内蒙古河套灌区典型耕、荒地水盐动态分析

袁成福，冯绍元，庄旭东，钱 争

(1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009；2.江西农业大学国土资源与环境学院，江西 南昌 330045)

内蒙古河套灌区是我国三个特大型灌区之一，也是我国重要的商品粮、油生产基地[1-2]。河套灌区总土地面积为1.19×104km2，其中灌溉面积为5.74×103km2，盐荒地面积达2.09×103km2，接近灌溉面积的40%[3-4]。河套灌区的盐荒地在灌区内呈零星状分布，主要分布于耕地之间及沙丘、湖泊的周围，是一种特殊的土地类型，在灌区内储存有大量的盐分，具有调节灌区水盐平衡的重要作用[5-6]。目前国内外有关灌区水盐运移规律和盐碱化问题的研究主要集中于耕地或原有的水盐平衡体系。郝芳华等[7]对河套灌区不同作物种植区及不同灌溉时期的水分动态变化规律及水平衡特征进行了研究，结果表明，不同作物地块间土壤水分的差异主要体现在作物生长期，灌区田间水循环过程属于“灌溉(降雨)-下渗(优势流)-潜水蒸发型”。柯隽迪等[8]通过河套灌区土壤水盐动态的原位监测，并应用HYDRUS-EPIC耦合模型对不同灌溉条件下葵花土壤盐分累积规律进行了研究。刘显泽等[9]根据河套灌区义长灌域典型研究区试验观测资料，分析了研究区土壤含盐量在垂向剖面上的分布特征和变化规律，研究了地下水位埋深和矿化度季节性变化规律及其对土壤盐分运移的影响。岳卫峰等[10]在河套灌区节水灌溉实施之前对河套灌区水盐运移及平衡进行了研究，建立了非农区-农区-水域的水盐运移及均衡模型，并定量分析了水盐迁移量。韩宇平等[11]研究了宁夏青铜峡灌区的水盐运移与转化的关系，定量计算了灌区农区-非农区的盐分迁移量，探明了灌区水盐平衡与转化规律。在灌区盐碱化问题方面，大量研究表明灌区地下水位埋深小于临界深度及地下水矿化度较高，是造成土壤盐碱化问题的主要原因，控制地下水位在合理的深度是防止灌区土壤盐碱化发生的重要途径[12-15]。然而，近年来，随着土地利用价值的增加，盐荒地被不断开垦，耕地面积不断扩大，盐荒地面积逐渐减少。同时随着灌区续建配套与节水改造工程的实施，河套灌区引黄水量由年均52 亿m3左右下降到40亿m3[16-17]。在这种强人类活动的影响下，耕、荒地之间的水盐运移发生了变化，原有的水盐平衡体系被打破，而新的水盐平衡体系下的耕、荒地水盐平衡机制尚不十分明晰。针对灌区新的水盐平衡体系下的耕、荒地水盐运移规律及其平衡的研究较少。因此，本研究在河套灌区实施节水灌溉状态的背景下，在永济灌域选取典型研究区，通过对耕、荒地地下水、土壤水盐的监测，分析耕、荒地水盐动态规律及其主要影响因素，研究地下水位埋深与矿化度对土壤含盐量的影响，探讨盐荒地对耕地的“旱排”作用，以期为河套灌区节水控盐及防治土壤盐碱化提供理论依据。

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的中国农业大学永济试验基地(图1)，处于内蒙古自治区巴彦淖尔市临河区干召镇民主村境内，地理坐标为东经107°15′～107°18′，北纬40°43′～40°46′。研究区属于中温带半干旱大陆性气候，干旱少雨，蒸发强烈，多年平均降雨量为160 mm，多年平均蒸发量为2 240 mm[18]。土壤冻结从每年的11月中下旬开始，冻土层厚度为1.0～1.3m，在4月中旬开始融通。研究区地下水位埋深较浅，平均地下水位埋深为1.6～2.2 m，其中3月最深，在2.5 m以下，11月最浅，为0～1.0 m。研究区海拔1 040～1 042 m，总面积约507 hm2，主要有耕地、盐荒地两种土地利用类型，其中耕地面积占58%。研究区由一条分干渠(合济分干渠)和两条支渠(新利支渠和新丈支渠)控制。研究区盐荒地分布相对集中，主要集中在研究区中部和西北部区域，东、南、西三面由耕地围绕，且盐荒地比耕地地势低，为耕地水盐主要排泄区域，该研究区是河套灌区典型的“旱排”区域。

1.2 水盐观测布设

野外观测于2019年5月—2020年11月进行，研究区内耕地与盐荒地相邻，且盐荒地地势比耕地更低，在选取的耕地与盐荒地中布设12眼地下水观测井(图1)，观测井深度均为3 m，直径为10 cm，其中1#、2#、11#观测井布置在葵花地，3#、4#、7#、9#观测井布置在玉米地，5#、6#、8#、10#、12#观测井布置在盐荒地。12眼观测井所在的田块分别表示为 KH1(1#)、KH2(2#)、KH3(11#)，YM1(3#)、YM2(4#)、YM3(7#)、YM4(9#)，YH1(8#)、YH2(5#)、YH3(12#)、YH4(10#)、YH5(6#)，选择1～12#观测井所在的田块布设土壤采样点，土壤采样点离观测井距离3～5 m。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location sketch map of study area

1.3 观测项目及方法

在作物播种前、夏灌前后、秋灌前后和秋浇前后在土壤采样点利用土钻田间分层获取土样，其中耕地和YH3(12#)盐荒地土层均分为6层，分别为0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm；其余盐荒地由于地势较低，地下水位埋深较浅，采样土层分为4层，分别为0～10、10～20、20～40 cm和40～60 cm，每个采样点取土重复3次。采用烘干法测定土壤含水率；采用电导率仪(DDSJ-308A，上海雷磁仪器公司)测定土壤饱和浸提液的电导率EC1∶5，并根据公式 (S=2.882EC1∶5+0.183)将土壤电导率换算成土壤含盐量[19]。试验观测期间每7 d测定1次观测井地下水位埋深和矿化度，地下水位埋深采用钢尺水位计(JK22924，北京精凯达仪器公司)测定；在测定地下水位埋深的同时测定地下水的电导率(EC)，并根据公式(T=0.69EC)把地下水电导率换算成地下水矿化度[20]。利用激光粒度分析仪(Mastersizer 2000,Malvern,UK)测定耕地和盐荒地土壤颗粒组成，耕地和盐荒地的土壤物理性质见表1、2。研究区种植的玉米品种为西单10号，5月初播种，9月底收获；种植的葵花品种为美葵361号，6月初播种，9月底收获。通过实地调查，研究区玉米和葵花的灌溉制度如表3所示。气象数据通过中国农业大学永济试验基地安装的自动气象站下载采集获得。

表1 耕地土壤物理性质Table 1 Soil physical properties of cultivated land

表2 盐荒地土壤物理性质Table 2 Soil physical properties of saline wasteland

表3 研究区灌溉制度/mmTable 3 Irrigation scheduling in the study area

1.4 水盐观测数据分析

利用Microsoft Excel 2003软件对耕、荒地地下水与土壤水盐观测数据进行处理和制图，应用SPSS 17.0统计软件对耕、荒地地下水与土壤水盐观测数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 内蒙古河套灌区典型耕、荒地水盐观测数据统计分析

利用SPSS 17.0软件对试验观测数据进行经典统计分析，结果见表4。变异系数反映试验观测数据的离散程度，一般认为变异系数小于0.1为弱变异，大于1.0为强变异，在0.1～1.0之间为中等变异[21]。从表4可以看出，只有盐荒地地下水矿化度的变异系数大于1.0，属于强变异，这主要是研究区中心位置(10#附近)地下水矿化度较高，地下水矿化度最高为12.33 g·L-1，并且方差也较大，表明盐荒地地下水矿化度波动性较大。耕地土壤含水率、土壤含盐量、地下水位埋深和盐荒地土壤含水率、地下水位埋深变异系数在0.2～0.5，属于中等偏弱变异，偏度和峰度也接近于0，观测数据基本满足正态分布；耕地地下水矿化度和盐荒地土壤含盐量变异系数在0.5～0.8，属于中等偏强变异，偏度和峰度也较大，不服从正态分布。由此可见，研究区耕地地下水矿化度、盐荒地土壤含盐量和地下水矿化度空间变异性较大，可能受地形地貌的影响较明显。

表4 耕、荒地地下水与土壤水盐观测指标分析Table 4 Classical statistical parameters of groundwater and soil water-salt in cultivated wasteland

2.2 内蒙古河套灌区典型耕、荒地土壤水分分布规律

图2、3分别为2019、2020年耕地与盐荒地不同时期土壤含水率分布，以KH2(葵花地)、YM2(玉米地)和YH2(盐荒地)为例。由图2、3可以看出：(1)耕地与盐荒地土壤含水率差异性较大，总体上耕地土壤含水率比盐荒地土壤含水率变化更剧烈。(2)耕地土壤含水率在夏灌后、秋灌后和秋浇后土壤含水率较大，灌溉后地下水位逐渐上升，在灌溉入渗和潜水蒸发作用下，土壤含水率较高；耕地土壤含水率秋浇前较小，秋浇前也是一年期间地下水位埋深最大时期，土壤含水率受地下水位的影响较小，在土壤蒸发作用下，土壤含水率逐渐减小；不同耕地类型(玉米地与葵花地)土壤含水率受灌溉的影响存在一定的差异性，由于玉米生育期灌溉3次，而葵花生育期只灌溉2次，从作物耗水特性考虑，玉米也比葵花生育期耗水量更大，因此整体上看玉米地土壤含水率比葵花地土壤含水率变化更剧烈；耕地土壤含水率的差异性还受到土壤质地的影响，研究区耕地由于处在不同的地形地貌，土壤物理性质存在一定的空间变异性，特别是离盐荒地较近的耕地，土壤质地含砂粒较多，土壤含水率较低。(3)盐荒地土壤含水率随土层深度的增加而增大，受地下水位埋深影响较大；在耕地灌溉季节，盐荒地土壤含水率较高且不同时期差异性较小，这主要是盐荒地地势低于耕地，耕地灌溉后，耕地地下水会流向盐荒地，使盐荒地地下水位逐渐上升，在潜水蒸发作用下，盐荒地土壤含水率较高，盐荒地起到“干排水”的作用；在秋浇前，由于耕地秋灌后没有再进行灌溉，此时盐荒地地下水位埋深最大，土壤含水率逐渐减小，秋浇后，由于耕地秋浇灌水量较大，盐荒地基本上被淹没。

注：KH2—葵花地，YM2—玉米地，YH2—盐荒地。下同。Note:KH2—sunflower field，YM2—maize field，YH2—saline wasteland.The same below.图2 2019年耕、荒地土壤含水率分布Fig.2 Soil water distribution of cultivated land and saline wasteland in 2019

图3 2020年耕、荒地土壤含水率分布Fig.3 Soil water distribution of cultivated land and saline wasteland in 2020

由此可见，耕地土壤含水率主要受灌溉及降雨、作物生长、地下水位埋深和土壤质地的影响，盐荒地土壤含水率受耕地灌溉和地下水位埋深的影响。

2.3 内蒙古河套灌区典型耕、荒地土壤盐分分布规律

图4、5分别为2019、2020年耕地与盐荒地不同时期土壤含盐量分布，以KH2(葵花地)、YM2(玉米地)和YH4(盐荒地)为例。由图可以看出：(1)耕地与盐荒地的土壤含盐量差异性较大，总体上耕地土壤含盐量小于盐荒地土壤含盐量。(2)灌溉季节，在灌溉和降雨作用下，土壤盐分被淋洗，耕地不同时期土壤含盐量变化较小，除2019年KH2土壤盐分略高外，其余耕地土壤含盐量均在3.5 g·kg-1以下。耕地土壤含盐量表层土壤高于中下层土壤，随着土壤深度的增加，土壤含盐量表现出减小的趋势，表层土壤含盐量变化范围为0.3～3.5 g·kg-1；玉米地与葵花地由于灌溉水量的不同，土壤含盐量也存在一定的差异性，总体上葵花地土壤含盐量略高于玉米地，玉米地由于灌溉水量比葵花地大，灌溉水淋洗盐分更多，因此，玉米地土壤含盐量较小。(3)盐荒地土壤含盐量在不同地形地貌表现出不同的变化规律，在离耕地比较近的盐荒地，土壤含盐量较小，土壤含盐量在0.5～3.5 g·kg-1，这主要是因为盐荒地与耕地存在一定的高差，灌溉季节，耕地存在侧渗，侧渗的水流流向附近的盐荒地，进而淋洗盐荒地，而离耕地较远的盐荒地土壤含盐量较大，土壤含盐量在4.0～10.0 g·kg-1，为重度盐碱化土壤，如YH4，这些区域的盐荒地受到耕地灌溉的影响，耕地的地下水流向地势更低的盐荒地地下水，盐荒地地下水在潜水蒸发作用下向土壤表层运移，从而导致土壤盐分不断地累积在土壤表层，即所谓的“旱排盐”。

图4 2019年荒、耕地土壤含盐量分布Fig.4 Soil salt distribution of cultivated land and saline wasteland in 2019

图5 2020年荒、耕地土壤含盐量分布Fig.5 Soil salt distribution of cultivated land and saline wasteland in 2020

由此可见，影响耕地土壤含盐量的主要因素为灌溉水量和作物生长；影响盐荒地土壤含盐量主要是地形地貌和地下水位埋深，离耕地近的盐荒地土壤含盐量小于离耕地远的盐荒地。

2.4 内蒙古河套灌区典型耕、荒地地下水位埋深变化规律

图6、7分别为2019、2020年各观测井地下水位埋深变化。可以看出：(1)盐荒地地下水位埋深低于耕地，这主要是盐荒地高程比耕地更低，盐荒地地下水位埋深更浅。(2)作物生育初期，春灌后各观测井地下水位埋深较浅，耕地地下水位迅速上升，同时盐荒地受到耕地春灌的影响，致使盐荒地地下水位也迅速上升。(3)作物生育期内，随着天气温度的升高，土壤蒸发逐渐增加，耕地地下水位埋深逐渐增加，但在灌溉时期，耕地地下水位埋深减小，耕地地下水位埋深在灌溉前后变化明显，同时盐荒地也受到耕地灌溉的影响，盐荒地地下水位埋深随之变化也较明显。(4)秋浇前，地下水位埋深均达到一年内的最大值，这主要是耕地8月份秋灌后一直未进行灌溉，在潜水蒸发作用下，地下水位埋深逐渐增大；由于研究区秋浇灌水量较大，灌水持续时间较长，耕地和盐荒地地下水位均逐渐上升，地下水位埋深逐渐减小，至秋浇期结束后，耕地和盐荒地地下水位埋深均达到最小，部分地势低洼的盐荒地被水淹没。在地下水观测期间耕地地下水位埋深变化范围为0.5～2.5 m，盐荒地地下水位埋深变化范围为0.0～2.0 m。

图6 2019年地下水位埋深变化Fig.6 Variation of ground water depth from soil surface in 2019

由此可见，耕地地下水位埋深主要受灌溉的影响，地下水位埋深在春灌和秋浇时期埋深最浅，在秋浇前埋深最大，在作物生育期内，地下水位埋深在灌溉前后变化较大；盐荒地地下水位埋深受耕地灌溉的影响较大，耕地地下水流向盐荒地，盐荒地为耕地的水盐排泄区域，“旱排盐”效果显著。

图7 2020年地下水位埋深变化Fig.7 Variation of ground water depth from soil surface in 2020

2.5 内蒙古河套灌区典型耕、荒地地下水矿化度变化规律

图8、图9分别为2019、2020年各观测井地下水矿化度变化，图10为两年10#观测井地下水矿化度变化。可以看出：(1)耕地地下水矿化度在作物生育期内呈逐渐减小的趋势，而盐荒地地下水矿化度则呈现增加的趋势。(2)地下水矿化度受地形地貌的影响较大，研究区西北部10#观测井附近为地势最低处，为盐碱化最严重的地区，10#观测井的地下水矿化度最大，平均在8.5 g·L-1左右，地下水为重度咸水。其余离耕地比较近的盐荒地的观测井地下水矿化度与耕地地下水矿化度相当。耕地地下水矿化度均在3.0 g·L-1以下，为微咸水，不同地形地貌的耕地地下水矿化度略有差异，2#、3#和4#观测井地下水矿化度略高于1#、7#和11#观测井，这主要是2#、3#和4#观测井地面高程低于1#、7#和11#观测井的地面高程，地下水由高处流向低处，同时地下水盐分随着水分的运动而迁移。(3)在秋浇时期，研究区由于灌水量大，灌水时间持续长，抬高了耕地和盐荒地的地下水位，耕地与盐荒地的地下水矿化度均有所降低，耕地和盐荒地秋浇期土壤盐分均被淋洗。

图8 2019年地下水矿化度变化Fig.8 Variation of groundwater salinity in 2019

图9 2020年地下水矿化度变化Fig.9 Variation of groundwater salinity in 2020

图10 10#观测井(YH4)地下水矿化度变化Fig.10 Variation of groundwater salinity of 10# observation well (YH4)

由此可见，地下水矿化度主要受灌溉和地形地貌的影响，耕地地下水矿化度在3.0 g·L-1以下，盐荒地中心区域地下水矿化度平均在8.5 g·L-1左右，地下水盐分随着地下水的流动而迁移，盐荒地为耕地的排水排盐区域，具有明显的调节盐分平衡的作用。

3 讨论与结论

本研究在盐荒地不同位置布设了地下水位观测井，观测数据表明，不同观测井所在位置的盐荒地土壤含盐量及地下水矿化度差异性较大。如离耕地较远位置的10#、12#观测井周围的盐荒地土壤含盐量和地下水矿化度较大，而与耕地交界附近的5#、6#观测井的盐荒地土壤含盐量及地下水矿化度较小，表明不同地形地貌对盐荒地的水盐分布具有较大的影响。李亮等[22-23]在河套灌区解放闸灌域开展了耕、荒地水盐运移规律的研究，其研究的是田间尺度下的耕、荒地水盐运移规律，研究范围较小，盐荒地地形地势较平整，不同盐荒地位置上的土壤含盐量及地下水矿化度差异性较小。刘显泽等[9]及陈爱萍等[24]在河套灌区义长灌域开展了盐荒地水盐运移规律的研究，但盐荒地上只布设了1眼观测井，观测井数量较少，并不能完全代表盐荒地在不同位置上土壤含盐量及地下水矿化度的大小。河套灌区的盐荒地插花式斑状分布于灌区内，其规模大小和地形地貌不一。本研究选择的盐荒地与耕地相比，地势较低洼，坡度较大，盐荒地面积也较大，是河套灌区比较典型的盐荒地类型，具有较好的代表性。在耕地人工排水不畅的情况下，盐荒地为耕地起到排水排盐的作用。因此，本研究所得的耕、荒地水盐运移规律在河套灌区相对来说更具有代表性。通过上述分析与讨论，可以得到的主要结论：

1)耕地土壤含水率比盐荒地土壤含水率变化更剧烈。耕地土壤含水率的主要影响因素是灌溉及降雨、作物生长、地下水位埋深和土壤质地；盐荒地土壤含水率的主要影响因素是耕地灌溉和地下水位埋深。

2)耕地土壤含盐量在3.5 g·kg-1以下，为轻度盐碱化土壤，土壤盐分主要累积在表层土壤，表层土壤含盐量变化范围为0.3～3.5 g·kg-1，耕地土壤含盐量的主要影响因素是灌溉和作物生长。盐荒地土壤含盐量较大，盐荒地中心区域的土壤含盐量在4.0～10.0 g·kg-1，为重度盐碱化土壤，盐荒地土壤含盐量的主要影响因素是地形地貌和地下水位埋深。

3)盐荒地地下水位埋深低于耕地，盐荒地地下水矿化度高于耕地。耕地与盐荒地地下水位埋深及矿化度的主要影响因素是灌溉和地形地貌，耕地地下水矿化度在3.0 g·L-1以下，为微咸水，盐荒地中心区域地下水矿化度平均在8.5 g·L-1左右，为重度咸水。盐荒地为耕地重要的排水排盐区域。

4)河套灌区零星状分布于耕地间隙的盐荒地是耕地的水盐排泄区域，具有明显的调节盐分平衡的作用，维持着灌区盐分的动态平衡，是河套灌区不可缺少的土地类型。