張 楠, 韓金旭, 江 紅, 蔣曉輝, 蘇曉慧, 李皓冰

(1.黃河水利科學(xué)研究院, 河南 鄭州 450003; 2.黃河流域水資源保護局, 河南 鄭州 450004)

耕作期內(nèi)土壤水分和鹽分運動規(guī)律
——試驗設(shè)計及水鹽變化

張 楠1, 韓金旭1, 江 紅2, 蔣曉輝1, 蘇曉慧1, 李皓冰1

(1.黃河水利科學(xué)研究院, 河南 鄭州 450003; 2.黃河流域水資源保護局, 河南 鄭州 450004)

[目的] 分析灌溉期內(nèi)土壤水鹽變化規(guī)律,為改進灌區(qū)耕作期灌溉制度存在的現(xiàn)行問題，土壤鹽堿化治理以及研究節(jié)水型灌溉工程的實施對生態(tài)環(huán)境的影響提供科學(xué)指導(dǎo)。[方法] 考慮土壤質(zhì)地、灌溉方式、作物種植等因素進行試驗點、觀測點的布設(shè),通過常規(guī)方法對水分變化、含水率、土壤鹽分、地下水鹽分等方面進行了計算分析,在此基礎(chǔ)上,對其影響因子(灌溉方式、灌溉制度等)進行相關(guān)性分析?；? a耕作期內(nèi)時空變化監(jiān)測數(shù)據(jù)分析土壤水分、鹽分運動變化特點。[結(jié)果] 耕作期土壤含水率隨土層深度增加而增加,含水率變化頻率隨土層深度增加而減少。[結(jié)論] 耕作期內(nèi),在地下水埋深較淺的情況下,過大的降雨量(灌水量)并不能得到更高的脫鹽效率,甚至可能降低脫鹽率,表層土壤呈現(xiàn)較明顯的脫鹽過程;地下水鹽分變化與降雨關(guān)系密切。

耕作期; 地下水埋深; 土壤含水率; 土壤鹽分; 地下水鹽分

土壤水分、鹽分是是土壤鹽漬化研究中的2個重要參數(shù)[1]等。影響土壤水分、鹽分的因素很多，與土壤水力特性有關(guān)的因素(質(zhì)地、容重、有機質(zhì)含量等)都可能成為影響的變異源[2-3]。這些因素又受到農(nóng)田耕作、管理方式、植被類型、生物活動、雨滴擊濺、干濕和凍融交替等自然過程和人類活動的強烈影響[4-5]。

國內(nèi)外關(guān)于土壤水分、鹽分的研究是從20世紀60年代開始，研究的重點集中在季節(jié)性凍融土區(qū)[6]。李元壽等[7]采用地統(tǒng)計學(xué)方法研究青藏高原高寒草甸覆蓋區(qū)域淺層剖面土壤水分的空間異質(zhì)性特征，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著高寒草甸區(qū)土層的30 cm以下的土壤水分受自相關(guān)因素和隨機因素共同控制；李瑞平等[8]采樣分析認為土壤水分、鹽分在土壤凍融期、凍結(jié)期和融解期3個時期不同深度活躍程度存在差異；李元壽[9]等人研究發(fā)現(xiàn)凍結(jié)過程和融化過程中，不同覆蓋度的所有深度土壤水分融化歷時遠遠小于凍結(jié)歷時；吳謀松等[10]通過Hangen—Poiseuille孔隙通量方程，提出了凍土水流通量模型，研究發(fā)現(xiàn)凍融過程中水流通量受到中間層凍土和地下水頂托的影響，從微觀的角度很好地解釋了土壤凍結(jié)過程中冰水共存狀態(tài)下土壤中水流通量變化規(guī)律。

以上這些研究成果對于土壤水分、鹽分變化提供了良好的研究方法和基礎(chǔ)。土壤水分、鹽分作為干旱半干旱缺水區(qū)重要的水資源，在灌溉耕作期內(nèi)耕作層鹽分富集、脫鹽等具有特別意義[11]，而灌溉耕作期土壤水分、鹽分的研究相對較少。灌區(qū)耕作期土壤水分、鹽分變化直接影響灌區(qū)的耕作、管理方式，對于干旱半干旱缺水區(qū)發(fā)展高效實用的節(jié)水型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的建設(shè)起著關(guān)鍵作用。

本文利用鄂爾多斯南岸灌區(qū)田間耕作期2 a(2012，2013年)監(jiān)測資料，在說明試驗點布設(shè)情況的基礎(chǔ)上，對17個觀測點水分、鹽分變化進行探討，為第2篇地下水埋深、土壤鹽分剖面分區(qū)等條件下灌區(qū)土壤水鹽運移規(guī)律，揭示耕作層鹽分富集機理研究提供鋪墊，以期為改進灌區(qū)耕作期灌溉制度存在的現(xiàn)行問題、土壤鹽堿化治理以及節(jié)水型灌溉工程的實施對生態(tài)環(huán)境的影響等方面提供理論依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

研究野外觀測試驗按照試驗區(qū)耕作期每年從4月24日開始，至9月18日結(jié)束，歷時149 d，共監(jiān)測2012，2013年2 a。采集土樣5 693個，觀測地下水埋深1 010次，土壤鹽分1 010次，現(xiàn)場測試地下水水質(zhì)1 110次、灌溉水質(zhì)20次、灌溉水量記錄20次。同時利用觀測期內(nèi)臨近4旗縣(達拉特旗、土默特右旗、準格爾旗與托克托縣)氣象數(shù)據(jù)。

1.1 試驗點的布設(shè)

在綜合考慮南岸灌區(qū)水利工程建設(shè)情況、灌溉方式、地下水位、土壤鹽堿化程度等因素的基礎(chǔ)上，選取吉格斯太灌域為試驗區(qū)。現(xiàn)場布點時，首先根據(jù)噴灌工程的實施情況確定噴灌區(qū)觀測點位置，采用便攜式鹽分計(2265FS)測定表層土壤含鹽量，然后在相鄰渠灌區(qū)選取與噴灌區(qū)觀測點的表層土壤含鹽量相近的區(qū)域進行布點。同時，本試驗還將對土壤縱向的水分鹽分變化進行監(jiān)測，按照縱向5個深度布置取樣點，分別為10，30，50，70和100 cm。

1.2 觀測點布設(shè)及編號

試驗采用17個觀測點，分別布設(shè)在1#，9#，11#噴灌區(qū)及相鄰渠灌區(qū)內(nèi)，每個點布設(shè)1眼地下水觀測井，觀測井附近田塊即為對應(yīng)的試驗觀測區(qū)，在觀測區(qū)內(nèi)取土測含水量及含鹽量。

觀測點分布及編號詳細情況如下：9#噴灌區(qū)：布設(shè)6個觀測點；1#噴灌區(qū)：布設(shè)7個觀測點；11#噴灌區(qū)：布設(shè)4個觀測點。在具體布點時，考慮到噴灌設(shè)施工程進展情況，現(xiàn)場布點時暫定了17個觀測點。A—F區(qū)為渠灌區(qū)，灌溉水源為黃河水；G—N及Q區(qū)為井灌區(qū)，灌溉水源為當?shù)氐叵滤?；O—P區(qū)為荒地，未播種，且無灌溉。

2 結(jié)果與討論

2.1 水分變化特點

2.1.1 地下水埋深 結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，在充分考慮初始地下水埋深、灌溉方式及區(qū)域分布等因素的基礎(chǔ)上，選擇了A，D，I，N這4個觀測區(qū)作為代表，進行地下水埋深變化分析。繪制各區(qū)域4月下旬至9月中旬地下水旬值變化情況如表1和圖1所示。

表1 鄂爾多斯南岸灌區(qū)觀測區(qū)潛水埋深變化

由表1可知，引黃灌區(qū)地下水埋深初值均小于井灌區(qū)，各區(qū)域中A區(qū)最小(1.25 m)，I區(qū)最大(2.44 m)。就變化幅度而言，I區(qū)水位變幅最大，達1.91 m，其次為A區(qū)1.37 m。試驗區(qū)地下水埋深變化的總體趨勢為由北向南逐漸加深，與黃河對地下水補給作用逐漸減弱有關(guān)，而相同區(qū)域年際間的初始水位差異與氣象條件差別有關(guān)。

可以看出，盡管灌溉制度不同，但不同觀測區(qū)年內(nèi)地下水位變化規(guī)律基本相同。各區(qū)域地下水埋深均表現(xiàn)出前期下降，后期上升的變化趨勢。根據(jù)觀測區(qū)氣象數(shù)據(jù)可知，觀測期2012，2013年項目區(qū)降雨頻繁，特別是6月下旬與7—8月兩時間段，出現(xiàn)長時間連續(xù)降雨地下水為在相應(yīng)時段內(nèi)出現(xiàn)峰值。此外，較大的降雨，沖淡了由于灌溉制度不同所造成的潛水埋深差異，形成不同觀測區(qū)地下水埋深的變化趨于一致。

注：實線箭頭為灌水；虛線箭頭為較大降雨。下同。圖1 鄂爾多斯南岸灌區(qū)地下水埋深變化

2.1.2 土壤含水率 選擇A，I，N，P共4個觀測區(qū)作為代表，分析土壤含水率變化，繪制4區(qū)域不同土層耕作期含水率變化(圖2)?？梢钥闯觯煌^測區(qū)土壤含水率變化較為劇烈，7—8月的各區(qū)土壤含水率均較高。

地下水埋深較淺的A，N，P區(qū)各層土壤含水率均較高，N區(qū)與P區(qū)耕作后期土壤含水率升高明顯，而地下水深埋的I區(qū)土壤含水率則相對處于較低水平。這與淺埋區(qū)土壤含水率受地下水與降雨和灌溉等影響因素有關(guān)。

由圖2可以看出，隨著土層深度的增加，含水率變化幅度減緩，土壤深度是影響潛水蒸發(fā)主要因素之一，蒸發(fā)蒸騰作用直接影響土壤含水量(李瑋，等[12])。各層土壤含水率隨土層深度增加而加大，A,N區(qū)與P區(qū)底層含水量均較大，I區(qū)最小，這與4者中I區(qū)潛水埋深最大的事實相符。

2.2 鹽分變化特點

2.2.1 土壤鹽分 17個觀測區(qū)全耕作期土壤脫鹽率如表2所示。計算17個觀測區(qū)土壤表聚系數(shù)，并繪制A, I, N,與P區(qū)表聚系數(shù)變化過程(圖3)。

表2 鄂爾多斯南岸灌區(qū)各區(qū)域不同土層年度脫鹽率均值 %

圖2 鄂爾多斯南岸灌區(qū)不同土層埋深含水率變化

圖3 鄂爾多斯南岸灌區(qū)不同觀測區(qū)土壤鹽分表聚系數(shù)變化

可以看出，除荒地外，各觀測區(qū)表聚系數(shù)均呈下降趨勢，荒地的表聚系數(shù)升高較明顯，平均升高值為38.4%。

這一現(xiàn)象表明，在地下水埋深較淺的情況下，過大的降雨量(灌水量)并不能收到更高的脫鹽效率，甚至可能降低脫鹽率，表層土壤呈現(xiàn)較明顯的脫鹽過程(表2)，土壤鹽分的表聚能力降低；不灌(O區(qū)與P區(qū))區(qū)域，地下水位較淺，表層鹽分累積。

2.2.2 地下水鹽分 農(nóng)田土壤表層承接地表來水，洗鹽壓堿，底層受地下水頂托，吸水納鹽，地下水鹽分變化與區(qū)域土壤次生鹽堿化之間關(guān)系密切。為明確地下水鹽分變化，分別在渠灌及井灌區(qū)選擇具有代表性的A，D，E，F(xiàn)和G，H，I，N共8個觀測區(qū)，分析地下水鹽分旬值變化，各區(qū)域地下水鹽變化及耕作情況見表3。

表3 鄂爾多斯南岸灌區(qū)不同區(qū)域潛水鹽分變化及耕作制度

由于監(jiān)測段內(nèi)觀測區(qū)降雨較多，灌溉次數(shù)有所減少，年度地下水位與含鹽量變化主要受降雨影響。進入雨季之后，觀測區(qū)出現(xiàn)多次連續(xù)降雨，很難對次降雨進行劃分，因此根據(jù)各旬降雨情況，對大于10 mm的旬降雨期內(nèi)選擇渠灌區(qū)與井灌區(qū)典型觀測區(qū)繪制地下水鹽分變化過程如圖4所示。

圖4 鄂爾多斯南岸灌區(qū)觀測區(qū)地下水鹽分變化

由圖4可見，從觀測區(qū)總體情況來看，在耕作初期，地下水電導(dǎo)率變化比較劇烈，進入7月中下旬后，大部分測區(qū)地下水電導(dǎo)率值維持在較低水平，直至9月之后才開始升高，而這一變化與觀測區(qū)此時期維持了近10 d的晴朗天氣有關(guān)。在各次較大降雨過程中，地下水電導(dǎo)率均出現(xiàn)了較為集中的跌落。地下水鹽分變化與降雨之間具有明顯的響應(yīng)關(guān)系。

3 結(jié) 論

(1) 耕作期含水率隨土層深度增加而增加，含水率變化頻率隨土層深度增加而減少。

(2) 在地下水埋深較淺的情況下，過大的降雨量(灌水量)并不能收到更高的脫鹽效率，甚至可能降低脫鹽率，表層土壤呈現(xiàn)較明顯的脫鹽過程，不灌區(qū)域，地下水位較淺，表層鹽分累積，測區(qū)土壤表層鹽分富集無明顯增強或減弱趨勢。

耕作條件下地下水埋深對土壤水鹽運移規(guī)律的研究仍是今后土壤科學(xué)的研究重點。下一步的工作研究中應(yīng)選取不同質(zhì)地的土壤，不同程度鹽漬化土壤條件下水分入滲隨灌溉時間的不同發(fā)生的動態(tài)變化，進一步開展不同灌溉水質(zhì)、土壤類型及鹽分的分布和遷移能力設(shè)計，收集灌溉工程調(diào)控方案下的試驗數(shù)據(jù)。為干旱半干旱缺水區(qū)發(fā)展高效實用的節(jié)水型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的建設(shè)提供支撐。

[1] Saxton K E, Rawls W J. Soil water characteristic estimates by texture and organic matter for hydrologic solutions[J]. Soil Science Society of America Journal, 2005,70(5):1569-1578.

[2] Bormann H, Klaassen K. Seasonal and land use dependent variability of soil hydraulic and soil hydrological properties of two Northern German soils[J]. Geoderma, 2008,145(3/4):295-302.

[3] 何丹,馬東豪,張錫洲,等.土壤入滲特性的空間變異規(guī)律及其變異源[J].水科學(xué)進展,2013,24(3):340-348.

[4] Bronick C J, Lal R. Soil structure and management: A review[J]. Geoderma, 2005,124(1/2):3-22.

[5] Roger-estrade J, Richard G, Dexter A R, et al. Integration of soil structure variations with time and space into models for crop management: A review[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2009,29(1):135-142.

[6] 馬睿,伍靖偉,查元源,等.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)凍融土壤水分遷移簡化模型[J].灌溉排水學(xué)報,2012,31(6):1-5.

[7] 李元壽,王根緒,丁永建,等.青藏高原高寒草甸區(qū)土壤水分的空間異質(zhì)性[J].水科學(xué)進展,2008,19(1):61-67.

[8] 李瑞平,史海濱,付小軍,等.干旱寒冷地區(qū)凍融期土壤水分和鹽分的時空變異分析[J].灌溉排水學(xué)報,2012,31(1):86-89.

[9] 李元壽,王根緒,趙林,等.青藏高原多年凍土活動場土壤水分對高寒草甸覆蓋變化的響應(yīng)[J].冰川凍土,2010,32(1):157-165.

[10] 吳謀松,王康,譚霄,等.土壤凍融過程中水流遷移特性及通量模擬[J].水科學(xué)進展,2013,24(4):543-550.

[11]Rengasamy P. Transient salinity and subsoil constraints to dryland farming in Australian sodic soil: An overview[J]. Australian Journal of Experimental Agriculture, 2002,42(3):351-361.

[12] 李瑋,王立,姜濤.地下水淺埋區(qū)鹽堿地滴灌條件下土壤鹽分運移研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2007,25(5):130-134.

Movement of Soil Moisture and Salt During Farming Period-Experiment Design and Water-Salt Movement Change

ZHANG Nan1, HAN Jinxu1, JIANG Hong2, JIANG Xiaohui1, SU Xiaohui1, LI Haobing1

(1.YellowRiverInstituteofHydraulicResearch,Zhengzhou,He’nan450003,China;2.YellowRiverBasinWaterResourcesProtectionBureau,Zhengzhou,He’nan, 450004,China)

[Objective] The objective of this paper is to analyze the dynamic changes of soil water and salt during the farming period in order to provide the scientific guidance for soil salinization control and the implementation of water-saving irrigation project. [Methods] We designed the experiments according to the soil texture, irrigation methods, crop cultivation and other factors. We calculated and analyzed the variations in water content, moisture content, soil salinity and groundwater salt through the conventional methods. Based on 2 years observation data, we analyzed the dynamic changes of soil moisture, and salt movement. [Results] Soil moisture content increased with the increase of soil depth, and the change frequency in soil moisture content decreased with the increase of soil depth during farming period. [Conclusion] During the farming period, heavy rainfall(drop water) may reduce desalting efficiency, and the surface soil shows an obvious desalting when the groundwater are shallow. Changes in groundwater salinity are closely related to rainfall.

farming period; groundwater level; moisture content of soil; soil salinity; groundwater salinity

2014-06-24

2014-07-22

國家自然科學(xué)基金項目“傍河開采對河川徑流襲奪量影響研究”(51309107)， “基于水庫群多目標調(diào)度的黑河流域復(fù)雜水資源系統(tǒng)配置研究”(91325201); “十二五”科技支撐計劃“黃河中游河川徑流銳減驅(qū)動力及人為調(diào)控效應(yīng)研究”(2012BAB02B04)

張楠(1981—),男(漢族),安徽省阜陽市人,博士,高級工程師，主要從事水文水資源、土壤水等研究。 E-mail:zhangnan19810202@126.com。

A

1000-288X(2015)05-0082-06

S152.7