棉稈與風(fēng)積沙混摻隔層對(duì)土壤水分入滲及水鹽遷移特性的影響

王立成，朱 珠，孔芊芊，朱連勇

（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

新疆地處亞歐腹地干旱區(qū)，長(zhǎng)期以來(lái)降水少蒸發(fā)強(qiáng)，水資源短缺和鹽堿脅迫已經(jīng)成為威脅農(nóng)田土壤適耕性的重要障礙因子，迫切需要改善土壤耕層生境以提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力［1］。近些年，通過(guò)秸稈隔層調(diào)控土壤水鹽成為研究熱點(diǎn)。張金珠等［2］發(fā)現(xiàn)秸稈越長(zhǎng)，對(duì)土壤水分的蓄持作用以及剖面鹽分的淋洗效果越好。但盧闖［3］認(rèn)為秸稈長(zhǎng)度越短、形態(tài)越細(xì)，隔層以上土壤含水率越高，淋洗過(guò)程中鹽分的去除度更高?；⒛憽ね埋R爾白等［4］通過(guò)綜合試驗(yàn)資料和數(shù)值模擬得出隔層埋設(shè)處產(chǎn)生了鹽分積聚現(xiàn)象。常芳弟等［5］在為期4年的大田試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)秸稈隔層能夠降低隔層以上土層含鹽量，但會(huì)提高隔層以下土層含鹽量。SONG 等［6］研究還表明，秸稈覆蓋和秸稈深埋相結(jié)合保水抑鹽效果更佳。也有部分學(xué)者結(jié)合區(qū)域資源稟賦與當(dāng)?shù)赝寥浪奶匦赃M(jìn)行了壓沙或夾沙層的研究。趙文舉等［7］研究了不同壓沙層厚與粒級(jí)對(duì)土壤水鹽運(yùn)移特性的影響，結(jié)果表明抑蒸效果與壓沙厚度和細(xì)沙比例皆成正相關(guān)關(guān)系。陳建生等［8］在室內(nèi)土柱中設(shè)置夾砂層進(jìn)行模擬降雨入滲試驗(yàn)，結(jié)果表明砂夾層具有減緩水流下滲的作用，機(jī)理在于砂層的薄膜水持水量與上下土層之間存在的差異。郭志鵬［9］認(rèn)為土石混合隔層對(duì)累計(jì)入滲量的影響存在比例閾值，且閾值隨隔層的位置變化而變化。

綜上所述，以往的研究多是圍繞單一秸稈的隔層展開(kāi)，部分涉及到了土壤水鹽遷移特性對(duì)壓沙或夾砂層的響應(yīng)，但鮮見(jiàn)秸稈隔層摻沙對(duì)土壤水分入滲及水鹽遷移影響的報(bào)道。新疆豐富的棉稈資源面臨季節(jié)性、結(jié)構(gòu)性過(guò)剩的問(wèn)題［10］，且風(fēng)蝕荒漠分布廣，綠洲耕種區(qū)土地荒漠化風(fēng)險(xiǎn)突出［11］。因此，如何科學(xué)利用秸稈、防治土壤荒漠化、解決農(nóng)耕土地干旱鹽堿問(wèn)題成為此地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)?；诖?，本文通過(guò)室內(nèi)土柱試驗(yàn)，探究不同棉稈隔層摻沙比例對(duì)土壤水分入滲及水鹽時(shí)空動(dòng)態(tài)分布的影響，旨為新疆旱區(qū)建立科學(xué)的秸稈混沙隔層水鹽調(diào)控機(jī)制，提高水分利用效率與防治土壤鹽漬化提供相關(guān)參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院試驗(yàn)基地（塔里木河上游阿拉爾市， 81°18′5″E、40°32′20″N）［12］，取樣深度0 至20 cm，自然風(fēng)干后過(guò)2 mm 篩備用。秸稈為2021 年試驗(yàn)田風(fēng)干棉稈，當(dāng)年11月中旬拔柴置田埂風(fēng)干后，經(jīng)粉碎機(jī)（3 800 r/min）粉碎備用。供試風(fēng)積沙取自新疆阿拉爾市周邊。

表1 供試土壤顆粒分布與理化性質(zhì)Tab.1 Soil particle distribution and physicochemical properties

表2 供試風(fēng)積沙顆粒組成%Tab.2 Particle composition and moisture content of aeolian sand

表3 供試棉稈粉碎篩分值%Tab.3 Cotton stalk crushing screening value and moisture content

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)7 個(gè)混沙比例0%、50%、75%、85%、90%、95%、100%（質(zhì)量占比，分別用T0、T50、T75、T85、T90、T95、T100 表示），加上對(duì)照CK 共8 個(gè)處理，每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)。采用亞克力有機(jī)玻璃土柱（高120 cm，外徑30 cm），側(cè)壁均勻分布采樣孔，底部設(shè)反濾層與透氣孔，隔層設(shè)置在30 至35 cm 處，入滲水量19.7 L（控制為裝填土層含水飽和的水平），以試驗(yàn)室制備的去離子水進(jìn)行垂向積水入滲試驗(yàn)。

試驗(yàn)中按照“先密后疏”的時(shí)間原則記錄不同時(shí)刻濕潤(rùn)鋒面位置和入滲水位，積水入滲完畢停止記錄。水分入滲結(jié)束時(shí)及再分布兩天后通過(guò)不同位置取樣孔取樣，取樣深度分別為5、15、25、35、45、55、65 和75 cm，采用烘干法和電導(dǎo)率法（水土比5∶1）測(cè)定含水率和電導(dǎo)率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2019 與origin 2021 做圖，IBM SPSS Statistics 26進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用ANOVA單因素方差分析和LSD顯著差異檢驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 混摻比例對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移特征的影響

濕潤(rùn)鋒為水分遷移前沿與干土層之間形成較為明顯的干濕交界面，隨時(shí)間的變化特性如圖1 所示。在濕潤(rùn)峰到達(dá)隔層之前，棉稈摻沙隔層處理的濕潤(rùn)鋒推進(jìn)特征曲線與CK 一致，可近似為光滑的曲線，在30 至35 cm 附近出現(xiàn)了濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的短暫停滯或不穩(wěn)定波動(dòng)，原因?yàn)楦魧拥拇嬖谠斐山缑嫣幫了畡?shì)差異，破壞了均質(zhì)土壤孔隙的連通性，層間孔隙的形態(tài)與大小也不一致，引發(fā)優(yōu)先流現(xiàn)象。之后秸稈隔層摻沙處理間差異變大，但均逐漸呈現(xiàn)出線性變化的特征。CK 的濕潤(rùn)峰推進(jìn)特征整個(gè)過(guò)程均為光滑的曲線，且推進(jìn)明顯較秸稈摻沙隔層要快，以入滲1 050 min 為例，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移表現(xiàn)為CK＞T100＞T90＞T75＞T85＞T50＞T95＞T0，其中CK 最遠(yuǎn)距離為75.3 cm，T100 次之為61.5 cm，T0 最小為48.94 cm，T95 僅大于T0 為54.22 cm，T50、T75、T85、T90之間差異不明顯（P＞0.05）。

圖1 濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間的變化Fig.1 Dynamic change of wetting front

圖2表明，T0、T50、T75、T85、T90、T95、T100 入滲歷時(shí)與CK相比，分別延長(zhǎng)了82.54%、38.10%、34.92%、36.51%、32.28%、73.02%、31.75%。方差分析可知棉稈摻沙隔層處理與CK 之間差異顯著（P＜0.05），秸稈摻沙隔層延長(zhǎng)了入滲時(shí)間。其中， T0和T95 入滲時(shí)間較長(zhǎng)，T50、T75、T85、T90 和T100 入滲時(shí)間較短且差異不明顯，T50 與T85 無(wú)顯著差異（P＞0.05），T75、T90 與T100之間無(wú)顯著差異（P＞0.05）。

圖2 入滲時(shí)間Fig.2 Infiltration time

2.2 混摻比例對(duì)累計(jì)入滲量變化規(guī)律的影響

累計(jì)入滲量與時(shí)間的變化規(guī)律見(jiàn)圖3。入滲初始不同處理累計(jì)入滲量隨時(shí)間的關(guān)系曲線斜率均較大，入滲速率較快，隨時(shí)間不斷增大的變化趨勢(shì)基本一致。入滲水分推進(jìn)至隔層位置后，入滲速率趨緩且差異逐漸變大。CK 整個(gè)入滲過(guò)程呈現(xiàn)出一條光滑的曲線，其余處理在入滲至隔層深度之后呈現(xiàn)出線性變化的趨勢(shì)，處理間累計(jì)入滲量差異也不斷增大。同樣以入滲至1 050 min 為例，累計(jì)入滲量表現(xiàn)為CK＞T50＞T75＞T90＞T85＞T100＞T95=T0，CK最大為23.3 cm，T0與T95最小均為16.9 cm。T0、T50、T75、T85、T90、T95、T100 與CK 相比分別減少了27.47%、12.88%、15.49%、16.74%、16.74%、27.47%、20.60%。此時(shí)刻各處理累計(jì)入滲量差異顯著（P＜0.05），多重比較得出，T0與T95之間差異不顯著（P＞0.05），T75與T90之間差異不顯著（P＞0.05），其余處理兩兩之間差異顯著。

圖3 累計(jì)入滲量隨時(shí)間的變化Fig.3 Dynamic change of cumulative infiltration

為進(jìn)一步探究棉稈隔層摻沙比例與累計(jì)入滲量之間的關(guān)系，采用Kostiakov 入滲模型對(duì)累計(jì)入滲量與時(shí)間之間的關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合［13-15］，其中秸稈摻沙隔層處理以入滲至30 cm 為分界點(diǎn)，以上采用Kostiakov 入滲模型，以下采用線性模型；CK 整個(gè)浸潤(rùn)層均采用Kostiakov 入滲模型。

由表4可知，擬合結(jié)果決定系數(shù)均大于0.97，均方根誤差最大為0.542 6，模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間一致性較好。結(jié)合圖3 和表4 可知，除CK 外，入滲至30 cm 之后進(jìn)入線性入滲階段，時(shí)間與累計(jì)入滲量關(guān)系曲線的斜率表現(xiàn)為T(mén)100＞T85＞T90＞T75＞T50＞T95＞T0，說(shuō)明此階段T100 入滲速率最快，T0 與T95 入滲速率較慢，與濕潤(rùn)鋒和累計(jì)入滲量的分析結(jié)果一致。

表4 累計(jì)入滲量與時(shí)間模型擬合參數(shù)表Tab.4 Cumulative infiltration and time model fitting parameter table

2.3 混摻比例對(duì)剖面水鹽分布特性的影響

2.3.1 棉稈摻沙隔層對(duì)土壤水分分布的影響

土壤含水率分布在入滲結(jié)束時(shí)與入滲結(jié)束兩天后均呈現(xiàn)出上層高下層低的趨勢(shì)，且土壤含水率隨深度變化差異顯著（P＜0.05）（圖4，圖4 中不同小寫(xiě)字母代表入滲結(jié)束時(shí)含水率差異顯著（P＜0.05），不同大寫(xiě)字母代表入滲結(jié)束兩天后含水率差異顯著（P＜0.05），下同）。入滲結(jié)束時(shí)，土壤上層含水率（5、15 與25 cm 深度土壤含水率平均值，圖5）表現(xiàn)為：T95＞T0＞T50＞T85＞T90＞T75＞T100＞CK，T100與CK 無(wú)顯著差異（P＞0.05），其余處理之間無(wú)顯著差異（P＞0.05），且均顯著高于CK處理（P＜0.05）。說(shuō)明棉稈摻沙隔層可提高土壤上層的含水率，純沙隔層的持水效果低于棉稈摻沙隔層。在經(jīng)過(guò)兩天的水分再分布后，土壤上層的含水率下降，下層的含水率上升，各處理土壤水分分布均勻度均較入滲結(jié)束時(shí)有所提升，CK 含水率隨深度變化無(wú)差異（P＞0.05）。土壤上層含水率以T0 最高，T95 次之，CK 最低，與入滲結(jié)束時(shí)一致。說(shuō)明T0的持水性最好，T95次之，CK最差。

圖4 不同深度含水量分布圖Fig.4 The distribution of water content at different depths

圖5 土壤上層含水率Fig.5 Upper soil water content

2.3.2 棉稈摻沙隔層對(duì)土壤電導(dǎo)率變化的影響

電導(dǎo)率是表征土壤含鹽量信息的間接指標(biāo)［17，18］。水分入滲結(jié)束及入滲結(jié)束兩天后電導(dǎo)率分布均呈現(xiàn)出上低下高的現(xiàn)象，同時(shí)呈現(xiàn)出隨深度逐漸增大的趨勢(shì)（圖6）。水分入滲完成時(shí)，土壤上層鹽分被淋洗至土壤下層，上層鹽分淡化，下層一定程度積鹽，整個(gè)深度范圍內(nèi)鹽分分布差異顯著（P＜0.05）。入滲結(jié)束兩天后，隨著水分的再分布，土壤鹽分也發(fā)生了再分布，土層上部的鹽分淡化與底部的積鹽狀態(tài)均未改變，但土層中部（30～60 cm 深度）的鹽分出現(xiàn)了一定程度的下移。以電導(dǎo)率值（EC表示，圖7）為639.2 的等值線為例，鹽分再分布過(guò)程中其位置出現(xiàn)了一定程度的下移，形狀被一定程度拉平。其中，以T0與T95 處理下移幅度最大。對(duì)不同處理而言，上層鹽分淋洗效果相當(dāng)，下層差異明顯。整個(gè)濕潤(rùn)層范圍，以CK和T0的鹽分淋洗效果最好，其余處理土層底部出現(xiàn)一定積鹽，原因可能是供試風(fēng)積沙顆粒的基礎(chǔ)含鹽量比供試土樣高的緣故。

圖6 不同處理電導(dǎo)率分布圖Fig.6 Electrical conductivity distribution of different treats

圖7 不同深度電導(dǎo)率分布圖Fig.7 Electrical conductivity distribution of different depths

3 討 論

3.1 棉稈摻沙隔層處理的入滲特性

秸稈摻沙隔層使近似均質(zhì)的土壤剖面結(jié)構(gòu)變?yōu)閷訝罱Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變了土壤的入滲過(guò)程。隔層以上土體的入滲過(guò)程，無(wú)論是濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離還是累計(jì)入滲量隨時(shí)間的變化關(guān)系都是一條近似光滑的曲線。但當(dāng)入滲鋒面到達(dá)秸稈摻沙隔層處時(shí)，濕潤(rùn)鋒推進(jìn)出現(xiàn)了停滯或者僅是浸潤(rùn)了部分隔層就停滯不前，這與李睿冉等［19］的研究一致。雖然二者隔層材料不同，但影響水流運(yùn)動(dòng)的機(jī)理卻是一致的。土壤上層和隔層的質(zhì)地與孔隙特性不同，導(dǎo)致層間土水勢(shì)存在差異，只有在上層蓄水使得土水勢(shì)上升至與隔層土水勢(shì)相同時(shí)，入滲才會(huì)繼續(xù)向下推進(jìn)。同樣由于土壤層間的質(zhì)地與結(jié)構(gòu)差異，使得入滲過(guò)程中秸稈摻沙隔層各處理均出現(xiàn)了一定的優(yōu)先流現(xiàn)象。這與趙永敢等［20］的研究一致。本研究發(fā)現(xiàn)摻沙比例越高優(yōu)先流現(xiàn)象消失的越快，可能是摻沙比例越高，層間孔隙的大小均勻度差異越小的原因。整體而言，棉稈摻沙隔層阻滯了水分入滲，延長(zhǎng)了入滲歷時(shí)。綜合濕潤(rùn)鋒和累計(jì)入滲量?jī)煞矫鏀?shù)據(jù)可以得出CK和T100入滲較快，T0 和T95 入滲速率較慢，說(shuō)明沙隔層的濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速度要快于秸稈隔層，這與劉娜［21］的研究結(jié)果一致。摻沙95%的秸稈秸稈隔層抑滲效果與純秸稈隔層相當(dāng)，沒(méi)有呈現(xiàn)出與其他混摻比例類(lèi)似的阻滲規(guī)律。一方面原因是可能是此組合比例下秸稈摻沙隔層結(jié)構(gòu)的級(jí)配分布，提高了隔層結(jié)構(gòu)的致密性［22］，疊加層狀結(jié)構(gòu)界面處土水勢(shì)差異的影響，使得阻滲水流下滲特性在摻沙比例95%達(dá)到最優(yōu)。另一方面，秸稈混沙提高了隔層中的封閉氣泡，阻斷了水流通道，減小了過(guò)水面積，從而增強(qiáng)了沙的阻滲性［23，24］，當(dāng)然也不排除一定程度由于試驗(yàn)裝置及操作等方面誤差帶來(lái)的擾動(dòng)影響。試驗(yàn)中，T100與其他不同摻沙比例的棉稈隔層相比，同一時(shí)刻濕潤(rùn)鋒運(yùn)移相對(duì)較快，但累計(jì)入滲量不是很大，原因是風(fēng)積沙的飽和含水率較低水勢(shì)較高，在濕潤(rùn)鋒前沿越過(guò)隔層之后，因隔層以下風(fēng)干土的水勢(shì)與之差異過(guò)大從而導(dǎo)致濕潤(rùn)鋒會(huì)加速推進(jìn)。

3.2 棉稈摻沙隔層處理的水鹽分布特性

棉稈摻沙隔層改變了耕層下墊面的性質(zhì)，打破了土壤毛管自然狀態(tài)下的連續(xù)性，進(jìn)而改變了水分的遷移與分布特征。水分入滲結(jié)束后，浸潤(rùn)層水分分布不均，棉稈摻沙隔層處理上層含水率顯著高于CK，表現(xiàn)出了較好的阻滲的性能，與Zhang等［25］的研究結(jié)果一致。積水入滲結(jié)束后，土層中含水率超過(guò)田間持水量的部分，在重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)的作用下水分會(huì)有一個(gè)再分布過(guò)程。綜合兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的水分分布狀況，秸稈摻沙隔層能提高隔層以上土壤入滲后的含水率和儲(chǔ)水量，這與郭相平等［26］的研究結(jié)果均一致。T0 和T95 在兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的隔層以上土層含水率均高于其他處理。秸稈隔層對(duì)隔層以上土壤具有減滲效應(yīng)已得到眾多學(xué)者的研究認(rèn)可［21，27，28］?；鞊斤L(fēng)積沙比例95%的棉稈隔層同樣具有較好的減滲效應(yīng)，可能是因?yàn)榇吮壤赂魧咏Y(jié)構(gòu)級(jí)配分布致密性較好，秸稈摻沙形成大小不一、形態(tài)與彎曲度各異的封閉氣泡，阻塞了水分遷移通道，從而實(shí)現(xiàn)了良好的阻滲持水效應(yīng)［21］。

棉稈摻沙隔層能夠?qū)Ⅺ}分控制在隔層以下，為隔層以上土壤創(chuàng)造一個(gè)高水低鹽的適耕環(huán)境，王國(guó)麗［28］結(jié)合根箱與微區(qū)試驗(yàn)也得到了同樣的結(jié)果。劉娜［21］認(rèn)為埋設(shè)秸稈隔層初期水鹽調(diào)控作用最明顯，而埋設(shè)秸砂組合隔層后期水鹽調(diào)控作用較好，與此研究不一致的原因是二者試驗(yàn)開(kāi)展的時(shí)間尺度與試驗(yàn)方法不同。再分布過(guò)程中，土壤上層的鹽分淡化狀態(tài)與底部的積鹽狀態(tài)并沒(méi)有改變，而土層中部的鹽分則出現(xiàn)了一定程度的下移，與李毅等［29］的研究結(jié)果一致。再分布過(guò)程中T0與T95中部鹽分下降幅度大于其他處理，原因是水分入滲結(jié)束時(shí)阻持的水分較多，飽和區(qū)和過(guò)渡區(qū)水分還有一個(gè)動(dòng)態(tài)的分布過(guò)程，鹽分遷移與水分運(yùn)動(dòng)高度相關(guān)，則鹽分的再分布遷移程度就比較高?？v觀整個(gè)入滲及再分布過(guò)程，CK 在整個(gè)濕潤(rùn)層鹽分淋洗比較充分，秸稈摻沙隔層處理只在土層上部與中部有較好的鹽分淡化效果，與盧闖等［24］的研究結(jié)果不一致，他們認(rèn)為秸稈隔層的設(shè)置增強(qiáng)了鹽分淋洗效果，提高了洗鹽率。可能是供試土壤與風(fēng)積沙的鹽分含量差異、滲水條件與試驗(yàn)尺度不同的緣故。

考慮到新疆棉稈還田的主要方式為粉碎還田［30］，研究選取粉碎形態(tài)的棉稈摻沙作為隔層，下一步應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其他形態(tài)的棉稈摻沙隔層進(jìn)行研究。另外室內(nèi)土柱試驗(yàn)無(wú)法復(fù)現(xiàn)原狀土的自然狀態(tài)與田間作物實(shí)際生長(zhǎng)環(huán)境，為更好的探究秸稈摻沙隔層對(duì)水鹽分布特性的影響，還需跟進(jìn)開(kāi)展田間試驗(yàn)予以驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

（1）棉稈摻沙隔層阻滯水分入滲，延長(zhǎng)了入滲時(shí)間，不同摻沙比例對(duì)入滲歷時(shí)有顯著影響。CK 入滲最快，T0 和T95 入滲時(shí)間較長(zhǎng)，T50、T75、T85、T90 和T100 入滲時(shí)間較短，且差異不明顯。

（2）棉稈摻沙隔層對(duì)隔層以上的累計(jì)入滲量時(shí)間特性與濕潤(rùn)鋒推進(jìn)規(guī)律無(wú)影響，對(duì)隔層以下的影響差異顯著，T0 阻滲效果最好，T95次之。

（3）累計(jì)入滲量隨時(shí)間的變化關(guān)系，CK 可用Kostiakov 模型描述。而棉稈摻沙隔層處理在隔層以上范圍Kostiakov 模型擬合情況較好，以下線性模型描述較好。擬合決定系數(shù)均大于0.98，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合模型之間一致性較好。

（4）水鹽分布對(duì)秸稈摻沙隔層的響應(yīng)顯著。入滲結(jié)束時(shí)，含水率隨深度逐漸降低，土壤上層含水率T0 最高，T95 次之，上層鹽分淡化、底部積鹽。兩天后，水分分布趨于均勻，土層中部的鹽分出現(xiàn)了一定程度的下移，T0和T95下移幅度最大。

綜合濕潤(rùn)鋒、累計(jì)入滲量等入滲特性指標(biāo)與水鹽運(yùn)移與重分布規(guī)律，為提高水分利用效率與改善作物生長(zhǎng)水鹽環(huán)境，建議在新疆旱區(qū)推廣應(yīng)用秸稈隔層與秸稈隔層混摻95%風(fēng)積沙農(nóng)藝措施。