不同类型盐荒地蒸发能力与水盐变化特征研究

2019-09-26马萌辰伍靖伟

中国农村水利水电 2019年9期

杨煦，朱勤，马萌辰，伍靖伟

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.长江勘测规划设计研究有限公司，武汉 430010)

0 引言

土壤盐渍化是威胁我国西北旱区灌溉农业可持续发展的重要因素。为了应对灌溉产生的次生盐碱化问题，普遍采用淋洗与排水相结合的方式，从而保证植物发育不受盐分胁迫[1]。然而人工排水工程不仅投资巨大，维护资金短缺，同时排水可能产生严重的农业面源污染等问题[2]。近年来，干排水控盐技术得到了关注和研究，这种技术通过地下水的天然运动将耕地多余水分和盐分排至相邻盐荒地，然后通过盐荒地的潜水蒸发作用消耗掉，盐分储存在土壤和地下含水层中[3,4]。对于排水不足地区，干排水控盐技术的有效性得到了较多的证实[5-7]，其设计包括盐荒地的面积大小(耕荒比)、盐荒地布置方式等问题也进行了初步研究[8]，但尚未进行盐荒地利用与管理的研究。解决这些问题的关键是确定盐荒地的蒸发能力，盐荒地的蒸发能力不仅与地下水埋深、土壤质地、气象等因素关系密切，还与植被覆盖和土地利用直接相关。本文通过野外试验，研究在同等条件下盐荒地种植木本植被、草本植被以及裸土条件下的水盐动态和盐荒地实际蒸腾蒸发量，进而探讨盐生植物在干排水系统中发挥的作用，为设计干排水系统提供理论技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及试验布置

试验区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市五原县，东经108°00′05″，北纬41°02′15″，地处内蒙古河套灌区中部。该地夏季高温干燥，冬季寒冷少雪，多年平均年降雨量155～214 mm，年蒸发量2 200～2 400 mm，蒸降比在10以上，每月平均日照时数270 h，累计太阳辐射约6 000 MJ/(m2·a)。地下水埋深浅，是我国土壤盐渍化发育的典型地区[9]。

试验区为一总面积为6 670 m2左右、长期未开发利用的盐荒地，共分为12个小区。自2013年起，本文笔者所在课题组在盐荒地上种植柽柳、沙枣、碱蓬、芦苇、芨芨草等耐盐植物，目前均已成熟。周边农田自每年5-6月起种植一季作物，主要作物为食葵、玉米、葫芦等，引用黄河水进行地面灌溉，每年灌溉水量包括秋浇淋洗大约9 000 m3/hm2。

为研究不同植被类型对盐荒地干排能力的影响，在试验区内选择绝对高程基本相同、地下水埋深接近的三个相邻盐荒地试验小区(编号依次为1号、2号、3号)作为试验用地。每个试验小区长约28 m、宽约14 m，其中，1号试验小区主要种植有柽柳、沙枣等木本植物，覆盖率高于80%；2号试验小区主要种植碱蓬、芦苇等草本盐生植物，覆盖率高于80%；3号试验小区为裸地。各试验小区基本信息见表1。

表1 各试验小区土壤物理性质

1.2 数据观测

为收集气象资料，在离试验区约1 km的河套灌区义长灌域永联试验站内安装自动气象站一座，监测降雨和水面蒸发等气象数据。为分析盐荒地水盐动态，在3个试验小区中央各布置一口地下水观测井，在2018年5月7日至11月17日期间，进行了土壤含水量、含盐量、地下水位的连续监测。其中土壤含水量和含盐量每2周在试验小区中央、观测井附近取样一次，取样深度为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级深度；地下水每日监测一次地下水位和电导率。此外为监测降雨后(2018年7月)的盐荒地水盐动态，在雨后的1、3、5、8、11日按照上述方法在3个试验区进行了土壤含水量、全盐量的取样测定。土壤含水量采用烘干法测定，土壤含盐量测定土壤1:5浸提液电导率转换得到。

1.3 盐荒地蒸发能力计算

为分析盐荒地在不同植被条件下的蒸发能力，本研究基于水量均衡原理，以本次取样深度0～140 cm土层为均衡体进行计算，具体公式如下：

ETc=Pr+G-D-ΔW

(1)

式中：ETc为盐荒地蒸发蒸腾量，mm；Pr为有效降雨量，mm；G为潜水蒸发量，mm；D为土壤水渗漏量，mm；ΔW为土壤储水量变化量，mm。

参考郝芳华[10]等的研究，有效降雨量采用下式计算：

(2)

式中：P为气象站测得的降水量，mm；a为经验系数，此处取2.5；LAI为叶面积指数，无量纲，草本植物优势区为1.50、木本植物优势区为2.25。

潜水蒸发量按叶水庭公式计算[11,12]：

G=CE0

(3)

C=e-αH

(4)

式中：E0为同期水面蒸发量；C为潜水蒸发系数；H为同期地下水埋深，m；α为经验系数，m-1，由于盐荒地试验区土壤深层质地以黏壤土为主，取值1.891 7 m-1。

考虑到试验区只有降雨、没有灌溉，且地下水位埋深较浅，深层土壤含水量变化不大，雨后地下水位都有上涨，因此根据给水度和地下水位埋深变化求出土壤水的渗漏量：

D=μΔh

(5)

式中：D为补给量，mm；Δh为雨后地下水位上升值，mm；μ为给水度，根据岩性选为0.05。

土壤储水量变化量，根据土壤分层情况，依据以下公式计算:

(6)

式中：γi为第i层土壤的容重，g/cm3；ρ为水的密度，g/cm3；hi为第i层土壤的厚度，cm；θi为第i层土壤的质量含水率。

2 试验结果分析

2.1 不同类型盐荒地土壤水分变化特征

为分析不同类型盐荒地土壤水分变化特征，选择含水量较高、变化较为剧烈时期即2018年7月27日降雨后各试验小区11日内的土壤剖面含水率(图1)进行分析。

从1号小区的土壤含水率剖面可以得知，由于试验区内木本植物分布密集，柽柳、沙枣的茎叶对降水的截留能力较强，相比于其他试验区，降雨后第1日的表层土壤含水率较低，为27.44%(降雨后第1日表层土壤质量含水率为27.44%)。同时由于冠层的对地表的遮蔽，土壤水分没有过快地损失；而在80～120 cm范围内的深层土壤，质量含水率变化剧烈，这是因为沙枣、柽柳作为多年生植物，根毛成熟区分布深度约为60～120 cm，深层根系的吸水使得深层失水。2号小区的土壤含水率剖面以距地表70 cm土壤深度为界，呈不同的变化特征：0～70 cm范围内的土壤在降雨后11日内迅速失水，20～40 cm处下降尤为明显，而70 cm以下的深层土壤，在观测时间内水分变化不明显；这是由于草本植物具有吸水能力的根系主要分布在20～60 cm深度的浅层土壤中，在日光照射的作用下，浅层土壤的水分能够同时通过地表蒸发和植物蒸腾迅速散失。3号小区的土壤含水率剖面表现为干旱区盐碱地的典型特征，水分主要通过地表土壤蒸发进入大气，因此表层土壤失水最快，含水率衰减速度随土壤深度增加而降低。

图1 降雨后1-11日各小区土壤质量含水率变化图

由此可见，在裸地(3号小区)以及种植草本为主的盐荒地(2号小区)，蒸发主要是表层及浅层土壤强烈失水，深层影响有限，在后期蒸发耗水作用逐渐减弱；而以木本植物为主的盐荒地(1号小区)的各土层失水速度相对均匀，耗水空间更大，保持了较高的耗水能力，从而维持了盐荒地干排能力的稳定。

2.2 不同类型盐荒地地下水位动态和土壤水分储量变化

图2、图3给出了不同植被类型盐荒地的地下水位动态和土壤水分储量动态。由图2可以看出，整体上三个小区的地下水埋深变化趋势基本一致，在地表蒸发和植物蒸腾的共同作用下，地下水位持续下降，雨后有一定程度回升，但幅度和速率有所差异。1号小区分布的木本植物优势区植物冠层蒸腾能力强，地下水埋深下降更快；2号小区为草本植物优势区，3号小区为裸地，地下水埋深下降速度都相对较慢。在6月初，蒸发并不强烈，三者差别不大；进入7月后，三者的差距开始加大，裸地地下水埋深比种植有耐盐植物的地块更小，可见裸地地表蒸发耗水有一定局限性；进入9月后，耐盐植物的蒸腾作用减弱，调节地下水埋深的能力逐渐消失，地下水埋深下降速度减缓，三者的地下水埋深又逐渐趋于接近。

图2 不同地表植被类型地块的地下水埋深变化趋势

图3 各植被类型土壤水分储量变化

不同类型盐荒地的土壤水储量动态也有类似规律。整个试验期间，土壤水分储量整体上呈下降趋势，雨后虽有增加，但在蒸发蒸腾作用下仍然保持较快的消耗速率。尽管三个小区初始土壤水分储量基本相同，但种植有耐盐植物的地块的耗水速率明显较大，木本植物优势区则比草本植物优势区的耗水更加明显。此外，由于地下水与土壤水的转换关联，各小区地下水与土壤水分储量保持了对应的变化；如3号小区，耗水能力较弱，土壤水分储量变化较小，因此地下水的埋深较小，这限制了临近耕地多余的水盐通过地下水坡度向盐荒地排泄的能力。

上述结果说明，盐荒地种植盐生植物有利于增加盐荒地的耗水能力和干排能力。

2.3 不同类型盐荒地蒸发能力

表2给出了不同植被类型的盐荒地在2018年6月10日-10月3日期间的蒸发蒸腾量。由表2可见，木本植物优势区、草本植物优势区、裸地的蒸发蒸腾量依次为330.1，284.0和234.4 mm，不同植被类型的蒸发蒸腾量差异显著，相比裸地，木本植物优势区、草本植物优势区的蒸发能力分别增加了40.8%和22.4%。木本植物冠层茂密，叶面积指数LAI较草本植物更大，蒸腾作用强烈且持续，实现了土壤水分储量的持续消耗。相比之下，草本植物的蒸腾作用小，且根系下扎深度不足，根系吸收水分明显少于木本植物，因此蒸发能力比木本植物优势区更小。

表2 不同植被类型盐荒地水量平衡结果 mm

在干排系统中，来自临近荒地地下水的侧向补给是盐荒地土壤水和地下水维持平衡的主要来源。盐生植物产生的蒸腾作用能够增加盐荒地土壤的水分消耗，进而消耗盐荒地的地下水，增加临近耕地与荒地的水力梯度，使得盐荒地能够持续接受周边地块的侧向水分补给。因此，在生产实践中可以考虑通过在盐荒地种植盐生植物，增加盐荒地的干排能力。

2.4 不同类型盐荒地土壤盐分变化

干旱地区盐荒地由于降雨稀少、蒸发强烈，且没有灌溉的淋洗作用，因此盐分总体呈向表层聚集趋势，长期积盐可能对盐荒地蒸发和干排能力造成影响。降雨可以通过淋洗作用将盐分淋至土壤深层，从而减缓盐荒地蒸发能力的退化进程。为此，选择2018年7月27日降雨后各小区的盐分变化进行分析，图4表示出降雨后11日内土壤各层全盐量变化趋势，表3表示降雨11日后各土壤层全盐量变化的计算结果。

由图4可见，各小区表层土壤全盐量远大于其他土层全盐量，呈现明显的表聚现象。雨后由于淋洗，表层含盐量有所下降；雨后11日期间由于土壤含水量较高、蒸发强烈，盐分整体随水分不断向表层运移。不同盐生植被的盐荒地，积盐情况差异明显。木本植物(1号小区)浅层土壤盐分运动相对不显著，20～70 cm深度土壤全盐量增量很小，这一结果与Xia等[13]的研究结果一致，木本植物可以有效抑制浅层土壤过度积盐；而在70 cm以下的土层中，在木本植物根系吸水的作用下，土壤水分上行运动剧烈，促进了盐分的累积。草本植物(2号小区)土壤以70 cm深度为界表现出不同的变化特征；在70 cm以上，各土层全盐量均明显增加，在70 cm以下，由于雨水的土壤浸润深度不足以达到这一区域，而草本植物的根系吸水也难以促进这一土层的水分运动，全盐量变化较小。可见，草本植物虽增加了一定的排盐空间，但相比木本植物，对盐分的调节范围较小。裸地(3号小区)则由于强烈的地表蒸发，表层土壤全盐量迅速上升，随土壤纵深的增大，盐分集聚速度迅速减缓，但100 cm以下的土壤全盐量增量很小。结合表3的计算结果，对比木本植物、草本植物、裸地三种植被类型的盐分动态，降雨后11日内表层0～20 cm土壤全盐量绝对值分别增加了0.91、1.24、3.16 g/kg。由此可见，根系分布越深的盐生植物在空间上越能分散土壤中的盐分累积，使盐分集聚程度降低，增加了盐荒地的排盐空间，有助于维持盐荒地干排能力的稳定。

图4 降雨后1～11日各小区土壤全盐量变化图

表3 不同类型植被土壤盐分含量及其变化量 g/kg

干排系统中，盐荒地干排作用的发挥主要受蒸发量的制约。随着含盐量的增加，土壤的蒸发能力下降[14]，因此干排系统存在使用年限问题，其年限受制于荒地盐分的积盐速度和分布状态。对于裸土，盐分主要集聚在表面，直接抑制土壤蒸发，从而使得盐荒地干排作用退化较快；而种植木本植物或草本植物，能够改变盐分累积的土层深度，抑制盐分在地表的累积。因此可以通过种植合适的盐生植物，调节盐荒地土壤水分和盐分运动，进而延长盐荒地在干排系统中的使用年限。