蒸發(fā)條件下地下水埋深對(duì)土壤水鹽含量的影響

李文昊，王振華，王凱飛

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院/石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832003)

土壤鹽漬化是全球性問題之一，也是影響干旱半干旱地區(qū)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境及糧食安全的主要因素。新疆地處西北內(nèi)陸干旱區(qū)，土壤鹽漬化問題嚴(yán)重。新疆第2次土壤普查數(shù)據(jù)表明，區(qū)域耕地總面積為409萬hm2，鹽漬化耕地面積 1.27萬hm2，占耕地總面積的31.10%，其中輕度鹽漬化占耕地面積的22.32%，中重度鹽漬化占耕地面積的 8.78%[3]。近年來，一些地區(qū)由于過量灌溉、擴(kuò)大耕地面積或掩埋排水設(shè)施等引起潛水蒸發(fā)加劇，土壤次生鹽堿化現(xiàn)象嚴(yán)重，因此，在干旱半干旱地區(qū)，研究一定蒸發(fā)條件下土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律與淺層地下水埋深的關(guān)系，對(duì)于指導(dǎo)鹽堿地改良及防治土壤次生鹽漬化發(fā)生有著重要的理論價(jià)值，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展也具有一定的實(shí)際意義[4-7]。

很多學(xué)者研究了干旱區(qū)土壤原生及次生鹽漬化問題。在對(duì)土壤鹽漬化誘發(fā)機(jī)理研究中，江紅南等[8]、常曉敏等[9]研究表明引排水量、地下水埋深以及蒸發(fā)量對(duì)土壤含鹽量的影響最大，其次為地下水礦化度、降雨和氣溫；張德強(qiáng)等[10]研究認(rèn)為在地下水淺埋區(qū)鹽漬化的鹽分絕大部分來自于地下水；范愛武等[11]考慮土壤熱、濕、氣等因素，通過數(shù)值模擬研究表明地下水位是土壤鹽分運(yùn)移的主要影響因素；樊自立等[12]、張驁等[13]針對(duì)西北干旱區(qū)地下水埋深的研究表明，當(dāng)?shù)叵滤幱诟咚?，在?qiáng)烈的蒸發(fā)作用下，鹽分溶解于地下水，并通過毛管上升積聚于表層，使土壤發(fā)生鹽漬化，產(chǎn)生鹽脅迫。在對(duì)土壤含鹽量與地下水關(guān)系研究中，鄒平等[14]、劉廣明等[7]研究結(jié)果表明，土壤鹽漬化程度高低與地下水的埋深直接關(guān)聯(lián)；IBRAKHIMOV M等[15]研究表明隨著地下水埋深的變淺，土壤含鹽量增加；貢路等[16]研究表明，地下水埋深與土壤表層全鹽含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，并直接影響土壤總鹽含量大小。在利用模擬手段探索土壤水鹽運(yùn)動(dòng)的研究中，趙丹丹等[17]、李遠(yuǎn)等[18]運(yùn)用Hydrus模型模擬了不同土壤質(zhì)地、灌溉方式及灌水頻率下土壤水鹽運(yùn)動(dòng)機(jī)理。

上述研究結(jié)果為干旱區(qū)鹽堿地治理提供了重要參考,但對(duì)淺層地下水位埋深及穩(wěn)定的蒸發(fā)過程與鹽堿化產(chǎn)生的響應(yīng)研究尚少。本文通過研究不同地下水位埋深處理在穩(wěn)定蒸發(fā)條件下濕潤(rùn)鋒、土壤含水率及含鹽量變化過程，探索干旱區(qū)土壤次生鹽漬化誘發(fā)機(jī)理，為進(jìn)一步干旱綠洲區(qū)鹽堿地治理或防治提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)研究方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)基地?；睾０?12 m，東經(jīng)85°59′47″，北緯44°19′28″，平均地面坡度0.6%；地處天山北麓中段，準(zhǔn)噶爾盆地南部，古爾班通古特沙漠南緣；屬典型的溫帶大陸性氣候，冬季長(zhǎng)而嚴(yán)寒，夏季短而炎熱，年日照時(shí)數(shù)為2 721～2 818 h，多年平均降雨量207 mm。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由土柱、供水設(shè)施和蒸發(fā)模擬裝置組成，如圖1所示。采用高80 cm、內(nèi)徑20 cm的有機(jī)玻璃土柱，自土表至地下水埋深設(shè)計(jì)處每10 cm埋置水溫鹽傳感器(Watchdog公司生產(chǎn))；為了減少外界與土柱熱交換，在土柱外部包裹保溫材料(內(nèi)貼錫紙、外包保溫棉)。通過調(diào)整馬氏瓶高度穩(wěn)定、持續(xù)向土柱供水，維持地下水位穩(wěn)定。275 W白熾燈(距離地表20 cm)24 h持續(xù)照射，模擬穩(wěn)定蒸發(fā)。土柱上部裝土模擬包氣帶；試驗(yàn)土取自新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師121團(tuán)鹽堿地荒地。土壤顆分見表1，經(jīng)風(fēng)干、碾壓后，過2 mm土工篩，經(jīng)拌和處理(初始平均電導(dǎo)率為2 mS/cm)。按容重1.5 g/m3，每5 cm分層裝填，裝填一層土后將表層刨毛，以保證容重均衡，并避免土層銜接處出現(xiàn)隔層。土柱下部模擬地下水飽和帶，填裝直徑為2～7 mm的砂礫石，厚度為20 cm。在模擬飽和帶和包氣帶間設(shè)置有隔層(濾紙)，避免上層土壤進(jìn)入下層含水層。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.3 試驗(yàn)方法

2018年3—5月，采用土柱試驗(yàn)，白熾燈模擬穩(wěn)定蒸發(fā)，馬氏瓶放置合適高度控制地下水埋深，設(shè)置30、40、50、60 cm 地下水埋深4個(gè)處理，每個(gè)處理3組重復(fù)，數(shù)據(jù)采用3組平均值。試驗(yàn)開始后，前48 h每隔6 h在土柱外四周標(biāo)記濕潤(rùn)鋒位置，48 h之后每隔12 h標(biāo)記1次；蒸發(fā)過程中利用水溫鹽傳感器監(jiān)測(cè)記錄每小時(shí)土壤水鹽變化；試驗(yàn)結(jié)束后取樣采用烘干稱重法測(cè)定土壤含水量(取土位置與水溫鹽傳感器埋置位置相同)，用DDS-11 A數(shù)顯電導(dǎo)率儀測(cè)定25 ℃下土樣EC值，進(jìn)一步校核水溫鹽傳感器準(zhǔn)確性，結(jié)果表明水溫鹽傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

供試土壤顆粒成分為粘粒15%、粉(砂粒)20%、砂粒65%。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸發(fā)條件下不同地下水埋深土壤濕潤(rùn)鋒變化

地下水是土壤水的供給來源，土壤水是鹽分運(yùn)移的載體，濕潤(rùn)鋒遷移位置可直觀反映水分運(yùn)動(dòng)情況，另外，土壤水分運(yùn)動(dòng)通常受基質(zhì)勢(shì)、壓力勢(shì)、溶質(zhì)勢(shì)、溫度勢(shì)、重力勢(shì)等綜合影響，而本試驗(yàn)設(shè)計(jì)土壤水分運(yùn)動(dòng)主要受到基質(zhì)勢(shì)、溫度勢(shì)及重力勢(shì)的影響。不同地下水埋深下濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離與時(shí)間的關(guān)系對(duì)比，如圖2所示。

這一時(shí)期的廣告用字還存在使用《第二次漢字簡(jiǎn)化方案（草案）》中公布的、后來被廢止的簡(jiǎn)化字（簡(jiǎn)稱“二簡(jiǎn)字”）的現(xiàn)象。1977年底，二簡(jiǎn)字一經(jīng)推行就被大量使用，如1978年刊登在報(bào)紙上的電影廣告將“導(dǎo)演”印為“導(dǎo) ”，將“電影”印為“電 ”[4]。二簡(jiǎn)字在1986年被正式廢除，絕少出現(xiàn)在印刷出版物中，只有街頭手書的招牌廣告上偶爾一現(xiàn)。與繁體字有著深厚的傳統(tǒng)文化基礎(chǔ)相比，二簡(jiǎn)字的根基不穩(wěn)，迅速退出規(guī)范字領(lǐng)域理所當(dāng)然。1987年的《規(guī)定》中禁止使用二簡(jiǎn)字，印刷品中二簡(jiǎn)字的消失是《規(guī)定》實(shí)施成效的體現(xiàn)，而街頭廣告中偶爾出現(xiàn)的手書二簡(jiǎn)字，又反映了《規(guī)定》執(zhí)行不到位。

圖2 不同地下水埋深濕潤(rùn)鋒 推進(jìn)距離與時(shí)間關(guān)系

由圖2可知：地下水埋深越深，濕潤(rùn)鋒完全推進(jìn)時(shí)間越長(zhǎng)；隨蒸發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，各處理濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)速率出現(xiàn)先減后增的變化趨勢(shì)。在蒸發(fā)初期(0～30 h)各處理濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)速率相近，地下水埋深為30 cm時(shí)濕潤(rùn)鋒完全推進(jìn)需60 h，地下水埋深40 cm時(shí)需要90 h，地下水埋深為50 cm時(shí)需要130 h，地下水埋深為60 cm時(shí)需要200 h。穩(wěn)定蒸發(fā)條件下地下水埋深30～60 cm，埋深每增加10 cm完全推進(jìn)時(shí)間依次增加30、70、150 h，說明在蒸發(fā)前期，包氣帶土壤水分運(yùn)動(dòng)受到較強(qiáng)的基質(zhì)勢(shì)作用，濕潤(rùn)鋒的移動(dòng)速率較快。在蒸發(fā)中期，基質(zhì)勢(shì)作用效果明顯減弱，溫度勢(shì)作用還未突顯，土壤水在毛管中運(yùn)動(dòng)較緩慢，且地下水位埋深越深，土壤水分緩慢運(yùn)動(dòng)的延續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。而在蒸發(fā)后期，土壤水分較靠近表層土，溫度勢(shì)作用明顯，土壤水分運(yùn)動(dòng)速率再次增加。

2.2 蒸發(fā)條件下不同地下水埋深土壤含水量變化

為了進(jìn)一步的明確穩(wěn)定蒸發(fā)條件下不同試驗(yàn)處理土壤含水量隨時(shí)間的變化關(guān)系，根據(jù)張驁[13]的研究結(jié)果，選取最具代表性的地下水埋深50 cm，對(duì)距離地表10、20、30、40、50 cm土層蒸發(fā)1～16天，日平均含水率與蒸發(fā)時(shí)間進(jìn)行擬合，如圖3所示。由圖3可知：隨著蒸發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，各土層含水量逐漸增加，且最后趨向于定值，且最終狀態(tài)各土層含水率存在明顯的梯度；在土水勢(shì)綜合作用下，淺層土壤含水量小于深層含水量。地下水不斷補(bǔ)充土壤水，土壤水又在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下形成氣態(tài)水溢出地表；包氣帶成為連接地下水與空氣的介質(zhì)。

圖3 地下水埋深為50 cm不同土層含水量與時(shí)間關(guān)系

為了準(zhǔn)確表征穩(wěn)定蒸發(fā)條件下各處理土壤含水量變化及分布特征，本研究以蒸發(fā)第5、9、15天(試驗(yàn)結(jié)束)為典型日期，分析典型時(shí)期土壤含水量分布特征，以及不同典型日期土壤含水量變化，如圖4所示。由圖4可知：

圖4 蒸發(fā)不同時(shí)間時(shí)不同地下水埋深含水量關(guān)系

穩(wěn)定蒸發(fā)一段時(shí)間后，不同地下水埋深處理的土壤含水量均隨土層深度的增加而增大。

同一土層深度，呈現(xiàn)地下水埋深越深、含水量越低的現(xiàn)象。隨著土壤水逐漸遷移至土表，土壤飽和度逐步增加；蒸發(fā)到第9天時(shí)，所有處理濕潤(rùn)鋒已運(yùn)動(dòng)至地表，土柱內(nèi)部形成水分傳導(dǎo)“通路”；地下水位埋深為30、40 cm處理，在土層深度為13 cm時(shí)出現(xiàn)交錯(cuò)現(xiàn)象，即13 cm以上土層地下水位埋深40 cm的處理大于30 cm的處理；13 cm以下土層反之；同時(shí)，“水去鹽留”出現(xiàn)地表積鹽的現(xiàn)象。到蒸發(fā)15天時(shí)，各土層含水率，尤其是淺層不完全隨地下水埋深的降低而減小，在20 cm以上土層表現(xiàn)出土壤含水率的一致性。

蒸發(fā)初期土壤含水量均隨地下水位埋深的降低而減小，但隨著蒸發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，淺層土壤含水量并不隨地下水埋深呈現(xiàn)絕對(duì)的負(fù)相關(guān)性，土壤含水量與土水勢(shì)有著密切的關(guān)系。

2.3 蒸發(fā)條件下不同地下水埋深土壤鹽分變化規(guī)律

鹽隨水動(dòng)，土壤水分運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，也充分體現(xiàn)出土壤鹽分演變規(guī)律的復(fù)雜性。選取典型時(shí)間節(jié)點(diǎn)[13]，以土壤鹽分的最直接評(píng)價(jià)指標(biāo)電導(dǎo)率反映蒸發(fā)第1、3、6、9、12、15天不同試驗(yàn)處理土壤鹽分分布特征，分析土壤鹽分表聚機(jī)理，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同地下水埋深處理土壤電導(dǎo)率隨時(shí)間變化

從圖5可以看出：

(1)一段穩(wěn)定蒸發(fā)后，不同地下水位埋深處理均表現(xiàn)出鹽分表聚現(xiàn)象。地下水位埋深30 cm處理，持續(xù)蒸發(fā)1～3天鹽分表聚；地下水位埋深40、50 cm處理，持續(xù)蒸發(fā)3～6天出現(xiàn)鹽分表聚；地下水位埋深60 cm處理，持續(xù)蒸發(fā)6～9天鹽分表聚。說明地下水位埋深是土壤鹽堿化速率的重要因素，即地下水位埋深越淺，相同蒸發(fā)時(shí)間下土壤鹽堿化速率越快。這是因?yàn)殡S著蒸發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，土體水分運(yùn)動(dòng)形成穩(wěn)定通路，鹽分運(yùn)動(dòng)也形成穩(wěn)定通路；土壤母質(zhì)中鹽分被源源不斷帶至淺層，地下水中鹽分也隨水分的運(yùn)動(dòng)移至淺層。強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下，水分汽化至大氣，鹽分滯留在地表；此過程中，一定深度的土層僅僅起到傳導(dǎo)的作用，但鹽分一直在地表累積。

(2)結(jié)合圖2結(jié)果，圖5還說明濕潤(rùn)鋒邊緣鹽分很高，土壤濕潤(rùn)鋒在向上運(yùn)動(dòng)的過程是推動(dòng)鹽殼向上移動(dòng)的。

3 討論

(1)本文研究了不同試驗(yàn)處理對(duì)濕潤(rùn)鋒變化、含水率變化及土壤含鹽量的影響，總結(jié)出地下水位埋深是造成土壤次生鹽漬化的重要因素，鹽隨水動(dòng)、水去鹽留，同時(shí)持續(xù)的蒸發(fā)作用是土壤鹽堿化的重要條件，水分是土壤次生鹽堿化的重要媒介。眾多學(xué)者對(duì)土壤鹽堿化的成因進(jìn)行研究[19-21]，一致認(rèn)為土壤發(fā)生次生鹽堿化的程度和地下水埋深有著很大的關(guān)系，僅通過大定額的淋洗方式不能根本解決聚鹽問題，土壤鹽分管理要求把地下水控制在一定的埋深范圍之內(nèi)[22]。

(2)崔亞莉等[23]發(fā)現(xiàn)在地下水淺埋區(qū)，當(dāng)蒸發(fā)量較大時(shí)水分強(qiáng)烈向上運(yùn)移，不僅使地下水礦化度增加，而且加劇了上部土壤的積鹽速度，此觀點(diǎn)和本實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論一致，即地下水位埋深越淺，相同蒸發(fā)時(shí)間下土壤鹽堿化速率越快。

(3)魏彬等[24]、李小倩等[25]分別在不同地下水埋深下得出土壤含水量與地下水埋深之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，并直接影響土壤總鹽含量。本文研究加入穩(wěn)定蒸發(fā)條件的前提，發(fā)現(xiàn)土壤淺層的含水量并不隨地下水埋深呈現(xiàn)絕對(duì)的負(fù)相關(guān)性。

(4)綜上所述，土壤次生鹽漬化防治的關(guān)鍵是對(duì)鹽漬化土地水鹽運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究并制定調(diào)控策略，掌握鹽漬化土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律，才能有效地實(shí)施改良措施，另外，制定合理的作物灌溉制度，因地制宜擬定灌排方式，改良和合理利用土地，將對(duì)土壤洗鹽及預(yù)防土壤次生鹽堿化起到極其重要的作用[26]。

4 結(jié)論

(1)在一維蒸發(fā)條件下，水分運(yùn)移主要受基質(zhì)勢(shì)和重力勢(shì)的綜合作用，溫度勢(shì)與基質(zhì)勢(shì)主要作用在水分運(yùn)動(dòng)開始和結(jié)束時(shí)效果極為明顯。

(2)同一地下水埋深時(shí)，鹽分隨毛管水的上升發(fā)生運(yùn)移，到達(dá)地表后，水分蒸發(fā)，鹽分表聚；不同地下水埋深時(shí)，隨著地下水埋深增加，水分、鹽分運(yùn)動(dòng)路徑增加。

(3)地下水位埋深是造成土壤次生鹽漬化的重要因素，持續(xù)的蒸發(fā)作用是土壤鹽堿化的重要條件，水分是土壤次生鹽堿化的重要媒介。