控制暗管排水下土壤剖面水盐分布与变化特征

迟碧璇，史海滨※，许 迪，焦平金

（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. 中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 100048）

0 引 言

土壤盐渍化和干旱缺水是制约灌区农业可持续发展的重要因素[1-3]，而不合理的灌溉与洗盐会导致地下水位升高并引发土壤积盐。暗管排水可排出田间多余土壤水分，加快土壤盐分淋洗速度，从而降低地下水位和抑制土壤返盐，促进灌区土壤有效脱盐[4-7]。然而暗管自由排水工程易造成过度排水，使田间水分损失过快，导致作物在灌水间歇期遭受干旱胁迫[8-9]。通过抬高暗管排水出口高度，控制排水可减少田间排水输出，提高水分利用效率[10]。因此，在暗管自由排水基础上进行控制排水，对防治土壤盐渍化和缓解干旱压力具有重要意义[11-13]。

为防治土壤盐渍化，控制排水下的农田水盐效应引起了国内外学者的广泛关注。罗纨等[14]在宁夏银南灌区排水沟出口设置控制堰发现，控制排水虽减少了地下水中的盐分增幅，却未造成土壤明显积盐。尽管也有研究表明控制排水可提高浅层地下水盐分浓度并影响浅层地下水盐分的空间差异性[15]，然而控制排水增加的浅层地下水盐分可通过深层排水来减轻，满足作物的水盐要求[16]。控制排水不仅减少了排水量[14,17]，还明显降低了排水中的盐分含量[18]。杨丽丽等[19]从水盐平衡的角度分析排水量和排盐量发现，银南灌区的排水盐含量低于作物耐受限度，控盐效果理想，控制排水试区满足水盐平衡要求。

综上，针对控制排水下的农田水盐方面研究主要考察了控制排水对地下水中盐分含量、排水量和排水中盐分含量的影响，罕见对土壤剖面水盐运移特征的影响。而土壤剖面水盐运移既影响暗管的排水排盐量，又制约根区盐分平衡和作物生长，且这种效应受排水出口高度和暗管间距的影响[20-21]。为此本文选取玉米生长阶段的典型灌溉周期开展研究，探讨控制排水及其间距对土壤剖面水盐分布与变化的影响规律，以期为干旱半干旱区实施控制排水提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市五原县永联村，属河套灌区义长灌域，地理坐标为107°37′19″～108°51′04″E，40°45′57″～41°17′58″N，平均海拔高程为1 029 m。试验区属温带大陆性气候，干燥多风，气温变化大，光热资源丰富，降水少，蒸发强，冻融期长。年均风速为2.7 m/s；年均气温为6.6～7.7 ℃，最高气温在7月，最低气温在1月；年均日照时数为3 200 h，太阳辐射量多达6 200 MJ/m2。试验区年均降水量为139～222 mm，集中在6—8月，占全年降雨量的70%左右；年均蒸发量为2 200～2 400 mm，蒸降比达10以上。试验区地势平坦，土壤质地为粉壤土，具体物理性质见表1。试验区主要种植玉米和葵花，5—9月作物生长期的地下水埋深为0.52～2.20 m，土壤剖面初始电导率为400～1 500μS/cm，属于轻中度盐渍土，当地不合理的灌溉排水导致地下水位升高和地表严重积盐。

1.2 试验设计

本试验设计了3种排水处理：暗管自由排水（FD）、暗管控制排水（CD）、控制排水下间距减少（CD1/2）处理，探究控制排水及其间距变化对土壤水盐分布与变化的影响。FD是试验区用来降低地下水位的常规排水方式，暗管间距设为50 m，暗管埋深设为1.6 m。考虑到自由排水可能导致过度排水的问题，设置了CD处理，即在FD处理基础上将暗管出口抬高0.4 m形成控制排水处理。为进一步了解控制排水下暗管间距变化对土壤水盐分布的影响，在CD处理基础上将暗管间距减少至25 m后设置了CD1/2处理，暗管出口仍较FD抬高0.4 m。

FD、CD和CD1/2处理分别布置在面积为3 000 m2、3 000 m2和1 500 m2的独立小区上，各小区间由固定田埂隔开以阻断水分交换。考虑到田间排水试验占地面积较大且施工铺设难度较大，未设置重复，但每个处理小区采用3根平行暗管，并在中间暗管控制范围内监测与取样，以消除不同处理间的相互影响[22]。暗管排水出口直接通到集水井中，调控排水出口高度（图1）。通过在集水井内安装浮子式潜水泵以保证井内水深始终低于1.8 m，不淹没暗管出口。3种排水处理的9根暗管均为埋深1.6 m，管径75 mm，管长20 m的外包滤料透水管，坡降为2‰。

表1 试验地土壤物理性质Table 1 Soil physical characteristics of experimental site

1.3 试验方法

试验小区均种植玉米，品种为内单314，于2019年5月1日播种，株距为0.3 m、行距为0.6 m。参照当地农民施肥习惯，玉米的氮肥（以N计）和磷肥（以P2O5计）施用量分别为325和180 kg/hm2。磷肥作为底肥于播种前一次性施用，氮肥分别于播种期和拔节期按照1∶1施用。玉米生长期的日降雨量和日平均气温如图2所示。

于2019年6月27日引黄河水进行地面灌溉，灌水量为2 175 m³/hm2，灌溉水的电导率为700μS/cm左右。灌水时玉米处于拔节期，根系深度为60～75 cm，株高为0.70～0.98 m。为探讨土壤水盐的静态分布，在本次灌水前后对土壤剖面进行取样分析，其中灌前取样时间为6月22日（灌水前第5天），灌后取样时间为7月5日（灌水后第8天）。为探讨土壤水盐的动态变化，将灌溉周期划分为灌水期和间歇期2个阶段以考察阶段水盐变化状况。灌水期指本次灌水前到灌水后的持续时段，即6月22日—7月5日（共13 d）；间歇期指本次灌水后到下次灌水前的持续时段，即7月5日—7月15日（共10 d）；灌溉周期共23 d。

土样沿暗管水平距离方向和土壤剖面垂直方向采集。FD和CD的水平取样点分别距小区中间暗管0、5、10、15、20、25 m，CD1/2的水平取样点分别距小区中间暗管0、2.5、5、7.5、10、12.5 m。在每个水平取样点上沿垂向取样至120 cm深度，垂向取样土层依次为0～3、

＞3～10、＞10～30、＞30～50、＞50～70、＞70～100、＞100 ～120 cm，共7层。土样采用土钻法采集以测定土壤的含水率和电导率。用烘干法测定土壤含水率；以土壤电导率来描述土壤含盐状况，表征土壤盐分胁迫强度[23]。将土样风干后充分研磨，过2 mm筛，按照 5∶1 水土质量比浸提液法，使用DDSJ-318型电导率仪（上海雷磁，精度±0.5%）测定土壤标准液电导率。

1.4 数据分析方法

1.4.1 土壤剖面相对含水率计算

由于土壤非均质性的存在，采用相对含水率这一指标消除土壤质地差异对土壤含水率的影响，以表示土壤中有效水分含量。计算公式为

式中RWC为土壤相对含水率，%；θ为土壤含水率，%；fθ为土壤田间持水量，%。

1.4.2 土壤剖面水盐变化计算

为便于分析不同阶段的土壤水盐变化，分别计算灌水期和间歇期2个阶段的水盐变化程度。

式中ΔRWC为含水率变幅，%；RWC1为灌水前土壤相对含水率；RWC2为灌水后土壤相对含水率，%；RWC3为下次灌水前土壤相对含水率，%。若ΔRWC ＞0，为增幅；ΔRWC ＜0，为降幅。

式中SDR为脱盐率，%；EC1为灌水前土壤电导率，μS/cm；EC2为灌水后土壤电导率，μS/cm；EC3为下次灌水前土壤电导率，μS/cm。若SDR＞0，为脱盐；SDR ＜0，为积盐。

1.4.3 土壤剖面水盐变异性计算

为探究土壤水盐分布均匀性受排水控制的影响，以变异系数来反映空间变异特性[24]，数值越大，表示土壤水盐分布变异性越强；数值越小，表示土壤水盐分布均匀性越高。

1.4.4 数据处理方法

利用Microsoft Excel 2010 软件对试验数据进行整理与计算；采用Origin2018软件制图。

2 结果与分析

2.1 土壤剖面水盐静态分布

2.1.1 土壤剖面相对含水率分布

不同排水处理下灌水前后土壤剖面相对含水率在距暗管间距1/2的区域内分布如图3所示。FD条件下，灌水前和灌水后土壤相对含水率均沿剖面先减小（0～50 cm）后增大（50～120 cm）。FD和CD的灌后土壤平均相对含水率较灌前分别增加了4.72%和10.15%。与FD相比，CD提高了灌后暗管间距1/2附近的土壤相对含水率，较FD高出8.27%，这可能是由于控制排水保留了田间水分，使得土壤相对含水率较高。控制排水下间距减少后，CD1/2灌后暗管间距1/2附近的土壤相对含水率较CD明显降低，平均相对含水率为72.42%。这表明，控制排水经过灌水提高了土壤相对含水率；控制排水下间距减少后，灌后的土壤相对含水率有所降低。

2.1.2 土壤剖面盐分分布

图4 展示了不同排水处理下灌水前后土壤剖面电导率分布。FD和CD条件下，灌前土壤电导率沿剖面逐渐减小，这是由于蒸发作用促使盐随毛管水上升至土壤表层聚积；灌后土壤电导率沿剖面先增大（0～50 cm）后减小（50～120 cm），表明土壤盐分主要淋洗至50 cm左右土层。距暗管水平距离不同，土壤电导率分布也不同。FD和CD条件下，灌水前和灌水后土壤电导率均沿暗管水平距离先增大后减小，离暗管越近，水动力条件越强，水分运动越快[25]，排水量越大，排出盐分较多，同时距暗管远处洗脱的盐分也可能随排水向暗管近处累积，在两者的共同作用下，盐分在距暗管10～15 m附近累积。与FD相比，CD明显降低了整个剖面的土壤电导率，灌前除表层外土壤电导率均在500μS/cm上下变化，平均电导率降低29.92%；灌后除个别点外土壤电导率均低于500μS/cm，平均电导率降低36.73%。经灌水，CD灌后电导率沿水平距离的变化减小，整个土壤剖面盐分差异不大。与CD相比，CD1/2进一步减小了整个剖面的土壤电导率，平均电导率灌前降低了50.69%，灌后降低了7.85%，且在水平距离和垂向深度上的变化均较小。这表明控制排水不仅降低了土壤剖面盐分含量，还减小了灌水前后剖面各处的盐分差异，控制排水下减少间距进一步降低了土壤剖面盐分含量。

2.2 土壤剖面水盐动态变化

2.2.1 土壤剖面含水率变化

不同排水处理下两阶段土壤剖面相对含水率变幅如图5所示，图中正值为增幅，负值为降幅。FD条件下，灌水期暗管及其间距1/2附近50 cm深度土层的土壤相对含水率增幅较大，分别达到51.49%和56.00%；间歇期暗管间距1/2附近50 cm及以上深度土层的土壤相对含水率降幅较大，最大达76.18%。CD和CD1/2条件下，两阶段的土壤相对含水率变幅也均在暗管或暗管间距1/2附近的50 cm土层达最大，这是由于50 cm左右土层土壤相对含水率较小，同时该土层受蒸腾发和暗管排水等因素的共同作用导致含水率变化幅度较大；暗管附近排水速率较快减少了土壤相对含水率，暗管间距1/2附近的土壤水通过横向排水向暗管附近补给导致土壤相对含水率在两处变幅较大。与FD相比，CD提高了灌水期的土壤相对含水率增幅，平均增幅较FD高53.64%，尤以50 cm及以上深度土层的土壤相对含水率增幅明显；降低了间歇期的土壤相对含水率降幅，平均降幅较FD降低8.98%。与CD相比，CD1/2在灌水期土壤相对含水率增幅减小，平均增幅较CD减少81.91%；间歇期土壤相对含水率降幅增大，平均降幅较CD高8.85%。这表明控制排水在灌溉周期内水分增幅大且降幅小，起到保留田间水分的作用，控制排水下减少间距减弱了保墒效应。

2.2.2 土壤剖面盐分变化

图6 展示了不同排水处理下两阶段土壤脱盐率的剖面变化，图中正值为脱盐，负值为积盐。FD条件下，灌水期土壤脱盐程度沿垂向深度逐渐减弱；间歇期土壤积盐程度沿垂向深度逐渐减小。土壤表层盐分变化强烈，表层土壤在灌水期明显脱盐，在间歇期有不同程度的积盐，产生这一结果的原因是表层土壤受蒸发和灌溉等因素影响显著，而深层土壤受这些因素的影响不明显[25]。与FD相比，灌水期CD增加了29.17%的脱盐区域，提高了46.12%的平均脱盐率；间歇期减小了14.29%的积盐区域，降低了72.62%的平均积盐率。与CD相比，CD1/2在灌水期缩减了45.16%的土壤剖面脱盐区域；间歇期缩减了54.17%的积盐区域。这表明控制排水在灌溉周期内脱盐多积盐少，起到降低剖面盐分的作用，控制排水下减少间距缩减了灌水期的脱盐区域。

2.3 土壤剖面水盐变异状况

2.3.1 土壤剖面含水率变异状况

为进一步探究不同排水控制处理对土壤含水率剖面分布均匀性的影响，灌水前后土壤相对含水率水平变异系数沿垂向深度变化如图7所示。FD条件下，灌前土壤含水率的水平变异系数在50 cm土层较大，为38.77%；灌后整个垂向深度上的水平变异系数降低，均低于20%。CD条件下，灌水前后土壤含水率水平变异系数均低于20%，灌后较灌前小幅升高。CD1/2条件下，灌前土壤含水率水平变异系数较小；灌后大幅提高，在垂向70 cm处达最大，为46.45%。这表明，与自由排水比，控制排水提高了灌前土壤剖面含水率水平分布均匀性，控制排水下减少间距灌后土壤剖面含水率水平分布均匀性变差。

不同排水处理下灌水前后土壤相对含水率垂向变异系数沿水平距离变化如图8所示。FD条件下，土壤相对含水率垂向变异系数灌后沿水平距离变化较灌前稳定，变异系数降低，均低于20%。与FD相比，CD条件下，灌后暗管附近土壤相对含水率垂向变异系数增大。与CD相比，CD1/2下灌后土壤相对含水率垂向变异系数平均增大23.78%。这表明，控制排水降低了灌后暗管附近的土壤剖面含水率垂向分布均匀性，控制排水下减少间距进一步降低了灌后土壤剖面含水率垂向分布均匀性。

2.3.2 土壤剖面盐分变异状况

不同排水处理下灌水前后土壤盐分水平变异系数沿垂向深度变化如图9所示。FD条件下，灌水前后土壤盐分水平变异系数均较大，在40%附近变化。与FD相比，CD条件下，土壤盐分水平变异系数明显降低，尤其灌后的土壤盐分水平变异系数降低更为明显，平均降幅为45.88%，整个垂向深度上的水平变异系数均不高于20%。与CD相比，CD1/2减少了灌前土壤的盐分水平变异系数，提高了灌后的土壤盐分水平变异系数。这表明，控制排水改善了土壤剖面水平盐分水平分布均匀性，灌后均匀性更好；控制排水下减少间距提高了灌前土壤的盐分水平均匀性，降低了灌后土壤盐分水平均匀性。同时，经过灌水各处理下土壤盐分水平变异系数均在30 cm耕层达到最小，说明耕层土壤盐分水平分布更均匀，更利于作物生长。

不同排水处理下灌水前后土壤盐分垂向变异系数沿水平距离变化如图10所示。FD条件下，灌后的垂向变异系数明显低于灌前。与FD相比，CD条件下，灌后的土壤盐分垂向变异系数较灌前平均降低了32.55%。与CD相比，CD1/2提高了灌后的土壤盐分垂向变异系数。这表明，灌水明显改善了自由排水的土壤剖面盐分垂向分布均匀性；控制排水下土壤盐分垂向分布均匀性更好；控制排水下减少间距使土壤盐分垂向分布均匀性变差。

3 讨 论

3.1 控制排水对土壤水分的影响

灌前和灌后分别为灌溉周期中间歇期和灌水期的结束时间点。分析不同排水处理下两阶段土壤相对含水率变化发现，控制排水具有较好的保墒作用，提高了灌水期的土壤相对含水率增幅，降低了间歇期的土壤相对含水率降幅。这是由于控制排水抬高了暗管出口高度使灌水期的排水量减少，田间水分的蓄积量增加，导致灌水期土壤相对含水率增幅较大；而灌水期较高的水分蓄积量使更多的土壤水在间歇期长时间滞留田间，导致间歇期土壤相对含水率变化较小，从而减小了土壤相对含水率降幅。采用模型预测和田间试验监测，袁念念等[26]也发现控制排水减少了排水输出量从而保留田间水分，与本研究结果共同证实了控制排水的保墒作用，这对于提高作物水分利用效率和节约灌溉水量具有重要意义。

3.2 控制排水对土壤盐分的影响

控制排水不仅改变了土壤剖面水分分布，也影响了土壤盐分的分布变化。灌水期和间歇期分别是土壤脱盐和积盐的交替发生阶段。传统认为控制排水降低了水力梯度以减少根区以下的深层渗漏量，从而降低洗盐排水量，抬高地下水位又使更多的水分沿毛管向根区迁移增加了盐分积累。正如在伊朗莫汉平原和澳大利亚葡萄园的研究均发现[18,27]，与自由排水相比，控制排水导致土壤盐分增加，这与本研究发现的控制排水增强脱盐效果相矛盾。本文发现，与自由排水相比，控制排水降低了灌溉周期内的土壤剖面含盐量，灌水期增加了脱盐区域，间歇期减小了积盐区域。本文认为，控制排水不仅影响水分的排出量和毛管水的上升量，也影响排水的速率及其与土壤剖面的作用时间。尽管控制排水抬高了地下水位，降低水力梯度以减少排水速率，但同时也延长了水分在土壤剖面的滞留时间，进而增加排水与土壤剖面盐分的作用时间，促使更多的土壤剖面可溶性盐溶解至排水中以增加排水中的盐浓度，从而提高了排水洗盐效率[17,28]。因此，排水减少量和排水中盐分增加量这两者共同决定了控制排水下土壤剖面积盐或脱盐与否。本试验较高的灌溉水量加强了控制排水的慢速淋洗作用，使更多的土壤盐分溶解随排水排出，不仅提高了脱盐效果又增加了洗盐的均匀性[29]。维持根区盐分低于作物耐盐极限是控制排水可持续控盐的关键，本试验中整个土壤剖面盐分均不超过1.0 g/L，低于作物耐盐极限[30]。

3.3 控制排水下间距减少对土壤水盐的影响

控制排水下减少间距后，保墒效应减弱，土壤相对含水率在灌水期的增幅降低，在间歇期的降幅提高，同时土壤剖面盐分含量降低。暗管间距会显著影响土壤水盐变化[22]，暗管间距越小，灌溉入渗强度越高，排水排盐效率也越高[31-33]。控制排水下改变间距对水分运动的影响亦然，故减少间距减弱了保墒效果。之所以控制排水下减少间距缩减了灌水期的脱盐区域，可能是因为灌后取样时间的影响，取样时间为灌水后第8天，根据试验区气象资料（图2），整个灌水期未发生降雨，同时间距减少后排水脱盐速度更快，使得灌后取样时的部分区域已由脱盐过程转向积盐过程。

3.4 控制排水对土壤水盐变异的影响

土壤是空间上的连续体，在空间上具有异质性[34]，变异系数作为描述空间分布均匀性的重要参数，可反映土壤水盐分布的离散程度[35]。本研究发现，控制排水的土壤盐分在水平与垂向的分布均匀性均提高，这可能是由于控制排水保留了田间水分，延长了水分与土壤剖面盐分的作用时间[27]，使得土壤剖面盐分分布变得更为均匀，一定程度降低了土壤盐碱化的风险[36]。控制排水下减少间距提高了灌前土壤盐分水平分布均匀性却降低了灌后土壤盐分水平分布均匀性，这表明控制排水改善土壤盐分分布均匀性的效应受间距的影响明显，需结合进一步的田间试验或模型模拟探究控制排水下间距变化对土壤盐分变异性的影响。

尽管本研究发现控制排水较高的盐分分布均匀性和脱盐效率及保墒效应有助于控制土壤次生盐渍化和提高农业用水效率。然而由于未能监测到排水排盐量和作物产量数据，未明确控制排水下土壤剖面水盐分布与变化如何进一步影响排水排盐过程与作物生长过程。本研究由于试验场地有限，仅考察了2个水平的控制排水间距和出口高度，故仍需设置多组控制排水出口高度和间距处理，以寻求最优的组合调控方案。

4 结 论

1）土壤剖面水盐静态分布受控制排水及其间距变化影响。与自由排水相比，控制排水提高了土壤剖面8.27%的相对含水率，降低了土壤剖面36.73%的盐分含量，控制排水下减少间距降低了土壤剖面盐分含量。

2）土壤剖面水盐动态变化受控制排水及其间距变化影响。与自由排水相比，控制排水在灌溉周期内具有保墒脱盐效果，提高了灌水期53.64%的含水率增幅和29.17%的脱盐区域，减小了间歇期8.98%的含水率降幅和14.29%的积盐区域。控制排水下减少间距减弱了保墒效果，降低了灌水期81.91%的含水率增幅，提高了间歇期8.85%的含水率降幅，缩减了灌水期的脱盐区域。

3）控制排水提高了土壤剖面盐分分布均匀性。与自由排水相比，控制排水减小了土壤剖面盐分沿水平和垂向的变异系数，灌后水平和垂向的变异系数分别降低了45.88%和32.55%。控制排水下减少间距提高了灌前土壤盐分水平分布均匀性，降低了灌后土壤盐分水平分布均匀性。

综上，控制排水提高了土壤剖面的保墒效果、脱盐效率和盐分分布均匀性，然而这种效应受控制排水下暗管间距变化的影响较大，仍需针对不同气候和土壤条件开展控制排水研究以探寻因地制宜的排水间距和出口高度调控方案。