不同地下水埋深對(duì)龜裂堿土水鹽遷移和油葵產(chǎn)量的影響研究

楊 軍，杜 軍，馬小剛，景何仿，2，孫兆軍

（1. 北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 2. 北方民族大學(xué)數(shù)值計(jì)算與工程應(yīng)用研究所，寧夏 銀川 750021；3. 寧夏大學(xué)環(huán)境工程研究院，寧夏 銀川 750021）

土壤積鹽最基本、最普遍的形式是在蒸發(fā)條件下不同礦化度的地下水通過土壤毛細(xì)管上升到土壤表層并蒸發(fā)到大氣中，其攜帶的鹽分聚集在地表［1］。土壤積鹽的強(qiáng)度會(huì)受到蒸發(fā)強(qiáng)度、地下水埋深、礦化度大小和土壤質(zhì)地的影響，一般來說，干旱區(qū)鹽堿地的地下水埋深比臨界深度淺，礦化度偏高，強(qiáng)烈蒸發(fā)下土壤積鹽的速度較快。據(jù)研究［2］，地下水礦化度較高，埋深較深，土壤表層積鹽不一定強(qiáng)烈；地下水礦化度較小，埋深較淺，土壤表層積鹽強(qiáng)烈。因此，地下水礦化度對(duì)土壤鹽分積累起著支配作用，地下水埋深起決定性因素。

目前學(xué)者對(duì)不同地下水埋深下土壤的水鹽運(yùn)移特征、地下水埋深淺的鹽堿地蒸發(fā)的水鹽運(yùn)移以及水鹽調(diào)控下土壤的水鹽運(yùn)移特征進(jìn)行了大量研究［3-6］，但對(duì)龜裂堿土不同地下水埋深下土壤的水鹽運(yùn)移特征未進(jìn)行報(bào)道［7］。潛水蒸發(fā)土壤的水鹽運(yùn)移和水分入滲土壤的水鹽運(yùn)移是研究的熱點(diǎn)問題［8］。李亮等［9］分析了荒地土壤水鹽的運(yùn)移機(jī)理，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)蒸發(fā)是荒地水鹽運(yùn)移的原動(dòng)力，土層5 和20 cm 處土壤電導(dǎo)率分別上升了66.10%和63.89%。陳麗娟等［10］發(fā)現(xiàn)黏土夾層對(duì)土壤水鹽運(yùn)移具有顯著的阻礙作用。余世鵬等［11］發(fā)現(xiàn)含黏土夾層土體表層積鹽的地下水埋深為1 m 左右；砂壤土表層積鹽地下水埋深為1.5 m 左右。劉廣明等［12］研究了土層0～40 cm 的土壤鹽分在不同地下水埋深和礦化度下的遷移特性，發(fā)現(xiàn)地下水埋深為85 cm 和105 cm 土壤電導(dǎo)率與地下水礦化度呈正相關(guān)關(guān)系；地下水埋深155 cm 土壤積鹽強(qiáng)度較小。魏光輝、郝遠(yuǎn)遠(yuǎn)等［13，14］對(duì)不同地下水埋深下土壤水鹽運(yùn)移及作物生長(zhǎng)的分析，發(fā)現(xiàn)鹽堿地地下水埋深為1.5～2.5 m 有利于玉米、棉花的生長(zhǎng)。明確不同地下水埋深和礦化度對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響，對(duì)鹽堿土改良和防控提供理論依據(jù)［15，16］。因此研究不同地下水埋深和礦化度對(duì)龜裂堿土水鹽動(dòng)態(tài)的影響，以及對(duì)油葵生長(zhǎng)發(fā)育的影響，為開展龜裂堿地水鹽調(diào)控提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)選在寧夏銀北西大灘前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)龜裂堿地，面積43.3 hm2，土壤理化性質(zhì)見表1和表2。土層平均堿化度大于30%，平均全鹽小于5 g/kg，表層最高，呈現(xiàn) “表聚”現(xiàn)象，隨土層深度增加全鹽逐漸降低，鹽分組成主要是Na2SO4和NaCl。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤理化性狀Tab.1 Physical and chemical properties of the tested soils

表2 土壤機(jī)械組成Tab.2 Soil mechanical composition

龜裂堿土0～80 cm 土壤為黏質(zhì)土，容重大，結(jié)構(gòu)密實(shí)，理化性質(zhì)惡劣，80 cm 以下土壤為粉壤土。土層0～40 cm 土壤平均容重為1.52 g/cm3，土壤黏粒、砂粒和粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為57.9%、15.3%和26.8%。據(jù)國(guó)際土壤質(zhì)地三角坐標(biāo)圖可知土壤屬于黏土類。

試驗(yàn)期間2013-2015 年降雨和蒸發(fā)量表3 所示，年際間降雨量和蒸發(fā)量變化不大，屬干旱枯水年，蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨量。春季降雨量少，5、6、7 和8 月試驗(yàn)區(qū)蒸發(fā)量較大。蒸發(fā)量月間動(dòng)態(tài)變化相似，4 月開始逐漸增大，8 月達(dá)到最大，9 月開始逐漸減小。

表3 試驗(yàn)期間降雨量和蒸發(fā)量mmTab.3 Rainfall and evaporation during the test period

地下水埋深隨土壤凍融期（1-3月）和灌溉期（4-11月）的變化而變化。1-3月，淺層地下水埋深逐漸增大，4-8月，淺層地下水埋深受灌溉的影響變淺，4 月灌溉1 次，5、6、7 月每月灌溉2次，灌溉定額4 500 m3/hm2，8月中旬灌區(qū)停止灌溉，10月中旬開始冬灌，到11月份淺層地下水埋深最淺。調(diào)控下各觀測(cè)井地下水埋深動(dòng)態(tài)變化見圖1，觀測(cè)井4、6、2、3、1、5 的地下水埋深變化分別為0.77～0.82、0.97～1.3、1.17～1.22、1.48～1.52、1.79～1.83和1.98～2.1 m。淺層地下水年際變化見圖2，試驗(yàn)區(qū)地下水埋深淺，礦化度較高，地下水埋深年均為1.37 m，礦化度＜3 g/L，鹽分離子以Na+、Cl-、SO42-和HCO3-為主。灌溉水來自黃河水，pH值平均為8.12，礦化度平均為0.42 g/L。

圖1 調(diào)控下各觀測(cè)井地下水埋深變化Fig.1 Groundwater depth change of each observation well under regulation

圖2 淺層地下水埋深變化Fig.2 Groundwater depth varition

表4 監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：2013-2015 年，灌溉水總量659 891.0 t，引入鹽分230.1 t；總排水量為407 208.8 t，排鹽量1 059.9 t。

表4 灌水排水量以及引鹽排鹽量Tab.4 Irrigation and drainage and salt drainage

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)區(qū)龜裂堿地43.3 hm2布置具有典型代表性土樣觀測(cè)點(diǎn)6 個(gè)，2013 年4 月到2015 年9 月通過6 眼觀測(cè)井監(jiān)測(cè)龜裂堿土淺層地下水埋深和礦化度的動(dòng)態(tài)變化，地下水水位控制靠暗管和明溝進(jìn)行強(qiáng)排，試驗(yàn)區(qū)分區(qū)域在0.8、1.0、1.2、1.5、1.8 和2.0 m 觀測(cè)井附近打井用泵排水進(jìn)行地下水埋深調(diào)控（圖3），使地下水埋深在油葵生育期保持在為0.8、1.0、1.2、1.5、1.8 和2.0 m左右。暗管設(shè)在每塊地中間埋深1.5 m，暗管與排水溝垂直，暗管用專用設(shè)備鋪設(shè)（圖4），暗管直徑為10 cm，材質(zhì)為PVC，觀測(cè)井布局見圖2。在地下水埋深為0.8、1.0、1.2、1.5、1.8 和2.0 m 處的土壤進(jìn)行取樣，每月中旬取水樣和土樣各1次，灌前灌后加取1 次。試驗(yàn)區(qū)土壤改良措施為：激光平地+深翻+脫硫石膏+糠醛渣+淋洗+黃沙+深松+暗管+明溝。油葵品種 S667，株距20 cm、行距30 cm。

圖3 區(qū)域觀測(cè)井的布置Fig.3 Soil sample observation point arrangement in test area

圖4 田間暗管鋪設(shè)Fig.4 Laying of underground pipe in field

1.3 測(cè)試項(xiàng)目及方法

選取具有代表性的觀測(cè)井地下水埋深為0.8、1.0、1.2、1.5、1.8 和2.0 m 進(jìn)行追蹤監(jiān)測(cè)地下埋深、礦化度的動(dòng)態(tài)變化。在相應(yīng)的地下水埋深觀測(cè)井附近土壤分別取土層0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm測(cè)其質(zhì)量含水率、全鹽及堿化度，分析土壤水分和鹽分在月間和年際間的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及特征。土壤凍結(jié)期11 月到第二年3 月不采集土樣。每月中旬和灌水前后加測(cè)1 次，每次每個(gè)土樣點(diǎn)取3 個(gè)點(diǎn)，將土壤樣品風(fēng)干，磨碎，過1 mm 篩后，進(jìn)行分析測(cè)定。主要分析的指標(biāo)有：土壤質(zhì)量含水率、全鹽、堿化度、地下水埋深、礦化度等。

地下水埋深：繩測(cè)法；

土壤質(zhì)量含水率：稱重法；

土壤全鹽：殘?jiān)娓伞|(zhì)量法測(cè)定；

土壤堿化度：堿化度=（交換性鈉/陽(yáng)離子交換量）×100%；具體方法參照文獻(xiàn)［5］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；用SPSS11.5 統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地下水埋深下龜裂堿土含水率的動(dòng)態(tài)變化

如圖5和5、7月和8月各土層土壤含水率變化明顯，同一月份，地下水埋深越淺，土壤含水率越高，這主要是蒸發(fā)下地下水通過毛細(xì)管補(bǔ)給土壤水分多。地下水埋深大于1.5 m，土壤含水率受到蒸發(fā)強(qiáng)度影響小，土層0～40 cm含水率減少顯著，8月地下水埋深1.5、1.8 和2.0 m 的土壤含水率比7 月分別減少了12.6%、13.2%和13.7%；地下水埋深小于1.5 m，蒸發(fā)使得土壤含水率的減少量地下水會(huì)及時(shí)補(bǔ)給，土壤含水率減少量較小，8月地下水埋深0.8、1.0 和1.2 m 的土壤含水率比7 月分別減少了6.7%、7.2%和9.6%。可見，土壤含水率的減少量與地下水埋深有關(guān)，不同地下水埋深條件下0～100 cm 范圍內(nèi)土壤含水率含量：0.8 m ＞1.0 m＞1.2 m＞1.5 m＞1.8 m＞2.0 m。

圖5 2014年不同地下水埋深下土壤含水率動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamic change of soil moisture content under different groundwater depth in 2014

由圖5 和圖6 可知，2014-2015 年5-8 月土層0～100 cm 含水率與地下水埋深密切相關(guān)，地下水埋深淺相應(yīng)的土壤含水率高，土壤含水率整體呈逐年減少趨勢(shì)，尤其是地下水埋深1.5、1.8 和2.0 m 的土壤含水率減少量大，且土壤深層含水率顯著高于表層含水率。不同地下水埋深的土壤表層0～20 cm 含水率最低，主要是研究區(qū)干旱少雨、蒸發(fā)量大，土壤表層水分蒸發(fā)最快。隨著土層深度的增加，土壤含水率增加，土層80～100 cm含水率較大，這是因?yàn)榈叵滤裆钶^淺補(bǔ)給土壤水較多。

圖6 2015年不同地下水埋深下土壤含水率動(dòng)態(tài)變化Fig.6 Dynamic change of soil moisture content under different groundwater depth in 2015

2.2 不同地下水埋深下龜裂堿土全鹽和堿化度的分布特征

圖7～10所示，不同地下水埋深下土壤各層全鹽和堿化度變化較大，尤其是土壤表層0～20 cm 顯著大于其他土層。龜裂堿土在地下水埋深大于1.5 m，地下水埋深對(duì)土壤全鹽和堿化度的影響不顯著，土壤鹽堿化程度較低；地下水埋深小于1.5 m，地下水埋深對(duì)土壤全鹽和堿化度的影響顯著，表層積鹽隨地下水埋深變淺而增加，其他土層的鹽分相應(yīng)也增加，土壤鹽堿化程度較高。結(jié)合圖1，地下水埋深小于1.5 m，地下水礦化度越高，土壤全鹽越高，說明龜裂堿土地下水埋深小于1.5 m，在蒸發(fā)條件下地下水易向土壤表層遷移，水分蒸發(fā)可溶性鹽離子匯聚到土壤表層。

圖7 2014年不同地下水埋深下土壤全鹽動(dòng)態(tài)變化Fig.7 Dynamics of soil total salt under different groundwater depths in 2014

圖8 2015年不同地下水埋深下土壤全鹽動(dòng)態(tài)變化Fig.8 Dynamics of soil total salt under different groundwater depths in 2015

圖9 2014年不同地下水埋深下土壤堿化度動(dòng)態(tài)變化Fig.9 Dynamic changes of soil alkalinity under different groundwater depths in 2014

圖7～10 所示，地下水埋深1.5、1.8 和2.0 m 土層0～100 cm土壤全鹽和堿化度較小且各埋深之間變化不明顯；地下水埋深1.0 m 和1.2 m 土層0～100 cm 土壤全鹽和堿化度較大且各埋深之間變化較明顯；地下水埋深0.8 m 土層0～100 cm 土壤全鹽和堿化度最大。不同地下水埋深的土壤全鹽和堿化度在土層0～40 cm 變化最大，全鹽和堿化度最大，土層40～100 cm 變化較小。地下水埋深0.8、1.0和1.2 m對(duì)應(yīng)的土壤全鹽和堿化度顯著大于地下水埋深1.5、1.8 和2.0 m 對(duì)應(yīng)的土壤全鹽和堿化度，說明地下水埋深對(duì)土壤全鹽和堿化度影響較大。

圖7～10所示，不同蒸發(fā)強(qiáng)度和不同地下水埋深對(duì)土壤表層全鹽和堿化度影響顯著，尤其在蒸發(fā)量大的5 月、6 月、7 月和8月，地下水埋深0.8、1.0 和1.2 m 對(duì)應(yīng)的土壤在蒸發(fā)作用下灌溉淋洗到深層的鹽分和地下水鹽分上升到土壤表層量大。這主要是地下水的損失主要靠潛水蒸發(fā)，地下水埋深越淺，土壤表層越易積鹽，表層全鹽和堿化度越大。地下水埋深逐漸增加，土壤各層平均全鹽和堿化度逐漸減小。2014-2015 年5-8 月土層0～100 cm 土壤平均全鹽和堿化度表現(xiàn)為地下水埋深0.8 m＞1.0 m＞1.5 m＞1.8 m ＞2.0 m。

結(jié)合表1 和圖7～圖10 所示，2013-2015 年龜裂堿土荒地的全鹽和堿化度逐年增加，地下水埋深0.8～1.0 m 對(duì)應(yīng)的土壤全鹽和堿化度增加的較多，尤其是土壤表層；地下水埋深大于1.5 m土壤全鹽和堿化度增加較小。

圖10 2015年不同地下水埋深下土壤堿化度動(dòng)態(tài)變化Fig.10 Dynamic changes of soil alkalinity under different groundwater depths in 2015

2.3 土壤鹽分與地下水礦化度變化分析

在地下水埋深基本不變的情況下，對(duì)研究區(qū)2015 年4-9 月份土壤全鹽和地下水礦化度進(jìn)行分析，見圖11，由于地下水埋深淺，靠近地下水的土壤鹽分基本處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，土層0～20、20～40 和40～60 cm 土壤全鹽與地下水礦化度呈明顯的線性正相關(guān)；結(jié)合圖1，不同地下水埋深其礦化度存在差異，地下水埋深小，礦化度大，地下水埋深大，礦化度小，因此，地下水埋深小，礦化度越高，補(bǔ)給土壤的鹽分越多，土壤鹽堿化程度越重。

圖11 土壤鹽分與地下水礦化度的關(guān)系Fig.11 Relationship between soil salinity and groundwater salinity

2.4 不同地下水埋深與土壤鹽分的關(guān)系

圖12 所示，土層0～20、20～40、40～60、60～80 和80～100 cm 土壤全鹽跟地下水埋深成明顯的指數(shù)關(guān)系。土壤鹽分累積跟地下水埋深密切相關(guān)，土壤每層的全鹽隨著地下水埋深的變深而減小，地下水埋深為1.5、2.0和2.5 m對(duì)應(yīng)的土壤全鹽較小，且之間全鹽變化無顯著差異。

圖12 土壤鹽分與地下水埋深的關(guān)系Fig.12 Relationship between soil salinity and groundwater depth

2.5 地下水埋深對(duì)油葵生長(zhǎng)與產(chǎn)量影響

表5 可知，在統(tǒng)一田間管理下，地下水埋深越淺，油葵產(chǎn)量越低，地下水埋深0.8、1.0 和1.2 m 的田塊油葵出苗率、成活率、株高、莖粗、盤徑和產(chǎn)量明顯低于地下水埋深1.5、1.8和2.0 m的田塊油葵，而地下水埋深1.5、1.8和2.0 m的田塊油葵出苗率、成活率、株高、莖粗、盤徑和產(chǎn)量變化不顯著。主要是地下水埋深淺，在強(qiáng)烈的蒸發(fā)下地下水中的鹽分和土層深的鹽分聚集土壤表層，油葵在關(guān)鍵生育期受到鹽分的毒害，生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制，產(chǎn)量大幅度減少。

表5 地下水埋深對(duì)油葵生長(zhǎng)指標(biāo)和產(chǎn)量的影響Fig.5 Effect of groundwater depth on growth index and yield of oil sunflower

3 討 論

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明龜裂堿土全鹽和堿化度與地下水埋深密切相關(guān)，地下水埋深越深，地下水補(bǔ)給土壤的水分越少，土壤全鹽和堿化度越低；地下水埋深小于1.5 m，土壤全鹽和堿化度變化較大。此結(jié)論與當(dāng)?shù)叵滤裆钚∮谂R界深度時(shí)，地下水和土壤水發(fā)生雙向交換轉(zhuǎn)化，且交換頻繁，地下水鹽分容易累積在土壤表層［17，18］相一致。適時(shí)調(diào)控地下水埋深、保持土壤水鹽動(dòng)態(tài)平衡是今后龜裂堿土研究的重點(diǎn)。

在油葵生長(zhǎng)發(fā)育期間，將地下水埋深調(diào)控在1.5 m 以下，油葵根區(qū)鹽分聚集明顯減少，油葵產(chǎn)量顯著增加，提出龜裂堿土地下水臨界深度為1.5 m。此結(jié)論與黏質(zhì)土視厚度和地下水礦化度不同，地下水臨界深度一般介于1～1.5 m［19］相一致。

本文對(duì)不同地下水埋深對(duì)龜裂堿土水鹽遷移的影響規(guī)律進(jìn)行了初步研究，并提出寧夏銀北龜裂堿土地下水埋深臨界深度，其結(jié)論和成果還需進(jìn)一步實(shí)踐和驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

龜裂堿土在脫硫石膏、糠醛渣、黃沙、深松、暗管排鹽和淋洗綜合措施下進(jìn)行了田間試驗(yàn)，通過土壤理化性質(zhì)和油葵生長(zhǎng)指標(biāo)，分析了龜裂堿土不同地下水埋深對(duì)土壤水鹽變化特征和對(duì)油葵生育的影響，主要研究結(jié)論如下：

（1） 龜裂堿土0～100 cm 土層全鹽與地下水埋深呈指數(shù)關(guān)系，土壤全鹽與地下水礦化度呈明顯的線性正相關(guān)。

（2） 土層0～100 cm 土壤不同地下水埋深條件下土壤全鹽和堿化度表現(xiàn)為地下水埋深0.8 m＞1.0 m＞1.5 m＞1.8 m ＞2.0 m。

（3） 地下水埋深0.8、1.0 和1.2 m 的田塊油葵出苗率、成活率、株高、莖粗、盤徑和產(chǎn)量顯著低于地下水埋深1.5、1.8 和2.0 m 的田塊油葵；地下水埋深1.5、1.8 和2.0 m 的土壤含水率、全鹽和堿化度以及油葵出苗率、成活率、株高、莖粗、盤徑和產(chǎn)量之間無顯著差異。

（4） 寧夏銀北龜裂堿土地下水埋深臨界深度為1.5 m，此地下水埋深是土壤水鹽變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。