基于旱排控盐模型的沿黄灌区不同地类间水盐运移与平衡分析

土壤盐渍化是西北干旱地区农业发展的一大制约因素,严重影响农作物的生长和产量[1],甚至导致土壤贫瘠[2]。当前,普遍采用的控制策略包括大量引水淋洗盐分,受限于水资源条件制约,该方法也无法采用[3]。此外,其他多元化的土壤管理措施也在实践中得到应用,例如通过旱排盐降低地下水位、改进灌排系统、农业管理优化(如推进高标准农田和作物种植模式),以及生物和化学改良手段(包括种植耐盐植物和使用石膏、磷石膏等)[4]。然而,这些生物和化学改良通常成本过高,使得通过旱排盐模式控制地下水位成为更为现实可行的措施。该方法利用干旱区的休耕地或低湿洼地作为临时储水和储盐“水库”来降低耕地地下水位[5],尤其适合于地下水位高、蒸发量大和灌溉强度高的地区[6]。

当前关于旱排控盐的研究大多集中于其有效性和可持续性[5-7],同时也对气候条件、耕荒地布置及耕荒面积比等影响因素进行了初步探索[8-10]。例如岳卫峰等[11]通过在区域尺度上建立非农区-农区-水域的水平衡模型,对水分在耕荒地间的转化与消耗、水盐迁移进行了定量分析。于兵等[12]利用遥感蒸散发模型建立河套灌区水盐平衡模型,对旱排机制进行分析研究,认为旱排对于预防土壤盐渍化具有重要作用。WU等[13]在斗渠尺度上采用归一化植被指数(NDVI)和最大似然监督分类来确定耕地和盐荒地,并使用水盐平衡模型来估算农田含盐量。结果显示,旱排盐系统在控制土壤盐分方面极为有效,排放的水量和盐量分别是人工排水的9.6倍和16倍。与WU等[13]野外监测和水盐平衡计算相似,WANG等[14]于2007—2011年在永联实验站进行了5年的野外监测,计算了研究区域29 km2 的水盐平衡。结果表明在从农田向休耕区迁移的水分和盐分中,人工排水仅占总排水量和总排盐量的18.9% 和11.5%,其余都是通过旱排盐系统迁移的。任东阳等[15]通过在农渠尺度计算水盐平衡,研究了盐分在灌排单元的分配规律,认为盐荒地容纳了总引入盐分的40%。REN等[16]利用HYDRUS-dualKc模型探索黄河上游河套灌区自然斑块的生态水文过程发现,其能够有效地容纳3倍耕地灌水后多余的地下水和盐分,再次证明了旱排控盐的有效性。王国帅等[17-19]探讨了河套灌区典型不同地类间水盐时空运移特征和不同类型水分的转化,发现生育期地下水运移方向为耕地流向荒地再向海子,并估算了不同时期土壤盐分的迁移量,认为农田地下水埋深应控制在1.7～2.3 m范围内,以形成有效的旱排控盐系统。LIU等[20]通过在河套灌区一个典型的旱排单元(盐荒地与农田系统)进行田间水盐迁移研究发现,在盐荒地种植盐生植物可以更有效地管理农田和盐荒地间的水盐流动。但是以上研究均没有将耕地细分来计算不同作物农田与荒地间土体水盐分布规律及地下水迁移的水量。

盐荒地作为土壤盐分的存储区域,也存在无效蒸发导致的水分损失。因此,如何协调提高排盐效率和提高水分利用效率仍有待研究。另外随着高标准农田和土地开发的推进,盐荒地面积也逐渐减少,灌区原有水盐环境发生了变化。因此对于河套灌区由破碎排列及种植不同作物的农田和邻近盐荒地组成的典型旱排控盐系统,在田间尺度上是否真正有效地控制盐分还需要进一步探讨。针对以上问题,本文以河套灌区解放闸灌域沙壕渠一斗渠典型田间封闭试验区为对象,在原位监测及室内试验的基础上,利用土壤水动力学理论构建耕地-荒地水盐平衡模型,以探讨河套灌区耕荒地在生育期水盐通量,以期为河套灌区旱排控盐技术、改善土壤盐渍化环境提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于内蒙古自治区巴彦淖尔市杭锦后旗沙壕渠试验站,地处河套灌区解放闸灌域,具体地理坐标为北纬40°55′46″、东经107°10′14″(图1)。研究区气候干旱,平均蒸发量约为降水量的10倍,降水主要集中在6—8月(图2a)。根据近40年降雨量进行水文年分析,2021年为枯水年,2022年为平水年(图2b)。耕地是研究区主要的土地利用类型,其中近30%的耕地土壤表现出不同程度的盐碱性。其中氯化盐、硫酸盐和钠盐含量相对较高,且盐分种类多样[21]。根据地面RTK测量结果,玉米种植区地表高度平均比葵花高约10 cm,而葵花种植区与盐碱荒地的地表高度基本相同。地下水埋深在作物生育期变化范围为耕地30～255 cm,荒地50～265 cm,年平均地下水埋深为162 cm(图3)。由于该地区距离排水沟较远,加之排水设施和管理不善,没有明显的排水作用。研究区四周为毛渠和农渠,切断了外界一定的水力联系。研究区主要种植作物为玉米和葵花,玉米于5月初种植至9月末收获,生育期约为145 d;葵花从6月初种植至9月下旬收获,生育期约110 d。灌溉主要采用畦灌方式,一般玉米生育期灌溉3次,葵花生育期灌溉1次,而天然荒地则不进行灌溉,具体的灌溉数据见图3。

1.2 试验布置及数据采集

1.2.1 地下水监测

野外试验于2021年4—9月和2022年4—9月展开,在研究区布设重点地下水观测井3 眼,并安装地下水位自动传感器(CTD-10型),利用EM50型采集器每60 min连续观测地下水埋深及电导率,同时布设3眼一般地下水观测井,每5 d监测地下水埋深1次,10 d提取地下水测其电导率(EC),利用EC经验公式将电导率(mS/cm)转换为地下水矿化度(TDS,g/L)[22],公式为TDS=0.69EC。

采用方格法布设一般土壤取样点45个,取样间距为30 m,取样深度依次为0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、 60～80 cm、80～100 cm,每15 d监测其水分和盐分指标,并根据实际灌水降水情况调整取样时间。土壤含水率通过烘干法测定,并将自然风干土壤进行研磨后用电导率仪(DDS-307A型)测定土水质量比1∶5的土壤浸提液电导率,根据当地经验公式(SS=3.480EC1:5-0.236)确定土壤全盐量(g/kg)[23]。在研究区,选择主要作物玉米、葵花农田和荒地中的重点地下水观测井,在这些观测井旁共安装3个土壤自动传感器(5TE型,美国Meter公司),每隔60 min测量1次土壤水分、盐分和温度,用EM50型采集器记录数据。

1.2.3 土壤水势和水量监测

在玉米、葵花地和盐荒地1 m土体中安置3组负压计,安装深度分别为90、110 cm,每日进行土壤水势观测。利用梯形流量堰对不同农田作物灌水量进行测量。利用直径20 cm微型蒸发皿测盐荒地土壤蒸发量。每次灌水时于农渠中收集灌溉水水样,每次收集3 个重复,用电导率仪测定其电导率,灌溉水平均矿化度为0.65 g/L。

1.2.4 土壤理化性质和气象数据

于首次试验布置时对研究区主要作物农田和荒地安装传感器位置处挖开2 m土壤剖面,并对试验区进行土壤取样,带回实验室分析其土壤物理性质,包括土壤干容重、田间持水率、饱和导水率、土壤机械组成。采用干法粒度仪测定各点土壤粒径级配,测定后土壤根据美国质土壤质地分类为粉壤土,基于土壤质地和土壤持水特性,通过HYDRUS模型的神经网络计算子模块确定VG参数,见表1。降雨量及其它气象数据(图2a)来源于田间微型气象站。

在葵花成熟收获时,在各个小区内选择1 m×1 m区域进行取样,称鲜质量。自然风干后进行室内烤种,测总质量、百粒质量;百粒质量为随机选100 粒葵花称其质量,重复3次,取平均值。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤水分均衡模型

试验区由耕地、荒地2种土地利用类型组成,耕地主要种植作物为玉米、葵花,荒地主要生长植物为碱草;不同作物覆盖下土体垂直方向由地表水、土壤水和地下水组成[24]。本研究区域内无明显排沟,由于玉米根系主要集中分布在深度0～60 cm土层中[25],葵花最大根系为90 cm[26],因此选择0～100 cm包气带来计算水分平衡(图4)。对于农田,土壤水分平衡方程可简化为

式中 ΔW——生育期土壤0～100 cm土层水分存储量,为研究时段末减去时段初的储水量,mm

I——灌水量(只考虑引入耕地净灌水量),mm

G——生长季总毛细管上升量,mm

ET——耕地与荒地腾发量(蒸散量),mm

R——生长季总深层渗漏量,mm

D——排水沟排水量,研究区没有排水沟,故D忽略不计

由于荒地无灌溉,所以I=0,渠系忽略不计,因此荒地水平衡方程为

在非饱和条件下,利用定位通量法对地下水补给渗漏量进行计算[27]。在研究区某一位置处利用安装的负压计监测土壤水势能梯度的变化。利用监测点Z1和点Z2处的土壤水势差异ΔZ,通过Darcy定律计算出该点处的水通量,计算公式为

式中 K(θ)——非饱和导水率,cm/d

θ——土壤体积含水率,cm3/cm3

h——基质势,hPa

qv——某观测时段t内土壤水通量,cm/d

h1、h2——监测点Z1和Z2处负压计值,hPa

Q(T)——毛细管上升量,即深度100 cm向上向下的水通量之和,由cm换算为mm

T——研究时间,d

耕地和盐荒地的ET由ET0乘以作物系数Kc和土壤水胁迫系数Kw得到,即

式中 ET0——参考作物腾发量,mm

θwp——凋萎系数,可由2θr粗略估计[20],cm3/cm3

θj——因水分胁迫而降低蒸腾作用的土壤含水率阈值,其计算由FAO-56提供,cm3/cm3

作物系数Kc来源于文献[20,28];而忽略稀疏植被且无灌溉量的盐荒地的Kc是根据FAO-56建议的裸地初期Kc值(Kcini)估算的,取0.4[29]。

1.3.2 土壤含盐量计算

土壤1 m土层盐储量(v,kg/m2)由各土层土壤含盐量之和得到[20],即

式中 l——土层深度,cm

土壤1 m土体积盐率(g,%)为土壤0～100 cm剖面在任意时期与其前一时期相比土壤盐储量的增加率,当g为负值时,表示土壤脱盐率。计算公式为

式中 vi——第i时期土壤盐储量,kg/m2

vi-1——第i-1时期土壤盐储量,kg/m2

1.3.3 地下水中水盐侧向通量

相邻田间地下水侧向水通量由Darcy定律求得,即

式中 q——地下水侧向水通量,cm/d

ΔH——地下水水位差,cm

ΔL——两口地下水观测井间水平距离,cm

盐荒地之间相关的侧向盐通量是耕荒地间的水通量与耕地地下水矿化度的乘积,即

式中 qCg——地下水侧向盐通量,mg/(d·cm2)

Cg——耕地地下水矿化度,g/L

1.4 数据处理与分析

试验数据采用Microsoft Excel 2019处理分析,利用Surfer 23.0 最优内插法绘制土壤和地下水水盐分时空分布特征图,Origin 2021 软件绘制插图。

2 结果与分析

2.1 生长季土壤水分平衡计算

研究区的灌溉水大多在耕地内被转化和利用,灌溉时的深层渗漏水在灌溉间歇期通过毛细管上升补给耕地作物主要根系层,并利用蒸腾过程进行消耗[12]。在灌溉期,耕地的地下水垂直补给远大于其渗漏量。根据式(1)～(9)计算得试验区2021年和2022年生育期(5月1日—9月20日)玉米、葵花和盐荒地的各项水平衡如表2所示。由于2022年生长季降雨量比2021年高56 mm,且气温较高(图2a),导致该年ET较大,从而引起耕地毛细管上升量增加14.63%～17.39%(表2)。2022年8月1日研究区出现强降雨,降雨量为21.6 mm,占生育期降雨量的20.77%,因此玉米的第3水灌溉量减少,但由于玉米生育期较长且作物生长需水量更多,因此2年间玉米地ET 平均值比葵花和盐荒地分别高23.47%和88.97%,而葵花地ET比盐荒地高53.06%。玉米地的田间灌溉量、蒸散量、深层渗漏量、毛细管上升量和土壤储水量分别为(342±16)mm、(463±29)mm、(71±3)mm、(176±12)mm、(60±2)mm;葵花地的田间灌溉量、蒸散量、深层渗漏量、毛细管上升量和土壤储水量分别为(298±4)mm、(375±23)mm、(87±5)mm、(150±12)mm、(62±8)mm。耕地周围盐荒地的蒸散量、深层渗漏量、毛细管上升量、土壤储水量分别为(245±17)mm、(17±3)mm、(221±9)mm、(35±1)mm。且盐荒地的毛细管上升量和蒸散量(主要是蒸发量)变化不大。盐荒地相对稳定的毛细管上升和蒸发可能是由于两年生长季的地下水埋深范围相对稳定所致。

通过田间原位监测获得2021、2022年生长季(5月1日—9月20日)耕地和盐荒地0～100 cm土壤剖面水分动态分布规律(图5)。耕地0～40 cm土层含水率在0.165～0.303 cm3/cm3之间波动较大,主要受降水、农田灌溉、蒸散、深层渗漏和毛细管上升的影响。而60～100 cm土层湿润(含水率0.286～0.370 cm3/cm3),生育期灌水后耕地地下水埋深通常能达到50 cm左右,导致深层土壤含水率相对较高。盐荒地在生育期不同阶段都接收了来自临近农田的侧向地下水补给,导致60～100 cm处土壤含水率较高(0.286～0.319 cm3/cm3);而表层土壤主要是蒸发、降水及下层土壤水补给的结果(0.158～0.257 cm3/cm3)。各地块在第1次灌水前,均能保持较高的土壤含水率(0.301 cm3/cm3),这可能与前一年秋季灌溉后的冻结期有关[30]。

从耕地土壤含水率生育期内变化趋势来看,5—7月60～100 cm处土壤含水率明显偏高,这是因为从3月中下旬开始土壤底层逐渐融化,至4月上旬在地表约80 cm处融通,但春季蒸发最为强烈、温度快速回升;此时是作物生长初期,地面植被覆盖度较低,但该时段末作物生长较为快速,玉米根系可达50 cm左右,葵花主根通常达到60 cm以上[31],作物生长需要大量水分,因此0～40 cm处含水率相比于深层土壤相对较低。随着玉米和葵花先后进入灌浆期,该时期是籽粒形成最关键的时期[32],需水量较大,导致0～60 cm土壤含水率较低;且地上作物蒸腾强烈,浅层地下水通过毛细管作用向上补给导致60～100 cm土壤含水率较为稳定。

研究区地下水埋深相对较浅且受到降水和灌溉的影响,玉米农田在生育期内0～100 cm平均土壤含水率为0.239 cm3/cm3,其根区土壤含水率在0.144～0.263 cm3/cm3变化,保持着较高的土壤水分状况。但2021年比较干旱,在生育期后期玉米根区土壤含水率在0.142～0.191 cm3/cm3变化,低于土壤田间持水率32.6%,玉米生长受到不同程度土壤水分胁迫的影响。由于葵花抗旱耐碱性能较好,研究区葵花生育期大多进行1次灌水[33],因此进入灌浆期后表层土壤含水率基本持续接近于凋萎系数,比玉米提前进入干旱胁迫状态,建议葵花在灌浆期进行1次灌水以提高产量。

5月葵花地进行春灌,且春灌水量较大,葵花地地下水埋深急剧上升157 cm(图3),此时玉米地和盐荒地没有进行灌水,因此灌溉水通过渗漏进入地下水,此时玉米地未灌溉而地下水位较低,与葵花农田地下水位形成了水力梯度,因此其会向未灌溉的玉米地和盐荒地流动,在潜水蒸发作用下使60～100 cm处土壤含水率较高。6月末对玉米和葵花均进行灌溉,较多的水分留在土壤中,40～100 cm土层保持着较高的土壤含水率;较少的灌溉水进入地下水中,地下水位升高幅度小于春灌后。由于高强度蒸发,土壤表层比较干燥,潜水蒸发作用使耕地地下水埋深平均下降102 cm。至此葵花农田不再进行灌水。而7月中下旬和8月上旬研究区对玉米进行二至三水灌溉,灌水后土壤含水率保持在较高水平。但灌水量较少,因此对地下水的渗漏作用较前两水不够明显。

2.2 生长季土壤盐分动态

根据盐渍化土壤的盐分标准[34],将其按研究区内土壤含盐量分为非盐渍土(0～2 g/kg,作物生长安全区)、轻度盐渍土(2～3 g/kg,作物轻度抑制区)、中度盐渍土(3～6 g/kg,作物中度抑制区)、重度盐渍土(6～10 g/kg,作物重度抑制区)、盐土(>10 g/kg,作物盐害区,无收成)。2年土壤含盐量表现为2021年土壤含盐量高于2022年,分析认为是由于降水与耕地秋季灌溉程度的差异所致。在2个生长季节的大部分时间里,不同田块的盐分分布存在明显差异(图6)。总体而言,耕地相较于盐荒地土壤含盐量较低,特别是表层土壤的差异更为明显。此外,耕地和盐荒地表层土壤含盐量均高于下层土壤,土壤盐分主要呈表聚型特征;而在耕地中,葵花农田土壤含盐量高于玉米农田,玉米根区土壤含盐量为0.68～1.73 g/kg,为非盐渍土;而葵花根区土壤含盐量2年均在1.68～3.65 g/kg之间,是玉米农田的2.10～2.47倍,基本为轻度盐渍土和中度盐渍土。而盐荒地地表生育期内无灌水,在强烈蒸发条件下表现为持续积盐,尤其在0～40 cm处积盐更严重;土壤含盐量主要在4.73～10.45 g/kg之间,是耕地平均含盐量的2.81～6.95倍,为重度盐渍土。每次灌溉后或集中强降雨后,农田的盐分会从顶部淡化。

研究区仅在6月下旬对玉米和葵花同时进行灌溉,因此以2021年第2水灌溉前后1 m土体土壤盐储量变化为例,探讨灌溉对土壤盐分变化的影响。灌水前,玉米、葵花的0～100 cm土壤盐储量分别为2.16 kg/m2和3.76 kg/m2。然而盐荒地1 m土体土壤盐储量为12.0 kg/m2,约为农田的4倍。灌溉后农田土壤盐储量分别为1.69 kg/m2和3.12 kg/m2,脱盐率分别为21.76%和17.02%。农田土壤盐分通过灌溉被淋洗,通过地下水侧流迁移至盐荒地。在盐荒地受到强烈的土壤蒸发作用影响时,地下水也会向上运移,水分蒸发而盐分滞留在土壤中逐渐积累,3 d内0～100 cm土壤盐储量累积率为初始值的5.54%。

因9月采样时作物大多未收获,地表被作物覆盖,但叶片较多枯萎、脱落,植被蒸腾与土壤蒸发作用相对较弱[35],盐分积聚相对盐荒地盐分较少;盐荒地地表基本无覆盖,在潜水蒸发作用下表层土壤盐分逐渐积累。盐荒地表土中积累的盐分严重降低了水汽通量速率[20],盐荒地虽长有碱草但其蒸散作用较弱;因此建议在盐荒地种植盐生植物,增强其蒸散作用,以改善盐分现状并有助于耕荒地间形成更有效的旱排控盐系统。

2.3 生长季节地下水迁移方向

对于理想的旱排控盐系统通常假定灌溉水从农田中向下渗漏,并通过地下水侧向流动到盐荒地,最终在盐荒地蒸发消耗[36]。与此同时,盐分也从农田作物根部区域迁移到盐荒地,并通过强蒸发作用在表土中积累,这个过程被称为“旱排盐”。由此可见,耕地和盐荒地之间存在一种盐分迁移机制[37]。为了准确地了解这一过程,利用Surfer软件的Grid Vector Map功能,在灌溉期间绘制了地下水水位等值线以确定地下水的运移方向。鉴于2021年和2022年的水盐环境相似,故选择2021年作为代表性示例,对研究区主要种植的玉米和葵花地下水环境动态变化进行分析。玉米生长季节进行了3次灌水,分别在6月28日、7月24日和8月10日,而葵花在耕种前进行了春灌,并在生育期内仅进行一水灌溉,灌溉日期分别为5月15日和6月28日。通过灌水前后地下水位的动态变化,揭示耕荒地不同地类间水盐运移规律,为深入探讨旱排盐作用与效益提供依据。

在灌水期,耕地地下水受到灌溉水的垂直补给,地下水位急速上升,与未灌溉的耕地与盐荒地形成水位差,地下水由于水力梯度发生迁移。以春灌前(图7a)为例,耕地地下水位为1 036.58 m,地下水位最小值为盐荒地,地下水位为1 036.10 m,耕荒地最大水位差为0.48 m,水力梯度为0.003 2,由于上一年玉米地秋浇灌水量较大导致其地下水位较高,使得地下水迁移方向为玉米地—葵花地—盐荒地(表3),地下水迁移速度为0.012 cm/d和0.007 cm/d;随着气温升高,土壤逐渐解冻,地下水位慢慢回升,耕地地下水位最高为1 036.78 m,盐荒地水位最小为1 036.30 m,以0.015 cm/d更为快速地流向葵花地,而葵花地水分以速度0.007 8 cm/d向盐荒地迁移(图7b)。

在春灌期(图7c),耕地地下水位葵花地最高为1 037.80 m,玉米地平均地下水位为1 037.45 m,玉米与葵花地之间水位差为0.35 m,水力梯度为0.007 0;同一时间盐荒地地下水位为1 037.00 m,水位差为0.80 m,水力梯度为0.008 0。当春灌期对葵花地灌溉后,葵花地地下水位迅速上升,并向玉米地、盐荒地分别以速度0.042 cm/d和0.045 cm/d开始流动。

在夏灌和秋灌过程中,由于玉米地地面高程略高于葵花地和盐荒地,且玉米生育期灌水量较多,故地下水流动方向始终是玉米地流向葵花地,再流向盐荒地(表3),玉米地向葵花地地下水流平均迁移速度为0.026 cm/d,而葵花地向盐荒地迁移速度为0.024 cm/d。直到生育期末期,地下水流动方向没有发生变化,但其地下水流迁移速度减少至0.007 7 cm/d 和0.011 cm/d。因耕地种植作物玉米和葵花,盐荒地生长有碱草等耐盐作物,在生育期后期未灌溉时,不同植被覆盖物蒸发量较大,不同地类地下水埋深均逐渐增大。

2.4 灌溉期地下水EC动态

耕地与荒地之间的侧向地下水流动会影响农田的地下水含盐量(图8)。对2021年地下水电导率进行分析发现,第1次灌溉前,由于接收了不同盐度的融化土壤水,盐荒地地下水电导率约为14.8 dS/m,农田地下水电导率约为2.75 dS/m。第1次灌溉后,耕地地下水被土壤水和灌溉水混合物深层渗透稀释,含盐量下降。至生育期末期,盐荒地地下水电导率平均值约为11.6 dS/m,农田地下水电导率波动比较小,平均为2.91 dS/m。而盐荒地地下水被来自农田的侧向地下水稀释,盐度持续下降,直至生长季结束。然而,由于耕地偶尔接收来自盐荒地的侧向地下水,临近耕地地下水含盐量逐渐增加。

2.5 生长季节侧向水通量和盐通量

研究区内紧邻盐荒地周围的中度盐渍化耕地均种植葵花,且试验田地下水保持较高水位,葵花地非饱和带水平侧渗量不显著,因此在研究耕荒地水盐通量时不考虑非饱和带,仅针对葵花地和盐荒地之间的地下水盐通量进行探讨。根据式(12)、(13)分别计算2021年和2022年耕荒地间的地下水迁移量。由图7可直观地看出研究区两年地下水迁移变化过程基本类似。经计算,2021年耕荒地边界处的侧向水盐通量如图9所示。地下水一般是由葵花地迁移至盐荒地,但由于上一年秋浇和次年春灌水量过大导致盐荒地地下水位较高,使得水盐通量从盐荒地流向农田,从而影响农田地下水含盐量。因葵花在研究阶段灌溉2次,因此水盐通量在春灌时期达到最大值,平均为0.045 cm/d,盐分迁移量为0.013 mg/(d·cm2)。研究结果表明,在作物生长阶段耕地经过灌溉,土壤中的盐分被淋洗至浅层地下水中并运移至盐荒地,在蒸发作用下导致盐荒地土壤积累盐分。因此在生育期耕地经过灌溉和降雨淋洗,盐分通过地下水流向盐荒地。盐荒地作为耕地的排泄区域,具有维持水盐平衡的功能,其在河套灌区扮演着不可或缺的土地类型角色。

2.6 土壤盐分对作物产量的影响

研究区内紧邻盐荒地周围的中度盐渍化耕地均种植葵花。因此选择研究区内农作物种植较多的葵花农田分析土壤盐分对植物生长的影响。紧邻盐荒地的土壤在其它耕地与盐荒地之间充当一个盐分过渡带,这部分耕地的土壤盐分较高。而过高的土壤盐分会通过降低植物的水分利用率,或高盐土壤条件下根区专性离子(如氯、钠或硼)毒害作用,而对作物生长造成不利影响[38]。土壤中高水平可溶盐的存在限制了植物对周围土壤中水分的吸收,随着灌溉后植物对水的吸收越来越困难,土壤溶液的盐分将增加,这一过程在具有高蒸散量的干旱半干旱灌区更为明显。当盐分在土壤中积累到一定程度时,植物的生理过程将受到不利影响,甚至会大幅度减少作物产量。

参考当地调研情况,将葵花高产田的参照标准定位3 000 kg/hm2[39]。表4为葵花播种前及生育期4—9月高产田和低产田1 m土体含盐量平均值。葵花高产田对应的土壤含盐量平均值低于低产田,其平均含盐量主要集中在2.0 g/kg以内,因此建议将种植葵花作物的农田含盐量控制在2.0 g/kg范围内以提高产量;而低产田中的大部分地块含盐量偏高,尤其是紧邻盐荒地的耕地尤为明显。低产田1 m土壤平均含盐量基本在3.0 g/kg以上,属于中度盐渍化,但部分高含盐量田块仍然达到了高产水平,而葵花1 m土体含盐量为1.54～3.80 g/kg,遍布于非盐渍化、轻度盐渍化及部分中度盐渍化耕地。可见葵花对盐分的适宜范围相对较广,灌区内含盐量稍高的土地仍然适宜种植。除此之外,土壤盐分对作物产量的影响也取决于土壤质地、作物类型及灌溉因素。因此在今后的研究中应充分考虑以上因素对作物生长及产量的制约关系,从而为合理控制葵花轻中度盐渍化耕地土壤含盐量,保证现状灌区作物生长提供重要基础。

3 讨论

内蒙古河套灌区土壤盐渍化问题由来已久,其中一个重要原因是较浅地下水埋深,造成了严重的地区土壤盐渍化,最终影响到作物生长[40]。由于盐渍化荒废农田插花式地分布在耕地周围,许多学者开始深入研究耕荒地间水盐运移规律,以期为改良土壤盐渍化和提高作物产量提供科学依据。李亮等[41]研究认为,荒地受到临近灌溉耕地的土壤水分水平渗透和地下水垂直补给的影响,蒸发使水分携带盐分逐渐向土壤表层迁移,盐分最终积聚在表层土壤中。XIAO等[42]在研究中指出,地下水迁移在支持盐荒地和维持作物生长方面具有关键作用,侧向流动的地下水会推动盐分迁移。这些研究结果与本文类似,耕地流失盐分和荒地积累盐分是作物生育期间盐分运移的整体过程,本文基于Darcy定律定量计算了耕地向荒地迁移的地下水量,发现在春灌时期不同田块地下水交换较为明显,种植葵花农田灌水后,地下水分别以速度0.042、0.045 cm/d向种植玉米农田和盐荒地迁移。这其中的水盐运移是一个复杂且动态的过程,王国帅等[17]的研究指出,耕地-荒地-海子是河套灌区的典型旱排控盐系统,是盐分再分布的主要区域,在生育期的灌水期地下水由耕地向荒地再向海子运移,海子成为水盐的容纳区,这与本研究结果相似,在夏灌和秋灌时地下水方向为玉米地迁移至葵花地再迁移至盐荒地,盐荒地成为储盐区。孙亚楠等[43]则基于遥感技术研究了河套灌区永济灌域不同土地类型的土壤盐分时空演变规律,指出盐荒地不同土层土壤含盐量均大于耕地,是耕地的2.55～6.97倍。但并未能指出不同作物土壤盐分之间的区别,而本文则分析了种植玉米农田-种植葵花农田-盐荒地间的盐分分布规律,发现不同作物根区盐分存在较大差异,其中耕地中的葵花根区土壤盐分较高,约是玉米根区土壤含盐量的2.10～2.47倍,而盐荒地土壤含盐量是耕地平均值的2.81～6.95倍。盐荒地作为耕地的排泄区域,具有维持耕地水盐平衡的功能,是研究区不可或缺的土地类型,但盐荒地盐分积聚到一个阈值时积盐能力必然下降,因此建议在盐荒地种植盐生植物(例如柽柳),增强其蒸散作用;而邻近盐荒地周围耕地的盐分也较高,本文研究认为葵花具有强耐盐的特性,在盐分较高的土地上仍然能达到高产要求,建议相邻盐荒地的耕地种植葵花以改善盐分现状并有助于耕荒地间形成更有效的旱排控盐系统,获得更高的经济效益[39,44]。

综上,本文直观地反映了种植玉米农田-种植葵花农田-盐荒地系统间不同层次土壤剖面的水分和盐分时空分布特征,并利用Darcy定律估算了不同时期盐荒地及其相邻农田间地下水水盐通量,量化了耕荒地间水盐运移规律,可为干旱地区水盐平衡提供理论依据。

4 结论

(1)在作物生育期,玉米地ET平均值比葵花地和盐荒地分别高23.47%和88.97%,葵花地ET为盐荒地的53.06%。春灌以及作物生长阶段的灌溉和降水等水分输入导致农田地下下水埋深最大上升157 cm,从而促使水盐从农田向未灌溉的盐荒地迁移。

(2)不同作物根区盐分存在较大差异,耕地中的葵花根区土壤含盐量(1.68～3.65 g/kg)较高,是玉米根区土壤含盐量(0.68～1.73 g/kg)的2.10～2.47倍,而盐荒地土壤含盐量(4.73～10.45 g/kg)是耕地的2.81～6.95倍。

(3)在作物生育期,灌区地下水携带盐分由玉米地运移向葵花地,葵花地运移向盐荒地。而春灌是一个特殊时期,灌溉后的葵花地地下水渗漏并迅速补给未灌溉的地类,水盐通量在春灌时期达到最大值,水分平均迁移量为0.045 cm/d,盐分迁移量为0.013 mg/(d·cm2)。

(4)现状条件下葵花相比于玉米对盐分的适应性较强,即使在盐分稍高的耕地上仍能达到较高的产量,应将葵花含盐量控制在2.0 g/kg以内以提高其产量。

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