不同覆蓋模式下土壤返鹽及水鹽運(yùn)移規(guī)律

趙文舉，馬　宏，豆品鑫，郁　文

(蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050)

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不同覆蓋模式下土壤返鹽及水鹽運(yùn)移規(guī)律

趙文舉，馬宏，豆品鑫，郁文

(蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050)

干旱地區(qū)地表蒸發(fā)引起土壤水分的散失是造成鹽分表聚的重要原因之一，土壤表層進(jìn)行覆蓋處理可改變地表結(jié)構(gòu)，從而影響土壤水分蒸發(fā)和鹽分遷移過(guò)程，本研究旨在通過(guò)野外田間試驗(yàn)，研究不同覆蓋模式下土壤返鹽及水鹽運(yùn)移規(guī)律。結(jié)果表明：土壤表層進(jìn)行不同覆蓋處理均可有效抑制土壤水分蒸發(fā)，土壤保水效果為：覆砂+覆膜>覆秸稈+覆砂>覆砂>覆秸稈+覆膜>無(wú)覆蓋(CK)；隨土層深度的增加，土壤含水率減小的趨勢(shì)逐漸減緩。不同覆蓋處理也可有效抑制土壤鹽分表聚，縮小鹽分在土壤中遷移的范圍；覆蓋處理的土壤鹽分向上遷移主要發(fā)生在0～20 cm范圍內(nèi)，無(wú)覆蓋處理在0～35 cm范圍內(nèi)，覆蓋后可較好地抑制土壤返鹽。綜合考慮認(rèn)為砂石覆蓋模式是較適合該試驗(yàn)區(qū)的覆蓋模式。

覆蓋模式；土壤返鹽；水鹽運(yùn)移；含水率

在干旱半干旱地區(qū)，土壤鹽漬化和水資源短缺是限制農(nóng)田資源高效利用和導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平低下的直接影響因素[1]。在這些地區(qū)，土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，灌溉或降雨后水分難以保蓄，50%左右的農(nóng)田水分通過(guò)蒸發(fā)損失[2]，造成土壤表層與深層之間較大的水力梯度，這促使深層土壤水分向上運(yùn)移，而水分是鹽分的載體，鹽分將隨水分向土壤表層遷移，在土壤強(qiáng)烈蒸發(fā)過(guò)程中，最終導(dǎo)致大量鹽分在土壤表層聚集?！胞}隨水行，水去鹽留”，只要能有效控制土壤水分蒸發(fā)，理論上就可減輕鹽分表聚，從而達(dá)到改良的目的[3]。因此，如何有效地利用土壤水分，控制水分蒸發(fā)，成為抑制鹽分表聚和改善水鹽障礙的重要議題。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，砂石覆蓋、秸稈覆蓋、塑料薄膜覆蓋等是常用的覆蓋模式，通過(guò)地面覆蓋，減少地面蒸發(fā)，抑制鹽分表聚，使鹽分向地表聚集逐漸減弱，是鹽漬土改良的一種手段[4]。國(guó)內(nèi)外研究表明，砂石覆蓋可減小地表產(chǎn)流、抑制土壤蒸發(fā)、防止土壤次生鹽漬化、改善土壤理化性質(zhì)，顯著提高土壤含水率，最終提高作物產(chǎn)量[5-6]；秸稈覆蓋可提高土壤持水能力，促進(jìn)降雨淋鹽，抑制地表返鹽，還可改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機(jī)質(zhì)[7-8]；地膜覆蓋可保溫增溫，保水抑鹽，改善耕層土壤水熱狀況，活化土壤養(yǎng)分，促進(jìn)作物增產(chǎn)[9-10]。Mathur等[11]指出在土壤表層10 cm覆砂，并摻和到15 cm，可顯著地降低表層土壤鹽分、提高作物產(chǎn)量和土壤含水率；Nassar等[12]、Kladivko等[13]研究認(rèn)為，覆蓋(包括覆蓋秸稈、地膜等)可抑制土壤水分蒸發(fā)，影響土壤鹽分分布，使土壤生態(tài)過(guò)程向良性轉(zhuǎn)化；宋日權(quán)等[14]研究了覆砂對(duì)土壤入滲、蒸發(fā)和鹽分遷移的影響，指出土壤表層覆砂可以改變土壤鹽分在剖面中的運(yùn)移，尤其減弱了鹽分的表聚；孫博等[15]研究了秸稈覆蓋對(duì)鹽漬土壤水鹽的影響，得出秸稈覆蓋鹽漬土壤能夠減少土壤水分蒸發(fā)損失，提高水分利用效率，抑制鹽漬化土壤可溶性鹽分的表聚作用，對(duì)改良鹽漬化土壤具有顯著效果；趙永敢等[16]研究指出地膜覆蓋可減少土壤水分散失和減弱鹽分表聚，而秸稈隔層結(jié)合地膜覆蓋對(duì)潛水蒸發(fā)和土壤返鹽的抑制效應(yīng)更強(qiáng)，淡化耕層作用更為明顯。上述學(xué)者在研究土壤水鹽運(yùn)移方面積累了很多值得借鑒的成果，但針對(duì)不同覆蓋模式下土壤水鹽運(yùn)移的對(duì)比研究還較少。因此，本文作者通過(guò)野外田間試驗(yàn)，研究了不同覆蓋模式對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響，從而得出更符合在西北旱區(qū)推廣的抑制土壤水分蒸發(fā)和鹽分表聚的覆蓋模式。同時(shí)，掌握土壤水鹽、土壤蒸發(fā)等信息，對(duì)于制定適宜的灌溉方式以防治土壤鹽漬化和水分的有效利用，具有重要的科學(xué)與現(xiàn)實(shí)意義。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在景泰縣蘭州理工大學(xué)試驗(yàn)研究基地(104°05′54″E～104°12′54″E，36°24′54″N～36°33′54″N)，該基地位于甘肅省中部的景泰縣，海拔高度平均為1 596 m，地處黃土高原與騰格里沙漠的過(guò)渡地帶，屬溫帶干旱大陸性氣候，主要特點(diǎn)是冬冷夏熱，晝夜溫差較大，干旱少雨，蒸發(fā)量大，風(fēng)沙日數(shù)較多，日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)，熱量資源豐富。境內(nèi)地勢(shì)西高東低，地形地貌大致分為中低山山地、洪積沖積傾斜平原、石質(zhì)剝蝕丘陵和風(fēng)沙地四種類型，土壤類型主要為洪積灰棕荒漠土和灰鈣土。多年平均降雨量為185.0 mm，多集中在7—9三個(gè)月，占全年降雨量的61.4%左右，多年平均蒸發(fā)量約為3 038 mm，約為降雨量的16倍。無(wú)霜期為141 d左右，年平均氣溫為8.2℃，極端最高溫為36.6℃，極端最低溫為-27.3℃。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)在景泰縣蘭州理工大學(xué)試驗(yàn)基地附近的休閑地，選擇休閑地土壤鹽分分布基本均勻的區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)域。在試驗(yàn)開(kāi)始前，先進(jìn)行一次試驗(yàn)區(qū)域的深翻、上下土壤摻合、平整土地、返鹽過(guò)程。試驗(yàn)于2014年8月14日至8月26日進(jìn)行，共13 d，其中在8月15日、8月21日和8月23日有自然降雨發(fā)生，降雨量分別為5.1、4.3、6.7 mm。共設(shè)計(jì)5種覆蓋形式，分別為無(wú)覆蓋(CK)、覆砂(S)、覆砂+覆膜(SM)、覆秸稈+覆膜(JM)和覆秸稈+覆砂(JS)等。覆砂(S)是在土壤表層覆蓋10 cm厚的砂石；覆砂+覆膜(SM)是先在土壤表層覆蓋10 cm厚的砂石，再覆蓋一層膜；覆秸稈+覆膜(JM)是先在土壤表層覆蓋3 cm厚的秸稈，再覆蓋一層膜；覆秸稈+覆砂(JS)是先在土壤表層覆蓋3 cm厚的秸稈，再覆蓋10 cm厚的砂石。由于設(shè)計(jì)了5種覆蓋模式，因此，將平整好的試驗(yàn)區(qū)鋪設(shè)為5塊1 m×1 m的小區(qū)域，面積為5 m2，無(wú)重復(fù)。覆蓋砂石和秸稈厚度均參考當(dāng)?shù)貙?shí)際的覆砂和秸稈厚度，覆蓋砂石厚度為10 cm，覆秸稈厚度為3 cm。試驗(yàn)用砂為試驗(yàn)基地附近壓砂地表層的覆蓋砂石，試驗(yàn)用的秸稈為當(dāng)年收割晾干并粉碎為3～5 cm的小麥秸稈，試驗(yàn)用膜為黑色塑料薄膜，供試砂石顆粒組成見(jiàn)表1。在進(jìn)行覆蓋前，先在每塊區(qū)域均勻地灌溉45 500 ml的水，水分入滲深度為50 cm左右，使水分入滲后再進(jìn)行相應(yīng)覆蓋物覆蓋。

表1　供試砂石的顆粒組成

1.3試驗(yàn)內(nèi)容測(cè)定及方法

試驗(yàn)區(qū)域土壤進(jìn)行深翻、上下土壤摻合、平整土地，未灌水前，利用土鉆采集5種覆蓋模式下0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm這5個(gè)土層的土壤，經(jīng)測(cè)定，土壤各層初始含水率從上到下分別為1.98%、2.11%、2.05%、2.16%、2.23%，土壤各層初始含鹽量從上到下分別為0.713、0.726、0.709、0.734、0.740 mS·cm-1。試驗(yàn)開(kāi)始后，每天17∶00利用土鉆取土測(cè)定土壤各層含水率和含鹽量，土壤采樣前，預(yù)先揭去土壤表層覆蓋物，取土后分層回填。用烘干法測(cè)定土壤各層含水率，利用電導(dǎo)儀測(cè)定土壤含鹽量(土水比為1∶5的配比)，采用感度為0.001 kg的電子秤進(jìn)行稱重。

2　結(jié)果與分析

2.1不同覆蓋模式下土壤水分隨時(shí)間的變化

由于不同覆蓋模式對(duì)土壤水分的保蓄能力不同，導(dǎo)致土壤各層之間的含水率有一定的差異。不同覆蓋模式下土壤各層含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖1，圖中小圖為未灌水前土壤各層初始含水率。

圖1不同覆蓋模式下土壤含水率隨深度的變化規(guī)律

Fig.1Changes in the moisture content of soil with depth under different mulching modes

由圖1(a)可知，5塊試驗(yàn)區(qū)域灌溉相同水后，與試驗(yàn)前土壤各層含水率相比可知，在重力和毛管力作用下土壤各層含水率都有了增大，且含水率增大量隨深度的增加而變小。以土壤深度0～10 cm內(nèi)的含水率為例，覆蓋1天后，CK、SM、JS、S、JM處理的含水率分別為10.22%、13.91%、12.27%、11.06%、10.71%，與CK相比，SM、JS、S、JM處理的含水率分別大了36.1%、20.1%、8.2%、4.8%，說(shuō)明土壤表層進(jìn)行不同覆蓋處理均有蓄水保墑作用。由圖1(b)、1(c)可知，降雨對(duì)土壤表層的含水率有著一定的影響。降雨后，JS、S、CK覆蓋模式下土壤表層含水率有著較小的增加，而SM、JM覆蓋模式下土壤表層含水率有所減小，這主要是由于在平坦的農(nóng)田上進(jìn)行地膜覆蓋，降雨大多聚集在膜上，覆膜阻止了水分的入滲，這與文獻(xiàn)[17]的結(jié)論一致。由圖1進(jìn)一步可知，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，土壤各層含水率均呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，且這種變化趨勢(shì)基本一致，隨土層深度的增加，土壤含水率減小的趨勢(shì)逐漸減緩，而土壤各層含水率基本保持SM>JS>S>JM>CK的變化趨勢(shì)，這幾種覆蓋模式的蓄水保墑、抑制土壤水分蒸發(fā)的效果整體表現(xiàn)為SM>JS>S>JM。這主要是由于這幾種覆蓋模式對(duì)于抑制土壤水分蒸發(fā)的機(jī)理不同，砂石覆蓋主要是增加土壤的滲透能力，蓄水保墑，降低土壤水分蒸發(fā)；秸稈覆蓋主要是降低土壤溫度以及阻截水分上升能力來(lái)降低水分的蒸發(fā)；地膜覆蓋主要是地膜阻隔了水蒸氣向空氣中的蒸發(fā)，導(dǎo)致膜內(nèi)水分向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，從而降低水分蒸發(fā)。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，SM、JS、S、JM覆蓋處理的各層含水率除第一天0～10 cm內(nèi)的差異較顯著外，其他時(shí)段土壤各層含水率差異不大。從抑制土壤水分蒸發(fā)的效果以及考慮到試驗(yàn)區(qū)氣候特征和該地區(qū)砂石資源容易獲取的特點(diǎn)及環(huán)保問(wèn)題，在該地區(qū)砂石覆蓋是抑制土壤水分蒸發(fā)更合理的覆蓋模式。

利用方差分析，對(duì)CK～SM、CK～JS、CK～S、CK～JM組合進(jìn)行顯著性分析，在α=0.05的顯著性水平下，分析不同覆蓋模式對(duì)土壤各層含水率的影響程度。通過(guò)F統(tǒng)計(jì)量值和P-value值的分析可知，在土層深度為0～10 cm內(nèi)，不同覆蓋模式的保水效果均極顯著，土壤表層覆蓋可明顯抑制表層土壤蒸發(fā)；在土層深度為10～20 cm內(nèi)，S和JM覆蓋模式的保水效果為顯著，而SM和JS的為不顯著；在土層深度為20～30 cm內(nèi)，除SM覆蓋模式的保水效果為顯著外，其他均為不顯著；在土層深度為30～40 cm內(nèi)，除SM覆蓋模式的保水效果為極顯著外，其他均為不顯著；而在土層深度為40～50 cm內(nèi)，SM和S覆蓋模式的保水效果為顯著，JS和JM為不顯著。從抑制土壤水分蒸發(fā)的效果和方差分析結(jié)果以及考慮到試驗(yàn)區(qū)氣候特征和該地區(qū)砂石資源容易獲取的特點(diǎn)及環(huán)保問(wèn)題，在該地區(qū)砂石覆蓋是抑制土壤水分蒸發(fā)較適合的覆蓋模式。

2.2不同覆蓋模式下土壤鹽分隨時(shí)間的變化

土壤水分是鹽分遷移的重要載體，鹽漬化土壤中的鹽分隨著土壤水分的運(yùn)動(dòng)而遷移，一般有兩個(gè)重要的過(guò)程。一是灌水過(guò)程中，在水體的攜帶下，土壤表層的淋洗脫鹽過(guò)程；二是灌水后，在土壤水勢(shì)梯度、植物蒸騰、土壤表面蒸發(fā)的作用下，隨土壤水分再分布而發(fā)生的鹽分遷移。不同覆蓋模式下土壤各層含鹽量隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖2，圖中小圖為未灌水前土壤各層初始含鹽量。

圖2不同覆蓋模式下土壤電導(dǎo)率隨深度的變化規(guī)律

Fig.2Changes of the soil conductivity with depth under different mulching modes

由圖2可知，覆蓋1天后，土壤深度0～20 cm內(nèi)的含鹽量比灌水前有所降低，說(shuō)明該土層處于一個(gè)淋洗脫鹽過(guò)程；土壤深度30～50 cm內(nèi)的含鹽量有所增加，說(shuō)明5塊試驗(yàn)區(qū)域在灌水后，隨著水分的入滲，鹽分隨之下移，該土層處于一個(gè)積鹽過(guò)程。之后，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，在蒸發(fā)作用下，鹽分隨著毛管水的上升、蒸發(fā)不斷地向表層聚集，呈現(xiàn)出“鹽隨水走，水去鹽留”的特點(diǎn)，不同覆蓋模式下土壤鹽分均呈現(xiàn)出“C”字型，出現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別位于土層上部和下部。由圖2(b)可看出，因土壤表層有無(wú)覆蓋處理對(duì)土壤各層含水率有明顯的影響，土壤各層含鹽量也隨著發(fā)生了明顯的變化。在土壤深度0～20 cm內(nèi)的含鹽量比第1天的都有了增加，CK、SM、JS、S、JM處理的含鹽量平均增大了76.3%、22.9%、25.6%、27.8%、28.5%，說(shuō)明土壤表層進(jìn)行覆蓋處理可較好地抑制鹽分的表聚；而在土壤深度30～50 cm內(nèi)的含鹽量基本沒(méi)有變化。由圖2(c)可知，在降雨后，除無(wú)覆蓋處理0～20 cm內(nèi)的含鹽量有所變化外，其余含鹽量基本沒(méi)有變化，說(shuō)明土壤表層進(jìn)行覆蓋處理，可減小降雨對(duì)土壤表層的直接沖擊，造成鹽分的下移，從而可減小因降雨使表層鹽分下移對(duì)作物根系造成的影響。由圖2進(jìn)一步可知，進(jìn)行覆蓋處理的土壤鹽分向上遷移主要發(fā)生在0～20 cm范圍內(nèi)，而無(wú)覆蓋處理的主要發(fā)生在0～35 cm范圍內(nèi)，表明土壤表層進(jìn)行覆蓋處理可縮小鹽分在土壤中遷移的范圍和較好地抑制土壤返鹽。

利用方差分析，對(duì)CK～SM、CK～JS、CK～S、CK～JM組合進(jìn)行顯著性分析，在α=0.05的顯著性水平下，分析不同覆蓋模式對(duì)土壤各層鹽分的影響程度。通過(guò)F統(tǒng)計(jì)量值和P-value值的分析可知，除在土層深度為30～40 cm內(nèi)，CK～S組合F統(tǒng)計(jì)量值均大于F統(tǒng)計(jì)量臨界值4.260，P-value值大于0.01而小于0.05，CK～JM組合F統(tǒng)計(jì)量值均小于F統(tǒng)計(jì)量臨界值4.260，P-value值均大于0.05，有S覆蓋模式的抑制鹽分效果為顯著，JM的為不顯著外，不同覆蓋模式在其他各層抑制鹽分效果均為極顯著，表明這幾種覆蓋模式對(duì)土壤各層鹽分運(yùn)移的抑制作用很明顯。

3　結(jié)　論

本文通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn)研究了不同覆蓋模式對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響，得出以下結(jié)論：土壤表層覆蓋處理均可有效地抑制土壤水分蒸發(fā)，在整個(gè)試驗(yàn)中，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，土壤各層含水率呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，但各個(gè)處理的下降幅度不同。其保水效果為：SM>JS>S>JM>CK。同時(shí)，土壤表層覆蓋處理也均可有效地抑制土壤鹽分向表層聚集。覆蓋處理的土壤鹽分遷移主要發(fā)生在0～20 cm范圍內(nèi)，而無(wú)覆蓋處理的土壤鹽分主要發(fā)生在0～35 cm范圍內(nèi)。表明土壤表層進(jìn)行覆蓋處理可縮小鹽分在土壤中遷移的范圍和較好地抑制土壤返鹽?？紤]到試驗(yàn)區(qū)氣候特征和該地區(qū)砂石資源容易獲取的特點(diǎn)及環(huán)保問(wèn)題，在該地區(qū)砂石覆蓋模式是較適合的覆蓋模式。

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Soil resalinization and water-salt movement under different mulching modes

ZHAO Wen-ju, MA Hong, DOU Pin-xin, YU Wen

(School of Energy and Power Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou, Gansu 730050, China)

The loss caused by surface evaporation in arid area of soil moisture is one of the important reasons for the crop yield under gravel-sand mulching. Gravel-sand mulching can change the surface structure, thus affecting the evaporation of soil water and water-salt movement. This paper studied soil resalinization and water-salt movement under different mulching modes through a field test. The result showed that the different mulching modes on soil surface could effectively inhibit soil water evaporation. For effect on soil water retention, the significance of different modes was as the follows: sand and plastic film mulching (SM)>straw and sand mulching (JS)>sand mulching (S)>straw and plastic film mulching (JM)>bare land (CK). The trend of soil moisture content became gradually decreased with the increase of soil depth. The different mulching mode could also effectively inhibit top enrichment of soil salt, and reduce the range of salt movement in the soil. Soil salt upward migration occurred mainly in the range of 0～20 cm soil layer, and occurred mainly in the range of 0～35 cm layer without mulching, indicating that mulching inhibited soil resalinization. In conclusion, the sand mulching (S) is a more suitable mulching mode in the test area.

mulching mode; soil resalinization; water-salt movement; moisture content

1000-7601(2016)05-0210-05

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.32

2015-07-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51269008)；蘭州理工大學(xué)紅柳青年教師培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(Q201310)

趙文舉(1981—)，男，甘肅永昌人，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)水土工程方面的研究。 E-mail：wenjuzhao@126.com。

S152.7

A