徐天淵,賈振江,李王成,2,3,趙廣興,高海燕,王 潔,趙相宇
(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021;2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心,寧夏 銀川 750021;3.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,寧夏 銀川 750021)
表土覆砂作為我國(guó)西北地區(qū)勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中探索出的一種保護(hù)性耕作方式,具有保溫增滲、抗旱抑蒸的功效[1]。部分學(xué)者在壓砂地土壤蒸發(fā)特性,如土壤蒸發(fā)量估算[2]、含水率變化特征[3]、覆砂有效年限[4]、壓砂礫石元素淋溶[5]等方面進(jìn)行了研究。在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中,壓砂地不可避免會(huì)產(chǎn)生砂土混合現(xiàn)象。呂國(guó)安等[6]研究發(fā)現(xiàn),土壤蒸發(fā)能力與土壤中土壤與礫石的比例有關(guān);許強(qiáng)等[7]通過(guò)對(duì)寧夏香山地區(qū)種植1~17 a的砂田研究發(fā)現(xiàn),砂田覆砂層土砂比由0.09增加到0.57,土壤含水量由25.30%降低到13.70%;王興等[8]研究顯示,降雨量一定時(shí),砂土混合比越大,土壤日蒸發(fā)量和累計(jì)蒸發(fā)量越小,且全覆蓋時(shí)抑制蒸發(fā)效果最好。
微咸水是礦化度在2~5 g·L-1的含鹽水[9],在干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉中已得到廣泛應(yīng)用[10],但同時(shí)其引發(fā)的土壤鹽分累積問(wèn)題也尤為突出[11-13]。表層砂土覆蓋是干旱半干旱地區(qū)特有的一種免耕模式[14],對(duì)土壤鹽分具有一定抑制效果。王永忠等[15]研究表明,壓砂地土壤鹽分會(huì)隨年限增加而逐年降低。潘佳穎等[16]認(rèn)為壓砂層較強(qiáng)的雨水淋溶作用和切斷毛細(xì)管對(duì)鹽分上移的抑制作用使土壤全鹽量隨著土壤深度的增加而增大。
前人研究主要集中在不同砂石類型和不同降雨量的區(qū)別,但針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中微咸水灌溉下不同砂土混合比的水鹽運(yùn)移規(guī)律研究鮮有報(bào)道。本研究采用微型蒸滲儀模擬大田試驗(yàn),探究不同微咸水灌溉水平下不同砂土混合比的水鹽動(dòng)態(tài)規(guī)律,以期為寧夏中部干旱帶壓砂地生態(tài)保護(hù)和微咸水高效利用提供理論依據(jù)。
于2020年8月在寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市環(huán)香山地區(qū)試驗(yàn)田開(kāi)展大田試驗(yàn),(105°13′44″ E、36°56′24″ N,海拔1 500~2 361.6 m)。該地區(qū)降雨稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,近60 a均溫6.8℃,多年平均降水量247 mm,多年平均蒸發(fā)量2 238 mm。在該地區(qū)多年平均蒸發(fā)量約為多年平均年降水量的10倍[17]。
供試土壤為砂壤土,采自香山鄉(xiāng)尹東村自然覆砂的耕作地,在采樣區(qū)剔除表面20 cm覆層,采集覆層下0~20 cm土壤進(jìn)行試驗(yàn)。土壤容重為1.31 g·cm-3,田間持水量(質(zhì)量含水率)為22.31%,飽和含水量(質(zhì)量含水率)為34.15%,土壤晾干后過(guò)1 mm篩備用。土壤顆粒粒徑分布采用 Bettersize-2003 型激光粒度分布儀測(cè)定,土壤粒徑組成特征為孔隙度58.6%,其中砂粒(1~0.05 mm)所占比例11.8%,粉粒(0.01~0.05 mm)所占比例35.1%,粘粒(0.001~0.01 mm)所占比例31.9%,膠粒(<0.001 mm)所占比例21.1%。
試驗(yàn)所用砂石取自當(dāng)?shù)刂饕獕荷暗?,均為灰綠深灰色板巖,試驗(yàn)前過(guò)1 cm和3 cm不銹鋼砂石篩,使砂石粒徑均勻分布在1~3 cm之間,不同粒徑砂石在混合前用自來(lái)水清洗3遍并晾干備用,其中粒徑分布在1~2 cm之間占比為43%,2~3 cm 粒徑占比為57%。
選取地形平整、空間開(kāi)闊的荒砂地作為試驗(yàn)場(chǎng)地,采用微型蒸滲儀進(jìn)行大田試驗(yàn)?zāi)M,微型蒸滲儀分內(nèi)桶和外桶,內(nèi)桶內(nèi)徑24 cm,外桶直徑25.5 cm,高58 cm,壁厚4 mm。試驗(yàn)開(kāi)始前,在試驗(yàn)區(qū)等距布置微型蒸滲儀,使微型蒸滲儀高出土壤表面約2 cm左右,以防止回漏。然后將供試土壤按容重1.31、1.33、1.39、1.42 g·cm-3從內(nèi)桶底部進(jìn)行分層裝土,每層10 cm,裝土?xí)r進(jìn)行層間打毛填土至40 cm高,裝填完成后靜置24 h使桶內(nèi)土壤達(dá)到平衡,將計(jì)算好的微咸水水量一次加入微型蒸滲儀中。本試驗(yàn)所使用的微咸水取自寧夏香山地區(qū)試驗(yàn)基地機(jī)井水,其理化性質(zhì)見(jiàn)表1。
表1 供試微咸水理化性質(zhì)表Table 1 Physical and chemical properties of brackish water tested
本試驗(yàn)結(jié)合當(dāng)?shù)毓嗨考白魑镏饕悍植记闆r,依據(jù)不同計(jì)劃濕潤(rùn)層計(jì)算灌水量,計(jì)算方法見(jiàn)式(1):
W=πR2Hρb(θf(wàn)-θ0)
(1)
式中,W為灌水量(L),R、H分別為微型蒸滲儀半徑和計(jì)劃濕潤(rùn)層深度,本文中分別取12.0,20、30、40 cm;ρb、θf(wàn)、θ0分別為土壤容重(g·cm-3)、田間持水量(%)、干土含水量(%),本文中分別取1.31 g·cm-3、22.3%、2%。計(jì)算所得3個(gè)灌水量水平分別為W1(2.5 L·桶-1,相當(dāng)于55.3 mm),W2(3.7 L·桶-1,相當(dāng)于81.8 mm),W3(5.0 L·桶-1,相當(dāng)于110.6 mm)。
3個(gè)灌水量處理下各設(shè)6個(gè)砂土混合比處理,分別為S1(0%)、S2(20%)、S3(40%)、S4(60%)、S5(80%)、S6(100%),共18個(gè)處理,每個(gè)處理2個(gè)重復(fù)。
微型蒸發(fā)桶內(nèi)覆砂厚度依據(jù)當(dāng)?shù)馗采敖?jīng)驗(yàn)為10 cm[18],砂土混合比(S1~S6)是砂與土的體積比,按照體積與容重之積分別計(jì)算相應(yīng)的質(zhì)量,混合均勻后裝入相應(yīng)內(nèi)桶內(nèi)壓實(shí),然后將不同處理的內(nèi)桶放入對(duì)應(yīng)的外套桶中。
試驗(yàn)于8月7日正式開(kāi)始,每個(gè)重復(fù)的18個(gè)蒸發(fā)桶同時(shí)進(jìn)行灌水(裸土以土面為基準(zhǔn)面,覆砂以砂層表面為基準(zhǔn)面)。試驗(yàn)期間,每天上午8∶00稱重,記錄土壤的日蒸發(fā)量,所用電子秤(益橫TCS-300)量程300 kg,精度0.01 kg。8月21日試驗(yàn)結(jié)束,共進(jìn)行15 d。同時(shí)每天利用20 cm蒸發(fā)皿測(cè)定水面蒸發(fā)量。
試驗(yàn)利用土鉆取土,每3 d測(cè)定一次土壤含水率及其鹽分,共測(cè)定15 d。采集的土樣在烘箱內(nèi)105℃溫度下烘10 h測(cè)土壤水分含量,之后風(fēng)干研磨過(guò)1 mm篩,以5∶1的水土比配置待測(cè)液,提取上清液,使用便攜式電導(dǎo)率儀(雷磁DDBJ-350)測(cè)定土壤鹽分含量。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用EXCEL 2016軟件進(jìn)行處理并用ORIGIN 2018 C進(jìn)行繪圖。
圖1為試驗(yàn)期間各氣象因素日平均變化情況,取自試驗(yàn)地小型氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)。試驗(yàn)持續(xù)觀測(cè)15 d,8月7日正式開(kāi)始,8月21日結(jié)束,試驗(yàn)期間蒸發(fā)強(qiáng)烈,無(wú)天然降水,且除8月12日、8月19日以及8月20日氣溫相對(duì)較低、相對(duì)濕度與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度也較弱之外,整個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)氣溫、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射以及風(fēng)速分別保持在18℃~32℃、24%~76%、243~633 W·m-2、1.55~4.49 m·s-1之間??傮w來(lái)說(shuō),整個(gè)試驗(yàn)階段的氣溫、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射以及風(fēng)速都處在一個(gè)較高的水平。
圖2顯示了各處理下及20cm蒸發(fā)皿(D20)在試驗(yàn)期間的累計(jì)蒸發(fā)量。從整體來(lái)看,各處理下的土壤蒸發(fā)量變化趨勢(shì)大體相同,均隨砂土比例的增加而減小。以W1為例,不同砂土混合比處理下的15 d累計(jì)蒸發(fā)量分別為31.86、24.17、18.51、11.94、7.59、7.35 mm,比D20分別減少了20.39%、39.61%、53.75%、70.16%、81.03%、81.63%,試驗(yàn)初期(3~9 d),各砂土混合比的累計(jì)蒸發(fā)速率較大,斜率差異較為明顯,但隨著試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)的增加(9~15 d),累計(jì)蒸發(fā)速率漸變平緩。尤其80%、100%二者之間差異甚微,充分說(shuō)明高的砂土混合比更具蒸發(fā)抑制效果。
與W1相比,隨著微咸水灌溉量的增加,不同砂土混合比的累計(jì)蒸發(fā)量均相應(yīng)提高,其中W2處理下分別提高了21.69%、2.15%、16.21%、40.03%、74.70%、4.08%,砂土混合比為80%時(shí)為累計(jì)蒸發(fā)變化拐點(diǎn);W3處理下,分別提高了30.82%、35.62%、73.64%、53.18%、60.21%,13.88%,砂土混合比為40%時(shí)為變化拐點(diǎn),且全覆蓋時(shí)的抑蒸保墑效果最好。
圖3顯示了W1、W2、W3處理下不同砂土混合比的土壤含水率分布情況。在土壤水運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,不難看出上層土壤水分含量隨著試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)不斷減少,下層則又有所增加,如灌水后15 d土層深度為40 cm的W3S5、W3S6處理,這一現(xiàn)象與譚軍利[19]所得結(jié)論相似。隨著砂土混合比的增加,抑蒸保蓄作用更為明顯,土壤含水率整體變化差異減小。W1、W2、W3相比,隨著灌水量的增加砂土混合覆蓋的土壤蒸發(fā)抑制作用更加顯著,因此在整個(gè)土壤剖面的含水率變化差異也隨之變小。綜上不難推斷出,分界點(diǎn)位置變化含水率變化差異不僅與砂土混合比有關(guān),還與灌水量有著一定聯(lián)系。
從不同灌水量來(lái)看土壤水分的分布情況,以砂土混合比為60%為例,其他砂土混合比類似。W1、W2、W3,3個(gè)不同處理的土壤水分含量均表現(xiàn)為先增加又減少的趨勢(shì),且在20 cm處達(dá)到峰值。其在第3天20 cm深度的平均土壤水分含量分別為18.89%、23.46%、25.71%,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)分別為16.68%、21.77%、23.93%,遞減幅度依次為13.25%、7.76%、7.44%。因此,隨著灌水量的提高土壤水分含量逐漸增大,變化幅度表現(xiàn)為依次減小。累計(jì)蒸發(fā)量占比情況分別為8.72%、8.12%、6.86%,W3較W1占比減小30.54%,也從側(cè)面說(shuō)明了隨著灌水量的增大土壤水分向更深層運(yùn)移,砂土混合覆蓋的抑制蒸發(fā)作用愈發(fā)明顯。
從不同砂土混合比來(lái)看土壤水分的分布情況,以W1為例,其他灌水量情況類似。其在第3天的土壤水分含量均表現(xiàn)為遞增趨勢(shì),不同砂土混合比20 cm深度的土壤水分含量分別為15.36%、16.86%、17.72%、18.89%、19.27%、20.91%,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)分別為11.95%、14.68%、15.85%、16.68%、16.85%、17.98%,遞減幅度依次為28.54%、14.85%、11.80%、13.25%、14.36%、17.60%??梢悦黠@看出,隨著砂土混合比的提高,土壤表層和深層的土壤水分含量漸增,但變化幅度表現(xiàn)為表層水分減小趨勢(shì)明顯增加,在深層有所減少且明顯低于表層。這充分說(shuō)明,加大砂土混合比可以有效減少土壤表層蒸發(fā)損失,同時(shí),表層土壤水向下入滲,對(duì)于較深層土壤水分也有著一定的保蓄作用。
圖4顯示了W1、W2、W3處理下不同砂土混合比的土壤鹽分分布變化,從中可以看出,土壤鹽分隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸向下運(yùn)移,尤其是砂土混合比為60%時(shí)最為明顯,而隨著砂土混合比的增加鹽分向下層運(yùn)移更加劇烈。W1~W3處理隨著灌水量的增加砂土混合覆蓋下的土壤鹽分運(yùn)移更加明顯,因此整個(gè)土壤剖面的鹽分變化差異也隨之變小。
從不同灌水量來(lái)看土壤鹽分分布情況,灌水后第3天,W1、W2和W3的土壤鹽分含量峰值隨灌水量增大而遞增且位置從20、30 cm逐漸向深層遞進(jìn)。到灌水后第15天,3個(gè)處理的峰值位置繼續(xù)向下層運(yùn)移,且已出現(xiàn)的土壤鹽分含量峰值均出現(xiàn)在30 cm處,較第3天均有所下降,由于取樣深度不夠,砂土混合比較大的處理并未顯現(xiàn)出峰值,但不難推斷出,80%、100%的鹽分含量變化較快,在下層出現(xiàn)的峰值也可能較大??梢?jiàn),在相同灌水量條件下,由于加大砂土混合比抑制了土壤表層蒸發(fā),在減弱土壤鹽分向表層聚積的同時(shí)也加劇了更多鹽分向更深層土壤的運(yùn)移。
從不同砂土混合比來(lái)看土壤鹽分的分布情況,以W1為例,0%、20%和40%的鹽分含量均出現(xiàn)峰值,分別為22.60、24.50 ds·m-1和29.8 ds·m-1,且與不覆砂相比,20%和40%的峰值含鹽量分別提高了8.41%和31.9%。其中,裸土處理下整個(gè)試驗(yàn)階段均在30 cm處達(dá)峰值,但從20%開(kāi)始,土壤鹽分峰值有明顯向下推移趨勢(shì);而60%、80%和100%的鹽分含量并未顯現(xiàn)峰值,原因在于覆蓋層中砂石所占比重增大,可有效阻斷土壤蒸發(fā)的毛細(xì)管作用,表層土壤水分蒸發(fā)減弱,而深層入滲持續(xù)加強(qiáng),促使更多的土壤鹽分向更深層土壤運(yùn)動(dòng),故土壤鹽分峰值會(huì)繼續(xù)向下層運(yùn)移。60%和80%的土壤鹽分均在第9天處于持續(xù)較高水平,而全覆蓋則發(fā)生在第6天,與不覆蓋相比,峰值出現(xiàn)或有提前的趨勢(shì),進(jìn)一步說(shuō)明增大砂石混合比對(duì)于土壤鹽分的深層積累有著明顯促進(jìn)作用,對(duì)鹽分的表層累積有著明顯的抑制作用,且比值越大,峰值出現(xiàn)的時(shí)間可能越早??梢?jiàn),隨著灌水量和砂土混合比的進(jìn)一步加大,“鹽隨水走”[20-22]現(xiàn)象更加凸顯。
地表壓砂是寧夏中部干旱帶抗旱抑蒸的一種重要耕作方式,在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生砂層與土壤的混合,不同砂土混合比對(duì)土壤水分分布具有不同程度的影響[23]。本文研究得出在不同灌水量條件下隨著砂土混合比的增加,累計(jì)蒸發(fā)量均呈下降趨勢(shì),土壤含水率均呈上升趨勢(shì)。這與王興[24]和王艷偉[25]研究結(jié)果一致。裸土?xí)r,各灌水量條件下,蒸發(fā)量?jī)H比水面蒸發(fā)皿小2.04%~20.39%,而砂土混合比為100%時(shí),比水面蒸發(fā)皿小79.08%~81.63%;裸土的土壤含水率分布為7.34%~18.54%,而砂土混合比100%處理下為17.21%~28.72%。不同灌水量下砂土混合覆蓋對(duì)土壤蒸發(fā)量的抑制作用隨砂土混合比的增大而愈加顯著,這是因?yàn)楸韺痈采霸黾恿舜罂紫?,有效促進(jìn)了水分入滲和壤中流的發(fā)生,另一方面,砂土混合比的增大又阻斷了土層與砂層的毛管聯(lián)系,使得土壤表層蒸發(fā)得到進(jìn)一步抑制。
從土壤鹽分的分布來(lái)看,裸土與砂土混合覆蓋相比含鹽量的均值顯然大于砂土混合覆蓋,這與宋日權(quán)等[26]和唐學(xué)芬等[27]的研究結(jié)果一致。在不同灌水量條件下,由于加大砂土混合比抑制了土壤表層蒸發(fā),在減弱土壤鹽分向表層聚積的同時(shí)也加劇了更多鹽分向更深層土壤的運(yùn)移。低灌水量下,0%~40%的鹽分含量均出現(xiàn)峰值,為22.60~29.8 ds·m-1,且與不覆砂相比,20%和40%的峰值含鹽量分別提高了8.41%和31.9%,且峰值位置越往深處推移,出現(xiàn)的時(shí)間可能越早,60%和80%砂土混合比的土壤鹽分均在第9天處于持續(xù)較高水平,而全覆蓋則發(fā)生在第6天,這與譚軍利等[19]的研究結(jié)果不一致,這主要是因?yàn)樯巴粱旌媳炔煌瑢?duì)土壤水分分布的調(diào)控不同,砂土混合比越大,土壤水分向下遷移的速率越快。從本研究的結(jié)果來(lái)看,灌水量增加后雖然其中含有一定鹽分,但短時(shí)間內(nèi)能帶入土壤的鹽分含量較少,反而較多的水分對(duì)表層鹽分起到淋洗作用,避免了鹽分表聚,這與王全九等[23]研究結(jié)果一致。同時(shí),灌水加速了鹽分向下的運(yùn)移速率,提高了峰值鹽分含量。本試驗(yàn)取樣深度是依據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)主要根系分布范圍而確定,同時(shí),也模擬了一次灌水后完整的蒸發(fā)過(guò)程和水鹽運(yùn)移過(guò)程,研究結(jié)果在一定程度上能夠代表研究區(qū)壓砂地土壤水分的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。研究表明增大砂土混合比不但可有效減少土壤水分蒸發(fā),而且同時(shí)可抑制鹽分的表聚,增大土壤農(nóng)業(yè)效能,并利用其促進(jìn)鹽分向土壤更深層運(yùn)移的規(guī)律,可極大地減弱區(qū)域微咸水對(duì)土壤的后期次生危害性,有涵養(yǎng)生態(tài)的潛在作用。
1)隨著砂土混合比的增大,土壤含水率增大,抑制土壤蒸發(fā)作用愈加顯著,其中裸土蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)相比減小幅度僅為2.94%~22.25%,而當(dāng)砂土混合比為20%~100%時(shí),減小幅度可達(dá)42.22%~83.07%,全覆蓋時(shí)抑蒸保墑效果最好。
2)增大砂土混合比,土壤鹽分的深層積累明顯增加,土壤鹽分增幅為8.41%~31.9%,且其向下運(yùn)移速率增大,峰值出現(xiàn)時(shí)間提前,相同鹽分所處深度向下推移5~10 cm。