农田荒漠过渡带包气带土壤水盐运移规律研究

崔尚进， 刘鹏飞*， 聂振龙， 朱谱成

(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所， 石家庄 050061； 2.自然资源部地下水科学与工程重点实验室， 石家庄 050061)

由于早期农业用水不合理等因素，造成西北一些地区出现浅层水咸化、土壤盐渍化和荒漠化等问题[1-4]。尤其是石羊河流域下游民勤等地区被巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠包围，随时面临被沙漠吞并的风险[5-6]。因此，民勤一些地区为防止荒漠化进一步恶化，不仅设立了许多荒漠自然保护区，而且对农业用水实行严格的管理制度[7-9]。而农田荒漠过渡带地处农田和沙漠之间，是防止绿洲沙漠化的一道屏障，如何实现农田耕种与荒漠保护区植被协同发展是西北重点关注问题之一[10-13]。因此，对于农田荒漠过渡带包气带土壤水分和盐分运移规律的研究十分必要。

目前，对于农田荒漠过渡带包气带土壤水盐运移规律的研究已取得一定进展。库军强等[14]以民勤荒漠绿洲过渡带为例，研究了不同类型沙堆土壤物理属性对包气带土壤水分空间分布的影响，结果表明干旱季节固定,半固定和流动白刺沙堆分别以50、130、110 cm土层含水量最大。张帅普等[15]对黑河中游绿洲与荒漠交错地带植被生长季节包气带土壤水分含量进行持续3年监测，发现绿洲-荒漠过渡带包气带土壤水分梯度与河流和土地利用方式密切相关.。闫柯等[16]对准噶尔盆地南缘荒漠-绿洲过渡带包气带土壤水分,盐分和养分的分析测定及对比分析,得出荒漠-绿洲过渡带植被斑块格局土壤水盐及养分分布特征。王国帅等[17]通过河套灌区两年现场观测试验，采用土壤水动力学与溶质动力学方法，建立了耕地-荒地-海子系统水量和盐量平衡模型，进而揭示了耕地-荒地-海子系统间水分和盐分运移关系。席琳乔等[18]通过测定滴灌和漫灌两种灌溉方式下的地下水质和包气带土壤理化性质，得出灌溉方式对荒漠绿洲过渡带地下水和土壤的影响，结果表明：滴灌方式下土壤盐分表聚趋势大于漫灌方式。张克海等[19]以黑河中游荒漠绿洲过渡带上的固沙植被泡泡刺和沙拐枣为对象，研究了不同植被根区垂直方向和水平方向上土壤含水量的分布特征及其变异性，结果表明土层越深,固沙植被根区土壤含水量越高。

通过以往研究发现，对于灌溉期农田灌溉后，农田荒漠过渡带上农田区和荒漠区包气带土壤水盐运移规律以及两者之间相互影响的研究较少。为此，以石羊河流域下游某一试验场为例，对灌溉期农田灌溉后农田区和荒漠区包气带土壤含水率和盐分进行监测，旨在查明农田区灌溉后对过渡带荒漠区包气带土壤水盐运移的影响，为农田区农作物和荒漠区植被协同发展提供一定的理论支撑。

1 试验场概况

选定试验场位于石羊河流域下游农田荒漠过渡带，地理坐标为38°06′2.40″N，103°20′1.00″E。试验场内农田区农作物类型以玉米和食葵为主，荒漠区天然植被类型主要以盐爪爪、芦草和红柳等荒漠化植被为主。试验场内约10 m有一层较厚的黏土层，将含水层划分为上下两层。其中上层潜水水位埋深在约2 m，在强烈蒸发作用下咸化，矿化度达到6～9 g/L，下层是区内主要淡水开采层，矿化度为0.5～2 g/L。对试验场地内浅层土壤取样，不同深度颗粒组成如表1所示。

为获取土壤包气带水盐动态变化过程，在试验场农田区和荒漠区布设包气带监测剖面，监测设备采用土壤三参数传感器(5TE)，测量土壤中的温度、含水率和电导率。由于灌溉期水位波动较为频繁，在农田区和荒漠区设置水位观测孔，孔内安装水位自动记录仪Diver，用于实时观测剖面附近地下水位的变化情况。农田灌溉期间荒漠区水位变化如图1所示，可以看出，6～8月集中灌溉期间，荒漠区水位埋深从约1.9 m上升到约1.5 m，相应的包气带土壤水盐必定发生变化。因此，对灌溉前后农田区和荒漠区包气带水盐数据进行对比分析。

图1 灌溉期荒漠区水位变化Fig.1 Water level change in desert area during irrigation period

2 包气带土壤水盐运移规律

2.1 灌溉前后包气带土壤含水率变化

对试验场地内灌溉前后农田区和荒漠区包气带土壤含水率数据进行分析。农田区灌溉后含水率监测数据如表2所示。可以看出，灌溉后初期各层土壤含水率有所增加，表层增加的幅度较大。灌溉中后期，土壤含水率主要受蒸发作用影响，表层土壤含水率快速下降，深层土壤含水率较灌溉前有较小幅度的增加，这是由于灌溉后浅层水位上升，在毛细作用下对深层水补给量变大。

灌溉期荒漠区土壤含水率监测数据如表3所示，可以看出，农田灌溉后荒漠区80 cm以下土壤含水率呈持续小幅度上升趋势，40～60 cm土壤含水率变化不明显，而20 cm以上土壤含水率整体处于下降的趋势。分析原因，由于农田区灌溉后也造成了荒漠区浅层水位上升，毛细水对深层土壤补给量变大，表层土壤由于强烈的蒸发作用，土壤含水率持续减少，而40～60 cm土壤含水率受蒸发作用和毛细作用共同影响，两种作用下其变化不明显。

表2 农田区包气带土壤含水率变化幅度Table 2 Variation range of soil moisture content in vadose zone of farmland area

表3 荒漠区包气带土壤含水率变化幅度Table 3 Variation range of soil moisture content in vadose zone in desert area

2.2 灌溉前后包气带土壤盐分变化

对比试验场地内灌溉前后农田区包气带土样盐分，结果如图2所示。农田区灌溉后，40 cm以上表层土壤盐分明显降低，盐分峰值随水分运移下移，由20 cm处运移至40 cm处。40～80 cm土壤盐分较灌溉前有小幅度增长，80 cm以下深层土壤盐分变化不明显，说明表层盐分主要随灌溉水分向下运移，小部分留在40～80 cm处的土壤，大部分进入地下水中。

对比试验场地内灌溉前后荒漠区包气带土样盐分，结果如图3所示。农田灌溉后，荒漠区20 cm以上土壤盐分明显增长，20～50 cm土壤盐分有小幅度增长，50～110 cm土壤盐分小幅度减少，而110 cm以下土壤盐分又有所增加。分析其原因，农田区灌溉后表层盐分进入浅层地下水中，同时水位上升与荒漠区形成水位差，农田区地下水在水动力作用下携带盐分进入荒漠区，部分盐分又在毛细作用下进入110 cm以下深部土壤中。荒漠区水位上升后，毛细水对上层土壤补给量变大，携带更多的盐分上移。同时在强蒸发作用下，土壤中的水分携带盐分停留在40 cm以上土壤中，其中大部分汇聚在20 cm以上表层土壤中。

图2 农田区土壤盐分变化Fig.2 Changes of soil salinity in farmland

图3 荒漠区土壤盐分变化Fig.3 Changes of soil salinity in desert area

3 调控和非调控土壤水盐运移对比

3.1 确定适宜调控水位

通过以上灌溉前后农田区和荒漠区包气带土壤水盐运移规律可知，农田区灌溉后会引起荒漠区包气带土壤盐分升高，其中影响包气带水盐运移的主要为毛细作用和蒸发作用，而两者均与水位有关。因此，为缓解灌溉期荒漠区包气带盐分升高问题，需对农田和荒漠区进行水位调控。

灌溉期荒漠区浅层水埋深变化如图1所示，可以看出，荒漠区非灌溉期浅层水埋深在约1.9 m，受灌溉影响后埋深最高上升到约1.5 cm。为确定适宜调控水位，通过Hydrus软件模拟计算荒漠区浅层水埋深1.9～2.5 m时土壤蒸发量。计算结果如图4所示。可以看出，埋深小于2.1 m时，土壤蒸发量随埋深变大快速减少，埋深大于2.1 m时，土壤蒸发量随埋深变大减少速率减缓。

图4 不同水位埋深土壤蒸发量Fig.4 Soil evaporation at different water levels

对试验场周边区域上不同水位埋深时土壤盐分取样，结果如图5所示可以看出，埋深小于2 m时，表层土壤盐分随埋深变大快速减少，埋深大于2 m时，表层土壤盐分随埋深变大减少速率减缓。因此，结合以上土壤蒸发量和土壤表层盐分随埋深变化规律，确定浅层水调控埋深为2.1 m。

图5 不同水位埋深土壤含盐量Fig.5 Soil salt content at different water levels

3.2 调控和非调控土壤含水率对比

通过表4和表5可以看出，调控后农田区和荒漠区土壤含水率整体变化趋势相近。非调控时，农田区灌溉后除表层外，土壤含水率都有小幅度升高。水位调控后，由于毛细作用对浅层土壤的补给量变少，在强蒸发作用下农田区土壤含水率出现一定幅度的减少，而荒漠区浅层土壤含水率较非调控时降低幅度更大。而农田区由于农作物较密集，其蒸发作用弱于荒漠区，表层土壤含水率降低幅度小于荒漠区。由于调控后，农田区对荒漠区不再有侧向补给，荒漠区深部土壤含水率出现小幅度降低。

表4 农田区调控非调控土壤含水率对比Table 4 Comparison of soil moisture content under water level regulation and non regulation in farmland area

表5 荒漠区调控非调控土壤含水率对比Table 5 Comparison of soil moisture content under water level regulation and nonregulation in desert area

3.3 调控和非调控土壤盐分对比

从图6可以看出，非调控灌溉后农田区40 cm以上土壤盐分均小于灌溉前，而调控后盐分减少幅度明显大于非调控时。调控前，灌溉前后盐分峰值由20 cm处运移至40 cm处，而调控后，灌溉前后盐分峰值由20 cm处运移至60 cm处，说明调控后盐分向下运移深度更大，灌溉对表层土壤淋滤作用更明显。非调控灌溉后，40～80 cm处土壤盐分均增加，而调控后增加幅度大于调控前。调控前80 cm以下土壤盐分灌溉前后变化不明显，而调控后90 cm以下土壤盐分均低于灌溉前。分析原因，40～80 cm处土壤可能由于土壤性质等原因为盐分主要富集区，水位调控后，表层盐分更大程度随灌溉水下移，主要汇聚在40～80 cm处。深层土壤灌溉期也受到一定淋滤作用，灌溉后在毛细和蒸发作用下盐分又回到土壤中，而调控后由于水位更深，毛细水对深层土壤补给量变少，回到深层土壤中的盐分也相应减少。

从图7中可以看出，非调控时灌溉后荒漠区水位上升，土壤表层盐分增加，而调控后虽然40 cm以上土壤盐分有所增加，但表层盐分增加幅度明显减少。非调控时，灌溉前后40 cm处盐分峰值有所增加，同时在表层土壤形成新的盐分峰值，60～110 cm土壤盐分降低，110 cm以下土壤盐分升高。而调控时，灌溉前后盐分峰值上移，由50 cm处运移到40 cm处，但峰值变小。70～130 cm土壤盐分升高，140 cm以下土壤盐分有小幅度降低。分析原因，水位调控后，浅层地下咸水中进入深部土壤中的盐分减少，同时毛细水携带深部土壤盐分向上运移，导致深部土壤盐分小幅度降低。由于毛细水上升高度有限，水位变深后毛细水携带浅层咸水和深部土壤中的盐分主要滞留在80～130 cm中部土壤中。而40～80 cm浅层土壤由于毛细水补给量变少，由毛细作用进入浅层土壤的盐分减少。而且由于强烈蒸发作用，表层土壤含水率快速减少水势降低，浅层土壤对表层土壤形成补给关系，浅层土壤自身水分也会携带盐分向上运移。因此，40～80 cm浅层土壤盐分减少，盐分峰值位置上移但值减小。

图6 农田区调控非调控土壤含盐量对比Fig.6 Comparison of soil salinity under water level regulation and non regulation in farmland area

图7 荒漠区调控非调控土壤含盐量对比Fig.7 Comparison of soil salinity under water level regulation and non regulation in desert area

4 结论

(1)农田荒漠过渡带上，荒漠区包气带土壤水盐运移与农田区密切相关。对土壤含水率而言，灌溉前后，农田区和荒漠区土壤含水率变化趋势相似，表层土壤含水率降低，深部土壤含水率小幅度升高。对土壤盐分而言，灌溉后，农田区部分盐分随水分侧向流入荒漠区，引起荒漠区深部盐分增加，同时水位上升。水位上升后毛细水对表层土壤补给量增加，在强蒸发作用下盐分随水分上移，表层土壤盐分升高。

(2)水位调控后，农田区不同深度土壤含水率均出现一定幅度的减少，灌溉对农田区土壤盐分淋滤作用更明显。荒漠区表层土壤含水率较非调控时有更大幅度的减少，表层盐分增加幅度减少，40～70 cm上层土壤盐分减少。

(3)对于农田荒漠过渡带区域，灌溉期进行水位调控，可以有效缓解灌溉作用引起的荒漠区表层土壤聚盐现象，更利于荒漠区植被生长。