農田荒漠過渡帶包氣帶土壤水鹽運移規律研究

崔尚進， 劉鵬飛*， 聶振龍， 朱譜成

(1.中國地質科學院水文地質環境地質研究所， 石家莊 050061； 2.自然資源部地下水科學與工程重點實驗室， 石家莊 050061)

由于早期農業用水不合理等因素，造成西北一些地區出現淺層水咸化、土壤鹽漬化和荒漠化等問題[1-4]。尤其是石羊河流域下游民勤等地區被巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠包圍，隨時面臨被沙漠吞并的風險[5-6]。因此，民勤一些地區為防止荒漠化進一步惡化，不僅設立了許多荒漠自然保護區，而且對農業用水實行嚴格的管理制度[7-9]。而農田荒漠過渡帶地處農田和沙漠之間，是防止綠洲沙漠化的一道屏障，如何實現農田耕種與荒漠保護區植被協同發展是西北重點關注問題之一[10-13]。因此，對于農田荒漠過渡帶包氣帶土壤水分和鹽分運移規律的研究十分必要。

目前，對于農田荒漠過渡帶包氣帶土壤水鹽運移規律的研究已取得一定進展。庫軍強等[14]以民勤荒漠綠洲過渡帶為例，研究了不同類型沙堆土壤物理屬性對包氣帶土壤水分空間分布的影響，結果表明干旱季節固定,半固定和流動白刺沙堆分別以50、130、110 cm土層含水量最大。張帥普等[15]對黑河中游綠洲與荒漠交錯地帶植被生長季節包氣帶土壤水分含量進行持續3年監測，發現綠洲-荒漠過渡帶包氣帶土壤水分梯度與河流和土地利用方式密切相關.。閆柯等[16]對準噶爾盆地南緣荒漠-綠洲過渡帶包氣帶土壤水分,鹽分和養分的分析測定及對比分析,得出荒漠-綠洲過渡帶植被斑塊格局土壤水鹽及養分分布特征。王國帥等[17]通過河套灌區兩年現場觀測試驗，采用土壤水動力學與溶質動力學方法，建立了耕地-荒地-海子系統水量和鹽量平衡模型，進而揭示了耕地-荒地-海子系統間水分和鹽分運移關系。席琳喬等[18]通過測定滴灌和漫灌兩種灌溉方式下的地下水質和包氣帶土壤理化性質，得出灌溉方式對荒漠綠洲過渡帶地下水和土壤的影響，結果表明：滴灌方式下土壤鹽分表聚趨勢大于漫灌方式。張克海等[19]以黑河中游荒漠綠洲過渡帶上的固沙植被泡泡刺和沙拐棗為對象，研究了不同植被根區垂直方向和水平方向上土壤含水量的分布特征及其變異性，結果表明土層越深,固沙植被根區土壤含水量越高。

通過以往研究發現，對于灌溉期農田灌溉后，農田荒漠過渡帶上農田區和荒漠區包氣帶土壤水鹽運移規律以及兩者之間相互影響的研究較少。為此，以石羊河流域下游某一試驗場為例，對灌溉期農田灌溉后農田區和荒漠區包氣帶土壤含水率和鹽分進行監測，旨在查明農田區灌溉后對過渡帶荒漠區包氣帶土壤水鹽運移的影響，為農田區農作物和荒漠區植被協同發展提供一定的理論支撐。

1 試驗場概況

選定試驗場位于石羊河流域下游農田荒漠過渡帶，地理坐標為38°06′2.40″N，103°20′1.00″E。試驗場內農田區農作物類型以玉米和食葵為主，荒漠區天然植被類型主要以鹽爪爪、蘆草和紅柳等荒漠化植被為主。試驗場內約10 m有一層較厚的黏土層，將含水層劃分為上下兩層。其中上層潛水水位埋深在約2 m，在強烈蒸發作用下咸化，礦化度達到6～9 g/L，下層是區內主要淡水開采層，礦化度為0.5～2 g/L。對試驗場地內淺層土壤取樣，不同深度顆粒組成如表1所示。

為獲取土壤包氣帶水鹽動態變化過程，在試驗場農田區和荒漠區布設包氣帶監測剖面，監測設備采用土壤三參數傳感器(5TE)，測量土壤中的溫度、含水率和電導率。由于灌溉期水位波動較為頻繁，在農田區和荒漠區設置水位觀測孔，孔內安裝水位自動記錄儀Diver，用于實時觀測剖面附近地下水位的變化情況。農田灌溉期間荒漠區水位變化如圖1所示，可以看出，6～8月集中灌溉期間，荒漠區水位埋深從約1.9 m上升到約1.5 m，相應的包氣帶土壤水鹽必定發生變化。因此，對灌溉前后農田區和荒漠區包氣帶水鹽數據進行對比分析。

圖1 灌溉期荒漠區水位變化Fig.1 Water level change in desert area during irrigation period

2 包氣帶土壤水鹽運移規律

2.1 灌溉前后包氣帶土壤含水率變化

對試驗場地內灌溉前后農田區和荒漠區包氣帶土壤含水率數據進行分析。農田區灌溉后含水率監測數據如表2所示。可以看出，灌溉后初期各層土壤含水率有所增加，表層增加的幅度較大。灌溉中后期，土壤含水率主要受蒸發作用影響，表層土壤含水率快速下降，深層土壤含水率較灌溉前有較小幅度的增加，這是由于灌溉后淺層水位上升，在毛細作用下對深層水補給量變大。

灌溉期荒漠區土壤含水率監測數據如表3所示，可以看出，農田灌溉后荒漠區80 cm以下土壤含水率呈持續小幅度上升趨勢，40～60 cm土壤含水率變化不明顯，而20 cm以上土壤含水率整體處于下降的趨勢。分析原因，由于農田區灌溉后也造成了荒漠區淺層水位上升，毛細水對深層土壤補給量變大，表層土壤由于強烈的蒸發作用，土壤含水率持續減少，而40～60 cm土壤含水率受蒸發作用和毛細作用共同影響，兩種作用下其變化不明顯。

表2 農田區包氣帶土壤含水率變化幅度Table 2 Variation range of soil moisture content in vadose zone of farmland area

表3 荒漠區包氣帶土壤含水率變化幅度Table 3 Variation range of soil moisture content in vadose zone in desert area

2.2 灌溉前后包氣帶土壤鹽分變化

對比試驗場地內灌溉前后農田區包氣帶土樣鹽分，結果如圖2所示。農田區灌溉后，40 cm以上表層土壤鹽分明顯降低，鹽分峰值隨水分運移下移，由20 cm處運移至40 cm處。40～80 cm土壤鹽分較灌溉前有小幅度增長，80 cm以下深層土壤鹽分變化不明顯，說明表層鹽分主要隨灌溉水分向下運移，小部分留在40～80 cm處的土壤，大部分進入地下水中。

對比試驗場地內灌溉前后荒漠區包氣帶土樣鹽分，結果如圖3所示。農田灌溉后，荒漠區20 cm以上土壤鹽分明顯增長，20～50 cm土壤鹽分有小幅度增長，50～110 cm土壤鹽分小幅度減少，而110 cm以下土壤鹽分又有所增加。分析其原因，農田區灌溉后表層鹽分進入淺層地下水中，同時水位上升與荒漠區形成水位差，農田區地下水在水動力作用下攜帶鹽分進入荒漠區，部分鹽分又在毛細作用下進入110 cm以下深部土壤中。荒漠區水位上升后，毛細水對上層土壤補給量變大，攜帶更多的鹽分上移。同時在強蒸發作用下，土壤中的水分攜帶鹽分停留在40 cm以上土壤中，其中大部分匯聚在20 cm以上表層土壤中。

圖2 農田區土壤鹽分變化Fig.2 Changes of soil salinity in farmland

圖3 荒漠區土壤鹽分變化Fig.3 Changes of soil salinity in desert area

3 調控和非調控土壤水鹽運移對比

3.1 確定適宜調控水位

通過以上灌溉前后農田區和荒漠區包氣帶土壤水鹽運移規律可知，農田區灌溉后會引起荒漠區包氣帶土壤鹽分升高，其中影響包氣帶水鹽運移的主要為毛細作用和蒸發作用，而兩者均與水位有關。因此，為緩解灌溉期荒漠區包氣帶鹽分升高問題，需對農田和荒漠區進行水位調控。

灌溉期荒漠區淺層水埋深變化如圖1所示，可以看出，荒漠區非灌溉期淺層水埋深在約1.9 m，受灌溉影響后埋深最高上升到約1.5 cm。為確定適宜調控水位，通過Hydrus軟件模擬計算荒漠區淺層水埋深1.9～2.5 m時土壤蒸發量。計算結果如圖4所示。可以看出，埋深小于2.1 m時，土壤蒸發量隨埋深變大快速減少，埋深大于2.1 m時，土壤蒸發量隨埋深變大減少速率減緩。

圖4 不同水位埋深土壤蒸發量Fig.4 Soil evaporation at different water levels

對試驗場周邊區域上不同水位埋深時土壤鹽分取樣，結果如圖5所示可以看出，埋深小于2 m時，表層土壤鹽分隨埋深變大快速減少，埋深大于2 m時，表層土壤鹽分隨埋深變大減少速率減緩。因此，結合以上土壤蒸發量和土壤表層鹽分隨埋深變化規律，確定淺層水調控埋深為2.1 m。

圖5 不同水位埋深土壤含鹽量Fig.5 Soil salt content at different water levels

3.2 調控和非調控土壤含水率對比

通過表4和表5可以看出，調控后農田區和荒漠區土壤含水率整體變化趨勢相近。非調控時，農田區灌溉后除表層外，土壤含水率都有小幅度升高。水位調控后，由于毛細作用對淺層土壤的補給量變少，在強蒸發作用下農田區土壤含水率出現一定幅度的減少，而荒漠區淺層土壤含水率較非調控時降低幅度更大。而農田區由于農作物較密集，其蒸發作用弱于荒漠區，表層土壤含水率降低幅度小于荒漠區。由于調控后，農田區對荒漠區不再有側向補給，荒漠區深部土壤含水率出現小幅度降低。

表4 農田區調控非調控土壤含水率對比Table 4 Comparison of soil moisture content under water level regulation and non regulation in farmland area

表5 荒漠區調控非調控土壤含水率對比Table 5 Comparison of soil moisture content under water level regulation and nonregulation in desert area

3.3 調控和非調控土壤鹽分對比

從圖6可以看出，非調控灌溉后農田區40 cm以上土壤鹽分均小于灌溉前，而調控后鹽分減少幅度明顯大于非調控時。調控前，灌溉前后鹽分峰值由20 cm處運移至40 cm處，而調控后，灌溉前后鹽分峰值由20 cm處運移至60 cm處，說明調控后鹽分向下運移深度更大，灌溉對表層土壤淋濾作用更明顯。非調控灌溉后，40～80 cm處土壤鹽分均增加，而調控后增加幅度大于調控前。調控前80 cm以下土壤鹽分灌溉前后變化不明顯，而調控后90 cm以下土壤鹽分均低于灌溉前。分析原因，40～80 cm處土壤可能由于土壤性質等原因為鹽分主要富集區，水位調控后，表層鹽分更大程度隨灌溉水下移，主要匯聚在40～80 cm處。深層土壤灌溉期也受到一定淋濾作用，灌溉后在毛細和蒸發作用下鹽分又回到土壤中，而調控后由于水位更深，毛細水對深層土壤補給量變少，回到深層土壤中的鹽分也相應減少。

從圖7中可以看出，非調控時灌溉后荒漠區水位上升，土壤表層鹽分增加，而調控后雖然40 cm以上土壤鹽分有所增加，但表層鹽分增加幅度明顯減少。非調控時，灌溉前后40 cm處鹽分峰值有所增加，同時在表層土壤形成新的鹽分峰值，60～110 cm土壤鹽分降低，110 cm以下土壤鹽分升高。而調控時，灌溉前后鹽分峰值上移，由50 cm處運移到40 cm處，但峰值變小。70～130 cm土壤鹽分升高，140 cm以下土壤鹽分有小幅度降低。分析原因，水位調控后，淺層地下咸水中進入深部土壤中的鹽分減少，同時毛細水攜帶深部土壤鹽分向上運移，導致深部土壤鹽分小幅度降低。由于毛細水上升高度有限，水位變深后毛細水攜帶淺層咸水和深部土壤中的鹽分主要滯留在80～130 cm中部土壤中。而40～80 cm淺層土壤由于毛細水補給量變少，由毛細作用進入淺層土壤的鹽分減少。而且由于強烈蒸發作用，表層土壤含水率快速減少水勢降低，淺層土壤對表層土壤形成補給關系，淺層土壤自身水分也會攜帶鹽分向上運移。因此，40～80 cm淺層土壤鹽分減少，鹽分峰值位置上移但值減小。

圖6 農田區調控非調控土壤含鹽量對比Fig.6 Comparison of soil salinity under water level regulation and non regulation in farmland area

圖7 荒漠區調控非調控土壤含鹽量對比Fig.7 Comparison of soil salinity under water level regulation and non regulation in desert area

4 結論

(1)農田荒漠過渡帶上，荒漠區包氣帶土壤水鹽運移與農田區密切相關。對土壤含水率而言，灌溉前后，農田區和荒漠區土壤含水率變化趨勢相似，表層土壤含水率降低，深部土壤含水率小幅度升高。對土壤鹽分而言，灌溉后，農田區部分鹽分隨水分側向流入荒漠區，引起荒漠區深部鹽分增加，同時水位上升。水位上升后毛細水對表層土壤補給量增加，在強蒸發作用下鹽分隨水分上移，表層土壤鹽分升高。

(2)水位調控后，農田區不同深度土壤含水率均出現一定幅度的減少，灌溉對農田區土壤鹽分淋濾作用更明顯。荒漠區表層土壤含水率較非調控時有更大幅度的減少，表層鹽分增加幅度減少，40～70 cm上層土壤鹽分減少。

(3)對于農田荒漠過渡帶區域，灌溉期進行水位調控，可以有效緩解灌溉作用引起的荒漠區表層土壤聚鹽現象，更利于荒漠區植被生長。