龟裂碱土地下水埋深、矿化度和盐分离子年内时空变化特征研究

杨 军，孙兆军，王 旭

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021； 2.银川能源学院，银川 750105； 3.宁夏大学新技术应用研究开发中心，银川 750021)

0 引 言

全球盐渍土面积约为10亿hm2，广泛分布在世界各大洲干旱地区，主要集中在欧亚大陆、非洲、美洲西部的100多个国家和地区，并且每年以100～150万hm2的速度在增长[1]。其中碱土和碱化土壤约占60%。在中国，龟裂碱土主要分布在宁夏银川北部、内蒙古河套平原西部和新疆北疆草原、荒漠地带[1]。宁夏龟裂碱地大约2万hm2，主要分布在银川平原北部，多集中在平罗县和西大滩的前进农场、潮湖农场，盐分组成主要是Na2SO4和NaCl，地下水主要盐分离子Na+、Cl-、SO2-4和HCO-3。因此，研究其浅层地下水埋深、矿化度和盐分离子时空变化状况，对水土资源可持续利用具有十分重要的现实意义。

地下水时空动态变化是影响盐渍化土壤改良利用和可持续利用的主要因素[2-4]。近年来越来越多的国内外学者对地下水进行研究，李小玉等[5]研究了民勤绿洲15 a的地下水矿化度时空变异规律，发现区域内地下水矿化度在整个尺度上具有恒定的变异；王水献等[6]研究了不同地貌单元地下水矿化度的时空变异特征，发现地下水矿化度在时间和空间上都存在明显的变异性；姚荣江和杨劲松[7]研究了浅层地下水与耕层土壤积盐的空间分异规律，发现耕层土壤积盐与地下水矿化度呈极显著的相关关系；胡克林等[8,9]研究了浅层地下水埋深与矿化度在一定范围内存在空间相关性；杜军等[10]研究了浅层地下水埋深的变化规律与灌溉制度有着密切的联系，与矿化度之间线性关系不明显；王卫光等[11]研究了地下水水位的空间相关距离在 60 km以上；孔繁瑞等[12]盐渍化土壤浅层地下水埋深在 2.0 m 左右，有利于作物生常生长。

但针对新垦龟裂碱地地下水埋深、矿化度和盐分离子时空变化特征研究尚未报道。地下水埋深和矿化度是地下水资源的重要特征指标[12-15]，监测其变化情况，是土壤改良和水盐调控的重要任务，也是决定改良盐碱地成败的关键，影响农业稳定发展的重要因素。因此，监测、预测地下水水位和矿化度的时空分布，对于指导龟裂碱地改良水盐调控及农业的可持续发展具有重要的战略意义和科学价值。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

中国典型的盐碱土-龟裂碱土，宁夏主要分布在贺兰山东麓洪积扇边缘。研究区选择在宁夏平罗县西大滩前进农场(106°24′209″E、38°50′289″N，海拔1 156 m)，典型的干旱大陆性气候，光照充足，蒸发量大，降雨集中。年气温-20.5～33.8 ℃，年均气温9.5 ℃，≥10 ℃积温为3 350 ℃[3]。年均降水量为205 mm，多集中在秋季，年蒸发量2 000 mm以上，蒸降比为10左右，干燥度11[3]。研究区域为2012年新垦龟裂碱地荒地，全年平均地下水埋深1.0 m左右，矿化度<3 g/L。主要含Na+、Cl-、SO2-4、HCO-3。

由于研究区域自然气候条件和农业管理措施，灌溉方式还是以传统的漫灌为主，农业灌溉水是黄河水，种植结构油葵、水稻和枸杞，4-6月夏灌，7-8月秋灌，9月不灌水，10-11月冬灌，12月到次年3月为冻溶期。稻田5-8月根据生育需求及时灌排水，共灌水5次，油葵6月份灌1水，枸杞4月份和7月份分别各灌1次水。由于当地降雨量少，地下水埋深变化直接受到有无灌溉的影响。

1.2 试验的设计

研究区域在宁夏西大滩前进农场进行，共布设15个浅层地下水位观测井，观测地下水埋深，提取水样监测其矿化度、pH值、K+、Na+、 Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、CO2-3和HCO-3八大离子。观测井材料是PVC管Φ30 mm、长4 m，距管底部1 m表面处，用钻打孔直径为10 mm，均匀分布，孔、管底用麻丝缠住，以免土进入管内。为了分析区域地下水变化特征，每月中旬取水样1次，作物关键生育期出苗期和保苗期每月10、20和30日取水样3次，灌前灌后加取1次。选取具有代表性的观测井5个分析年内浅层地下埋深、水矿化度、pH值和盐分离子的变化情况。观测井布局图见图1。

图1 区域观测井的布置Fig.1 Arrangement area observation wells

1.3 测试项目及方法

地下水埋深采用绳测法；pH 值采用 S220 多参数测试仪测定； K+、Na+利用火焰光度法测定；Ca2+、Mg2+利用 EDTA 滴定法测定；Cl-利用硝酸银滴定法测定；SO2-4利用 EDTA间接络合滴定法测定；矿化度为水样的溶解性总固体，其值等于上述测试项目质量浓度的总和，采用重量法测定；CO2-3、HCO-3利用双指示剂-中和滴定法测定[7,17]。具体方法参照文献[18]。

1.4 数据处理

用 Excel 进行数据处理；用 SPSS11.5统计分析软件对2014 年地下水埋深、矿化度和八大离子等数据显著性进行分析。

2 结果与分析

2.1 年内浅层地下水埋深变化分析

区域年内灌水量186 700 t，排水量135 034.6 t。从图2中看出，地下水埋深随冻融期(1-3月)和灌溉期(4-11月)的变化而变化。其中，3月地下水埋深最深为1.71 m，11月最浅为0.40 m，年内平均埋深为 0.96 m。1-3月，浅层地下水埋深逐渐增大，4-8 月，浅层地下水埋深随灌溉制度变化，整体呈逐渐减小趋势，8月中旬灌区停止灌溉，由于10月中旬开始冬灌，到 11 月份浅层地下水埋深最浅。这是因为区域地势北高南低，东高西低，东北最深，中间最浅，导致中间排水不畅，易于积水而抬高地下水位。

图2 浅层地下水埋深变化Fig.2 Vary of groundwater levels

2.2 年内浅层地下水矿化度变化

矿化度表示水中各种盐类，即全部阴离子和阳离子，是反映地下水水质的一个重要指标。灌溉水黄河水年平均矿化度0.345 g/L，年灌水量186 700 t, 引入盐分64.4 t；排水沟年平均矿化度为 2.69 g/L，排水量114 761.6 t，排出盐分313.4 t。

由图3可知，3月份区域地下水矿化度最低，平均1.01 g/L；3月份以后，由于作物种植前洗盐、灌溉和生育期灌溉，地下水矿化度相应增加。4-12月份平均矿化度分别为2.2、 2.35、2.59、2.64、2.83、2.71、2.94、2.82和2.89 g/L。这是因为洗盐大量盐分进入地下水，还有灌溉时大水漫灌导致地下水位居高不下，由于潜水蒸发量大，致使大量的盐分聚集在浅层地下水中，矿化度相应增大。8月中旬到 10月中旬，停止灌溉，由于土壤水分蒸发，土壤中的盐分又聚集在土壤表层，冬灌时将其大量的盐分被淋洗到浅层地下水中，11 月份的浅层地下水矿化度年内最高为2.82 g/L。

图3 浅层地下水矿化度变化Fig.3 Vary of groundwater salinity

2.3 年内浅层地下水pH值变化

pH值反映地下水水质酸碱性，中性水质pH值为7.0～8.5。图4可知，1-12月份地下水pH值变化幅度不大，pH值变化范围为7.38～9.53，平均8.01，呈现出弱碱性；8号井9月份和10月份pH值大于8.5。地下水pH值年内变化总体趋势是下降的。

图4 浅层地下水pH值变化Fig.4 Vary of groundwater pH value

2.4 年内盐分离子变化

图5可知，地下水中阳离子Ca2+、Mg2+、Na+和K+的含量随灌溉制度而变化，Na+的含量最高，年内平均为0.72 g/L；K+的含量最低，年内平均为0.009 7 g/L。部分Ca2+、Mg2+、Na+和K+来自于土壤洗盐和灌溉盐分离子进入地下水。阳离子年内平均含量为Na+>Ca2+>Mg2+>K+。

图6可知，地下水中阴离子Cl-、CO2-3、HCO-3和SO2-4的含量随灌溉制度而变化，Cl-的含量最高，年内平均为1.05 g/L；CO2-3的含量最低，年内平均为0.02 g/L。部分Cl-、CO2-3、HCO-3和SO2-4来自于土壤洗盐和灌溉盐分离子进入地下水。阴离子年内平均含量为Cl->SO2-4>HCO-3>CO2-3。

从图5、图6可以看出，区域浅层地下水属于Na+-Cl-型水。

图5 浅层地下水阳离子变化Fig.5 Vary of groundwater anionic

图6 浅层地下水阴离子变化Fig.6 Vary of groundwater cationic

2.5 浅层地下水埋深与矿化度、矿化度与pH值变化关系

由于宁夏银北西大滩干旱、少雨和风大，地表蒸发强烈，地下水埋深和水质必然影响作物的正常发育，同时地下水埋深和矿化度是防控盐碱地改良效果和可持续利用的关键，pH值也反映了地下水的水质。将15眼井的年平均浅层地下水埋深与对应的矿化度和矿化度与pH值数据来分析他们之间的关系。

区域浅层地下水埋深与矿化度分布拟合曲线从定性来分析(图7)：浅层地下水埋深较大时，矿化度相应较小；浅层地下水埋深较小时，矿化度相应较大。他们之间定量性很不确定，线性关系非常不明显。

图7 浅层地下水埋深与矿化度的关系Fig.7 Vary of groundwater levels

浅层地下水矿化度与pH值拟合曲线成直线相关关系(图8)，即浅层地下水矿化度增加，对应的pH值也增加，但是他们之间的变化几乎是一条水平线，变化不大。

图8 浅层地下水矿化度与pH值的关系Fig.8 Vary of groundwater levels

3 结 论

(1)龟裂碱地浅层地下水埋深与灌溉制度和蒸发量有关，无灌溉月份和蒸发量大的月份，浅层地下水埋深较大；灌溉月份，浅层地下水埋深逐渐减小趋势；矿化度与埋深之间定量关系不明显，但存在定性关系，即地下水埋深较深，矿化度较小；地下水埋深较浅，矿化度较大；矿化度与pH值之间成直线相关关系，他们之间的变化几乎是一条水平线，变化不大，pH值在7～8.5之间，偏碱性。

(2)区域地下水矿化度年内总体分布北高南低，东高西低，中间部分最低。3月份地下水水位最深1.71 m，矿化度最小1.01 g/L；11月份地下水水位最浅0.4 m，矿化度最大2.82 g/L。

(3)区域地下水埋深浅和矿化度高的原因是其地势低洼，排水不畅，大水漫灌导致地下水位居高不下，气候风大干旱，蒸发强烈，这些因素共同作用很难防控土壤的次生盐碱化。因此，田间铺设暗管进行强排来降低地下水位和控制引排比等措施来防控土壤的次生盐碱化。

(4)地下水的类型主要属于Na+-Cl-型水, 属于中性偏碱类型。浅层地下水八大离子含量随着其矿化度的增加而增加。

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