摻沙對(duì)鹽漬化土壤水鹽分布及其蒸發(fā)特性的影響

孫池濤，鄧亞鵬*，孫玉霞，毛偉兵，米兆榮，張倩，張明明

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271000； 2. 河南科技學(xué)院園藝園林學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

鹽漬土是重要的后備耕地資源，其合理開(kāi)發(fā)與改良利用對(duì)提高土地生產(chǎn)力、保障世界糧棉安全具有重要意義.中國(guó)是世界上鹽漬土面積很大的國(guó)家，約為3 600萬(wàn)hm2，主要分布在東北、西北及濱海地區(qū)[1].這些地區(qū)也是中國(guó)重要的糧棉產(chǎn)區(qū)，但長(zhǎng)期以來(lái)，受土壤鹽分含量較高、地表積聚嚴(yán)重等因素影響，植被成苗困難，缺苗斷壟現(xiàn)象嚴(yán)重[2].水分是限制該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，因此，減少土壤蒸發(fā)、保蓄土壤水分是抑制鹽分向地表積聚和鹽漬土改良的重要議題.

國(guó)內(nèi)外有關(guān)鹽漬土水鹽調(diào)控措施的研究報(bào)道已經(jīng)很多，其中，沙石覆蓋是解決中國(guó)北方干旱地區(qū)水資源短缺、提高作物產(chǎn)量的重要農(nóng)藝措施之一，在提高降水入滲、抑制土壤蒸發(fā)等方面具有重要作用[3-4].付亞亞等[5]研究了覆沙對(duì)冬小麥農(nóng)田土壤水分的影響，指出土壤貯水量隨著覆沙量增加而增大，土壤累計(jì)蒸發(fā)量隨覆沙量增加而減小.馬中昇等[6]研究表明地表覆沙可提高土壤含水率，抑制地表返鹽，提高西瓜產(chǎn)量.

以往研究多是集中于地表覆沙對(duì)土壤水鹽及作物產(chǎn)量的影響.然而，作物生育期結(jié)束后，地表的沙石很難從地表直接移除，覆蓋的沙石通常隨耕作與上層土壤混摻，形成新的土壤，這與原有土壤的水力傳輸特性有很大差異，而有關(guān)土-沙混摻后摻沙層內(nèi)土壤蒸發(fā)特性及水分運(yùn)移的研究結(jié)果鮮見(jiàn)報(bào)道.

近年來(lái)，有關(guān)摻沙對(duì)非鹽漬土土壤理化性質(zhì)、濕潤(rùn)鋒和入滲速率等方面的研究工作取得了重要進(jìn)展[7-8]，而有關(guān)摻沙條件下鹽漬土土壤蒸發(fā)、水鹽運(yùn)移特征的研究報(bào)道鮮見(jiàn)[9].開(kāi)展相關(guān)研究對(duì)豐富土壤蒸發(fā)機(jī)理和水鹽調(diào)控理論具有重要作用[10-11].鑒于田間氣象因素(空氣溫度、濕度、風(fēng)速等)變化復(fù)雜，且條件難以控制，文中通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)置不同摻沙量模擬不同覆沙年限摻沙狀況，分析摻沙層土壤水鹽分布及蒸發(fā)速率變化，旨在研究摻沙對(duì)鹽漬土土壤蒸發(fā)及土壤水鹽調(diào)控的影響，為鹽漬農(nóng)田土壤保墑、抑鹽和土壤改良提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤取自某科技示范區(qū)(117°42′～118°04′E，37°17′～38°03′N)，采樣深度為0～40 cm，土壤容重為1.25～1.45 g/cm3，鹽質(zhì)量比為3～5 g/kg，土壤黏粒(<0.002 mm)為10.75%，粉粒([0.002，0.050]mm)為54.92%，沙粒(>0.050 mm)為34.33%；土壤質(zhì)地為黏質(zhì)壤土(美國(guó)制)，具體顆粒級(jí)配：粒級(jí)為<0.002，[0.002,0.010]，(0.010,0.020]，(0.020,0.050]，(0.050,0.200]，(0.200,2.000]mm的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.75%，5.24%，9.05%，40.63%，33.18%，1.15%.采樣區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為12.3 ℃，降雨量為586 mm，蒸發(fā)量為1 800 mm；其中6—9月份降雨量約占全年的70%.試驗(yàn)中，以粒徑為1～2 mm石英沙作摻沙材料.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置容積為230 mL、杯高80 mm、上口直徑70 mm、下口直徑50 mm的塑料杯實(shí)現(xiàn)，2個(gè)塑料杯為一套裝置，具體如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

上杯底部用電鉆均勻打孔(孔徑1 mm)，下杯完好嵌套上杯.上杯底部均勻鋪設(shè)20 g粒徑為2 mm的石英沙作反濾層，之后將預(yù)先混合好的140 g土-沙混合物(摻沙量按照占土-沙總質(zhì)量比例為0，10%，30%，50%和70%設(shè)置，處理名稱依次為CK，T1，T2，T3和T4)裝入杯中，反濾層與土壤之間放置一層濾紙以防止反濾層與土壤混摻，塑料杯上部預(yù)留0.5 cm空間以灌水，每個(gè)處理重復(fù)20次.

1.3 操作流程

試驗(yàn)前，在每個(gè)處理土壤上方放置一層濾紙，以免加水沖坑；之后，向每一套裝置中加100 mL預(yù)先配置好的5 g/L氯化鈉溶液淋洗土壤，以保證每個(gè)處理初始鹽分含量一致(這一過(guò)程中應(yīng)及時(shí)排除下杯搜集的液體)，裝置靜置24 h.按照先密后疏的原則，選擇每個(gè)處理中最后3組裝置稱重，根據(jù)前后兩次稱量值計(jì)算蒸發(fā)量；通過(guò)破壞性分層取樣(0～1，1～2，2～3和3～5 cm)測(cè)定土壤質(zhì)量含水率和電導(dǎo)率(含鹽量)；土壤質(zhì)量含水率通過(guò)烘干法測(cè)定，電導(dǎo)率由電導(dǎo)率儀(DDS-308A，上海雷磁)測(cè)定.

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入和初步分析由Excel實(shí)現(xiàn)，單因素方差分析由SPSS實(shí)現(xiàn)，作圖由Excel和Surfer 9.0完成.

文中土壤剖面平均質(zhì)量含水率、電導(dǎo)率均通過(guò)加權(quán)平均法獲取.

(1)

式中：Mi為第i層土壤質(zhì)量含水率/電導(dǎo)率，%/(dS/m)；di為土層厚度，cm；n為土層數(shù)量.

2 結(jié)果與分析

2.1 摻沙對(duì)土壤水分的影響

2.1.1 摻沙對(duì)表層0～1 cm土壤質(zhì)量含水率的影響

圖2為不同摻沙量表層0～1 cm土壤質(zhì)量含水率θ隨時(shí)間t變化情況.

圖2 不同摻沙量表層0～1 cm土壤質(zhì)量含水率變化

由圖2可知，各處理表層0～1 cm土壤質(zhì)量含水率隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低，且各處理表層土壤質(zhì)量含水率隨摻沙量增加呈降低趨勢(shì).

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，處理CK，T1，T2，T3和T4的土壤質(zhì)量含水率依次為39.35%，41.18%，34.05%，29.89%和26.52%.隨著摻沙量增加，土壤初始質(zhì)量含水率呈降低趨勢(shì).

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理CK，T1，T2，T3和T4的土壤質(zhì)量含水率比試驗(yàn)初期依次降低了83.2%，84.7%，83.7%，89.5%和92.7%，且處理T1，T2，T3和T4的平均質(zhì)量含水率比CK分別低了4.2%，15.8%，52.7%和70.4%，表明摻沙處理在一定程度上降低了土壤持水和保水性能.

0～5 000 min，處理T1和T2的表層0～1 cm土壤平均質(zhì)量含水率比CK分別增加了50.0%和40.7%，處理T3和T4的表層0～1 cm土壤平均質(zhì)量含水率比CK分別降低了36.3%和18.7%.

2.1.2 摻沙對(duì)土壤剖面質(zhì)量含水率的影響

圖3為不同摻沙量土壤剖面質(zhì)量含水率隨時(shí)間的分布情況，圖中h為土層深度.

圖3 不同摻沙量土壤剖面質(zhì)量含水率分布

由圖3可知，各處理土壤剖面質(zhì)量含水率隨時(shí)間延長(zhǎng)呈降低趨勢(shì)，且同一時(shí)刻隨著摻沙量增加，土壤剖面質(zhì)量含水率總體呈降低趨勢(shì).試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理CK，T1，T2，T3和T4剖面平均質(zhì)量含水率較試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)分別降低了77.8%，77.9%，79.2%，84.8%和79.9%，且處理T1，T2，T3和T4剖面平均質(zhì)量含水率比CK降低了5.7%，19.7%，51.8%和39.9%.試驗(yàn)期間，處理CK，T1，T2，T3和T4剖面平均質(zhì)量含水率分別為22.8%，23.2%，20.9%，14.4%和14.2%，處理T3和T4剖面平均質(zhì)量含水率明顯低于CK，T1和T2.

2.2 摻沙對(duì)土壤鹽分的影響

2.2.1 摻沙對(duì)表層土壤電導(dǎo)率的影響

圖4為不同摻沙量表層0～1 cm土壤電導(dǎo)率EC隨時(shí)間的變化情況.

圖4 不同摻沙量表層0～1 cm土壤電導(dǎo)率變化

由圖4可知，各處理表層0～1 cm土壤電導(dǎo)率隨時(shí)間延長(zhǎng)均呈增大趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理CK，T1，T2，T3和T4表層電導(dǎo)率比試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率依次增長(zhǎng)了338%，219%，172%，161%和150%，可見(jiàn)隨著摻沙量增加，表層土壤電導(dǎo)率增加幅度在降低.0～5 000 min，處理T1，T2，T3和T4表層0～1 cm土壤平均電導(dǎo)率比CK分別降低了16.3%，30.2%，8.1%和22.4%;5 001～14 000 min，處理T1，T2，T3和T4表層0～1 cm土壤平均電導(dǎo)率比CK分別增加了44.8%，4.6%，10.9%和20.9%.

2.2.2 摻沙對(duì)土壤剖面電導(dǎo)率的影響

圖5為不同摻沙量土壤剖面電導(dǎo)率EC隨時(shí)間的分布情況.

由圖5可知，就同一處理而言，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，表層含鹽量逐漸增加，試驗(yàn)后期土壤剖面電導(dǎo)率分布均呈自表層向深層先迅速減小再緩慢增大的趨勢(shì)；就不同處理而言，隨著摻沙量增加，0～5 000 min，處理CK，T1，T2，T3和T4表層0～1 cm土壤含鹽量比其相應(yīng)的(1,5] cm土壤含鹽量分別增加了91.9%，37.5%，24.8%，87.4%和67.3%；5 001～14 000 min，處理CK，T1，T2，T3和T4表層0～1 cm土壤含鹽量比其相應(yīng)的(1,5] cm土壤含鹽量分別增加了296%，369%，281%，541%和538%.5 001～14 000 min，所有處理鹽分主要積聚在0～1 cm處.處理CK，T1，T2，T3和T4表層0～1 cm土壤在0～5 000 min含鹽量比5 001～14 000 min土壤含鹽量分別降低了21.6%，54.7%，47.7%，35.0%和49.7%；而(1,5] cm土壤在同等時(shí)間含鹽量分別增加了61.8%，54.4%，59.6%，122.1%和92.1%.

圖5 不同摻沙量土壤剖面電導(dǎo)率分布

2.3 摻沙對(duì)土壤蒸發(fā)的影響

2.3.1 摻沙對(duì)土壤蒸發(fā)速率的影響

圖6為不同摻沙量土壤蒸發(fā)速率e隨時(shí)間變化情況.

由圖6可知，試驗(yàn)期間各處理蒸發(fā)速率隨時(shí)間延長(zhǎng)總體均呈降低趨勢(shì).0～5 000 min，各處理蒸發(fā)速率相對(duì)較高，處理CK，T1，T2，T3和T4平均蒸發(fā)速率依次為1.52×10-3，2.08×10-3，1.49×10-3，2.03×10-3和1.52×10-3mm/min；5 001～18 000 min，各處理蒸發(fā)速率較蒸發(fā)前期顯著降低，處理CK，T1，T2，T3和T4的平均蒸發(fā)速率分別為0.79×10-3，0.44×10-3，0.47×10-3，0.26×10-3，和0.35×10-3mm/min.可見(jiàn)，0～5 000 min，CK處理平均蒸發(fā)速率最低，但各處理間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.01)；5 001～18 000 min，CK處理平均蒸發(fā)速率最高，隨著摻沙量增加蒸發(fā)速率呈降低的趨勢(shì).試驗(yàn)期間，處理CK，T1，T2，T3和T4的平均蒸發(fā)速率分別為1.02×10-3，0.95×10-3，0.79×10-3，0.81×10-3，和0.71×10-3mm/min，平均蒸發(fā)速率隨摻沙量增加呈遞減趨勢(shì)，處理T1，T2，T3和T4比CK分別低了6.9%，22.6%，20.6%和30.4%.

圖6 不同摻沙量土壤蒸發(fā)速率時(shí)間變化

2.3.2 摻沙對(duì)土壤累積蒸發(fā)量的影響

圖7為不同摻沙量土壤累計(jì)蒸發(fā)量E隨時(shí)間的變化情況.

圖7 不同摻沙量土壤累計(jì)蒸發(fā)量變化

由圖7可知，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理CK，T1，T2，T3和T4的累計(jì)蒸發(fā)量分別為16.72，15.32，12.68，13.09和11.52 mm.0～5 000 min，各處理累計(jì)蒸發(fā)量迅速增長(zhǎng)，處理CK，T1，T2，T3和T4的階段累計(jì)蒸發(fā)量為7.69，10.38，7.43，10.16和7.60 mm；5 001～18 000 min，各處理累計(jì)蒸發(fā)量較蒸發(fā)前期顯著降低，處理CK，T1，T2，T3和T4的階段累計(jì)蒸發(fā)量為9.03，4.94，5.25，2.93和3.91mm.可見(jiàn)，就所有摻沙處理而言，累積蒸發(fā)量隨摻沙量增加呈遞減趨勢(shì)，而CK處理在蒸發(fā)前期累積蒸發(fā)量較小，蒸發(fā)后期累積蒸發(fā)量最大.

3 討 論

3.1 摻沙對(duì)土壤水分的影響

水分是土壤的重要組成部分，也是影響鹽堿土土壤鹽分運(yùn)移的重要途徑，減少土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)是提高土壤水分利用效率的重要途經(jīng)[12].以往研究指出摻沙會(huì)降低摻沙層的土壤含水率，且隨摻沙量增加土壤含水率降低[8].本研究中摻沙處理表層平均土壤含水率均低于CK處理，且隨摻沙量增加土壤表層質(zhì)量含水率呈降低趨勢(shì)，而剖面平均質(zhì)量含水率也呈現(xiàn)相同趨勢(shì)，這與以往的研究結(jié)果基本一致.原因可能是土壤摻沙后土壤孔隙度增加，保水能力降低，摻沙層的水分在重力作用下向深層運(yùn)移.

3.2 摻沙對(duì)土壤鹽分的影響

摻沙是改良鹽堿土的重要方式之一.摻沙后土壤容重改變，大孔隙度數(shù)量增加，土壤水分傳輸能力提高，同時(shí)，摻沙還可抑制土壤積鹽[9].本研究表明土壤摻沙在一定程度上抑制了可溶性鹽向地表積聚，但T1處理鹽分含量略高于CK，可能是摻沙含量相對(duì)較少，抑制鹽分積聚作用較弱，且鹽分積聚在表層，而表層以下鹽分含量降低，在一定程度上為深層土壤提供適宜的低鹽環(huán)境，有利于植被根系生長(zhǎng)發(fā)育[13].試驗(yàn)期間各處理表層土壤質(zhì)量含水率呈持續(xù)下降趨勢(shì)，而各處理表層電導(dǎo)率則逐步增大，這可能是鹽堿土中大量的可溶性鹽分，隨土壤水分的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化.0～5 000 min，CK處理表層0～1 cm土壤含鹽量比摻沙處理高，而5 001～14 000 min，CK處理則比摻沙處理低.原因可能是5 000 min后土壤連續(xù)毛管水發(fā)生斷裂，水鹽運(yùn)移過(guò)程受到抑制；同時(shí)，這也表明土壤鹽分運(yùn)移受土壤水分和摻沙共同影響.5 001～14 000 min，各處理表層及剖面電導(dǎo)率變化幅度較大，可能與同一處理不同重復(fù)間變異性及試驗(yàn)期間各處理近地層微氣候差異引起的鹽分運(yùn)移速率不同等因素有關(guān)[14].

3.3 摻沙對(duì)土壤蒸發(fā)的影響

土壤孔隙結(jié)構(gòu)狀況、土壤含水率及氣象條件均影響土壤蒸發(fā)[15-16].本研究中摻沙改變了土壤孔隙結(jié)構(gòu)、提高了土壤孔隙度，進(jìn)而影響土壤蒸發(fā)速率，土壤初始蒸發(fā)速率隨著摻沙量增加而增大，但蒸發(fā)后期則隨著摻沙量增加而逐漸減小，且摻沙可提高鹽堿土保水效果，隨著配沙量增加，保水效果逐漸加強(qiáng).原翠萍等[17]研究表明，裸露地表土壤抑蒸效果明顯低于摻沙處理，裸露土壤保水效果較差.宋日權(quán)等[9]研究表明土壤摻沙會(huì)降低土壤含水率，摻沙層含水率隨摻沙比例越大而下降，本研究結(jié)果與之相一致.0～5 000 min，CK處理土壤蒸發(fā)速率明顯低于摻沙處理，可能是試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)土壤孔隙充滿水分，隨著土壤的摻沙量增加，土壤大孔隙隨之增加，水分向上傳輸加快，從而提高了摻沙土壤蒸發(fā)速率；5 001～14 000 min，各處理土壤質(zhì)量含水率逐漸降低，摻沙各處理大孔隙毛管力不足以平衡毛管水重力，導(dǎo)致連續(xù)毛管水?dāng)嗔?，而CK處理中土壤存在較多的細(xì)小孔隙，加之其土壤質(zhì)量含水率相對(duì)較高，因此其蒸發(fā)速率較大.本研究?jī)H考慮了摻沙層土壤蒸發(fā)特性，有關(guān)土壤摻沙對(duì)深層土壤水分及鹽分運(yùn)移的影響有待于深入研究.

4 結(jié) 論

摻沙處理表層0～1 cm土壤質(zhì)量含水率比CK平均低了4.3%～238.3%，剖面平均土壤質(zhì)量含水率比CK提高了6.0%～107.3%；表層0～1 cm土壤在0～5 000 min含鹽量比5 001～14 000 min表層0～1 cm土壤含鹽量降低了21.6%～54.7%；而1～5 cm土壤在相同時(shí)間含鹽量分別增加了54.4%～122.1%，土壤含鹽量主要積聚在表層0～1 cm處， T3處理以上摻沙量可降低土中鹽分含量；土壤蒸發(fā)速率CK比摻沙處理高了7.4%～43.7%，摻沙可提高鹽堿土保水效果，且隨著配沙量增加保水效果逐漸加強(qiáng).結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了摻沙后土壤水變化幅度減小、深層鹽分含量降低、保水效果較好等優(yōu)點(diǎn).結(jié)合不同時(shí)段土壤質(zhì)量含水率、電導(dǎo)率及蒸發(fā)特征可知，摻沙的保水、控鹽、抑蒸效應(yīng)主要體現(xiàn)在蒸發(fā)后期.在鹽漬土地區(qū)，是提高土壤含水率并抑制土壤表層鹽分積聚的有效措施，蒸發(fā)后期摻沙的保水、控鹽、抑蒸效應(yīng)大于蒸發(fā)前期.

需要指出的是，本試驗(yàn)是在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行的，試驗(yàn)裝置規(guī)格相對(duì)較小，文中土壤質(zhì)量含水率和電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)均是通過(guò)破壞性取樣獲得，加之同一處理不同重復(fù)在土-沙混摻不完全一致等因素影響，導(dǎo)致文中個(gè)別數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，但文中所獲結(jié)果、結(jié)論均符合自然界土壤蒸發(fā)規(guī)律，且與國(guó)內(nèi)外相似研究基本一致.有關(guān)田間土-沙混摻對(duì)土壤蒸發(fā)特性以及水鹽分布的影響有待于進(jìn)一步研究.

致謝：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)2014級(jí)水利水電工程專業(yè)本科生李明揚(yáng)、郎偉杰、黃紫岳、黃炳程、張曉楠、趙紫鵬等同學(xué)在試驗(yàn)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集等方面做了大量工作，在此表示感謝！