地下水和土壤是农业生产的基本要素^[1]，地下水位、水质及土壤盐分的波动会直接影响作物的生长发育^[2]。地下水位与地下水水质和土壤质量密切相关^[3]，合理控制地下水位是盐渍化地区控制土壤盐分的重要措施^[4]，也是保证农业生产发展的重要途径^[5]。由于地处干旱半干旱地区，降水少而蒸发大，灌溉水补给及渠道渗漏是地下水的主要来源^[6]，约占地下水总补给量的 76%^[7]，但不适当的补给可能会给地下水和土壤环境带来负面影响。灌溉水在渠道运输过程中，由于渠道糙率大和输水时间长等因素而导致渠道渗漏量较大，可能会对渠道沿岸地下水和农田土壤产生一定影响，造成耕地浪费，在河套灌区，合理调控土壤水盐是提高作物产量的重中之重^[8]。

近年来，渠道输水渗漏问题受到广泛关注，不少研究表明地下水主要来源于渠道渗漏补给^[9-10]，同时，通过对渠道渗漏量的计算和模拟，确定了渗漏量与流量的变化关系^[11-12]。有学者通过研究渠道输水过程中地下水位波动与植被生长演变之间的关系，探讨了其内在响应机理^[13-14]，同时提出双河道输水等高效输水方式，实现水资源的高效利用及生态环境脆弱地区植被保护与恢复^[15]。渠道渗漏研究多集中于新疆等生态环境脆弱的地区，通过渠道输水渗漏来抬升地下水位，从而保证植被生长^[14]，而在地下水浅埋区，渠道渗漏不仅会造成水资源损失，还会导致农田水土环境变化进而影响作物生长。

河套灌区是我国重要的粮食生产基地^[16]，总灌溉面积约 57 万 hm²，由于地表无天然河流加之地下水咸化严重，灌区内淡水资源匮乏，多年来一直采用引黄灌溉方式来保证农业发展，因此，渠道和排水沟成为保证河套灌区农业发展的重要组成。渠道分为总干、干、支、斗、农、毛 6 级渠系，总长度 16800 km，排水系统分为总干、干、分干、支、斗、农、毛共 7 级，仅总排干沟长达 206 km。灌区内排水沟均未衬砌，引水渠部分衬砌，河套灌区农业生产需水量大，渠道输水时间长，渠道两岸农田水土环境可能受到一定影响，造成耕地浪费。因此，探明渠道输水对地下水及土壤盐分含量的影响对灌区经济发展具有重要的现实意义。基于此，本文以沈乌灌域为研究区，探究渠道输水前后地下水埋深、矿化度、水化学组分以及土壤盐分的变化情况，定量分析渠道输水对两岸农田水土环境的影响，旨在为河套灌区水资源高效利用及渠道沿岸农田水土环境保护提供一定依据和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区设在内蒙古河套灌区上游沈乌灌域东风分干渠附近（107°24′E，40°42′N），东风分干渠为沈乌灌域内两大引水渠之一，该地区属温带大陆性气候，年均降水量约 147 mm，蒸发量高达 2503 mm，蒸降比约为 17，由于多年受渠道输水影响，土壤类型主要由灌淤土组成，耕地以砂壤土和壤砂土为主，平均容重为 1.49 g·cm^-3，平均含盐量为 2.1 g·kg^-1，土壤盐分组成如表1 所示，研究区主要种植作物为玉米和葵花。为满足作物生长需求，灌域采取引黄河水灌溉的措施来缓解缺水问题，年内平均引水 4 次，主要以夏灌（4～6 月） 和秋浇（10～11 月）为主，年均引水约 5.05 万 m³ （2009～2018 年，图1），但随着引黄水量政策性锐减，灌域引水量逐年减少，随着节水改造的实施，渠系排干不断完善，排水量呈上升趋势。灌溉水主要水化学组成如表2 所示。

1.2 试验设计

试验于渠道两岸分别设置 4 个地下水和土壤观测断面，水井深 10 m，间距分别设为 50、100、150、 200 m，8 眼井均在同一直线上，采用自动水位计监测地下水位，自动水位计每月校核，渠道来水前后取地下水水样及观测井周围土壤样品测定，夏灌和秋浇为研究区年内主要引水灌溉期，灌溉范围广且引水量大，因此选择试验观测时间为 2017～2018 年夏灌和秋浇前后，渠道于 2017 年年底全面完成衬砌。研究区具体位置及试验布置如图2 所示。

1.3 数据采集与处理

地下水样品分装于 500 mL 聚乙烯瓶中，取样前用去离子水反复冲洗后干燥备用，样品采集与处理遵循地下水环境监测技术规范^[17]，样品收集前用水样多次冲洗取样瓶后盛装，EC 值当场测定，其它指标于 24 h 内送往巴彦淖尔市水利科学研究所进行测定。土壤样品于地下水观测井附近采集，分为 0～20、20～40、40～60、60～80、 80～100 cm，共 5 层，每个土样取 3 次重复，样品测定均值作为最终值。

试验数据采用 Excel 2016 进行预处理及统计分析，应用 SPSS 22.0 对试验数据进行显著性检验，运用 AqQA 绘制 Piper 三线图分析地下水化学类型的组成及演变特征，其余分析图件均采用 Origin2018 绘制。

数据可靠性检验公式如下^[18]：

式中，CBE 表示相对误差，m _a、m _c 分别表示阴、阳离子浓度（meq·L^-1）。

总溶解性固体（TDS）与电导率（EC）的转换公式如下：

式中，TDS 单位为 mg·L^-1。

2 结果与分析

2.1 地下水埋深对渠道输水的响应

研究时段内地下水埋深随渠道水位变化情况如图3 所示。渠道来水前后不同距离地下水埋深走势基本一致，且与渠道来水保持较高的一致性，表现为渠道输水时，两岸地下水埋深上升，输水停止后逐渐下降。从空间上看，不同距离的地下水位埋深上升幅度不同，当渠道高水位持续时间较短时，渠道两岸地下水埋深表现为先上升后迅速下降的趋势，且仅对 100 m 范围内地下水埋深产生影响，而对距离较远的地下水埋深影响不大，这也是 D4、 D5 观测井埋深变化曲线波动较多，而其它观测井埋深变化曲线相对平滑的主要原因。当渠道输水停止时，对地下水的补给停止，50 m 处地下水埋深表现为骤降，100 m 处埋深下降趋势稍缓，远距离处趋于平稳。分析发现，渠水位的变化不会立即对两岸地下水埋深产生影响，而是滞后一定的时间，渠道 50 m 半径内滞后时间约为 1 d，滞后时间随距离的增大而延长。对比 2017 和 2018 年秋浇前后两岸地下水埋深波动情况发现，2018 年渠道衬砌后埋深波动曲线相对平滑，这说明渠道衬砌后渠道输水对沿岸地下水影响减小。

不同距离地下水埋深在渠道输水后变化情况如图4 所示，在横向上，地下水埋深变幅以渠道为中心（D4、D5 观测井之间）向两侧逐渐减小，随着输水时间和输水量的增加，地下水的响应范围逐渐扩大。2017 年夏灌、秋浇期平均最大埋深变幅分别为 1.17、1.95 m，秋浇埋深最大变幅相较于夏灌增长 66.52%，埋深变化速率分别为 0.43、0.54 cm·h^-1，增长了 23.31%；2018 年夏灌、秋浇期平均最大埋深变幅分别为 0.92、1.72 m，秋浇埋深最大变幅相较于夏灌增长 86.97%，埋深变化速率分别为 0.16、0.46 cm·h^-1；渠道衬砌后（2018 年）秋浇期埋深变化速率较衬砌前（2017 年）降低 14.89%，夏灌期降低 64.22%。可见地下水埋深波动受渠道输水时间和输水量变化的影响，输水量大、输水时间长导致两岸埋深波动增大，衬砌后渠道输水对两岸地下水埋深影响减小，且以短期内输水表现最为明显，随着距离增大，地下水埋深受渠道的影响逐渐减小。

2.2 地下水矿化度对渠道输水的响应

渠道输水前后两岸地下水矿化度显著性分析如表3 所示。夏灌期渠道输水前后，不同距离的地下水矿化度无显著差异；秋浇期渠道输水前后，地下水矿化度差异显著（P <0.05）。这主要是因为夏灌期渠道来水时间短、水量少，渠道输水对两岸地下水矿化度影响较小。2017 年渠道衬砌前，夏灌期地下水矿化度均值为 1.25 g·L^-1，输水后降至 1.17 g·L^-1，整体下降了 6.40%；秋浇期输水前后地下水矿化度均值由 1.46 g·L^-1 下降至 0.96g·L^-1，下降了 34.24%；2018 年渠道衬砌后，夏灌期渠道输水前地下水矿化度均值为 1.17 g·L^-1，输水后升至 1.24 g·L^-1，整体上升了 5.98%；秋浇期输水前后地下水矿化度均值由 1.13 g·L^-1 降至 1.01 g·L^-1，降低了 11.88%。说明渠道两岸地下水矿化度随着输水量增大，输水时间延长，表现为“先淋洗后稀释”的效应，秋浇期间、渠道衬砌前地下水矿化度变化较夏灌期间、渠道衬砌后更明显。

注：表中数据为平均值 ± 标准差，字母表示多重比较（SSR）的结果，同一列中字母不同的处理之间在 0.05 水平上差异显著。

2.3 地下水化学组分对渠道输水的响应

图5 显示，夏灌前后渠道两岸地下水离子含量相对于秋浇前后变化较小，输水时间较短及输水量较小时对两岸地下水中离子含量影响较小；秋浇期渠道输水后，多数离子含量表现为降低，渠道衬砌后变化幅度减小，其中，SO₄ ^2-、Cl^- 含量变化最小，各观测井几乎未发现异常波动值，Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、 HCO₃^- 含量波动明显，说明地下水中离子含量除受渗漏水补给稀释的影响外，还存在其它影响因素。

Durov 图被广泛用于水化学分析中，可以明确反映出主要优势离子及演化特征^[19]。图6 是渠道输水前后的 Durov 图，由此可知，渠道输水后，两岸地下水化学组分及含量发生明显变化，优势阳离子由 Na⁺ 逐渐向 Mg²⁺ 和 Ca²⁺ 方向变化，优势阴离子由 HCO₃^- 和 Cl^- 逐渐向 SO₄ ^2- 变化，50 m 处 SO₄ ^2- 含量优势降低，水化学类型由 SO₄·Cl-Mg·Na 型逐渐向 HCO₃·SO₄-Ca·Mg 型变化，且 2017 年 10 月秋浇期水化学组成变化最大，7 月夏灌期次之。

（Ca²⁺+Mg²⁺-SO₄ ^2--HCO₃^-）/（Na⁺ +K⁺ +Cl^-）可反映离子交换情况^[20-21]，图7 显示，渠道输水后该比值均接近于-1，这表明两岸地下水中发生离子交换反应，2018 年夏灌期间阴离子交换作用较明显，其它均以阳离子交换为主，地下水中的 Na⁺、 Mg²⁺、Ca²⁺ 在渠道水侧渗过程中发生置换反应，使阳离子含量发生较大变化，其离子交换方程式为：

2.4 土壤含盐量对渠道输水的响应

在垂直方向上，渠道两岸 0～20 cm 土层含盐量为 1.0～6.9 g·kg^-1，20～40 cm 土层含盐量为 0.9～3.5 g·kg^-1，40～100 cm 土层含盐量为 0.8～4.4 g·kg^-1，土壤盐分存在明显的盐分表聚现象，随着深度的增加，土壤含盐量逐渐降低。2017 年，渠道输水后，0～20、40～100 cm 土层土壤含盐量分别降低 9.98%、12.88%，20～40 cm 土层盐分升高 3.83%。渠道输水后短期内导致两岸土壤盐分多聚集于 20～40 cm 土层，土壤中易溶盐类在耕层（0～40 cm）产生“纵向累积效应”，可能原因是渠道输水后淋洗表层土壤盐分向下运移，同时渠底水分侧方入渗淋洗使深层土壤盐分降低。

在水平方向上，渠道衬砌前两岸 50 m 处土壤渠道来水后总体表现为淋洗效果，淋洗脱盐率为 14.54%，其中，0～20 cm 土层盐分脱盐效果最明显，其脱盐率高达 25.78%；150 m 处总体积盐率 9.01%，其中，20～40 cm 土层积盐率最高 （20.57%），0～20 cm 土层次之（7.79%），40～100 cm 土层积盐率最低（2.98%）；300～500 m 处，整体表现为脱盐效果，且脱盐率随着距离的增大而减小。这说明渠道渗漏对小于 150 m 距离内的土壤盐分影响最大，且表现“近淋洗远累积效应”，150 m 距离外受渗漏影响相对减小。

在时间尺度上，对比秋浇前和夏灌前两岸土壤总体表现为积盐，2017 年秋浇前较夏灌前各土层（0～20、20～40、40～100 cm） 盐分变化量分别为 0.6、0.5、-0.03 g·kg^-1，积盐率分别为 20.27%、29.63%、-1.72%。2017 年渠道衬砌前夏灌前后土壤盐分变化率分别为-10.82%、4.48%、-16.22%，各土层多表现为脱盐，仅 20～40 cm 土层土壤盐分含量小幅度升高，而 2018 年夏灌期渠道输水前后各土层盐分变化率分别为 10.32%、 44.17%、11.86%，各土层均表现为积盐，主要原因是渠道衬砌后渠道输水效率提高、渗漏量降低，短期内输水渠道渗漏量不足以稀释土层盐分。

综上，衬砌前的渠道输水在 50 及 300～500 m 处土壤盐分含量有一定程度的降低，150 m 处升高，渠道衬砌后渗漏量明显减少，输水后短期内两岸土壤盐分升高；秋浇后土壤总体表现为积盐，且积盐量较大，但深层土壤盐分含量变化不大；渠道输水短期内对近距离表层和深层土壤盐分多表现为淋洗作用，其盐分主要积累在 20～40 cm 土层及稍远距离表层土壤中，渠道输水使两岸耕作层土壤积盐，深层土壤影响不大。

3 讨论

土壤盐分作为影响作物生长的主要因素^[3，22]，地下水对土壤盐分的补给占土壤盐分积累量的 70.06%^[23]，高水位和高矿化度条件下，土壤积盐强度增大，脱盐过程削弱，且地下水中盐分离子易在蒸发作用下进入土壤^[24]，可能导致土壤次生盐渍化，因而影响作物生长，引水后地下水埋深和矿化度增大可能会给渠道两岸农田带来负面影响。本研究通过对比有无衬砌的渠道输水前后两岸农田地下水及土壤盐分变化的情况，发现输水后两岸地下水矿化度和埋深多表现为不同程度的上升，且随着输水量增大，埋深及矿化度变化越大。秋浇最大埋深变幅相较于夏灌平均增长 76.75%，渠道衬砌后埋深变化速率降低 14.89%，衬砌后秋浇期地下水矿化度变化率降低 23.12%，这主要是由于秋浇灌溉规模更大，范围更广，引水量和引水时间远大于夏灌，对地下水影响更大，衬砌后渠系水利用系数可提高约 36.5%^[25]，渗漏量减少，短期内小规模输水对渠道两岸地下水及土壤影响大幅减小，验证了渠道衬砌对提高输水速率的必要性^[26]。

渠道输水前后 SO₄ ^2- 和 Cl^- 变化较小，且不同距离地下水波动情况基本一致，这是因为 SO₄ ^2- 和 Cl^- 是地下水中相对稳定的离子，很少与其它离子发生反应，其浓度多由原生地质因素决定^[27]，而 Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、HCO₃^- 浓度波动明显，当 pH 和 TDS 达到一定条件（pH>7.4；TDS>0.60 g·L^-1）时， Ca²⁺ 容易与 HCO₃^- 结合生成 CaCO₃ 沉淀^[28]，随着外界条件的变化，Mg²⁺ 可与 CaCO₃ 结合生成 CaMg （CO₃）₂，另外，伴随离子交换反应，Na⁺、Mg²⁺、 Ca²⁺、HCO₃^-浓度产生波动，水化学组分浓度和水化学类型随之发生改变。

良好的农田水土环境有助于作物根系的生长^[29]，一直以来，土壤盐渍化是河套灌区农业发展的主要困扰^[4]，本试验研究表明，渠道输水后短期内土壤盐分主要积聚在 20～40 cm 土层中，这主要是由于表层土盐分在灌溉水淋洗入渗作用下贮存于 20～40 cm 土层，而深层土壤受渠底渗漏水稀释作用减小，土壤及地下水盐分可在蒸发作用影响下随毛管水上升，使土壤盐分出现“表聚”现象^[30]，所以出现了 7 月较 10 月输水前两岸土壤 0～40 cm 土层呈积盐态势。然而，0～40 cm 土层为作物根系主要生长层，作物根系会朝着高水低盐的方向生长^[27]，这对于作物生长后期极为不利，可能会对作物产量产生较大影响。地下水埋深及矿化度对于渠道输水的响应是一个动态的指标，随着输水时间的延长（水量增大），其影响宽度将增加，主要原因是运动着的渗漏水在运移过程中沿途溶解了土壤中可溶盐分进入地下水，使地下水矿化度增加，渠道衬砌有效提高了输水效率，减少了渠道渗漏，地下水稀释程度减小。

4 结论

（1）衬砌前渠道渗漏严重，输水后地下水矿化度上升量大（33.17%），衬砌后输水效率提高，渗漏量减少，矿化度上升量减小为 10.05%，且地下水埋深变化速率降低，秋浇期埋深变化速率较衬砌前降低 14.89%，夏灌期降低 64.22%。

（2）输水后，受灌溉水入渗淋洗和离子交换作用的影响，渠道两岸地下水阳离子由 Na⁺ 逐渐向 Mg²⁺ 和 Ca²⁺ 变化，阴离子由 HCO₃^- 和 Cl^- 逐渐向 SO₄ ^2- 变化，水化学类型由 SO₄·Cl-Mg·Na 型逐渐向 HCO₃·SO₄-Ca·Mg 型变化。

（3）渠道输水后耕层土壤（0～40 cm）积盐，积盐量约为 0.30 g·kg^-1，深层土壤含盐量变化不大，渠道衬砌前受稀释作用明显，夏灌期各土层积盐率分别为-10.82%、4.48%、-16.22%，衬砌后输水效率提高、渗漏量减少，各土层积盐量分别为 10.32%、44.17%、11.86%。

参考文献