微咸水灌溉下砂層級配及覆砂厚度對 土壤水鹽運(yùn)移的影響

譚軍利 ，王西娜，金慧娟，杜飛飛，田軍倉

（1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部 工程研究中心，銀川 750021；3.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，銀川 750021）

0 引 言

砂田耕作在中國已有300 多年歷史了，是干旱地區(qū)應(yīng)對干旱的一種覆蓋方式。土壤覆砂具有減少土壤水分蒸發(fā)[1-3]，促進(jìn)水分下滲，增加土壤含水率等多種生態(tài)功能。寧夏砂田分布區(qū)主要集中在寧夏中部干旱帶，多年平均降雨量不足200 mm。由于壓砂地種植的西瓜品質(zhì)優(yōu)良，受到市場青睞，近年來種植面積逐年增大。傳統(tǒng)砂田種植西瓜均為雨養(yǎng)，但降雨年際變化大，極端干旱時(shí)常出現(xiàn)。為保證較高且穩(wěn)定的西瓜產(chǎn)量，瓜農(nóng)在種植過程中使用含有鹽分的地下微咸水進(jìn)行補(bǔ)充灌溉?！厩腥朦c(diǎn)】微咸水補(bǔ)充灌溉提高了西瓜產(chǎn)量，但也將鹽分帶入，給壓砂地的可持續(xù)利用帶來了新的挑戰(zhàn)，提出了新的問題：微咸水灌溉條件下壓砂地土壤水鹽是如何分布的？

【研究進(jìn)展】許多學(xué)者對土表覆砂抑制土壤水分蒸發(fā)開展了大量研究。60 d 內(nèi)壓砂田累計(jì)蒸發(fā)量僅為裸田的18.3%[1]；覆蓋5 cm 的砂礫可以保蓄80%～85%的年降雨量[4]；而5 a 的新砂田土壤含水率比裸田的高76.2%～98.4%[5]。在連續(xù)41 d 蒸發(fā)過程中，覆蓋條件下的累計(jì)土壤蒸發(fā)量與時(shí)間呈近似線性關(guān)系，而裸土為對數(shù)關(guān)系[6]。覆砂對土壤蒸發(fā)的抑制效果與砂層的粒徑[7]及厚度[8]有關(guān)。同時(shí)蒸發(fā)減小率與礫石粒徑呈負(fù)相關(guān)[9]，隨覆砂厚度的增加而增加。從覆蓋2 cm到覆蓋10 cm 蒸發(fā)量減少量從52%增加到92%[10]。覆砂減少水分蒸發(fā)是因?yàn)檩^干的覆蓋層增大了其下方的水汽流動阻力[11-12]，該阻力的大小與覆蓋層厚度和砂礫粒徑有關(guān)[13]。

由此可見，覆砂厚度及礫石粒徑與抑制土壤水分蒸發(fā)的能力關(guān)系密切。但這2 個砂層因素對微咸水灌溉條件下壓砂地土壤水鹽運(yùn)移的影響的研究卻很少，而且在實(shí)際的砂田中砂層是粒徑大小不一的砂礫混合物，這與單一粒徑模擬條件下砂礫粒徑抑制土壤蒸發(fā)過程不同。譚軍利等[14]發(fā)現(xiàn)隨著砂田種植年限延長，砂層的級配也會發(fā)生變化，大粒徑的礫石量減少，小粒徑的砂粒增多。鹽隨水而動，覆砂抑制了土壤水分蒸發(fā)從而也減少了表層0～1 cm 之中鹽分累積[15-17]，同時(shí)促進(jìn)了鹽分向下層運(yùn)移[17]。砂層本身也具有一定的持水性能，這種性能隨種植年限增加而增強(qiáng)[14]。

【擬解決的關(guān)鍵問題】綜上所述，砂層厚度和級配或者覆蓋物的粒徑大小會影響土壤水分蒸發(fā)過程，相應(yīng)亦會影響土壤鹽分的運(yùn)移過程。本研究通過土柱模擬試驗(yàn)，明確微咸水灌溉條件下砂層厚度及級配對土壤水鹽分布及運(yùn)移過程的影響，【研究意義】為了解壓砂地微咸水灌溉條件下水鹽運(yùn)移規(guī)律提供一定理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試土壤為淡灰鈣土，取自中衛(wèi)香山鎮(zhèn)紅圈子村荒地。去除表層0～20 cm 土壤以減少地表雜物及植物根系的影響，取20～40 cm 深度土壤，質(zhì)地均一，土壤質(zhì)地為壤質(zhì)土。砂粒量14.2%，粉粒量58.1%，黏粒量27.7%，土壤體積質(zhì)量為1.30 g/cm3，田間持水率為22.3%，土壤風(fēng)干后過1 cm 篩備用。

砂石取自中衛(wèi)興仁鎮(zhèn)興仁八隊(duì)一壓砂地，取回后用標(biāo)準(zhǔn)砂石套篩進(jìn)行篩分，之后不同粒徑砂礫用自來水清洗晾干備用。灌溉用微咸水取自興仁鎮(zhèn)興仁八隊(duì)一眼機(jī)井，機(jī)井深度80 m。微咸水的化學(xué)性質(zhì)如下：ECi5.06 dS/m，pH值8.22，陰離子HCO3-、Cl-、SO42-分別為3.52、30.53、1.92 mmol/L，陽離子Ca2+、Mg2+、Na+、K+分別為2.20、9.89、7.68、0.03 mmol/L。

砂層級配中，粗級配指砂礫組合中的大粒徑礫石占的比例較大，中級配指砂礫組合中的中粒徑礫石占的比例較大，細(xì)級配則是砂礫組合中的細(xì)粒徑礫石占的比例較大。砂層級配是根據(jù)田間調(diào)查取樣得到不同種植年限壓砂地砂層的級配變化規(guī)律確定的，詳見參考文獻(xiàn)[14]。不同砂層級配處理情況列于表1。加權(quán)直徑即將砂層的各粒徑砂礫的直徑乘以其質(zhì)量百分比，3 種級配的加權(quán)直徑分別為6.0、5.0 和4.5 mm。

表1 砂層級配處理不同粒徑砂礫所占百分比 Table 1 Percentage of different size of gravel and sand in gravel-sand mulched stratum %

土柱模擬試驗(yàn)于2015 年7—9 月在寧夏大學(xué)試驗(yàn)場進(jìn)行。采用PVC 土柱進(jìn)行模擬試驗(yàn)，土柱內(nèi)直徑18.9 cm，高100 cm，土柱底部密封。試驗(yàn)設(shè)置砂層級配和覆砂厚度2 個因素，試驗(yàn)設(shè)計(jì)列于表2。本試驗(yàn)共設(shè)7 個處理，其中中級配與10 cm 覆砂厚度為同1 個處理，實(shí)際只有6 個處理，每個處理重復(fù)2 次。

表2 試驗(yàn)處理 Table 2 Experimental treatments

1.2 土柱準(zhǔn)備

土柱四周打孔，共打5 排直徑為1 cm 的取樣孔，取樣孔的間距為10 cm，每排共打8個孔如圖1所示。裝土?xí)r先將所有土柱上的孔用橡皮塞堵上，然后按干體積質(zhì)量1.30 g/cm3分層裝土，每5 cm 為1 層，每裝填完1 層打毛之后繼續(xù)裝填下1 層，共18 層，土壤層高0.8 m。

圖1 試驗(yàn)土柱示意圖 Fig. 1 Schematic diagram of soil column

除0 cm 覆砂厚度外，其他處理在土壤層之上，根據(jù)砂層級配及厚度裝填砂層。砂層按照1.9 g/cm3裝入。土柱試驗(yàn)布置如圖2 所示。

土柱裝填完成后讓其平衡過夜，之后灌入取自中衛(wèi)興仁的機(jī)井水。灌入水量依據(jù)使得80 cm 的土層達(dá)到田間持水率與風(fēng)干土的含水率的差值計(jì)算出來的。每個土柱灌水量一致均為6.3 L。

灌水時(shí)間為8 月18 日，當(dāng)所有土柱入滲完成后記為試驗(yàn)第1 天，試驗(yàn)共進(jìn)行30 d。

圖2 試驗(yàn)布置圖 Fig. 2 Experimental arrangement layout

1.3 樣品采集及測定方法

1.3.1 樣品采集

分別在試驗(yàn)開始的第2、7、12、18、30 天從土柱取樣孔進(jìn)行取樣。取土深度分別為10、20、30、40、50、60 cm 和70 cm，取樣時(shí)將橡皮塞從取樣孔取出，土壤樣品取出后裝入自封袋中。橫向取樣深度3～4 cm，取樣結(jié)束后將橡皮塞塞進(jìn)取樣孔。試驗(yàn)結(jié)束后（即試驗(yàn)第31 天）采用土鉆從土柱中間取土，有覆砂的土柱將所覆砂石小心移去，在砂土界面取土作為表層0 cm 的樣品，其他土樣用土鉆采集，每10 cm為1 個樣品，取樣深度為0～70 cm。由于第12 天和第18 天取樣前有降雨的影響，因此，本文僅分析第2 天、第7 天及試驗(yàn)結(jié)束時(shí)土鉆取樣的結(jié)果。盡管試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的結(jié)果也受到降雨的影響，但距離降雨的時(shí)間比較長，后期由于有12 d 土壤水分蒸發(fā)，也可以看出覆砂對土壤水鹽分布的影響。樣品取回后，一部分用于測定土壤含水率，另一部分則風(fēng)干碾碎過1 mm 篩用于測定土壤鹽分。

1.3.2 測定方法

采用烘干法測定土壤含水率；采用電導(dǎo)率儀測定土水比為1∶5 的懸液，用懸液電導(dǎo)率值代表土壤鹽分。

1.4 數(shù)據(jù)處理

圖表中數(shù)據(jù)均為2 次重復(fù)的平均值，用Excel 2010 軟件作圖。采用單因素方差分析，處理之間多重比較采用LSD 法。

2 結(jié)果與分析

2.1 砂層級配對土壤水分分布的影響

如圖3（a）所示，相同覆砂厚度條件下，在灌水后第2 天，除40 cm 深度處細(xì)級配處理的含水率顯著（P<0.05）低于粗級配及中級配的外，砂層級配對其他深度土壤水分的分布無顯著影響；而到灌水后第7天時(shí)（圖3（b）），粗級配及細(xì)級配處理的0～70 cm土壤含水率高于中級配處理的，尤其是下層50、60、70 cm 深度處存在顯著差異。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)（圖3（c）），中級配處理土壤含水率與粗級配和細(xì)級配的差異進(jìn)一步加大，最大土壤含水率差值達(dá)到6%。說明，砂層級配對土壤水分分布有明顯的影響，影響程度隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長越來越明顯。

圖3 不同砂層級配下土壤水分動態(tài)分布 Fig. 3 Dynamic distribution of soil moisture under different grading of gravel-sand mulching stratum

從圖3（c）可以看出，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，覆砂條件下土壤剖面土壤含水率呈倒“C”形分布。表層土壤含水率較低在12%～16%之間；0～60 cm 土層土壤含水率最高且各層之間土壤含水率差異很小；60 cm 以下土層土壤含水率較低。表層與0～10 cm 深度處的土壤含水率差值在3.5%～4.5%之間，而0～10 cm 和10～20 cm之間土壤含水率差異很小。另外中級配處理的土壤含水率顯著低于粗級配及細(xì)級配的，尤其是下層40～80 cm 之間。這可能是因?yàn)榧壟洳煌皩拥目紫斗植即嬖诓町?，中級配處理的砂層孔隙與下層土壤的孔隙建立了較好的毛管連續(xù)性，導(dǎo)致土壤水分上升到砂層表面而消耗。粗級配砂層由于大粒徑砂礫量（>2.5 mm砂礫量=65%）較多，因此，通氣孔隙較多而毛管孔隙較少，其抑制蒸發(fā)的能力更強(qiáng)，0～40 cm 土層土壤含水率高于細(xì)級配砂層。

2.2 覆砂厚度對土壤水分分布的影響

不同覆砂厚度對土壤水分分布有明顯的影響。如圖4（a）所示，灌水后第2 天，5 cm 和10 cm 覆砂厚度0～60 cm 深度的土壤含水率明顯大于不覆砂（0 cm）和15 cm 覆砂厚度的。適宜的覆砂厚度促進(jìn)了水分下滲，下層土壤水分明顯高于不覆砂處理的。而覆砂厚度達(dá)到15 cm 的處理土壤含水率最低，這可能是因?yàn)樯皩颖旧砭哂幸欢ǖ某炙芰?，?dāng)覆砂厚度超過一定閾值后減少入滲的水量，導(dǎo)致土壤含水率明顯低于其他處理。而到灌水后第7 天（圖4（b）），覆砂厚度15 cm處理的土壤含水率顯著增加且與其他覆砂處理的土壤含水率接近。不覆砂時(shí)，不同土層土壤含水率明顯低于覆砂處理的，0～40 cm 土層覆砂與不覆砂處理土壤含水率差值為4.7%～6.0%，且隨著土層深度增加土壤含水率差值進(jìn)一步增大。

從圖4（c）可以看出，覆砂與不覆砂土壤含水率差異最大的是表層且達(dá)到極顯著水平（P<0.01），覆砂處理土壤含水率是不覆砂處理的4～5 倍。0～40 cm土層，與不覆砂相比，覆砂處理的土壤含水率提高了30.6%～62.3%。不同覆砂厚度之間土壤水分也存在一定的差異。覆砂厚度5 cm 土壤含水率最高，其次為15 cm，最低的是10 cm 的處理，但覆砂處理之間差異不大。

圖4 不同覆砂厚度下土壤水分動態(tài)分布 Fig.4 Dynamic distribution of soil moisture under different thicknesses of gravel-sand mulching stratum

圖5 不同砂層級配下土壤鹽分動態(tài)分布 Fig.5 Dynamic distribution of soil salinity under different grading of gravel-sand mulching stratum

2.3 砂層級配對土壤鹽分分布及運(yùn)移的影響

如圖5 所示，砂層級配對土壤鹽分分布及運(yùn)移影響較小，這主要是因?yàn)榇旨壟?、中級配及?xì)級配之間覆砂厚度均為10 cm，而且砂層是各種粒徑砂礫的混合物，只是比例有所差異。灌水后第2 天（圖5（a）），不同級配砂層處理含鹽量峰值出現(xiàn)在60 cm 土層處。但是20～50 cm 土層，細(xì)級配砂層土壤含鹽量低于其他處理對應(yīng)深度土壤含鹽量。灌水后第7 天（圖5（b）），細(xì)級配及粗級配處理含鹽量最大值出現(xiàn)在70 cm深度處，而中級配處理的峰值仍在60 cm 處。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)（圖5（c）），不同級配砂層處理剖面上土壤鹽分分布基本一致。但粗級配砂層處理0～40 cm 土層土壤含鹽量低于中級配和細(xì)級配，這與粗級配砂層能保蓄更多土壤水分（圖3（c）），有效抑制土壤蒸發(fā)有關(guān)。

2.4 覆砂厚度對土壤鹽分分布及運(yùn)移的影響

如圖6 所示，覆砂厚度對土壤鹽分在剖面上的分布有明顯影響。灌水后第2 天（圖6（a）），覆砂5 cm處理鹽分峰值出現(xiàn)在50 cm 處，且鹽分峰值最高達(dá)到5.46 dS/m，不覆砂處理鹽分峰值出現(xiàn)在60 cm 處，其峰值處含鹽量在4 個處理中最低。灌水后第7 天（圖6（b）），不同覆砂厚度處理鹽分分布存在較大差異。不覆砂處理的鹽分峰值上升到40 cm 處且峰值處含鹽量增大；而覆砂5 cm 處理，鹽分峰值下移至70 cm 處而且峰值處含鹽量下降。而覆砂10 cm 和15 cm 處理，鹽分峰值及出現(xiàn)的位置變化不大。

圖6 不同覆砂厚度下土壤鹽分動態(tài)分布 Fig. 6 Dynamic distribution of soil salinity under different thicknesses of gravel-sand mulching stratum

從試驗(yàn)結(jié)束時(shí)土壤鹽分分布來看（圖6（c）），覆砂與不覆砂處理含鹽量差異最大的是表層土壤（P<0.001），覆砂處理表層含鹽量在0.3～0.4 dS/m 之間，而不覆砂處理的含鹽量為1.31 dS/m。覆砂抑鹽效率達(dá)到69%～77%。且不覆砂處理整個0～80 cm 剖面上平均含鹽量高于覆砂處理的，盡管試驗(yàn)期間有降雨的影響。覆砂5 cm 處理的0～10 cm 土層含鹽量小于覆砂10 cm 和15 cm 的，這也說明覆砂僅為5 cm時(shí)亦可抑制了表層土壤的鹽分的累積。

3 討 論

3.1 砂層級配對土壤水鹽分布的影響

砂石覆蓋改變了土壤水文過程，提高了土壤導(dǎo)水率和入滲速率[18]。以往研究砂石覆蓋對土壤水分分布及運(yùn)移過程多采用單一粒徑的砂石[6-8]，而本試驗(yàn)中是根據(jù)田間實(shí)際砂層級配情況來設(shè)計(jì)砂層。這種砂層級配更能反映實(shí)際砂層對水鹽分布及運(yùn)移的影響，但同時(shí)也增加了研究的復(fù)雜性。3 種砂層級配其加權(quán)直徑分別為6.0、5.0、4.5 cm。盡管加權(quán)直徑差異不大，但其本身的持水性能[14]以及砂層孔隙大小的分布卻有很大的差異。砂礫層與土體形成的層狀結(jié)構(gòu)其土壤水分運(yùn)移特性不同于均質(zhì)土，其孔隙結(jié)構(gòu)的不同空間分布通過影響土層含水率、水力梯度和傳導(dǎo)度，進(jìn)而影響土壤水分和溶質(zhì)運(yùn)移[18]。在灌水后2～7 d，砂層級配對土壤水分分布的影響不明顯。但試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，中級配的砂層整個剖面土壤含水率明顯低于粗級配及細(xì)級配砂層，而粗級配砂層增加了0～10 cm 土壤的土壤含水率。造成這種結(jié)果的原因可能是中級配的砂層與土壤的毛管力的連續(xù)性要好于粗級配及細(xì)級配，形成了一個持續(xù)水分輸送的通道使得土壤水分因蒸發(fā)而減少。逄蕾等[19]認(rèn)為小粒徑礫石覆蓋保水效果最好。這與本文的結(jié)論相一致。

雖然砂層與下層的土壤建立了毛管聯(lián)系，但由于砂層具有的毛管孔隙大大少于土壤，因此，與裸土相比，土壤水分還是得以保蓄。而粗級配砂層則因?yàn)閾碛懈嗟耐饪紫抖鴾p少了土壤水分的消耗，保蓄更多上層土壤水分。

從土壤鹽分的分布來看，壓砂措施抑制了土壤鹽分在表層土壤的積聚。唐學(xué)芬等[20]發(fā)現(xiàn)裸地的含鹽量明顯高于砂地，且老砂地>新砂地>中砂地。但由于該研究中壓砂時(shí)間以及灌水措施對土壤鹽分存在持續(xù)的影響，所以含鹽量不僅與新、中、老砂地砂層的特性有關(guān)。本研究中粗級配砂層由于抑制土壤水分蒸發(fā)能力較強(qiáng)，上層0～40 cm 土層的含鹽量低于細(xì)級配和中級配砂層。

3.2 覆砂厚度對土壤水鹽分布的影響

本試驗(yàn)中灌水量是在保證0～80 cm 深度土壤達(dá)到田間持水率的基礎(chǔ)上而設(shè)計(jì)，微咸水灌水量比較有限。因此，砂層本身的持水量的多少會對土壤水鹽運(yùn)移產(chǎn)生影響。隨著砂層厚度增加，砂層持水量相應(yīng)也會增加。砂層厚度對水分入滲產(chǎn)生較大影響，在一定覆砂厚度（本研究中的5 cm 和10 cm）條件下覆砂促進(jìn)了土壤水分的下滲，而超過一定覆砂厚度后，覆砂反而限制了入滲初期土壤水分的下滲，整個剖面的土壤含水率低于不覆砂處理。這主要是因?yàn)樯皩雍穸瘸^一定的范圍后，砂層持水量增加而參與入滲的水量減少。隨著試驗(yàn)時(shí)間延長（灌水后第7 天），砂層所保持的水分逐漸釋放出來，并在重力的作用下繼續(xù)下滲，故不同覆砂厚度條件下土壤水分分布無顯著差異。砂層厚度對土壤水分的蒸發(fā)影響在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)已經(jīng)顯現(xiàn)出來。與不覆砂處理相比，無論覆砂厚度大或小均能大幅度增加土壤含水率。這與以往的研究結(jié)果[1-3]相類似。

由于本研究歷時(shí)較短，只有1 個月，且期間還有降雨的影響，所得結(jié)果也是初步結(jié)果。為進(jìn)一步探討覆砂厚度及級配對土壤蒸發(fā)及水鹽分布，需要更長時(shí)間且更好的環(huán)境控制條件來進(jìn)行。

4 結(jié) 論

1）砂層級配對土壤水鹽運(yùn)移的影響較小，中級配的砂層抑制土壤水分蒸發(fā)的能力較粗級配及細(xì)級配的砂層弱。

2）在灌水量相同條件下，砂層厚度越大，砂層本身的持水量能力越強(qiáng)。

3）與不覆砂相比，覆砂均能保蓄土壤水分，抑制鹽分在土壤表層聚集和促進(jìn)鹽分下移。