用SahysMod 模型研究不同灌排管理情景土壤水盐动态

黄亚捷，李 贞，卓志清，兴 安，黄元仿※

（1.中国农业大学土地科学与技术学院/农业农村部华北耕地保育重点实验室/自然资源部农用地质量与监控重点实验室，北京 100193；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

0 引 言

银北灌区在西北干旱与半干旱地区农业生产中占有重要地位，它是宁夏土地整治和高标准灌溉绿洲农田建设的重点区域。灌区耕荒地交错分布、土壤盐渍化严重[1]。在灌区4 413 km2耕地中，盐渍化耕地21 480 km2，盐碱荒地560 km2。银北的石嘴山市、平罗县、惠农区等地和银南的部分地区耕地土壤盐渍化十分严重[2]。周德[3]认为虽然银北地区的土壤盐渍化面积总体呈下降趋势，但由于不合理的灌排方式等影响，土壤盐渍化风险仍然很大。

已有研究[4]表明，在土地整治过程中简单平整造地导致的灌排不配套与水盐不耦和是造成区域土壤盐渍化的重要原因。以水为中心，如在土地整治过程中以水定地，建立完整、配套的灌排系统，是解决土壤盐渍化的有效措施[4]。Konukcu 等[5]也指出健全灌排系统、控制地下水位是防止盐碱化的重要措施。在灌水方面，基于合理的灌水量及不同灌水方式（如畦灌、沟灌）淋洗盐分，可加快土壤脱盐速度，有利于降低土壤盐渍化[6]。对于水资源约束地区，如银北灌区，利用咸水、微咸水灌溉是解决水资源短缺与降低土壤盐渍化的有效措施。在排水方面，在土地整治过程中综合考虑排水沟的设计规格、走向和与地势的关系，排水沟和地下水位、土层结构的关系，排水沟的排水、排盐效果等，通过排水沟设置控制地下水埋深，最终可实现降低土壤盐渍化的目的[7-8]。但是，对于如何通过土地整治加强灌区灌排管理，减轻或避免灌区土壤盐渍化仍是灌区面临的主要问题之一。

通过模型模拟及预测，研究在土地整治过程中不同灌排管理下区域土壤水盐运动规律和运行特征，对实现土壤盐渍化的预测与防治具有重要的指导意义[5,9-11]。遗憾的是，区域内土壤盐渍化过程与水盐运移规律较复杂，土壤水盐具有明显的空间变异性，以往对于灌排管理及盐渍化治理的研究多集中于实验室和田间小区试验[5,12]，而在土地整治过程中综合考虑区域耕地及荒地土壤水盐空间变异性的灌排管理研究还相对较少；同时，常用的模型（如HYDRUS 模型等）只能模拟情景比较简单的水分溶质运移，不能在同一构建模型中给定不同类型的大气边界条件，这就导致不同景观单元（如耕地与荒地）的土壤属性输入不能区分，也不能同时考虑不同的作物类型，根系不能跨区[13]；除此之外，以往的研究较少关注在土地整治过程中不同灌排管理情景下耕地与荒地土壤水盐在未来的长期动态变化。

SahysMod（Spatial Agro-hydro-salinity Model）是荷兰土地开垦和改良国际研究所（ILRI）的 Boonstra 和Oosterbaan 教授以水分和盐分平衡原理为基础，集成SaltMod（Soil Salinity Model）和 SGMP（Standard Groundwater Model Program）形成的三维模型[14]。被逐步应用于模拟与预测土壤水（盐）分、地下水和排水的盐分、地下水埋深、排水量等方面[15-17]。SahysMod 在模拟及预测未来土壤水盐时充分考虑区域土壤属性的空间变异性，以及作物种植制度的不同所引起的灌溉与排水的差异性[18]。因此，本研究基于SahysMod 模型同时考虑耕地及荒地土壤水盐的空间变异性，采用平衡方程研究土地整治片区未来10 a 内不同灌排管理情景下区域土壤水盐动态变化，以期通过优化灌排管理模式缓解灌区土壤盐渍化。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宁夏平罗县西大滩（38°49′25＂N，106°25′54＂E）是银北灌区典型的土壤盐渍化分布区及土地整治片区（图1），该区域属贺兰山东麓洪积平原与黄河冲击平原过渡地带，面积为6.89 km2，其中耕地、荒地面积分别为4.90、1.99 km2。区域内土壤胶体吸附大量的Na+，土壤碱化度在15%～60%之间，pH 值为8.0～10.4。区内地势平坦，荒地地势低洼，高程值为1 077～1 122 m。

图1 研究区位置及采样点空间位置分布图 Fig.1 Location of study area and spatial distribution of soil sampling sites

研究区属于黄河中上游灌溉地区，隶属于第三支沟，田间农渠相邻或相间布置。区域主要依靠于黄河水、地下井抽水及排水再利用进行灌溉，具体的灌溉制度见表 1，总灌水量约为670 mm。由于灌水所携带的一定数量的可溶盐在灌区积累（灌溉水电导率约为1.05 dS/m），土壤含盐量增高，部分荒地的土壤盐渍化更为严重。研究区田间排水主要依靠农沟排水，由表2 所示，斗排主要接收来自田间排水沟的排水；农沟多为1.5 m 深，部分农沟1.8 m 深。区域内的排水标准一般为1.5 mm/d。区内排水设施较为落后，沟道淤积、排水不畅等也加重了土壤盐渍化。

表1 研究区基本灌溉制度 Table 1 Basic irrigation regime in study area

表2 排水系统的基本特征 Table 2 Characteristics of drainage system

综合考虑作物种植制度、灌排系统及高程等因素，本研究以240 m 为采样间距，共布设70 个监测样点，具体布点如图1 所示。土壤样本采集在每次灌水前，在每个采样点用土钻分层取样，每个样品是由每个布设样点的邻近直径10 m 范围内3 个土样混合而成。采样层次分别为0～10、>10～20、>20～30、>30～40、>40～50 cm，采样时间为2015 年5 月、10 月，2016 年5 月、10 月及2017 年5 月。基于0～10、>10～20、>20～30 cm 的土壤样品混合形成0～30 cm 深度的土样；基于30～40、>40～50 cm 深度的样品混合形成30～50 cm 的土样。参照[19-21]测定土壤含水率、容重、田间持水量、机械组成、电导率、土壤与地下水全盐含量、地下水矿化度。

1.2 研究方法

1.2.1 SahysMod 模型介绍

SahysMod 模型是通过多边形网格（包括内部及外部多边形网格）对区域内土壤水分、盐分空间变异进行划分的3D 平衡模型[22]。它包括水平衡模块、地下水模块及盐平衡模块。根据当地的气候条件、作物生长，SahysMod模型可分为1～4 个模拟季节，并从垂直方向上分为4 层研究水盐平衡，即地表、根区、过渡层和含水层。水平衡方程如下所示

式（1）是地表水平衡方程。Pp为降雨量，Ig为灌水量，λ0为从根区进入地表的水量，E0为地表水蒸发量，λi为从地表进入根区的水量，S0为地表径流量，ΔWs为储存在地表的水量变化量。式（2）是根区土壤水平衡方程。Rr为进入根区的毛细管上升水，Era为蒸腾耗水量，Lr为根区渗漏水量，ΔWf为根区在非饱和态储存的水量。当根区水量处于田间持水量与完全饱和之间时，ΔWr为此状态下的储水量。式（3）是过渡层水平衡方程。Lc为灌溉渠系渗漏水，Vr从含水层垂直进入过渡层的水量，VL从过渡层进入含水层的水量，Gd为通过排水沟及管道等排出的水量，△Wx为储存在过渡层的水量变化量。式（4）是含水层水平衡方程。Gi为含水层的进水量，G0为含水层的出水量，Gw为地下抽水量，ΔWq为储存在含水层的水量变化量。式中的变量单位均为mm。

盐平衡方程是基于上述各个层次的水平衡方程及其所携带的盐分含量建立。地下水流动是基于有限差分法确定。详细的SahysMod 模型对区域土壤水盐平衡方程及地下水流动的计算可参考以往研究[14,23-24]。

基于SahysMod 模型确定研究区垂直方向上的各层（即地表、根区、过渡层和含水层）厚度。基于SahysMod Working Group of ILRI[23-24]对地表厚度的定义，认为区域内地表层厚度为0。如图1 所示，研究区内主要作物类型为玉米，玉米根系平均长度为0.3 m[25]。SahysMod Working Group of ILRI[23-24]认为根系平均长度即为根区厚度，因此确定根区厚度为0.3 m；过渡层厚度是基于最大地下水埋深确定。根据以往研究[26]，研究区内非生育期内的耕地及荒地最大地下水埋深分别为 2.0 及1.8 m，耕地与荒地平均高度差为0.2 m。将最大地下水埋深减去根区厚度后，确定耕地与荒地的过渡层厚度分别为1.7 及1.5 m；含水层只考虑到潜水含水层，厚度为20 m[27-28]。

1.2.2 SahysMod 模型参数设置

考虑到土地平整、高程、作物类型以及灌排设施等差异对土壤盐分的影响，在SahysMod 模型中共设置138个多边形网格，其中内部多边形网格98 个（对应网格编号1-98）、外部多边形网格40 个（对应网格编号99-138），每个网格的面积为270×270 m2（图2）。SahysMod 模型认为每个多边形网格均是1 个均质的单元，主要考虑不同网格之前的土壤水盐运动。内部多边形网格为研究区域，每个内部多边形网格参数一致，如果在同1 个网格内存在2 种或2 种以上的作物类型（如玉米与水稻），在计算网格内的参数时（如灌水量）是基于不同作物的面积所占比例进行确定。外部多边形所处的位置为研究区边界，由图1 可知，研究区边界为封闭灌渠及排水沟，根据以往研究认为此条件下的研究区外边界条件为定水头边界条件[29]。

SahysMod 模型中比例尺设定为1∶20 000，预测周期为未来10 a。本研究将每年分为2 个模拟时期，即生育期（5—9 月，共5 个月）和非生育期（10 月—次年4 月，共7 个月）。基于Penman—Monteith 公式[30]、FAO 在灌溉与排水中提出的作物系数[31]及银北灌区潜水蒸发量计算方法[32]，区域过去10 a（2006—2016 年）中生育期平均降雨量为185 mm，平均潜水蒸发量为917 mm，非生育期的平均降雨量25 mm，平均潜水蒸发量为585 mm。由于研究区域地势平坦、径流极其微弱，可认为地表径流为0[33]。研究区地下水埋深及含盐量数据由地下水观测井常年观测获取。值得注意的是，采用SahysMod 模型计算的电导率为田间土壤饱和电导率，即EC 值[23]。本研究基于土壤饱和浸提液的电导率ECe 与田间土壤饱和条件下电导率EC 的关系（EC=2ECe）[23]，将SahysMod 模型中输出的EC 值均已换算为ECe 值。下文所提及的土壤电导率均指ECe。

图2 SahysMod 模型中多边形网格设置 Fig.2 Nodal network dividing the experimental sites for SahysMod model

SahysMod 主要输入参数包括气象、土壤、作物、地下水、灌溉以及排水等，主要输出数据包括土壤盐分、排水和地下水的矿化度、地下水埋深、排水量等。区域中各季度的气象数据、土壤盐分、作物类型、灌排水、地下水埋深以及矿化度等基础参数通过实际监测及有关文献的取值范围获取，部分中间过程参数值采用模型默认值，具体的数据来源及参数值见表3 和表4。

表3 研究区主要数据来源 Table 3 Source of main data in study area

考虑空间变异性的参数主要包括根区初始土壤盐分、过渡层初始土壤盐分、根区总孔隙度、根区有效孔隙度、根区土壤容重、根区田间持水量、根区淋洗效率，各参数值见图3 所示。其中，在SahysMod 模型中，基于ECe 与土壤盐分的强正相关性，采用ECe 反映土壤盐渍化情况[23-24]。用2015—2016 年土壤盐分数据进行模型参数率定，2017 年土壤盐分数据进行验证。

1.2.3 SahysMod 模型参数敏感性分析

通过敏感性分析识别不同输入参数对SahysMod 模型中土壤水盐的影响，在进行敏感性分析的参数主要包括根区淋洗效率（Flr）、过渡层淋洗效率（Flx）、含水层 淋洗效率（Flq）及含水层导水率（Kaq）。其中，Flr 为根区渗漏水的盐分质量浓度与饱和土壤水的平均盐分质量浓度的比值，取值范围为0～1[18,23]。Flx 为过渡层渗漏水的盐分质量浓度与饱和土壤水的平均盐分质量浓度的比值，取值范围为0～1[18,23]。Flq 是指从含水层渗漏出的溶液盐分浓度与含水层饱和时的平均盐分浓度的比值。研究表明[18]，Flq 的取值范围在0.01～2 之间，值越大表明淋洗效率越高。另外，Flr 在率定时考虑了空间变异性；由于研究区面积较小，过渡层和含水层性质较为均一，因而对Flx、Flq 及Kaq 的率定均未考虑变异性。参考以往研究[18,37]，采用参数±20%及±50%来评定其敏感性。在进行敏感性分析时认为SahysMod 模型中其他参数基本不变。采样均方根误差（Root Mean Squared Error，RMSE）指标进行模型参数率定评价。

表4 SahysMod 模型参数值 Table 4 Values of parameters for SahysMod model

图3 SahysMod 模型中输入参数值 Fig.3 Input parameters for SahysMod model

1.2.4 灌排管理模式情景设置

通过综合考虑土地整治前后区域土壤水盐运动规律，最终设定4 种情景研究在土地整治过程中不同灌排模式对土壤水盐长期动态变化的影响（表5）。研究区排水主要为田间农沟排水，多数深为1.5 m，部分深1.8 m，考虑到1.8 m 的农沟占比很小，因此SahysMod 模型中认为现有模式下的排水沟深为1.5 m。FAO[31]认为当土壤饱和浸提液电导率为1.7 dS/m 时，玉米产生盐分胁迫导致减产。由于研究区内主要作物类型为玉米，因此认为当土壤电导率为1.7 dS/m 时，耕地根区土壤盐分积累达到障碍水平。同时，在SahysMod 模型模拟不同灌排管理模式对土壤盐分的影响时，仅仅考虑耕地网格在生育期未来10 a 内的土壤盐分变化。

表5 不同灌排管理模式情景设置 Table 5 Setting of different irrigation and drainage management scenarios

2 结果与分析

2.1 SahysMod 模型率定及验证

取不同的根区淋洗效率Flr，模拟计算根区土壤电导率，将根区土壤电导率预测值与实测值进行比较，吻合最好的根区淋洗效率即为实际的淋洗效率。如表6 所示，在现有灌排管理情景下，随机选取荒地多边形网格1、26、60 及耕地网格7、61、76、87、89 进行比较，当设定Flr的范围为0.509～0.698，不同网格的RMSE 值都接近于0，说明土壤电导率的预测值与实测值基本一致，根区淋洗效率确实存在空间变异性，如耕地网格编号61 的Flr 值为0.659，荒地网格编号26 对应的Flr 为0.612。另外，耕地Flr 一般要大于荒地，这和以往的研究基本一致。已有研究表明Flr 的值主要取决于土壤质地、孔隙度及灌溉条件等，土壤较黏重、土壤有效孔隙度低及用碱性灌溉水灌溉会导致Flr 低[18,38]。Yao 等[18]也表明滨海农田Flr为0.60～0.85，Jia 等[39]认为宁夏的银南地区的根区的淋洗效率为0.55。

表6 基于SahysMod 模型的根区淋洗效率（Flr）率定 Table 6 Calibration of leaching efficiency of root zone (Flr) for SahysMod

如表7 所示，选取不同Flq 值（Flq 取0.6～1.8）比较实际地下水埋深与预测地下水埋深。结果发现，当Flq 取1.2 时，均方根误差RMSE 值最小（RMSE=0.020 m），地下水埋深的模拟值与实测值吻合最好。基于取定不同的Flx 值（Flx 取0.4～0.9）模拟地下水埋深。结果发现，当Flx 为0.8 时，RMSE 值最小，为0.020 m，地下水埋深的模拟值与实测值吻合最好。基于取定不同Kaq模拟计算地下水埋深，结果发现，当Kaq 取10 m/d，RMSE 值最小（RMSE=0.020 m），地下水埋深的模拟值与实测值吻合程度最好，这和以往的银北灌区的含水层导水率的值基本相近[40-41]

以2015—2016 年土壤电导率数据进行SahysMod 模型参数率定，以2017 年数据进行验证（表8），结果发现无论是耕地或者荒地土壤，模型预测平均值与实测平均值比较接近，RMSE 值较小，表明SahysMod 模型可以用于模拟及预测研究区内不同灌排情景下的土壤盐分、地下水埋深等动态变化规律。

2.2 SahysMod 模型参数敏感性分析

如图4 所示，考虑到Flr 空间变异性，选取网格编号为26、60、76、87，研究Flr 对土壤电导率的敏感性。结果发现当Flr 增加时（如Flr+20%及Flr+50%），根区土壤电导率降低；当Flr 减小时（如Flr-20%及Flr-50%），根区土壤电导率增加，Flr 对根区土壤电导率比较敏感。另外，Flr值对地下水埋深无影响，这与以往的研究基本一致[18]。

表7 过渡层淋洗效率、含水层淋洗效率及含水层水平导水率的率定 Table 7 Calibration of leaching efficiency of transition zone, aquifer zone and horizontal hydraulic conductivity

如图5 所示，不同的Flx、Flq 对地下水埋深具有较低的敏感性，Kaq 对地下水埋深具有较高的敏感性。当Flx减小时（Flx-20%，即0.6；Flx-50%，即0.4），地下水埋深略增加；当Flx 增加时（Flx+20%，即1.0），地下水埋深略减少。由于Flx 率定值为0.8，其范围为0～1.0，故没有考虑Flx 增加50%时地下水埋深的变化。当Flq 增加时（Flq+20%，即1.44；Flq+50%，即1.80），地下水埋深略有减小；当Flq 减小时（Flq-20%，即0.96；Flq-50%，即0.60），地下水埋深略有增加。这和以往研究略有差异，如Yao 等[18]认为Flq 对地下水埋深没有影响，这可能是由于本研究区面积（灌区尺度）相比较于Yao 的研究区域（农田尺度）较大，研究区内的地下水埋深具有一定的差异，并且由于耕地与荒地的土壤水盐交换，使得Flq 对地下水埋深有微弱影响。最后，当Kaq 增加时（Kaq+20%，即12 m/d；Kaq+50%，即15 m/d），地下水埋深增加，当Kaq减小时（Kaq-20%，即8 m/d；Kaq-50%，即5 m/d），地下水埋深减小，这和以往研究相一致。Singh 等[17]指出在地下水埋深浅的盐渍化区域，Kaq 的值比较小。Yao 等[18]认为加大土壤导水率Kaq 有利于地下水埋深增加。

表8 基于SahysMod 模型的土壤电导率预测值与实测值比较 Table 8 Comparison of measured and predicted soil electrical conductivity based on SahysMod model (dS·m-1)

图4 根区淋洗效率对土壤电导率敏感性分析 Fig.4 Sensitivity analysis of rootzone leaching efficiency on soil electrical conductivity

图5 过渡层淋洗效率、含水层淋洗效率及含水层水平导水率对地下水埋深的敏感性分析 Fig.5 Sensitivity analysis of leaching efficiency of transition zone, leaching efficiency of aquifer and horizontal hydraulic conductivity of aquifer on groundwater depth

2.3 不同情景下土壤水盐长期动态变化规律

2.3.1 现有灌排管理模式

基于SahysMod 预测在现有灌排管理情景下（即土地整治前）未来10 a 内的耕地与荒地土壤电导率变化。如图6 所示，随机选取研究区内的耕地与荒地网格（如荒地编号26、60，耕地编号76、87）。结果发现，在预测初期（2017—2022 年）荒地土壤盐分逐年升高，在预测后期（2023—2027 年）荒地土壤盐分变化平缓且趋向于最大值，这可能是由于地下水埋深变浅（图6），荒地区域在受到附近的灌溉耕地土壤水分水平渗透及地下水的垂直补给（荒地地下水电导率为5.6 dS/m），并且在强蒸发的作用下，水分携带盐分逐渐向土壤表层运移，水分被蒸发而盐分最终积聚在荒地表层土壤之中，造成荒地土壤盐分逐年升高。在预测后期荒地盐分的积累可能逐步趋向于最大值，这是因为盐分积累使得土壤结构变化导致导水率降低，土面蒸发量减少，反过来影响了荒地土壤盐分的进一步积累。研究结果和以往的研究相一致，郭文聪等[42]认为由于钠离子的分散作用、降水的淋洗作用以及溶质势梯度作用下的盐分扩散和弥散作用对荒地盐分积累的抑制作用，使得荒地盐分积累存在最大值。

耕地土壤盐分在预测初期（2017—2022 年）变化缓慢，在预测后期（2023—2027 年）逐年增加。这是因为耕地的土壤盐分初始值比较低（网格76 及87 初始土壤电导率分别为0.260 及0.243 dS/m），虽然地下水的垂直补给及灌溉带来了大量盐分（耕地地下水电导率为4.2 dS/m，灌溉水电导率为1.05 dS/m），但是地下水不断得到灌溉的补充，灌溉的耕地与低洼的荒地形成地下水位差，受地下径流的作用，高地势区的耕地土壤盐分最终通过灌溉淋洗作用不断运移到荒地及周围的田间排水沟，所以耕地土壤盐分低且变化范围不明显。在预测后期，常年的灌溉导致地下水埋深变浅（由图7 可知，生育期的地下水埋深由2017 年的1.65 m 到2027 年的1.22 m；非生育期的地下水埋深由2017 年的2.00 m 到2027 年的1.69 m），由于地下水的垂直补给及不断的灌溉，给耕地带来了大量盐分。同时，在预测后期，灌溉耕地与荒地、排水沟之间的水力梯度变小，荒地在后期的积盐量下降。尽管排水沟排盐量仍在逐年增加（图7），但是排水不仅要排走灌溉及地下水补给带来的盐分，而且也排走耕地土壤历史上残余盐分，因此，在预测后期只依靠现有灌溉排水模式已不足以保证耕地土壤盐分的排出效果。

图6 现有灌排管理下的未来10 a 土壤电导率变化 Fig.6 Change of existing irrigation and drainage on soil electrical conductivity in next ten years

图7 未来10 a 内排水电导率及地下水埋深变化 Fig.7 Change of electrical conductivity of drained water and groundwater depth in next ten years

2.3.2 不同灌水量

如图8 所示，随机选取网格编号为76、87 的耕地，结果显示在原有灌水量（670 mm）条件下，2024 年耕地根区土壤盐分积累到障碍水平。与原有灌水量（670 mm）相比，当减少灌水量时，耕地土壤盐分逐年增加。灌水量从600 mm 减小到400 mm，土壤盐分增加幅度提升，耕地根区土壤盐分提前积累到障碍水平。当增加灌水量，土壤盐分每年的增加量减小，并且可以延迟耕地根区土壤盐分积累到障碍水平的时间。灌水量从800 mm 增加到1 000 mm，耕地土壤盐分在预测初期基本保持不变，在预测后期逐年缓慢上升，并且上升幅度逐年减小。

2.3.3 不同灌溉水质

如图9 所示，耕地根区土壤盐分随着灌溉水电导率的增大而增加，并且土壤盐分提前积累到障碍水平。这可能是由于灌溉水带入的盐分大于排水沟排出的盐分及荒地积累的盐分，根区的盐分迅速积累，造成耕地土壤盐分上升。值得注意的是，在2025—2027 年耕地根区土壤盐分虽然有所增加，但是增加幅度变小。这可能是由于土壤水盐溶液已经逐渐趋向于饱和，盐分溶解量逐渐减小。

图8 灌溉水量对季节1 耕地土壤电导率的影响 Fig.8 Effect of irrigation amount on soil electrical conductivity of cultivated land in season 1

图9 灌溉水电导率对季节1 耕地土壤电导率的影响 Fig.9 Effect of electrical conductivity of irrigation water on soil electrical conductivity of cultivated land in season 1

在不同灌溉水水质下，以灌溉水的电导率为2.10 dS/m的耕地土壤盐分增加量最大，在预测第10 年，网格编号为76 及87 的耕地土壤电导率分别达5.97 及6.13 dS/m，根据银北灌区土地盐渍化程度分级标准[43-44]，此时的土壤已为盐土，耕地已经不适合作物种植。当灌溉水电导率为0.60 dS/m，耕地土壤盐分在未来10 a 内基本保持不变，土壤电导率最大值约0.5 dS/m，远低于1.7 dS/m，基于FAO对玉米产生盐分胁迫导致减产的程度[31]，因此认为在此情景下可以满足作物的正常生长需求。

2.3.4 不同排水沟深度

如图10 所示，当排水沟深为1.5 m 时，耕地根区土壤盐分增加最快，并且在2024 年耕地土壤盐分积累到障碍水平。在预测后期，根区土壤盐分增加幅度逐年降低，这可能是由于土壤水盐溶液已经逐渐趋向于饱和，盐分溶解量逐渐减小，进而导致耕地土壤盐分的增加幅度逐年降低。通过土地整治，加深排水沟深度，可以有效延迟耕地根区土壤盐分积累到障碍水平的时间。当排水沟深度为2.2 m时，在未来10 a 内耕地土壤盐分基本保持不变，并小于1.7 dS/m，在此条件下的耕地可以保证区内玉米正常生长；当排水沟深为2.5 m 时，在未来10 a 内耕地土壤盐分甚至出现缓慢下降的趋势，耕地土壤电导率值均小于0.5 dS/m。但是，综合考虑建造排水沟工程量的大小及作物正常生长的需要，在本研究中推荐的排水沟深度为2.2 m。

图10 排水沟深度对季节1 耕地土壤电导率的影响 Fig.10 Effect of drainage ditch depth on soil electrical conductivity of cultivated land in season 1

3 讨 论

经过率定和验证，SahysMod 模型可以综合考虑土壤理化参数的空间变异性，能够反映土壤实际状况，可以用来对灌区的土壤盐分、灌水量、地下水埋深等模拟预测。这和以往的研究一致，Sarangi 等[45]通过比较BP 神经网络、RBF 神经网络、GRNN 神经网络及SaltMod 模型，认为SaltMod 模型在根区土壤盐分的预测精度要高于人工神经网络；Yao 等[18]已经验证SahysMod 模型能够预测中国滨海农田的土壤盐分时空变化；Akram 等[46]基于SahysMod 模型设置不同情景（如不同的导水率、初始盐分含量、灌溉水盐分、初始地下水埋深等）模拟生物排盐在解决盐渍化问题的可行性，认为SahysMod 模型可以用来模拟及预测干旱半干旱地区的土壤盐渍化问题。但是，SahysMod 模型在率定Flr、Flx、Flq 及Kaq 参数时，实测值与模拟值仍存在一定的误差，其可能原因包括收集到的灌区地下水动态观测资料、含水层性质和气象资料有限；土壤盐分存在较大的空间变异，SahysMod 模型没有考虑植物体吸盐量以及施用化肥引入的盐量；最后，农户对于种植作物的选择是基于市场经济效益，当一种作物的经济价值降低时，农户可能会改变作物种植制度，进而影响区域盐分的空间变化。

基于SahysMod 模型对研究区划分了98 个内部网格，但限于篇幅限制，只随机选取了代表性的荒地多边形网格1、26、60 及耕地网格7、61、76、87、89。所选的荒地及耕地网格基本反映了研究区典型的耕地与荒地的土壤水盐动态变化。荒地主要分布在研究区的西南部，如图2 所示，选取的网格1 位于整个荒地区域的下部，网格26 位于整个荒地区域的中部，网格60 位于整个荒地区域的上部，基本上可以代表整个荒地区域。同时，荒地土壤电导率范围为1.07～5.50 dS/m，其中，网格1、26、60 的电导率分别为4.44、1.75、3.77 dS/m，基本上可以反映荒地土壤电导率范围；耕地主要分布在研究区的北部，如图2 所示，选取的网格7 位于整个耕地区域的下部，网格61、76 位于整个耕地区域的中部，网格87、89位于整个耕地区域的上部，基本上可以代表整个耕地区域。耕地土壤电导率范围为0.14～1.07 dS/m，其中，网格7、61、76、87、89 的电导率分别为0.67、0.88、0.34、0.44、0.31 dS/m，基本上可以反映耕地土壤电导率范围。另外，从荒地与耕地的位置关系考虑，耕地网格7 被荒地网格3、4、6 包围，耕地网格61 紧邻荒地网格70，耕地网格76 邻近荒地网格68，耕地网格87、89 远离荒地（图2）。因此，可以反映荒地与耕地的不同位置关系对灌排管理的影响。

在当前的灌排管理中，灌区灌水量不仅应保证作物生长及排走灌溉本身带来的盐分，而且应排走历史上土壤的残余盐分。SahysMod 模型预测未来10 a 土壤盐分变化时，发现随灌水量的增加，“驱盐”效果越好。这和以往的研究基本一致，王旭等[47]指出随灌水量增加脱盐效果越显著，史海滨等[48]也认为灌溉可以对土壤盐分进行有针对性的调控，进而达到“驱盐”效果。因此，加大灌水量是解决土壤盐渍化的一个重要途径。但是灌水量并不是越多越好，灌水量过大虽然可以增加盐分的淋洗量，但同时也会带来较强的土壤蒸发，降低地下水埋深，带动下层盐分上移，使得作物根系活动层出现积盐[49]。因此，在土地整治时灌区应尽量选取适宜的灌水量。

银北灌区主要通过黄河水进行灌溉，但是近几年来为了兼顾全流域的农业、生态、生产问题以及保证下游的社会发展，在银北灌区的引黄量逐渐减少，采用微咸水灌溉是水资源约束区域的重要灌水方式之一。如刘娟等[50]在宁夏银北地区采用微咸水灌溉白浆土盐碱地，认为采用矿化度为1 g/L 的微咸水滴灌，可以获得较好的植物生长和较高产量；王诗景等[51]在宁夏银北惠农引黄灌区开展微咸水灌溉试验，指出采用井渠1∶1 的混灌模式是春小麦的适宜微咸水灌溉利用模式。在水资源约束下，银北灌区不少农户通过排水沟排出水直接进行灌溉，但是研究区内排水沟排出水含盐量高（2016—2017 年期间对10 个排水沟中排出水的电导率进行测定，其电导率均值为2.10 dS/m）。如图10 所示，采用排水沟排出的水灌溉耕地，耕地土壤电导率逐年增加，到预测后期耕地已不再适用于种植作物。直接采用排水沟水进行灌溉不仅增加土壤盐分、破坏土壤结构，还将影响作物产量[52]。

陈艳梅等[53]认为排水沟深度达3.0 m 时，可有效减少以河套灌区沙壕渠灌域耕地土壤盐分；Bahçeci 等[52]指出排水沟深度在1.2 m 时，可以保证土耳其Konya–C¸umra平原的作物生长，并认为在原有1.5 m 的排水沟深度上应减小排水沟深。本研究认为通过土地整治的排水沟深度达到2.2 m 以上时，在未来10 a 内耕地土壤盐分增加趋势相对较小，并小于1.7 dS/m，可以延迟耕地根区土壤盐分积累到障碍水平的时间，在此条件下的耕地可以保证区内玉米正常生长。但是，这比Bahçeci 等[52]设定的排水沟深度大的多，原因可能是研究区灌溉水的电导率（1.05 dS/m）高于 Bahçeci 研究中设置的电导率（0.4 dS/m），同时耕地地下水矿化度较高（耕地地下水电导率为4.2 dS/m），灌溉及地下水垂直补给给耕地土壤带来的盐分较多。这又比陈艳梅等[53]（2012）的排水沟深度小，可能是由于研究区耕地土壤初始盐分相较于陈艳梅的研究区中的初始盐分小，进而影响了排水沟深度的设置。值得注意的是，通过土地整治加大排水沟深度，虽然可以增加排水排盐的能力，可有效控制耕地土壤盐分的增加，但是排水沟深度的增加会加大土地整治的工程量，同时经济投入量也相应增加。另外，也有研究指出过分加深排水沟将导致水面蒸发量减少，间接引起耕地向荒地的干排盐量减少，即削弱了“干排盐”的作用，将导致耕地积盐量上升[54]。因此，在灌区土地整治时应合理地设计排水沟深度，以便同时实现土壤盐分降低和经济效益最大化。

4 结 论

基于SahysMod 模型研究在土地整治过程中不同灌排管理下未来10 a 内土壤水盐动态变化。通过率定及验证，认为SahysMod 模型综合考虑土壤理化参数的空间变异性，可以对土地整治过程中不同灌排管理情景下土壤水盐动态变化进行模拟及预测。不同灌水量、灌溉水水质及排水沟深度中，耕地及荒地土壤盐渍化程度不同。其主要结论如下：

1）根区淋洗效率对土壤盐分比较敏感，对地下水埋深无影响。过渡层淋洗效率及含水层淋洗效率对地下水埋深具有低的敏感性，含水层导水率对地下水埋深具有较高的敏感性。

2）现有灌排管理模式下（即灌水量为670 mm，灌溉水电导率为1.05 dS/m，排水沟深1.5 m），荒地土壤盐分在2017—2022 年逐年升高，在2023—2027 年变化平缓；耕地土壤盐分在2017—2022 年变化缓慢，在2023—2027 年逐年缓慢增加。

3）加大灌水量是解决土壤盐渍化的一个重要途径，可以延迟耕地根区土壤盐分积累到障碍水平的时间，但是需要同时兼顾银北灌区的水资源约束问题。

4）在现有灌排管理模式下，2024 年以后作物生长就会受到盐害胁迫。当灌溉水电导率减小为0.60 dS/m 时，耕地土壤盐分在未来10 a 内基本保持不变，土壤电导率最大值约0.5 dS/m，可以满足作物的正常生长需求；当灌溉水电导率增加时，作物生长受到盐害胁迫的时间相应提前。由于黄河来水量的减少，部分农民利用排水沟水进行灌溉，这会加快盐渍化胁迫的出现时间

5）排水沟深度影响耕地土壤盐分水平，通过土地整治加深排水沟深度，可以有效延迟土壤电导率达到障碍水平的时间。当排水沟深为1.5 m 时，耕地根区土壤盐分增加最快，并且在2024 年耕地土壤盐分积累到障碍水平；当排水沟深为2.2 m 时，在未来10 a 内耕地土壤盐分基本保持不变，并且土壤电导率值均小于1.7 dS/m，可以保证研究区内玉米正常生长。