水矿化度对根层盐分的影响

中国北方有较为丰富的地下微咸水资源，约200亿 m3／a，其中可开采量为130亿 m3／a，绝大部分存在于地下10～100 m 处［1］，主要分布在北方干旱半干旱的华北、西 北地 区，其 中，华 北平原 可 开 采 量 达69亿 m3／a，占可开采总量的53％，西北地区可开采量达52亿 m3／a，占可开采总量的40％［2］。研究表明，微咸水灌溉可提供作物生长所必需的水分，保证作物的产量。但在北方干旱半干旱地区，蒸发量远大于降雨量，长期不合理的微咸水灌溉，会增加土壤和地下水中的盐分，不仅导致土壤次生盐渍化的发展和降低作物的产量，而且也将恶化农业生态环境，阻碍农业的可持续发展。在以色列、美国、意大利等国家，微咸水利用技术日臻完善。Chauhan［3］研究表明，除播种前，5g／L的地下咸水可用于对小麦的补充灌溉，产量不受影响；Sharma［4］研究了矿化度为 6．4～9．6g／L 的咸水和0．3g／L 的淡水以不同方式组合灌溉对小麦及土壤的影响，1次淡水3次咸水和4次咸水灌溉的产量较低，分别为全部淡水灌溉的83％和74％，土壤经过雨季淋洗盐分后可持续利用；近几十年来，国内专家对微咸水的利用也进行了多方面的试验研究，苏莹［5］通过微咸水室内一维土柱垂直入渗试验，研究了钠吸附比相同条件下，矿化度指标对土壤水盐运移特征的影响，结果表明土壤含盐量随入渗水矿化度的增加明显增大，矿化度大于3g／L时，土壤基本处于积盐状态；吴忠东［6］通过中科院南皮生态试验站的冬小麦田间微咸水和淡水组合灌溉和混合灌溉试验，指出3g／L的微咸水可以作为冬小麦的灌溉用水，但连续使用会导致土壤积盐，而高于3g／L的微咸水进行农田灌溉时，则必须采取淡水压盐、咸淡轮灌等措施来保持土体盐分平衡。已有的研究成果多基于实验室和田间小区试验，而在区域尺度上综合考虑地下水影响的微咸水灌溉利用还缺乏深入的研究。为了解区域尺度上不同灌溉水矿化度对土壤盐分平衡的影响，以内蒙古河套灌区沙壕渠灌域为例，运用SALTMOD模型评价区域尺度上灌溉水矿化度对土壤盐分的影响，以期为缓解灌区水资源危机和合理的水管理提供科学依据。

1　模型简介

SALTMOD模型是荷兰土地开垦和改良国际研究所（ILRI）的 Oosterbaan教授等［7］以水盐均衡原理为基础开发的，主要用来模拟和预测土壤水、地下水和排水的盐分，地下水埋深，排水量及排水矿化度等，适用于灌溉农业或非灌溉农业，干旱作物或稻田等不同的农业类型，还可以模拟农民对渍害、土壤盐分、缺水等的反应。该模型已成功应用于土耳其的Harran平原［8］以及印度 Andhra　Pradesh的沿岸平原［9］。SALTMOD模型以水量平衡和盐分平衡原理为基础，主要输入参数包括气象、土壤、作物、地下水、灌溉以及排水的再利用等；主要输出数据包括土壤盐分、排水和地下水的矿化度、地下水埋深、排水量等。根据当地的气候条件、作物生长等，SALTMOD模型可以分1～4个模拟季节，并将土壤垂直方向的水盐平衡分为4层：地表、根层、过渡层和含水层，每一层的水量平衡和盐分平衡均以季节性数据输入，并假设所有因素在研究区内均匀分布。模型本身也存在一些缺陷，如在灌溉水矿化度输入方面不灵活，只能设定一个矿化度值，不能区分每次或每个季节的灌溉水矿化度，因此，在模拟研究微咸水和淡水交替灌溉方面受到局限。

2　研究区概况

内蒙古河套灌区40m 以内地下水水质小于3g／L的面积占总面积的71．3％，大于3g／L的面积占总面积的28．7％；灌溉期间，特别是冬灌期，灌区下游排水干沟内蓄积大量高矿化度排泄水。在长胜试验站和沙壕渠试验站都曾进行过微咸水灌溉试验研究，研究表明，在河套灌区实行微咸水灌溉是完全可能的［10］。研究区沙壕渠灌域位于内蒙古河套灌区西北部解放闸灌域中东部，南北平均长为15km，东西平均宽约4．0km，总控制面积4．93×103　hm2，其中农田灌溉面积3．55×103　hm2。研究区地处干旱、半干旱地带，大陆性气候特征，冬季严寒少雪，夏季高温干旱；年均降雨量为140mm，年内降水分配不均，主要集中在6—9月，占全年降水量的60％～80％；年均蒸发量为1　970mm；年均气温8．4℃；年均日照时数3　094h。轻盐碱土与中盐碱土占土壤总面积的75％左右，重盐碱土占25％左右，中下游盐分较重。研究区地表水源主要来自引黄的灌溉水，潜水补给来源主要是田间灌溉水的入渗补给、各级渠道的渗漏及部分降雨补给，消耗主要是作物蒸腾和潜水蒸发，以垂直运动为主，地下水侧向径流十分微弱，是灌溉入渗和垂向蒸发排泄为主的平原灌区。灌域地下水平均埋深在1．6～2．0m。灌域主要粮食作物有小麦和玉米，经济作物有葵花、瓜果、蔬菜等，种植方式以小麦套葵花和小麦套玉米为主。

3　模拟结果与分析

3．1　模型基础资料

选择沙壕渠灌域2008—2010年的观测数据对模型进行率定和验证。实测的渠首引水量、年降水量、灌域内18个土壤监测点0～60cm 根层土壤盐分（以土壤饱和浸提液电导率ECe表示）和地下水矿化度如表1所示。将1年分为3个模拟时期，即生育期（5—9月）、冬灌期（10—11月）和非生育期（12月—次年4月），各时期的气象、土壤盐分、灌水量等模型基础数据采用实际观测值。　沙壕渠灌域的渠系水利用系数取为0．7，2008—2010年的渠道渗漏量分别为1　100、1　280、1210万 m3。扣除渠道渗漏量后，2008—2010年末级渠道放水量对应的生育期灌溉定额分别为3　830、4　480、4　200m3／hm2；冬灌灌溉定额分别为3　440、3　920、3　780m3／hm2，作为模型验证时进入田间的灌水量输入值，情景方案中拟定的灌溉定额均指末级渠道放水量对应的灌溉定额。模型应用时，灌水量输入值取2008—2010年的平均值作为现状值，生育期灌溉定额和冬灌灌溉定额分别为4　170、3　713m3／hm2；降水取多年降水量的平均值140mm；初始地下水埋深1．8m；排水沟深1．5m；灌溉水矿化度0．5g／L；根层深度取0．6m。

3．2　模型率定和验证

由于沙壕渠灌域与解放闸灌域的种植结构、灌水模式、排水系统相近，部分欠缺资料参照解放闸灌域2008—2010年的排水矿化度和排引比资料，结合沙壕渠灌域2008—2010年的渠首引水量、0～60cm 根层土壤盐分等资料，对SALTMOD模型进行率定和验证。以2008—2009年数据对模型进行率定，2010年数据对模型进行验证。

3．2．1　自然排水量

自然排水量Gn＝G0－Gi，定义为水平流出研究区的地下水量（G0，m3／（季•m2））与进入研究区的地下水量（Gi）的差值，确定此值时，可将进入量Gi设为0，任意改变流出量的值，根据模拟的排水量，与实测值比较，确定研究区自然排水量Gn的值。考虑到研究区位于平原区，地下水流动缓慢，水力坡度较小，进出量差别不大，因此率定中G0取较小的值，在相对误差相近时取较小的自然排水量的值，率定结果如表2所示，取：Gn1＝0．04m3／（季•m2），Gn2＝0．02m3／（季•m2），Gn3＝0．04m3／（季•m2），其中Gn1、Gn2、Gn3分别代表第第二、第三季节的自然排水量。

3．2．2　根层淋洗率

根层淋洗率（Flr）定义为根层渗漏水的盐分质量浓度与饱和土壤水的平均盐分质量浓度的比值，Flr可取0～1范围内的任何值，取不同的根层淋洗率值，模拟计算根层土壤盐分，将根层土壤盐分模拟值与实测值进行比较，吻合最好的淋洗率即为实际的淋洗率。取Flr＝0．2，0．4，0．6，0．8，1．0。率定结果如图1所示，根据实测值和模拟结果的对比，实测值在淋洗率0．8和1．0之间，较接近0．8，取Flr＝0．8、0．85和0．9，确定根层淋洗率的值，模拟计算得出淋洗率为0．85的平均相对误差最小，取Flr＝0．85。

3．2．3　过渡层淋洗率

过渡层淋洗率（Flx）定义为过渡层渗漏水的盐分质量浓度与饱和土壤水的平均盐分质量浓度的比值，Flx可取0～1范围内的任何值，取不同的过渡层淋洗率值，模拟计算排水矿化度，将排水矿化度的模拟值与实测值进行比较，吻合最好的淋洗率即为实际的淋洗率。取Flx＝0．2，0．4，0．6，0．8，1．0，如表3所示，实测值在淋洗率0．6和0．8之间，取Flx＝0．65、0．7和0．75确定过渡层淋洗率的值，模拟计算得出淋洗率为0．7的平均相对误差最小，取Flx＝0．7。

3．2．4　模型验证

根据沙壕渠巴74井、D井和E井多年地下水埋深观测资料知，灌溉期地下水埋深在1．0～2．0m 之间，非灌溉期地下水埋深在1．7～2．7m 之间。SALTMOD模型模拟的沙壕渠灌域生育期地下水埋深在1．55～1．65m 之间，非生育期地下水埋深在1．80～1．95m 之间，结果基本满足要求。通过验证，SALTMOD模型可用于对沙壕渠灌域根层土壤盐分、地下水埋深以及排水的预测。表4给出了0～60cm 土壤盐分、排水量和排水矿化度的模拟值与实测值。可以看出，三者的模拟值与实测值比较吻合，相对误差均在10％以内。

3．3　结果分析

3．3．1　不同灌溉水矿化度对根层土壤盐分的影响

拟定5种不同的灌溉水矿化度为1．0、1．5、2．0、2．5、3．0g／L，灌溉定额与现状相同，模拟不同灌溉水矿化度对根层土壤盐分的影响。以生育期结束后的根层土壤盐分为例，如图2所示。由图2可以看出，根层土壤盐分随灌溉水矿化度的增大而增大，灌溉带入的盐分大于排水排出的盐分，盐分迅速积累，模拟结束后，根层土壤盐分均呈上升趋势，灌溉水矿化度为3．0g／L 的盐分增加最大，为168％，灌溉水矿化度最小的1g／L的盐分也增加45％。不同灌水水质的根层土壤盐分最初的增长幅度较大，而矿化度为3．0g／L条件下较其他条件大，盐分增加的趋势随时间逐渐降低。由此可见，采用地表微咸水灌溉，如果采用矿化度较高的排水灌溉，不仅增加土壤盐分、破坏土壤结构，还将影响作物产量，因此在浅埋地下水的沙壕渠灌域，不适合直接用高矿化度的地表水灌溉作物。

3．3．2　地下微咸水与淡水混合灌溉对根层盐分的影响

沙壕渠灌域地下水矿化度为2～3g／L，据2008—2010年的实测值，设为2．3g／L，黄河水矿化度为0．5g／L，采用地下微咸水和黄河水混合灌溉，拟定地下水（S）、黄河水（F）混合的比例为1∶3、1∶2、1∶1、1．5∶1，混合后的矿化度分别为0．95、1．1、1．4、1．58g／L，灌溉定额保持现状不变，模拟地下微咸水与黄河水混合灌溉对根层土壤盐分的影响。如图3，以生育期结束根层土壤盐分（图3（a））和生育期地下水埋深（图3（b））为例，采用地下微咸水和黄河水混合灌溉，在拟定的咸淡水比例范围内，根层土壤均处于脱盐状态，脱盐率为14％～23％，而全部采用黄河水灌溉的脱盐率为4％，抽取地下微咸水与黄河水混合灌溉的脱盐率相对更大，对控制土壤盐分更有效，可能原因是抽取地下微咸水灌溉降低了地下水位，地下微咸水和黄河水混合灌溉的生育期地下水埋深大于2m，而引黄河水灌溉的地下水埋深为1．55m，从而减少了因潜水蒸发而上升的盐分，降低了根层土壤盐分。由于抽取地下微咸水混合淡水灌溉后的地下水埋深加大，地下水盐向地表积聚微弱，而灌溉带入的盐分占主导地位，导致地下微咸水所占比例越大，根层盐分越高。当地下微咸水和黄河水混合比为1∶1左右时，作物生育期地下水埋深基本达到平衡，混合比为1．5∶1的地下水埋深呈逐年增大的趋势，原因是开采的地下水较多，地下水埋深加大，田间灌溉水的渗入和各级渠道的渗漏补给也减小。由此可见，适度开采地下微咸水，不仅可以缓解水资源紧缺程度，而且达到控制地下水位和减少地下水盐向表土的积聚；而过量开采地下微咸水灌溉，不仅加重土壤盐渍化，而且地下水位持续下降，严重时可能导致一些地质环境问题。

3．3．3　缓解高矿化度灌溉水对土壤积盐影响的措施

为了保证土壤盐分平衡以及农业的可持续发展，以灌溉水矿化度2．0g／L为例，分析缓解微咸水灌溉对土壤积盐影响的措施。

1）加大排水沟深度

拟定5种不同的排水沟深为1．5、1．8、2．0、2．5、3．0m，灌水量与现状相同，应用SALTMOD模型模拟预测10年内不同的排水沟深对根层土壤盐分的影响。如图4，以生育期结束后的根层土壤盐分为例，根层土壤盐分随排水沟的加深而降低，模拟结束后，排水沟深1．5m 的根层土壤盐分增加最快，为113％，排水沟深3．0m 的根层土壤盐分基本保持不变。加大排水沟深度，增大了排水排盐的能力，从而可有效控制根层土壤盐分的增加。

2）渠道衬砌

沙壕渠灌域现有的渠系水利用系数为η＝0．7，拟定不同渠道衬砌水平，渠系水利用系数为0．7、0．75、0．80，现有的灌溉定额和排水条件不变，应用SALTMOD 模型模拟预测渠道衬砌对根层土壤盐分的影响。以生育期结束后的根层土壤盐分为例（图5），渠道衬砌后的根层土壤盐分明显低于现状，渠道衬砌水平越高的根层土壤盐分越小，模拟结束后，现状渠系水利用系数的根层土壤盐分增加113％，渠系水利用系数为0．8的根层土壤盐分增加最慢，为84％。在灌溉定额不变的条件下，渠道衬砌减少了渗漏量，通过控制地下水位，有效地降低了土壤盐分，而且节约了灌水量。

4　结　论

经过率定和验证，SALTMOD模型能反映实际情况，可以用来对河套灌区沙壕渠灌域的土壤盐分、地下水埋深、排水量以及排水矿化度等进行模拟预测。运用SALTMOD模型探讨了区域尺度上灌溉水矿化度对土壤盐分的影响。结果表明，现有的灌排条件下，根层土壤盐分随灌溉水矿化度的增大而增大，加大排水沟深度和提高渠道衬砌水平，可有效缓解高矿化度灌溉水对土壤积盐的影响；而开采地下微咸水和黄河水混合灌溉，可有效控制盐渍化的发展，混合比在1∶1范围内，根层土壤处于脱盐状态，最高脱盐23％，脱盐率高于全部引用黄河水灌溉的情况；混合比高于1∶1，地下水埋深呈直线增加的趋势，不利于保持区域生态环境良性循环。沙壕渠灌域采用地下微咸水和淡水混合灌溉的混合比建议控制在1∶1内，即混合后的灌水矿化度为1．4g／L，既能控制地下水位和盐渍化的发展，又节约了淡水资源。