覆膜滴灌條件下的土壤鹽分表聚特征研究

陳文娟，李明思，李清林，李東偉

覆膜滴灌條件下的土壤鹽分表聚特征研究

陳文娟1，李明思2*，李清林2，李東偉2

（1.石河子大學(xué) 理學(xué)院，新疆石 河子 832000；2.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

【目的】探究新疆地區(qū)覆膜滴灌農(nóng)田膜外土壤鹽分表聚特征?！痉椒ā恳陨惩梁腿劳翞檠芯繉?duì)象，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)2種質(zhì)地的土壤分別進(jìn)行了高蒸發(fā)強(qiáng)度和低蒸發(fā)強(qiáng)度處理，觀測(cè)了覆膜滴灌條件下土壤鹽分的水平分布和垂直分布；不同溫度處理下，對(duì)2種質(zhì)地的土壤進(jìn)行了鹽分表聚發(fā)展過(guò)程試驗(yàn)。【結(jié)果】覆膜滴灌條件下，2種土質(zhì)的表層含鹽量隨距滴頭水平距離呈指數(shù)函數(shù)分布；膜外土壤垂直剖面上的含鹽量呈“?！毙头植迹}分主要聚集在表層土壤中。其中，高蒸發(fā)強(qiáng)度處理下，沙土表層（0～2 cm）的平均含鹽量是2 cm以下土層平均含鹽量的7.3倍，壤土表層（0～2 cm）的平均含鹽量是2 cm以下土層平均含鹽量的8.4倍；低蒸發(fā)強(qiáng)度處理下，沙土和壤土的對(duì)應(yīng)數(shù)值分別是7.2倍和7.9倍。影響土壤鹽分表聚的主要因素是土壤水分的蒸發(fā)速率；土壤含水率、環(huán)境溫度和蒸發(fā)強(qiáng)度的提高都可以增大土壤水分蒸發(fā)速率，導(dǎo)致土壤表面鹽分聚集量增加，其中，土壤含水率所起的作用最大。土壤水分對(duì)鹽分的溶解度隨含水率的降低而下降，導(dǎo)致蒸發(fā)過(guò)程中鹽分表聚速率存在峰值，而且峰值基本與環(huán)境溫度正相關(guān)?！窘Y(jié)論】土壤水分汽化散失使鹽分從溶液中離析是導(dǎo)致土壤鹽分表聚的本質(zhì)；蒸發(fā)作用下，壤土的鹽分表聚速率比沙土的鹽分表聚速率高。

覆膜滴灌；土質(zhì)；鹽分表聚；聚集速率

0 引言

【研究意義】新疆地區(qū)不僅干旱缺水，而且土壤鹽漬化分布面積廣，占灌區(qū)耕地總面積的32.07%[1]。膜下滴灌被視作是高效節(jié)水及驅(qū)鹽的主要技術(shù)，在該地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[2]。但由于膜下滴灌技術(shù)“淺灌勤灌”的特點(diǎn)，使得其在理論上達(dá)不到淋洗脫鹽的效果，只能將土壤鹽分壓制在根層以下及趨離到膜外空間[3-4]，在地表蒸發(fā)作用下膜外土壤出現(xiàn)鹽分表聚特征[5-7]。土壤鹽分表聚現(xiàn)象將驅(qū)動(dòng)灌區(qū)土地資源的演變，從而影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境[8]。因此，掌握膜下滴灌條件下的土壤鹽分表聚特征是新疆地區(qū)研究土壤鹽漬化治理技術(shù)的重要依據(jù)，也是改良與利用鹽堿地需要解決的首要問(wèn)題[9]。

【研究進(jìn)展】鹽分表聚是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，許多因素都會(huì)影響到該過(guò)程的演變，如土壤含水率、土壤含鹽量、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、土壤質(zhì)地、土壤水力特性等。Yakirevich等[10]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型分析了地表蒸發(fā)速率與表土溶液濃度之間的關(guān)系。Grunberger等[11]指出在蒸發(fā)作用下運(yùn)移到地表的鹽分會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶，沉淀后將堵塞土壤毛管孔隙，從而增加水汽擴(kuò)散的阻力。另外，有學(xué)者針對(duì)鹽分表聚對(duì)土壤理化性質(zhì)及生態(tài)環(huán)境的影響等問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究。李小剛等[12]指出，隨著表土含鹽量的增加，土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性顯著降低，黏粒的分散性顯著增加；且含鹽量的增加會(huì)顯著降低土壤的蒸發(fā)速率。Fujimaki等[13]認(rèn)為表土含鹽量的高低影響土壤溶液濃度，從而改變土水勢(shì)，影響表土水分運(yùn)行和鹽分遷移。彭振陽(yáng)等[14]指出，在土壤鹽分沒(méi)有結(jié)晶時(shí)，溶質(zhì)勢(shì)是引起地表蒸發(fā)速率降低的主要原因；當(dāng)?shù)乇硗寥来嬖谒}補(bǔ)給時(shí)，含鹽土壤的蒸發(fā)速率明顯降低。趙莉等[15]認(rèn)為表層土壤鹽分的富集會(huì)嚴(yán)重危害作物的生長(zhǎng)。劉東偉等[16]總結(jié)了地面表聚鹽分在風(fēng)蝕作用下形成的鹽塵暴及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，指出鹽塵暴會(huì)加速內(nèi)陸河河源的冰雪消融，對(duì)植物葉片氣孔的呼吸有阻礙作用，甚至?xí)竞χ参铩?/p>

【切入點(diǎn)】前人對(duì)土壤鹽分表聚的研究重點(diǎn)均放在了鹽分表聚的“后果”上面，而關(guān)于鹽分表聚的過(guò)程和機(jī)理問(wèn)題則闡述的不多。實(shí)際上土壤鹽分表聚問(wèn)題在多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生不同程度的影響，了解其產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素對(duì)尋找應(yīng)對(duì)該問(wèn)題的策略很有幫助?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以鹽堿土為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)探究膜下滴灌條件下鹽分表聚的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程和土壤水鹽運(yùn)移機(jī)制，揭示鹽分聚集速率與水、熱、鹽之間的相互作用機(jī)理。研究結(jié)果可為深入了解覆膜滴灌農(nóng)田土壤水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供幫助。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 滴灌條件下鹽分分布特征試驗(yàn)

試驗(yàn)于2018年6—10月在石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心（86°03'31″E，44°18'21″N，海拔451 m）進(jìn)行。試驗(yàn)系統(tǒng)由滴灌供水裝置、土槽、蒸發(fā)強(qiáng)度模擬裝置等組成。其中，采用醫(yī)用吊瓶和針頭模擬滴灌供水裝置，吊瓶距土體表面2 m高處。試驗(yàn)土槽由透明有機(jī)玻璃制成，尺寸為100 cm×20 cm×80 cm（長(zhǎng)×寬×高），土槽底部鋪置20 cm厚礫石墊層模擬透水界面，墊層上覆10 mm厚、相鄰孔距為50 mm的多孔PVC隔板，板上依次放置與隔板面積大小相同的紗網(wǎng)及濾紙（防止土粒堵塞多孔板及裝土過(guò)程中土粒泄漏至礫石墊層），然后再裝土。蒸發(fā)強(qiáng)度模擬裝置由275 W紅外線輻射燈及可調(diào)速風(fēng)扇組成。紅外輻射燈懸掛在距表土55 cm處，風(fēng)扇放置在距土槽3 m處。具體試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 土槽結(jié)構(gòu)與取樣點(diǎn)分布圖（單位：cm）

試驗(yàn)采用2種質(zhì)地土壤進(jìn)行，土壤均取自石河子大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)0～20 cm深度的耕作層。采用環(huán)刀法測(cè)定土壤干體積質(zhì)量，采用排水法測(cè)定土壤田間持水率。根據(jù)新疆鹽堿土土壤類型[17]，采用無(wú)水硫酸鈉溶解后用淋噴的方法對(duì)試驗(yàn)用土進(jìn)行配鹽，篩分法及比重計(jì)法測(cè)定其粒徑組成，土壤顆粒分級(jí)采用卡慶斯基制土壤分類法[18]，土壤理化特征見(jiàn)表1。

表1 供試土壤基本理化特征

注 表中含水率均為質(zhì)量含水率（%）。

1.1.2 表層土壤鹽分累積過(guò)程試驗(yàn)

由于該試驗(yàn)以表層土壤為研究對(duì)象，為避免土壤水鹽運(yùn)動(dòng)對(duì)蒸發(fā)過(guò)程產(chǎn)生影響，參照彭振陽(yáng)等[14]設(shè)計(jì)的單位厚度土層裝置模擬表土蒸發(fā)過(guò)程。試驗(yàn)于2018年11月—2019年2月在石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行。試驗(yàn)裝置由蒸發(fā)皿及恒溫箱組成。蒸發(fā)皿為圓柱形，內(nèi)徑120 mm。為了便于控制和監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中的環(huán)境參數(shù)，蒸發(fā)試驗(yàn)在恒溫箱中進(jìn)行。試驗(yàn)所用滴水裝置、土壤質(zhì)地與1.1.1節(jié)相同。所用沙土及壤土的鹽分本底值分別為23.52、24.42 g/kg。

1.2 研究方法

1.2.1 滴灌條件下鹽分分布特征試驗(yàn)

土壤經(jīng)風(fēng)干、碾碎、過(guò)2 mm篩后拌均勻按設(shè)計(jì)土壤體積質(zhì)量分層裝填入土槽內(nèi)。最終填土至60 cm高度。裝土完成后使土體自然穩(wěn)定1 d后開(kāi)始試驗(yàn)。滴灌前，在土槽表面的中間位置覆蓋30 cm×20 cm（長(zhǎng)×寬）規(guī)格的地膜，膜邊緣埋入土內(nèi)1.5 cm，滴水點(diǎn)距膜邊15 cm（圖1）。滴頭流量控制在1.8 L/h，灌水量為55 mm，滴灌水礦化度為0.35 g/L。

設(shè)置通風(fēng)干燥處理（TF）及通風(fēng)加表土輻射干燥處理（TFFS）進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，觀測(cè)膜下滴灌條件下不同質(zhì)地土壤在不同蒸發(fā)強(qiáng)度下的鹽分分布特征。其中，通風(fēng)干燥處理是在滴灌結(jié)束后采用調(diào)速風(fēng)扇調(diào)控蒸發(fā)強(qiáng)度；而通風(fēng)加表土輻射處理是在滴灌結(jié)束后采用275 W紅外線輻射燈及風(fēng)扇共同調(diào)控蒸發(fā)強(qiáng)度。紅外線輻射燈及風(fēng)扇均于每日10:00―21:00為打開(kāi)狀態(tài)。自制微型土壤蒸發(fā)器測(cè)表土日蒸發(fā)量。具體試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案布置及土壤日平均蒸發(fā)量

注 S表示沙土；L表示壤土。

1.2.2 表層土壤鹽分累積過(guò)程試驗(yàn)

培養(yǎng)皿中沙土和壤土的質(zhì)量分別為330、300 g，干體積質(zhì)量與土槽中的值相同；對(duì)其分別滴水90 mL，滴水礦化度為0.15 g/L。滴水結(jié)束后稱樣品總質(zhì)量（滴灌后的土壤＋培養(yǎng)皿），然后將其放入恒溫箱中。對(duì)沙土和壤土分別設(shè)置6個(gè)溫度處理（20、25、30、35、40、45 ℃），共計(jì)12個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置6組重復(fù)。試驗(yàn)過(guò)程中定時(shí)從恒溫箱中取出樣品并稱其質(zhì)量；同時(shí)，提取土壤表層2 mm厚度土樣測(cè)相應(yīng)的表層含鹽量，計(jì)算土壤含水率與表層含鹽量之間的相互關(guān)系。直到土樣質(zhì)量含水率變化幅度在±5 %范圍內(nèi)為止，結(jié)束該溫度條件下的試驗(yàn)。

1.3 樣品測(cè)試

灌水結(jié)束96 h后，用直徑1 cm的土鉆分別在膜內(nèi)（滴頭下方、距滴頭水平距離10 cm）及膜外（距滴頭水平距離25 cm、距滴頭水平距離40 cm）位置處取樣，取樣深度分別為0～2、2～5、5～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm。具體取樣點(diǎn)位置分布見(jiàn)圖1。

1）土壤鹽分的測(cè)定及計(jì)算

用土壤浸提液電導(dǎo)率法表征土壤含鹽量。將土樣磨碎、過(guò)1 mm篩后按1∶10制成土水混合溶液，過(guò)濾后提取上清液，用電導(dǎo)率儀（DDS-11A數(shù)顯）測(cè)定上清液電導(dǎo)率值；干燥殘?jiān)?biāo)定土壤電導(dǎo)率與含鹽量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。供試土壤標(biāo)定曲線如下：

沙土：

=0.000 03×+0.008 0（2=0.982 4，=45），（1）

壤土：

=0.000 03×+0.014 6（2=0.992 4，=62），（2）

式中：為土壤浸提液電導(dǎo)率值（μS/cm）；為土壤含鹽量（g/kg）；為樣本數(shù)。

分析土壤相對(duì)于初始含鹽量的變化率，其計(jì)算式為：

2）土壤鹽分離析速率，其計(jì)算式為：

式中：2為某一時(shí)間段末（2）土壤鹽分離析量（g/kg）；1為某一時(shí)間段初（1）土壤鹽分離析量（g/kg）；為土壤鹽分離析速率（（g·kg-1）/h）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)地土壤的鹽分分布特征

圖2是覆膜滴灌條件下沙土（S）和壤土（L）在膜內(nèi)（滴頭下方、距滴頭水平距離10 cm）及膜外（距滴頭水平距離25 cm、距滴頭水平距離40 cm）的鹽分分布情況。由圖2可知，膜下滴灌條件下，膜內(nèi)土壤均呈上部脫鹽、下部積鹽現(xiàn)象；在膜內(nèi)與膜外交界處則是土壤脫鹽與土壤積鹽并存；而膜外濕潤(rùn)鋒處的土壤基本都呈積鹽現(xiàn)象，且表土層（0～2 cm）積鹽率最高，整個(gè)土壤剖面含鹽量呈明顯“?！毙畏植肌Ｏ嗤幚硐?，灌水對(duì)沙土脫鹽效果比對(duì)壤土脫鹽效果好。

圖2 不同土質(zhì)下土壤鹽分分布特征

由多孔介質(zhì)水量平衡原理可知，在土壤持水能力一定的條件下，水分由土水勢(shì)高處向土水勢(shì)低處運(yùn)動(dòng)，土壤濕潤(rùn)區(qū)體積由滴水點(diǎn)向周圍逐漸擴(kuò)大[19]。膜內(nèi)上部土壤距離滴水點(diǎn)近，土水勢(shì)高，水分推動(dòng)鹽分由膜內(nèi)上部土壤向四周運(yùn)動(dòng)，形成了上部脫鹽、下部積鹽的狀態(tài)。由于沙土的黏粒量低于壤土，提高了土壤毛管的縱向傳導(dǎo)能力[20]，所以，灌水對(duì)沙土的脫鹽效果比壤土好，沙土形成的脫鹽區(qū)范圍也比壤土大。

如圖2（a）所示，沙土（S）膜內(nèi)滴頭下方土壤的積鹽層出現(xiàn)在40 cm深度處，對(duì)應(yīng)的上層土壤平均脫鹽率為-81.43%。隨著距滴頭水平距離的增加，積鹽層及相應(yīng)的上層土壤平均脫鹽率分別變淺及降低。距滴頭10 cm（膜內(nèi)）處的土壤積鹽層比滴頭下方的淺4 cm，平均脫鹽率比滴頭下方的值低2.25%。距滴頭25 cm（膜外）處的土壤積鹽層出現(xiàn)在33.5 cm深度處，上層土壤平均脫鹽率為-57.62%。距滴頭40 cm處的膜外土壤垂直剖面上的含鹽量呈明顯“?！毙头植迹}分主要聚集在表層土壤中，其0～2 cm土層的平均含鹽量是2 cm以下土層平均含鹽量的7.3倍。

相同處理下，壤土（L）的鹽分分布規(guī)律與沙土（S）的相比較為類似，但其脫鹽深度及上層土壤平均脫鹽率比沙土的值低。滴頭下方壤土的積鹽層比相同處理下沙土的值淺9 cm，壤土上層平均脫鹽率比沙土的同類指標(biāo)低13.37%；距滴頭10 cm（膜內(nèi)）、25 cm（膜外）處的壤土積鹽層分別比沙土的值淺6、13.5 cm，壤土上層平均脫鹽率分別比沙土的同類指標(biāo)低10.94%、23.56%；而距滴頭40 cm處的膜外，壤土在整個(gè)土層深度都表現(xiàn)為積鹽狀態(tài)，表層（0～2 cm）的平均含鹽量是2 cm以下土層平均含鹽量的8.4倍，是相同條件下沙土的1.61倍。

如圖2（b）所示，2種土質(zhì)的表層含鹽量隨距滴頭水平距離呈指數(shù)函數(shù)分布。相同處理下，壤土（L）的膜內(nèi)表層（0～2 cm）土壤平均脫鹽率比沙土（S）的值低6.01%；距滴頭25 cm處的膜外壤土的鹽分相對(duì)變化率比沙土的同類指標(biāo)高64.80%；距滴頭40 cm處膜外壤土的積鹽率比沙土的同類指標(biāo)高303.00%。這是由于壤土的黏粒量及小孔隙數(shù)高于沙土，鹽分更容易滯留其中所致[21]。

2.2 蒸發(fā)強(qiáng)度對(duì)土壤鹽分分布特征的影響

圖3是不同蒸發(fā)強(qiáng)度處理下沙土和壤土的鹽分分布情況。由圖3可知，地膜的阻隔作用使蒸發(fā)主要對(duì)膜外土壤的鹽分分布產(chǎn)生影響，導(dǎo)致膜外土壤積鹽量隨蒸發(fā)強(qiáng)度的增大而增大，而膜內(nèi)土壤含鹽量幾乎不隨蒸發(fā)強(qiáng)度的改變而變化。相同蒸發(fā)強(qiáng)度處理下，壤土的表層鹽分聚集量比沙土的高。

由于覆膜阻隔蒸發(fā)的作用使膜內(nèi)水汽微循環(huán)所產(chǎn)生的水汽聚集在膜下表面，凝結(jié)成小水滴后再次墜落到表土上，促進(jìn)對(duì)膜內(nèi)土壤的淋洗，因此，膜內(nèi)（距滴頭水平距離0 cm和10 cm）土壤的鹽分分布基本不受蒸發(fā)強(qiáng)度的影響。在TFFS、TF處理下，沙土的膜內(nèi)脫鹽深度基本都達(dá)40 cm，平均脫鹽率也相差不大，分別為-73.76%、-74.50%；而壤土的脫鹽深度比沙土的值淺10 cm，平均脫鹽率也分別比沙土的同類指標(biāo)低12.15%、13.08%。

圖3 不同蒸發(fā)強(qiáng)度處理下土壤鹽分分布特征

土壤剖面中含鹽量是一定的，膜內(nèi)土壤鹽分在滴灌水分淋洗及膜內(nèi)水汽微循環(huán)雙重作用下一方面聚集在土壤下層，另一方面隨水分側(cè)向移動(dòng)。由于TFFS處理比TF處理的表土溫度高，使膜外表層土壤水分汽化強(qiáng)烈，蒸發(fā)量大。地表含水率的降低使土壤基質(zhì)吸力增加，水分從土壤下層向上層運(yùn)動(dòng)，使鹽分最終聚集在距滴頭水平方向40 cm處的膜外表層（0～2 cm）土壤中。沙土表層含鹽量在TFFS處理下為TF處理下的1.23倍；壤土的同類指標(biāo)為1.36倍。

不同蒸發(fā)強(qiáng)度處理下，膜外2 cm以下的土層含鹽量近似垂線分布，而表層（0～2 cm）土壤含鹽量出現(xiàn)驟增，即膜外表層土壤聚集的鹽分小部分來(lái)源于膜內(nèi)土壤鹽分隨水分向膜外水平方向的推移過(guò)程，大部分是由于受膜外地表蒸發(fā)作用所致。TFFS處理下，沙土的表層（0～2 cm）含鹽量是2 cm以下土層平均含鹽量的7.3倍，壤土的該指標(biāo)則為8.4倍；TF處理下，沙土的該指標(biāo)為7.2倍，壤土的則為7.9倍。

2.3 表層含鹽量與含水率之間的關(guān)系

圖4是不同溫度下沙土和壤土表層含鹽量與含水率之間的關(guān)系圖。由圖4可知，水分蒸發(fā)帶動(dòng)土壤鹽分向表土遷移，水分蒸發(fā)強(qiáng)度越大，表層含鹽量越高。表土鹽分累積量與土壤含水率呈負(fù)相關(guān)；溫度越高，表層含鹽量與含水率之間形成的曲線斜率的值越小。

結(jié)果表明，20、25、30、35、40、45 ℃溫度處理下，沙土對(duì)應(yīng)的曲線斜率分別為-3.50、-3.69、-3.84、-4.02、-4.15、-4.24；說(shuō)明溫度的升高對(duì)土壤表層的鹽分形成有促進(jìn)作用。由于溫度升高會(huì)降低液體的黏滯性，使土壤水分蒸發(fā)通量及導(dǎo)水率增大，土壤水對(duì)溶質(zhì)的溶解能力也增大，溶液的濃度也會(huì)相應(yīng)提高；當(dāng)存在于土壤中的鹽分超過(guò)土壤水的溶解度時(shí)，鹽分就會(huì)以晶體的形式出現(xiàn)在土壤表層，形成表聚特征。相反，溫度降低會(huì)減緩表土蒸發(fā)通量對(duì)鹽分的攜帶速率，在相同土壤含水率條件下，聚集于土壤表層的含鹽量較少。

圖4 不同溫度下土壤表層含鹽量與含水率之間的關(guān)系

土壤質(zhì)地決定了土壤基質(zhì)吸力及毛管水上升作用，也會(huì)影響土粒對(duì)鹽分的吸附能力，導(dǎo)致不同質(zhì)地土壤的鹽分表聚程度不同。如圖4所示，雖然壤土的表層含鹽量與含水率之間的線性變化規(guī)律與沙土的類似，但在相同溫度處理下，壤土形成的曲線斜率（絕對(duì)值）都比沙土的高。20、25、30、35、40、45 ℃溫度處理下，壤土的曲線斜率（絕對(duì)值）分別比沙土的高0.81、0.69、0.76、0.7、0.63、0.65；說(shuō)明在相同蒸發(fā)強(qiáng)度處理下，壤土中的鹽分更容易受水汽擴(kuò)散影響而聚集在土壤表層。另外，以土壤表層含鹽量為因變量，溫度及土壤質(zhì)量含水率為自變量，建立二元線性回歸方程，結(jié)果如表3所示。

2種土質(zhì)的土壤表層含鹽量與溫度正相關(guān)，與土壤含水率負(fù)相關(guān)；含水率的增益系數(shù)絕對(duì)值要比溫度的增益系數(shù)絕對(duì)值高，說(shuō)明土壤含水率對(duì)土壤表層含鹽量的影響要大于溫度對(duì)土壤表層含鹽量的影響。

表3 不同土質(zhì)表聚含鹽量與溫度、含水率的二元回歸方程

注為土壤含鹽量（g/kg）；為溫度（℃）；為土壤質(zhì)量含水率（%）。

2.4 不同土質(zhì)土-氣界面鹽分離析速率

土壤鹽分的表聚過(guò)程實(shí)際上是鹽溶液由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程，即鹽分離析。圖5是沙土和壤土在不同溫度處理下鹽分離析速率與含水率之間的關(guān)系。由圖5可知，土壤表層鹽分離析速率與含水率之間的關(guān)系存在峰值，而且峰值隨著環(huán)境溫度的升高而增大；含水率較低時(shí)，鹽分離析速率最低。

圖5 土-氣界面鹽分離析速率

土壤鹽分平均表聚速率隨溫度的升高逐漸加快。20、25、30、35、40、45 ℃處理下，沙土的鹽分平均表聚速率分別是1.74、2.02、6.01、7.13、7.17、8.67（g·kg）/h。壤土的鹽分平均表聚速率分別是2.35、3.24、4.55、6.78、7.18、10.19（g·kg）/h。

2種土質(zhì)在高溫處理時(shí)，土壤在低含水率條件下都表現(xiàn)出明顯的低表聚速率特征。對(duì)于沙土而言，30、35、40、45 ℃處理下，土壤質(zhì)量含水率低于5%左右時(shí)所對(duì)應(yīng)的平均鹽分表聚速率分別是2.77、1.59、2.43、2.89（g·kg）/h；質(zhì)量含水率高于5%左右時(shí)所對(duì)應(yīng)的平均鹽分表聚速率分別是8.18、10.82、10.34、12.51（g·kg）/h；出現(xiàn)鹽分表聚速率峰值時(shí)所對(duì)應(yīng)的土壤質(zhì)量含水率分別為18.02%、16.73%、17.11%、10.73%。對(duì)于壤土而言，35、40、45 ℃處理下，土壤質(zhì)量含水率在低于10%左右時(shí)所對(duì)應(yīng)的平均鹽分表聚速率分別是3.75、2.67、3.91（g·kg）/h；土壤質(zhì)量含水率在高于10%左右時(shí)所對(duì)應(yīng)的平均鹽分表聚速率分別是9.81、11.70、14.85（g·kg）/h，出現(xiàn)鹽分表聚速率峰值時(shí)所對(duì)應(yīng)的土壤質(zhì)量含水率分別為19.51%、17.76%、14.18%。

另外，試驗(yàn)表明，在溫度較低時(shí)，鹽分離析速率受土質(zhì)及土壤含水率的影響不大；但溫度較高時(shí)，鹽分離析速率突變。沙土在30 ℃時(shí)鹽分聚集加速，說(shuō)明水分易汽化散失；壤土在高于35 ℃時(shí)鹽分聚集才加速，說(shuō)明壤土中的水分受顆粒和毛管的吸附作用而不易汽化散失。

3 討論

水汽擴(kuò)散導(dǎo)致水分子逐漸脫離土體而蒸發(fā)散失，一方面使土體表面基質(zhì)吸力增大，促進(jìn)土壤中的液態(tài)水分帶動(dòng)鹽分向蒸發(fā)面（土-氣界面）遷移，另一方面使到達(dá)土-氣界面的鹽溶液失去水分而逐漸形成固態(tài)結(jié)晶鹽。土壤鹽分遷移速度的快慢受土壤質(zhì)地、溶液濃度及溫度等綜合因素的控制[22-23]，從而對(duì)土壤表聚含鹽量產(chǎn)生影響。

研究結(jié)果顯示，相同蒸發(fā)強(qiáng)度處理下，壤土的表層含鹽量明顯高于沙土（圖3）。由Penmann公式可知[24]，潛在蒸發(fā)強(qiáng)度與溫度成正相關(guān)，與風(fēng)速也成正相關(guān)，而且二者所產(chǎn)生的蒸發(fā)強(qiáng)度近似呈疊加狀態(tài)。本試驗(yàn)中通風(fēng)輻射處理的蒸發(fā)強(qiáng)度大于通風(fēng)處理的蒸發(fā)強(qiáng)度。蒸發(fā)作用迫使土壤毛管水上升，并攜帶鹽分上升，使鹽分最終聚集在土壤表層。當(dāng)蒸發(fā)強(qiáng)度增大時(shí)，水分蒸發(fā)速度加快，毛管水?dāng)y帶到地表的鹽分也增多[25]；因此，隨著地表蒸發(fā)強(qiáng)度的增大，膜外地表的積鹽量增大。在蒸發(fā)強(qiáng)度一定的情況下，土壤毛管孔徑越小，其毛管水上升的高度越大，攜帶到地表的鹽分也越多。壤土的毛管孔徑小于沙土的值，且壤土的毛管數(shù)量大于沙土的值[26]。因此，壤土的表層鹽分含量比沙土高。另外，相同處理下，沙土濕潤(rùn)鋒前緣出現(xiàn)明顯的鹽分聚集帶，而壤土的鹽分分布區(qū)較為均勻（圖6）。這是由于沙土的顆粒表面吸附力小[25]，在蒸發(fā)作用下水分汽化快，當(dāng)水分散失到剩余的分子數(shù)很小的時(shí)候，沙土表面就會(huì)出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的鹽分聚集。而壤土顆粒的表面吸附力大，在蒸發(fā)作用下水分汽化慢，所以，壤土的鹽分表聚分布可能較為均勻。各溫度處理下（20、25、30、35、40、45 ℃），測(cè)得沙土中的水分汽化速率分別為1.19、1.68、2.67、3.38、5.08、5.56 mm/h，壤土中水分的汽化速率分別比沙土低5.46%、13.59%、14.89%、13.44%、42.86%、15.45%。

圖6 不同土質(zhì)表土固態(tài)結(jié)晶鹽形成示意圖

表3顯示，土壤表層含鹽量與溫度正相關(guān)，與土壤含水率負(fù)相關(guān)，且土壤含水率對(duì)表層含鹽量的影響大于溫度對(duì)表層含鹽量的影響。這是由于在土壤含鹽量一定的情況下，含水率決定了溶液濃度[14]，而蒸發(fā)強(qiáng)度決定了水汽擴(kuò)散速率[27]，當(dāng)水汽擴(kuò)散速率所導(dǎo)致的最大蒸發(fā)力（水分汽化速率）小于土壤水分對(duì)鹽分的溶解度時(shí)，鹽分仍然以溶解態(tài)存在于土壤溶液中；只有當(dāng)相應(yīng)的最大蒸發(fā)力大于溶解度時(shí)，才能夠促使鹽分在水汽散失作用下從鹽溶液中離析出來(lái)。

鹽分離析速率出現(xiàn)的峰值現(xiàn)象表明土壤水分有最小溶解度。當(dāng)含水率較高時(shí)，土壤鹽分易被溶解，也容易隨著水分上升到土面；但是表土的鹽溶液濃度增大將導(dǎo)致溶質(zhì)向下部濃度低處擴(kuò)散，影響了鹽分離析速率。當(dāng)土壤含水率低時(shí)，表土溶解能力降低；如果此時(shí)土壤水分對(duì)鹽分的溶解能力仍大于該溫度下的蒸發(fā)力（水分汽化速率），水分仍然可以攜帶鹽分運(yùn)移[28-30]；上升到表層的鹽分很快離析，難以再向下部做分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使離析速率提高。土壤含水率持續(xù)降低時(shí)，整個(gè)土層的溶解能力下降，鹽分難以隨水分上升到土面，表土鹽分離析速率降低。

另外，鹽分表聚過(guò)程除了對(duì)生產(chǎn)有負(fù)面作用以外，在治理鹽堿地的技術(shù)研發(fā)方面有一定的啟發(fā)作用，特別是在新疆干旱的盆地地區(qū)，水利改良鹽堿地存在難找排水出路的問(wèn)題[31]，因此，區(qū)域“干排鹽”或“干排水”技術(shù)受到重視[32]?！案膳披}”技術(shù)就是在有限區(qū)域內(nèi)的低洼地點(diǎn)利用土壤水蒸發(fā)作用將鹽分表聚在地表，然后將其清除，其相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)需要依據(jù)鹽分表聚理論和影響因素來(lái)設(shè)計(jì)[33-34]。因此，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行深入研究很有必要。

本研究表明，在鹽分表聚的過(guò)程中，土壤水分起著溶解、攜帶、脫離鹽分的作用；而環(huán)境溫度及蒸發(fā)強(qiáng)度起著使水分由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的作用，同時(shí)溫度也可使土壤水分對(duì)鹽分的溶解度有所升高，增加其攜帶鹽分的能力。在土壤含鹽量一定的情況下，土壤含水率的增加可提高其對(duì)鹽分的溶解度；而在土壤含水率一定的情況下，如果土壤含鹽量不超過(guò)溶液的最大溶解度，鹽分可隨水分遷移（淋洗）。在覆膜滴灌條件下，膜內(nèi)土壤中的水分無(wú)法蒸散，且淺層土壤中水分的溫度較高；相對(duì)于膜間土壤，膜內(nèi)土壤水分可以溶解的鹽分也較多，從而間接提高了灌溉水對(duì)土壤鹽分的淋洗效率。

4 結(jié)論

1）覆膜滴灌條件下，2種土質(zhì)的表層含鹽量隨距滴頭水平距離呈指數(shù)函數(shù)分布；膜外土壤垂直剖面上的含鹽量呈“?！毙头植迹}分主要聚集在表層土壤中。其中，高蒸發(fā)強(qiáng)度處理下，沙土表層（0～2 cm）的平均含鹽量是2 cm以下土層平均含鹽量的7.3倍，壤土表層（0～2 cm）的平均含鹽量是2 cm以下土層平均含鹽量的8.4倍，低蒸發(fā)強(qiáng)度處理下，沙土和壤土的對(duì)應(yīng)數(shù)值分別是7.2倍和7.9倍。

2）影響土壤鹽分表聚的主要因素是土壤水分的蒸發(fā)速率；土壤含水率、環(huán)境溫度和蒸發(fā)強(qiáng)度的提高都可以增大土壤水分蒸發(fā)速率，導(dǎo)致土壤表面鹽分聚集量增加，其中，土壤含水率所起的作用最大。

3）土壤蒸發(fā)過(guò)程中鹽分表聚速率存在峰值，而且峰值與環(huán)境溫度呈正相關(guān)。蒸發(fā)作用下，壤土的鹽分表聚速率比沙土的鹽分表聚速率高。

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Salt Accumulation and Distribution under Mulched Drip Irrigation

CHEN Wenjuan1, LI Mingsi2*, LI Qinglin2, LI Dongwei2

(1. College of Sciences, Shihezi University, Shihezi 832000, China;2. College of Water Conservancy and Architectural Engineering,Shihezi University, Shihezi 832000, China)

【Background and objective】Mulched drip irrigation can push salt out of the root zone to sustain crop growth, but evaporation from soil outside the mulching film drives the salt to redistribute. Understanding salt accumulation and redistribution under mulched drip irrigation is important to alleviate soil salinization. Taking Xinjiang as an example, the objective of this paper is to experimentally study salt accumulation and redistribution in soil under mulched drip irrigation.【Method】 The experiment was conducted in a laboratory using repacked sandy soil and loamy soil. For each soil, we compared high evaporation and low evaporation both adjusted by temperature. Salt distribution in the horizontal and vertical directions was measured in each treatment. 【Result】 Regardless of soil type, salt content in the soil surface decreases exponentially along the distance away from the emitter. In the vertical direction, salt content in the soil outside the mulching film is distributed in a “Γ” type, and the salt mainly accumulates in the soil proximal to the surface. Under high evaporation, the average salt content in the surface (0～2 cm) of the sandy soil is 7.3 times that in the subsoil below the depth of 2 cm, while the average salt content in the surface (0～2 cm) of the loamy soil is 8.4 times that in the subsoil below the depth of 2 cm. At low evaporation, the associated salt content in the surface of the sandy and loamy soils is 7.2 times and 7.9 times, respectively, that in the subsoils. Soil evaporation is the main determinant of salt accumulation in the soil surface. Increasing soil moisture content, temperature or evaporation enhances evaporation, leading to an increase in salt accumulation in the soil surface. Because salt solubility drops when soil water content decreases, there is a peak in salt accumulation rate during the evaporation process, which is positively correlated with temperature. 【Conclusion】The evaporation of soil water leads to salt precipitation around the soil surface. Salt accumulation at the loamy soil surface is higher than that at the sandy soil surface. These results can help design mulched drip irrigation for crops in salt-affected soils.

mulched drip irrigation; soil texture; salt accumulation; accumulate rate

1672 - 3317（2022）09 - 0093 - 08

S-3

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021389

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2021-08-21

國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（51790533），石河子大學(xué)高層次人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目（RCZK2021B05）

陳文娟（1992-），女，新疆庫(kù)爾勒人。講師，博士，主要從事旱區(qū)節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail: ChenWJ513@163.com

李明思（1965-），男，新疆烏蘇人。教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事灌溉原理與新技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail: leemince-709@163.com

責(zé)任編輯：趙宇龍