微咸水礦化度對秸稈還田下土壤水鹽運(yùn)移分布影響

閃佳黛，胡浩云，謝宏磊

(1.河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北 邯鄲 056021；2.內(nèi)蒙古興安盟松遼水利委員會(huì)察爾森水庫管理局，內(nèi)蒙古 興安盟 137400)

水資源短缺一直都是阻礙我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的障礙，尤其是在干旱半干旱地區(qū)，淡水資源更為匱乏，因此微咸水資源的開發(fā)利用顯得尤為重要。我國的微咸水資源儲(chǔ)量十分豐富，其分布范圍廣，可開發(fā)量大，開發(fā)程度低，且多分散在我國干旱半干旱地區(qū)，若能高效合理的利用微咸水資源對于緩解我國干旱半干旱地區(qū)水資源緊缺是一個(gè)良好的方式[1-3]。秸稈還田作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最常見的利用方式，不僅能提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，給土壤增加養(yǎng)分，還具有良好的蓄水保墑性能，可以有效的減少土體表面蒸發(fā)，提高土壤水分利用效率，并且秸稈還田成本極低，容易操作和推廣，是農(nóng)業(yè)節(jié)水的一項(xiàng)重要措施[4]。國內(nèi)外專家學(xué)者對微咸水及秸稈還田方面做了大量的研究，但目前，對秸稈還田下的微咸水利用鮮有報(bào)導(dǎo)，因此，開展了秸稈還田下不同礦化度微咸水入滲試驗(yàn)，以期研究其對水鹽運(yùn)移分布的影響，為科學(xué)利用微咸水資源提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)條件與方法

1.1 試驗(yàn)條件

為了研究秸稈還田下的微咸水入滲特征及土壤水鹽運(yùn)移分布規(guī)律，在室內(nèi)對均勻土柱進(jìn)行一維垂直入滲試驗(yàn)。試驗(yàn)供水設(shè)備采用串聯(lián)馬氏瓶，維持恒定水頭4 cm，馬氏瓶高70 cm，截面積均為30 cm2，馬氏瓶外壁標(biāo)有刻度，用于記錄入滲水量。土柱由透明有機(jī)玻璃制成，高100 cm，直徑14 cm，厚5 mm，土柱兩旁每隔5 cm對稱開孔，取土孔直徑為1 cm，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 垂直一維入滲試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用土為壤土，采自河北工程大學(xué)試驗(yàn)場，土壤初始含水率為3.2%，密度為1.24 g/cm3，初始含鹽量為2.72 g/kg。土樣經(jīng)風(fēng)干、碾碎，過篩(2 mm)，按密度1.4 g/cm3分層裝入土柱，每層5 cm，層間壓實(shí)拋毛。其中，土柱上層(10 cm)設(shè)置為小麥秸稈摻土還田層，秸稈還田量為干土質(zhì)量的3.2%[6]。微咸水礦化度設(shè)置5個(gè)水平，分別為：1、3、5、7、9 g/L，鈉吸附比均為5，以蒸餾水不還田為對照試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用微咸水由蒸餾水以NaHCO3、MgSO4、MgCl2·6H2O、NaCl和CaCl2按不同比例配制。調(diào)整馬氏瓶位置使試驗(yàn)水頭固定為4 cm，入滲開始后根據(jù)由密到疏的原則記錄馬氏瓶液面讀數(shù)并描繪濕潤鋒曲線，當(dāng)濕潤鋒到達(dá)40 cm處時(shí)結(jié)束試驗(yàn)，抽干土面積水并用量筒量取積水水量。從濕潤鋒向上每隔5 cm提取土樣，將土樣分為兩份，一份用烘干法測含水率，一份制成水土比為5∶1的浸提液測電導(dǎo)率值。

2 結(jié)果與分析

2.1 微咸水礦化度對秸稈還田下累積入滲量影響

微咸水礦化度對秸稈還田下累積入滲量影響如圖2所示，入滲前期，各處理累積入滲量差異不大，隨著入滲時(shí)間的增加，累積入滲量逐漸增加，差異逐漸明顯。相同入滲時(shí)間下，秸稈處理累積入滲量均小于CK，秸稈還田增強(qiáng)了土壤的阻水性。在相同的入滲時(shí)間內(nèi)，礦化度由1 g/L增加到3 g/L時(shí)，累積入滲量隨礦化度的增加而增加；礦化度由5 g/L增加到9 g/L時(shí)，累積入滲量隨礦化度的增加而減小，以礦化度3 g/L為分界點(diǎn)。用Kostiakov模型對累積入滲量與時(shí)間進(jìn)行冪函數(shù)擬合，擬合情況如表1所示。由表1可知，入滲系數(shù)隨礦化度的增大而減小，入滲指數(shù)隨礦化度的增大而增大[9]，說明施用秸稈與未施秸稈所得結(jié)果相似。

表1 不同礦化度下I-t擬合情況

注：I為累積入滲量；t為入滲時(shí)間；k為入滲系數(shù)；a為入滲指數(shù)。

圖2 微咸水礦化度對秸稈還田下入滲量的影響

2.2 微咸水礦化度對秸稈還田下濕潤鋒運(yùn)移距離影響

不同礦化度下微咸水入滲達(dá)40 cm濕潤鋒面所需時(shí)間分別為：168 min(CK)、349 min(礦化度1 g/L)、321 min(礦化度3 g/L)、375 min(礦化度5 g/L)、507 min(礦化度7 g/L)、482 min(礦化度9 g/L)，即入滲到相同深度時(shí)不還田處理所用時(shí)間最短，秸稈還田處理中礦化度為3 g/L時(shí)所用時(shí)間最短。如圖3所示，濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律同累積入滲量變化規(guī)律相似，相同入滲時(shí)間下，秸稈處理的濕潤鋒運(yùn)移距離較CK小。在相同的入滲時(shí)間內(nèi)，礦化度由1 g/L增加到3 g/L時(shí)，濕潤鋒運(yùn)移距離隨礦化度的增加而增加；礦化度由5 g/L增加到9 g/L時(shí)，濕潤鋒運(yùn)移距離隨礦化度的增加而減小，礦化度為3 g/L是拐點(diǎn)。

圖3 微咸水礦化度對秸稈還田下濕潤鋒運(yùn)移距離的影響

通過冪函數(shù)對濕潤鋒與時(shí)間進(jìn)行擬合，如表2所示。

表2 不同礦化度下Zf-t擬合情況

注：Zf為濕潤鋒運(yùn)移距離；t為入滲時(shí)間；m，n為擬合系數(shù)。

2.3 微咸水礦化度對秸稈還田下土壤水分分布影響

圖4為一維垂直入滲過程中，不同礦化度微咸水入滲下土壤質(zhì)量含水率剖面分布圖。由圖4可以看出，表層土質(zhì)量含水率幾近飽和，隨著濕潤鋒向下推移，土壤質(zhì)量含水率逐漸下降。具體變現(xiàn)為在0～10 cm深度范圍內(nèi)，土壤質(zhì)量含水率急劇下降；在10～35 cm深度范圍內(nèi)，土壤質(zhì)量含水率基本穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)；在35～40 cm深度范圍內(nèi)，土壤質(zhì)量含水率再次下降，但變化幅度沒有0～10 cm 大。隨著礦化度的升高，同一深度土壤含水率呈先增大后減小的趨勢，礦化度為3和5 g/L時(shí)土壤含水率較大，高于5 g/L時(shí)，則土壤含水率下降。這是由于土壤的持水能力以及導(dǎo)水性能受到礦化度和Na+濃度兩個(gè)因素影響，一方面隨著礦化度的增加土壤導(dǎo)水性能逐漸增強(qiáng)，另一方面礦化度濃度過高，鈉離子含量增多導(dǎo)致土壤顆粒膨脹，透氣性變差[7,8]。這也是造成累積入滲量與濕潤峰呈上述變化規(guī)律的主要原因。

圖4 不同礦化度微咸水入滲后土壤質(zhì)量含水率在土剖面分布

圖5為不同礦化度下土壤入滲率的變化曲線。如圖5所示，各礦化度下入滲率曲線變化趨勢大致相同，不還田處理土壤入滲率要高于各施用秸稈處理，入滲率隨礦化度的增加表現(xiàn)出先增后減的趨勢，礦化度在3 g/L時(shí)土壤入滲率最高，不同礦化度下入滲率為:9<7<1<5<3 g/L

圖5 入滲率隨微咸水礦化度的變化曲線

2.4 微咸水礦化度對秸稈還田下土壤鹽分分布影響

圖6為土壤鹽分剖面隨礦化度變化曲線。如圖6所示，入滲過程結(jié)束后，不同礦化度微咸水入滲下土壤剖面電導(dǎo)率有相似變化規(guī)律，即在0～5 cm深度范圍內(nèi)電導(dǎo)率隨深度的增加急劇降低；5～30 cm深度范圍內(nèi)，土壤電導(dǎo)率隨深度的增加緩慢增加，但在濕潤鋒處急劇增加，增加到剖面最大值。同一土層深度下，土壤電導(dǎo)率隨礦化度的增加而增加，說明土層含鹽量的高低是由入滲水礦化度決定的。

圖6 土壤鹽分剖面隨礦化度變化曲線

圖7 微咸水礦化度與鹽分降低區(qū)深度關(guān)系

圖7為土壤鹽分降低區(qū)深度變化圖。由圖7可知，對照處理鹽分降低區(qū)深度最大，其濕潤鋒以上區(qū)域均得到淋洗，隨著礦化度的增加，鹽分降低區(qū)深度逐漸減小，礦化度由1 g/L增加到3 g/L時(shí)，鹽分降低區(qū)深度上移10 cm，變化幅度33.3%；礦化度由3 g/L增加到5 g/L時(shí)，鹽分降低區(qū)深度上移16 cm，變化幅度68.2%；當(dāng)?shù)V化度進(jìn)一步增高，整個(gè)土柱幾乎全部積鹽，說明當(dāng)?shù)V化度高于3 g/L時(shí)，入滲水對土 柱中鹽分的淋洗作用效果不大[4,5]。

3 結(jié) 語

(1)在一維垂直入滲試驗(yàn)下，入滲相同深度時(shí)，不還田處理的累積入滲量明顯大于秸稈還田。累積入滲量隨礦化度的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，即在相同的入滲時(shí)間內(nèi)，礦化度由1 g/L增加到3 g/L時(shí)，累積入滲量隨礦化度的增加而增加；礦化度由5 g/L增加到9 g/L時(shí)，累積入滲量隨礦化度的增加而減小。微咸水礦化度對秸稈還田下濕潤鋒運(yùn)移距離的影響同累積入滲量相似。

(2)秸稈還田下不同礦化度微咸水入滲后土壤含水率變化過程相似，隨著礦化度的增加，土壤含水率表現(xiàn)為先增大后減小，以礦化度為3和5 g/L時(shí)，同一深度土壤含水率較高。入滲率隨礦化度的變化規(guī)律同含水率相似，所有處理中以不還田處理的入滲率最大，不同礦化度處理中以3 g/L時(shí)土壤入滲率最大。

(3)秸稈還田下不同礦化度微咸水入滲結(jié)束后，同一深度土壤含鹽量隨礦化度的升高而升高。隨著礦化度的增加，微咸水的淋洗作用逐漸降低，鹽分降低區(qū)深度逐漸減小，當(dāng)?shù)V化度高于5 g/L時(shí)，整個(gè)土柱幾乎全部積鹽。

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