土壤水热盐对冻融条件下不同咸水灌水量的响应特征

姬佳琪, 高晓瑜, 刘霞, 王丽萍, 屈忠义

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节水灌溉
节水灌溉 ›› 2025 ›› (3) : 1-8. DOI: 10.12396/jsgg.2024358
土壤性质及改良

土壤水热盐对冻融条件下不同咸水灌水量的响应特征

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Response Mechanism of Soil Water, Heat and Salt to Different Saline Water Irrigation Amount under Freeze-thaw Conditions

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摘要

为探究不同灌水量下咸水结冰灌溉对土壤水热盐变化的影响，以重度盐碱地为研究对象，在内蒙古达拉特旗开展为期2 a的咸水结冰灌溉试验，试验设置不同的灌水梯度，灌水量分别为140 mm(T1)、180 mm(T2)、220 mm(T3)以及不灌水的对照组(CK)，地下水矿化度约为8~10 g/L，将黄河水与地下水进行混合，使其矿化度维持在3~5 g/L进行灌溉。通过对试验期内土壤含水率、土壤温度、八大离子等指标的检测，探究咸水结冰灌溉期间土壤水热盐的变化规律。结果表明次年土壤含水率随着灌水量的增加而增加；土壤保温效果与灌水量呈正相关，随着连续结冰灌溉年限的增加，土壤脱盐率逐渐增加。播种前0~20 cm土层含水率为57%~74%，相比于CK组提高了55%~66.1%。咸水结冰灌溉对于春季土壤脱盐具有积极作用，脱盐率T2（73.5%）>T1（68.05%）> T3（42.1%），CK组表现为积盐；黄河南岸灌区采用地下水进行咸水结冰灌溉时灌水量选择180 mm时能保证在土壤含水率与温度良好的基础上最大限度地降低土壤盐分。

Abstract

Based on the large amount of agricultural irrigation in Inner Mongolia, the shortage of fresh water resources, the abundance of saline-alkali land resources, and the abundance of brackish water resources that can be developed and utilized, exploring a reasonable brackish water irrigation system is an important direction of water saving. In order to explore the effect of saline water freezing irrigation on soil water, heat and salt changes under different irrigation amounts. Taking the severe saline-alkali land as the research object, a two-year experiment on saline water freezing irrigation was conducted in Dalate Banner, Inner Mongolia. The irrigation amount was 140 mm (T1), 180 mm (T2), 220 mm (T3) and the control group without irrigation treatment (CK). The salinity of irrigation water was about 8~10 g/L, and it was mixed with Yellow River water to maintain an irrigation water salinity of 3~5 g/L. By monitoring the changes of soil moisture content, soil temperature, eight ions and other indicators during the test period, the changes of soil water, heat and salt during saline water freezing irrigation were explored. In the second year, the soil moisture content increased as the irrigation amount increased. The soil heat preservation effect was positively correlated with the irrigation amount. With the increase of continuous freezing irrigation years, the soil desalination rate gradually increased. The water content of 0~20 cm soil layer before sowing was 57%~74%, which was 55%~66.1% higher than that of CK group. Saline water freezing irrigation had a positive effect on soil desalination in spring, and the desalination rate was T2 (73.5%)>T1 (68.05%)>T3(42.1%), and the CK group showed salt accumulation. When the irrigation amount of saline water freezing irrigation is 180 mm, it can ensure the maximum reduction of soil salinity on the basis of good soil moisture content and temperature.

关键词

盐碱地 / 结冰灌溉 / 冻融指数 / 咸水灌水量 / 水热盐 / 脱盐率

Key words

saline-alkali land / ice irrigation / freeze-thaw index / saline water irrigation amount / water heat salt / desalination rate

基金

内蒙古自治区科技兴蒙项目(2021EEDSCXSFQZD011)
内蒙古自治区科技计划项目(2023KJHZ0026)
引黄灌区盐碱地生态修复与节水减排控盐关键技术集成与示范(2021CG0022)
引黄灌区节水控盐与盐碱地生态调控技术创新团队(BR22-13-12)
国家自然科学基金项目(5236090151)

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姬佳琪 , 高晓瑜 , 刘霞 , 王丽萍 , 屈忠义. 土壤水热盐对冻融条件下不同咸水灌水量的响应特征[J].节水灌溉, 2025(3): 1-8 https://doi.org/10.12396/jsgg.2024358
JI Jia-qi , GAO Xiao-yu , LIU Xia , WANG Li-ping , QU Zhong-yi. Response Mechanism of Soil Water, Heat and Salt to Different Saline Water Irrigation Amount under Freeze-thaw Conditions[J].Water Saving Irrigation, 2025(3): 1-8 https://doi.org/10.12396/jsgg.2024358

0 引 言

我国现有耕地1.276 亿hm2，其中盐碱地3 600 万hm2，占全国可利用土地面积的4.88%，主要分布于西北、华北、东北及沿海地区[1]。内蒙古盐渍化土地面积达到了316.3 万hm2，耕地盐渍化面积达到了46.7 万hm2，并且盐渍化面积正以1~1.3万hm2/a的速度递增[2]，盐渍化正在成为制约农业发展的主要问题。达拉特旗现有耕地15.02 万hm2，其中盐渍化耕地约为3.78 万hm2，其中轻、中、重度盐碱地分别为2.23、0.83、0.73 万hm2[3]。该地区盐碱化严重的原因在于农民习惯采用地下水漫灌的灌溉方式，导致盐分离子进入土壤；其次，该地区地理位置靠近黄河，地下水位较高，蒸发量大，将大量的可溶性离子留于土壤表层。目前，针对盐碱地的改良主要分为物理改良包括秸秆还田配合水利措施；化学改良包括添加脱硫石膏等化学改良剂以及生物改良包括筛选耐盐碱品种[4]。各种改良措施不可避免地需要配合灌排措施，灌溉配合排水措施能有效降低土壤表层的盐分含量。我国淡水资源匮乏，尤其在春季播种前后严重不足，合理开发利用咸水资源成为了改良盐碱地的关键所在。
内蒙古现有矿化度<3 g/L的微咸水面积占全区水资源的55%[5]，微咸水资源丰富且便于开采。关于微咸水灌溉国内外研究较多，蒋静[6]等在对春玉米的研究中认为灌溉水量对60~100 cm土层含水量影响较大，选择矿化度在3 g/L的微咸水配合适当的淋洗措施可以代替淡水对农田进行灌溉。关于灌溉方式，陈秀龙[7]等认为咸水膜下滴灌与淡水膜下滴灌具有相同的淋洗压盐的效果。刘易[8]等的研究表明微咸水灌溉配合土壤改良能有效减少因为矿化度过高引起的盐分积累，改善土壤结构。郭凯[9]等提出利用地下苦咸水进行结冰灌溉，次年春季能大幅提升耕作层含水率，降低土壤表层盐分，改善土壤结构。根据当地气候特点及资源分布情况提出咸水结冰灌溉的理念，咸水冰在融化的过程中，不同矿化度融化顺序不同，矿化度较高的先融化，矿化度较低的微咸水和淡水在入渗的同时将土壤表层的盐分带走，达到对表层土壤盐分的淋洗效果。该项措施不仅实现了“压盐”的目的而且节约了淡水资源，为我国北部盐碱地分布广泛地区提供了应用价值。李志刚[10]等的研究表明苏打盐碱土冬季结冰灌溉水量在180 mm时脱盐效果最好；对于苏打盐碱土微咸水结冰灌溉结合磷石膏淋洗脱盐效果高于咸水结冰灌溉脱盐效果高于淡水结冰灌溉脱盐效果[9]。
目前关于咸水结冰灌溉的研究着重于滨海地区，对于内陆地区研究较少，本试验以重度盐碱地为研究对象探究冬季结冰灌溉的最佳灌水量以及结冰灌溉期间土壤水热盐运移情况。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年11月-2022年4月于内蒙古自治区达拉特旗王爱召镇大淖村试验基地，海拔1 000 m左右，年均气温6.1~7.1 ℃，冬季寒冷干燥，夏季炎热少雨，属于典型的温带大陆性气候；年降水量约300~400 mm，蒸发量2 000~2 400 mm。试验地年降水量为260 mm左右，主要集中于6-9月份，占年降水量的74.3%，冬季降水量极少，占年降水量的7%~10%。试验期间当地温度及温度变化见图1。试验地地下水埋深较浅为0.8~1.0 m，地下水矿化度为6.9 g/L，由地下水和黄河水混合的灌溉水八大离子详见表1。选取2021、2022年这2 a的试验数据，用作试验结果的分析。
图1 试验区降水及日均气温

Fig.1 Daily average temperature and precipitation during the experiment period

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表1 灌溉水矿化度及八大离子组成

Tab.1 Groundwater salinity and eight major ion composition

pH值 全盐量/（g·L-1） 八大离子含量/（cmol·kg-1）
CO3 2- HCO3 - Cl- SO4 2- Ca2+ Mg2+ K+ +Na+
7.62 3.83 0 0.84 2.13 2.82 0.75 1.86 3.62
该地区属于重度盐碱地，试验区耕作层（0~40 cm）土壤盐分平均为10~15 g/kg，其土壤理化性质见表2。
表2 土壤理化性质

Tab.2 Soil physical and chemical properties

土层深度/cm 饱和含水率/%

田间持水率

（质量含水率）/%

 容重/（g·cm-3） 总孔隙度/% 粒径组成/% 土壤质地
≥0.02 mm 0.02~0.002 mm ≤0.002 mm
0~20 29.96~35.02 27.69~31.89 1.46~1.49 41.8~42.9 57.13 36.62 6.26 砂壤土
20~40 36.72~39.25 32.1~36.07 1.36~1.42 44.5~46.9 20.2 61.4 18.4 粉黏壤土
40~60 34.82~40.01 32.3~35.86 1.35~1.45 43.3~47.3 63.52 31.23 5.25 砂壤土
60~100 30.32~35.16 26.56~31.15 1.44~1.47 42.6~43.8 60.36 33.60 6.05 砂壤土

1.2 试验设计

本试验于2020年11月开始，为期2 a，于2022年9月结束。其中，结冰灌溉约为每年的11月至次年的5月，选择日均气温低于-5 ℃以后（11月25日）开始灌水。试验设置3个灌水梯度：140 mm（T1）、180 mm（T2）、220 mm（T3）以及不灌水的对照组（CK），每个处理重复3次，共12个小区，小区面积为100 m2（10 m×10 m），每个处理之间设置2 m的隔离带，减少误差。
本试验种植作物为葵花品种hd8111，生育期灌溉方式采用膜下滴灌，滴灌带采用“一膜一管两行”的布设方式，地膜宽度为60 cm，滴灌带间距为100 cm，株距25 cm，行距40 cm,田间滴灌带管径为16 mm，流量为1.6 L/h,滴头间距30 cm。结冰灌溉前施加农家肥300 kg/hm2，种前进行深松深翻30~40 cm，种植期施加有机肥300 kg/hm2，复合肥375 kg/hm2，生育期采用“水肥一体化”进行追肥，追肥量在200 kg/hm2，灌水量及灌溉时期根据当地种植习惯进行。
各试验小区灌水前进行激光平地，保证灌水期间灌水深度的一致，在各小区之间设置宽1 m、高0.3 m的田垄，以防侧渗和互溢。当连续日均气温<-5 ℃时，通过水泵抽取地下水进行结冰灌溉，其矿化度为3~5 g/L，pH为7~8，将总水量的30%直接灌入农田，待结冰后再将剩余70%灌溉到农田。考虑到灌溉深度的均匀，剩余70%的水分采用分次灌溉，即每次灌适量水分，分多次灌溉，以达到试验要求。

1.3 取样时间及检测指标

试验期间由于不同的气候条件对土壤理化性质影响较大，为更准确分析结冰灌溉期间水热盐变化，将冻融期分为3个阶段：未完全冻结期（2020年11月15日-2021年1月5日、2021年11月5日-2021年12月25日）、冻结期（2021年1月6日-2021年3月15日、2021年12月26日-2022年3月5日）、融解期（2021年3月16日-2021年4月15日、2022年3月6日-2022年4月17日）。土壤取样频率为未完全冻结期、融解期每隔10 d取样一次，冻结期每20 d取样一次。温度数据采集与土壤取样时间一致。

1.3.1 土壤水分

土壤含水率的测定采用烘干法，使用手持式取土器分别取0~10、10~20、20~40、40~60、60~100 cm，每个小区重复3次。将原状土装入铝盒中，放入烘箱中105 ℃ 8 h，获得各土层的含水率[10]。采用环刀法获取各土层土壤容重，土壤储水量参照相关公式获得[12]。

1.3.2 土壤盐分

土壤八大离子采用浸提法，将土样阴干磨碎，用直径为2 mm的筛子过滤，采用5∶1的水土比例，充分搅拌，静置8 h以上，添加试剂进行相关指标的测定[11]；土壤全盐量为阴阳离子之和。钠吸附比SAR(Sodium adsorption ratio)指溶液中Na+浓度与Ca2+、Mg2+浓度平均值的平方根的比值（Na+的浓度采用Na++K+的0.9倍）。

1.3.3 土壤温度

采用多通道土壤温度传感器（TM-03,邯郸市创盟电子科技有限公司）对0~100 cm的土层进行温度的检测，共分为0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm，每4 h返回一次数据，试验结束获取数据[12]。
冻融指数包括冻结指数和融化指数，指在指定时间段以内大于0 ℃或者小于0 ℃的温度积累。

1.3.4 土壤孔隙度

首先量取环刀的高度和内径，计算出其体积。将环刀垂直打入挖好的剖面上，每20 cm一层，每层设置3个重复。环刀下沿与土壤平行时采用环刀柄取出环刀在表面覆盖滤纸并盖好盖子，迅速称重。将环刀迅速带回室内，拿掉盖子保留滤纸层，将环刀放入容器中，往容器中加水至与环刀表面齐平，静置8 h，取出后静置10 s后称重。取样频率为试验开始前与试验结束前，取样深度为0~20、20~40 cm。
土壤孔隙度=（浸水后环刀及土壤重-环刀重-干土重）/100

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2016和Origin 2021 Pro进行方差分析并绘图。

2 结果与分析

2.1 不同灌水量对土壤水分的影响

图2为2021、2022年土壤储水量变化趋势。2021年完全冻结前各个处理储水量随土层深度增加变化趋势不明显，在耕作层（0~40 cm）T3处理低于同时期其他处理，随着土层深度的增加T3处理储水量逐渐增加，40~100 cm土层T1处理储水量达到最大值为73.08 cm（位于40~60 cm土层），土壤埋深高于60 cm时土壤储水量受灌溉水量的影响逐渐减弱，各个处理间差异性较小。2021年冻结后（融解期）储水量各灌水处理均高于冻结前，冻结前与冻结后不同土层储水量的增长率20~40 cm（54.83%）>0~20 cm（33.49%）>40~60 cm（31.75%）。最大增幅发生在20~40 cm的T3处理上，增幅约为28.44%，说明冻结结冰灌溉对于春季20~40 cm土层含水率影响较大。各土层CK处理，0~60 cm土层土壤储水量冻结后低于冻结前，60~100 cm土层土壤储水量均呈现冻结前低于冻结后，这主要是由于土壤深层受蒸发作用较小，且试验地春季蒸发量较大，是水分流失的重要途经，CK处理由于没有进行冬灌，在蒸发及渗透作用下，土壤水分由土壤表层迁徙到土壤深层。
图2 不同灌水量对土壤储水量的影响
注：图中的字母用于表示组间差异的统计显著性。

Fig.2 Effect of different irrigation amount on sudden water storage

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2022年各处理、土层间变化趋势与2021年一致。2022年冻结前各土层储水量相较于2021年基本持平，冻结后相较于2021年出现了明显的下降的趋势，20~40 cm土层的T3处理出现了峰值。CK组2022年冻结后土壤储水量明显低于2021年，降幅在37.9%左右。60~100 cm土层土壤储水量2021年、2022年各处理间基本持平。
表3 土壤孔隙度变化

Tab.3 Variation of soil porosity

处理 取样深度/mm 2021 2022
冻结前 消融后 冻结前 消融后
T1 0~20 32.14 41.83 33.5 41.27
20~40 46.23 50.24 45.24 50.53
T2 0~20 32.16 47.63 30.62 41.25
20~40 47.05 52.64 43.26 50.04
T3 0~20 31.25 39.95 36.35 41.21
20~40 44.2 49.52 42.52 50.42
CK 0~20 30.62 35.65 31.58 36.2
20~40 42.66 42.55 42.93 48.9

2.2 不同灌溉水量对土壤温度的影响

气温是影响结冰灌溉的主要因素，当试验地气温稳定地低于零下5 ℃时，进行结冰灌溉最适宜。图3所示为不同灌水量下2021年及2022年0~100 cm土层温度变化情况。结冰灌溉土壤温度呈“V”字形分布，2021年最低温度出现在结冰灌溉的第50~60 d；2022年最低温度出现在第60 d左右，最低温度出现滞后效应。0~10 cm土层最低温度约在零下12 ℃，10~20 cm土层最低温度为零下10 ℃，20~40 cm土层最低温度在零下8℃，最低温度随着土层深度的增加逐渐增大。CK处理随外界气温变化而变化幅度较大，表明结冰灌溉具有一定保温作用。不同灌水量保温效果也不相同，以0~10 cm为例从高到低依次是：T2（-20.63 ℃）>T1（-21.9 ℃）>T3（-23.16 ℃），其他土层也表现出相同的规律，表明土壤温度在一定范围内会随着灌水量的增加而增加，当灌水量高于180 mm时灌水量与土壤温度呈负相关。各处理土壤温度随着土层深度逐渐升高，0~10 cm土层各处理间差异性不大，表示土表气温是影响表层土壤温度的主要因素。消融期末土壤温度T2>T1>T3>CK，保温能力T2>T1>T3>CK。非耕作层（40~100 cm）土层变化趋势一致，试验组土壤温度T1>T3>T2，表明过高的灌水量会导致深层土壤保温能力下降。冻结后（120~160 d）即春季T2处理土壤温度高于T1、T3、CK处理，表明在T2处理下对于春季土壤解冻及水分下渗时间方面具有优势。从整体来看耕作层土壤对于温度变化的缓冲程度明显低于非耕作层，且随着土壤深度的增加试验期土壤温差0~10 cm（14.48 ℃）>10~20 cm（13.02 ℃）>20~40 cm（11.4 ℃）>40~60 cm（10.33 ℃）>60~80 cm（9.7 ℃）>80~100 cm（9.51℃）。
图3 不同灌水量对土壤温度的影响
注：本图并没有将所有数据点标出。

Fig.3 The effect of different irrigation amount on soil temperature

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2022年土壤温度变化呈现“V”字形分布，最低温度发生在试验开始的第80 d左右，各处理温度变化趋势较2021年相同时期变化趋势一致，耕作层（0~40 cm）冻结前初始温度低于2021年同时期，这主要是由于2022年同时期气温骤降导致土壤温度降低，且温度差相较于2021年也较低，表明连续的结冰灌溉会提升土壤对温度变化的适应性。
将整个结冰灌溉分为2个时期：冻结期（2020年11月17日-2021年3月15日、2021年11月10日-2022年3月10日）、冻结后（2021年3月1日-2021年4月15日、2022年3月1日-2022年4月15日），以此分析土壤冻融指数，如图4所示。
图4 2021、2022年土壤冻融指数变化

Fig.4 Changes of soil freeze-thaw index in 2021 and 2022

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2021年试验组冻结指数随着灌水量的增加先减小后增大，T1(439.88)>T3(429.01)>T2(420.87)>CK(312.82)，T2处理下的冻结指数最小，表明该灌水量下土壤的保温效果最佳，融化指数变化不大；2021年的冻结指数普遍高于2022年的，说明结冰灌溉具有。CK处理的冻融指数均小于试验组，冬季在没有冰层覆盖的情况下土温度受气温影响较大，使得冻融指数变小。

2.3 不同灌水量对土壤盐分的影响

本文主要分析耕作层（0~40 cm）未完全冻结期、冻结期2个阶段的脱盐率，如图5所示。由于消融期气温升高冰水融化盐分离子随水分渗入土壤导致土壤盐分含量增加，试验前各个处理各土层差异性不大。对照组各个土层均表现为积盐，表明没有冰层覆盖的处理在次年春天土壤盐分含量骤增；试验组表现为脱盐，其中2021年0~10 cm土层脱盐率表现为T2（74.2%）>T3（65.7%）>T1（52.6%）；10-20 cm土层脱盐率为T2（72.8%）>T3（70.4%）>T1（31.6%），20~40 cm土层由于水分携带着盐分通过土壤大孔隙的渗入，使得土壤脱盐率下降，脱盐率表现为T1（39.6%）>T3（34.5%）>T2（14.3%）。T2处理脱盐率在20~40 cm表现出低于其他处理，是由于灌水量的不同，T1处理由于灌水量较少冰层融化后水分渗漏部分较少，且主要停留在土壤10~20 cm部分，T3处理灌水量较大，冰层较厚，水分渗漏量较大，渗透深度更深，因此20~40 cm土层T1、T3处理土壤脱盐率高于T2处理。
图5 土壤脱盐率变化
注：图中的字母用于表示组间差异的统计显著性。

Fig.5 Change of soil desalination rate

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为了更加直观地分析不同灌水量下土壤盐分变化情况，将试验前后土壤盐分进行对比，分析不同处理土壤脱盐率的变化情况，着重分析0～40 cm土壤，其中，0～20 cm土壤脱盐率细化为0～10 cm、10～20 cm。如图5所示，随着土壤深度的增加，各处理的土壤脱盐率均呈现逐渐下降的趋势；试验组各处理在0～40 cm之间均呈现脱盐，对照组呈现积盐。土壤脱盐率随着灌溉水量的增加呈现先增大后减小的趋势，表明脱盐率会因为灌水量超过180 mm时出现积盐的现象。2021年，0～10 cm土层试验组表现为脱盐，其中，T2处理脱盐率最高，与T1处理差距较小，T3处理最低；对照组表现为积盐，且积盐率较高，10～20 cm、20～40 cm土层各处理变化规律与0～10 cm一致。年际间，各处理变化趋势与2021年一致，整体上脱盐率较2021年有所提升，表明连续的结冰灌溉能有效提升土壤脱盐率。
试验期间土壤SAR值变化如图6所示，2021年，试验组各处理在冻结试验期间呈现先增大后减小的趋势；对照组随着时间的变化逐渐减小。各处理SAR值在冻结期达到峰值，原因在于灌溉水中Na+浓度较高，Na+随着水分进入土壤，从而导致了土壤SAR值的增加；到了消融期冰层融化对土壤盐分起到淋洗的作用，因此，SAR值减低。由图可知土壤SAR值随着灌溉水量的增加而增加；当灌水量达到220 mm时，春季土壤的SAR值显著增高，因此，咸水结冰灌溉的水量应低于220 mm。2022年，各处理随时间变化趋势与2021年一致，呈现先增大后减小的趋势。整体上SAR值有明显的降低，以T2处理为例，T2处理在2021年各时期分别为7、7.73、3.32，在2022年各时期表现为6.07、6.77、1.47，2 a间的降幅最大为55.72%，发生在融解期。因此，灌水量为180 mm时对次年的土壤SAR值降低幅度最大。
图6 结冰灌溉期间土壤SAR变化趋势

Fig.6 Variation trend of soil SAR during freezing irrigation

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2.4 相关性分析

图7为试验检测指标之间的相关性分析，通过对不同灌水量及相关指标的分析，发现储水量与冻融指数呈现显著的正相关，相关系数高达0.88，与全盐量呈现显著的负相关，与脱盐率呈现显著正相关，其中储水量对冻融指数的影响最大相关性指数高达0.981。全盐量与脱盐率及冻融指数呈现显著的负相关。
图7 检测指标相关性分析图
注：*表示P≤0.005，**表示P≤0.001。

Fig.7 Detection index correlation analysis diagram

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3 讨 论

灌溉水源及灌水量是影响作物生长发育的重要因素，咸水结冰灌溉基于当地的气候特点、水盐运移规律以及种植习惯，在冬季抽提地下咸水在低温环境下对土壤进行灌溉[13]，由于气温较低，水分会迅速冻结成冰，咸、淡水分离，春季温度升高，矿化度高的咸水先融化入渗，矿化度低的淡水再融化入渗[15]，从而起到淋洗盐分、增加土壤含水率的作用。土壤水分也是关系到作物生长发育状况的重要因素[14]，沿黄流域由于长期使用黄河水进行漫灌，导致大量的灌溉水分通过深层渗流流失，加之地下水位较高导致该地区土壤盐渍化严重[14]。冬季结冰灌溉通过将水分暂时保存在土壤孔隙中，等到春季温度升高，含盐量较高的部分先融化，将表层盐分带入地下水中，含盐量较低的水分后融化，起到冲洗盐分降低土壤盐碱化的目的[15]。
结冰灌溉能大幅度提升春季土壤含水率，由于结冰灌溉会形成覆盖的冰层，减缓土壤内部与外界的温差，减少因为温度变化导致水分向表层迁移，这与前人[20]的研究结果相一致。郭凯等[16]认为在春季咸水冰融化的过程中，对土壤盐分的脱盐率高达69.38%，这与本研究的结论一致。肖辉[19]等认为冬季结冰灌溉能够降低土壤含盐量，且效果随灌溉水量的增大越明显，这与本研究不同，本研究认为T2处理（180 mm）对作物根部的盐分淋洗作用好于T3处理(220 mm)这主要是由于试验地春季蒸发量较大土壤水分经由大孔隙蒸发，冬季灌溉水达到一定值以后，春季咸水冰融化，融化的水分在达到土壤田间持水率后多余的水分在土壤表面聚集，在强烈的蒸腾作用下水分蒸发掉，由于盐分具有“盐随水来，盐随水走”的特点，水分蒸发，留下盐分于表层土壤中，且T3处理引入的盐分离子含量高于T1、T2处理，故灌水量超过一定范围时会导致土壤表层的盐分积累。CK处理由于没有进行冬季结冰灌溉且春季土壤中的孔隙水含量本来就很低，在蒸腾作用的影响下孔隙水被带走，盐分离子随水分迁徙到土壤表层，造成了春季土壤表层盐分积累，这与前人的研究一致[17,24]。关于最佳灌水量，大量的研究位于宁夏、新疆以及滨海等[20,23,25]地区，关于内蒙古地区黄河南岸灌区由于地下水位较高，故最佳灌水量相较于前人略有不同。
整体而言，各个处理各土层的土壤温度呈现先减小后增大的趋势[19]，这也与当地气温变化相一致。0~20 cm土壤温度主要受灌水量的影响，表现为T2>T1>T3>CK，20~40 cm土层土壤温度较0~20 cm变化趋势一致，由于土层深度增加对于气温的变化缓冲能力逐渐增强，导致结冰灌溉时期最低温度随土层深度增加而逐渐增大。结冰灌溉初始温度变化趋势受当地气温影响较大，2022年相较于2021年初始温度降低，最低温度相差5 ℃左右。年际间，连续的结冰灌溉通过改变土壤结构从而影响水分的分布进而影响土壤温度。土壤温度低于0 ℃的天数呈现增加的趋势，最低温度发生的时间延长，都说明连续的结冰灌溉对于土壤温度保持在一个相对稳定状态有积极作用。
水盐运移具有强烈的耦合效果[21]，明确冬季灌水制度下水分运移规律对于掌握相关条件下的盐分运移规律具有重大影响。结冰灌溉后各个处理均出现了不同程度的含水率升高的情况，这与前人研究结果一致[22]。此外，结冰灌溉灌水量不是越大越好，灌水量过大会导致地下渗流量增大，从而导致地下水位升高，对于本试验地来说地下水位的抬升是导致土壤盐碱化的主要原因，因此，过量的灌溉水量也会导致土壤盐分的积累，这与李勇[21]等人的研究结果一致。年际方面，连续多年的结冰灌溉会导致土壤结构的改变进而提高播种前的土壤含水率，对于来年的出苗率有积极的作用。
本研究主要探究结冰灌溉初冻期和冻结期土壤盐分变化，0~20 cm试验组脱盐率表现为T2>T3>T1，脱盐率随灌水量的增加先增大后减小[9]，灌水量为180 mm时脱盐率达到最大，当灌水量大于180 mm时随着灌水量的增加，盐分离子含量也增加导致土壤盐分离子含量增加，脱盐率下降。20~40 cm土层试验组脱盐率表现为T1>T2>T3，20~40 cm土层的脱盐率显著小于0~20 cm土层，结冰灌溉将表层土壤的盐分离子冲洗到深层土壤，一定程度上会造成深层土壤脱盐率小于表层土壤。由于多年的结冰灌溉在表层土壤中（0~10 cm）表现出脱盐增加效果[20]，根系层由于咸水的灌溉伴随着盐分离子的入渗，使得盐分升高[24, 25]，2022年20~40 cm土层脱盐率的增幅低于0~10 cm。
土壤SAR是指土壤中Na+与Ca2+、Mg2+含量的比值，主要反应土壤碱化程度，在一定情况下土壤碱化对作物的危害更高于盐化[13]，T1、T2处理灌水量不超过180 mm时土壤SAR随着灌水量的增加变化幅度逐步增大，次年春季土壤SAR值越低。消融阶段矿化度较高的水分先入渗，矿化度较低的水分及淡水后入渗，从而降低了土壤SAR [17]；T3处理由于灌水量增大，进入土壤的盐离子含量增加，消融阶段矿化度低的水分及淡水的淋洗效果Ca2+、Mg2+明显高于Na+，从而导致土壤SAR值增大。CK处理没有进行结冰灌溉，春季蒸发量增加，盐分随水分迁徙到土壤表层，从而导致表层土壤板结，土壤深层的水分无法蒸发使交换性钠离子浓度增加进而导致表层土壤SAR增大,与前人[20]的研究结果相一致。此外，有研究表明土壤SAR值在年际间呈现出降低的趋势，这是由于土壤中的离子迁移速率从大到小Na+ > K+>Ca2+ > Mg2+[22]，这与本试验结果相反，本试验冬季咸水结冰，由于矿化度不同水分分层，春季矿化度较高的冰层先融化，将盐分带入深层土壤，深层土壤盐分增加，矿化度较低的盐分后融化，对表层土壤起到淋洗盐分的作用。常年的结冰灌溉会导致土壤深层盐分再增加，结冰灌溉前对土壤进行翻耕导致深层土壤翻到了表层，从而使得冻结前第2年的土壤盐分高于第1年，就SAR降低率而言，连续的结冰灌溉有利于土壤SAR值的降低。
储水量与全盐呈现显著的负相关（P≤0.01），与脱盐率呈现显著正相关（P≤0.01），春季融解期土壤冲洗盐分的水量随着冬季结冰灌溉水量的增加而增加，淋洗盐分的水分增加，土壤盐分含量下降，提高土壤脱盐率[23]。冻结冰层厚度随冬季结冰灌溉灌水量的增加而增加，冰层厚度的差异通过影响该地区土层的温度进而影响土壤冻融指数，冰层厚度越大土层温度变化幅度越小，冻结指数越大，总体而言储水量与冻结期的冻结指数呈正相关。土壤全盐量与冻融指数呈负相关（P≤0.05），盐分含量越高导致土体水分的盐分含量较高，因为盐离子的凝结点要低于水分离子，因此在同样的情况下咸水的冻结温度低于淡水，想要凝固需要释放大量的热量，所以咸水的冻结指数高于淡水。

4 结 论

（1）结冰灌溉能显著提高次年春季土壤含水率，次年春季土壤含水率T3>T2>T1>CK，试验组较CK组的含水率增加80%~90%，土壤含水率随灌溉水量的增加而增加。
（2）土壤温度在多年结冰灌溉的影响下表现出对外界温度波动较好的包容性，最低温度相较于CK组降低了4 ℃。随着灌水量的增加土壤温度逐渐增加。
（3）土壤盐分是反映土壤盐渍化程度的重要指标，随着灌水量的增加耕作层土壤盐分呈现先减小后增大的趋势，最适宜的灌水量为T2处理(180 mm)。

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