暗管排水对河套灌区下游盐碱地脱盐效果的影响

郑 彦，杨树青*，张 晶，王文旭，王 雯，李 贺

（1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.内蒙古恒源水利工程有限公司，内蒙古 呼和浩特 010018）

河套灌区土壤盐碱化发育典型，盐碱化耕地面积占全区耕地面积的70%，其中中重度盐碱化面积约为11×104hm2［1］。河套灌区的排水不畅，是导致原生与次生盐碱化并存的重要原因，盐碱地面积大、程度重，严重影响该区生态、农业和经济社会发展［2］。“盐随水来，盐随水去”。在改良盐碱地的各种方法中，最关键的一步就是排水措施［3］。因此，选择正确的排水措施对保障灌区的可持续发展具有重要意义。

目前国内外采取的农田排水方式主要有明沟排水、暗管排水和竖井排水［4-5］。与明沟排水和竖井排水相比，暗管排水具有提高土地利用率、便于农田机械化作业、节省淋洗水量等优点，是更适合河套灌区的排水控盐措施。暗管排水在世界各国盐碱地改良中均得到了良好的应用［6-7］，国外学者研究发现在突尼斯［6］、印度［8］、巴基斯坦［9］和伊朗［7］采用暗管排盐技术能够有效治理盐碱地，改善土壤理化环境。国内研究表明：暗管排水能够有效控制农田地下水位［10-11］、防止土壤浸渍［12］、降低土壤盐分［13-14］，显著增加作物产量［15-16］，且排盐效果优于明沟排水［17］。

近年来，关于暗管排水改良盐碱地已有较多的研究，但关于河套灌区地下水埋深较浅且土壤次生盐渍化严重条件下不同暗管埋深及间距对土壤盐分变化、脱盐效果及作物产量等影响的研究鲜见报道。以此为切入点，选取河套灌区下游中重度盐碱地为研究对象，研究了暗管排水措施实施后对灌区盐碱地土壤盐分变化的影响，分析暗管排水的脱盐效果及作物产量变化，旨在为河套灌区合理实施盐碱地改良及改善土壤环境提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2019年4月在河套灌区乌拉特灌域红卫试验区（中心坐标40°35′N，108°90′E）开展。试验区年平均降水量270 mm，年平均气温7.9 ℃，年平均蒸发量2383 mm，冻土深度115 cm，无霜期146 d，海拔1029 m，属中温带大陆性多风干旱气候。研究区土壤基本理化性质见表1。

表1 试验区土壤基本理化性质

1.2 试验设计

据试验区土壤理化性质及地下水埋深等实际情况，参考暗管埋深和间距的经验值［4］，试验共设置3个处理：暗管间距30 m、埋深1.2 m（T1）和暗管间距20 m、埋深0.8 m（T2），对照（T0）为不铺设暗管，T1和T2分别铺设了5根暗管，见图1。吸水管采用直径为8 cm的塑料波纹管，比降为1/1000，管外包有68 g·m-2的透水性土工布，各处理间设聚氯乙烯薄膜，防止相互渗透，并在T1和T2处理的暗管出水口安装水表以便观测暗管排水量。

图1 田间试验平面布置图

试验区主要种植作物为向日葵，种植品种为国葵HF309，6月13日进行穴播，10月1日人工收割，春灌淋洗灌水量为300 mm，生育期内分为幼苗期（7月7日）、现蕾期（7月24日）、开花期（8月5日）、成熟期（8月30日）共4次进行灌水，每次灌水量分别为97.5、82.5、67.5、52.5 mm。

1.3 测定指标及方法

选定两个暗管排水处理中间的吸水管，分别在吸水管正上方（水平距离吸水管0 m）、5 m和10 m处及空白对照区设置土样观测点，分别记为T1.1、T1.2、T1.3和T2.1、T2.2、T2.3，土壤样品每次分为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm共计5层进行采集。土壤含水率采用烘干法测定，在105 ℃烘干至恒重；土壤含盐量采用电导率法［18］（上海雷磁DDSJ-308型，测试土水比为1∶5的土壤浸提液的电导率值EC1∶5，mS·cm-1）测定，并用拟合公式将电导率转换成含盐量，拟合公式为：Y=-0.655+4.678EC1∶5，决定系数R2=0.96，式中Y代表土壤含盐量（g·kg-1）。土壤脱盐率［19］（%）=（土壤含盐量初始值-土壤含盐量终值）/土壤含盐量初始值×100。

向日葵收割时，在T1.1、T1.3和T2.1、T2.3取样点附近随机选取1行10株作物，进行脱粒并自然晒干。用天平测量花盘重、百粒重及籽粒重，再换算成每公顷作物产量。应用Excel 2007对数据进行初步处理及整理，利用SPSS 19.0进行显著性分析，使用Origin Pro 2018绘图。

2 结果与分析

2.1 暗管排水对表层土壤含盐量的影响

不同取样点表层土壤含盐量变化见图2，可看出，T0表层土壤含盐量不同取样时期均高于7.63 g·kg-1，T1和T2与暗管水平距离不同处土壤盐分含量整体呈现下降趋势且均低于T0，具体表现为无灌水时下降缓慢，灌水后大幅度降低。春灌后（6月5日），T0取样点表层土壤含盐量较灌前增加0.42 g·kg-1，其余均有不同幅度降低，其中T2.1降幅最大，为8.3%。全观测期内，T2与暗管水平距离相同处表层土壤含盐量均低于T1，呈现T0、T1.3、T2.3、T1.1、T2.1依次降序的趋势。接近观测期结束时T2.1和T1.1表层土壤已由中度盐碱化（4～6 g·kg-1）降为轻度（2～4 g·kg-1），T1.3和T2.3由重度盐碱化（6～20 g·kg-1）降为中度（4～6 g·kg-1），而T0表层土壤含盐量较4月增加了0.37 g·kg-1。

图2 暗管排水对表层土壤含盐量的影响

2.2 暗管排水对中层和深层土壤含盐量的影响

T0处理中层（20～60 cm）土壤含盐量不同时期在14.14～14.63 g·kg-1之间变化，随时间变化差异不明显（P＞0.05）；T1和T2整体呈下降趋势，且作物收获后土壤含盐量比春灌前显著降低（P＜0.05）。T1播种前、开花期和收获后土壤含盐量较春灌前分别降低了0.70、1.55和2.11 g·kg-1，T2分别降低了0.78、1.58和2.51 g·kg-1。暗管铺设后，随着灌溉次数的增加，T1和T2中层土壤含盐量不断降低，且T2降幅优于T1（图3a）。

如图3b所示，T0深层（60～100 cm）土壤盐分变化与中层相似，不同时期含盐量差异不显著，在0.02～0.37 g·kg-1之间；T1不同时期深层土壤含盐量较春灌前降幅分别为3.58%、9.07%和14.33%；T2开花期深层土壤含盐量较春灌前下降了0.90 g·kg-1，但与播种前和收获后相似（P＞0.05）。这说明暗管排水能在一定程度上降低深层土壤盐分，但由于灌水次数增多，表层和中层土壤盐分多被淋洗至深层，使得深层土壤盐分较为聚集且难以淋洗，随时间变化差异不大。

图3 暗管排水对中层和深层土壤含盐量的影响

综上，暗管排水对不同层次土壤盐分含量的影响有所不同，T1和T2中层显著降低（P＜0.05），随着生育期内灌水，中层土壤含盐量分别由9.17和8.51 g·kg-1降至7.76和6.75 g·kg-1。深层土壤含盐量受暗管排水影响较小，T1和T2该土层土壤盐分变化较小，春灌前和收获后差值分别为1.28和1.60g·kg-1，且在生育期内随时间变化不显著（P＞0.05）。2.3 暗管排水条件下不同土层土壤的脱盐效果

脱盐率是土壤盐分含量变化的重要指标，能够直观反映土壤的脱盐效果。表2为观测期结束时（10月10日）不同处理土壤脱盐效果。T0各土层盐分含量均在7.0 g·kg-1以上，仍处于较高值；表层土壤脱盐率为-4.79%，呈积盐现象；20～100 cm的4个土层脱盐率都≤1%。T2表层脱盐率最大，平均值达36.65%，T2.1取样点20～40、40～60、60～80、80～100 cm土层脱盐率较T2.3分别高出11.26%、6.68%、4.18%、3.45%，这说明T2处理土壤脱盐率在土体中随深度增加而逐渐减小。T1.1表层脱盐率为29.54%，较T2.1低7.11%，T1.3处0～100 cm的平均脱盐率比T1.1低6.63%，这表明在T1处理下，与暗管水平间隔越远，土壤脱盐率越小。T1和T2脱盐率平均值分别为19.63%和23.60%，较T0分别高出20.10%和24.07%。由此可知，暗管排水能够提高土壤脱盐效果，且暗管埋深越深，脱盐率越小；水平方向上距离暗管越远，脱盐率越小。

表2 不同处理土壤含盐量与脱盐率

2.4 土壤盐分淋洗曲线

以灌水淋洗前后，一定深度土壤盐分变化和灌溉用水量为参数构建的曲线，称为盐分淋洗曲线，能够反映土壤脱盐效果与灌水量之间的关系，根据淋洗曲线可以确定不同的灌溉淋洗水量。淋洗曲线方程［20］为：

式中：Weo和We分别为灌水前后一定土层深度的土壤含盐量（g·kg-1）；Wep为淋洗平衡土壤含盐量（g·kg-1），通常取为淋洗结束后0～10 cm土层土壤含盐量，本试验取灌水完成后0～10 cm的土壤含盐量，实测值为3.55 g·kg-1；DW为灌溉用水量，取值600 mm；DS为淋洗土层深度（cm）。

由图4可看出，T1和T2小区不同取样点灌水淋洗土壤盐分均能用盐分淋洗曲线拟合，且决定系数都在0.90以上。对比不同暗管埋深处理，T2处理的（We-Wep）/（Weo-Wep）值均大于T1，以土层深度100 cm为例，T2其值分别为0.63、0.52和0.47，T1分别为0.60、0.50和0.46，这说明在灌水量和土层深度相同的情况下，T2土壤淋洗脱盐效果优于T1；还可看出，水平间隔暗管越远，土壤盐分淋洗效果越差。T2.1取样点处决定系数为0.960，拟合效果最优，对河套灌区盐碱地进行淋洗脱盐改良有一定的指导作用。

图4 暗管排水不同埋深的土壤盐分淋洗曲线

2.5 暗管排水对向日葵产量的影响

向日葵花盘重和百粒重变化基本一致，即T0显著低于T1和T2（P＜0.05），且T1.1和T1.3、T1.1和T2.1、T2.1和T2.3之间差异显著（P＜0.05），说明暗管的铺设及不同间距对向日葵花盘重和百粒重的影响较大；籽粒重受暗管埋深的影响较小，T1.1和T2.3、T2.3和T1.3的差值分别为8.82和34.91 g，无明显差异（P＞0.05）；暗管埋设后向日葵产量增加明显（P＜0.05），T1和T2产量与T0相比，分别增产达34.29%和53.51%（表3）。

表3 不同处理小区的向日葵产量

3 讨论

3.1 暗管排水对不同层次土壤盐分的影响

研究结果显示，暗管排水对盐碱地土壤盐分调控具有良好的作用，Qian等［10］通过干旱区暗管排水管道设计参数的试验与数值模拟研究得出，灌水淋洗后，土壤剖面60 cm深度内，盐分含量显著下降，在60 cm以下发现土壤盐分变化相对较小，本试验结果显示，暗管排水条件下，表层土壤含盐量降幅最大，中层次之，深层较为稳定，与其结果基本一致。祝榛等［21］研究发现，暗管埋设后，通过多次淋洗，不同处理0～100 cm土层土壤含盐量明显下降且变化趋势一致，而本研究为表层和中层有不同程度降低、深层变化不明显（P＞0.05），这可能是本试验灌水量仅为其一半而造成深层土壤淋洗效果较差的原因。

有研究表明，暗管排盐措施能使0～80 cm土壤脱盐率达50%以上［22］，而本研究结果（＞20%）远低于其结果，这说明土壤脱盐率随着暗管排水改良年限的增加和相关的农业改良技术实施而不断增加。张金龙等［23］通过不同暗管埋设间距下土壤盐分淋洗试验，得出经过多次漫灌淋洗后，暗管排水区0～100 cm土壤脱盐率介于56.49%～78.81%之间，本研究经过春灌和生育期灌水淋洗后，0～100 cm土壤脱盐率为9.68%～42.44%，由于本试验暗管埋设间距较大导致盐分淋洗不充分，故研究结果小于前者。研究还发现，水平方向上距离暗管越远，土壤脱盐率越小，这是由于灌水淋洗后土壤盐分会随着灌溉水一起汇入暗管排出土壤。

3.2 暗管排水对作物产量及经济效益的影响

暗管排水能够较好地提升土壤的排水能力，改善作物生长环境，避免作物遭受湿害而导致减产。相同条件下暗管排水区作物产量较空白对照区明显提高，本研究得出T1和T2产量与T0相比，分别增产达34.29%和53.51%，与前人［15，24］研究结果基本一致，暗管埋深浅，土壤脱盐率较高，作物增产效果较好。暗管布设的间距和埋深是土壤脱盐效果的主要影响因素，且暗管间距对土壤盐分的影响较埋深作用更明显［25］。王洪义等［26］研究结果表明，相同条件下暗管埋深一定时，各处理的平均排水效率和平均排水矿化度均表现为间距5 m高于10和15 m，而本研究结果显示水平方向上距离暗管越远，土壤脱盐率越小。从经济效益上来看，暗管间距越小，土壤脱盐效果越好，但在实际工程中成本费用相对会更高［20］。研究仅对不同暗管埋深及间距组合下土壤脱盐效果和产量进行分析，还需进一步设置不同处理，进行相关的研究，在经济可行的条件下，针对河套灌区不同的盐渍化土壤，制定科学合理的埋深和间距。

4 结论

暗管排水条件下，土壤表层含盐量变化幅度最大，中层次之，深层较小。表层土壤基本由中重度盐碱化（4～20 g·kg-1）降为轻中度（2～6 g·kg-1）；T2处理平均脱盐率比T1整体高出3.97%，且不同处理暗管正上方土壤脱盐率要高于与暗管水平距离10 m处6.51%和7.45%。

不同处理的（We-Wep）/（Weo-Wep）值为T2.1＞T1.1＞T2.3＞T1.3，这说明暗管埋深浅和与暗管水平距离小，土壤淋洗脱盐效果较好，需要灌溉淋洗用水量较少。

在灌水技术和灌溉定额相同的情况下，T1和T2处理的向日葵产量均显著高于T0（P＜0.05），分别较T0增产34.29%和53.51%。