劉祖汀，王麗萍＊，屈忠義，張如鑫，何 婧，馬貴仁，李二珍

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，呼和浩特010018；2.內(nèi)蒙古巴彥淖爾市五原縣農(nóng)牧業(yè)推廣中心，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾015100）

0 引 言

【研究意義】土壤水分是地表下面重要的水分組成，在水資源形成、轉(zhuǎn)化和消耗過程中起重要作用，是大氣、植被、土壤、地下水系統(tǒng)的核心和紐帶[1]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，土壤水分的不足將直接影響作物的生長。我國西北、華北和東北等地區(qū)降雨量稀少，且在一年中分布極不均勻，春灌擔任了對春播作物的正常生長和越冬作物的及時返青的作用[2]，是提高土壤墑情、地溫、淋洗土壤鹽分的重要途徑。因此，分析春灌對區(qū)域地下水動態(tài)變化和水化學環(huán)境的影響對于探究灌區(qū)生態(tài)水文過程以及區(qū)域地下水埋深變化與土壤鹽漬化關(guān)系[3]具有重要意義。【研究進展】春灌是河套灌區(qū)一年中規(guī)模最大的灌溉活動，且春灌與接踵而來的各種田間活動緊密相關(guān)，對之后作物播種與作物生長具有更重要的意義。李仙岳等[4]運用指示Kriging 法比較了春灌前和生育期不同閾值條件下土壤表層含鹽量、地下水埋深和礦化度的概率分布，從概率空間分布的角度研究了不同時期防治土壤鹽漬化的地下水臨界埋深和礦化度，發(fā)現(xiàn)春灌前較生育期土壤鹽分受外界因素（氣象因素和人為因素）影響小，且土壤表層含鹽量、地下水埋深和礦化度變異性也相對較小，地下水環(huán)境對土壤鹽漬化的影響更強烈；竇旭等[5]通過不同春灌灌溉水量結(jié)合暗管排水技術(shù)進行田間試驗，分析水鹽分布規(guī)律、鹽分離子淋洗效果、對地下水埋深的控制作用和對油葵產(chǎn)量及其水分利用效率的影響，確定在常規(guī)灌水量基礎(chǔ)上減少10%并結(jié)合暗管排水技術(shù)是適宜的灌溉模式；朱延凱等[6]比較了不同灌溉定額的春灌對灌溉后土壤水鹽及棉花產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)不同灌溉水量對土層含水率的影響深度不同，大的春灌定額保持水分的能力較強；彭振陽等[7]分析了局部灌溉與全面灌溉對于土壤的洗鹽保墑效果，發(fā)現(xiàn)灌溉區(qū)地下水位在局部灌溉后回落更為迅速，灌溉可以達到很好的洗鹽保墑效果。

【切入點】春灌對區(qū)域尺度水化學環(huán)境的影響、水化學組成成分的變化、春灌期間地下水動態(tài)等鮮有研究。而義長灌域與烏拉特灌域部分地塊常年因為春灌來水時間晚而導致地下水埋深過淺，造成鹽分脅迫影響產(chǎn)量?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此，本試驗選取義長灌域內(nèi)相對封閉的小流域區(qū)域，連續(xù)監(jiān)測地下水埋深動態(tài)和地下水理化特性的變化，通過地下水水樣分析及春灌期間地下水動態(tài)分析，基于水文地球化學基礎(chǔ)理論，運用多種分析方法相結(jié)合的手段，探究春灌對區(qū)域地下水水化學環(huán)境和地下水動態(tài)的影響，以期為灌區(qū)地下水水環(huán)境動態(tài)影響和地下水資源保護等積累理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市五原縣5 萬畝“改鹽增草（飼）興牧”試驗示范項目區(qū)，南臨黃河，與鄂爾多斯市相望，北依陰山山脈，介于東經(jīng)107°35′70″－108°37′50″，北緯40°46′30"－41°16′45"之間。氣候?qū)儆谥袦貛Т箨懶詺夂颍哂泄饽茇S富、日照時間長、干燥多風、晝夜溫差大、降水量少的特點。年輻射總量為153.44 kcal/cm2，年降水量為136.8～213.5 mm，年蒸發(fā)量為1 993～2 372 mm，蒸降比達到10 以上，5－7月蒸發(fā)量最大，占全年50%以上。灌區(qū)降雨量年際間變化大，根據(jù)當?shù)貧庀笳窘邓抠Y料顯示，降雨大的年份降水量為235.4 mm，干旱年份降水量為56.3 mm。由于受季風的影響，灌區(qū)降水量在年內(nèi)分配極不均衡，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%。年平均氣溫為6.3～7.7 ℃，月平均最高氣溫和最低氣溫分別在7 和1月。試驗區(qū)多年（2018—2020年）地下水平均埋深1.92 m 和（TDS）2 750 mg/L；試驗區(qū)多年（2018—2020年）土壤平均全鹽量2.96 g/kg和pH 值8.23。引黃灌溉水水質(zhì)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 春灌黃河水水質(zhì)Table 1 Spring irrigation water quality of the Yellow River

1.2 試驗設(shè)計

試驗區(qū)春灌開始時間為2020年4月17日，春灌平均灌水量為225 mm，春灌總引水量為750 萬m3。試驗區(qū)內(nèi)網(wǎng)格化均勻布置30 眼地下水觀測井，分別于2020年4月15—16日（春灌前）和2020年6月14—15日（春灌后）進行取樣工作，共采集地下水樣品60 組。并在水中放入ONSET 水位計，實時監(jiān)測地下水位。地下水觀測井布置如圖1 所示。

圖1 地下水觀測井布置Fig.1 Layout of groundwater observation logging

1.3 測試指標及方法

1.3.1 基礎(chǔ)測試指標

地下水樣測試指標包括8 大離子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、CO32-）質(zhì)量濃度、pH 值、EC值及TDS；土樣測試指標為土壤電導率。其中，Na+、K+測定方法為火焰原子吸收分光光度法；Ca2+、Mg2+測定方法為乙二胺四乙酸二鈉（ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA）滴定法；碳酸鹽重碳酸鹽測定方法為酸滴定法；氯化物測定方法為硝酸銀滴定法；硫酸鹽的測定方法為EDTA 滴定法；pH 值測定方法采用玻璃電極法；地下水EC值采用電導率儀（DDS-307A 型，上海佑科儀器）測定；TDS 為地下水溶解性總固體，測試方法為蒸汽法；土壤電導率采用電導率儀（DDS-307A 型，上海佑科儀器）測定土水比1∶5 的土壤浸提液。

1.3.2 土壤脫鹽率計算

土壤脫鹽率為試驗區(qū)土壤鹽分的減小值占初始值的百分比，其計算式[5]為：

式中：N為脫鹽率（%）；S1為春灌前土壤電導率（dS/m）；S2為春灌后土壤電導率（dS/m）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 對地下水水化學參數(shù)特征值進行描述性統(tǒng)計和分析；用Origin 及Excel 軟件制作Piper 三線圖、Gibbs 圖及離子比例系數(shù)圖分析區(qū)域地下水化學過程及影響；使用hoboware 軟件處理地下水位數(shù)據(jù)；采用SPSS 軟件對地下水埋深數(shù)據(jù)進行Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 春灌前后地下水理化特性分析

對春灌前后60 個地下水樣進行水化學參數(shù)統(tǒng)計特征值分析[8]，分析結(jié)果如表2 所示。地下水陰離子變異系數(shù)大小順序為Cv（HCO3-+CO32-）＜Cv（SO42-）＜Cv（Cl-），地下水陽離子變異系數(shù)大小順序為Cv（Ca2+）＜Cv（Mg2+）＜Cv（K++Na+），春灌前后（HCO3-+CO32-）、Ca2+、Mg2+的變異系數(shù)相對較小，說明春灌并未增加其在土壤中的遷移量，亦即說明土壤對其的吸附作用較強，不易隨水分產(chǎn)生較大移動，而Cl-、K++Na+的變異系數(shù)分別為陰陽離子中的最大（CO32-由于多數(shù)水樣小于檢出限而未檢出，故數(shù)據(jù)離散性大，變異系數(shù)高），變異系數(shù)均＞100%，屬強變異性，說明Cl-、K++Na+是隨春灌因素變化的敏感因子，是決定地下水鹽化作用的主要變量。其中，Cl-在春灌前后分別占地下水陰離子總量的50.1%、54.3%，K++Na+在春灌前后分別占地下水陽離子總量的77.6%、76.8%。春灌前后地下水TDS 均值分別為2 836.65、3 281.43 mg/L，春灌后TDS 均值增加了15.6%，說明春灌使得土壤中的鹽分被淋洗進地下水中。春灌前后地下水總硬度均值變化不大，變異系數(shù)也較小，說明地下水中的金屬離子鈣、鎂、鐵、鋁、錳及重金屬離子等在春灌前后沒有太大變化，這些離子對TDS 的變化和空間變異性的貢獻較小。

表2 春灌前后研究區(qū)地下水理化指標特征Table 2 Characteristics of physical and chemical indexes of groundwater in the study area before and after spring irrigation

2.2 Piper 三線圖分析

通過分析數(shù)據(jù)毫克當量百分比繪制Piper 三線圖[9-10]（圖2）。由圖2 左下角三角形可知，陽離子集中于右下方Na+端，且Na+毫克當量百分比大部分超過50%，占絕對優(yōu)勢，陰離子多集中于HCO3-·Cl-·SO42-區(qū)域。對比灌溉前后Piper 三線圖變化，灌溉后地下水陽離子中，Mg2+整體有減小趨勢，Ca2+有略微增大的趨勢；陰離子中，HCO3-+CO32-整體有減小的趨勢、SO42-整體有增大的趨勢而Cl-的毫克百分比沒有太大的變化。地下水主要化學類型由Na-Mg-Cl-SO4-HCO3型和 Na-Cl-SO4-HCO3型 向Na-Cl-SO4型轉(zhuǎn)變。

圖2 春灌前后地下水Piper 三線圖Fig.2 Piper diagram of groundwater before and after spring irrigation

2.3 地下水離子組分分析

Gibbs 圖通過TDS 與Na+/(Na++Ca2+) 、 Cl-/（Cl-+HCO3-）的比值，將地下水組分的控制因素分為3 個類型：降雨作用控制型、巖石風化控制型與蒸發(fā)作用控制型[11-12]。由圖3 可知，陰離子質(zhì)量濃度比值范圍為0.197～0.785，地下水水樣分布于巖石風化和蒸發(fā)作用區(qū)間，說明試驗區(qū)內(nèi)地下水化學特征主要受巖石風化和蒸發(fā)作用影響，陽離子質(zhì)量濃度比值范圍為0.619～0.985，所有地下水水樣Na+/（Na++Ca2+）均大于0.6，使得部分水樣點位于Gibbs 圖歸類之外，說明水中Na+量過高而Ca2+量相對較低，春灌水經(jīng)過土壤層時與攜帶大量的鈉離子的土壤發(fā)生運移進入到地下水體，導致Na+的質(zhì)量濃度遠大于Ca2+的質(zhì)量濃度，其機理需要運用化學離子反應(yīng)理論進一步解析。

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

Na+與Cl-之間的關(guān)系常用于確定干旱-半干旱地區(qū)鹽分入侵的機制[13]。從圖4 可以看出，春灌后幾乎所有水樣點比值都位于1∶1 線上方，說明Na++K+在水中的量均大于Cl-，即試驗區(qū)內(nèi)地下水化學組分不僅受到蒸發(fā)鹽巖與硅酸鹽巖的溶解作用，而且受到陽離子交換作用等其他因素的影響，從而使Na++K+質(zhì)量濃度大于Cl-質(zhì)量濃度。

圖4 地下水離子關(guān)系Fig.4 Ionic relationships in groundwater

陽離子交換作用是指在一定條件下，巖石或土壤顆粒吸附地下水中某些陽離子，從而將其原來的部分陽離子轉(zhuǎn)化為地下水中的組分，γ（Na++K+-Cl-）/γ［（Ca2++Mg2+）-（SO42-+HCO3-）］可以反映陽離子交換作用強度[14]。由γ（Na++K+-Cl-）和γ［（Ca2++Mg2+）-（SO42-+HCO3-）］線性回歸分析得到式（2）：

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

通過式（2）可知γ（Na++K+-Cl-）和γ［（Ca2++Mg2+）-（SO42-+HCO3-）］體現(xiàn)出良好的負相關(guān)性，表明春灌后土壤層中大量Na+發(fā)生運移進入地下水中并與地下水中的Ca2+、Mg2+發(fā)生了陽離子交換作用使得Na+在水中大量增加，可能發(fā)生的化學過程有：

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-平均質(zhì)量濃度增加了190.45 mg/L；Ca2+平均質(zhì)量濃度增加了38.96 mg/L平均質(zhì)量濃度增大比例分別為36.43%、69.38%，原因除了碳酸鹽巖和蒸發(fā)頁巖的風化溶解之外[15]，還可能是春灌后大量的灌溉水使得試驗區(qū)布施的脫硫石膏改良劑微溶于水，導致了春灌后地下水中SO42-、Ca2+質(zhì)量濃度增加，其化學反應(yīng)式為：

在圖4（b）中，水樣γ（Ca2++Mg2+）/γ（SO42-+HCO3-）的比值均位于1∶1 等當量線以下，說明γ（SO42-+HCO3-）在水中的量均大于γ（Ca2++Mg2+），而春灌后水樣pH值＞7.4 且TDS＞600 mg/L，使得Ca2+與HCO3-生成CaCO3沉淀[16]，且春灌后地下水Na+質(zhì)量濃度與TDS增加，pH 值增大，導致堿度升高，促進白云石CaMg(CO3)2沉淀的生成，使得地下水中Ca2+、Mg2+、HCO3-質(zhì)量濃度減小，其化學反應(yīng)式為：

2.4 春灌期間地下水動態(tài)及鹽分淋洗效果影響

由于地表水入滲補給地下水時通常經(jīng)過較厚的包氣帶，故普遍存在滯后性[17-18]。選取6 組春灌前不同埋深（1.1～2.4 m）的地下水埋深數(shù)據(jù)繪制折線圖，如圖5 所示。不同井位由于春灌來水時間與當?shù)剞r(nóng)民放水時間不同，導致地下水驟變?nèi)掌谟兴煌?。由于地下水滯后性的存在，試驗區(qū)內(nèi)地下水從春灌開始到埋深上升至最淺埋深用時為10～20 d，灌溉前地下水最大埋深與最小埋深差值范圍在1.197～2.142 m 之間，地下水上升日均幅度為0.079 8～0.169 m/d。在春灌后地下水上升速度除了受地下水滯后性的影響外，還與土壤滲透性及灌溉水量有關(guān)[19]。

圖5 春灌期間地下水埋深動態(tài)變化Fig.5 Dynamic change of groundwater depth during spring irrigation

為探究春灌導致地下水變動幅度對試驗區(qū)鹽分淋洗效果的影響，通過對所有井位3－10月地下水埋深均值、春灌期間最淺埋深到春灌后取樣日期的地下水埋深差值、地下水埋深回落到春灌后取樣日期的時間、地下水埋深日均差、春灌后地下水TDS 增加值進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3 所示。

表3 春灌后試驗區(qū)水位指標相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient of water level index in test area after spring irrigation

經(jīng)統(tǒng)計，春灌期間地下水埋深回落值在0.62～1.51 m 之間，地下水TDS 增加值在-381～1 681 mg/L 之間，表2 中，春灌后TDS 增加值和地下水埋深最大回落值、埋深日均差的相關(guān)性系數(shù)分別為-0.625**、-0.583**，表現(xiàn)出較好的負相關(guān)性。原因可能是：對于埋深回落值大的區(qū)域，土壤透水性相對較好，地下水埋深回落速度快使得當?shù)剞r(nóng)民容易加大灌溉水量，地下水中鹽分被稀釋，減小了地下水TDS 增加值；對于埋深回落值小的區(qū)域，地下水埋深回落速度慢則灌水量相對小，土壤透水性相對較差，地下水在土壤表層淋洗時間更長效果更好，則地下水TDS 增加值大。

試驗區(qū)年蒸發(fā)量較大，過淺的地下水埋深會造成土壤次生鹽堿化[20]，試驗區(qū)種植作物以葵花為主，播種期在6月15日－7月1日之間。試驗區(qū)播種期與作物生育期地下水平均埋深如圖6 所示。

如圖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。播種期內(nèi)地下水埋深過低，且鹽分較大，易發(fā)生鹽分脅迫，導致出苗時間晚、生殖生長時間短，產(chǎn)量減少[21]。

圖6 播種期與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 春灌對土壤鹽分變化的影響

為了探究春灌對試驗區(qū)土壤鹽分的淋洗效果影響，計算試驗區(qū)0～20、20～60、60～100 cm 的平均土壤脫鹽率，結(jié)果如表4 所示。

表4 試驗區(qū)春灌前后電導率及平均脫鹽率Table 4 Conductivity and average desalination rate before and after spring irrigation in the experimental area

如表4 所示，試驗區(qū)0～100 cm 土壤電導率在春灌后整體呈下降趨勢，其中春灌對土壤表層0～20 cm的土壤鹽分淋洗效果最好，平均脫鹽率達到了47.11%，而春灌對更深層的土壤鹽分雖然也有淋洗效果，但隨著土壤深度的增加，土壤脫鹽效果遞減。

3 討論

3.1 春灌對地下水鹽分的影響

本試驗中春灌前后地下水中TDS 平均差值為444.78 mg/L，春灌后地下水TDS 增加15.6%，相比于侯凱旋等[8]的研究結(jié)論，春灌后地下水TDS 的增加率較小，原因是本次試驗取樣時間間隔短，地下水埋深還在回落中，對土壤鹽分的淋洗還未充分且地下水埋深相對較淺，多出來的水分稀釋了取樣時的TDS。而春灌后的地下水pH 值較春灌前略微減小，原因是地下水中HCO3-、CO32-質(zhì)量濃度減小而SO42-質(zhì)量濃度增加的結(jié)果，這種現(xiàn)象也導致了試驗區(qū)地下水主要化學類型由Na-Mg-Cl-SO4-HCO3型和Na-Cl-SO4-HCO3型向Na-Cl-SO4型轉(zhuǎn)變，同時，由于Ca2+的增加，出現(xiàn)了Na-Mg-Ca-Cl-SO4-HCO3、Na-Ca-Cl-SO4-HCO3、Na-Ca-Cl-SO4型水，雖然占比很小，但卻豐富了試驗區(qū)的地下水化學類型。

3.2 春灌對地下水組分控制的影響

試驗區(qū)地處西北，降雨量稀少，水樣TDS 較大，地下水組分基本不受降水影響，主要受巖石風化及蒸發(fā)作用的影響，這與崔佳琪等[14]的研究基本一致，不同之處在于地下水中Na+/（Na++Ca2+）過高，使得部分水樣點既不屬于巖石風化型也不屬于蒸發(fā)控制型，說明陽離子的交換作用也是影響春灌后地下水組分的重要因素。

3.3 春灌對地下水埋深的影響

張義強等[22]研究發(fā)現(xiàn)河套灌區(qū)葵花適宜地下水控制深度為2.0～2.5 m 之間，此時作物長勢、產(chǎn)量較好，作物水分利用效率大，可以達到節(jié)水灌溉的效果。試驗區(qū)地下水平均埋深在8月上中旬以前一直小于2 m（圖6），此時土壤含水率大，作物補水量多，但是作物水分利用效率低，巨大的無效蒸發(fā)會導致土壤返鹽，不利于作物生長和土壤質(zhì)量的維持和提升，故試驗區(qū)春灌水量可適當減小，形成更合理的灌溉制度，達到節(jié)水灌溉和提高作物水分利用效率的目的。

3.4 春灌對土壤鹽分的影響

試驗區(qū)土壤鹽分在春灌后雖然整體呈下降趨勢，但對于20～60、60～100 cm 土壤，淋洗效果較差，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是試驗區(qū)蒸發(fā)強烈，且春灌后的地下水埋深居高不下，隨著氣溫升高，春灌對土壤鹽分的淋洗效果變?nèi)?，土壤反鹽現(xiàn)象出現(xiàn)，故試驗區(qū)宜結(jié)合暗管排水等方式，加大灌溉后的排水力度，以達到理想的排水排鹽的效果。

4 結(jié)論

1）春灌后，地下水TDS 整體增大，平均增加率為15.6%，影響地下水組分的主要因素除了巖石風化作用和蒸發(fā)結(jié)晶作用外，陽離子交換作用的影響亦較顯著。Cl-、K++Na+質(zhì)量濃度均值最大，是陰陽離子中的優(yōu)勢離子，且Cl-、K++Na+的變異系數(shù)大，具有較高的空間變異性，是隨環(huán)境因素變化的敏感因子，也是決定地下水鹽化的主要變量。

2 ） 春灌后地下水的主要化學類型為Na-Mg-Cl-SO4-HCO3、Na-Cl-SO4-HCO3、Na-Mg-Cl-SO4、Na-Cl-SO4，由于試驗區(qū)施加脫硫石膏進行鹽堿改良，導致地下水中Ca2+、SO42-增加，區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了少部分Na-Mg-Ca-Cl-SO4-HCO3、 Na-Ca-Cl-SO4-HCO3、Na-Ca-Cl-SO4型水。

3）不同地塊由于灌溉水量不同與土壤質(zhì)地引起的滲透性差異，導致整個試驗區(qū)內(nèi)地下水從春灌開始到埋深上升至最淺埋深用時為10～20 d，灌溉前后地下水埋深差值范圍在1.197～2.142 m 之間，地下水上升日均幅度為0.079 8～0.169 m/d。

4）對于試驗區(qū)主要種植作物為葵花，6—8月地下水埋深過淺，作物水分利用效率低下且易發(fā)生鹽分脅迫導致作物減產(chǎn)，試驗區(qū)宜適當減小春灌水量或加大排水力度以達到理想地下水埋深。