楊 軍，孫兆軍，王 旭

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021； 2.銀川能源學(xué)院，銀川 750105； 3.寧夏大學(xué)新技術(shù)應(yīng)用研究開發(fā)中心，銀川 750021)

0 引 言

全球鹽漬土面積約為10億hm2，廣泛分布在世界各大洲干旱地區(qū)，主要集中在歐亞大陸、非洲、美洲西部的100多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，并且每年以100～150萬(wàn)hm2的速度在增長(zhǎng)[1]。其中堿土和堿化土壤約占60%。在中國(guó)，龜裂堿土主要分布在寧夏銀川北部、內(nèi)蒙古河套平原西部和新疆北疆草原、荒漠地帶[1]。寧夏龜裂堿地大約2萬(wàn)hm2，主要分布在銀川平原北部，多集中在平羅縣和西大灘的前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)、潮湖農(nóng)場(chǎng)，鹽分組成主要是Na2SO4和NaCl，地下水主要鹽分離子Na+、Cl-、SO2-4和HCO-3。因此，研究其淺層地下水埋深、礦化度和鹽分離子時(shí)空變化狀況，對(duì)水土資源可持續(xù)利用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

地下水時(shí)空動(dòng)態(tài)變化是影響鹽漬化土壤改良利用和可持續(xù)利用的主要因素[2-4]。近年來越來越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下水進(jìn)行研究，李小玉等[5]研究了民勤綠洲15 a的地下水礦化度時(shí)空變異規(guī)律，發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)地下水礦化度在整個(gè)尺度上具有恒定的變異；王水獻(xiàn)等[6]研究了不同地貌單元地下水礦化度的時(shí)空變異特征，發(fā)現(xiàn)地下水礦化度在時(shí)間和空間上都存在明顯的變異性；姚榮江和楊勁松[7]研究了淺層地下水與耕層土壤積鹽的空間分異規(guī)律，發(fā)現(xiàn)耕層土壤積鹽與地下水礦化度呈極顯著的相關(guān)關(guān)系；胡克林等[8,9]研究了淺層地下水埋深與礦化度在一定范圍內(nèi)存在空間相關(guān)性；杜軍等[10]研究了淺層地下水埋深的變化規(guī)律與灌溉制度有著密切的聯(lián)系，與礦化度之間線性關(guān)系不明顯；王衛(wèi)光等[11]研究了地下水水位的空間相關(guān)距離在 60 km以上；孔繁瑞等[12]鹽漬化土壤淺層地下水埋深在 2.0 m 左右，有利于作物生常生長(zhǎng)。

但針對(duì)新墾龜裂堿地地下水埋深、礦化度和鹽分離子時(shí)空變化特征研究尚未報(bào)道。地下水埋深和礦化度是地下水資源的重要特征指標(biāo)[12-15]，監(jiān)測(cè)其變化情況，是土壤改良和水鹽調(diào)控的重要任務(wù)，也是決定改良鹽堿地成敗的關(guān)鍵，影響農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的重要因素。因此，監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)地下水水位和礦化度的時(shí)空分布，對(duì)于指導(dǎo)龜裂堿地改良水鹽調(diào)控及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義和科學(xué)價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

中國(guó)典型的鹽堿土-龜裂堿土，寧夏主要分布在賀蘭山東麓洪積扇邊緣。研究區(qū)選擇在寧夏平羅縣西大灘前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)(106°24′209″E、38°50′289″N，海拔1 156 m)，典型的干旱大陸性氣候，光照充足，蒸發(fā)量大，降雨集中。年氣溫-20.5～33.8 ℃，年均氣溫9.5 ℃，≥10 ℃積溫為3 350 ℃[3]。年均降水量為205 mm，多集中在秋季，年蒸發(fā)量2 000 mm以上，蒸降比為10左右，干燥度11[3]。研究區(qū)域?yàn)?012年新墾龜裂堿地荒地，全年平均地下水埋深1.0 m左右，礦化度<3 g/L。主要含Na+、Cl-、SO2-4、HCO-3。

由于研究區(qū)域自然氣候條件和農(nóng)業(yè)管理措施，灌溉方式還是以傳統(tǒng)的漫灌為主，農(nóng)業(yè)灌溉水是黃河水，種植結(jié)構(gòu)油葵、水稻和枸杞，4-6月夏灌，7-8月秋灌，9月不灌水，10-11月冬灌，12月到次年3月為凍溶期。稻田5-8月根據(jù)生育需求及時(shí)灌排水，共灌水5次，油葵6月份灌1水，枸杞4月份和7月份分別各灌1次水。由于當(dāng)?shù)亟涤炅可?，地下水埋深變化直接受到有無(wú)灌溉的影響。

1.2 試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

研究區(qū)域在寧夏西大灘前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行，共布設(shè)15個(gè)淺層地下水位觀測(cè)井，觀測(cè)地下水埋深，提取水樣監(jiān)測(cè)其礦化度、pH值、K+、Na+、 Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、CO2-3和HCO-3八大離子。觀測(cè)井材料是PVC管Φ30 mm、長(zhǎng)4 m，距管底部1 m表面處，用鉆打孔直徑為10 mm，均勻分布，孔、管底用麻絲纏住，以免土進(jìn)入管內(nèi)。為了分析區(qū)域地下水變化特征，每月中旬取水樣1次，作物關(guān)鍵生育期出苗期和保苗期每月10、20和30日取水樣3次，灌前灌后加取1次。選取具有代表性的觀測(cè)井5個(gè)分析年內(nèi)淺層地下埋深、水礦化度、pH值和鹽分離子的變化情況。觀測(cè)井布局圖見圖1。

圖1 區(qū)域觀測(cè)井的布置Fig.1 Arrangement area observation wells

1.3 測(cè)試項(xiàng)目及方法

地下水埋深采用繩測(cè)法；pH 值采用 S220 多參數(shù)測(cè)試儀測(cè)定； K+、Na+利用火焰光度法測(cè)定；Ca2+、Mg2+利用 EDTA 滴定法測(cè)定；Cl-利用硝酸銀滴定法測(cè)定；SO2-4利用 EDTA間接絡(luò)合滴定法測(cè)定；礦化度為水樣的溶解性總固體，其值等于上述測(cè)試項(xiàng)目質(zhì)量濃度的總和，采用重量法測(cè)定；CO2-3、HCO-3利用雙指示劑-中和滴定法測(cè)定[7,17]。具體方法參照文獻(xiàn)[18]。

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)2014 年地下水埋深、礦化度和八大離子等數(shù)據(jù)顯著性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 年內(nèi)淺層地下水埋深變化分析

區(qū)域年內(nèi)灌水量186 700 t，排水量135 034.6 t。從圖2中看出，地下水埋深隨凍融期(1-3月)和灌溉期(4-11月)的變化而變化。其中，3月地下水埋深最深為1.71 m，11月最淺為0.40 m，年內(nèi)平均埋深為 0.96 m。1-3月，淺層地下水埋深逐漸增大，4-8 月，淺層地下水埋深隨灌溉制度變化，整體呈逐漸減小趨勢(shì)，8月中旬灌區(qū)停止灌溉，由于10月中旬開始冬灌，到 11 月份淺層地下水埋深最淺。這是因?yàn)閰^(qū)域地勢(shì)北高南低，東高西低，東北最深，中間最淺，導(dǎo)致中間排水不暢，易于積水而抬高地下水位。

圖2 淺層地下水埋深變化Fig.2 Vary of groundwater levels

2.2 年內(nèi)淺層地下水礦化度變化

礦化度表示水中各種鹽類，即全部陰離子和陽(yáng)離子，是反映地下水水質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。灌溉水黃河水年平均礦化度0.345 g/L，年灌水量186 700 t, 引入鹽分64.4 t；排水溝年平均礦化度為 2.69 g/L，排水量114 761.6 t，排出鹽分313.4 t。

由圖3可知，3月份區(qū)域地下水礦化度最低，平均1.01 g/L；3月份以后，由于作物種植前洗鹽、灌溉和生育期灌溉，地下水礦化度相應(yīng)增加。4-12月份平均礦化度分別為2.2、 2.35、2.59、2.64、2.83、2.71、2.94、2.82和2.89 g/L。這是因?yàn)橄贷}大量鹽分進(jìn)入地下水，還有灌溉時(shí)大水漫灌導(dǎo)致地下水位居高不下，由于潛水蒸發(fā)量大，致使大量的鹽分聚集在淺層地下水中，礦化度相應(yīng)增大。8月中旬到 10月中旬，停止灌溉，由于土壤水分蒸發(fā)，土壤中的鹽分又聚集在土壤表層，冬灌時(shí)將其大量的鹽分被淋洗到淺層地下水中，11 月份的淺層地下水礦化度年內(nèi)最高為2.82 g/L。

圖3 淺層地下水礦化度變化Fig.3 Vary of groundwater salinity

2.3 年內(nèi)淺層地下水pH值變化

pH值反映地下水水質(zhì)酸堿性，中性水質(zhì)pH值為7.0～8.5。圖4可知，1-12月份地下水pH值變化幅度不大，pH值變化范圍為7.38～9.53，平均8.01，呈現(xiàn)出弱堿性；8號(hào)井9月份和10月份pH值大于8.5。地下水pH值年內(nèi)變化總體趨勢(shì)是下降的。

圖4 淺層地下水pH值變化Fig.4 Vary of groundwater pH value

2.4 年內(nèi)鹽分離子變化

圖5可知，地下水中陽(yáng)離子Ca2+、Mg2+、Na+和K+的含量隨灌溉制度而變化，Na+的含量最高，年內(nèi)平均為0.72 g/L；K+的含量最低，年內(nèi)平均為0.009 7 g/L。部分Ca2+、Mg2+、Na+和K+來自于土壤洗鹽和灌溉鹽分離子進(jìn)入地下水。陽(yáng)離子年內(nèi)平均含量為Na+>Ca2+>Mg2+>K+。

圖6可知，地下水中陰離子Cl-、CO2-3、HCO-3和SO2-4的含量隨灌溉制度而變化，Cl-的含量最高，年內(nèi)平均為1.05 g/L；CO2-3的含量最低，年內(nèi)平均為0.02 g/L。部分Cl-、CO2-3、HCO-3和SO2-4來自于土壤洗鹽和灌溉鹽分離子進(jìn)入地下水。陰離子年內(nèi)平均含量為Cl->SO2-4>HCO-3>CO2-3。

從圖5、圖6可以看出，區(qū)域淺層地下水屬于Na+-Cl-型水。

圖5 淺層地下水陽(yáng)離子變化Fig.5 Vary of groundwater anionic

圖6 淺層地下水陰離子變化Fig.6 Vary of groundwater cationic

2.5 淺層地下水埋深與礦化度、礦化度與pH值變化關(guān)系

由于寧夏銀北西大灘干旱、少雨和風(fēng)大，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，地下水埋深和水質(zhì)必然影響作物的正常發(fā)育，同時(shí)地下水埋深和礦化度是防控鹽堿地改良效果和可持續(xù)利用的關(guān)鍵，pH值也反映了地下水的水質(zhì)。將15眼井的年平均淺層地下水埋深與對(duì)應(yīng)的礦化度和礦化度與pH值數(shù)據(jù)來分析他們之間的關(guān)系。

區(qū)域淺層地下水埋深與礦化度分布擬合曲線從定性來分析(圖7)：淺層地下水埋深較大時(shí)，礦化度相應(yīng)較??；淺層地下水埋深較小時(shí)，礦化度相應(yīng)較大。他們之間定量性很不確定，線性關(guān)系非常不明顯。

圖7 淺層地下水埋深與礦化度的關(guān)系Fig.7 Vary of groundwater levels

淺層地下水礦化度與pH值擬合曲線成直線相關(guān)關(guān)系(圖8)，即淺層地下水礦化度增加，對(duì)應(yīng)的pH值也增加，但是他們之間的變化幾乎是一條水平線，變化不大。

圖8 淺層地下水礦化度與pH值的關(guān)系Fig.8 Vary of groundwater levels

3 結(jié) 論

(1)龜裂堿地淺層地下水埋深與灌溉制度和蒸發(fā)量有關(guān)，無(wú)灌溉月份和蒸發(fā)量大的月份，淺層地下水埋深較大；灌溉月份，淺層地下水埋深逐漸減小趨勢(shì)；礦化度與埋深之間定量關(guān)系不明顯，但存在定性關(guān)系，即地下水埋深較深，礦化度較?。坏叵滤裆钶^淺，礦化度較大；礦化度與pH值之間成直線相關(guān)關(guān)系，他們之間的變化幾乎是一條水平線，變化不大，pH值在7～8.5之間，偏堿性。

(2)區(qū)域地下水礦化度年內(nèi)總體分布北高南低，東高西低，中間部分最低。3月份地下水水位最深1.71 m，礦化度最小1.01 g/L；11月份地下水水位最淺0.4 m，礦化度最大2.82 g/L。

(3)區(qū)域地下水埋深淺和礦化度高的原因是其地勢(shì)低洼，排水不暢，大水漫灌導(dǎo)致地下水位居高不下，氣候風(fēng)大干旱，蒸發(fā)強(qiáng)烈，這些因素共同作用很難防控土壤的次生鹽堿化。因此，田間鋪設(shè)暗管進(jìn)行強(qiáng)排來降低地下水位和控制引排比等措施來防控土壤的次生鹽堿化。

(4)地下水的類型主要屬于Na+-Cl-型水, 屬于中性偏堿類型。淺層地下水八大離子含量隨著其礦化度的增加而增加。

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