河套灌区暗管排水稻田盐分空间变异及排盐效果

赵春燕，李仙岳，史海滨，辛懋鑫

(内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

1 研究背景

内蒙古河套灌区是典型盐渍化灌区，轻度、中度和重度盐渍化耕地分别约占总面积的29.8%、17.2%和9.2%[1-2]，土壤的盐渍化严重制约了当地农业的可持续发展。尽管通过增加淋溶水能有效地将农田中的盐分淋溶到作物根系层以下，但对于以微咸水或咸水为主的浅地下水地区，次生盐渍化问题仍然十分严重[3]。而通过在作物根系层以下铺设暗管，控制地下水位，同时将土壤盐分排出农田，可有效降低区域土壤盐分，与灌溉淋洗结合后被认为目前最有效的改良盐渍化土壤的措施之一[4]。对于盐渍化较严重的区域，稻田淹灌与暗管排水相结合往往能最大程度地提升暗管排水改良土壤盐分的效果，目前在江苏沿海滩涂区域已经得到广泛推广[5-7]。

我国水稻种植面积约2.7×108hm2，有将近25%种植在低产水稻土，水稻低产主要是因为稻田排水不畅，使得田面冷浸，根系环境得不到改善[8]，国内很多学者针对水稻的低产问题，提出对稻田运用暗管排水技术，适时适度地调控地下水位，改善水稻土的“水-气”矛盾，并取得了一定成效[9-10]。谢升申等[11]对不同排水模式进行相关技术分析，提出研究区域末端实施控制排水能够将农田、下游排水沟和暗管无缝衔接；周萌[12]通过监测沿运灌区稻麦轮作区的农田排水发现稻作期间磷的流失量偏小，主要表现为氮的流失，造成下游环境的面源污染；邹家荣等[13]通过模拟稻麦轮作区黄熟期机械作业天数受暗管不同布局的影响，发现埋深越小、间距越大时，机械作业天数越少，相同目标参数下，水稻比小麦更容易受到降雨的影响，埋深在80～100 cm时，间距越小，机械作业保证率越大；王传娟等[14]通过稻田水量调控模拟，表明稻田能有效收集利用降雨量，从节水、蓄雨效果出发，浅湿调控模式最佳。暗管排水技术在滨海盐碱地应用广泛，近年来，新疆、宁夏、内蒙古等干旱半干旱地区均对传统排盐技术进行改进，尝试使用暗管排水技术[15]，用于旱作物种植结构。2017年，内蒙古河套灌区云海秋林牧场通过开展综合开发土地治理项目和优化暗管排水的技术，在取得良好的经济和社会效益的同时将二级暗管排水系统与水稻种植相结合，漫灌淋洗配套排水措施[16]，以种植水稻来排盐洗碱、改良土壤，以暗管控制性排水来满足水稻的需水要求、提高水稻的生产效率[17]，打破了西北地区只适宜种植旱作物的说法，同时监测暗管排水治理河套灌区稻田盐碱化的过程中盐分的时空变异状态，掌握其变异性和分布规律，对盐渍土进行了合理的利用与防治。

本文针对内蒙古河套灌区水文地质条件，利用地统计学及ArcGIS插值分析暗管控制排水条件下河套灌区稻田土壤盐分的空间变异和分布特征，通过对云海秋林牧场120 hm2稻田在暗管排水条件下盐分动态变化监测，为后期继续在该区域内进行盐碱地改良提供良好的基础，有助于规划、改进后期盐碱地的改良方案。

2 材料与方法

2.1 研究区简介

试验于2019年4-10月在巴彦淖尔市临河区乌兰图克镇云海秋林牧场改盐增草项目示范区(107.59°E，40.92°N)进行，试验区呈梯形分布，南高北低，南北自然坡降0.32‰，引黄自流灌溉。该区全年日照3 100～3 300 h，降雨少(年降雨量92.4 mm)，蒸发大(年蒸发量2 256.24 mm)，是典型的“无灌溉就无农业”地区。监测区域内土壤质地为粉质壤土，试验期间地下水位变化在0.83～1.17 m之间。试验区于2017年铺设暗管，占地120 hm2，暗管间距25 m，首端埋深1.2 m，末端埋深1.7 m，坡降1‰。吸水管管径80 mm，为PVC单臂波纹管，集水管管径160 mm，为PVC硬塑料管，该工程为二级排水系统，在监测区域的东北角设置太阳能光伏板供电的强排泵站，对该区域进行控制排水。试验区原为弃耕盐荒地，2017年后半年铺设暗管，2018年试种油葵，油葵能生长但是长势较普通地块差，2019年本着“以稻治碱”的目标种植水稻，改良盐碱地。试验区不同土层深度土壤的基本物理性质见表1。

表1 试验区不同土层深度土壤基本物理性质

2.2 土样采集与研究方法

2.2.1 土样采集 在避开畦埂和水沟的同时对研究区采样点进行规则布置，以便于进行空间分析。试验区分为3个小区，从南到北依次分为一、二、三区，3个小区的采样点在东西方向间隔均为190 m，一、二区南北方向间隔分别为100、130 m，三区呈梯形，南北方向间隔依次为160、120、100、70 m，共计36个采样点，采样点分布见图1。取样点的深度为100 cm，每20 cm为1个分层，土层深度分别为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，采样时间为2019年4-10月，处于水稻的整个生育期。生育期内的引水量用稻田水层厚度来计量，引入盐分量用同期引入黄河水的全盐量换算，排水量用水表实时记录，排盐量通过在强排井设置HOBO自动水质计测定。

图1 试验区土样采样点分布图

2.2.2 处理与分析 采集的土样用自封袋标记封存带回实验室制备水土比5∶1的土壤盐分浸提液，测取土壤的电导率EC值和pH值，并采用用滴定法测定8大离子含量，换算土壤全盐量[18]。对3次排水前后(4月16日和4月22日、7月16日和7月29日、9月6日和10月10日)土壤含盐量、土壤脱盐率以及排水前后不同土壤盐渍化等级面积、百分比变化等对暗管排水均质化过程及特点进行分析[19]。定义脱盐率来评价3次暗管排水下的排盐效果，脱盐率是指排水前后区域内土壤盐分的变化比率[15]，其计算公式为：

(1)

式中：N为土壤脱盐率，%；S1为初始含盐量，g/kg；S2为盐分终值，g/kg。

2.3 地统计学分析

地统计学是用以解释变量在空间上呈现不同自然现象的科学。本文运用地统计学进行空间分析分为3步进行：(1)数据的预处理，即正态分布检验和异常值剔除；(2)计算半方差函数，分析土壤盐分在空间上变异性；(3)依据Kriging插值，预测区域内土壤盐分变化的不确定性。

地统计学以半方差函数为基础分析空间变量，其函数为：

(2)

式中：r(h)为半方差函数；Z(xi)、Z(xi+h)为样点实测数据；N(h)为以h为步长的所有观测点的成对数目；h为步长。

2.4 数据处理

应用Spss 19软件进行土壤数据预处理，并用非参数检验试验数据是否符合正态分布规律，为下文的地统计学分析做准备；用GS+10.0进行半方差函数拟合，分析区域内土壤含盐量的空间分布特性[20]；利用ArcGIS 10.4进行Kriging插值，描述盐分的空间分布格局，其他绘图用Origin 2018完成。

3 结果与分析

3.1 暗管排水前后稻田盐分空间异质性特点

3.1.1 暗管排水前后盐分基本统计特征 在水稻的生育期内选取3次主要排水作为监测土壤盐分运移的标志(3次排水分别为播前排水、生育中期排水、黄熟期排水)，取样时间分别为4月16日和4月22日、7月16日和7月29日、9月6日和10月10日。对土层0～20、20～40、40～100 cm共864个土样进行正态分布处理以剔除异常值，得到土壤盐分的特征统计数据如见表2所示。变异系数CV可用来反映数据的离散程度，其定义为样本数据的标准差与其平均值之比[2]，规定CV<10%为弱变异性，10%≤CV≤100%为中等变异性，CV>100%为强变异性[2,18,21]。

由表2中变异系数来看，0～20、20～40、40～100 cm土层的土壤盐分变异性均为中等变异性，0～20 cm变异性略强于20～40和40～100 cm，土体由表层到下层的变异系数CV有逐渐减小趋势，说明土壤盐分的变异随着土层深度的增加而逐渐减弱，暗管具有降低土壤含盐量空间异质性的作用。相比于旱作物，水稻在不同生育期有不同的需水特性，且在生育期内田面至少存在10 cm的水层，盐分在淋溶作用下，有向下累积的趋势。由表2中0～20、20～40、40～100 cm土层含盐量的平均值来看，含盐量分别介于4.15～7.05、3.76～7.08、3.84～7.12 g/kg之间，根据盐渍化土壤的划分标准[22]，将土壤含盐量0～2、2～3、3～6、6～10 g/kg分别作为非盐渍土、轻度盐渍土、中度盐渍土、重度盐渍土的划分界限，试验区土壤属于中重度盐渍土，还有小范围的盐土存在，说明试验区亟待解决的首要问题是土壤重度盐渍化问题。

表2 3次排水前后试验区土壤盐分特征统计

3.1.2 暗管排水前后稻田盐分的地统计特征 以上是对土壤浅层含盐量进行的描述性特征统计分析，其结果具有一定的局限性，因此为进一步研究区域内土壤含盐量的空间变异性，利用GS+10.0地统计模块内容进行半方差函数检验分析，用不同的理论模型反复模拟比较，通过比较分析决定系数R2和分形维数D，得到的区域不同深度土壤含盐量的最优半方差函数模型及拟合参数如表3所示。块金值(Co)、空间结构比(Co/Sill)和分形维数D均为表示土壤空间异质性程度的指标，其中Co/Sill<25%，为强空间相关性；25%≤Co/Sill≤75%，为中等空间变异性；Co/Sill≥75%，为弱空间相关性[22]。

由表3可以看出，3次排水前后0～20、20～40、40～100 cm土层含盐量的块金值和基台值均大于0，说明由随机因素等引起的误差不容忽视。第1次排水(4月16日)，0～20 cm土层的结构比下降了17.5%，但其值仍大于25%，说明受到了内在和外在因素的共同作用；20～40、40～100 cm的结构比分别上升了39.5%、11.53%，数值接近于1，说明在区域内盐分变化稳定；第2次排水(7月16日)，0～20 cm土层的结构比下降了13.1%，其值仍大于25%，受内在和外在因素共同影响，20～40 cm土层的结构比上升了5.3%，40～100 cm下降了14.29%，均属于中等空间变异，说明该时期内，内在因子和外在因子同时影响着土壤盐分的变异[2]；第3次排水(9月6日)，0～20、20～40、40～100 cm土层的空间结构比分别下降了54.3%、77.7%、5.2%，受结构性因素的影响。综合3次排水，0～20 cm结构比一直处于下降水平，表明内在因子的影响程度高于外在因子，20～40和40～100 cm结构比先上升后下降，表明经过3次排水打破了恒定的弱变异性，加强了土壤盐分的空间自相关性，反映了土壤含盐量向均一化趋势演变。

分形维数D可定量描述变量间的联系[23-24]，由于篇幅有限，表3只列出了全方位的分形维数，就3次排水的分形维数D1、D2、D3而言，其大小依次为D2>D1>D3，说明第2次排水的盐分空间变量连续程度低，局部不连续程度高，第2次排水处于水稻孕穗期，需水量较大，灌溉排水制度以及气象等因素使得监测区域出现积盐状态，有小范围盐土存在，说明第2次排水的采样间距应适当小于第1、3次。由此可见，取样点的间距不应该是一成不变的，应根据不同生育期内的需水特性进行适当调整。

表3 3次排水前后试验区土壤盐分空间变异特征值

3.1.3 暗管排水前后稻田盐分的空间分布特征 为了更加直观地展现试验区各土层的土壤盐分在空间上的分布格局，利用ArcGIS 10.4软件对0～20、20～40、40～100 cm土层的土壤含盐量进行Kriging插值分析，从而避免了土壤盐分含量的突然变化[20]，3次排水前后不同土层深度土壤含盐量的空间分布见图2。

由图2可知，第1次排水前，0～100 cm土层土壤含盐量在4.21～10.1 g/kg之间，排水后，含盐量在2.19～9.19 g/kg，土壤盐渍化等级由重度向中度转移；第2次排水前，土壤含盐量在4.24～10.65 g/kg之间，且区域出现积盐，积盐趋势向西北方向蔓延，排水后土壤含盐量在2.07～8.89 g/kg之间，土壤盐渍化等级由中重度向轻中度转移；第3次排水前，土壤含盐量在2.16～8.74 g/kg之间，排水后在1.16～7.04 g/kg之间，轻度、中度盐渍土面积较排水前有上升趋势。区域内3次排水前后各等级盐渍化土壤在不同土层的分布方位基本一致，仅是面积大小有所不同，均表现为东北方向土壤含盐量高于西南方向，呈现此分布特征的原因可能是暗管由南向北布置，“盐随水走”至东北方向，而强排泵站设置于此，强排泵站的集水导致积盐。另外，灌溉排水制度也可能形成此类盐渍化分布格局，还可能与区域的土质类型(粉质壤土)有关。

图2 3次排水前后不同土层深度土壤含盐量的空间分布

3.2 暗管排水稻田土壤脱盐特征

对3次暗管排水前后土壤含盐量数据的统计分析结果表明，暗管排水对土壤盐分有均质化作用。3次排水前后土壤含盐量表现为显著相关，其相关关系曲线见图3。图3表明，相关性函数方程为一元二次方程，决定系数分别为0.752、0.678、0.779；3次排水前土壤含盐量分别小于7.8、8.0、6.2 g/kg的土壤，在排水后分别降至2.0～6.0、2.1～6.4、1.1～4.8 g/kg之间，成为轻度、中度盐渍化土壤；落在虚线框内的样点数量分别占总样点个数的80.25%、77.78%、87.65%，说明经过暗管排水，区域内的绝大部分土样盐分异质性朝着均一化方向发展，但是仍有达到重度盐渍土的样点存在，说明在部分地区仍存在严重的土壤盐渍化现象，这种现象是否会随着排水进行均一化演变有待进一步的研究。

图3 排水前后土壤含盐量相关关系曲线

3次排水后土壤的脱盐率与初始含盐量的相关关系曲线如图4所示。由图4可知，受灌溉排水制度的影响，脱盐率与初始含盐量并非呈线性关系；第1次排水脱盐率与初始含盐量关系曲线呈中间高于两端的分布形式，暗管排水作用下，脱盐率先随着初始含盐量的增加而增加，在含盐量达到9 g/kg时，脱盐率开始出现小幅度减小；第2次排水与第3次排水脱盐率均随着初始含盐量的增加而增加，第2次排水增加趋势较第3次排水更明显，3次排水单位时间内的排水量关系是q2>q3>q1，因此推断：提高排水强度可能会增大脱盐率，这一推断有待进一步探讨。

图4 脱盐率与初始含盐量的相关关系曲线

将3次排水前后按土壤含盐量划分盐渍化土壤等级(划分标准见本文3.1.1节)，各等级盐渍化土壤分布如表4所示。由表4可看出，第1次排水前重度盐渍土占主导地位(71.6%)，排水后，土壤类型降为中度盐渍土占主导地位(80.25%)；第2次排水前，由于生育期的需水特性导致土壤出现积盐，重度、中度盐渍土分别占74.07%、24.69%，还有少量盐土存在(1.24%)，排水后，区域内盐分进行重分布，轻度、中度、重度盐渍土分别占总面积的6.2%、48.15%、45.68%；第3次排水后，区域内轻度盐渍土面积含量增加了20.99%，重度盐渍化土壤面积减少了18.52%，达到排盐效果。

表4 3次排水前后试验区各等级盐渍化土壤分布

不同土壤盐渍化等级的分析结果将暗管排水后土壤含盐量由“高盐异质性”转化为“低盐均质性”定量化，可以更精确地掌握暗管排水条件下稻田盐分变化。

3.3 暗管排水稻田的排水(盐)特征

2019年4月17日-4月22日开启强排泵站排出集水井内余水(冰雪消融)，排水量为4 000 m3，排盐量约12.8 t；在4月28日-5月3日进行大水泡田(引黄灌溉)，引入区域60 cm水层，历时132 h，黄河水的全盐量为0.346 g/L，计算得引入盐分约138 t；5月10日，人工撒播种，5月22日出苗，为防止水层过厚，影响幼苗成活，5月28日-6月4日进行排水，排水量为92 842.4 m3，排盐量约156.9 t；在分蘖初期和末期，分别灌溉10 cm和30 cm，引入盐分总计92 t；抽穗初期(7月22日-7月26日)排水量为14 280 m3，排盐量约31.56 t；分蘖后期水稻逐渐进入黄熟期，此阶段水稻需水量较大，引黄灌溉20 cm，引入盐分约46 t；9月8日，水稻进入黄熟期，试验区强排泵站开启进行排水运行，直至水稻收割，总计排水量为148 974.6 m3，计算排盐量约387 t。2019年4-9月试验区水稻生育期引排水(盐)量见图5。

图5 2019年4-9月试验区水稻生育期引排水(盐)量

综上所述，全生育期内，引入水层厚为110 cm,(每次引水均是在田面有10 cm水层的基础上增加)，引入盐分为276 t，排水量为260 097 m3，排盐量为588.26 t。

4 讨 论

(1)在本文的研究中已得出部分具有指导性意义的结论，但仍有一部分问题需要进一步考虑：本文的研究作物是水稻，与玉米、小麦等的灌溉排水制度、耐盐程度不同，同时在探究暗管排水条件下稻田盐分年度变化时，因为水稻较其他作物特殊的需水特性，在研究暗管排水条件下稻田的盐分年度变化时，忽略了降雨蒸发等气候因素的影响，因此在北方推广暗管排水工程时，应根据当地的种植作物及灌溉排水制度来确定改良目标才更具有针对性，并结合更多的气象资料，进行深入的分析，做长远的预测，从而得出更实用的评价结果。

(2)围绕3次排水来分析土壤盐分的空间变化情况，将排水作为主要影响因素来研究，与其他可影响盐分变化的因素(地下水位埋深、降雨、蒸发、作物覆盖度等)之间还欠缺相关性分析，需要在该区域进行稻田暗管排水条件下盐分运移影响的多重因素主成分分析的基础上进行更深入的研究。

(3)图3和4表明，3次暗管排水对土壤盐分的空间异质性的作用均存在临界点，分别为7.8、8.0、6.2 g/kg，3次排水后，土壤盐分小于7.8、8.0、6.2 g/kg的土壤均有明显的均质化作用，大于7.8、8.0、6.2 g/kg的土壤具有均质化的趋势，可推断出，高强度的暗管排水条件对土壤盐分空间异质性的均质化作用会加强，因为本次试验周期较短(仅为1个生育期)，暗管排盐的强化作用还有待进一步的试验验证。

5 结 论

本文应用小区域土壤信息采集，结合地统计学和ArcGIS空间分析方法，研究获取了河套灌区云海秋林牧场暗管排水试验区域土壤盐分的空间特征，得到以下主要结论：

(1)经过3次暗管排水后，试验区域内0～20、20～40、40～100 cm土层土壤盐分的变异性随着深度的增加而逐渐减弱，变异系数在29.43%～35.66%之间，属于中等变异，空间结构比分别下降54.3%，77.7%，5.2%，内在因子的影响作用使得空间自相关性加强；由3次排水的分形维数大小关系(D2>D1>D3)可以看出，区域监测点的取样距离应根据不同的生育期需水特性适当调整。

(2)3次排水前后的土壤含盐量呈显著相关，相关系数分别为0.735、0.727、0.774，3次排水前含盐量分别小于7.8、8.0、6.2 g/kg的土壤，在排水后可分别降至2.0～6.0、2.1～6.4、1.1～4.8 g/kg，3次排水有效弱化了土壤盐分的空间异质性，使盐分向均质化转变；3次排水的脱盐率与初始含盐量的非线性关系表明，单位时间内排水强度越大，土壤脱盐效果越显著。

(3)土壤含盐量从高盐到低盐转化的定量分析结果显示，经过暗管排水排盐，试验区域内土壤盐渍化类型由重中度向轻中度转移，其中，试验区域内重度盐渍化土面积降低了69.12%，对脱盐率的贡献最大，轻、中度盐渍土面积分别上升了20.99%、51.15%，且不同盐渍化等级的土壤在不同深度的分布情况趋于一致。试验区土壤含盐量在平面上总体呈现东北高西南低的趋势，离强排泵站越近，土壤的含盐量越高。