Surfer 12.0、Adobe Photoshop和AutoCAD 2014软件绘制研究区地形图。

2 结果与分析

2.1 耕地-荒地间典型A-B-C土壤横剖面盐分时空变化特征

研究区分别在5月24日、6月21日、7月4日和10月31日(秋浇)进行灌水，根据4个时间节点前后在研究区加密取样，利用Surfer 12.0软件地质统计学插值模块，绘制研究区不同土层深度EC1∶5时空变化特征图。由于耕地-荒地土壤盐分存在明显的逐渐增高的趋势，故采用泛克里格(Universal Kriging)进行区域估值。选取研究区典型A-B-C土壤横剖面，绘制1 m土深耕地和荒地EC1∶5等值线图(图5，图中EC1∶5单位为dS/m)，研究EC1∶5变化规律。

春播前(4月4日)，荒地土层盐分显著高于耕地，由于上年秋浇影响，耕地盐分通过地下水和水平渗漏迁移到荒地。随着温度回升(图4)，5月15日冻土层融通，土壤表层返盐，耕地0～40 cm土层返盐量较大，增加了4.61 g/kg(表2)。5月24日研究区第1次灌水后，耕地表层盐分被淋洗到深层(图5c)，大量盐分随地下水迁移到荒地，荒地深层盐分增加。6月1日耕地1 m土体中含盐量减少5.15 g/kg(表2)，荒地40～100 cm土层盐分增加2.82 g/kg(表3)。6月21日第2次灌水，灌后第9天，耕地1 m土体中含盐量减少2.81 g/kg，荒地40～100 cm土层含盐量增加0.64 g/kg。6月30日荒地60～100 cm土层含盐量为9.05 g/kg(表3)，灌溉期荒地深层土壤盐分高于表层，耕地-荒地间的盐分通过地下水迁移。7月4日第3次灌水，与第2次灌水间隔较短，7月11日荒地60～100 cm土层盐分增加不明显，但此时土壤蒸发强烈，荒地表层(0～20 cm)积盐明显，含盐量增加3.96 g/kg(表3)。荒地0～80 cm为沙壤土，毛管作用强烈，积盐速度快(表1)。9月15日耕地根系层(0～40 cm)含盐量增加3.64 g/kg(图5f、表2)，由于向日葵冠层增加了地表覆盖，减少土壤蒸发，抑制了表层土壤返盐；但向日葵腾发强烈，根系吸水量大，盐分在根层聚集。秋浇前(10月15日)，荒地含盐量为34.44 g/kg(表3)，耕地为17.17 g/kg(表2)，荒地含盐量是耕地的2倍。秋浇后(11月15日)，荒地和耕地含盐量分别降低21.3、7.6 g/kg(图5h、表2、表3)。由于表层盐分被淋洗到深层，耕地100 cm土层处盐分较高。秋浇期耕地-荒地间以土壤水平侧向渗透排盐为主，地下水补给荒地排盐为辅，使荒地表层土壤盐分也得到了淋洗。由于秋浇水量较大，造成地下水埋深变浅(图3)，易造成翌年土壤返盐(图5a、5b)，不利于作物生长。应在保证秋浇洗盐的同时，合理控制秋浇水量并及时排除地下水，控制地下水埋深。

表2 不同时期耕地各层土壤含盐量Tab.2 Changes of soil salt in different layers of cultivated land in different periods g/kg

2.2 耕地-荒地不同土层盐分时空变化及盐分表观分析

2.2.1插值精度交叉验证

根据研究区8个特征时期，利用研究区63个取

表3 不同时期荒地各层土壤含盐量Tab.3 Changes of soil salt in different layers of waste land in different periods g/kg

样点，分别对土层深度0～20 cm、20～40 cm和40～100 cm进行Universal Kriging插值，不同时期不同土层盐分时空变化如图6～8所示。Universal Kriging插值的估计方差如表4所示，插值方差分别为：土层深度0～20 cm为0.005～0.948 dS2/m2；土层深度20～40 cm为0.004～0.117 dS2/m2；土层深度40～100 cm为0.013～0.282 dS2/m2。选取4月4日和9月15日不同土层的数据来验证插值精度。验证结果如表5所示，土层深度0～20 cm、20～40 cm和 40～100 cm均方根误差的平均值分别为0.048 3、0.031 9、0.016 7 dS/m；平均相对误差的平均值分别为1.54%、-0.59%和0.36%；决定系数的平均值分别为0.978、0.955和0.982。根据不同土层和不同时期的Universal Kriging插值的估计方差和均方根误差、平均相对误差和决定系数进行相互比对验证，发现插值精度满足要求，数据准确性较高。

图6 试验区0～20 cm土层EC时空变化图Fig.6 Temporal and spatial variation maps of EC in 0～20 cm soil layer

图7 试验区20～40 cm土层EC时空变化图Fig.7 Temporal and spatial variation maps of EC in 20～40 cm soil layer

图8 试验区40～100 cm土层EC时空变化图Fig.8 Temporal and spatial variation maps of EC in 40～100 cm soil layer

2.2.2不同土层深度盐分时空变化特征

由图6～8可知，各层土壤盐分的空间分布较一致，研究区荒地盐分较高，耕地盐分较低，耕地和荒地交界处出现盐分过渡带，呈现出条带状格局。各土层盐分存在较强的空间相似性，其原因为灌溉水通过淋洗耕地盐分，使耕地盐分降低，耕地地下水盐分升高，耕地地下水盐分横向补给荒地，使荒地深层盐分增加，加之荒地地势较低，地下水埋深较浅，在长期的蒸发作用下，把深层土壤以及地下水中的盐分带到土壤表层，使地表盐分升高。

2.2.3盐分表观分析

根据式(7)、(8)、(10)、(11)，计算结果如表6所示。在1 m耕地土体中，春播期(4月4日—5月15日)土壤返盐量262 770 kg/hm2，返盐率为46%，在灌溉期(6月1日—7月11日)，耕地盐量平均值为320 160 kg/hm2，较5月15日，脱盐量250 125 kg/hm2，脱盐率为44%，灌溉期-秋浇前(7月11日—10月15日)，积盐量320 160 kg/hm2，积盐率为56%。秋浇后，脱盐量252 285 kg/hm2，脱盐率44%。

如表7所示，在1 m荒地土体中，春播期(4月4日—5月15日)土壤返盐量为43 680 kg/hm2，返盐率为9%，在灌溉期(6月1日—7月11日)，荒地盐量平均值为679 545 kg/hm2，较5月15日，积盐量为169 920 kg/hm2，积盐率为25%，灌溉期-秋浇前(7月11日—10月15日)，积盐量为329 715 kg/hm2，积盐率为29%。秋浇后，脱盐量为692 130 kg/hm2，脱盐率62%。

综上，在整个生育期，耕地1 m土体盐分通过灌溉期淋洗积盐率仍为56%，秋浇后盐分没有完全排出，脱盐率为44%，土壤深层(100 cm)有轻微积盐现象(图5h、图8h)。荒地1 m土体中，在整个生育期都处于积盐状态，积盐率为63%，秋浇后，脱盐率为62%，1 m荒地的盐分在全年基本可以保持平衡。

2.3 耕地地下水、荒地地下水和海子盐分时空变化特征

2.3.1插值精度交叉验证

利用2018年不同时期地下水和海子水实测盐分数据，基于Universal Kriging插值法，绘制地下水盐分时空变化特征图(图9)。对插值精度进行检验，计算结果如表8所示。均方根误差的变化范围为0.025 1～0.083 7 dS/m，平均相对误差为0.845 2%～3.635 1%，决定系数为0.771～0.976。不同时期地下水盐分插值结果的精度较高。

2.3.2盐分时空变化特征

如图9所示，从时间和空间变化来看，地下水和海子盐分分布特征比较一致，研究区海子电导率高，为2.6～4.8 dS/m，耕地地下水电导率低，为0.8～2 dS/m，荒地地下水介于二者之间，为2～3.3 dS/m，呈现出条带状分布，分布特征较为明显，存在较强的空间相似性。研究区耕地-荒地-海子地形逐渐降低，地下水埋深逐渐变浅，在灌溉期，地下水水力梯度较大，地下水由耕地向荒地再向海子方向运移[22]，被淋洗到地下水中的可溶性盐，随地下水被迁移到海子中，海子成为储盐区。

2.4 地下水埋深对土壤盐分的影响

河套灌区地下水埋深较浅、地下水中含有较多可溶性盐，由于包气带毛细水上升，把地下水中可溶性盐带到土壤表层，为了保证根系层不积盐，控制地下水埋深是一个重要因素。选取研究区W4、W5、W6、W7、W8、W9、W10共7个观测井地下水埋深与21个土壤根系层(0～60 cm，分3层)含盐量数据来分析二者之间的关系。在同一时期隔5d统计地下水埋深和土壤含盐量数据1次，地下水埋深取7个点的平均值，0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层含盐量分别取21个样点的平均值。采用4个时段(春播期、灌溉期、秋浇期和全生育期)地下水埋深的平均值进行相关性分析。

2.4.1不同时期平均地下水埋深与不同土层含盐量相关性分析

利用SPSS软件的Pearson系数法，分析耕地地下水埋深与土壤盐分的相关性。如表9所示，在不同时期，地下水埋深和0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层EC的Pearson相关系数分别为-0.916～-0.908、-0.970～-0.886、-0.802～-0.756，在全生育期，其Pearson相关系数分别为-0.949、-0.912、-0.824。在4个时段，Pearson相关性呈负相关，相关系数在-0.970～-0.756之间变化，相关性高。

表4 插值方差统计Tab.4 Statistics of interpolation variance dS2/m2

2.4.2地下水埋深与土壤盐分的关系

土壤盐分随浅层地下水埋深的增大而减小，二

表5 插值精度交叉验证结果Tab.5 Interpolation precision cross validation parameters

者之间满足指数关系，R2不小于0.827 1，二者的拟合程度较高(图10)。RHOADES等[26]和管孝艳等[27]研究发现，当地下水埋深大于1.5 m，EC小于0.8 dS/m时，不会影响玉米、小麦和向日葵产量。如图10所示，土壤EC为0.8 dS/m时，地下水埋

表6 不同时期耕地各层土壤盐量Tab.6 Changes of soil salt in different layers of cultivated land in different periods kg/hm2

表7 不同时期荒地各层土壤盐量Tab.7 Changes of soil salt in different layers of waste land in different periods kg/hm2

图9 研究区地下水EC时空变化图Fig.9 Spatiotemporal variations of groundwater EC in study area

表8 插值精度交叉验证参数Tab.8 Interpolation precision cross validation parameters

表9 不同时期平均地下水埋深和不同土层含盐量相关系数Tab.9 Correlation coefficient between mean groundwater depth and soil salinity in different periods

深为1.7 m，因此研究区地下水埋深大于等于1.7 m时对作物产量影响较小。目前耕地平均地下水埋深约为1.5 m(图3)，应控制地下水埋深至1.7 m，保证作物不受盐分胁迫。当地下水埋深大于等于2.3 m时，土壤电导率不变，地下水埋深影响很小。现有研究成果表明[28-29]，浅层地下水埋深为1.5～2.5 m时，有利于作物生长， 但从控制土壤盐碱化的角度看，地下水埋深宜控制在2.0 m左右，本文研究结果与之相符。研究区应控制灌水量或采用井灌把地下水埋深控制在1.7～2.3 m之间，有利于作物生长和避免发生土壤次生盐渍化。

图10 地下水埋深与土壤EC的关系Fig.10 Relationship between groundwater depth and soil EC value

2.5 荒地盐分不同来源估算

研究区灌溉时，灌溉水抬升耕地地下水水位，与邻近未灌溉的荒地和海子会产生强烈的地下水水平侧向交换。同时灌溉水会在耕地末端聚集，造成土壤水分水平渗透补给荒地。在作物生育期，荒地土壤水分补给源为荒地地下水毛细管补给和降雨。降雨矿化度可忽略不计，荒地盐分来源为耕地地下水和耕地土壤盐分水平补给，以及荒地地下水毛管补给。

荒地潜层地下水的消耗主要靠地下水的蒸散，由于研究区荒地为裸地，没有植被覆盖，所以地下水的蒸腾量为零，主要靠地下水的蒸发来消耗，而它的原动力主要依靠大气蒸发强度。由于蒸发影响，地下水通过土壤毛管作用会向上运移补给土壤水分，使地下水水位下降。

选取5月15日—9月15日为计算时段(122 d)，1 m荒地积盐总量为377 705 kg/hm2(表7)。由式(1)～(4)可得，荒地各土层地下水补给量如图11所示，20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm土层平均地下水补给量分别为0.52、0.49、0.52、0.51 mm/d。由图9和式(6)可得，荒地平均地下水矿化度为2.6 g/L。由式(5)可得，荒地地下水补给荒地20～100 cm土壤盐量为17 985 kg/hm2，占积盐量的5%；0～20 cm土壤盐量增加202 395 kg/hm2(表7)，占积盐量的54%，耕地地下水迁移给荒地深层土壤盐量为114 015 kg/hm2，占积盐量的30%，由式(9)可得，耕地水平渗透给荒地的盐量为43 305 kg/hm2，占积盐量11%。

3 讨论

近些年，河套灌区由于节水改造工程的实施引水量逐年减少，多年形成的水盐平衡体系被打破，灌区内部盐分重新分配。在河套灌区存在很多小型湖泊，耕荒地交错且荒地分布于耕地间隙湖泊周围。耕地-荒地-海子是河套灌区典型的地类，是灌区盐分重分配的主要区域。

图11 2018年荒地地下水补给量Fig.11 Groundwater recharge of wasteland in 2018

李亮等[3,17]指出，荒地受到毗邻灌溉耕地土壤水分水平渗透以及地下水的垂直补给，水分携带盐分逐渐向土壤表层运移, 水分被蒸发而盐分最终积聚在表层土壤之中。耕荒地间的盐分运移在作物生育期总体是耕地流失盐分、荒地积聚盐分的过程，与本研究结果一致。在此基础上本研究通过构建盐分模型定量估算了耕地和荒地的盐量变化，发现在灌溉期耕地脱盐率为44%，荒地积盐率为25%。曾揭峰等[15]指出，耕地灌水后，盐荒地是耕地的“盐库”，在作物生育期逐渐积盐，秋浇期盐分流失，为来年继续积盐清空“盐库”，但没有指出秋浇后荒地盐分脱盐量，本文在此基础上通过定量估算荒地秋浇前后盐量变化，发现秋浇后，荒地脱盐率为62%。王学全等[7]发现，河套灌区有较强的干排盐能力，在现状灌排工程条件下，可利用一部分弃耕荒地，用干排水措施减轻耕地盐渍化危害。本研究发现，在耕地-荒地-海子中，荒地在全年盐分基本保持平衡，为了减轻耕地盐渍化的危害，可以利用一部分荒地来干排盐。任东阳等[10]指出，在灌溉期，灌溉田块与邻近未灌溉田块间发生剧烈的地下水横向交换，灌区内农田与荒地也具有较为密切的水力联系，土壤表层盐分被淋洗到深层，随地下水迁移到荒地。岳卫峰等[6]通过建立非农区-农区-水域的水盐运移及均衡模型，发现农区脱盐量的75%随地下水迁移到了非农区。王国帅等[22]通过对耕地-荒地-海子系统分别构建水量和盐量平衡模型，发现79%耕地地下水盐分迁移到荒地中。本文发现耕地地下水盐分迁移给荒地深层土壤盐量为114 015 kg/hm2，盐分迁移量较大。管孝艳等[27]以河套灌区沙壕渠灌域为研究区，运用Kriging插值法分析了河套灌区沙壕渠灌域土壤EC的空间变异特征，本文应用Universal Kriging插值方法，研究了土壤和地下水盐分时空分布特征，并基于交叉验证参数验证了插值精度，插值精度较高，史海滨等[4]通过反距离插值方法，研究节水改造前后沈乌灌域土壤盐分时空分布规律，并通过参数验证，插值精度较高。在今后的研究中，需对比研究2种插值法的精度，使水盐空间分布更加科学。地下水埋深与土壤盐分有密切关系，如何控制地下水埋深来控制土壤盐渍化是一个难题，同时还需要考虑作物、气候、土壤质地、人文因素。因此需要及时掌握地下水埋深与土壤盐分空间变异规律，能为防止与治理土壤盐渍化提供重要的理论基础与科学依据。管孝艳等[27]以河套灌区沙壕渠灌域为研究区，研究了地下水埋深和土壤盐分的关系，研究发现地下水埋深与土壤盐分满足指数关系。窦旭等[30]以河套灌区乌拉特灌域为研究区，基于统计学方法，发现荒地地下水埋深与土壤盐分满足线性关系，耕地地下水埋深与土壤盐分满足指数关系。本文研究发现地下水埋深对0～60 cm土层盐分满足指数关系，地下水埋深控制在1.7～2.3 m之间，有利于作物生长。综上，本文运用经典统计学方法，直观地反映节水改造后耕地-荒地-海子系统土壤剖面、不同土层深度盐分和地下水盐分时空分布特征，定量估算了不同时期耕地和荒地盐量变化，分析了系统盐分的表观平衡，并指出地下水埋深的控制深度，为河套灌区耕地-荒地-海子系统水盐调控提供参考依据。

4 结论

(1)在耕地-荒地-海子系统中，春播期耕地0～40 cm土层返盐量4.61 g/kg，灌溉期耕地大量盐分随地下水迁移到荒地，荒地深层含盐量增加3.46 g/kg，生育期耕地根系层(0～40 cm)含盐量增加3.64 g/kg。秋浇前荒地含盐量是耕地的2倍，秋浇后荒地脱盐量是耕地的3倍。

(2)整个生育期耕地1 m土体盐分通过灌溉期淋洗，积盐率仍为56%，秋浇后盐分没有完全排出，脱盐率为44%，土壤深层(100 cm)有轻微积盐现象；荒地1 m土体积盐率为63%，秋浇后脱盐率为62%，荒地盐分全年基本保持平衡。

(3)在耕地-荒地-海子系统中，地下水和海子盐分空间分布特征较为一致，被淋洗到地下水中的可溶性盐随地下水迁移到海子中，海子成为系统的储盐区，盐分呈现条带状和斑块状分布，存在较强的空间相似性。

(4)地下水埋深大于等于1.7 m时对作物产量影响很小，应采取措施将研究区目前地下水埋深降低0.2 m；当地下水埋深大于等于2.3 m时，土壤盐分不受地下水的影响，应控制灌水量或采用井灌将地下水埋深控制在1.7～2.3 m之间。

(5)在生育期(5月15日—9月15日)，荒地1 m土体积盐量为377 705 kg/hm2。地下水补给荒地20～100 cm土壤盐量为17 985 kg/hm2，占积盐量的5%；0～20 cm土壤盐量增加202 395 kg/hm2，占积盐量的54%；耕地地下水迁移给荒地深层土壤盐量为114 015 kg/hm2，占积盐量的30%；耕地水平渗透给荒地的盐量为43 305 kg/hm2，占积盐量11%。