井灌井排对农田水盐分布的影响规律

张雪萍，李 娜，焦平金，迟碧璇

（1.中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 100048；2.中国灌溉排水发展中心，北京 100054）

0 引 言

土壤次生盐渍化严重制约灌区粮食生产安全和农业可持续发展［1，2］。在农田排水工程不配套的局面下，为满足旱区作物高腾发量需求的大量灌溉抬高了地下水位，加剧了浅层水分蒸发引起的表层土壤盐分积聚，极易引发土壤次生盐渍化［3，4］。地下水位的持续抬高又强化了灌区用水量的居高不下；在地下水浅埋条件下，为控制盐害而增加的压盐用水量难以促使表层积盐往深层淋洗，而浅埋水蒸发又加速了表层返盐，形成持续积盐［5］。故健全排水与灌溉工程系统来调控地下水位和阻断土壤持续返盐是治理土壤次生盐渍化的关键。

引黄灌区发生次生盐渍化主要缘于大量的引黄灌溉水量和地下水积聚［6］。与引黄灌区的单纯渠灌相比，井灌井排可快速降低地下水位并减少引黄用水量，但不加限制地井灌井排将导致地下水降落过大而引起生态环境恶化［7，8］。故井灌井排和渠灌结合是防止引黄灌区土壤次生盐渍化和生态环境恶化的有效灌排方式［9-11］。从地下水总量变化与调控的角度开展了有关井渠结合规模、用水比例和多井布局等方面的研究［12，13］，然而井灌井排影响下的土壤剖面盐分变化研究较少，鲜见土壤盐分时空分布变化受井灌井排的影响研究，而这种由排水工程改变的田间水盐空间分布差异及其脱盐状况将显著影响作物高产稳产［14］。

为此，基于试验监测对比了井灌井排、渠灌和井渠结合影响下的水盐时空变化，分析了单井影响范围内的水盐时空变化规律，探讨了土壤水盐变化与地下水埋深的关系及其影响机制，将为控制土壤次生盐渍化提供理论依据与技术应用支撑。

1 材料与方法

1.1 试区概况

试区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市河套灌区义长灌域，该区降水稀少且蒸发强烈，主要引黄河水灌溉。试区多年平均降雨量为100～230 mm，主要发生在7-9月，年均蒸发量较大，高达2 400 mm，蒸降比大于10，平均气温为6.5～7.8 ℃，属典型的温带大陆性气候。试区主要种植作物为玉米和葵花，土壤质地为砂质壤土。目前绝大部分区域采用渠灌，在山前部分区域分布有井灌井排区或井渠结合区。

1.2 试验设计与监测

为了解不同灌排方式对区域地下水位及土壤水盐含量的影响，在义长灌域选择了渠灌、井灌井排和井渠结合3种典型灌排方式长期运行的区域进行水盐监测。分别在渠灌区、井灌井排区和井渠结合区内设置3 个水位监测井，地理坐标分别为108.1701E、41.0399N，108.7121E、41.1872N 和 108.1963E、41.2344N。2013-2018年连续监测了3 个区域的地下水埋深变化，监测频次为5 d 一次；并分别于2019年4月13日、5月21日和7月18日在3个监测井周边进行土壤剖面取样以分析土壤剖面的含水量和含盐量分布。对于3 种灌排方式，井灌井排区的秋浇水为抽取井内的地下水，渠灌区和井渠结合区的秋浇水均来自于地表渠道输水，渠灌区的生育阶段灌水为渠道输水，井灌井排区和井渠结合区的生育阶段灌水为地下水。3种灌排区均进行秋浇，玉米生长期内一般进行2～3次灌水，葵花种植前还有1次播前春灌。

为进一步评价单井影响范围内的水盐时空变化，在井渠结合区选择典型灌溉井（坐标为108.0475 E、41.2078 N），并在该井控制范围内进行试验观测。2018年7月-2020年7月期间，在距灌溉井水平径向145、170、425 和510 m 处分别设置监测井以观测地下水位与井水含盐量，并在监测井附近采集土样以测定其土壤剖面水盐含量。地下水位与含盐量及土壤剖面含水量每十天监测一次；土壤剖面含盐量分别在春灌前（4月30日）、生育期灌水前（7月30日）和秋浇前后（9月30日和12月20日）取样测定。

土壤剖面取样土层沿垂向深度依次为0～10、10～30、30～50、50～70、70～100、100～140 cm，共6 层。土样使用土钻法采集，烘干后测定土壤质量含水率，土壤含盐状况采用土壤电导率来表征。将土样风干后充分研磨，过2 mm 筛，按照水土浸提液法采用电导率仪（雷磁DDSJ-318）测定5∶1 土壤标准液电导率。土壤全盐量采用下式［15］计算，

式中：c 为土壤含盐量，%；EC5∶1为5∶1 水土浸提液的电导率，dS∕m。

1.3 数据分析方法

为探讨地下水埋深与土壤贮水量和累积含盐量的关系，采用线性函数和指数函数分别拟合不同深度土壤剖面的贮水量和累积含盐量与地下水埋深，并选用决定系数R2来表征拟合效果。

土壤贮水量的计算公式为：

式中：S 为计算深度内的土壤贮水量，mm；θ 为土壤质量含水率；ρb为土壤干容重，g∕cm3；h 为计算深度内的各层土壤厚度，cm。

土壤累积含盐量的计算公式为：

式中：SS为计算深度内的累积含盐量，mm。

2 结果与分析

2.1 灌排方式影响的水盐时空变化

2.1.1 地下水埋深

灌排方式显著影响地下水埋深的长期变化（图1）。渠灌下地下水埋深较浅且波动较大；地下水埋深上升主要发生在10月和4月，为两次灌水量较大的秋浇和春灌期间，在作物生长的5-9月间，地下水埋深由浅变深。井灌井排维持较深的地下水埋深且埋深呈逐年下降的趋势，地下水埋深均超过20.0 m。井渠结合可使地下水位稳定在一定范围，大体为1.6～5.0 m。

图1 不同灌排方式下的地下水位埋深在2013-2018年的变化Fig.1 Depth of groundwater under different modes of irrigation and drainage during 2013-2018

2.1.2 土壤剖面含水量

土壤剖面含水量分布受不同灌排方式的影响显著（图2），不同时期下整个剖面的水分含量在不同灌溉方式间呈现出一致变化，即渠灌＞井渠结合＞井灌井排。渠灌区的土壤剖面含水量在20%～30%范围变化，井灌井排区的土壤剖面含水量大都保持在10%左右，而井渠结合区的土壤剖面含水量位于10%～25%范围。

图2 不同灌排方式影响下土壤剖面含水量变化Fig.2 Soil profile water content under different modes of irrigation and drainage

2.1.3 土壤剖面含盐量

土壤剖面含盐量在不同灌排方式间的差异也显著（图3），渠灌区的土壤剖面含盐量最大，井灌井排区的土壤剖面含盐量最小，井渠结合区的土壤剖面含盐量介于两者之间。渠灌区的土壤剖面含盐量不仅较大且变幅也明显，大都位于300～1 000 μS∕cm 的变化范围。井灌井排区的剖面含盐量最小，沿剖面深度的变化亦较小，稳定在300 μS∕cm 左右。井渠结合区的土壤剖面盐分变化亦不大，大都位于300～500 μS∕cm区间。

图3 不同灌排方式影响下土壤剖面含盐量变化Fig.3 Soil profile salinity under different modes of irrigation and drainage

2.2 单井影响范围的水盐时空变化

2.2.1 地下水埋深及其盐分含量

2018年7月20日-2020年7月20日地下水埋深沿井位水平径向距离变化由图4 给出。由图4 可见，地下水埋深随径向距离的增加而逐渐变浅，5-9月作物生长期的埋深径向差距明显高于非生长期（当年10月-次年4月）的相应值，生长期的地下水埋深比非生长期更深。距离井位145、170、425 和510 m 的地下水埋深的变化范围分别为3.0～5.4、2.7～4.9、2.1～4.4 和1.8～4.2 m，波动范围在各距离间较为一致。从两年地下水埋深的平均变化上看（图5），地下水埋深随径向距离增加呈线性减少的变化趋势，径向距离每增加100 m 地下水埋深将平均减少0.35 m。

图4 地下水埋深沿径向距离的时间变化Fig.4 Temporal variation of groundwater depth along radial distance

图5 地下水埋深沿径向距离空间变化Fig.5 Depth of groundwater changes along radial distance

地下水含盐量沿井位径向水平距离的变化由图6给出。与地下水埋深比，地下水含盐量随径向水平距离的变化较小，随着井灌运行时间的增加逐渐减少并稳定至1 000 μS∕cm附近，远低于1 000 mg∕L的农田灌溉用水水质标准［16］。

图6 地下水含盐量沿径向距离的时间变化Fig.6 Temporal variation of groundwater salinity along radial distance

2.2.2 土壤剖面水盐含量

土壤剖面含水量的2年平均分布沿井位水平径向距离的变化由图7 给出。由图7 可见，土壤剖面水分含量沿径向距离的变化不明显。这表明当地下水埋深在1.8～5.4 m范围内变化时，地下水变化对0～1.4 m深土壤剖面水分分布影响不大。

图7 土壤剖面含水量的时间平均在不同径向距离的分布Fig.7 Temporal average variation of soil profile water content along radial distance

沿井位水平径向距离的土壤剖面盐分含量的时间平均分布由图8 给出。由图8 可见，灌溉井近端的根层和底层盐分含量明显小于远端的相应值，而近端的中层盐分含量却高于远端的相应值。从0～1.4 m 深剖面的加权平均看，土壤含盐量随径向距离的增加而增加，510 m处的平均含盐量较145 m处的相应值增加了31.0%，形成以井位为低点的“漏斗”状脱盐区。

图8 土壤剖面含盐量的时间平均在不同径向距离的分布Fig.8 Temporal average variation of soil profile salinity along radial distance

2.2.3 土壤水盐变化与地下水埋深关系

不同深度土壤贮水量与地下水埋深关系由图9给出。当地下水埋深大于2.0 m 时，0～0.1、0～0.3、0～0.5、0～0.7、0～1.0 和0～1.4 m 深度的土壤剖面贮水量分别与地下水埋深变化的关系不大，R2均小于0.01。这表明把当地地下水埋深控制至2.0 m以上时，供给作物生长的水量主要源于降雨和灌溉用水，地下水蒸发对上层土壤水分的补给量可忽略。

图9 不同深度土壤贮水量与地下水埋深的关系Fig.9 Relationships between soil water storage under different vertical depth and groundwater depth

不同深度土壤剖面累积含盐量与地下水埋深的关系由图10 给出。当地下水埋深在2.5～5.2 m 内变化时，0～0.1、0～0.3、0～0.5、0～0.7、0～1.0 和0～1.4 m 深度的土壤剖面累积含盐量与地下水埋深呈较弱的负相关关系，R2均小于0.16。这表明尽管把地下水埋深控制到2.5 m 以上，埋深的减少仍会引起上层土壤剖面盐分累积；结合对土壤贮水量影响较小可知这种盐分累积的增加效应不应是通过潜水蒸发导致的返盐，更可能是通过降低灌溉洗盐效果影响的。

图10 不同深度土壤累积含盐量与地下水埋深的关系Fig.10 Relationships between accumulated soil salt under different vertical depth and groundwater depth

3 讨 论

长期使用黄河水灌溉的渠灌区大幅抬高了地下水埋深，使土壤剖面维持较高的水盐含量。尽管较大的土壤贮水量能够抵消因抬高水位造成土壤剖面盐分累积对作物吸水的胁迫影响，然而要维持作物生长的适宜水盐条件仍需加大灌溉洗盐水量，长此以往将导致土壤次生盐渍化，既浪费了水资源又不能维持土壤的生产能力。在地下水含盐量较低的地区，通过抽取地下水灌溉形成井灌井排，可大幅降低地下水位和减少土壤剖面水盐含量，然而井灌井排易过度降低地下水位，水位的逐年下降将导致区域植被退化和生态环境恶化［3］。具备井灌井排和渠灌各自优势的井渠结合灌排方式既可使地下水埋深控制在合理范围，又能使土壤剖面水盐含量维持在适宜范围。如在本研究条件下，井渠结合使地下水埋深长期维持在1.6～5.0 m，土壤剖面含水量处于10%～25%范围，土壤剖面含盐量大体在300～500 μS∕cm范围。

进一步剖析井渠结合下单井影响范围的水盐分布状况发现，尽管单井周边的漏斗型地下水降落空间变化未改变土壤剖面墒情，却造成以井位为土壤剖面含盐量低点的“漏斗”状脱盐区。具体表现为，地下水埋深沿灌溉井水平径向距离的增加逐渐变浅，虽然地下水含盐量和土壤剖面含水量的径向空间差异不明显，土壤剖面含盐量却随径向距离的增加而增加。从相关性上看，土壤剖面贮水量与地下水埋深的相关性较小，而土壤剖面累积含盐量则表现出与地下水埋深的弱相关关系。这种土壤剖面盐分与水分分布的非一致性变化较为少见。

传统观点认为，土壤上层剖面的盐分累积增加源于浅埋地下水向上蒸发把盐分带至表层导致返盐［5］。然而本研究发现在地下水位埋深超过2.0 m 条件下地下水与土壤剖面贮水量的相关性较小，这表明在没有地下水上升补充上层土壤的前提下，土壤上层剖面盐分累积量却随埋深的变浅而增加。之所以会造成这种矛盾是因为地下水对上层土壤盐分累积的影响不仅可通过浅层水分向上蒸发的途径输送盐分，也可通过影响土壤上层剖面盐分的向下淋洗过程来实现。单井周围地下水埋深随径向距离增加逐渐变浅的空间变化造成了上层盐分向下层淋洗运动的空间差异，近井端由于较高的地下水位降落使更多的灌溉水溶洗上层土壤盐分向下层运移，而远井端较小的水位降落空间自然会减少灌溉水的入渗量进而减少上层盐分的洗脱作用。故土壤上层盐分含量随灌溉井位径向距离增加而提高是由于漏斗型地下水空间分布影响上层盐分洗脱作用的结果，进一步形成以井位为盐分低点的漏斗状脱盐分布区。

综上可见，合理匹配井灌井排与渠灌可使土壤剖面水盐含量维持在利于作物生长的范围，若灌溉井的控制面积过大将会导致地下水埋深形成较大的降落漏斗，造成上层土壤含盐量沿水平径向的空间差异较大，而这种水盐漏斗状空间分布的差异可采用调整井距或辐射井［17］等来消减。

4 结 论

（1）渠灌下地下水埋深较浅且土壤剖面水盐含量较高，井灌井排下地下水埋深较深且土壤剖面水盐含量较低，井渠结合可使地下水埋深控制在合理范围并使土壤剖面水盐含量维持在适宜作物生长的范围。井渠结合下地下水埋深、土壤剖面含水量与含盐量均长期维持在1.6～5.0 m，10%～25%和300～500 μS∕cm的范围。

（2）单井影响范围内，地下水埋深沿井位径向距离的增加而逐渐变浅，增加100 m径向距离将平均降低0.35 m的埋深；地下水中盐分含量和土壤剖面含水量沿径向距离的变化不明显，而土壤剖面含盐量随径向距离的增加而增加。

（3）当地下水埋深大于2.0 m 时，地下水埋深与土壤剖面贮水量的相关性较小，与土壤剖面累积含盐量呈弱相关关系。