水位调控下微咸水灌溉后包气带水盐运移特征

崔尚进， 刘鹏飞*， 聂振龙， 朱谱成， 耿新新

(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所， 石家庄 050061； 2.自然资源部地下水科学与工程重点实验室， 石家庄 050061)

西北干旱区是中国农业发展的主要区域之一，但区域内淡水资源短缺，土壤盐渍化和浅层水咸化问题严重制约了农业发展[1-2]。针对土壤盐渍化问题，一些地区为确保农业生产采用淡水漫灌的方式，虽起到了压盐的效果，但造成了淡水资源的浪费，并提升了地下水位，进一步加强了浅层水咸化问题[3]。而淡水资源短缺区域，多采用微咸水灌溉的方式，长此以往势必会加重土壤盐渍化问题[4-8]。包气带作为其中关键带，对于灌溉期间不同条件下包气带水盐运移规律的研究十分必要，为解决上述问题提供理论支撑[9-11]。

目前，对于土壤包气带水盐运移规律的研究已经取得一定成果。陈永宝等[12]通过新疆喀什地下水浅埋区原位试验定量分析了地下水埋深对土壤表层盐分的影响。常春龙等[13]采用田间试验和统计分析的方法发现土壤盐分与地下水埋深满足指数关系,相关性较好。李小倩等[14]在咸水条件下设立不同地下水埋深试验研究土壤表层水盐分布特征，结果表明浅层土壤溶液浓度随潜水位增加增大，潜水位1.2 m时达到最大。李炎[15]对不同灌溉方式下包气带土壤水盐运移特征进行研究，表明40 cm以上浅层土壤水盐随灌溉方式不同变化较大。刘小媛等[16]研究了中度盐渍化土壤采用间歇组合的灌溉方式下土壤水盐运移特征，结果表明先淡后咸组合灌溉方式脱盐效果更好。王志坤[17]通过HYDRUS软件模拟了不同灌溉模式下土壤水盐运移过程，表明沟灌模式下生育期土壤盐分低于畦灌模式。谭军利等[18]通过室内土柱试验的方式，研究微咸水灌溉和覆砂措施对土壤水盐运移的影响，结果表明覆砂措施可以有效抑制表层土壤盐分积累。马雅静[19]通过室内土柱试验和HYDRUS软件模拟的方式，对衡水市微咸水灌溉后包气带水盐运移规律进行研究，结果表明灌溉水矿化度对土壤含盐量的影响随埋深增加呈现减小趋势。通过以往研究发现，包气带土壤水盐运移影响因素有很多，但对于地下水位调控和微咸水灌溉双重因素影响下包气带水盐运移特征的研究较少。因此，以石羊河流域下游某一试验场地为例，对不同水位调控和微咸水灌溉双重因素下的包气带水盐运移规律进行研究，为缓解该区域灌溉用水压力和浅层土壤盐渍化问题提供一定的理论支撑。

1 试验场概况

选定试验场位于石羊河流域下游，处于农田和天然植被交界带，地理坐标为38°06′2.40″N，103°20′1.00″E。场地气候干旱，多年平均气温、降水量和蒸发量分别为9.4 ℃、123.60 mm和2 063.50 mm。试验场内农作物类型以玉米和食葵为主，天然植被类型主要以盐爪爪、芦草和红柳等荒漠化植被为主。根据试验场内钻孔数据，其岩性结构0～6 m为砂土，6～9 m为黏土，9 m以下为砂，因此将含水层划分为上下两层。其中上层潜水在强烈蒸发作用下咸化，矿化度达到6～9 g/L，下层是区内主要淡水开采层，矿化度为0.5～2 g/L。

2 试验设计及数据校正

2.1 试验设计

将试验场分为水位调控区和非水位调控区，如图1所示，每个区域又分为淡水和微咸水两种灌溉模式，如表1所示。在水位调控区内布设抽水井，用于地下水位的随时调控。为获取农田灌溉后包气带水盐动态变化过程，在试验场布设包气带监测剖面，对包气带土壤中的含水率和电导率进行监测。监测设备采用5TE土壤传感器测量土壤中的温度、含水率和电导率。在每个剖面处设置观测孔，孔内安装压力探头Diver用于观测剖面附近地下水位的变化情况。

图1 试验场分区图

表1 不同分区试验设计

2.2 数据校正

试验场布设6个包气带监测剖面，采用5TE土壤传感器测量，如图2所示。5TE土壤传感器测量体积含水率主要通过测量电压值，根据现有土壤含水率与电压值的关系公式进而换算体积含水率。仪器采用经验公式计算体积含水率的方法对于体积含水率小于50%的土壤，尤其是轻质砂土和壤土，测量精度较高，但对于土壤体积含水率高于50%时，测量误差较大。因此，为了确保仪器测量数据的准确度，对其监测的含水率数据进行校正。

图2 包气带自动监测点

试验场内包气带岩性主要分为三种，为粉土、黏土和砂土。每种岩性取样后烘干粉粹，用筛子过滤土壤中的杂物和碎石，然后放入准备好的塑料桶中。依次称取一定重量的水加入样品中搅拌均匀，制成含水率不同的鲜土，分别用传感器和烘干法测定土壤样品的原始电压值和土壤体积含水率，将两者进行拟合，得到不同岩性土壤体积含水率与原始电压的回归方程曲线如图3所示，根据每种岩性的关系曲线校正仪器测得的含水率。

图3 不同岩性校正曲线

3 数据分析

3.1 调控和非调控作用下水盐运移对比

3.1.1 淡水灌溉后调控和非调控区水盐运移对比

对淡水灌溉后调控区A剖面和非调控区D剖面包气带含水率数据分析，如表2和表3所示。不同区域内土壤包气带含水率的变化趋势大致相同，随灌溉后时间推移，浅层土壤含水率都是先急速增加后缓慢下降。A剖面灌溉3 d后浅层土壤含水率已经低于灌溉前，而D剖面依然高于灌溉前。灌溉8 d后，A剖面40 cm以上土壤含水率较灌溉前都减少了10%以上，D剖面与灌溉前变化不是很大。分析其原因，灌溉后期以蒸发作用为主，当水位埋深小时，地下水在毛细作用下不断向上运移补给上层土壤，而当调控后水位埋深变大，由于毛细力有限，相较于埋深小时，地下水对上层土壤的补给量减少，补给速率减慢。因此，水位调控大时浅层土壤含水率降低幅度也就更大，相应的潜水蒸发量小。

表2 A剖面包气带土壤含水率变化幅度

表3 D剖面包气带土壤含水率变化幅度

对淡水灌溉后调控区A剖面和非调控区D剖面包气带电导率数据分析如表4和表5，淡水灌溉8 d后，D剖面90 cm以上土壤电导率变化的幅度较小，105 cm和135 cm处土壤电导率较灌溉前有所增加，说明随着灌溉的进行，表层土壤盐分主要由浅层向深层运移。A剖面表层20 cm以上土壤电导率较D剖面有更大幅度的降低，达到了20%以上，说明地下水埋深大时，淡水灌溉后对表层土壤的淋滤作用更明显。同时120 cm和150 cm处土壤的电导率较灌溉前都有所减小，说明埋深大时，盐分向下运移更深。

表4 A剖面包气带土壤电导率变化幅度

表5 D剖面包气带土壤电导率变化幅度

通过以上分析对比发现，淡水灌溉后，调控区表层土壤含水率和电导率较非调控区都有较大幅度降低，同时调控后深层土壤的盐分也所有降低。由此说明，淡水灌溉后水位调控能起到减蒸抑盐的作用。

3.1.2 微咸水灌溉后调控和非调控区水盐运移

对微咸水灌溉后含水率数据分析如表6所示，非调控区C剖面包气带土壤含水率整体降低幅度都在1%以内，变化波动较小。而调控区B剖面中，浅层土壤含水率都有较大幅度的降低，40 cm以上土壤含水率减少幅度都在10%以上，而越往下接近潜水面含水率变化越小。

表6 微咸水灌溉后含水率变化

对微咸水灌溉后电导率数据分析如表7和表8所示，微咸水灌溉后，调控区B剖面40 cm以上土壤电导率有一定幅度减少，90 cm以下有小幅度增加。非调控区C剖面除20 cm处电导率有小幅度减小，其余都有小幅度增加。

表7 B剖面包气带土壤电导率变化幅度

表8 C剖面包气带土壤电导率变化幅度

通过以上数据对比发现，微咸水灌溉后，调控区表层土壤含水率较非调控区有较大幅度降低，而调控区电导率较非调控区40 cm以上浅层土壤有一定幅度的降低。由此，微咸水灌溉后的水位调控作用与淡水灌溉时相比，同样能起到减蒸抑盐的作用，但抑盐作用效果弱于淡水灌溉。

3.2 微咸水和淡水灌溉作用下水盐运移对比

研究区深部淡水资源有限，为缓解淡水使用压力，将浅层咸水和淡水混合后的微咸水用于灌溉。因此，试验场分为淡水灌溉和微咸水灌溉两种模式。

3.2.1 调控区微咸水和淡水灌溉作用下水盐运移对比

灌溉后含水率数据如图4所示，土壤包气带含水率的变化趋势大致相同，含水率变化幅度随深度增加而变小，90 cm以上变化较为明显，150 cm处基本无变化。随灌溉后时间推移，浅层土壤含水率都是先急速增加后缓慢下降。但是，B剖面总是比A剖面先达到峰值。分析原因，可能是微咸水中盐分离子含量更高，改变了土壤中的结构，增强了土壤入渗能力。由表9中数据发现，两个剖面总体变化幅度相差不大，40 cm以上土壤含水率降低幅度都在10%以上，随着深度的增加变化越小。

图4 调控作用下灌溉后土壤电导量变化

表9 调控区灌溉后含水率变化

对比表10中调控区不同模式灌溉后电导率数据，淡水灌溉后A剖面20 cm以上降低幅度达到了20%以上，20 cm以下都有不同程度的降低。微咸水灌溉后B剖面只有40 cm以上土壤有一定幅度的减小，40 cm以下土壤电导率有小幅度的增加。由此发现，在调控作用下，微咸水灌溉后对土壤的淋滤作用弱于淡水灌溉，但其上层土壤电导率依然减少。而农作物生长主要在60 cm以上土壤，微咸水灌溉后60 cm以上并不产生积盐效应，对农作物生长并不产生大的影响。

表10 调控区灌溉后电导率变化

3.2.2 非调控区微咸水和淡水灌溉作用下水盐运移对比

灌溉后含水率数据如表11所示，微咸水灌溉后C剖面各深度含水率变化很小均在1%以内，淡水灌溉后D剖面各深度含水率也都在3%以内。由此，不论是淡水或者微咸水灌溉在非调控区对土壤含水率变化影响都很小。

表11 非调控区灌溉后含水率变化

对非调控区灌溉后电导率数据如表12对比分析，微咸水灌溉后C剖面各深度电导率出现小幅度的增加，而淡水灌溉后D剖面浅层土壤电导率有小幅度的降低，深层135 cm处增长了18%。通过以上对比分析可以看出，微咸水灌溉后，在调控区主要植物耕种层的电导率降低，对植物生长不产生大的影响。在非调控区，耕种层盐分有小幅度的增加，长期如此可能会加重表层土壤盐渍化。

表12 非调控区灌溉后电导率变化

4 结论

通过试验场内调控区和非调控区不同模式灌溉试验得到如下结论。

(1)对土壤含水率而言，水位调控为主要影响因素。不论淡水和微咸水灌溉，水位调控都可起到减蒸抑盐的效果，但随着灌溉水电导率的升高，其抑盐效果不断减弱。

(2)对于土壤电导率，水位调控和灌溉水质都是其影响因素。微咸水灌溉后，进行水位调控可以减少盐分在浅层积累，使盐分向深部运移。

(3)在石羊河流域下游浅层地下水咸化和土壤盐渍化区，采用微咸水灌溉和地下水位调控相结合的方法，不仅能够提高浅层咸水利用率，而且能够有效缓解微咸水灌溉后土壤表层积盐问题。