潛水蒸發條件下不同棉稈隔層埋深對土壤鹽分時空分布的影響

姚寶林，孫三民，李發永，李朝陽，王學成

（塔里木大學 水利與建筑工程學院，新疆 阿拉爾843300）

0 引 言

【研究意義】新疆棉花種植面積分別占全國的74.31%和84%，是我國最大的植棉區[1-2]，而特殊氣候下較大的潛水蒸發所形成的鹽堿地不利于該區域棉花產業的可持續發展[3-6]。秸稈覆蓋和將秸稈設置在土壤某一深度可以改變土壤和大氣之間的水汽和熱量交換，具有抑制潛水蒸發，減緩土壤返鹽的效應[7-8]。針對南疆含鹽潛水和棉稈豐富的現狀，開展潛水蒸發條件下棉稈隔層不同設置深度對潛水蒸發、土壤鹽分時空分布的影響研究，為抑制潛水蒸發、鹽漬化棉田改良和棉稈還田技術具有重要研究意義。【研究進展】地下水埋深是造成土壤次生鹽漬化的重要因素，同時持續的蒸發作用是土壤鹽堿化的重要條件[9-10]。土壤隔層的設置可阻隔土壤和大氣之間熱量和水分交換具有減少蒸發、抑制土壤積鹽的效果[11-12]，在土壤中設置隔層具有切斷土壤毛細管，減緩潛水蒸發對地表鹽分的積累[13-14]，并可以改善土壤物理結構、增加土壤有機質、提高土壤水分調節能力[15-17]。喬海龍等[18]對地表下20 cm 鋪設厚度3 cm 的秸稈隔層表明隔層以下水分很難通過毛管作用上升，從而減少深層土壤水分的蒸散量，郭相平等[14]發現秸稈隔層埋深25 cm 顯著抑制了潛水蒸發。虎膽·吐馬爾白等[19]在地表下30 cm處鋪設秸稈隔層，可阻止潛水蒸發，抑制上升水流，減少鹽分向上遷移，但是地表秸稈覆蓋土壤含鹽量小于秸稈埋深30 cm 土壤含鹽量。張金珠等[20]在棉花花鈴期鹽分抑制方面秸稈地表覆蓋要比地表下30 cm覆蓋效果好，張萬鋒等[21]表明秸稈深埋具有的阻鹽蓄水作用，有利于淡化玉米根區土壤環境。不同地下水埋深及秸稈隔層設置對土壤鹽分時空分布的影響還需要進一步研究。【切入點】在當前以地膜覆蓋為主的膜下滴灌棉田實施秸稈地表覆蓋難以實現，對于新疆目前推廣實施的棉稈還田模式[22]，還田棉稈隔層潛水蒸發過程及棉稈隔層設置對土壤鹽分時空分布規律鮮有研究。【擬解決的關鍵問題】本文在室內潛水長期蒸發條件下，通過對不同棉稈隔層和潛水埋深處理下潛水蒸發、土壤鹽分時空分布規律進行研究，分析棉稈隔層對土壤鹽分時空遷移的阻減特征，明確不同潛水埋深下棉稈隔層潛水蒸發量和鹽分積累之間的關系，為南疆地下水淺埋區土壤鹽漬化防治和棉稈還田提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 供試土樣制備

試驗于2018年7月20日—2020年7月1日在塔里木大學試驗基地室內實驗室（79°23′33″—81°53′45″E，40°20′00″—41°47′18″N，海拔高度1 020 m）進行。地下水埋深在1.54～3.34 m 之間波動，礦化度在1.56～2.56 g/kg 之間波動。供試土壤取自試驗基地棉田，取土范圍0～60 cm 深度，土壤顆粒組成黏粒（<0.002 mm）為3.41%、粉粒（0.002～0.02 mm）為23.06%、砂粒（0.02～2 mm）為73.53%，土壤為砂質壤土，土壤pH 值為7.37，屬氯化物-硫酸鹽土，土樣初始土壤含鹽量為2.1 g/kg。將取回的土壤曬干、磨碎，除去雜物后過1 mm 土篩，然后加水翻攪、塑料薄膜覆蓋使土壤水分和鹽分混合均勻，試驗土樣含水率為17.5%（約為田間持水率的75%）。

1.2 試驗裝置及試驗設計

試驗裝置由黑色PVC 管（外徑160 mm、壁厚2.5 mm）土柱、馬氏瓶組成的地下水供水設施和水面蒸發量測裝置組成，其中馬氏瓶由壁厚8 mm、內徑300 mm，高400 mm 的有機玻璃制成，瓶身帶有精度為1 mm 的刻度尺。PVC 管底部通過PVC 膠用堵頭封住，土柱外部包裹2 層2 cm 厚的橡塑保溫卷材以減少外界與土柱的熱交換。地下水埋深設計1.0、1.5 m 和2.0 m 共3 個水平，棉稈隔層埋深為15、30、45 cm 和60 cm 共4 個水平，試驗采用完全隨機區組設計，共計12 個處理，每個處理重復3 次，試驗設計見表1。土柱裝土前，先在土柱底部裝填干凈的砂礫石層作為濾層，厚度為5 cm，在濾層上鋪設2 層孔徑2 mm 的尼龍布，尼龍布上鋪設2 層濾紙以防土柱上部土壤進入濾層，按照體積質量1.40 g/cm3、土壤質量含水率17.5%分層裝填試驗土柱，每次裝填高度為5 cm，然后將土層表面打毛，使各層裝填土層之間不出現斷層，裝填至棉稈埋深高度時，在棉稈隔層上下分別鋪設2 層尼龍布和濾紙，棉稈樣品取自塔里木大學水利與建筑工程學院試驗田，將棉稈按1∶3∶6（葉∶桃∶稈）、長度3～5 cm（棉稈主莖用榔頭破碎）、棉稈含水率50%進行鋪設，壓實后棉稈隔層厚度為5 cm（12×103kg/hm2）。

表1 棉稈隔層土柱蒸發試驗設計Table 1 Soil column evaporation under cotton straw interlayer experimental design

PVC管側面每隔10 cm螺旋布置孔徑為2 cm的取樣孔便于取土，試驗時用橡皮塞堵住取樣孔。土柱裝填好后在砂礫石濾層部位打孔安裝DN15的銅球閥，用塑料軟管將球閥和自制馬氏瓶相連，使液面高出砂礫石濾層5 cm。當馬氏瓶中水量消耗完時，采用人工重新補水。地下水為試驗基地重鹽堿土的淋洗液和淡水配合而成，通過殘漬法測定地下水礦化度g/L（y）和用DDS-308A電導率儀測定電導率值mS/cm（x）之間關系進行換算（y=0.345 4x+0.008 9，R2=0.9 834），地下水礦化度設計為3 g/L（電導率為8.7 mS/cm），試驗布置見圖1。同時采用高100 cm，相同直徑（內徑155 mm）的有機玻璃管測定室內水面蒸發。

圖1 潛水蒸發試驗裝置Fig.1 Experimental apparatus for groundwater evaporation under cotton straw interlayer

1.3 試驗測定方法

試驗共計701 d，為了減少頻繁取樣導致取樣孔周圍土壤鹽分誤差，本試驗主要探究棉稈隔層和地下水埋深對土壤鹽分分布長期產生的影響，故取樣間隔時間比較長，分別在試驗后60、160、280 d和701 d時取樣，用自制土鉆取土，每次沿取樣孔相同方向取土，由于單個取樣孔取土量少，所以將3個重復土樣混合成2份作為1個處理土樣，取樣后用初始土壤進行回填。采用烘干法測定土壤水分，風干土按照土水比1∶5采用電導率儀測定土壤鹽分。根據試驗基地土壤含鹽量（g/kg）與土壤電導率（μS/cm）的關系（土壤含鹽量（g/kg）=0.003 7×土壤電導率（μS/cm）+1.029 1，R2=0.98，n=115）計算土壤含鹽量。室內水面蒸發和土柱水量觀測時間同步。

1.4 數據處理

數據采用Microsoft Excel 2010 軟件進行數據計算和繪圖，DPS 進行方差分析和曲線擬合。

2 結果與分析

2.1 棉稈隔層和地下水埋深對潛水蒸發的影響

蒸發條件下不同深度棉稈隔層和地下水埋深潛水累計蒸發量和蒸發強度分別見圖2 和表2。地下水埋深越深導致毛細管難以上升到地表，累計蒸發量和日均蒸發強度隨地下水埋深的增加而減小。相對于水面累計蒸發量1 695.67 mm 和日均蒸發強度2.42 mm/d，1.0、1.5 m 和2.0 m 地下水埋深累計蒸發量比水面蒸發分別降低了28.34%、53.78%和79.83%，1.0 m 地下水埋深比1.5 m 和2.0 m 地下水埋深累計蒸發量分別增加了55.06%和255.33%；1.0、1.5 m和2.0 m 地下水埋深日均蒸發強度為1.74、1.12 mm/d和0.49 mm/d。但由于棉稈隔層的存在，對土壤水分蒸發起到一定的抑制作用，整體看棉稈埋深15 cm 阻減蒸發作用明顯，而棉稈埋深30 cm 累計蒸發量和蒸發強度均大于其他棉稈埋深。地下水埋深為1.0 m 時，日均蒸發量為T1-30 處理>T1-45 處理>T1-60 處理>T1-15 處理，地下水埋深為1.5 m 時，日均蒸發量為T1.5-30 處理>T1.5-45 處理>T1.5-60 處理>T1.5-15處理，地下水埋深為2.0 m 時，日均蒸發量為T2-30處理>T2-45 處理>T2-60 處理>T2-15 處理。由于試驗時間較長（701 d），埋深30 cm 棉稈容易腐爛致使阻減蒸發作用減弱，土壤蒸發增強，而棉稈埋深45 cm和60 cm 時空氣稀少，其腐爛程度和速度較埋深30 cm慢，致使棉稈埋深30 cm 較埋深45 cm 和60 cm 土壤毛細管作用明顯。

圖2 不同棉稈和地下水埋深土壤蒸發過程Fig.2 Evaporation process with time for different cotton straw and groundwater buried

表2 不同棉稈和地下水埋深土壤蒸發強度Table 2 Soil evaporation under different cotton straw interlayer and groundwater depth

2.2 棉稈隔層和地下水埋深對土壤鹽分時空分布的影響

蒸發條件下棉稈隔層和地下水埋深土壤鹽分時空分布見圖3—圖5。隨蒸發時間的延長土柱下部鹽分向上層遷移使各處理鹽分均出現表聚，鹽分表聚量隨地下水埋深增加而降低。1.0、1.5 m 和2 m 地下水埋深條件下耕作層0～30 cm日均積鹽量分別為0.031、0.012 g/kg 和0.004 g/kg。棉稈隔層具有阻減鹽分表聚的作用，地下水埋深1.0 m 棉稈隔層前期阻鹽效果明顯，隨時間延長，棉稈阻蒸發作用降低，試驗后161～280 d 之間棉稈隔層腐爛后，使前期阻隔在棉稈隔層以下的鹽分隨蒸發作用向土壤表層遷移，致使0～30 cm日均積鹽量顯著增加，后期日均積鹽量又逐漸降低，隨地下水埋深的增加，這一現象逐漸消失。試驗前期（0～60 d）40 cm 以下土壤積鹽量大于耕作層0～30 cm 積鹽量，地下水埋深1.0、1.5 m 和2.0 m時淺層0～30 cm日均積鹽量分別為0.011、0.010 g/kg和0.005 g/kg，而40 cm 以下土壤日均積鹽量為0.064、0.046 g/kg 和0.037 g/kg。試驗161～280 d 期間日均積鹽量0～30 cm 大于40 cm 以下，地下水埋深1.0、1.5 m 和2.0 m 時淺層0～30 cm日均積鹽量分別為0.057、0.014 g/kg 和0.003 g/kg，40 cm 以日均積鹽量分別為0.006、0.004 g/kg 和0.001 g/kg。

圖3 棉稈隔層和地下水埋深土壤鹽分時空分布Fig.3 Temporal and spatial distribution of soil salt content with different cotton straw and groundwater depth

圖4 不同棉稈和地下水埋深0～30 cm 之間土壤日均積鹽量Fig.4 Daily salt accumulation in soil 0 to 30 cm with different cotton straw and groundwater depth

圖5 不同棉稈和地下水埋深40 cm～地下水位之間土壤日均積鹽量Fig.5 Daily salt accumulation in soil 40 cm to groundwater with different cotton straw and groundwater depth

試驗期間地下水埋深1.0 m 和1.5 m 時，棉稈隔層設置在15 cm 處對耕作層0～30 cm 阻鹽效果最好，T1-15 處理日均積鹽量分別為T1-30、T1-45 處理和T1-60 處理的71.25%、87.15%和90.58%。T1.5-15 處理日均積鹽量分別為T1.5-30、T1.5-45 處理和T1.5-60處理的41.91%、37.85%和34.90%。當地下水埋深為2.0 m 時由于土壤毛細管難以達到地表，主要依靠蒸發拉力促使鹽分表聚，所以鹽分表聚量較小，試驗期間日均蒸發強度逐漸降低并未出現增大現象，T2-15處理阻鹽效果依然最好，日均積鹽量分別為T2-30、T2-45 和T2-60 處理的20.45%、26.63%和33.33%。不同棉稈和地下水埋深對土壤鹽分的二因素方差分析表明棉稈埋深、地下水埋深及棉稈埋深和地下水埋深的互作均對土壤鹽分產生極顯著（P<0.01）影響（表3、表4），并且地下水埋深對土壤鹽分的累計效應大于棉稈隔層對鹽分的累計效應。

表3 不同棉稈和地下水埋深對土壤0～30 cm 鹽分的二因素方差分析Table 3 Two-way variance analysis for testing the effects of 0～30 cm soil salt under different cotton straw interlayer and groundwater depth

表4 不同棉稈和地下水埋深對土壤40 cm-地下水位之間鹽分的二因素方差分析Table 4 Two-way variance analysis for testing the effects of 40 cm to groundwater lavel soil salt under different cotton straw interlayer and groundwater depth

從整個土層積鹽量來看，地下水埋深1.0 m 積鹽量為T1-30 處理（13.76 g/kg）>T1-45 處理（12.80 g/kg）>T1-60 處理（11.30 g/kg）>T1-15 處理（9.12 g/kg）；地下水埋深1.5 m 積鹽量為T1.5-60 處理（5.97 g/kg）>T1.5-45 處理（5.84 g/kg）>T1.5-30 處理（5.18 g/kg）>T1-15 處理（4.99 g/kg）；地下水埋深2 m 積鹽量為T2-30 處理（3.50 g/kg）>T2-60 處理（2.88 g/kg）>T2-45 處理（2.82 g/kg）>T2-15 處理（2.74 g/kg）。可見，針對不同地下水埋深除棉稈隔層15 cm 淺埋外也可以選擇其他深埋模式以降低鹽分積累。

2.3 棉稈隔層和地下水埋深土壤鹽分與累計蒸發量關系

地下水礦化度一定時，棉稈隔層和地下水埋深條件下耕作層0～30 cm 土壤鹽分與潛水累計蒸發量關系可用線性函數y=ax+b進行描述（表5），耕作層土壤含鹽量隨潛水累積蒸發量的增加而增大，表現為線性關系的正相關，直線斜率a為土壤積鹽速率的快慢，地下水淺埋時耕作層0～30 cm 土壤積鹽越明顯，耕作層0～30 cm 土壤積鹽速率1.0 m 地下水埋深分別為1.5 m 和2.0 m 的1.84 倍和3.42 倍。

表5 棉稈隔層和地下水埋深下潛水累計蒸發量與耕作層0～30 cm 土壤鹽分關系Table 5 Between accumulation evaporation and soil salt content for 0～30 cm tillage layer under different cotton straw interlayer and groundwater depth

3 討論

3.1 棉稈隔層設置對潛水蒸發的影響

潛水蒸發是自然界水循環組成部分，指“潛水向包氣帶輸送水分，并通過土壤蒸發或（和）植株蒸騰進入大氣的過程”[23]，是SPAC 系統“4 水”中地下水向土壤水和大氣水轉化的主要形式，潛水蒸發受土壤毛管水上升高度、毛管輸水能力和大氣蒸發能力綜合影響，地下水埋深增加，毛細管補給減弱導致潛水蒸發量強度逐漸降低，當潛水位埋深達到一定深度，潛水蒸發量趨向于0[24]。在土壤中設置秸稈隔層，隔層中大孔隙較多，與均質土壤交界面之間形成孔隙差異，阻斷了土壤毛細管的連續性，導致土壤導水率降低，使棉稈隔層和均質土壤之間水分通量降低，切斷了潛水上升通道，減弱潛水蒸發能力[8,14,18-19,21,25]。但秸稈腐爛與溫度、水分、微生物等有關[26]，并且棉稈腐爛分解速率為翻埋高于地面覆蓋[27]，秸稈隔層在15 cm 時離地表近，土壤含水率較低，減緩秸稈腐爛分解速率，因此導致試驗過程中15 cm 棉稈埋深阻蒸發效果最好，而秸稈埋深30 cm 有利于秸稈腐爛，腐爛秸稈能夠促進土壤團粒結構的形成, 改善土壤通

透性與保水保肥能力[28]，使其阻減蒸發作用降低，潛水蒸發量最大，但當秸稈埋深在60 cm 時，土壤濕度雖然增加，但是通氣性減低，導致秸稈不易腐爛，土壤毛管作用不明顯，潛水蒸發量小。

3.2 棉稈隔層對潛水蒸發的鹽分阻減效應

蒸發過程潛水中的鹽分隨土壤毛細管向上遷移，水分蒸發后鹽分積累在土表，鹽分表聚現象明顯[5,10,29-30]，耕作層0～30 cm 土壤積鹽速率隨地下水埋深增大而減小，土壤含鹽量隨潛水累計蒸發量的增加而增大，表現為線性正相關關系[9,31]，棉稈隔層設置可阻止深層土壤鹽分向淺層表聚[8,19-21]，土壤中棉稈隔層設置可以破壞土壤毛細管連續性，抑制潛水蒸發和地表返鹽[14,18-20,32]，研究表明，秸稈隔層在15 cm處對潛水蒸發的抑鹽效果最好，并且棉稈隔層對土壤耕作層0～30 cm 阻鹽效應主要表現在蒸發前期，隨蒸發持續和秸稈隔層的腐爛，土壤通透性增加，將早期阻隔在秸稈隔層以下的鹽分快速向耕作層遷移，使得0～30 cm 土壤鹽分出現積累。

4 結論

1）隨地下水埋深增加，蒸發量和蒸發強度均減小。棉稈隔層設置在15 cm 深度阻減蒸發作用明顯，累計蒸發量和蒸發強度最小，而棉稈埋深30 cm 阻蒸發作用最小。

2）耕作層0～30 cm 土壤積鹽量隨地下水埋深減小而增加。試驗前期（0～60 d）40 cm 以下土壤日均積鹽量大于耕作層0～30 cm日均積鹽量，試驗中期（161～280 d）0～30 cm日均積鹽量大于40 cm 以下日均積鹽量。棉稈埋深15 cm 對耕作層0～30 cm 阻鹽效果最好。

3）土壤積鹽量隨潛水累計蒸發量增加而增加。耕作層0～30 cm 土壤積鹽量與潛水累計蒸發量關系可用線性函數描述。