潛水蒸發(fā)條件下不同棉稈隔層埋深對(duì)土壤鹽分時(shí)空分布的影響

姚寶林，孫三民，李發(fā)永，李朝陽，王學(xué)成

（塔里木大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾843300）

0 引 言

【研究意義】新疆棉花種植面積分別占全國的74.31%和84%，是我國最大的植棉區(qū)[1-2]，而特殊氣候下較大的潛水蒸發(fā)所形成的鹽堿地不利于該區(qū)域棉花產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3-6]。秸稈覆蓋和將秸稈設(shè)置在土壤某一深度可以改變土壤和大氣之間的水汽和熱量交換，具有抑制潛水蒸發(fā)，減緩?fù)寥婪蝶}的效應(yīng)[7-8]。針對(duì)南疆含鹽潛水和棉稈豐富的現(xiàn)狀，開展?jié)撍舭l(fā)條件下棉稈隔層不同設(shè)置深度對(duì)潛水蒸發(fā)、土壤鹽分時(shí)空分布的影響研究，為抑制潛水蒸發(fā)、鹽漬化棉田改良和棉稈還田技術(shù)具有重要研究意義?！狙芯窟M(jìn)展】地下水埋深是造成土壤次生鹽漬化的重要因素，同時(shí)持續(xù)的蒸發(fā)作用是土壤鹽堿化的重要條件[9-10]。土壤隔層的設(shè)置可阻隔土壤和大氣之間熱量和水分交換具有減少蒸發(fā)、抑制土壤積鹽的效果[11-12]，在土壤中設(shè)置隔層具有切斷土壤毛細(xì)管，減緩潛水蒸發(fā)對(duì)地表鹽分的積累[13-14]，并可以改善土壤物理結(jié)構(gòu)、增加土壤有機(jī)質(zhì)、提高土壤水分調(diào)節(jié)能力[15-17]。喬海龍等[18]對(duì)地表下20 cm 鋪設(shè)厚度3 cm 的秸稈隔層表明隔層以下水分很難通過毛管作用上升，從而減少深層土壤水分的蒸散量，郭相平等[14]發(fā)現(xiàn)秸稈隔層埋深25 cm 顯著抑制了潛水蒸發(fā)?；⒛憽ね埋R爾白等[19]在地表下30 cm處鋪設(shè)秸稈隔層，可阻止?jié)撍舭l(fā)，抑制上升水流，減少鹽分向上遷移，但是地表秸稈覆蓋土壤含鹽量小于秸稈埋深30 cm 土壤含鹽量。張金珠等[20]在棉花花鈴期鹽分抑制方面秸稈地表覆蓋要比地表下30 cm覆蓋效果好，張萬鋒等[21]表明秸稈深埋具有的阻鹽蓄水作用，有利于淡化玉米根區(qū)土壤環(huán)境。不同地下水埋深及秸稈隔層設(shè)置對(duì)土壤鹽分時(shí)空分布的影響還需要進(jìn)一步研究?！厩腥朦c(diǎn)】在當(dāng)前以地膜覆蓋為主的膜下滴灌棉田實(shí)施秸稈地表覆蓋難以實(shí)現(xiàn)，對(duì)于新疆目前推廣實(shí)施的棉稈還田模式[22]，還田棉稈隔層潛水蒸發(fā)過程及棉稈隔層設(shè)置對(duì)土壤鹽分時(shí)空分布規(guī)律鮮有研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文在室內(nèi)潛水長期蒸發(fā)條件下，通過對(duì)不同棉稈隔層和潛水埋深處理下潛水蒸發(fā)、土壤鹽分時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行研究，分析棉稈隔層對(duì)土壤鹽分時(shí)空遷移的阻減特征，明確不同潛水埋深下棉稈隔層潛水蒸發(fā)量和鹽分積累之間的關(guān)系，為南疆地下水淺埋區(qū)土壤鹽漬化防治和棉稈還田提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 供試土樣制備

試驗(yàn)于2018年7月20日—2020年7月1日在塔里木大學(xué)試驗(yàn)基地室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室（79°23′33″—81°53′45″E，40°20′00″—41°47′18″N，海拔高度1 020 m）進(jìn)行。地下水埋深在1.54～3.34 m 之間波動(dòng)，礦化度在1.56～2.56 g/kg 之間波動(dòng)。供試土壤取自試驗(yàn)基地棉田，取土范圍0～60 cm 深度，土壤顆粒組成黏粒（<0.002 mm）為3.41%、粉粒（0.002～0.02 mm）為23.06%、砂粒（0.02～2 mm）為73.53%，土壤為砂質(zhì)壤土，土壤pH 值為7.37，屬氯化物-硫酸鹽土，土樣初始土壤含鹽量為2.1 g/kg。將取回的土壤曬干、磨碎，除去雜物后過1 mm 土篩，然后加水翻攪、塑料薄膜覆蓋使土壤水分和鹽分混合均勻，試驗(yàn)土樣含水率為17.5%（約為田間持水率的75%）。

1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置由黑色PVC 管（外徑160 mm、壁厚2.5 mm）土柱、馬氏瓶組成的地下水供水設(shè)施和水面蒸發(fā)量測(cè)裝置組成，其中馬氏瓶由壁厚8 mm、內(nèi)徑300 mm，高400 mm 的有機(jī)玻璃制成，瓶身帶有精度為1 mm 的刻度尺。PVC 管底部通過PVC 膠用堵頭封住，土柱外部包裹2 層2 cm 厚的橡塑保溫卷材以減少外界與土柱的熱交換。地下水埋深設(shè)計(jì)1.0、1.5 m 和2.0 m 共3 個(gè)水平，棉稈隔層埋深為15、30、45 cm 和60 cm 共4 個(gè)水平，試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共計(jì)12 個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3 次，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。土柱裝土前，先在土柱底部裝填干凈的砂礫石層作為濾層，厚度為5 cm，在濾層上鋪設(shè)2 層孔徑2 mm 的尼龍布，尼龍布上鋪設(shè)2 層濾紙以防土柱上部土壤進(jìn)入濾層，按照體積質(zhì)量1.40 g/cm3、土壤質(zhì)量含水率17.5%分層裝填試驗(yàn)土柱，每次裝填高度為5 cm，然后將土層表面打毛，使各層裝填土層之間不出現(xiàn)斷層，裝填至棉稈埋深高度時(shí)，在棉稈隔層上下分別鋪設(shè)2 層尼龍布和濾紙，棉稈樣品取自塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院試驗(yàn)田，將棉稈按1∶3∶6（葉∶桃∶稈）、長度3～5 cm（棉稈主莖用榔頭破碎）、棉稈含水率50%進(jìn)行鋪設(shè)，壓實(shí)后棉稈隔層厚度為5 cm（12×103kg/hm2）。

表1 棉稈隔層土柱蒸發(fā)試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Soil column evaporation under cotton straw interlayer experimental design

PVC管側(cè)面每隔10 cm螺旋布置孔徑為2 cm的取樣孔便于取土，試驗(yàn)時(shí)用橡皮塞堵住取樣孔。土柱裝填好后在砂礫石濾層部位打孔安裝DN15的銅球閥，用塑料軟管將球閥和自制馬氏瓶相連，使液面高出砂礫石濾層5 cm。當(dāng)馬氏瓶中水量消耗完時(shí)，采用人工重新補(bǔ)水。地下水為試驗(yàn)基地重鹽堿土的淋洗液和淡水配合而成，通過殘漬法測(cè)定地下水礦化度g/L（y）和用DDS-308A電導(dǎo)率儀測(cè)定電導(dǎo)率值mS/cm（x）之間關(guān)系進(jìn)行換算（y=0.345 4x+0.008 9，R2=0.9 834），地下水礦化度設(shè)計(jì)為3 g/L（電導(dǎo)率為8.7 mS/cm），試驗(yàn)布置見圖1。同時(shí)采用高100 cm，相同直徑（內(nèi)徑155 mm）的有機(jī)玻璃管測(cè)定室內(nèi)水面蒸發(fā)。

圖1 潛水蒸發(fā)試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus for groundwater evaporation under cotton straw interlayer

1.3 試驗(yàn)測(cè)定方法

試驗(yàn)共計(jì)701 d，為了減少頻繁取樣導(dǎo)致取樣孔周圍土壤鹽分誤差，本試驗(yàn)主要探究棉稈隔層和地下水埋深對(duì)土壤鹽分分布長期產(chǎn)生的影響，故取樣間隔時(shí)間比較長，分別在試驗(yàn)后60、160、280 d和701 d時(shí)取樣，用自制土鉆取土，每次沿取樣孔相同方向取土，由于單個(gè)取樣孔取土量少，所以將3個(gè)重復(fù)土樣混合成2份作為1個(gè)處理土樣，取樣后用初始土壤進(jìn)行回填。采用烘干法測(cè)定土壤水分，風(fēng)干土按照土水比1∶5采用電導(dǎo)率儀測(cè)定土壤鹽分。根據(jù)試驗(yàn)基地土壤含鹽量（g/kg）與土壤電導(dǎo)率（μS/cm）的關(guān)系（土壤含鹽量（g/kg）=0.003 7×土壤電導(dǎo)率（μS/cm）+1.029 1，R2=0.98，n=115）計(jì)算土壤含鹽量。室內(nèi)水面蒸發(fā)和土柱水量觀測(cè)時(shí)間同步。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和繪圖，DPS 進(jìn)行方差分析和曲線擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉稈隔層和地下水埋深對(duì)潛水蒸發(fā)的影響

蒸發(fā)條件下不同深度棉稈隔層和地下水埋深潛水累計(jì)蒸發(fā)量和蒸發(fā)強(qiáng)度分別見圖2 和表2。地下水埋深越深導(dǎo)致毛細(xì)管難以上升到地表，累計(jì)蒸發(fā)量和日均蒸發(fā)強(qiáng)度隨地下水埋深的增加而減小。相對(duì)于水面累計(jì)蒸發(fā)量1 695.67 mm 和日均蒸發(fā)強(qiáng)度2.42 mm/d，1.0、1.5 m 和2.0 m 地下水埋深累計(jì)蒸發(fā)量比水面蒸發(fā)分別降低了28.34%、53.78%和79.83%，1.0 m 地下水埋深比1.5 m 和2.0 m 地下水埋深累計(jì)蒸發(fā)量分別增加了55.06%和255.33%；1.0、1.5 m和2.0 m 地下水埋深日均蒸發(fā)強(qiáng)度為1.74、1.12 mm/d和0.49 mm/d。但由于棉稈隔層的存在，對(duì)土壤水分蒸發(fā)起到一定的抑制作用，整體看棉稈埋深15 cm 阻減蒸發(fā)作用明顯，而棉稈埋深30 cm 累計(jì)蒸發(fā)量和蒸發(fā)強(qiáng)度均大于其他棉稈埋深。地下水埋深為1.0 m 時(shí)，日均蒸發(fā)量為T1-30 處理>T1-45 處理>T1-60 處理>T1-15 處理，地下水埋深為1.5 m 時(shí)，日均蒸發(fā)量為T1.5-30 處理>T1.5-45 處理>T1.5-60 處理>T1.5-15處理，地下水埋深為2.0 m 時(shí)，日均蒸發(fā)量為T2-30處理>T2-45 處理>T2-60 處理>T2-15 處理。由于試驗(yàn)時(shí)間較長（701 d），埋深30 cm 棉稈容易腐爛致使阻減蒸發(fā)作用減弱，土壤蒸發(fā)增強(qiáng)，而棉稈埋深45 cm和60 cm 時(shí)空氣稀少，其腐爛程度和速度較埋深30 cm慢，致使棉稈埋深30 cm 較埋深45 cm 和60 cm 土壤毛細(xì)管作用明顯。

圖2 不同棉稈和地下水埋深土壤蒸發(fā)過程Fig.2 Evaporation process with time for different cotton straw and groundwater buried

表2 不同棉稈和地下水埋深土壤蒸發(fā)強(qiáng)度Table 2 Soil evaporation under different cotton straw interlayer and groundwater depth

2.2 棉稈隔層和地下水埋深對(duì)土壤鹽分時(shí)空分布的影響

蒸發(fā)條件下棉稈隔層和地下水埋深土壤鹽分時(shí)空分布見圖3—圖5。隨蒸發(fā)時(shí)間的延長土柱下部鹽分向上層遷移使各處理鹽分均出現(xiàn)表聚，鹽分表聚量隨地下水埋深增加而降低。1.0、1.5 m 和2 m 地下水埋深條件下耕作層0～30 cm日均積鹽量分別為0.031、0.012 g/kg 和0.004 g/kg。棉稈隔層具有阻減鹽分表聚的作用，地下水埋深1.0 m 棉稈隔層前期阻鹽效果明顯，隨時(shí)間延長，棉稈阻蒸發(fā)作用降低，試驗(yàn)后161～280 d 之間棉稈隔層腐爛后，使前期阻隔在棉稈隔層以下的鹽分隨蒸發(fā)作用向土壤表層遷移，致使0～30 cm日均積鹽量顯著增加，后期日均積鹽量又逐漸降低，隨地下水埋深的增加，這一現(xiàn)象逐漸消失。試驗(yàn)前期（0～60 d）40 cm 以下土壤積鹽量大于耕作層0～30 cm 積鹽量，地下水埋深1.0、1.5 m 和2.0 m時(shí)淺層0～30 cm日均積鹽量分別為0.011、0.010 g/kg和0.005 g/kg，而40 cm 以下土壤日均積鹽量為0.064、0.046 g/kg 和0.037 g/kg。試驗(yàn)161～280 d 期間日均積鹽量0～30 cm 大于40 cm 以下，地下水埋深1.0、1.5 m 和2.0 m 時(shí)淺層0～30 cm日均積鹽量分別為0.057、0.014 g/kg 和0.003 g/kg，40 cm 以日均積鹽量分別為0.006、0.004 g/kg 和0.001 g/kg。

圖3 棉稈隔層和地下水埋深土壤鹽分時(shí)空分布Fig.3 Temporal and spatial distribution of soil salt content with different cotton straw and groundwater depth

圖4 不同棉稈和地下水埋深0～30 cm 之間土壤日均積鹽量Fig.4 Daily salt accumulation in soil 0 to 30 cm with different cotton straw and groundwater depth

圖5 不同棉稈和地下水埋深40 cm～地下水位之間土壤日均積鹽量Fig.5 Daily salt accumulation in soil 40 cm to groundwater with different cotton straw and groundwater depth

試驗(yàn)期間地下水埋深1.0 m 和1.5 m 時(shí)，棉稈隔層設(shè)置在15 cm 處對(duì)耕作層0～30 cm 阻鹽效果最好，T1-15 處理日均積鹽量分別為T1-30、T1-45 處理和T1-60 處理的71.25%、87.15%和90.58%。T1.5-15 處理日均積鹽量分別為T1.5-30、T1.5-45 處理和T1.5-60處理的41.91%、37.85%和34.90%。當(dāng)?shù)叵滤裆顬?.0 m 時(shí)由于土壤毛細(xì)管難以達(dá)到地表，主要依靠蒸發(fā)拉力促使鹽分表聚，所以鹽分表聚量較小，試驗(yàn)期間日均蒸發(fā)強(qiáng)度逐漸降低并未出現(xiàn)增大現(xiàn)象，T2-15處理阻鹽效果依然最好，日均積鹽量分別為T2-30、T2-45 和T2-60 處理的20.45%、26.63%和33.33%。不同棉稈和地下水埋深對(duì)土壤鹽分的二因素方差分析表明棉稈埋深、地下水埋深及棉稈埋深和地下水埋深的互作均對(duì)土壤鹽分產(chǎn)生極顯著（P<0.01）影響（表3、表4），并且地下水埋深對(duì)土壤鹽分的累計(jì)效應(yīng)大于棉稈隔層對(duì)鹽分的累計(jì)效應(yīng)。

表3 不同棉稈和地下水埋深對(duì)土壤0～30 cm 鹽分的二因素方差分析Table 3 Two-way variance analysis for testing the effects of 0～30 cm soil salt under different cotton straw interlayer and groundwater depth

表4 不同棉稈和地下水埋深對(duì)土壤40 cm-地下水位之間鹽分的二因素方差分析Table 4 Two-way variance analysis for testing the effects of 40 cm to groundwater lavel soil salt under different cotton straw interlayer and groundwater depth

從整個(gè)土層積鹽量來看，地下水埋深1.0 m 積鹽量為T1-30 處理（13.76 g/kg）>T1-45 處理（12.80 g/kg）>T1-60 處理（11.30 g/kg）>T1-15 處理（9.12 g/kg）；地下水埋深1.5 m 積鹽量為T1.5-60 處理（5.97 g/kg）>T1.5-45 處理（5.84 g/kg）>T1.5-30 處理（5.18 g/kg）>T1-15 處理（4.99 g/kg）；地下水埋深2 m 積鹽量為T2-30 處理（3.50 g/kg）>T2-60 處理（2.88 g/kg）>T2-45 處理（2.82 g/kg）>T2-15 處理（2.74 g/kg）?？梢姡槍?duì)不同地下水埋深除棉稈隔層15 cm 淺埋外也可以選擇其他深埋模式以降低鹽分積累。

2.3 棉稈隔層和地下水埋深土壤鹽分與累計(jì)蒸發(fā)量關(guān)系

地下水礦化度一定時(shí)，棉稈隔層和地下水埋深條件下耕作層0～30 cm 土壤鹽分與潛水累計(jì)蒸發(fā)量關(guān)系可用線性函數(shù)y=ax+b進(jìn)行描述（表5），耕作層土壤含鹽量隨潛水累積蒸發(fā)量的增加而增大，表現(xiàn)為線性關(guān)系的正相關(guān)，直線斜率a為土壤積鹽速率的快慢，地下水淺埋時(shí)耕作層0～30 cm 土壤積鹽越明顯，耕作層0～30 cm 土壤積鹽速率1.0 m 地下水埋深分別為1.5 m 和2.0 m 的1.84 倍和3.42 倍。

表5 棉稈隔層和地下水埋深下潛水累計(jì)蒸發(fā)量與耕作層0～30 cm 土壤鹽分關(guān)系Table 5 Between accumulation evaporation and soil salt content for 0～30 cm tillage layer under different cotton straw interlayer and groundwater depth

3 討論

3.1 棉稈隔層設(shè)置對(duì)潛水蒸發(fā)的影響

潛水蒸發(fā)是自然界水循環(huán)組成部分，指“潛水向包氣帶輸送水分，并通過土壤蒸發(fā)或（和）植株蒸騰進(jìn)入大氣的過程”[23]，是SPAC 系統(tǒng)“4 水”中地下水向土壤水和大氣水轉(zhuǎn)化的主要形式，潛水蒸發(fā)受土壤毛管水上升高度、毛管輸水能力和大氣蒸發(fā)能力綜合影響，地下水埋深增加，毛細(xì)管補(bǔ)給減弱導(dǎo)致潛水蒸發(fā)量強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)潛水位埋深達(dá)到一定深度，潛水蒸發(fā)量趨向于0[24]。在土壤中設(shè)置秸稈隔層，隔層中大孔隙較多，與均質(zhì)土壤交界面之間形成孔隙差異，阻斷了土壤毛細(xì)管的連續(xù)性，導(dǎo)致土壤導(dǎo)水率降低，使棉稈隔層和均質(zhì)土壤之間水分通量降低，切斷了潛水上升通道，減弱潛水蒸發(fā)能力[8,14,18-19,21,25]。但秸稈腐爛與溫度、水分、微生物等有關(guān)[26]，并且棉稈腐爛分解速率為翻埋高于地面覆蓋[27]，秸稈隔層在15 cm 時(shí)離地表近，土壤含水率較低，減緩秸稈腐爛分解速率，因此導(dǎo)致試驗(yàn)過程中15 cm 棉稈埋深阻蒸發(fā)效果最好，而秸稈埋深30 cm 有利于秸稈腐爛，腐爛秸稈能夠促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成, 改善土壤通

透性與保水保肥能力[28]，使其阻減蒸發(fā)作用降低，潛水蒸發(fā)量最大，但當(dāng)秸稈埋深在60 cm 時(shí)，土壤濕度雖然增加，但是通氣性減低，導(dǎo)致秸稈不易腐爛，土壤毛管作用不明顯，潛水蒸發(fā)量小。

3.2 棉稈隔層對(duì)潛水蒸發(fā)的鹽分阻減效應(yīng)

蒸發(fā)過程潛水中的鹽分隨土壤毛細(xì)管向上遷移，水分蒸發(fā)后鹽分積累在土表，鹽分表聚現(xiàn)象明顯[5,10,29-30]，耕作層0～30 cm 土壤積鹽速率隨地下水埋深增大而減小，土壤含鹽量隨潛水累計(jì)蒸發(fā)量的增加而增大，表現(xiàn)為線性正相關(guān)關(guān)系[9,31]，棉稈隔層設(shè)置可阻止深層土壤鹽分向淺層表聚[8,19-21]，土壤中棉稈隔層設(shè)置可以破壞土壤毛細(xì)管連續(xù)性，抑制潛水蒸發(fā)和地表返鹽[14,18-20,32]，研究表明，秸稈隔層在15 cm處對(duì)潛水蒸發(fā)的抑鹽效果最好，并且棉稈隔層對(duì)土壤耕作層0～30 cm 阻鹽效應(yīng)主要表現(xiàn)在蒸發(fā)前期，隨蒸發(fā)持續(xù)和秸稈隔層的腐爛，土壤通透性增加，將早期阻隔在秸稈隔層以下的鹽分快速向耕作層遷移，使得0～30 cm 土壤鹽分出現(xiàn)積累。

4 結(jié)論

1）隨地下水埋深增加，蒸發(fā)量和蒸發(fā)強(qiáng)度均減小。棉稈隔層設(shè)置在15 cm 深度阻減蒸發(fā)作用明顯，累計(jì)蒸發(fā)量和蒸發(fā)強(qiáng)度最小，而棉稈埋深30 cm 阻蒸發(fā)作用最小。

2）耕作層0～30 cm 土壤積鹽量隨地下水埋深減小而增加。試驗(yàn)前期（0～60 d）40 cm 以下土壤日均積鹽量大于耕作層0～30 cm日均積鹽量，試驗(yàn)中期（161～280 d）0～30 cm日均積鹽量大于40 cm 以下日均積鹽量。棉稈埋深15 cm 對(duì)耕作層0～30 cm 阻鹽效果最好。

3）土壤積鹽量隨潛水累計(jì)蒸發(fā)量增加而增加。耕作層0～30 cm 土壤積鹽量與潛水累計(jì)蒸發(fā)量關(guān)系可用線性函數(shù)描述。