不同類型鹽荒地蒸發能力與水鹽變化特征研究

楊 煦，朱 勤，馬萌辰，伍靖偉

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2.長江勘測規劃設計研究有限公司，武漢 430010)

0 引 言

土壤鹽漬化是威脅我國西北旱區灌溉農業可持續發展的重要因素。為了應對灌溉產生的次生鹽堿化問題，普遍采用淋洗與排水相結合的方式，從而保證植物發育不受鹽分脅迫[1]。然而人工排水工程不僅投資巨大，維護資金短缺，同時排水可能產生嚴重的農業面源污染等問題[2]。近年來，干排水控鹽技術得到了關注和研究，這種技術通過地下水的天然運動將耕地多余水分和鹽分排至相鄰鹽荒地，然后通過鹽荒地的潛水蒸發作用消耗掉，鹽分儲存在土壤和地下含水層中[3,4]。對于排水不足地區，干排水控鹽技術的有效性得到了較多的證實[5-7]，其設計包括鹽荒地的面積大小(耕荒比)、鹽荒地布置方式等問題也進行了初步研究[8]，但尚未進行鹽荒地利用與管理的研究。解決這些問題的關鍵是確定鹽荒地的蒸發能力，鹽荒地的蒸發能力不僅與地下水埋深、土壤質地、氣象等因素關系密切，還與植被覆蓋和土地利用直接相關。本文通過野外試驗，研究在同等條件下鹽荒地種植木本植被、草本植被以及裸土條件下的水鹽動態和鹽荒地實際蒸騰蒸發量，進而探討鹽生植物在干排水系統中發揮的作用，為設計干排水系統提供理論技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況及試驗布置

試驗區位于內蒙古自治區巴彥淖爾市五原縣，東經108°00′05″，北緯41°02′15″，地處內蒙古河套灌區中部。該地夏季高溫干燥，冬季寒冷少雪，多年平均年降雨量155～214 mm，年蒸發量2 200～2 400 mm，蒸降比在10以上，每月平均日照時數270 h，累計太陽輻射約6 000 MJ/(m2·a)。地下水埋深淺，是我國土壤鹽漬化發育的典型地區[9]。

試驗區為一總面積為6 670 m2左右、長期未開發利用的鹽荒地，共分為12個小區。自2013年起，本文筆者所在課題組在鹽荒地上種植檉柳、沙棗、堿蓬、蘆葦、芨芨草等耐鹽植物，目前均已成熟。周邊農田自每年5-6月起種植一季作物，主要作物為食葵、玉米、葫蘆等，引用黃河水進行地面灌溉，每年灌溉水量包括秋澆淋洗大約9 000 m3/hm2。

為研究不同植被類型對鹽荒地干排能力的影響，在試驗區內選擇絕對高程基本相同、地下水埋深接近的三個相鄰鹽荒地試驗小區(編號依次為1號、2號、3號)作為試驗用地。每個試驗小區長約28 m、寬約14 m，其中，1號試驗小區主要種植有檉柳、沙棗等木本植物，覆蓋率高于80%；2號試驗小區主要種植堿蓬、蘆葦等草本鹽生植物，覆蓋率高于80%；3號試驗小區為裸地。各試驗小區基本信息見表1。

表1 各試驗小區土壤物理性質

1.2 數據觀測

為收集氣象資料，在離試驗區約1 km的河套灌區義長灌域永聯試驗站內安裝自動氣象站一座，監測降雨和水面蒸發等氣象數據。為分析鹽荒地水鹽動態，在3個試驗小區中央各布置一口地下水觀測井，在2018年5月7日至11月17日期間，進行了土壤含水量、含鹽量、地下水位的連續監測。其中土壤含水量和含鹽量每2周在試驗小區中央、觀測井附近取樣一次，取樣深度為0～3、3～5、5～10、10～15、15～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～100、100～120、120～140 cm，共14級深度；地下水每日監測一次地下水位和電導率。此外為監測降雨后(2018年7月)的鹽荒地水鹽動態，在雨后的1、3、5、8、11日按照上述方法在3個試驗區進行了土壤含水量、全鹽量的取樣測定。土壤含水量采用烘干法測定，土壤含鹽量測定土壤1:5浸提液電導率轉換得到。

1.3 鹽荒地蒸發能力計算

為分析鹽荒地在不同植被條件下的蒸發能力，本研究基于水量均衡原理，以本次取樣深度0～140 cm土層為均衡體進行計算，具體公式如下：

ETc=Pr+G-D-ΔW

(1)

式中：ETc為鹽荒地蒸發蒸騰量，mm；Pr為有效降雨量，mm；G為潛水蒸發量，mm；D為土壤水滲漏量，mm；ΔW為土壤儲水量變化量，mm。

參考郝芳華[10]等的研究，有效降雨量采用下式計算：

(2)

式中：P為氣象站測得的降水量，mm；a為經驗系數，此處取2.5；LAI為葉面積指數，無量綱，草本植物優勢區為1.50、木本植物優勢區為2.25。

潛水蒸發量按葉水庭公式計算[11,12]：

G=CE0

(3)

C=e-αH

(4)

式中：E0為同期水面蒸發量；C為潛水蒸發系數；H為同期地下水埋深，m；α為經驗系數，m-1，由于鹽荒地試驗區土壤深層質地以黏壤土為主，取值1.891 7 m-1。

考慮到試驗區只有降雨、沒有灌溉，且地下水位埋深較淺，深層土壤含水量變化不大，雨后地下水位都有上漲，因此根據給水度和地下水位埋深變化求出土壤水的滲漏量：

D=μΔh

(5)

式中：D為補給量，mm；Δh為雨后地下水位上升值，mm；μ為給水度，根據巖性選為0.05。

土壤儲水量變化量，根據土壤分層情況，依據以下公式計算:

(6)

式中：γi為第i層土壤的容重，g/cm3；ρ為水的密度，g/cm3；hi為第i層土壤的厚度，cm；θi為第i層土壤的質量含水率。

2 試驗結果分析

2.1 不同類型鹽荒地土壤水分變化特征

為分析不同類型鹽荒地土壤水分變化特征，選擇含水量較高、變化較為劇烈時期即2018年7月27日降雨后各試驗小區11日內的土壤剖面含水率(圖1)進行分析。

從1號小區的土壤含水率剖面可以得知，由于試驗區內木本植物分布密集，檉柳、沙棗的莖葉對降水的截留能力較強，相比于其他試驗區，降雨后第1日的表層土壤含水率較低，為27.44%(降雨后第1日表層土壤質量含水率為27.44%)。同時由于冠層的對地表的遮蔽，土壤水分沒有過快地損失；而在80～120 cm范圍內的深層土壤，質量含水率變化劇烈，這是因為沙棗、檉柳作為多年生植物，根毛成熟區分布深度約為60～120 cm，深層根系的吸水使得深層失水。2號小區的土壤含水率剖面以距地表70 cm土壤深度為界，呈不同的變化特征：0～70 cm范圍內的土壤在降雨后11日內迅速失水，20～40 cm處下降尤為明顯，而70 cm以下的深層土壤，在觀測時間內水分變化不明顯；這是由于草本植物具有吸水能力的根系主要分布在20～60 cm深度的淺層土壤中，在日光照射的作用下，淺層土壤的水分能夠同時通過地表蒸發和植物蒸騰迅速散失。3號小區的土壤含水率剖面表現為干旱區鹽堿地的典型特征，水分主要通過地表土壤蒸發進入大氣，因此表層土壤失水最快，含水率衰減速度隨土壤深度增加而降低。

圖1 降雨后1-11日各小區土壤質量含水率變化圖

由此可見，在裸地(3號小區)以及種植草本為主的鹽荒地(2號小區)，蒸發主要是表層及淺層土壤強烈失水，深層影響有限，在后期蒸發耗水作用逐漸減弱；而以木本植物為主的鹽荒地(1號小區)的各土層失水速度相對均勻，耗水空間更大，保持了較高的耗水能力，從而維持了鹽荒地干排能力的穩定。

2.2 不同類型鹽荒地地下水位動態和土壤水分儲量變化

圖2、圖3給出了不同植被類型鹽荒地的地下水位動態和土壤水分儲量動態。由圖2可以看出，整體上三個小區的地下水埋深變化趨勢基本一致，在地表蒸發和植物蒸騰的共同作用下，地下水位持續下降，雨后有一定程度回升，但幅度和速率有所差異。1號小區分布的木本植物優勢區植物冠層蒸騰能力強，地下水埋深下降更快；2號小區為草本植物優勢區，3號小區為裸地，地下水埋深下降速度都相對較慢。在6月初，蒸發并不強烈，三者差別不大；進入7月后，三者的差距開始加大，裸地地下水埋深比種植有耐鹽植物的地塊更小，可見裸地地表蒸發耗水有一定局限性；進入9月后，耐鹽植物的蒸騰作用減弱，調節地下水埋深的能力逐漸消失，地下水埋深下降速度減緩，三者的地下水埋深又逐漸趨于接近。

圖2 不同地表植被類型地塊的地下水埋深變化趨勢

圖3 各植被類型土壤水分儲量變化

不同類型鹽荒地的土壤水儲量動態也有類似規律。整個試驗期間，土壤水分儲量整體上呈下降趨勢，雨后雖有增加，但在蒸發蒸騰作用下仍然保持較快的消耗速率。盡管三個小區初始土壤水分儲量基本相同，但種植有耐鹽植物的地塊的耗水速率明顯較大，木本植物優勢區則比草本植物優勢區的耗水更加明顯。此外，由于地下水與土壤水的轉換關聯，各小區地下水與土壤水分儲量保持了對應的變化；如3號小區，耗水能力較弱，土壤水分儲量變化較小，因此地下水的埋深較小，這限制了臨近耕地多余的水鹽通過地下水坡度向鹽荒地排泄的能力。

上述結果說明，鹽荒地種植鹽生植物有利于增加鹽荒地的耗水能力和干排能力。

2.3 不同類型鹽荒地蒸發能力

表2給出了不同植被類型的鹽荒地在2018年6月10日-10月3日期間的蒸發蒸騰量。由表2可見，木本植物優勢區、草本植物優勢區、裸地的蒸發蒸騰量依次為330.1，284.0和234.4 mm，不同植被類型的蒸發蒸騰量差異顯著，相比裸地，木本植物優勢區、草本植物優勢區的蒸發能力分別增加了40.8%和22.4%。木本植物冠層茂密，葉面積指數LAI較草本植物更大，蒸騰作用強烈且持續，實現了土壤水分儲量的持續消耗。相比之下，草本植物的蒸騰作用小，且根系下扎深度不足，根系吸收水分明顯少于木本植物，因此蒸發能力比木本植物優勢區更小。

表2 不同植被類型鹽荒地水量平衡結果 mm

在干排系統中，來自臨近荒地地下水的側向補給是鹽荒地土壤水和地下水維持平衡的主要來源。鹽生植物產生的蒸騰作用能夠增加鹽荒地土壤的水分消耗，進而消耗鹽荒地的地下水，增加臨近耕地與荒地的水力梯度，使得鹽荒地能夠持續接受周邊地塊的側向水分補給。因此，在生產實踐中可以考慮通過在鹽荒地種植鹽生植物，增加鹽荒地的干排能力。

2.4 不同類型鹽荒地土壤鹽分變化

干旱地區鹽荒地由于降雨稀少、蒸發強烈，且沒有灌溉的淋洗作用，因此鹽分總體呈向表層聚集趨勢，長期積鹽可能對鹽荒地蒸發和干排能力造成影響。降雨可以通過淋洗作用將鹽分淋至土壤深層，從而減緩鹽荒地蒸發能力的退化進程。為此，選擇2018年7月27日降雨后各小區的鹽分變化進行分析，圖4表示出降雨后11日內土壤各層全鹽量變化趨勢，表3表示降雨11日后各土壤層全鹽量變化的計算結果。

由圖4可見，各小區表層土壤全鹽量遠大于其他土層全鹽量，呈現明顯的表聚現象。雨后由于淋洗，表層含鹽量有所下降；雨后11日期間由于土壤含水量較高、蒸發強烈，鹽分整體隨水分不斷向表層運移。不同鹽生植被的鹽荒地，積鹽情況差異明顯。木本植物(1號小區)淺層土壤鹽分運動相對不顯著，20～70 cm深度土壤全鹽量增量很小，這一結果與Xia等[13]的研究結果一致，木本植物可以有效抑制淺層土壤過度積鹽；而在70 cm以下的土層中，在木本植物根系吸水的作用下，土壤水分上行運動劇烈，促進了鹽分的累積。草本植物(2號小區)土壤以70 cm深度為界表現出不同的變化特征；在70 cm以上，各土層全鹽量均明顯增加，在70 cm以下，由于雨水的土壤浸潤深度不足以達到這一區域，而草本植物的根系吸水也難以促進這一土層的水分運動，全鹽量變化較小。可見，草本植物雖增加了一定的排鹽空間，但相比木本植物，對鹽分的調節范圍較小。裸地(3號小區)則由于強烈的地表蒸發，表層土壤全鹽量迅速上升，隨土壤縱深的增大，鹽分集聚速度迅速減緩，但100 cm以下的土壤全鹽量增量很小。結合表3的計算結果，對比木本植物、草本植物、裸地三種植被類型的鹽分動態，降雨后11日內表層0～20 cm土壤全鹽量絕對值分別增加了0.91、1.24、3.16 g/kg。由此可見，根系分布越深的鹽生植物在空間上越能分散土壤中的鹽分累積，使鹽分集聚程度降低，增加了鹽荒地的排鹽空間，有助于維持鹽荒地干排能力的穩定。

圖4 降雨后1～11日各小區土壤全鹽量變化圖

表3 不同類型植被土壤鹽分含量及其變化量 g/kg

干排系統中，鹽荒地干排作用的發揮主要受蒸發量的制約。隨著含鹽量的增加，土壤的蒸發能力下降[14]，因此干排系統存在使用年限問題，其年限受制于荒地鹽分的積鹽速度和分布狀態。對于裸土，鹽分主要集聚在表面，直接抑制土壤蒸發，從而使得鹽荒地干排作用退化較快；而種植木本植物或草本植物，能夠改變鹽分累積的土層深度，抑制鹽分在地表的累積。因此可以通過種植合適的鹽生植物，調節鹽荒地土壤水分和鹽分運動，進而延長鹽荒地在干排系統中的使用年限。

3 結 論

本文通過在內蒙古河套灌區進行的野外試驗，研究了不同鹽生植被類型鹽荒地的蒸發能力及其水鹽變化特征，結果表明：

(1)在干排系統中的鹽荒地種植鹽生植物，改變了土壤水分消耗的速度和深度，增加了鹽荒地土壤的耗水空間。裸土鹽荒地主要通過土面蒸發消耗表層土壤水分，耗水強度較小；而鹽生植物通過根系吸水消耗深層土壤水分，耗水空間更大，各土層耗水速度相對均勻，維持了鹽荒地干排能力的穩定。

(2)種植鹽生植物可以顯著增加鹽荒地的蒸發能力，相比于裸地，木本植物、草本植物分別增加了40.8%和22.4%。

(3)由于鹽生植物的根系分布和耗水特性不同，種植鹽生植物的鹽荒地，鹽分累積更加均勻，表層集聚現象明顯減弱，從而增加了鹽荒地的排鹽空間，維持了鹽荒地一定的蒸發能力，可以延長其在干排系統中的使用年限。

(4)在鹽荒地種植鹽生植物，是一種提高鹽荒地干排能力、維持干排系統穩定性的可行措施。