河套灌区节水灌溉对土壤盐分累积规律的模拟研究

柯隽迪，黄权中，任东阳，冀乃超，黄冠华，徐 旭，吕玲娇(1. 中国农业大学中国农业水问题研究中心，北京 100083; 2．中国-以色列国际农业研究培训中心，北京 100083)

我国是一个水资源短缺的国家，水资源在空间分布上不均衡，具有南多北少，东多西少的特征。此外，节水作为我国的基本国策，农业节水更是其中的关键[1]。内蒙古河套灌区自从节水改造工程实施以来，引水量将从52亿m3减少到40亿m3[2]。滴灌能有效提高灌溉水分利用效率，但少量多次的灌溉难以将盐分淋洗到地下水中，可能导致表层土壤的盐分累计。因此，研究河套灌区滴灌作物土壤盐分累积对灌溉的响应规律有非常重要的意义。

国内外学者开展了较多的相关研究，郝远远等[3]在水盐运移模型HYDRUS-1D的基础上耦合了作物生长模型EPIC，建立了HYDRUS-EPIC模型，并结合GIS建立了分布式水文模型；李中昊等[4]通过野外监测实验发现土壤全盐量与年平均温度呈现一定相关性，且有明显的增加趋势；管孝艳等[5]结合GIS与统计学方法，由灌域土壤EC值分析了河套灌区沙壕渠地下水埋深对土壤盐分分布的影响，发现盐分随着地下水埋深增大而减小，且二者呈指数关系；张永平等[6]通过野外实验，探索最适合河套灌区的春小麦灌溉制度；范雅君等[7]研究了河套灌区膜下滴灌条件下玉米高产、节水的灌溉制度，发现玉米膜下滴灌灌溉定额为275～325mm；蒋贵英等[8]通过田间试验探索滴灌频率对西北地区滴灌小麦水分利用效率的影响，得出滴灌小麦采用375 mm的灌水量和7 d 1次的灌水频率较适合；杜斌[9]通过在河套灌区滴灌种植玉米和葵花，得到了最适宜当地的玉米和葵花滴灌制度，但是以上学者均未结合分析盐分累对地面灌溉以及滴灌的响应规律。本文以土壤盐分累积对不同灌水模式的响应规律为研究对象，通过田间取样并结合水盐运移模型模拟分析盐分累积规律，并在此基础上提出适合该地区控制土壤盐渍化的适宜措施。

1 研究区概况

河套灌区位于黄河中游，是中国最大的一首制灌区。灌区(见图1)属于典型的温带大陆性气候，地势平坦，海拔高度为1 007～1 050 m，西南较高，东北较低，自然坡降1/5 000～1/8 000；灌区多年平均降雨量为140 mm，而年平均蒸发量达2 056 mm，是典型的无灌溉便无农业的地区。灌区总土地面积112万hm2，现有耕地面积55.46万hm2，农牧用地占总土地面积的66.72%[10]。由于地下水埋深浅、灌排措施的限制，灌区土壤盐渍化问题较为严重。

图1 研究区示例Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

2.1 典型区的选取

为了分析河套灌区作物生育期的土壤盐分变化情况，选取典型研究区域采集土样分析本底值。典型区采用土钻法取样，取样深度为0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。土壤机械组成由激光粒度仪测定，为粉砂壤土。土壤含水率由烘干法测得，全盐量由1∶5的土壤/蒸馏水配比溶液测其电导率换算而来，换算所采样的经验公式为：SSC=EC1∶5×2.882/1 000+0.183[11]。土壤水力及溶质运移参数由Rosetta模型确定，灌区地下水埋深由地下水位观测井的数据得到。典型区的初始含水率以及盐分浓度见表1，土壤剖面水力参数以及溶质运移参数见表2，典型区的地下水埋深见图2。

表1 典型区0～100 cm的初始含水率以及盐分浓度Tab.2 Soil water content and salinity concentration in 0～100 cm profile of typical area

表2 河套灌区典型区的土壤水力特征参数以及溶质运移参数Tab.2 Soil hydraulic properties and solute transport parameters of the typical area in hetao

图2 典型区作物生长期内的地下水埋深Fig.2 Groundwater depth during crop growth in the typical area

2.2 节水情景设置

为了考虑节水措施可能带来的影响。用现状灌溉模式对HYDRUS-EPIC模型[3]进行模型率定，并选用3种不同的灌溉制度开展模拟，研究典型区不同灌水制度下水土环境以及作物产量的响应规律。3种情形分别为：传统地面灌溉(C1)、等量地面灌溉(总水量与滴灌同)、现状滴灌(C3)。传统地面灌溉用水量[12]如表3所示，生育期灌水量为502 mm；现状滴灌灌溉制度如表4所示[9]，生育期灌水量为240 mm，滴灌湿润比为0.58[13]。

表3 2014年典型区葵花的地面灌溉制度Tab.3 Present irrigation schedule of sunflower in the typical area

表4 研究区葵花的滴灌灌溉制度Tab.4 Drip irrigation schedule of sunflower in study area

3 结果与分析

3.1 盐分累积规律

图3给出了3种灌溉制度下葵花土壤全盐量的变化情况。可以看出，葵花生育期内滴灌条件下土壤全盐量一直都保持着较高的水平；与传统地面灌相比，滴灌表层土壤(0～10 cm)盐分累积严重，在葵花生育期末是传统地面灌的2.15倍。与等量地面灌相比，葵花生育期末0～10 cm土壤全盐量较大，比等量地面灌土壤全盐量高39%；10～20 cm土壤全盐量则相对接近，仅高出2%；而20～80 cm土壤全盐量比等量地面灌低20%。模拟结果表明现状滴灌条件下葵花表层土壤(0～20 cm)盐分累积严重，甚至高于等量地面灌，但总体上盐分累计程度要低于等量地面灌。

图3 葵花土壤含盐量对不同灌溉制度响应情况Fig.3 Responsiveness of sunflower soil salinity to different irrigation systems

3.2 水盐均衡

图4为葵花生育期内的土壤水盐均衡分析。从图4(a)可以看出，在作物生育期内，滴灌条件下水分深层渗漏和毛管上升量为等量地面灌的1.13和1.07，表明滴灌条件下灌溉水与地下水的交互作用比等量地面灌大；而水分深层渗漏和毛管上升量仅为传统地面灌的0.37和1.04。由此可见，传统地面灌产生了大量的深层渗漏，水分浪费严重。盐分的深层渗漏及毛管上升规律与水分相似[图4(b)]，滴灌条件下盐分深层渗漏和毛管上升量仅为传统地面灌的0.51和0.91。滴灌条件下葵花生育期土壤全盐增加量(ΔC)比传统地面灌高305%，表明滴灌对盐分的淋洗效果较差，生育期末土壤根区盐分累积情况严重；但全盐增加量(ΔC)比等量地面灌溉低23%，表明相同灌水量条件下滴灌有利于减轻葵花根区盐分的积累，淋洗是灌区滴灌必不可少的抑盐措施。

图4 葵花生长期内土壤水分平衡分量和盐分平衡分量Fig.4 Soil water and salinity balances for sunflower

3.3 水分生产率

表5给出了葵花生育期内C1、C2、C3三种灌溉方式产量的模拟结果，分别为3 277.1，2 742.9，3 064.4 kg/hm2。相同灌水量条件下，滴灌产量比地面灌溉高11.7%，为传统地面灌的93.5%。相同灌水量条件下，滴灌可以显著的提高葵花产量；而与传统地面灌相比，现状滴灌制度葵花的生长可能受到水分和盐分的胁迫，因此产量较低；三种灌溉模式下传统地面灌的作物实际蒸腾量ETa最大，但WPI最小；滴灌葵花的WPET比等量地面灌溉(C2)高11.1%。

4 结 语

本文通过在河套灌区选取典型研究区开展了葵花在3种灌溉模式下的模拟研究，得到如下研究结果。

表5 葵花生长期内的水分生产率Tab.5 Water productivity of sunflower

(1)现状滴灌条件可导致葵花表层(0～10 cm)盐分累积严重，生育期末时表层盐分比传统地面灌高115%，比等量地面灌溉高37%；0～100 cm土壤全盐增加量(ΔC)比传统地面灌高305%，但比等量地面灌低23%，淋洗是灌区滴灌必不可少的抑盐措施。

(2)从产量上看，现状滴灌为传统地面灌的93.5%，略为降低；在相同灌水量下，滴灌葵花产量比等量地面灌高11.7%，增产效果明显；滴灌条件下葵花的WPI最大。

[1] 陈传友，王春元.水资源与可持续发展[M].北京：中国科学技术出版社，1999,(1):11-15.

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