局部秋浇条件下冻融期“秋浇-春灌”农田土壤水盐归趋研究

2023-09-07范理权史海滨闫建文李仙岳李慧祥

灌溉排水学报 2023年8期

范理权，史海滨，闫建文*，李仙岳，窦旭，祁茜，李慧祥

（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.内蒙古河套灌区水利发展中心义长分中心沙河所渠供水所，内蒙古巴彦淖尔 015100）

0 引言1

内蒙古河套灌区是我国典型的干旱地区，是亚洲最大的一首制平原引水灌区[1-2]。该灌区每年作物收获后均需进行秋浇，以实现土壤保墒和压盐。随着节水改造工程的实施，灌区年平均引水量减少20%[3]，秋浇面积大幅度缩减，春灌面积增加[4]。春灌农田受到种植制度和农民种植意愿的影响，表现为插花状的空间分布特征，且面积差异较大。

灌区明沟排水不健全且塌坡严重导致排水和排盐能力较差[5]。秋浇后地下水位上升显著，秋浇与非秋浇农田在局部秋浇后存在水位差，为水盐迁移提供了驱动力。冻结前不进行秋浇的农田在第二年会进行春灌，秋浇后至翌年春灌前土壤会经历冻融期。冻融过程中，秋浇与非秋浇农田土壤的物理性状和水盐运移规律存在差异，由此引发了新的水盐分布问题，需要进一步分析，以指导当地秋浇和春灌的实施。

【研究进展】虎胆·吐马尔白等[6]通过冻融期覆盖探究了土壤水盐时空动态变化规律。李瑞平等[7]基于SHAW 模型提出不同盐渍化土壤的秋浇节水灌溉制度。马睿等[8]对义长灌域土壤冻结过程中的地下水向冻土层的迁移量进行了估算。毛俊等[9]探究了盐分对季节性冻融土壤蒸发的影响规律。富广强等[10]研究了季节性冻融期盐荒地的水盐运移规律。张殿发等[11]对冻融条件下土壤水盐迁移机理进行了研究，认为冻融过程中盐分的迁移受温度梯度、盐分浓度梯度及温度影响。彭振阳等[12]针对内蒙古河套灌区局部秋浇条件下农田土壤水盐运移的特殊性进行了研究。此外，以往针对土壤冻融过程的水、热、盐变化规律也开展了大量研究[13-14]。【切入点】在河套灌区秋浇面积减小、春灌面积增加的趋势下，局部秋浇灌溉将直接影响秋浇农田土壤的水盐状况，进而影响翌年的春灌制度。【拟解决的关键问题】鉴于此，本研究开展局部秋浇条件下冻融期“秋浇-春灌”农田土壤水盐归趋研究，明确局部秋浇条件下冻融期土壤水盐迁移规律，为局部秋浇经历冻融过程后的翌年春灌农田灌溉制度提供理论依据。

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五原县屈二红圪旦（41°07′46.98″N，108°12′38.40″E，海拔1 020 m），属义长灌域广胜西支渠控制范围。试验区地处季节性冻融区，土壤于每年的11 月中下旬开始冻结，在5月中旬冻土层全部消融，冻融历时约180 d。试验区年平均最高气温为14.8 ℃，年平均最低气温为1.6 ℃，年平均降水量为136.3 mm，年平均蒸发量为1 937.9 mm，日照时间为266 h。风速在2.5～3 m/s 之间变化，地下水埋深在1.6～2.1 m 之间变化。试验区土壤为中度盐渍化土壤，主要土质为粉土及粉壤土。试验区土壤理化性质见表1。

表1 试验区土壤理化性质Table 1 Test area soil physical properties table

1.2 试验设计与数据采集

试验持续时间为2021 年9 月24 日—2022 年5 月7 日。试验区东西宽50 m，南北长40 m，总面积为0.2 hm2，秋浇和春灌农田各占试验区面积的50%。试验区西侧为2021 年进行秋浇灌溉的农田（以下简称秋浇农田），东侧为2022 年进行春灌的农田（以下简称春灌农田）（图1）。2021 年11 月23 日—12 月24日为冻结期Ⅰ，2021 年12 月25 日—2022 年2 月17日为冻结期Ⅱ，2022 年2 月18 日—3 月25 日为消融期Ⅰ，2022 年3 月26 日—4 月20 日为消融期Ⅱ。

图1 研究区和采样点分布示意Fig.1 Study area and sampling point distribution map

土壤温度采用HZR8T 四路土壤温度记录仪自动监测，每隔2 h 记录1 次。监测深度为田面以下0、10、20、40、60、80、100 cm。在5 眼地下水观测井中放置HOBO 水位观测计，在秋浇和春灌农田中心观测井中放置HOBO 水质观测计，每12 h 记录1 次地下水的水位和盐分浓度。

采用土钻法采集0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 土层的土样。分别在10 月20 日进行秋浇、11 月8 日进行秋浇后、翌年5 月6 日进行春灌前取样；此外，在冻融期每隔10～15 d 取1 次土样，试验期间共计取样16 次。每次取样后利用烘干法测定土壤质量含水率，并将烘干土样粉碎过筛，取5 g 干土和25 g 蒸馏水按1∶5 的土水比混合后搅拌、离心，将离心后的提取液用电导仪（DDS-307A型）测定土壤EC。

用梯形量水堰测定秋浇水量，并收集灌溉水，用电导仪测定EC。10 月30 日，研究区进行秋浇，秋浇水量约为225 mm。灌溉水平均矿化度为0.55 g/L。

1.3 研究方法

土壤电导率转换为土壤全盐量的计算式为[15]：

式中：C为土壤全盐量（g/kg）；EC1:5为土水比1∶5的土壤浸提液电导率（dS/m）。

地下水EC和矿化度（TDS）的转换式为[16]：

式中：TDS为地下水矿化度（g/L）；EC为地下水电导率（dS/m）。

土壤积盐率为0～100 cm土层剖面某一时期与前一时期相比土壤含盐量的增加率，计算式为[17]：

式中：t为土壤积盐率（%）；Wi为第i时期土壤含盐量（kg/hm2）；Wi-1为第i-1时期土壤含盐量（kg/hm2）。

土壤脱盐率为0～100 cm 土层剖面在灌溉后某一时期与灌溉前相比土壤含盐量的减少率，其计算式为[18]：

式中：ω为土壤脱盐率（%）；St为灌溉后某一时期土壤含盐量（kg/hm2）；S0为灌溉前土壤含盐量（kg/hm2）。

采用式（5）计算第j次取样时第i层土壤单位面积的储盐量[19]：

考虑一维条件下的各土层盐分平衡，土层内储盐量的增加量与其流入与流出量之差相等，计算式为[19]：

1.4 数据处理

采用 Microsoft Excel 2016 软件进行数据分析，利用 Surfer 12.0 绘制土壤水分和盐分的时空分布图。

2 结果与分析

2.1 秋浇-非秋浇（翌年春灌）农田土壤温度变化特征

由图2 可知，随着土层深度的增加，在冻结和消融过程中土壤温度随时间的变化均表现出滞后效应，滞后时间随着土层深度的增大而增加。随着土层深度的增加，冻结过程中，温度降幅逐渐变小；消融过程中，温度涨幅逐渐变大。

图2 秋浇-非秋浇（翌年春灌）农田土壤温度变化Fig.2 Temperature changes of each layer of autumn watering - non-autumn irrigation (spring irrigation the following year)

局部秋浇后1 周，秋浇和春灌农田各土层平均温度和秋浇前1 周相比均发生了不同程度的降低，秋浇农田平均温度降幅为0.38～1 ℃；春灌农田平均温度降幅为1.28～2.38 ℃。由于秋浇农田表面存在隔水层，具有一定的保温作用，因此秋浇农田降幅小于春灌农田。随着土层深度的增加，秋浇农田土壤温度降幅逐渐变大，而春灌农田降幅逐渐变小。冻融过程中，秋浇和春灌农田仅0～60 cm 土层存在负温。在冻结过程中，秋浇农田0～60 cm 土层温度降至0 ℃历时50 d，而春灌农田历时82 d。在消融阶段，秋浇农田0～60 cm土层温度升至0 ℃历时55 d，而春灌农田历时41 d。其中，春灌农田40 cm 深度处的土壤温度降至0 ℃相比秋浇农田迟8 d，60 cm 深度处的土壤温度降至0 ℃相比秋浇农田迟23 d。受到上层冻土的阻碍，春灌农田在冻结期Ⅱ的土壤含水率增加主要是由灌溉水渗流所导致，所以春灌农田随着土层深度的增加温度降至0 ℃的时间要迟于秋浇农田。

2.2 秋浇-非秋浇（翌年春灌）农田地下水埋深及矿化度变化

由图3（a）可知，局部秋浇后，地下水位达到最高，秋浇、春灌农田平均地下水埋分别为0.47、0.60 m。冻结期Ⅰ末，地下水位开始下降；翌年3月初，水位降至最低，此时秋浇和春灌农田平均地下水埋深分别为2.06、2.17 m。消融期Ⅰ结束，水位再次上升，秋浇和春灌农田平均地下水埋深分别为0.84、0.82 m。由图3（b）可知，秋浇开始后，秋浇和春灌农田的地下水矿化度开始提高，而后趋于下降。在局部秋浇后至冻结期Ⅰ末，秋浇和春灌农田地下水位之间相互波动变化，冻结期Ⅰ中12月2—4日、12月15—17日和12月21—23日3个时段的春灌农田水位高于秋浇农田。

图3 秋浇-非秋浇（翌年春灌）农田地下水埋深和矿化度的动态变化Fig.3 Dynamic changes of groundwater depth and mineralization degree of farmland under autumn watering and non-autumn

2.3 秋浇-非秋浇（翌年春灌）农田土壤剖面含水率时空变化特征

由图4可知，秋浇后，秋浇农田0～20 cm土层含水率增加74.81%，为春灌农田的2.24倍。冻结期Ⅰ，随着土壤温度的降低，秋浇农田0～40 cm土层含水率相比秋浇后增加41.76%。在冻结期Ⅱ，秋浇农田20～80 cm土层含水率增幅为7.04%～40.18%。消融期Ⅰ的秋浇农田0～100 cm土层含水率相比冻结期Ⅱ减少10.44%。由于冻土层尚未融通，因此该时期土壤含水率没有明显减小。进入消融期Ⅱ，随着冻土层逐渐融通，秋浇农田0～80 cm土层含水率相比消融期Ⅰ减少16.35%，而80～100 cm土层含水率增加12.46%。

图4 秋浇-非秋浇（翌年春灌）农田土壤剖面含水率分布Fig.4 Distribution of soil moisture content in autumn watering - non-autumn irrigation (spring irrigation the following year)

由于春灌农田没有进行秋浇灌溉，因此主要受灌区地下水位整体上升和灌溉水侧向渗流的影响。0～100 cm土层含水率相比秋浇前增加19.91%。冻结期Ⅰ，春灌农田0～40 cm土层含水率相比秋浇后增加57.74%。冻结期Ⅰ秋浇和春灌农田之间的水位相互波动，且地下水会补给土壤水，因此该时期春灌农田0～40 cm土层含水率明显增大。消融期春灌农田含水率变化规律与秋浇农田基本一致。

经历冻融过程后，翌年春灌前，土壤含水率由表层至深层呈递增趋势，此时秋浇农田与年前秋浇前相比含水率增幅为春灌农田的2.96 倍，春灌农田0～100 cm 土层含水率平均增加8.62%，主要受到灌溉水渗流作用的影响。

2.4 秋浇-非秋浇（翌年春灌）农田土壤剖面盐分时空变化

由图5 可知，秋浇后，秋浇农田0～80 cm 土层脱盐率为18.45%～49.74%，80～100 cm土层积盐5.91%。秋浇农田在冻结期Ⅰ的20～40 cm 土层积盐4.05%，冻结期Ⅱ的40～60 cm 土层积盐10.71%，其他土层在整个冻结期均呈脱盐状态。在消融期Ⅰ，秋浇农田积盐47.32%。由于冻土层融化，水分释放会携带盐分，并且该时期冻层尚未彻底融通，故冻层和冻层以下土层盐分量增加。进入消融期Ⅱ，随着冻层的融通，秋浇农田和消融期Ⅰ相比0～80 cm 土层脱盐52.92%，而80～100 cm 土层积盐8.72%。

图5 秋浇-非秋浇（翌年春灌）农田土壤剖面盐分分布Fig.5 Soil cross-sectional salt distribution map of autumn watering-non-autumn irrigation (spring irrigation the following year)

春灌农田秋浇后，0～80 cm 土层脱盐57.44%，80～100 cm 土层积盐43.24%。由于春灌农田没有进行秋浇灌溉，造成其脱盐的原因是秋浇后地下水位上升，秋浇和春灌农田间水分存在水平侧向补给，使春灌农田土壤盐分得到了淋洗。春灌农田在冻结期Ⅰ积盐42.59%，由于冻结期Ⅰ秋浇和春灌农田之间水位相互波动，在水势梯度的作用下，秋浇农田水分通过侧向径流将盐分传输至春灌农田，导致其盐分量增加。冻结期Ⅱ春灌农田脱盐19.83%，地下水位的下降是造成春灌农田冻结期Ⅱ脱盐的主要原因。消融阶段春灌农田变化规律和秋浇农田基本一致。在消融期Ⅰ，春灌农田积盐27.12%。

经历冻融过程后，在翌年春灌前，春灌农田土层含盐量为秋浇农田的1.60倍。此时的秋浇农田与秋浇前相比1 m土层整体脱盐58.35%；而春灌农田0～60 cm土层脱盐17.29%；60～100 cm土层积盐41.59%。

2.5 秋浇-非秋浇（翌年春灌）农田盐分通量

由表2和表3可知，秋浇和春灌农田各时期不同深度土壤盐分运动方向存在较强的一致性，在秋浇期、冻结期Ⅰ和消融期Ⅰ盐分整体向下运动，其他时期盐分则整体向上运动。冻结期Ⅰ，受到秋浇灌溉的影响，秋浇农田各土层盐分通量为春灌农田的1.61～2.32倍。随着温度的持续下降，冻土层逐渐变厚，在冻结作用影响下，冻结期Ⅱ盐分整体向上运动。消融期Ⅰ，秋浇和春灌农田各土层盐分通量均随着土层深度的增大而增大，导致消融阶段土层积盐，秋浇农田各土层盐分通量为春灌农田3～15倍。消融期Ⅱ，随着土层逐渐融通，蒸发作用增强，春灌农田各层土壤养分整体向上运动，但60～100 cm土层盐分通量明显大于0～60 cm土层，导致深层土壤积盐。秋浇农田0～60 cm土层盐分通量随着土层深度的增加而减小，而春灌农田逐渐增加。

表2 秋浇农田各时期各土层盐分通量Table 2 The salt flux of each soil layer in each period of autumn watering farmland is divided g/m2

表3 春灌农田各时期各土层盐分通量Table 3 The salt flux of each soil layer in each period of spring irrigation farmland g/m2

由整个试验期盐分净通量可知，秋浇和春灌农田各土层盐分通量均为负值，但秋浇农田随着土层深度的增加，盐分通量逐渐增加，这说明秋浇农田经历冻融过程后，在翌年春灌前呈脱盐状态；春灌农田随着土层深度的增加先增加后减小，这也说明春灌农田存在深层积盐。

3 讨论

由于节水改造工程的实施，河套灌区引水量逐年减少，多年的水盐平衡体系被打破[18]，灌区内部盐分普遍重新分配。随着引水量的减少，秋浇面积减少，春灌面积相应增加[4]。局部秋浇后，灌溉和非灌溉农田是冻融期耕地盐分迁移发生的主要区域。

温度是土壤水分迁移的主要驱动力。局部秋浇后1 周与秋浇前1 周相比，秋浇农田0～100 cm 土层温度降幅为0.38～1.00 ℃；春灌农田温度降幅为1.28～2.38 ℃。秋浇农田灌溉后形成隔水层，具有一定的保温作用，导致秋浇农田温度降幅小于春灌农田[20]。本研究中，局部秋浇后1 周，随着土层深度的增加，秋浇农田温度降幅变大，春灌农田温度降幅变小。冻结过程中，秋浇农田0～60 cm 土层温度降至0 ℃相比春灌农田早30 d，消融过程中，秋浇农田0～60 cm 土层温度升至0 ℃相比春灌农田迟10 d。秋浇农田各土层最低温度均小于春灌农田，且随着土层深度的增加，温差变大。由于春灌农田没有进行秋浇灌溉，土壤含水率低于秋浇农田。

研究表明，水分在温度梯度下的运动决定了盐分的运动趋势[11]。在冻结期Ⅰ，秋浇农田0～40 cm 土层含水率相比秋浇后增加了41.76%；在冻结期Ⅱ，20～80 cm 土壤含水率增幅为7.04%～40.18%。冻结时，温度降低导致水分在土水势作用下向冻层迁移，非冻结层的水分向上层冻结区移动导致冻结层含水率增大，这与以往研究结果一致[11]。春灌农田在冻结期Ⅰ积盐42.59%，与以往研究结果一致[21-22]。目前，关于冻结过程中盐分的迁移规律尚不统一。研究表明，水分聚集的冻结层中未发生积盐[10]，反而呈脱盐状态[13,23]。本研究中，秋浇后和冻结期是秋浇农田脱盐的关键时期，并且秋浇农田在冻结期Ⅱ的脱盐率大于在冻结期Ⅰ的脱盐率，而春灌农田在冻结期Ⅱ脱盐19.83%。本研究中，冻结期Ⅱ地下水位开始下降，因此导致春灌农田在冻结期Ⅱ脱盐。研究表明，冻结前土壤溶液当中的盐分浓度梯度为正时，冻结层易积盐；当冻结前土壤溶液盐分浓度梯度为负时，冻结层易脱盐[24]。

由冻融期内各土层盐分净通量可知，秋浇和春灌农田各土层盐分净通量均为负值，但秋浇农田盐分通量随着土层深度的增加而增加，春灌农田随着土层深度的增加先增加后减小。土壤冻结过程中盐分迁移受土壤类型、初始含水率、土壤溶液浓度、盐分组成以及冻结温度等因素共同影响[11]。春灌农田与秋浇农田的相邻区域，在局部秋浇后经历冻融过程中，土壤水分和盐分受到了一定程度影响，秋浇不进行灌溉的农田第二年会进行春灌，因此，对于合理的春灌制度有待进一步研究。