引黄春灌对盐碱土区地下水动态及理化性质的影响

刘祖汀，王丽萍＊，屈忠义，张如鑫，何 婧，马贵仁，李二珍

（1.内蒙古农业大学，呼和浩特010018；2.内蒙古巴彦淖尔市五原县农牧业推广中心，内蒙古 巴彦淖尔015100）

0 引 言

【研究意义】土壤水分是地表下面重要的水分组成，在水资源形成、转化和消耗过程中起重要作用，是大气、植被、土壤、地下水系统的核心和纽带[1]。在农业生产过程中，土壤水分的不足将直接影响作物的生长。我国西北、华北和东北等地区降雨量稀少，且在一年中分布极不均匀，春灌担任了对春播作物的正常生长和越冬作物的及时返青的作用[2]，是提高土壤墒情、地温、淋洗土壤盐分的重要途径。因此，分析春灌对区域地下水动态变化和水化学环境的影响对于探究灌区生态水文过程以及区域地下水埋深变化与土壤盐渍化关系[3]具有重要意义。【研究进展】春灌是河套灌区一年中规模最大的灌溉活动，且春灌与接踵而来的各种田间活动紧密相关，对之后作物播种与作物生长具有更重要的意义。李仙岳等[4]运用指示Kriging 法比较了春灌前和生育期不同阈值条件下土壤表层含盐量、地下水埋深和矿化度的概率分布，从概率空间分布的角度研究了不同时期防治土壤盐渍化的地下水临界埋深和矿化度，发现春灌前较生育期土壤盐分受外界因素（气象因素和人为因素）影响小，且土壤表层含盐量、地下水埋深和矿化度变异性也相对较小，地下水环境对土壤盐渍化的影响更强烈；窦旭等[5]通过不同春灌灌溉水量结合暗管排水技术进行田间试验，分析水盐分布规律、盐分离子淋洗效果、对地下水埋深的控制作用和对油葵产量及其水分利用效率的影响，确定在常规灌水量基础上减少10%并结合暗管排水技术是适宜的灌溉模式；朱延凯等[6]比较了不同灌溉定额的春灌对灌溉后土壤水盐及棉花产量的影响，发现不同灌溉水量对土层含水率的影响深度不同，大的春灌定额保持水分的能力较强；彭振阳等[7]分析了局部灌溉与全面灌溉对于土壤的洗盐保墒效果，发现灌溉区地下水位在局部灌溉后回落更为迅速，灌溉可以达到很好的洗盐保墒效果。

【切入点】春灌对区域尺度水化学环境的影响、水化学组成成分的变化、春灌期间地下水动态等鲜有研究。而义长灌域与乌拉特灌域部分地块常年因为春灌来水时间晚而导致地下水埋深过浅，造成盐分胁迫影响产量。【拟解决的关键问题】因此，本试验选取义长灌域内相对封闭的小流域区域，连续监测地下水埋深动态和地下水理化特性的变化，通过地下水水样分析及春灌期间地下水动态分析，基于水文地球化学基础理论，运用多种分析方法相结合的手段，探究春灌对区域地下水水化学环境和地下水动态的影响，以期为灌区地下水水环境动态影响和地下水资源保护等积累理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古巴彦淖尔市五原县5 万亩“改盐增草（饲）兴牧”试验示范项目区，南临黄河，与鄂尔多斯市相望，北依阴山山脉，介于东经107°35′70″－108°37′50″，北纬40°46′30"－41°16′45"之间。气候属于中温带大陆性气候，具有光能丰富、日照时间长、干燥多风、昼夜温差大、降水量少的特点。年辐射总量为153.44 kcal/cm2，年降水量为136.8～213.5 mm，年蒸发量为1 993～2 372 mm，蒸降比达到10 以上，5－7月蒸发量最大，占全年50%以上。灌区降雨量年际间变化大，根据当地气象站降水量资料显示，降雨大的年份降水量为235.4 mm，干旱年份降水量为56.3 mm。由于受季风的影响，灌区降水量在年内分配极不均衡，夏秋2 季（6—11月）降水量占全年降水量的85%以上，夏季降水量（6—8月）占全年降水量63%～70%，春季降水量占10%～20%。年平均气温为6.3～7.7 ℃，月平均最高气温和最低气温分别在7 和1月。试验区多年（2018—2020年）地下水平均埋深1.92 m 和（TDS）2 750 mg/L；试验区多年（2018—2020年）土壤平均全盐量2.96 g/kg和pH 值8.23。引黄灌溉水水质数据如表1 所示。

表1 春灌黄河水水质Table 1 Spring irrigation water quality of the Yellow River

1.2 试验设计

试验区春灌开始时间为2020年4月17日，春灌平均灌水量为225 mm，春灌总引水量为750 万m3。试验区内网格化均匀布置30 眼地下水观测井，分别于2020年4月15—16日（春灌前）和2020年6月14—15日（春灌后）进行取样工作，共采集地下水样品60 组。并在水中放入ONSET 水位计，实时监测地下水位。地下水观测井布置如图1 所示。

图1 地下水观测井布置Fig.1 Layout of groundwater observation logging

1.3 测试指标及方法

1.3.1 基础测试指标

地下水样测试指标包括8 大离子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、CO32-）质量浓度、pH 值、EC值及TDS；土样测试指标为土壤电导率。其中，Na+、K+测定方法为火焰原子吸收分光光度法；Ca2+、Mg2+测定方法为乙二胺四乙酸二钠（ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA）滴定法；碳酸盐重碳酸盐测定方法为酸滴定法；氯化物测定方法为硝酸银滴定法；硫酸盐的测定方法为EDTA 滴定法；pH 值测定方法采用玻璃电极法；地下水EC值采用电导率仪（DDS-307A 型，上海佑科仪器）测定；TDS 为地下水溶解性总固体，测试方法为蒸汽法；土壤电导率采用电导率仪（DDS-307A 型，上海佑科仪器）测定土水比1∶5 的土壤浸提液。

1.3.2 土壤脱盐率计算

土壤脱盐率为试验区土壤盐分的减小值占初始值的百分比，其计算式[5]为：

式中：N为脱盐率（%）；S1为春灌前土壤电导率（dS/m）；S2为春灌后土壤电导率（dS/m）。

1.4 数据处理

采用Excel 对地下水水化学参数特征值进行描述性统计和分析；用Origin 及Excel 软件制作Piper 三线图、Gibbs 图及离子比例系数图分析区域地下水化学过程及影响；使用hoboware 软件处理地下水位数据；采用SPSS 软件对地下水埋深数据进行Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 春灌前后地下水理化特性分析

对春灌前后60 个地下水样进行水化学参数统计特征值分析[8]，分析结果如表2 所示。地下水阴离子变异系数大小顺序为Cv（HCO3-+CO32-）＜Cv（SO42-）＜Cv（Cl-），地下水阳离子变异系数大小顺序为Cv（Ca2+）＜Cv（Mg2+）＜Cv（K++Na+），春灌前后（HCO3-+CO32-）、Ca2+、Mg2+的变异系数相对较小，说明春灌并未增加其在土壤中的迁移量，亦即说明土壤对其的吸附作用较强，不易随水分产生较大移动，而Cl-、K++Na+的变异系数分别为阴阳离子中的最大（CO32-由于多数水样小于检出限而未检出，故数据离散性大，变异系数高），变异系数均＞100%，属强变异性，说明Cl-、K++Na+是随春灌因素变化的敏感因子，是决定地下水盐化作用的主要变量。其中，Cl-在春灌前后分别占地下水阴离子总量的50.1%、54.3%，K++Na+在春灌前后分别占地下水阳离子总量的77.6%、76.8%。春灌前后地下水TDS 均值分别为2 836.65、3 281.43 mg/L，春灌后TDS 均值增加了15.6%，说明春灌使得土壤中的盐分被淋洗进地下水中。春灌前后地下水总硬度均值变化不大，变异系数也较小，说明地下水中的金属离子钙、镁、铁、铝、锰及重金属离子等在春灌前后没有太大变化，这些离子对TDS 的变化和空间变异性的贡献较小。

表2 春灌前后研究区地下水理化指标特征Table 2 Characteristics of physical and chemical indexes of groundwater in the study area before and after spring irrigation

2.2 Piper 三线图分析

通过分析数据毫克当量百分比绘制Piper 三线图[9-10]（图2）。由图2 左下角三角形可知，阳离子集中于右下方Na+端，且Na+毫克当量百分比大部分超过50%，占绝对优势，阴离子多集中于HCO3-·Cl-·SO42-区域。对比灌溉前后Piper 三线图变化，灌溉后地下水阳离子中，Mg2+整体有减小趋势，Ca2+有略微增大的趋势；阴离子中，HCO3-+CO32-整体有减小的趋势、SO42-整体有增大的趋势而Cl-的毫克百分比没有太大的变化。地下水主要化学类型由Na-Mg-Cl-SO4-HCO3型和 Na-Cl-SO4-HCO3型 向Na-Cl-SO4型转变。

图2 春灌前后地下水Piper 三线图Fig.2 Piper diagram of groundwater before and after spring irrigation

2.3 地下水离子组分分析

Gibbs 图通过TDS 与Na+/(Na++Ca2+) 、 Cl-/（Cl-+HCO3-）的比值，将地下水组分的控制因素分为3 个类型：降雨作用控制型、岩石风化控制型与蒸发作用控制型[11-12]。由图3 可知，阴离子质量浓度比值范围为0.197～0.785，地下水水样分布于岩石风化和蒸发作用区间，说明试验区内地下水化学特征主要受岩石风化和蒸发作用影响，阳离子质量浓度比值范围为0.619～0.985，所有地下水水样Na+/（Na++Ca2+）均大于0.6，使得部分水样点位于Gibbs 图归类之外，说明水中Na+量过高而Ca2+量相对较低，春灌水经过土壤层时与携带大量的钠离子的土壤发生运移进入到地下水体，导致Na+的质量浓度远大于Ca2+的质量浓度，其机理需要运用化学离子反应理论进一步解析。

图3 春灌后地下水GibbsFig.3 Gibbs diagram of groundwater after spring irrigation

Na+与Cl-之间的关系常用于确定干旱-半干旱地区盐分入侵的机制[13]。从图4 可以看出，春灌后几乎所有水样点比值都位于1∶1 线上方，说明Na++K+在水中的量均大于Cl-，即试验区内地下水化学组分不仅受到蒸发盐岩与硅酸盐岩的溶解作用，而且受到阳离子交换作用等其他因素的影响，从而使Na++K+质量浓度大于Cl-质量浓度。

图4 地下水离子关系Fig.4 Ionic relationships in groundwater

阳离子交换作用是指在一定条件下，岩石或土壤颗粒吸附地下水中某些阳离子，从而将其原来的部分阳离子转化为地下水中的组分，γ（Na++K+-Cl-）/γ［（Ca2++Mg2+）-（SO42-+HCO3-）］可以反映阳离子交换作用强度[14]。由γ（Na++K+-Cl-）和γ［（Ca2++Mg2+）-（SO42-+HCO3-）］线性回归分析得到式（2）：

式中：y为γ［（Ca2++Mg2+）-（SO42-+HCO3-）］（mEq/L）；x 为γ（Na++K+-Cl-）（mEq/L）。

通过式（2）可知γ（Na++K+-Cl-）和γ［（Ca2++Mg2+）-（SO42-+HCO3-）］体现出良好的负相关性，表明春灌后土壤层中大量Na+发生运移进入地下水中并与地下水中的Ca2+、Mg2+发生了阳离子交换作用使得Na+在水中大量增加，可能发生的化学过程有：

Na+（土）+Ca2+（水）⇌Ca2+（土）+Na+（水）

Na+（土）+Mg2+（水）⇌Mg2+（土）+Na+（水）

如表2 所示，春灌后地下水SO42-平均质量浓度增加了190.45 mg/L；Ca2+平均质量浓度增加了38.96 mg/L平均质量浓度增大比例分别为36.43%、69.38%，原因除了碳酸盐岩和蒸发页岩的风化溶解之外[15]，还可能是春灌后大量的灌溉水使得试验区布施的脱硫石膏改良剂微溶于水，导致了春灌后地下水中SO42-、Ca2+质量浓度增加，其化学反应式为：

在图4（b）中，水样γ（Ca2++Mg2+）/γ（SO42-+HCO3-）的比值均位于1∶1 等当量线以下，说明γ（SO42-+HCO3-）在水中的量均大于γ（Ca2++Mg2+），而春灌后水样pH值＞7.4 且TDS＞600 mg/L，使得Ca2+与HCO3-生成CaCO3沉淀[16]，且春灌后地下水Na+质量浓度与TDS增加，pH 值增大，导致碱度升高，促进白云石CaMg(CO3)2沉淀的生成，使得地下水中Ca2+、Mg2+、HCO3-质量浓度减小，其化学反应式为：

2.4 春灌期间地下水动态及盐分淋洗效果影响

由于地表水入渗补给地下水时通常经过较厚的包气带，故普遍存在滞后性[17-18]。选取6 组春灌前不同埋深（1.1～2.4 m）的地下水埋深数据绘制折线图，如图5 所示。不同井位由于春灌来水时间与当地农民放水时间不同，导致地下水骤变日期有所不同。由于地下水滞后性的存在，试验区内地下水从春灌开始到埋深上升至最浅埋深用时为10～20 d，灌溉前地下水最大埋深与最小埋深差值范围在1.197～2.142 m 之间，地下水上升日均幅度为0.079 8～0.169 m/d。在春灌后地下水上升速度除了受地下水滞后性的影响外，还与土壤渗透性及灌溉水量有关[19]。

图5 春灌期间地下水埋深动态变化Fig.5 Dynamic change of groundwater depth during spring irrigation

为探究春灌导致地下水变动幅度对试验区盐分淋洗效果的影响，通过对所有井位3－10月地下水埋深均值、春灌期间最浅埋深到春灌后取样日期的地下水埋深差值、地下水埋深回落到春灌后取样日期的时间、地下水埋深日均差、春灌后地下水TDS 增加值进行相关性分析，结果如表3 所示。

表3 春灌后试验区水位指标相关系数Table 3 Correlation coefficient of water level index in test area after spring irrigation

经统计，春灌期间地下水埋深回落值在0.62～1.51 m 之间，地下水TDS 增加值在-381～1 681 mg/L 之间，表2 中，春灌后TDS 增加值和地下水埋深最大回落值、埋深日均差的相关性系数分别为-0.625**、-0.583**，表现出较好的负相关性。原因可能是：对于埋深回落值大的区域，土壤透水性相对较好，地下水埋深回落速度快使得当地农民容易加大灌溉水量，地下水中盐分被稀释，减小了地下水TDS 增加值；对于埋深回落值小的区域，地下水埋深回落速度慢则灌水量相对小，土壤透水性相对较差，地下水在土壤表层淋洗时间更长效果更好，则地下水TDS 增加值大。

试验区年蒸发量较大，过浅的地下水埋深会造成土壤次生盐碱化[20]，试验区种植作物以葵花为主，播种期在6月15日－7月1日之间。试验区播种期与作物生育期地下水平均埋深如图6 所示。

如图6 所示，7月2日左右地下水平均埋深回落至1.5 m 以下，8月8日地下水平均埋深回落至2 m左右。播种期内地下水埋深过低，且盐分较大，易发生盐分胁迫，导致出苗时间晚、生殖生长时间短，产量减少[21]。

图6 播种期与作物生育期地下水平均埋深Fig.6 The buried depth of underground level in sowing period and crop growth period

2.5 春灌对土壤盐分变化的影响

为了探究春灌对试验区土壤盐分的淋洗效果影响，计算试验区0～20、20～60、60～100 cm 的平均土壤脱盐率，结果如表4 所示。

表4 试验区春灌前后电导率及平均脱盐率Table 4 Conductivity and average desalination rate before and after spring irrigation in the experimental area

如表4 所示，试验区0～100 cm 土壤电导率在春灌后整体呈下降趋势，其中春灌对土壤表层0～20 cm的土壤盐分淋洗效果最好，平均脱盐率达到了47.11%，而春灌对更深层的土壤盐分虽然也有淋洗效果，但随着土壤深度的增加，土壤脱盐效果递减。

3 讨论

3.1 春灌对地下水盐分的影响

本试验中春灌前后地下水中TDS 平均差值为444.78 mg/L，春灌后地下水TDS 增加15.6%，相比于侯凯旋等[8]的研究结论，春灌后地下水TDS 的增加率较小，原因是本次试验取样时间间隔短，地下水埋深还在回落中，对土壤盐分的淋洗还未充分且地下水埋深相对较浅，多出来的水分稀释了取样时的TDS。而春灌后的地下水pH 值较春灌前略微减小，原因是地下水中HCO3-、CO32-质量浓度减小而SO42-质量浓度增加的结果，这种现象也导致了试验区地下水主要化学类型由Na-Mg-Cl-SO4-HCO3型和Na-Cl-SO4-HCO3型向Na-Cl-SO4型转变，同时，由于Ca2+的增加，出现了Na-Mg-Ca-Cl-SO4-HCO3、Na-Ca-Cl-SO4-HCO3、Na-Ca-Cl-SO4型水，虽然占比很小，但却丰富了试验区的地下水化学类型。

3.2 春灌对地下水组分控制的影响

试验区地处西北，降雨量稀少，水样TDS 较大，地下水组分基本不受降水影响，主要受岩石风化及蒸发作用的影响，这与崔佳琪等[14]的研究基本一致，不同之处在于地下水中Na+/（Na++Ca2+）过高，使得部分水样点既不属于岩石风化型也不属于蒸发控制型，说明阳离子的交换作用也是影响春灌后地下水组分的重要因素。

3.3 春灌对地下水埋深的影响

张义强等[22]研究发现河套灌区葵花适宜地下水控制深度为2.0～2.5 m 之间，此时作物长势、产量较好，作物水分利用效率大，可以达到节水灌溉的效果。试验区地下水平均埋深在8月上中旬以前一直小于2 m（图6），此时土壤含水率大，作物补水量多，但是作物水分利用效率低，巨大的无效蒸发会导致土壤返盐，不利于作物生长和土壤质量的维持和提升，故试验区春灌水量可适当减小，形成更合理的灌溉制度，达到节水灌溉和提高作物水分利用效率的目的。

3.4 春灌对土壤盐分的影响

试验区土壤盐分在春灌后虽然整体呈下降趋势，但对于20～60、60～100 cm 土壤，淋洗效果较差，出现上述现象的原因是试验区蒸发强烈，且春灌后的地下水埋深居高不下，随着气温升高，春灌对土壤盐分的淋洗效果变弱，土壤反盐现象出现，故试验区宜结合暗管排水等方式，加大灌溉后的排水力度，以达到理想的排水排盐的效果。

4 结论

1）春灌后，地下水TDS 整体增大，平均增加率为15.6%，影响地下水组分的主要因素除了岩石风化作用和蒸发结晶作用外，阳离子交换作用的影响亦较显著。Cl-、K++Na+质量浓度均值最大，是阴阳离子中的优势离子，且Cl-、K++Na+的变异系数大，具有较高的空间变异性，是随环境因素变化的敏感因子，也是决定地下水盐化的主要变量。

2 ） 春灌后地下水的主要化学类型为Na-Mg-Cl-SO4-HCO3、Na-Cl-SO4-HCO3、Na-Mg-Cl-SO4、Na-Cl-SO4，由于试验区施加脱硫石膏进行盐碱改良，导致地下水中Ca2+、SO42-增加，区域内出现了少部分Na-Mg-Ca-Cl-SO4-HCO3、 Na-Ca-Cl-SO4-HCO3、Na-Ca-Cl-SO4型水。

3）不同地块由于灌溉水量不同与土壤质地引起的渗透性差异，导致整个试验区内地下水从春灌开始到埋深上升至最浅埋深用时为10～20 d，灌溉前后地下水埋深差值范围在1.197～2.142 m 之间，地下水上升日均幅度为0.079 8～0.169 m/d。

4）对于试验区主要种植作物为葵花，6—8月地下水埋深过浅，作物水分利用效率低下且易发生盐分胁迫导致作物减产，试验区宜适当减小春灌水量或加大排水力度以达到理想地下水埋深。