秸稈覆蓋對(duì)塔里木盆地南緣綠洲農(nóng)田土壤水鹽運(yùn)移的影響

王海娟， 馬紅娜， 姜海波

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子 832003

土壤次生鹽漬問題是由土壤的鹽漬化灌溉引發(fā)的，這是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)發(fā)展的最主要問題，也是生態(tài)環(huán)境能否保持穩(wěn)定的重要原因[1-2]。國內(nèi)外對(duì)于揭蓋覆蓋效果已有大量的研究[3]。覆蓋不僅能夠抑制土壤水分無效蒸發(fā)并且成本低，這對(duì)于防止土壤返鹽，提高作物水分利用率非常有效。這種覆蓋無需覆膜技術(shù)能將淺層的干燥土壤潤(rùn)濕并且與干燥空氣隔離，最終達(dá)到抑制蒸發(fā)的目的，其研發(fā)和推廣對(duì)于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義[4-6]。

土壤含鹽量過高，引起土壤化學(xué)和物理性質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致絕大部分作物的生長(zhǎng)環(huán)境退化[7]。根據(jù)水可以帶來鹽也可以帶走鹽的原理，適當(dāng)減少土壤水分的流失就可以在一定程度上減緩?fù)寥利}分表聚[8]，進(jìn)而降低土壤鹽害對(duì)作物的影響。秸稈來源廣泛，數(shù)量多，揭蓋覆蓋是一種能有效降低土壤水分蒸發(fā)的方式[9-10]。以往的研究發(fā)現(xiàn)，土壤鹽漬化的主要原因是土壤中鹽分表聚性，秸稈表層覆蓋不僅能抑制鹽分表聚也能減緩?fù)寥利}漬化，抑制水分蒸發(fā)，最終達(dá)到改善鹽堿地的目的。秸稈覆蓋不僅有利于作物生長(zhǎng)，也會(huì)影響土壤鹽分的分布[11-12]。很多專家學(xué)者已明確肯定秸稈覆蓋能夠避免土壤鹽分表聚和抑制土壤水分蒸發(fā)，只有裸地土壤在蒸發(fā)下會(huì)有表層積鹽現(xiàn)象[13]。近期也有不少專家學(xué)者認(rèn)為，秸稈覆蓋可以將鹽分移到耕層底部，讓鹽分聚集，隨著水分上升和蒸發(fā)的作用，鹽分上移導(dǎo)致土壤鹽堿化。也有一部分研究認(rèn)為，秸稈覆蓋以后土壤鹽分含量降低，但是耕作層的鹽分會(huì)漸漸增加。隨著覆蓋時(shí)間延長(zhǎng)，農(nóng)田土壤鹽含量也會(huì)增加[14]。雖然目前對(duì)于秸稈覆蓋效應(yīng)的爭(zhēng)議不大，但是秸稈深層覆蓋的具體技術(shù)還需要更加深入的研究。

新疆屬于干旱內(nèi)陸河灌區(qū)，該地區(qū)常用大水漫灌的方式進(jìn)行灌溉，久而久之導(dǎo)致地下水位不斷上調(diào)[15-17]。受自然氣候影響，由于灌溉水具有下滲、蒸發(fā)等作用，土壤中的水鹽運(yùn)移相對(duì)頻繁，排水系統(tǒng)有待完善，造成了農(nóng)田地土壤的次生鹽漬化。目前新疆已有1億hm2灌區(qū)發(fā)生不同程度的次生鹽漬化現(xiàn)象，約占灌溉面積的30%左右。新疆綠洲灌溉面積占土地總面積的3.57%，其中1/3的耕地土壤已經(jīng)發(fā)生不同程度的土壤次生鹽漬化，約為400萬hm2[15-17]。當(dāng)下土壤次生鹽漬化成為阻礙干旱地灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的一大阻礙?？梢姡芯拷斩捀采w下水分、鹽分在時(shí)間和空間上的運(yùn)移規(guī)律，對(duì)于干旱區(qū)鹽堿地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要作用。而秸稈覆蓋下的土壤鹽分的運(yùn)移具有一定的復(fù)雜性，土壤水鹽遷移的變化規(guī)律尚不清楚。因此，本試驗(yàn)提出上蓋下隔一體化的鹽漬土改方式，通過室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，研究雙層秸稈覆蓋還田對(duì)鹽漬土的改良效應(yīng)和機(jī)制，研究秸稈覆蓋下土壤鹽分運(yùn)移的特征，以期為鹽漬土改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2015年9月15日至2016年3月進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)使用直徑30 cm、高1 m的聚氯乙烯(PVC)管做土柱試驗(yàn)。裝土前，先在土柱底部裝填干凈的砂石層作為反濾層，厚度約10 cm，以提供1個(gè)氣流順暢的入滲環(huán)境。土柱底部用紗布封閉，放置于盛有10 g/L鹽水的塑料盆中，用以模擬地下水環(huán)境。室內(nèi)試驗(yàn)的土壤取自塔里木盆地西北部的阿拉爾灌區(qū)農(nóng)墾九團(tuán)一連的棉田地，從表層至地下1 m深度混合取土。土樣經(jīng)風(fēng)干、碾壓、篩分、均勻混合后制備成室內(nèi)試驗(yàn)土樣。土壤的基本物理化學(xué)屬性見表1。

表1 土壤理化性質(zhì)及肥力特征

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將采集的鹽化潮土混均勻后裝入土柱中，試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理，分別是表層覆蓋玉米秸稈(T1)、土表下40 cm處玉米秸稈(T2)、土表與土表下40 cm處覆蓋秸稈量之比為1 ∶1(T3)、土表與土表下40 cm處覆蓋秸稈量的比例為2 ∶1(T4)、無秸稈覆蓋參考(CK)。其中秸稈覆蓋總量為 900 g/m2。試驗(yàn)時(shí)，將土柱安置于遮雨棚下，已避免降雨的不利影響。

在進(jìn)行試驗(yàn)的最初準(zhǔn)備階段，通過200 mm淡水定額進(jìn)行洗鹽，待水完全滲透后，在土柱側(cè)面上通過土鉆取土；在試驗(yàn)最初階段用1個(gè)空的PVC管做對(duì)照，為測(cè)定試驗(yàn)時(shí)水分蒸發(fā)的強(qiáng)度，每隔5 d對(duì)土柱稱質(zhì)量，通過計(jì)算得出土壤水分的實(shí)際蒸發(fā)量；同時(shí)每隔10 d對(duì)土柱進(jìn)行采樣，采樣位置分別距離土表0～20、20～40、40～60 cm，用來測(cè)量各土層中的含鹽量。試驗(yàn)時(shí)，定期向土柱底部灌入10 g/L鹽水，確保土柱底部一直處于鹽水狀態(tài)。取樣后，將土壤烘干、磨碎，之后過2 mm篩，以1 ∶5的土水比浸提土壤溶液，烘干法測(cè)定土壤含鹽量。

1.3 測(cè)定方法

土壤總含鹽量通過殘?jiān)娓煞y(cè)定。按照土水比1 ∶5將蒸餾水緩緩加入土樣中，再將20 mL濾液倒入1個(gè)已知質(zhì)量的干燥蒸發(fā)器皿中，于200 ℃電熱板上加熱直到干燥結(jié)束。若蒸發(fā)器皿當(dāng)中發(fā)現(xiàn)黃色物質(zhì)，加入適量30%過氧化氫氧化樣品，直至黃色消失。然后將器皿放進(jìn)105 ℃烘箱中4 h。隨后將蒸發(fā)器皿取出，放進(jìn)干燥器中冷卻至室溫，稱質(zhì)量并記錄。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2003、SPSS 18.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用Origin 7.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈覆蓋對(duì)土壤水分日蒸發(fā)量的影響

由圖1可以看出，各處理的土壤水分日蒸發(fā)量變化幅度有差異，但變化趨勢(shì)基本一致。試驗(yàn)初期，各處理土壤水分日蒸發(fā)量較大，5 d后CK日蒸發(fā)量最高，不同秸稈覆蓋方式下土壤水分日蒸發(fā)量由小到大排序?yàn)門4

2.2 不同秸稈覆蓋對(duì)土壤水分累積蒸發(fā)量的影響

由圖2可知，不同秸稈覆蓋方式下土壤水分的累積蒸發(fā)量均低于無秸稈覆蓋的CK。蒸發(fā)5 d時(shí)CK、T1、T2、T3、T4處理的累積蒸發(fā)量分別為6.3、4.8、5.2、4.3、4.2 mm，不同秸稈覆蓋方式對(duì)土壤水分蒸發(fā)的抑制作用表現(xiàn)為T4>T3>T1>T2；同時(shí)，隨蒸發(fā)的進(jìn)行，各處理的累積蒸發(fā)量差異更加明顯。但是，在試驗(yàn)開始時(shí)，T2累積蒸發(fā)量低于T1，隨著時(shí)間的推移，T3處理的累積蒸發(fā)量逐漸低于T2。

2.3 不同秸稈覆蓋對(duì)土壤水分的影響

由圖3可知，相同土層夏季的含水率最低，冬季含水率最高；從土壤剖面來看，CK、T1、T2、T3處理土壤的含水率均隨著土層深度的增加而增加，相同土層的含水率基本表現(xiàn)為T3最高，CK最低；對(duì)于T4處理，0～20 cm土層含水率較高，在20～40 cm最低，而40～60 cm土層含水率有所增加；深層土壤含水率相差不大，隨著秸稈覆蓋的增加，表聚性逐漸減弱。說明秸稈覆蓋對(duì)土壤含水率的垂直分布產(chǎn)生了明顯的影響。不同秸稈覆蓋時(shí)，由于覆蓋方式的受限，水分快速進(jìn)入空隙較大的土壤層(40～60 cm)，而在表層的水分迅速蒸發(fā)，導(dǎo)致表層土壤含水率較低，而由于冬季蒸發(fā)量較小，因此冬季土壤含水率比夏季高。此外，土壤水分運(yùn)移至土層深處，在深層土壤聚積，表層沒有形成大量的積水。

2.4 不同秸稈覆蓋對(duì)土壤鹽分的影響

在蒸發(fā)作用下，底層土壤和鹽分可隨水分向上遷移，使各土層鹽分不斷累積，不同措施的控鹽抑鹽效果差異明顯。由圖4可知，相同土層夏季鹽分含量較高，而冬季鹽分較低；從土壤剖面來看，各處理的土壤鹽分均隨著土層深度的增加逐漸降低，0～20 cm土層鹽分較高，在20～40 cm降低，而40～60 cm 土層鹽分又有所降低，鹽分在土壤表層聚集，隨著秸稈覆蓋的增加，表聚性逐漸減弱。說明秸稈覆蓋對(duì)土壤鹽分的垂直分布產(chǎn)生了明顯的影響。與土壤含水率相比，土壤鹽分表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，主要是由于土壤水分的蒸發(fā)造成了鹽分的累積。不同秸稈覆蓋時(shí)，由于覆蓋方式的受限，水分在表層迅速蒸發(fā)，導(dǎo)致表層土壤含水率較低，鹽分在表層大量累積，而冬季蒸發(fā)量較小，因此，從季節(jié)變化上考慮，冬季土壤表層鹽分較夏季低。

2.5 土壤水分累積蒸發(fā)量與土壤累積含鹽量的關(guān)系

本試驗(yàn)對(duì)土壤水分累積蒸發(fā)量與土壤含鹽量進(jìn)行了相關(guān)性分析。由表1可以看出，土壤水分累積蒸發(fā)量與土壤累積含鹽量具有顯著或極顯著的相關(guān)性。在春季，累積蒸發(fā)量與累積含鹽量顯著相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.542；夏季累積蒸發(fā)量與累積含鹽量極顯著相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.915；秋季累積蒸發(fā)量與累積含鹽量極顯著相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.756；冬季累積蒸發(fā)量與累積含鹽量顯著相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.652。由此可知，累積蒸發(fā)量與累積含鹽量屬于高度正相關(guān)關(guān)系，即土壤水分蒸發(fā)量越大，土壤累積含鹽量越大，這種高度相關(guān)性在夏季最大。

表1 土壤水分累積蒸發(fā)量與土壤鹽累積量相關(guān)性

注：“*”“**”分別表示相關(guān)性顯著(P<0.05)、極顯著(P<0.01)。

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果顯示，秸稈覆蓋能明顯抑制土壤水分蒸發(fā)，且T4處理的抑制效果最好。這主要是由于秸稈覆蓋情況下，形成了復(fù)雜的毛管系統(tǒng)，為水分運(yùn)移提供了通道，使土壤表層水分含量改變[18]。在地表下約40 cm處埋設(shè)秸稈隔斷層，秸稈層以大空隙居多[19]，地表覆蓋的秸稈切斷了空氣和土表的接觸，使土壤水的蒸發(fā)量降低[20]。表面秸稈的覆蓋量越大，對(duì)土壤水分蒸發(fā)的抑制效果越明顯。

孫博等研究表明隨著秸稈覆蓋量的增加，土壤水分的蒸發(fā)量逐漸減少[21]。張金珠等研究發(fā)現(xiàn)，表層覆蓋的秸稈能夠抑制水分蒸發(fā)，且隨著秸稈的覆蓋量的增多，蒸發(fā)強(qiáng)度逐漸減小[22]。喬海龍等研究表明，在自然蒸發(fā)條件下，秸稈層能使深層土壤水分減少，但是表層土壤水分散失較嚴(yán)重[23]。

目前，許多學(xué)者認(rèn)為秸稈覆蓋的方式能夠保證作物生長(zhǎng)的水土環(huán)境，有利于作物生長(zhǎng)。但由于秸稈覆蓋會(huì)影響土壤鹽分，相關(guān)研究尚無定論，甚至還存在一些分歧[24-25]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在地表下40 cm處進(jìn)行秸稈隔層處理，有助于抑制土壤返鹽。由于秸稈的隔層將土壤的毛細(xì)通道切斷，對(duì)土壤土體的連續(xù)性造成了破壞，所以有效抑制了鹽分的表層聚集，降低了土壤鹽分含量[22-23]。不過要達(dá)到理想的抑鹽效果僅使用單一的秸稈隔層方式是不夠的，雖然秸稈的深層覆蓋可以在一定程度上降低土壤返鹽現(xiàn)象，但是并不能影響土壤的表層鹽分聚集[26]。土壤表層的鹽分聚集主要是由鹽分表聚造成的。所以只有在土壤表層和深層同時(shí)覆蓋秸稈，才能有效控制土壤鹽分的形成，降低土壤的含鹽量。學(xué)者封曉輝等通過研究發(fā)現(xiàn)，土壤在具有秸稈層覆蓋的情況下，同時(shí)進(jìn)行地膜覆蓋能夠很好的抑制土壤鹽分；但是這種方式容易導(dǎo)致土壤污染，所以秸稈雙層覆蓋的方式相更適用于鹽漬土改良[26]。在本試驗(yàn)中，由于秸稈覆蓋方式存的局限性，土壤水分在表層快速蒸發(fā)，土壤表層含水率降低，土壤鹽分在表層大量累計(jì)后，冬季蒸發(fā)量會(huì)大大減少。因此，冬天土壤鹽分會(huì)明顯低于夏季。目前關(guān)于秸稈雙層覆蓋降低土壤鹽分的研究尚不成熟，相關(guān)研究多集中于室內(nèi)試驗(yàn)，在實(shí)際應(yīng)用中存在質(zhì)疑。未來的研究應(yīng)側(cè)重于開展田間試驗(yàn)，深入地分析鹽漬地土壤改良的科學(xué)途徑。

本試驗(yàn)主要研究了土壤水分和鹽分的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，土壤水分累積蒸發(fā)量和累積含鹽量的相關(guān)性較高，即土壤水分蒸發(fā)量越高，累計(jì)的含鹽量會(huì)越大，這種高度相關(guān)性主要體現(xiàn)在夏季。土壤水分和鹽分的運(yùn)移具有較為明顯的規(guī)律，在兩者運(yùn)動(dòng)中，水分具有決定性的主導(dǎo)作用。因此，抑制土壤水分的蒸發(fā)能夠有效減少土壤鹽分的積累。