暗管排水控盐对盐渍化灌区土壤盐分淋洗有效性评价

窦 旭，史海滨，李瑞平，苗庆丰，田 峰，于丹丹，周利颖

（内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018）

0 引 言

【研究意义】土壤盐渍化是当今世界土壤荒漠化和土地退化的重要原因，制约世界农业可持续发展，是世界资源性问题和生态问题[1]，据统计，全球盐渍土面积约有9.55×108hm2，在全球2.3×108hm2的耕地中，大约有4.5×107hm2的土地存在土壤盐渍化[2-3]。内蒙古河套灌区位于干旱半干旱地区，是全国三大灌区之一，是我国重要的粮食生产基地[4]，但灌区降水少，蒸发强烈，同时土壤中含有大量的可溶性盐，地下水矿化度高，在强烈的蒸发作用下，土壤及地下水中的可溶性盐受包气带毛细水上升作用积聚于表层土壤，导致土壤盐渍化严重，困扰着灌区农业可持续发展[5]。

田间排水工程是防治土壤盐渍化最主要的手段，而灌区主要采用明沟排水技术[6]，由于灌区特殊的土壤条件和气候条件（冻融循环），田间排水明沟塌坡严重，排水效果不佳，土地利用效率不高，对于防治盐渍化起到的作用很弱[7]。因此，采用先进的排水技术防止土壤盐渍化、发挥耕地增产潜力，是灌区多年来的迫切需求，同时对于河套灌区农业持续发展也具有重要的意义。暗管排水具有调节地下水位，改善土壤理化性质，降低土壤含盐量，遵循“盐随水来，盐随水去”原理，将土壤中的可溶性盐渗入地下水体通过暗管排出[8-10]；另一方面可以控制地下水埋深，减少地下水通过毛细作用的蒸发[11]。【研究进展】于淑会等[12]指出，暗管区土壤盐分和地下水位均低于无暗管区；年周期内整体上暗管区地下水位和土壤盐分比无暗管区均有下降。石佳等[13]研究表明暗管排水区比非暗管排水区地下水位、地下水矿化度、土壤含盐量均降低。国外也有许多学者对暗管排水进行了研究，Abdel Dayem 等[14]研究表明暗排水能够显著降低土壤盐分，但是如果想得到盐分最佳脱盐率，必须去除土壤盐结皮；Siyal 等[15]利用HYDRUS-2D 和3D 模型对不同土壤质地、土壤排水深度和剖面盐分的淋溶进行了模拟。利用暗管排水技术改良河套灌区盐渍化土壤是一个很好的选择。随着科学技术进步，以及灌区经济快速发展和现实需要，暗管排水技术已经具有了在灌区应用的基础和趋势。

【切入点】本研究通过分析暗管排水土壤脱盐率、土壤盐分空间异质性、调节土壤离子平衡以及控制地下水埋深效果，探讨暗管排水技术在改良土壤盐渍化中的作用。【拟解决的关键问题】旨在为盐渍化土壤改良与弃耕地重建提供理论基础和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018 年9 月—2019 年6 月在乌拉特前旗暗管排水控盐综合试验区进行，试验区位于内蒙古巴彦淖尔市河套灌区下游乌拉特灌域西山咀农场四分场与五分场，东起京藏高速公路，西到四分场田间路，南以十分渠为界，北至十排干；地理位置东经108°37′28″—108°39′49″，北纬40°44′54″—40°45′49″，海拔1 017.97～1 019.95 m。试验区土壤含盐量较大，土壤剖面（0～100 cm）平均电导率值为2.836～9.03 4 dS/m，pH 值为8.8 左右，土壤盐渍化程度严重，是土壤次生盐渍化的典范，表层土壤盐分较大，属于典型的表聚型土壤。土壤暗管排水面积为195 hm2，试验区布设暗管管长为200 m，管径80 mm，埋深分别为60、100 cm，间距分别为20 m，双层布置，坡度为1‰；当地常规明沟排水沟深1.5 m，间距100 m。试验区共布设5 个地下水观测井，间距分别为10、50、100、500、1 000 m，如图1 所示。春灌定额为2 250 m3/hm2。试验区地处中温带大陆性气候区，气温多变，干燥多风，日照充足，光能丰富，降水少，蒸发强，无霜期较短。试验区多年平均气温6～8 ℃，极端最低气温-36.7 ℃，极端最高气温36.4 ℃；降雨主要集中在6—8 月，占全年降雨量的70%，多年平均降雨量196～215 mm，多年平均蒸发量2 172.5 mm；多年平均无霜期130 d；多年平均风速2.5～3 m/s；多年平均日照时间3 230.9 h；最大冻土深度为1.2 m。

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

1.2 试验设计与数据采集

试验区田间布置采用100 m×100 m 网格布置，于网格节点处设立采样点，共150 个采样点，并设9 处垂直剖面进行土壤各项指标的测试，采用土钻采集土壤1 m 深度，共5 层（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）进行土壤基础数据采集与测定，试验区各层土壤物理性质如表1 所示。根据研究区土壤盐碱状况、土壤质地、植被长势、结合路网、沟渠分割情况确定以300 m×300 m 的网格布置采样点，共21 个采样点，如图1 所示。以手持全球定位系统（GPS）定位仪测定实地坐标。每个样点取0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 共5 层，取3 次重复，在室内实验室进行土壤盐分测定。

表1 试验区土壤物理性质 Table1 Soil physical quality in experimental area

1.3 数据处理

采用EXCEL 整理数据与制图，利用GS+9.0 软件对不符合正态分布的数据源进行对数转换，经过计算、模拟与检验，得出的半方差函数模型，在Arc-GIS10.5软件中利用Kriging 最优内插法绘制灌排前后土壤盐分空间分布特征图。

2 结果与分析

2.1 土壤盐分空间异质性特点

2.1.1 土壤盐分地统计学特征

表2 为暗管排水土壤盐分（EC 值）统计特征值，研究区为盐荒地，土壤盐分较大，收获后盐分平均值在3.976～6.818 dS/m 之间，表层土壤盐分明显大于深层土壤，经过一个冻融过程，春灌前随着气温和地温的逐渐升高，土壤盐分开始上升，到5 月由于强烈的蒸发作用，土壤返盐现象严重，盐分明显高于收获后，因此采用春灌进行淋洗压盐，同时结合暗管排水技术降低土壤盐分，春灌后土壤盐分明显低于春灌前，春灌前土壤盐分最大值为15.44 dS/m，土壤平均含盐量在4.756～9.034 dS/m 之间，春灌后盐分明显降低，分别降低了 61.14%、52.78%、40.37%，且随着土壤深度的增加土壤脱盐效率降低。

变异系数反映样点的离散程度，不同时期土壤盐分变异系数为 23.68%～58.231%，均在 10%～100%之间，属于中等变异性。春灌前，由于受强烈蒸发的影响，地下水蒸发返盐过程中，溶质以弥散运移形式为主，受结构因素（土壤母质、地形、土壤类型）影响较大，所以盐分分布存在较大的异质性；表层土壤（0～20 cm）受其影响较大，土壤盐分变异系数比收获时大，20～40、40～100 cm 受其影响较小，土壤盐分变异系数均降低；春灌淋洗后，土壤0～100 cm均受到不同程度的淋洗，且淋洗程度均较大，只留在土壤中的盐分取决于土壤水分对盐分的携带能力和溶解度，即取决于土壤的含水率，所以盐分分布的空间变异性低，说明春灌有降低土壤盐分空间异质性的作用。促进土壤盐分分布由“高盐异质性”向“低盐均质性”转变。

表2 不同时期土壤盐分（EC 值）统计特征值 Table 2 Statistical characteristics of soil salinity (EC value) in different periods

表3 不同时期土壤盐分（EC 值）半方差函数模型参数 Table 3 Parameters of semi-variance function model of soil salt (EC value) in different periods

2.1.2 春灌前后土壤盐分空间异质性特点

土壤特性是一种区域化变量，同时具有地质结构的特性和统计学的随机特性，国内外很多学者将地统计学理论应用于土壤科学进行土壤特性空间变异性规律的研究[16-17]。由表3 可知，不同时期各层土壤盐分的最佳拟合模型均为高斯模型，模型决定系数均在0.808～0.959 之间，残差在0.113～0.853 之间，模拟效果较好。收获后受管理措施，杂草根系等影响，其各层土壤空间自相关性相对春灌前后较弱，块基比在4.85%～9.564%之间，小于25%，具有强烈的空间自相关性。春灌前，土壤盐分主要受结构因素（土壤母质、地形、土壤类型）的影响，以及强烈蒸发等作用，深层土壤盐分上升到表层，表层土壤（0～20、20～40 cm）盐分自相关性增幅较大，深层土壤自相关性增幅较小，块基比在0.058%～5.711%之间。春灌后，由于土壤盐分受淋洗与排水作用，土壤盐分空间自相关性继续增强，且块基比在0.039%～0.054%之间，具有较强的空间自相关性，反映了土壤盐分趋向于均质化。随着土壤深度的增加，土壤空间自相关性增加，说明土壤盐分随土层深度的增加受结构因素影响增强。各时期土壤盐分块金值均较小，可以认为在研究区范围内的取样间距比较合理。

2.2 春灌对土壤脱盐效果的影响

脱盐率是指研究区域土壤盐分的减小值占初始值的比例，它可以评价淋洗和暗管协同作用下，土壤层的脱盐效果，在已有研究中得到广泛采用[18-19]。土壤脱盐率计算公式为：

式中：N 为脱盐率（%）；S1为春灌前土壤盐分（dS/m）；S2为春灌后土壤盐分（dS/m）。

图2 为试验区暗管排水土壤脱盐率，其相关性函数曲线均为一元二次函数，相关系数均大于76.46%，拟合效果良好。由图2 可知，暗管排水0～20 cm 土壤脱盐率最高大约在12 dS/m 左右，春灌前<12 dS/m 的含盐量区，其脱盐率随初始含盐量的增加而增加，而当含盐量>12 dS/m 时，其土壤脱盐率缓慢下降，但其脱盐率仍高于含盐量在0～8 dS/m 的土壤，其原因可能是受灌水量和灌水次数的影响，在土壤含水率一定的情况下，当初始盐分较大时，水中溶解盐分程度有限，水分对盐分的溶解度会越低，有些难溶性盐分不会随着灌溉水流出土壤，初始含盐量较大，淋洗出盐分较小，变化的盐分占初始盐分比值较小，土壤脱盐率开始下降。20～40 cm 和40～100 cm 其土壤脱盐率随着初始含盐量的增加而增加，其中20～40 cm 土壤盐分大于6 dS/m 时，其增加速率缓慢，40～100 cm 土壤盐分大于5 dS/m 时，其增加速率缓慢。

图2 脱盐率与初始含盐量关系 Fig.2 Relationship between desalination rate and initial salt content

2.3 土壤盐分离子变化及脱盐率

盐分主要通过盐分离子与土壤、植物发生各种物理化学反应影响土壤和植物的存在状态[20]，土壤盐分离子组成不同导致土壤盐渍化类型不同，同时影响着盐分运移规律以及土壤理化性质、从而决定土壤脱盐的难易程度，因此了解土壤盐分离子变化具有重要意义。如图3 所示，CO32-在偏碱性土壤中易与Ca2+、Mg2+等结为沉淀，收获后和灌前土壤中未检测出来，收获后土壤盐分离子含量从大到小，依次为Cl->K++ Na+> HCO3->SO42-> Ca2+>Mg2+，阳离子以Na+为主，占阳离子总量的47.19%；阴离子以Cl-为主，占阴离子总量的58.86%，0～20 cm 土层离子量均高于20～40 cm，盐分离子表聚现象严重。到5 月（春灌前）气温开始升高，土壤蒸发逐渐增强，土壤盐分开始逐渐上升，盐分离子也随着上升，春灌前表层土壤盐分离子量明显高于收获后。春灌后，如图3、图4 所示，土壤中除CO32-外，其余各离子均表现为下降趋势，且HCO3-脱盐率最小，几乎不变，其原因可能是当土壤淋洗离子时，土壤其他离子开始下降，为使土壤中的正负电荷平衡，碳酸盐类矿物开始解离，产生一些 CO32-和HCO3-，且春灌时淋洗了一部分HCO3-，导致HCO3-几乎没变。土壤各盐分离子脱盐率大小表现为Cl->K++Na+>SO42->Mg2+>Ca2+>HCO3-。CO32-初始量几乎为0，其脱盐率无法计算，土壤离子脱盐率与其初始量有很大关系。

2.4 地下水埋深动态变化及对土壤盐分影响

2.4.1 地下水埋深动态变化

图3 不同时期土壤离子变化 Fig.3 Soil ions change in different periods

地下水埋深是水循环过程中的重要变量，其制约着下垫面的水量迁移和转化，影响着蒸散发，同时也是区域盐碱化与荒漠化的重要控制因素[21]。暗管排水重要作用之一是控制地下水埋深，同时也影响着地下水循环，在全球气候变化和日益加剧的人类活动综合影响下，地下水资源在时间和空间上产生一系列变化，呈现出新的变化特征[22]，因此了解地下水埋深动态变化具有重要意义。由图5 可以看出，河套灌区春灌灌水量较大，地表积水。地下水埋深在灌后7 d 开始下降，且下降速率较快，而当地明沟排水在春灌后11 d开始下降，下降速率较缓。同时由于试验区南侧地势高、北侧地势低，且试验区北侧受十排干的影响，其暗管排水地下水埋较浅。同时排水明沟深1.5 m，在春灌后其受明沟影响较大，地下水埋深比暗管排水区域较深，可见明沟对地下水埋深的控制效果较好。

图4 春灌土壤离子脱盐率 Fig.4 Soil ions desalination rate of spring irrigation

2.4.2 地下水埋深对土壤盐分的影响

在干旱的河套灌区，受淋溶作用、盐分本身对土壤水分有较强的亲和力[23]，以及河套灌区降雨远远大于蒸发量，地下水埋深越浅，土壤积盐越严重，地下水埋深较深的区域土壤盐分含量相对较低[24]。由图6可知，表层土壤（0～20 cm）盐分异常高于其他土层。暗管排水地下水埋深与土壤盐分满足线性关系， R2>92.58%，表明拟合效果良好。暗管排水0～20 cm土壤盐分变化随着地下水埋深变化趋势较大，20～40、40～100 cm 土壤盐分随着地下水埋深变化趋势较小。因此，利用暗管排水控制地下水位的临界深度、降低土壤盐分，同时保证作物正常生长，防治因蒸发而导致土壤盐渍化具有重要意义。

图5 不同排水方式地下水埋深动态变化 Fig.5 Dynamic change of groundwater depth in different drainage ways

图6 暗管排水地下水埋深与土壤盐分关系 Fig.6 The relationship between the buried depth of the underground water and the salt of the soil

3 讨 论

暗管排水具有降低土壤盐分，控制地下水埋深，改善土壤理化性质等作用，与明沟相比具有排水效果好、占地少、污染小、寿命长、无坍塌和长草问题，易于管理，节省劳力，土方工程量少，运行维护方便和便于机械化施工等显著优势，而且其脱盐效果好于明沟。春灌淋洗土壤具有降低土壤盐分空间异质性的作用，其淋洗后土壤脱盐量、脱盐率与初始含盐量均为显著正相关关系，这与于淑会等[12]研究结果一致。刘玉国等[8]研究表明，暗管排水可有效地降低土壤盐分，土壤盐分经暗管排水由表聚型向脱盐型转变，本研究中虽然盐分有所降低，但土壤盐分仍表现为表聚型，可能是灌水次数和灌水量的影响。土壤盐分离子的脱盐率与其离子特性和离子初始量有较大关系[25]，同时也与淋洗过程中土壤中矿物质的释放和发生的沉淀溶解平衡有关[26]。土壤中Na+量过多会导致土壤颗粒和团聚体分散，使土壤孔隙减少，渗透性降低，并引起植物Ca2+、Mg2+、K+的缺乏和其他营养失调，Cl-量过多会抑制植物的生长发育，使植物代谢紊乱甚至发生中毒；高质量浓度SO42-也具有明显的毒性，它通过限制Ca2+的活动性，阻碍了植物对Ca2+的吸收[27-28]。

本研究中试验区土壤盐分离子量相对较多，其中，Cl-、K++ Na+、SO42-量较多，严重影响作物生长，利用暗管排水灌溉有效地减少土壤中的Cl-、K++Na+、SO42-，脱盐效果较好，但其量还不足以作物生长，需要继续灌溉淋洗，在灌溉同时需注意土壤盐分离子平衡关系。还有研究表明[29-30]，暗管排水对土壤理化性质有较大影响，可以改善土壤通气性等特性，河套灌区长期大规模使用暗管排水肯定还会导致一些新的农业环境问题，因此还有待进一步加强研究。

内蒙古河套灌区是土壤盐渍化的典范，近年来由于大规模发展中高标准农田，导致农田水盐状态改变，土壤次生盐渍化问题凸显，如何防治土壤盐渍化成为灌区亟待解决的问题。在地下水埋深较小且地下水矿化度较高时，土壤盐分与地下水盐交换密切，在强烈的蒸发作用下，土壤存在不同程度的积盐，土壤积盐程度受到地下水埋深和矿化度的综合影响[31]。因此利用暗管排水技术控制地下水埋深来防治土壤盐渍化至关重要。研究表明[32-34]，暗管排水能有效地控制地下水埋深，南方地区需要通过暗管排水工程迅速降低地下水埋深，排水降渍，疏干土壤，有效控制土壤排水强度，以满足机械作业要求；而北方地区为了防治强烈的蒸发，减小地下水中的可溶性盐通过毛细水上升到土壤表层，防治土壤盐渍化。本试验区土壤盐渍化程度严重，土壤处于中重度盐渍化状态，有的甚至处于盐土状态，在后续试验中应增加灌水次数，同时需要结合其他改良措施（脱硫石膏、参沙、深松深耕）来防治土壤盐渍化。河套灌区有45.1%的耕地呈现出不同程度的盐渍化，因此需要建立健全的灌溉排水系统在有效控制地下水位的同时降低土壤盐分，从而防治灌区盐渍化，对于灌区农业可持续发展至关重要。

4 结 论

1）利用暗管排水春灌能降低土壤盐分，弱化土壤盐分空间异质性，土壤盐分由“高盐异质性”向“低盐均质性”转变。暗管排水0～20、20～40、40～100 cm土壤平均脱盐率分别为61.14%、52.78%、40.37%。暗管排水其脱盐效果明显好于明沟排水。

2）暗管排水0～20 cm 土壤脱盐率最高点初始含盐量在12 dS/m 左右，为68.17%，春灌前<12 dS/m的盐分量区，其脱盐率随初始含盐量的增加而增加，而当含盐量>12 dS/m 时，其土壤脱盐率缓慢下降，但其脱盐率仍高于含盐量在0～8 dS/m 的土壤。明沟排水0～20 cm 土层土壤脱盐率最高点在1.1 dS/m，脱盐率大约为36%。随着土壤深度的增加，二者脱盐率均减小。

3）土壤中除CO32-表现为上升趋势，其余各离子均表现为下降趋势，且HCO3-脱盐率最小，几乎不变。土壤各盐分离子脱盐率大小表现为 Cl->K++Na+> SO42->Mg2+>Ca2+>HCO3-。

4）暗管排水地下水埋深在灌后7 d 开始下降，且下降速率较快。暗管排水地下水埋深与土壤盐分满足线性关系，R2>92.58%，暗管排水0～20 cm 土壤盐分变化随着地下水埋深变化趋势较大，20～40、40～100 cm 土壤盐分随着地下水埋深变化趋势较小。