0 引言
【研究意义】土壤含盐量过高会抑制或遏制作物生长,尤其在干旱或半干旱灌溉农业区域,较高的蒸腾拉力驱使土壤可溶性盐分在根层土壤大量累积[1],导致根层土壤盐分浓度高于正常浓度,对作物产量造成严重威胁[2]。根据《全国农业可持续发展规划（2015—2030）》中的区域布局,黄淮海平原是中国重要农业优化发展区之一,但其资源环境承载力与规划要求并不相适应。从上世纪五十年代开始,中国众多专家****开展了卓有成效的工作,支撑了黄淮海平原旱涝盐碱综合治理、农业增效、农民增收[3]。早期有关黄淮海平原水分均衡估算结果表明,水分支出的25.7%为入海量,绝大部分是以蒸散的形式排出区外,假定雨水和引黄水含盐量分别为0.04‰、0.4‰,每年有近0.4亿吨盐累积在黄淮海平原中[4-5],华北地区是中国高度集约化农区和重要粮食主产区,近年来该地区农业用水比重逐年下降,尤其是农业用水被挤占严重,供需缺口已经超过100亿m3[6]。以人民胜利渠灌区为例,降水量3年滑动平均值回归分析表明区域降水量以2.92 mm·a-1速度减少,近5年灌区农业用水量仅占多年灌区农业用水量的75%左右[7],特别是春冬季节降水频率有增加而夏秋季节降水频率在下降[8],加剧了土壤次生盐渍化的形成[9],因此华北典型井渠结合灌区维持区域水盐均衡对于农业可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】前人有关井渠结合灌区用水模式研究主要集中在灌区水资源高效利用模式[10-12]、渠井用水比例对地下水位影响的模拟[13]、灌区地下水环境对作物生长的影响[14]、井渠联合利用的灌溉环境效应[15]、灌区节水改造对农田水环境影响评价[16]、井渠结合灌区用水强度与地下水承载力评价[17]、灌溉对地下水化学特征影响[18]等方面,以上有关研究结果表明,不同井渠结合灌区用水模式对于区域农业水资源时空配置和粮食安全具有重要意义,值得注意的是,不适宜的井渠结合灌区用水模式可能导致耕层土壤积盐、区域地下水环境恶化等问题。【本研究切入点】有关井渠结合灌区水资源配置的研究仍局限于农业水资源利用效率、粮食产量和地下水承载力等方面,而对区域土壤、地下水环境影响如何,尤其是气候变化和流域闭合等背景下[19],渠井用水比例对区域土壤-地下水系统环境效应的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究通过对人民胜利渠灌区典型区域土壤盐分洗脱特征、地下水环境变化特征的分析,研究不同渠井用水比例对灌区土壤-地下水系统生态环境的影响,探讨根层盐分洗脱特征以及地下水化学特征变化与渠井用水比例的关系,从而为华北平原井渠结合灌区适宜用水模式的构建提供理论依据。1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区为人民胜利渠西三干渠控制范围内（35°8′19″—35°11′32″N、113°43′1″—113°44′12″E,海拔77—81 m）,属暖温带大陆性季风型气候区,年平均气温14.5℃,最高41℃,最低-16℃;无霜期210 d左右,早霜多出现在10月下旬,晚霜出现在3月中下旬;多年平均水面蒸发量1 860 mm左右,降雨量不足600 mm,雨量少且在年内分布不均,6—9月份的降雨量占全年降雨量的70%—80%。该区域为典型井渠结合灌区、渠井设施配套良好,区域内作物种植模式、用水方式、用水水平基本一致,作物种植模式为冬小麦-夏玉米轮作。1.2 试验布置
西三干渠灌溉农田面积总计800 hm2,西三干渠控制范围内包括三条支渠,其中一支渠、二支渠、三支渠农田灌溉面积分别为300.0、213.3、286.7 hm2。西三干渠渠系工程、地下水监测点及土壤监测点布置详见图1。2013—2015年,用水方式详见表1。引黄水全盐量为390—452 mg·L-1,地下水全盐量为762—1 464 mg·L-1。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1西三干渠灌溉渠系工程及土壤、地下水监测点布置图
-->Fig. 1The layout of western 3rd main canal in the Renmin Shengli Canal irrigation district
-->
Table 1
表1
表12013—2015年不同支渠控制范围引黄水、地下水灌溉量
Table 1Irrigation amounts from surface water and groundwater for branch canal areas in 2013-2015
| 年份 Year | 一支渠 1st branch canal | 二支渠 2nd branch canal | 三支渠 3rd branch canal | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 引黄水 SWIM (×104 m3) | 地下水 GWIM (×104 m3) | 用水比例 CWWR | 引黄水 SWIM (×104 m3) | 地下水 GWIM (×104 m3) | 用水比例 CWWR | 引黄水 SWIM (×104 m3) | 地下水 GWIM (×104 m3) | 用水比例 CWWR | |
| 2013 | 207.87 | 201.67 | 1.03 | 208.44 | 79.11 | 2.63 | 213.69 | 169.01 | 1.26 |
| 2014 | 140.11 | 161.33 | 0.87 | 158.06 | 63.29 | 2.50 | 129.83 | 135.21 | 0.96 |
| 2015 | 128.08 | 177.00 | 0.72 | 181.13 | 70.40 | 2.57 | 121.33 | 186.33 | 0.65 |
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1.3 土壤采集和分析
2013—2015年均选择在冬小麦苗期（10月15日左右）取样,土壤监测点布置详见图1。每个监测点取样深度分别为0—10、10—20、20—30、30—40、40—60、60—80、80—100 cm,采用5点取样法进行取样,样品采集后混合均匀,风干后保存。土壤中全盐量采用电导法测定[20],测定其土水质量比1﹕5 浸提液电导率值（DDS-307型,上海雷磁）。1.4 地下水取样和分析
典型区地下水矿化度监测于每月20日进行,地下水监测点布置详见图1。采用定深取样器（Solinst 425,Solinst,Canada）现场采集地下水样品,每个监测点每次采集样品1 000 mL,样品采集后及时送检。pH采用便携式pH计法测定（PHSJ-5,雷磁,上海）,水溶性盐总量采用电导法测定（DDS-307,雷磁,上海）,K+、Na+、Ca2+、Mg2+浓度采用原子吸收法测定（AA-7000,SHIMADZU,Japan）,CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-浓度采用离子色谱法测定（ICS-1500,Dionex,USA）。1.5 参数计算
式中,DR（desalination rate,%）为土壤脱盐率[21];NthSS为第N年冬小麦苗期土壤含盐量;(N+1)thSS为第（N+1）年冬小麦苗期土壤含盐量。
2 结果
2.1 降水及灌溉特征
2013—2015年典型区域降水及灌溉特征详见图2。区域多年平均降水量为574.0 mm,2013—2015年全年降水量分别为466.9、558.5、569.6 mm,其中主汛期降水量（7—9月）分别占全年降水量的67.08%、73.36%、51.47%;降水量按季节划分[22],2015年典型区春季降水量135.0 mm,较多年均值增加了20.11%;夏季降水量306.2 mm,较多年均值减少了10.57%;秋季降水量111.0 mm,较多年均值增加了10.89%;冬季降水量17.4 mm,较多年均值减少了8.90%。灌溉特征表现为：2013年灌水2次,灌溉时间为冬小麦返青期和冬小麦苗期,灌水量分别为22.2、58.2 mm;2014年灌水2次,灌溉时间为冬小麦返青期和夏玉米苗期,灌水量分别为47.6、59.8 mm;2015年灌水3次,灌溉时间为冬小麦返青期、夏玉米苗期和冬小麦苗期,灌水量分别为28.3、68.2、20.3 mm。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图22013—2015年月降水量与灌溉量分布特征
-->Fig. 2Distribution of monthly precipitation and irrigation amounts from 2013 to 2015
-->
2.2 不同渠井用水比例下根层土壤盐分垂向分布特征
人民胜利渠灌区典型区域不同支渠控制范围冬小麦苗期根层土壤盐分垂向分布详见图3。2013—2015年冬小麦苗期,20—40 cm土层土壤含盐量最低,0—10 cm表层土壤均出现不同程度集盐,盐分运动处于上升状态,属于表聚型盐分剖面,表层土壤含盐量介于0.2839—0.4129 mS·cm-1。2014年一支渠苗期不同土层土壤盐分均低于2013年同期,降幅介于9.04%—26.18%;2014年二支渠苗期0—10、10—20、20—30、30—40、40—60、60—80、80—100 cm土层土壤盐分均低于2013年同期,降幅介于9.78%—33.28%;2014年三支渠苗期0—10、10—20、20—30、30—40、40—60、60—80、80—100 cm土层土壤盐分均低于2013年同期,降幅介于4.56%—36.35%。2015年一支渠苗期0—10、10—20、30—40、80—100 cm土层土壤盐分低于2013年同期,降幅介于1.05%—31.26%;2015年二支渠苗期0—10、10—20、80—100 cm土层土壤盐分低于2013年同期,降幅介于8.34%—27.18%;2015年三支渠苗期0—10、10—20、80—100 cm土层土壤盐分低于2013年同期,降幅介于9.72%—18.06%。从土壤盐分垂向分布特征来看,2013—2015年冬小麦苗期根 层土壤盐分垂向分布规律基本一致,即根层土壤盐分随土层深度增加呈先降低后升高趋势,20—30 cm土层土壤含盐量最低。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图32013—2015年不同支渠控制范围根层土壤盐分垂向分布
-->Fig. 3Soil salinity dynamics with soil depth in branch canals irrigation area from 2013 to 2015
-->
2.3 不同渠井用水比例根层土壤盐分空间变化特征
典型区域2013—2015年冬小麦苗期0—20 cm耕层土壤盐分空间分布详见图4。2013—2015年0—20 cm根层土壤盐分均值分别为0.3456、0.2820、0.2991 mS·cm-1,0—20 cm根层土壤盐分均值标准偏差分别为0.071、0.058、0.029。2013年冬小麦苗期一支渠、二支渠、三支渠控制范围内0—20 cm根层土壤盐分均值大于0.32 mS·cm-1（折合土壤含盐量1.50 g·kg-1 [23]）面积分别占到控制范围的60.38%、59.61%、84.40%;2014年同期一支渠、二支渠、三支渠控制范围内0—20 cm根层土壤盐分均值大于0.32 mS·cm-1面积分别占到控制范围的25.99%、0.94%、41.87%,分别较2013年减少了56.95%、98.42%、50.39%;2015年同期一支渠、二支渠、三支渠控制范围内0—20 cm根层土壤盐分均值大于0.32 mS·cm-1面积分别占到控制范围的41.16%、8.81%、52.49%,分别较2013年减少了31.83%、85.22%、37.81%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4典型区域0—20 cm耕层土壤盐分均值空间分布
-->Fig. 4Distribution of average soil salinity of 0 to 20 cm soil layer in research areas from 2013 to 2015
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图52013—2015年不同渠井用水比例典型区域地下水水化学特征年内变化
-->Fig. 5Dynamics of groundwater hydrochemistry of typical area under CWW ratios from 2013 to 2015
-->
2.4 不同渠井用水比例对根层土壤洗脱影响
不同用水模式下不同土层年际洗脱效果差异较大（表2）。2014年冬小麦苗期一支渠、二支渠、三支渠控制范围0—10、10—20、20—30、30—40、40—60、60—80、80—100 cm土层土壤含盐量较2013年同期均有所降低,脱盐率介于9.04%—36.35%,2015年冬小麦苗期一支渠、二支渠、三支渠控制范围10—20、20—30、30—40、40—60、60—80、80—100 cm土层土壤含盐量较2014年同期均有所增加,积盐率达到1.53%—41.13%,但2015年冬小麦苗期一支渠、二支渠、三支渠控制范围0—10 cm土层土壤含盐量较2014年同期均有所降低;从2013—2015年不同用水模式土壤盐分洗脱效果来看,2015年冬小麦苗期一支渠、二支渠、三支渠控制范围0—10、10—20、80—100 cm土层土壤含盐量较2013年同期均有所降低,特别是二支渠控制范围内0—20 cm土壤脱盐效果最为明显,达到23.15%,分别较一支渠、三支渠控制范围土壤脱盐率增加73.65%、57.86%,而2015年20—30、30—40、40—60、60—80 cm土层土壤含盐量较2013年同期均有所增加,其中二支渠控制范围内20—80 cm土壤积盐率分别较一支渠、三支渠降低19.30%、60.99%。Table 2
表2
表2不同土层盐分含量变化与脱盐率
Table 2Salinity and salinity desalination rate in different soil layers
| 土层 Soil layer (cm) | 控制范围 Control area of branch canal | 2013—2014 | 2014—2015 | 2013—2015年脱盐率 Desalination rate in 2013-2015 (%) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 初始盐分 Initial soil salinity (mS·cm-1) | 结束盐分 Final soil salinity (mS·cm-1) | 脱盐率 Desalination rate (%) | 初始盐分 Initial soil salinity (mS·cm-1) | 结束盐分 Final soil salinity (mS·cm-1) | 脱盐率 Desalination rate (%) | |||
| 0-10 | 一支渠 1st branch canal | 0.4129 | 0.3535 | 14.40 | 0.3535 | 0.3459 | 2.15 | 16.24 |
| 二支渠 2nd branch canal | 0.4034 | 0.3308 | 17.99 | 0.3308 | 0.2938 | 11.20 | 27.18 | |
| 三支渠 3rd branch canal | 0.4111 | 0.3375 | 17.90 | 0.3375 | 0.3368 | 0.20 | 18.06 | |
| 10-20 | 一支渠 1st branch canal | 0.3114 | 0.2578 | 17.21 | 0.2578 | 0.2819 | -9.34 | 9.48 |
| 二支渠 2nd branch canal | 0.3034 | 0.2024 | 33.28 | 0.2024 | 0.2494 | -23.21 | 17.80 | |
| 三支渠 3rd branch canal | 0.3111 | 0.1980 | 36.35 | 0.1980 | 0.2794 | -41.13 | 10.18 | |
| 20-30 | 一支渠 1st branch canal | 0.2194 | 0.1996 | 9.04 | 0.1996 | 0.2316 | -16.04 | -5.55 |
| 二支渠 2nd branch canal | 0.2034 | 0.1835 | 9.78 | 0.1835 | 0.2107 | -14.81 | -3.59 | |
| 三支渠 3rd branch canal | 0.2111 | 0.1843 | 12.66 | 0.1843 | 0.2485 | -34.82 | -17.75 | |
| 30-40 | 一支渠 1st branch canal | 0.2178 | 0.1895 | 12.98 | 0.1895 | 0.2245 | -18.46 | -3.09 |
| 二支渠 2nd branch canal | 0.2162 | 0.1938 | 10.33 | 0.1938 | 0.2206 | -13.80 | -2.05 | |
| 三支渠 3rd branch canal | 0.2122 | 0.2025 | 4.56 | 0.2025 | 0.2472 | -22.09 | -16.53 | |
| 40-60 | 一支渠 1st branch canal | 0.2399 | 0.1771 | 26.18 | 0.1771 | 0.2484 | -40.30 | -3.58 |
| 二支渠 2nd branch canal | 0.2392 | 0.1989 | 16.83 | 0.1989 | 0.2513 | -26.33 | -5.07 | |
| 三支渠 3rd branch canal | 0.2512 | 0.2043 | 18.68 | 0.2043 | 0.2682 | -31.27 | -6.74 | |
| 60-80 | 一支渠 1st branch canal | 0.2569 | 0.1950 | 24.09 | 0.1950 | 0.2746 | -40.83 | -6.90 |
| 二支渠 2nd branch canal | 0.2452 | 0.2070 | 15.57 | 0.2070 | 0.2542 | -22.80 | -3.67 | |
| 三支渠 3rd branch canal | 0.2633 | 0.2055 | 21.95 | 0.2055 | 0.2784 | -35.49 | -5.76 | |
| 80-100 | 一支渠 1st branch canal | 0.2737 | 0.2144 | 21.67 | 0.2144 | 0.2709 | -26.32 | 1.05 |
| 二支渠 2nd branch canal | 0.2868 | 0.2117 | 26.20 | 0.2117 | 0.2629 | -24.19 | 8.34 | |
| 三支渠 3rd branch canal | 0.2819 | 0.2213 | 21.49 | 0.2213 | 0.2545 | -14.99 | 9.72 | |
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2.5 不同用水模式对区域地下水环境影响
典型区域不同时期地下水化学变化特征详见图5。由Piper三线图及水文化学相的分类,2013—2015年不同用水模式下典型区域地下水水化学特征变化趋势基本一致,即枯水期（12—2月）,地下水阳离子化学类型为钙、钠型,平水期（3—5月、10—11月）,地下水阳离子化学类型为钠、钙型,丰水期（6—9月）,地下水阳离子化学类型为钙、钠型;典型区域地下水化学变化特征变化表明,地下水中阳离子由枯水期钙钠型转化为平水期的钠钙型,平水期地下水水文化学相具有强烈的碱化趋势,这主要因为平水期潜水蒸发和地下水开采共同作用导致潜水被浓缩[24-25]。对比相同支渠控制范围同时期不同年份地下水水文化学相（表3）,2015年枯水期一支渠、二支渠、三支渠控制范围地下水溶解性总固体分别较2014年同期增加了30.28%、21.83%、33.95%;2015年平水期一支渠、二支渠、三支渠控制范围地下水溶解性总固体分别较2014年同期增加了13.35%、27.88%、5.17%;2015年丰水期一支渠、二支渠、三支渠控制范围地下水溶解性总固体分别较2014年同期增加了0.81%、18.29%、16.43%,表明2015年区域地下水溶解性总固体较2014年增幅明显,特别是平水期二支渠地下水溶解性总固体增幅分别为一支渠、三支渠的1.23、3.48倍,表明较大的比例地表水灌溉驱动了根层土壤盐分洗脱,导致了地下水中可溶性盐分浓度增加。Table 3
表3
表3不同支渠控制范围内地下水水化学特征动态
Table 3Annual dynamics of groundwater hydrochemical characteristics of a typical branch canal irrigation area
| 年份 Year | 灌溉范围 Irrigation area | 时期 Water period | Ca2+ (mg·L-1) | Mg2+ (mg·L-1) | Na+ (mg·L-1) | K+ (mg·L-1) | CO32- (mg·L-1) | HCO3- (mg·L-1) | Cl- (mg·L-1) | SO42- (mg·L-1) | 总可溶性固体 TDS (mg·L-1) | 钠吸附比 SAR |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2014 | 一支渠 1st branch canal | 枯水期 Dry period | 112.88 | 11.67 | 129.25 | 0.00 | 0.00 | 403.72 | 126.37 | 131.80 | 895.63 | 16.38 |
| 平水期 Normal period | 83.56 | 23.38 | 167.18 | 0.00 | 0.00 | 412.91 | 126.38 | 156.55 | 947.41 | 22.86 | ||
| 丰水期 Wet period | 187.18 | 43.96 | 194.63 | 0.00 | 0.00 | 485.28 | 126.38 | 145.93 | 868.49 | 18.10 | ||
| 二支渠 2nd branch canal | 枯水期 Dry period | 140.40 | 28.70 | 167.70 | 0.00 | 0.00 | 555.78 | 136.18 | 178.53 | 1113.43 | 18.24 | |
| 平水期 Normal period | 82.93 | 39.98 | 201.12 | 0.00 | 0.00 | 511.53 | 126.33 | 186.85 | 1009.83 | 25.66 | ||
| 丰水期 Wet period | 212.19 | 58.14 | 230.06 | 0.00 | 0.00 | 576.53 | 142.73 | 205.05 | 838.24 | 19.79 | ||
| 三支渠 3rd branch canal | 枯水期 Dry period | 91.20 | 32.30 | 162.00 | 0.00 | 0.00 | 373.30 | 135.10 | 188.10 | 981.20 | 20.62 | |
| 平水期 Normal period | 101.87 | 45.17 | 259.13 | 0.00 | 0.00 | 519.83 | 165.57 | 330.20 | 1214.30 | 30.22 | ||
| 丰水期 Wet period | 222.68 | 75.13 | 233.50 | 0.00 | 0.00 | 647.05 | 174.33 | 234.73 | 814.67 | 19.14 | ||
| 2015 | 一支渠 1st branch canal | 枯水期 Dry period | 130.86 | 18.71 | 149.25 | 0.00 | 0.00 | 488.97 | 133.55 | 209.33 | 1166.82 | 21.44 |
| 平水期 Normal period | 111.35 | 34.58 | 185.41 | 0.00 | 0.00 | 496.35 | 119.46 | 162.86 | 1073.85 | 17.47 | ||
| 丰水期 Wet period | 234.12 | 33.74 | 182.68 | 0.00 | 0.00 | 371.11 | 140.07 | 112.28 | 875.51 | 15.79 | ||
| 二支渠 2nd branch canal | 枯水期 Dry period | 135.42 | 28.47 | 157.24 | 0.00 | 0.00 | 609.87 | 151.12 | 211.70 | 1356.47 | 24.29 | |
| 平水期 Normal period | 138.31 | 49.90 | 219.89 | 0.00 | 0.00 | 630.44 | 128.03 | 187.46 | 1291.38 | 16.21 | ||
| 丰水期 Wet period | 233.45 | 41.55 | 208.41 | 0.00 | 0.00 | 416.89 | 166.13 | 123.40 | 991.53 | 17.77 | ||
| 三支渠 3rd branch canal | 枯水期 Dry period | 144.00 | 32.52 | 143.09 | 0.00 | 0.00 | 564.11 | 156.13 | 223.53 | 1314.34 | 20.66 | |
| 平水期 Normal period | 166.28 | 39.88 | 194.06 | 0.00 | 0.00 | 642.88 | 177.58 | 187.43 | 1277.11 | 14.09 | ||
| 丰水期 Wet period | 239.48 | 48.45 | 207.63 | 0.00 | 0.00 | 456.63 | 178.60 | 117.13 | 948.48 | 17.30 |
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3 讨论
2013—2015年一支渠、二支渠和三支渠控制范围内引黄水和地下水灌溉量用水比例介于0.72—1.03、2.50—2.63、0.65—1.26之间,二支渠控制范围内引黄水灌溉的比例最高。2013—2015年、二支渠0—100 cm根层土壤盐分累积量低于一支渠、三支渠,降幅介于1.63%—8.90%,一支渠、二支渠、三支渠0—100 cm根层土壤盐分标准偏差分别为0.0557、0.0524、0.0552,表明较多的引黄水灌溉降低了根层土壤盐分累积、驱动了根层土壤盐分垂向均匀分布[16],值得注意的是,2013—2015年 0—100 cm典型区根层土壤盐分标准偏差分别为0.0636、0.0510、0.0290,说明引黄灌溉对根层土壤盐分的调控效果逐渐减弱。此外,2015年引黄灌溉区域地下水溶解性总固体较2014年增加了18.66%,较大比例的引黄灌溉区域地下水溶解性总固体增幅明显高于较小比例的引黄灌溉区域,以上结果表明,由于灌溉和降水驱动了根层土壤盐分洗脱,导致了土壤盐分向地下水中迁移和累积。沿黄井渠结合灌区引黄灌溉和降水是调控根层土壤盐分重要措施之一。对比2013年同期,2014和2015年0—20 cm根层土壤盐分均值大于0.32 mS·cm-1面积减少明显,这主要是由于降水淋洗和灌溉调控作用[26],特别是2013—2015年、二支渠控制范围0—20 cm根层土壤盐分均值大于0.32 mS·cm-1面积均小于一支渠、三支渠,这也说明较大比例的引黄灌溉抑制了土壤盐分的表聚;2014年典型区0—20 cm根层土壤盐分均值大于0.32 mS·cm-1的面积较2013年减少了65.26%,这主要是因为2014年汛期降水量较2013年增加了30.81%,这与方生等[27]研究结果一致。从3年的区域0—100 cm土层土壤脱盐率来看,一支渠、二支渠、三支渠控制范围内0—100 cm土壤脱盐率分别为1.14%、5.90%和0.88%,特别是二支渠控制范围0—20 cm土壤脱盐率达到22.49%,表明较大比例的引黄水灌溉驱动了土壤盐分垂向运动[28],证实较大比例的引黄水灌溉有效消除了土壤盐分障碍因子的形成[29]。
对比2014年同期,2015年平水期典型区域地下水溶解性总固体达到1 038.73 mg·L-1,较2014年增加了14.81%,2015年枯水期典型区域地下水溶解性总固体达到1 213.13 mg·L-1,较2014年增加了22.67%,2015年丰水期典型区域地下水溶解性总固体达到 1 179.98 mg·L-1,较2014年增加了18.52%,李小玉等[30]研究认为日益加剧的灌溉活动和地下水开采使地下水反复消耗和浓缩,加剧了地下水水质劣化,这与本文研究结果一致。本研究中2014年典型区平水期地下水钠吸附比（sodium adsorption ratio,SAR）均超过18,依据宋新山等[31]研究提出的农业灌溉水碱化危害程度分级标准,SAR18作为碱化危害程度中等和高的分界值,表明2014年典型区地下水不适宜作为灌溉水源,通过地表水地下水联合利用、降水补充地下水等,2015年平水期地下水SAR均低于18分级值,对比2014年同期,一支渠、二支渠和三支渠控制范围地下水SAR分别降低了23.58%、36.82%和53.37%,表明地表水地下水联合利用改善了地下水灌溉水质。
本研究仅针对3年典型区域土壤、地下水盐分离子演变特征开展了研究,2013—2015年降水年内分布特征及年际变化并不一致,因此年内降水对区域土壤脱盐及地下水化学特征影响差异明显[32],今后仍需开展不同水文年型降水对区域土壤-地下水系统水盐演变及灌区尺度用水模式下土壤-地下水生态环境效应研究,从而更好地揭示适应于华北井渠结合灌区不同水文、气象、种植方式特点的渠井用水模式。
4 结论
华北典型井渠结合灌区较大用水比例抑制了土壤盐分的表聚,特别是表层土壤含盐量大于0.32 mS·cm-1（1.50 g·kg-1）面积增加最少;对比2013年同期,2014、2015年不同用水比例下0—20 cm土壤脱盐率增加明显,特别是0—20 cm土壤脱盐率与用水比例成正比,从3年的区域0—100 cm土层土壤脱盐率来看,较大比例地表水灌溉促进了耕层土壤的脱盐;2013—2015年典型区域地下水水化学特征总体表现为,地下水中阳离子由枯水期钙钠型转化为平水期的钠钙型,平水期地下水水文化学相具有强烈的碱化趋势,2015年平水期、丰水期地下水钠吸附比较2014年同期降幅明显,表明地表水地下水联合利用短期内改善了灌区地下水水质。因此,华北井渠结合灌区可以通过加大渠灌用水比例,降低根层土壤盐分表聚,同时改善平水期地下水水质,从而保障井渠结合灌区农业安全,改善灌区生态环境。The authors have declared that no competing interests exist.
