覆砂對濱海鹽堿土水鹽分布及蒸發(fā)特性的影響研究

胡 岸，陳東輝，王亞釗，鄧亞鵬

（1. 石家莊市水利技術推廣中心，河北 石家莊 050000； 2. 上海澄域環(huán)保工程有限公司，上海 201400）

0 引 言

鹽堿地是重要的土地后備資源，其合理開發(fā)與利用對穩(wěn)糧穩(wěn)產具有重要意義［1］。據(jù)統(tǒng)計，我國約有65.8 萬km2的鹽堿土未用于農業(yè)生產，主要分布在東北、華北、西北及東部沿海在內的17個省區(qū)。這些地區(qū)也是我國重要的糧食產區(qū)，但由于土壤水分蒸發(fā)強烈、地表鹽分積聚嚴重等不利因素，已造成作物生長困難，產量低下，阻礙了當?shù)亟洕陌l(fā)展［2-4］。

國內外在鹽堿土水鹽調控方面進行了大量的研究。其中，砂石覆蓋是解決我國鹽堿地區(qū)水資源短缺、土壤蒸發(fā)強烈的重要措施，在減少提高土壤蓄水保墑能力、抑制鹽分表層積聚等方面具有重要作用［5-7］。趙文舉［8］等研究了覆砂對土壤水鹽運移的影響，指出覆砂能抑制表層鹽分積聚，增大土壤含水率。唐德秀［9］等研究表明在植物生長期內，土壤蒸發(fā)隨覆砂量的增加而降低。

砂石覆蓋對非鹽堿土土壤蒸發(fā)入滲、作物生長發(fā)育等方面的研究已取得了重大進展。但對鹽堿土水鹽分布特征變化的研究還鮮有報道。因此，本文對不同砂石覆蓋度下濱海鹽堿土土壤水鹽分布及蒸發(fā)強度變化進行分析，以期為鹽堿地區(qū)抑鹽、保墑、改土、增產等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土樣取自河北省滄州市“渤海糧倉”科技項目工程示范區(qū)，采樣深度為0～40 cm，土壤容重為1.38 g/cm3，含鹽量為3 g/kg，pH 為8.24。采用吸管法測定土壤各粒級相對含量，結果見表1，覆蓋材料選用粒徑為0.5～1 cm的砂石。

表1 土壤顆粒級配相對含量Tab.1 Relative content of soil particle gradation

1.2 試驗設計

本試驗裝置為植物試驗盆（盆高120 mm，上口直徑160 mm，下口直徑120 mm，容積1 800 mL），盆底鋪設200 g 粒徑為2 mm 的石英砂，將2 100 g風干土壤置于盆內，上部預留1 cm 以覆蓋砂石，覆蓋度［砂石覆蓋面積與試驗盆橫截面積之比，黑色部分為砂石覆蓋，圖1（c）］按照0、25%、50%、75%和100%（分別以CK、S1、S2、S3 和S4 表示）鋪設，每個處理重復20 次，并進行編號，選擇r，s，t3組［圖1（b）］進行稱重。試驗開始時間為2022年3 月10 日，持續(xù)20 d，地點在石家莊市水利技術推廣中心，試驗期間室內溫度為16～20 ℃。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Diagram of the test device

1.3 試驗流程

根據(jù)r，s，t3 組稱重值差值的平均值和時間間隔來計算土壤累積蒸發(fā)量和蒸發(fā)強度；剩余17 組裝置依次由藥品匙分層（0～2、2～4、4～6 和6～10 cm）取樣，按順序通過破壞性取樣測定其土壤含水率和電導率（含鹽量）。土壤蒸發(fā)強度測定時間為8時到20 時［10］，0～5 d 按照每4 h 測定一次，6～10 d 按照每12 h 測定一次，11～20 d按照每24 h測定一次；土壤含水率和電導率1～10 d按照每24 h測定一次，11～20 d按照每36 h測定一次。試驗期間，土壤水鹽數(shù)據(jù)和蒸發(fā)數(shù)據(jù)分別采集17 和40 次。土壤含水率由烘干法測定，電導率值由電導率儀（DDS-308A，上海雷磁）測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

（1）土壤含水率計算公式：

式中：θ為土壤含水率，%；mw為土壤中水分質量，g；m濕為濕土質量，g。

（2）土壤蒸發(fā)強度計算公式：

式中：E為土壤蒸發(fā)速率，mm/h；ΔM為r，s，t三組前后稱重數(shù)據(jù)的差值，g；A為植物試驗盆盆口面積；mm2；ρ為水的密度，g/cm3；Δt為前后稱重的時間差，h。

試驗數(shù)據(jù)計算和作圖分別由Excel 2016 和Origin 2018完成。

2 結果與分析

2.1 覆砂對土壤水分的影響

2.1.1 覆砂對土壤表層含水率的影響

各處理的土壤表層0～2 cm 土壤含水率的變化過程見圖2?？芍?，試驗結束時，CK、S1、S2、S3 和S4 處理土壤表層0～2 cm 含水率比試驗開始時分別下降了85.89%、77.63%、69.85%、56.89%和53.07%；S1、S2、S3 和S4 土壤表層0～2 cm 含水率比CK 處理分別增加了58.57%、113.71%、205.61%和232.71%。從圖2 還可以看出，各處理土壤表層含水率均隨著時間的推移而下降，土壤表層含水率隨砂石覆蓋度的增加呈上升趨勢，且CK處理土壤表層含水率隨時間的推移呈現(xiàn)出指數(shù)型降低趨勢，覆蓋處理呈現(xiàn)出線性降低趨勢（表2），說明覆砂在試驗期間有較好的蓄水保墑效果，能有效抑制土壤表層水分散發(fā)，且土壤蒸發(fā)在試驗前期中的抑制能力要優(yōu)于試驗后期。

圖2 土壤表層（0～2 cm）含水率隨時間變化關系Fig.2 The relationship between soil surface （0～2 cm）moisture content and time

2.1.2 覆砂對土壤剖面含水率的影響

各處理的土壤剖面的含水率的變化過程見圖3，可以看出，土壤含水率隨著土壤深度的增加呈增加趨勢，試驗期間，CK 處理2～4、4～6和6～10 cm土層土壤含水率較表層0～2 cm含水率分別增加了3.63%、6.57%和5.68%，覆蓋處理2～4、4～6 和6～10 cm土層土壤含水率較表層0～2 cm 含水率分別增加了11.25%、13.60%和12.11%，CK、S1、S2、S3和S4處理2～10 cm土層土壤含水率較表層0～2 cm 土壤含水率分別增加了5.29%、18.15%、11.35%、9.39%和11.37%。試驗結束時，S1、S2、S3 和S4 土壤剖面含水率比CK 處理分別增加了82.41%、128.63%、177.58%和220.91%，CK 處理土壤剖面含水率明顯低于其他處理，覆蓋處理土壤剖面含水率隨著砂石覆蓋度的增加呈線性增加趨勢（y= 12.274x+ 26.374，R2= 0.940 2）。

圖3 土壤剖面水分隨時間變化關系Fig.3 Relationship of soil profile moisture with time

2.2 覆砂對土壤鹽分的影響

2.2.1 覆砂對土壤表層（0～2 cm）鹽分含量的影響

圖4反映了各處理表層（0～2 cm）土壤鹽分隨時間的變化關系， 可以看出，各處理土壤表層含鹽量隨著時間的推移均呈遞增趨勢，土壤表層含鹽量隨砂石覆蓋度的增加而呈現(xiàn)降低趨勢。試驗結束時，CK、S1、S2、S3 和S4 處理土壤表層0～2 cm 鹽分含量比試驗開始時分別增加了356.48%、252.78%、229.63%、160.19%和146.30%；S1、S2、S3 和S4 土壤表層鹽分0～2 cm 含量比CK 處理分別降低了22.72%、27.79%、43.00%和46.04%。此外，在試驗初期（0～200 h），CK 處理土壤表層鹽分含量迅速上升，較試驗初期增加了258.33%，而S1、S2、S3和S4處理較CK 分別降低了11.72%、35.98%、63.60%和86.61%；試驗后期（200～480 h），CK處理鹽分增長速度減緩，S1、S2、S3 和S4土壤表層0～2 cm 鹽分變化量較CK 處理分別降低了57.53%、34.93%、41.10%和13.70%。說明覆砂能夠有效抑制土壤表層鹽分積聚，在蒸發(fā)前期有較好的抑鹽效果。

圖4 土壤表層（0～2 cm）電導率隨時間變化關系Fig.4 The relationship between soil surface （0～2 cm）conductivity and time

2.2.2 覆砂對土壤剖面鹽分含量的影響

圖5 反映了各處理土壤剖面含鹽量隨時間的變化關系，試驗開始時，土壤鹽分剖面分布均勻；試驗結束時，深層土壤的鹽分含量高于土壤表層，且各處理土壤鹽分含量隨土層深度的增加呈下降趨勢。試驗期間，S1、S2、S3 和S4 處理0～10 cm 土層土壤剖面電導率比CK 處理降低了11.76%、8.11%、7.15% 和10.64%；無覆蓋處理2～4、4～6 和6～10 cm 土層土壤電導率較表層0～2 cm電導率分別降低了39.26%、45.32%和53.83%，覆蓋處理2～4、4～6和6～10 cm土層土壤電導率較表層0～2 cm電導率分別降低了（S1～S4 的0～2 cm 土層含鹽）18.57%、27.50% 和31.82%，CK、S1、S2、S3 和S4 處理表層0～2 cm 土壤電導率較2～10 cm 土層土壤電導率增加了85.65%、73.90%、45.52%、22.38%和5.15%，砂石覆蓋對0～10 cm 土層土壤剖面電導率抑制能力低于0～2 cm 土層。砂石覆蓋會導致土層間含鹽量趨于一致，改善土壤鹽分空間分布，說明砂石覆蓋能有效降低土壤鹽分含量。

圖5 土壤剖面鹽分隨時間變化關系Fig.5 The relationship between soil profile salinity and time

2.3 覆砂對土壤蒸發(fā)的影響

2.3.1 覆砂對土壤蒸發(fā)強度的影響

土壤蒸發(fā)強度隨時間的推移呈下降趨勢（圖6），0～200 h，土壤蒸發(fā)強度較大，CK、S1、S2、S3和S4處理土壤蒸發(fā)強度分別為0.11、0.09、0.08、0.07 和0.07 mm/h；200～480 h，土壤蒸發(fā)強度降低，CK、S1、S2、S3 和S4 處理土壤蒸發(fā)強度分別為0.04、0.04、0.03、0.02 和0.02 mm/h。試驗期間，CK、S1、S2、S3 和S4 處理土壤平均蒸發(fā)強度分別為0.07、0.06、0.05、0.04 和0.04 mm/h，S1、S2、S3 和S4 處理土壤平均蒸發(fā)強度分別比CK 處理降低了15.51%、29.08%、41.01%和48.82%；土壤蒸發(fā)強度隨砂石覆蓋度的增加而呈減低趨勢。

圖6 土壤蒸發(fā)強度隨時間變化關系Fig.6 Variation of soil evaporation intensity with time

圖7 累積蒸發(fā)量隨時間變化關系Fig.7 The relationship of cumulative evaporation with time

2.3.2 覆砂對土壤累積蒸發(fā)量的影響

各處理土壤累積蒸發(fā)量均隨時間的延長呈指數(shù)型增加趨勢。0～200 h，各處理累積蒸發(fā)量迅速增長，CK、S1、S2、S3 和S4處理土壤累積蒸發(fā)量分別為21.43、18.03、15.95、14.14 和12.55 mm，S1、S2、S3和S4處理土壤累積蒸發(fā)量分別比CK處理降低了15.88%、25.57%、34.04%和41.43%；200～480 h，CK、S1、S2、S3和S4 處理土壤累積蒸發(fā)量分別為12.01、10.22、7.77、5.59 和4.56 mm，S1、S2、S3和S4處理土壤累積蒸發(fā)量分別比CK處理降低了14.86%、35.34%、53.46%和62.01%。試驗結束時，CK、S1、S2、S3和S4 處理土壤累積蒸發(fā)量分別為33.44、28.25、23.72、19.72 和17.11 mm。土壤累積蒸發(fā)量隨砂石覆蓋度的增加呈遞減趨勢，說明砂石覆蓋能有效降低土壤累積蒸發(fā)量。

3 討 論

3.1 覆砂對土壤水分的影響

水分是植被的正常生長發(fā)育的必需元素，提高水分利用效率是提高作物產量的重要措施［11］。本研究中，覆蓋處理土壤平均含水率均高于CK 處理，可能是由于砂石覆蓋能有效保持土壤水分，抑制土壤水分散發(fā)，且隨著砂石覆蓋度的增加抑制效果增加，這與付亞亞［12］等的研究基本一致。試驗期間，CK 處理呈對數(shù)型下降趨勢，而覆蓋處理呈直線型下降趨勢，可能是由于砂石覆蓋會降低土壤表面潛熱通量，一定程度上抑制了水汽直接向大氣直接擴散，部分水蒸氣附著在砂石顆粒上，降低土壤水分向大氣散發(fā)，進而保持土壤水分含量［13］。此外，試驗期間主要為第二階段土壤蒸發(fā)，受到空氣動力學阻力、土壤含水率等因素影響，而砂石覆蓋能增大空氣動力學粗糙度，土壤蒸發(fā)阻力變大，進而減緩土壤水分散發(fā)，導致土壤含水率隨砂石覆蓋量的增加而增加［14］。

3.2 覆砂對土壤鹽分的影響

砂石覆蓋遵循“鹽隨水來、鹽隨水去”的水鹽運動規(guī)律，在保持土壤水分的同時也抑制了土壤鹽分積聚［15］。本研究中，各處理表層鹽分含量隨時間的推移呈上升趨勢，且表層鹽分含量隨砂石覆蓋量的增加而降低，可能是由于砂石覆蓋降低了土壤蒸發(fā)強度，減緩了可溶鹽隨水分向土壤表層運輸?shù)男?，進而降低土壤表層鹽分含量［16］。此外，試驗結束時，土壤鹽分空間分布逐漸趨于均勻，土壤表層和深層土壤含鹽量的差值隨著砂石覆蓋度的增加而減小，可能是由于“鹽隨水行”，砂石覆蓋抑制土壤水分移動的同時也降低了土壤鹽分向表層運輸能力［17］。

3.3 覆砂對土壤蒸發(fā)的影響

本研究中，隨著砂石覆蓋度的增加，土壤蒸發(fā)強度和累積蒸發(fā)量呈降低趨勢，可能是由于砂石覆蓋不僅增大了土壤表面覆蓋阻力，且在一定程度上改變了空氣動力學粗糙度，增大了空氣動力學阻力，減小土壤表面與大氣接觸面積，降低了土壤熱通量，阻礙了土壤水分蒸發(fā)，這與Qiu［18］等研究的基本一致；此外，200～480 h 中，土壤蒸發(fā)強度減弱，可能是由于土壤含水率相對較低，毛細管發(fā)生斷裂，水汽由土壤孔隙擴散至大氣，蒸發(fā)受到抑制，減小了土壤蒸發(fā)強度［19］。

4 結 論

（1）覆砂能有效保持土壤水分，土壤含水量隨著砂石覆蓋度的增加而增加；與CK 處理相比，覆砂處理土壤表層含水率比CK增加了58.57%～232.71%，剖面平均含水率比CK處理增加了82.41%～220.91%。

（2）覆蓋處理表層土壤鹽分含量較CK 降低了22.72%～46.04%，土壤剖面鹽分含量較CK 降低了7.15%～11.76%。試驗結束時，鹽分主要積聚在土壤表層，表層土壤鹽分含量較2～10 cm 土層土壤鹽分含量增加了5.15%～85.65%，砂石覆蓋能有效抑制土壤表層積聚，提高土壤剖面鹽分空間分布均勻性，且隨著砂石覆蓋度的增加，土壤鹽分含量的差異減小。

（3）試驗期間，覆砂處理土壤蒸發(fā)強度比CK 處理降低了15.51%～48.82%，覆砂有效抑制土壤蒸發(fā)，且土壤平均蒸發(fā)強度隨砂石覆蓋度的增加而呈降低趨勢。