干旱灌区农田土壤水盐分布特征及其对地下水响应

李 娜，岳卫峰，龚培昌，廉 雪，闫 超

（1.中国灌溉排水发展中心，北京100054；2.北京师范大学水科学研究院，北京100088；3.云南省曲靖市罗平县水务局，云南曲靖655800；4.北京市自来水集团有限责任公司基建工程管理分公司，北京100011）

0 引 言

土壤水是农作物和其他自然植被的主要水源，也是微量元素及土壤肥料的主要载体，维持着全球初级生产力形成的能量平衡和物质传输[1,2]。盐是土壤的重要组成部分，微量的盐分可以促进植物的生长、提高产量，但过量的盐分会抑制植物的生命代谢过程，甚至致其死亡[3]。灌区土壤水盐含量及水盐分布特点是灌区农业可持续发展的重要影响因素。

近年来，国内外学者对我国西北干旱灌区土壤盐渍化问题进行了大量研究。研究结果表明：长期引水灌溉会抬高地下水位，而潜水埋深是影响土壤积盐的主要因素，在地下水埋深较浅的干旱、半干旱灌区，盐分在土壤剖面中表现为极强的表聚性，往往呈“T”型分布[4,5]；毛管上升作用是促使土壤中可溶性盐到达土壤表面的主要动力，而毛管的输水能力在很大程度上决定于土壤质地，土壤剖面结构是土壤水盐运移的主要影响因素[6]；灌溉水质、灌水方式直接影响灌区土壤的积盐程度，缺乏有效排水和淋盐的情况下，矿化度较高的灌溉水会造成土壤含盐量的明显增大[7,8]；灌溉前后土壤水、盐含量差异明显，灌溉后土壤水分得到充分补充，表层土中的盐分被淋洗到深层，使得土壤剖面水、盐含量进行再分布[9,10]。

内蒙古河套灌区是黄河流域特大型灌区之一，也是我国重要的商品粮生产基地。然而极端干旱的气候条件和大水漫灌的灌溉方式，使得土壤次生盐渍化问题成为影响河套灌区生态环境改善和水土资源可持续利用的重要因素[11]。另外，平缓的地形条件、强烈的蒸发蒸腾和过量的大水漫灌形成了水分以垂直运动为主的迁移转化特征。前人对该地区土壤盐渍化问题已有不少研究，李亮等运用HYDRUS-1D软件对荒地土壤水盐迁移变化趋势进行模拟，指出荒地是灌区的储盐库，是水盐平衡的重要调节因素[12]；彭振阳等对冻融期田间土壤盐分运动规律进行了详细分析，指出秋浇的排盐作用主要体现在冻结初期，冻结期土壤储盐总量变化不大，返盐过程主要发生在消融期[13]；管孝艳等研究了沙壕渠灌域土壤盐分的空间变异特征及地下水埋深对土壤盐分分布的影响，指出土壤盐分变异性强、具有自相关性，地下水埋深与土壤盐分间呈指数函数关系[14]。此外，学者们对于河套灌区盐渍化土壤的改良及防治也做了一些研究[15-19]。纵观已有关于河套灌区土壤盐渍化的研究，多集中于土壤全盐的动态变化分析，对农田尺度不同土地利用类型和不同质地剖面土壤盐分的连续变化特征及其与土壤水、地下水相关关系的研究较少。因此，为揭示河套灌区土壤剖面水盐的变化规律及其主控因素，本文选择内蒙古河套灌区一试验区，对试验区0～150 cm 土壤剖面的水分和盐分进行了连续监测，分析了不同土地利用类型土壤剖面水盐的变化特征及盐分离子组成特点，探讨了灌溉、蒸发以及土壤质地对水盐迁移的影响。研究结果可为内蒙古河套灌区盐渍化防治和水土资源可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古河套灌区义长灌域东部，地理位置为北纬41°02′30″～41°05′00″、东经108°22′30″～108°26′15″（见图1）。试验区总土地面积为1.34 km2，其中灌溉面积为1.08 km2。境内地势为西北高东南低，南北坡降1/8 000～1/10 000，东西坡降1/5 000～1/7 000，地貌形态为黄河冲积、湖积平原。试验区气候具有中温带大陆性气候特征，冬季严寒干燥，夏季炎热少雨。年平均气温6.1 ℃，年均降水量177.5 mm，年均蒸发量2 041.1 mm。全年盛行东北风，年均风速2.7 m/s。区内地下水以潜水为主，埋深浅，一般多小于2 m，是我国土壤次生盐渍化发生的典型地区。

试验区2013年全年降水、灌水及地下水埋深变化见图2。

图2 试验区2013年降水、灌水及地下水埋深变化

1.2 试验区土壤基本物理性质

试验区土壤质地以粉黏壤土为主，大致可分为4 层：0～10 cm 为粉黏壤土，10～30 cm 为粉壤土，30～100 cm 为粉黏壤土，100～150 cm为粉黏土，见表1。

表1 试验区0～150 cm土壤基本物理性质

1.3 试验方法

试验区共布设6 眼监测井，其中1、2、3、5、6 号监测井位于耕地，4号监测井位于荒地，各监测井位置如图1所示。

图1 试验区及监测点位置示意图

（1）地下水位动态观测：灌溉期（5-11月）为每5 天1次，分别为每月的1日、6日、11日、16日、21日、26日，冻融期（12-4月）每10天1次，即1日、11日、21日。

（2）土壤水分、盐分测定：在每个观测井附近分5层进行采样，采样深度分别为10、30、70、100、150 cm，灌溉期每月采样3 次，非灌溉期每月采样一次；八大离子（CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Na+、K+）每月测定一次。

1.4 土层储盐量计算方法

第i层土壤单位面积（1 m2）的储盐量采用下式计算：

式中：Sji为第j次取样时第i层土壤的储盐量，g；hi为第i层土壤的厚度，cm；ρi为第i层土壤的干容重，g/cm3；Cj i为 第j次取样时第i层土壤的全盐含量，g/kg，i=1，2，…；j=1，2，…。

2 结果与分析

2.1 土壤水分含量动态变化特征

土壤含水量是影响农作物生长的重要指标[20]。运用Origin 9.0 软件绘制试验区2013年土壤含水率变化趋势图，见图3。可以看出，各监测点土壤含水率分布范围、变化规律相似，无显著差异；但埋深不同的各层土壤之间，其含水率随时间变化的趋势差异显著。总体而言，浅层土壤含水率变化幅度较大，随土层深度的增加，含水率的变化幅度渐减小。其中，10 cm 层和30 cm 层土壤含水率具有明显的季节性变化特征：1-3月份含水率较高，大致在20%～60%之间变化，这一时期其土壤含水率在5 个不同埋深的土层中处于较高水平；4月初至秋浇前含水率相对较低，大致在0%～30%之间变化，几乎一直处于各层中的最低水平，且这段时间内土壤含水率变化快，增减频繁；秋浇后，土壤含水率迅速增大。处于中间一层的70 cm 层，其土壤含水率变化趋势与浅层（10、30 cm）相似，但变化幅度相对较小，季节性变化特征不明显。100 cm 层和150 cm 层土壤含水率相对稳定，大致在20%～40%之间变化，无明显的季节性变化特征，4月初至秋浇前，土壤水分含量明显高于其他各层。

图3 各监测点2013年土壤水分含量动态变化

2.2 试验区土壤全盐及离子变化特征

2.2.1 土壤全盐及离子垂向分布特征

盐渍土的水溶性盐分总量（全盐）及离子组成，是反映盐渍土形成与分布规律的主要特征，也是影响作物生长发育的主要限制性因素[19]。因此，在盐渍土地区，测定土壤中水溶性盐分总量和组成，可以了解土壤盐渍化程度和盐分分布动态，为改良土壤、调整种植结构提供依据。对不同土层的全盐及离子含量进行比较，可以清楚地显示试验区土壤盐分离子的垂直分布状况。

由表2可知，试验区各层土壤全盐的特征参数值存在明显差异。从平均值来看，各层土壤含盐量均值在1.32～3.44 g/kg之间变化，含盐量偏高。其中，10 cm 层含盐量最高，随土层深度的增加，土壤含盐量逐渐减小后趋于稳定，层与层间的差异也逐渐减小，150 cm 层土壤含盐量稍大于100 cm 层。可见，土壤含盐量在垂向剖面上的分布表现为明显的表聚性，这主要是由研究区特定的气候、水文条件所致。从变化幅度来看，10 cm 层土壤含盐量变化幅度最大，最大值与最小值之比为37.69，变异系数为135.08%，表现为强变异性；随土层深度的增加，全盐变化幅度逐渐减小，变异系数由135.08%减小至35.97%，变异性由强转为中等。这主要是由于浅层土壤受蒸发、蒸腾、降水、人为耕作等因素影响大，埋深增大后，影响因素减少、影响程度减小而造成的。

土壤盐分由多种可溶性盐分离子组成，盐分离子的组成直接影响土壤理化性质。由表2 可知，各层土壤中HCO3-、Ca2+、Mg2+的变异系数均相对较小，表明它们在土壤中的含量相对稳定；、Cl-、SO42-、和Na++K+的变异系数相对较大，在各层土壤中均表现为强变异性，表明它们在土壤中的含量时空变异性较大，说明它们是随时空变化的敏感性因子，是影响土壤积盐与脱盐的主要因素。各层土壤中CO32-、Ca2+、Mg2+含量的平均值均不超过0.1 g/kg，含量较低，因此，研究区土壤盐分阴离子以HCO3-、Cl-、SO42-为主、阳离子以Na+、K+为主。土壤盐分离子含量的剖面分布特征与全盐的剖面分布特征相似，随土层深度的增加，其含量逐渐减小，但各层土壤中不同离子占全盐的比例存在显著差异。经计算可知，随土层深度的增加，SO42-和Na++K+的质量分数占全盐的比例逐渐减小；HCO3-所占比例逐渐增大；Cl-所占比例基本不变。可见表层土壤中的盐分以氯化物和硫酸盐为主，随土层深度的增加，逐渐转变为以重碳酸盐、氯化物、硫酸盐为主。

表2 不同层次土壤盐分离子的统计特征参数

2.2.2 土壤水盐及地下水埋深的相关性分析

表3～表5 分别为试验区0～30、30～100、100～150 cm 土层的土壤含盐量、含水率、盐分离子含量与相应的地下水埋深之间的相关关系矩阵。可以看出，地下水埋深与土壤含水率之间表现为负相关关系，且随土壤埋深的增加相关系数绝对值逐渐增大，说明地下水埋深增大，土壤含水率随之减小，且深层土壤较浅层土壤受之影响大；地下水埋深、土壤含水率与土壤含盐量、各盐分离子含量间基本呈负相关关系，但相关系数绝对值均小于0.30，相关度低，说明土壤含盐量及各离子含量与地下水埋深、土壤含水率成反比，但受之影响较小。

各盐分离子间的相关性可在一定程度上反映出土壤盐分的运动趋势和形成原因。由表3可知，0～30 cm土层中土壤全盐除与Ca2+、Mg2+相关性不显著外，与其他离子均显著相关，其中与CO32-、Cl-、SO42-、和Na++K+的相关系数均大于0.80，相关性极显著，说明在0～30 cm 土层中土壤含盐量主要受、Cl-、SO42-、和Na++K+含量的影响。各阴阳离子间，、HCO3-、Cl-、SO42-这4 种阴离子与Ca2+、Mg2+之间的线性相关关系不显著；CO32-、Cl-、SO42-与Na++K+的相关性极显著，而HCO3-与Na++K+低度相关。结合2.2.1 分析可知，0～30 cm土层中的盐分是以钠、钾盐为主的硫酸盐和氯化物。

表3 0～30 cm深度土壤各盐分离子相关性分析

由表4可知，30～100 cm土层中土壤全盐与各盐分离子间均为正相关，与HCO3-、Ca2+、Mg2+的线性相关关系不显著，与CO32-显著相关，与Cl-、SO42-、和Na++K+极显著相关，说明在30～100 cm 土层中土壤含盐量受Cl-、SO42-、和Na++K+含量的影响较大。各阴阳离子间，CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-这4 种阴离子与Ca2+、Mg2+之间的线性相关关系仍不显著；CO32-与Na++K+显著相关，Cl-、SO42-与Na++K+极显著相关，HCO3-与Na++K+相关度低。

表4 30～100 cm深度土壤各盐分离子相关性分析

由表5 可知，100～150 cm 土层中土壤全盐与各盐分离子间均为正相关，与Cl-、SO42-、和Na++K+极显著相关，与其他各盐分离子的线性相关关系不显著。各阴阳离子间，CO32-、HCO3-、Cl-与Ca2+、Mg2+之间的线性相关关系不显著，SO42-与Ca2+、Mg2+显著正相关；CO32-、HCO3-与Na++K+之间的相关关系不显著，SO42-与Na++K+显著正相关，Cl-与Na++K+极显著正相关。

表5 100～150 cm深度土壤各盐分离子相关性分析

对比不同土层各盐分离子之间相关性可知，土壤全盐与各盐分离子间呈正相关关系；0～150cm 的各层土壤中Cl-、SO42-、和Na++K+均为土壤全盐的主要影响因素；随土层深度的增加，对土壤全盐影响较大的CO32-、Cl-、SO42-、和Na++K+与全盐的相关系数均逐渐减小，而对全盐影响较小的Ca2+、Mg2+与全盐的相关系数逐渐增大，可见，土壤含盐量的影响因素随土层深度的增加而有所变化。各个土层中HCO3-与全盐及其他离子间的相关系数绝对值均小于0.5，相关性不显著，结合2.2.1 的分析可知，虽在各土层中HCO3-的含量均较高，但其对土壤含盐量、各离子含量的影响较小。随土层深度的增加，与Ca2+、Mg2+由不显著相关转变为显著正相关，可见，深层土壤中的硫酸盐，除含有大量钠盐、钾盐外，仍含有少量钙盐、镁盐。

2.2.3 不同样地土壤剖面盐分特征分析

选取试验区6 个采样点耕层（0～30 cm）土壤盐分数据，根据我国盐渍化土壤类型划分标准，分别分析试验区6个采样点0～30 cm层土壤盐渍化类型及土壤盐渍化程度，结果如表6所示。从阴离子组成来看，4 号监测点Cl-和SO42-含量的差异最显著，Cl-/SO42-的比值为2.65，属于氯化物型盐渍土，而其他5个监测点均属于氯化物和硫酸盐的混合型盐渍土；从阳离子组成来看，规律相似，仅4 号监测点属于钠盐型，而其他5个监测点盐渍化类型均为混合型。从土壤盐渍化程度来看，耕地监测点中1 号监测点耕层土壤为中度盐渍化，其他4 个耕地监测点耕层土壤均为轻度盐渍化，位于荒地的4号监测点盐渍化程度最高，属于盐土。

表6 试验区耕层土壤盐渍化类型及盐渍化程度

为进一步比较0～150 cm 埋深内各采样点土壤全盐量的差别，绘制了不同采样点的剖面土壤含盐量图，见图4（横坐标为各监测点编号）。

图4 试验区不同样地剖面土壤含盐量

由图4 可知，位于荒地的4 号监测点各层土壤含盐量均明显大于其他5个耕地监测点，其中10 cm层差异最明显，30 cm层次之，随埋深增加，耕、荒地土壤含盐量差异逐渐减小。经计算可知，由浅入深，4号监测点各层土壤2013年全年平均含盐量分别为对应位置耕地5 个监测点平均值的6.7、4.3、2.7、1.9和1.7倍。耕地各监测点中，1号监测点土壤含盐量最高、6 号次之，2 号、5 号土壤含盐量相差较小但均明显大于3号。总体而言，试验区耕地0～150 cm 土层土壤盐分含量西北高、东南低，与地势变化趋势一致。

2.2.4 农田土壤全盐动态变化特征

为了解农田不同时期土壤盐分及储盐量变化，计算了农田5 个监测点土壤含盐量平均值，并采用公式（1）计算了单位面积（1 m2）不同深度土层的储盐量，如图5所示。

由图5 可知，表层（10 cm）土壤含盐量几乎全年都处于各层土壤中的最高值，表聚性明显。从变化幅度看，10 cm 层土壤盐分含量变化幅度最大，30 cm 层次之，变化趋势与之相似，而70、100、和150 cm 层变化幅度相对较小；纵观全年，10 和30 cm 层盐分含量具有明显的季节性变化特征，其中1、2、3、11、12月份变化幅度相对小，4-10月份变化幅度相对较大。究其原因：土壤盐分随时间变化是由蒸发、灌溉、降水、地下水位变动等多种因素造成，对比图2 和图5 可发现经过水量较大的灌水或降水后，所对应的浅层土壤盐分均有不同程度的下降，无降水或灌水时浅层土壤含盐量持续升高，而深层土壤受之影响较小；12月到翌年3月试验区处于封冻状态，土壤水运移速率低，盐随水动，促使这段时间内土壤盐分含量相对稳定；4-10月份处于作物耕作期，试验区蒸发蒸腾量大，人为灌溉、耕作活动频繁，降水也集中在这段时间内，土壤水运动活跃，土壤盐分含量变化频繁。由此可见，浅层土壤受外界因素影响较大，所以其具有季节性变化规律且变化幅度大[21]。

图5 试验区2013年农田土壤全盐动态变化特征

从土层储盐量看，0～150 cm 各层土壤的储盐量随时间变化趋势基本一致。从1月1日至2月16日为冻结期，在冻结的作用下各层土壤储盐量均有不同程度的增加；从2月16日至5月6日为消融期，盐分运动受多重因素影响，运动规律复杂，土壤储盐量有增有减；从5月6日至10月26日为耕作期，气候炎热、干旱，降水、灌水频繁，地下水位波动大，土壤储盐量增减频繁。试验区秋浇在11月7日至11月11日进行，秋浇后直至12月中旬试验区地表严重积水，12月16日测得0～30、30～100 和0～150 cm 土层土壤储盐量均明显增加，仅100～150 cm 土层土壤储盐量略有下降。从排盐效果看，当土壤储盐量较高时，灌水淋盐的效果较好，反之淋盐效果差；而当地表产生积水时，由于灌溉水含有一定盐分（约0.4 g/kg），土壤储盐量不但不降，反而会有不同程度的增加。由于降雨量较小，0～150 cm 土层土壤储盐量几乎不受降水影响，主要受灌溉和地下水位的影响。所以，加强灌区排水设施建设、控制地下水埋深对灌区排盐意义重大。

3 结 论

（1）随土壤深度的增加，土壤含水率受灌溉、降水、蒸发、蒸腾等外界因素的影响逐渐减小，受地下水埋深的影响逐渐增大，深度不同的土层之间土壤含水率的变化趋势差异显著。10、30 cm 层土壤含水率变异性强，季节性变化特征明显；100、150 cm 层土壤含水率相对稳定，变化范围较小，大概在20%～40%之间变化。

（2）土壤全盐和各盐分离子在垂向剖面上的分布呈现为明显的表聚性，盐分组成中阴离子以HCO3-、Cl-、SO42-为主、阳离子以Na+、K+为主，各土层土壤盐分及离子含量的时空变异性大。相关性分析表明：土壤全盐和各离子含量与地下水埋深、土壤含水率成反比；土壤全盐与各离子含量基本呈正相关，与Cl-、SO42-和Na++K+极显著正相关；随土层埋深的增加，土壤全盐的离子影响因素逐渐增多。（3）受灌溉和蒸发的影响，0～30 cm 土层土壤含盐量变异性强，尤其是在作物生长期（4-9月）盐分增减较为频繁。而深层土壤盐分主要受地下水埋深影响，含盐量呈弱变异性。另外，冻结作用会促进盐分向上运动，造成冻结期浅层土壤盐分有所增加，加强冻结之前的排水排盐尤为重要。