南疆夹砂层结构对土壤盐分淋洗的影响

2021-04-22熊文晴孙三民杨王康

湖北农机化 2021年5期

熊文晴付敏孙三民杨王康王鹏

(塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆阿拉尔市 843300)

土壤盐渍化是指土壤盐碱化自然的地质过程，其中盐分累积在土壤表面形成盐渍土壤。在世界干旱和半干旱农业地区，土壤盐碱化是一个重要的生态环境问题[1-3]。这些干旱和半干旱的农业区位于中国自然生态环境的脆弱地区。它不利于这些地区的作物生长，从而影响农业生态系统。如果消除土地盐化的主要限制因素，那么农业生态系统的巨大潜力必将发挥作用。土地盐碱化管理与防治对农业生态系统退化，生态环境保护和未来食品安全的防治具有十分重要的现实意义。据统计，盐碱土在世界上100多个国家广泛分布，总面积为1.0×109hm2[4]。盐碱地的开发利用和土壤盐碱化的防治已成为当前社会经济的重要研究课题[5-6]。

新疆盐渍化土壤是经过了长期的演变过程的。新疆南部至少自白垩纪以来就存在。后来的第四纪河流和湖泊沉积物，特别是现代沉积物，在土壤水和盐分的重新分配中发挥了主要作用。由于土壤深层含有裂隙水和承压水形式的盐水，因此它参与了具有数百万年历史的区域水盐循环。在干旱的沙漠条件下，由于极少的降水和极强的蒸发，地壳中的盐不断地累积到地表，形成了典型的盐分高的盐渍土壤。在新疆盐渍土的形成过程中，河流系统都受到第四纪河床沉积物的影响。新疆的大型水系，如新疆南部的塔里木河和叶尔羌河以及新疆北部的伊犁河和玛纳斯河，都有这种类型的河流和湖泊沉积物分布。这些河流的上游和邻近的河床地区具有良好的土壤渗透性。受河水淡化的影响，仅发生了轻度的盐碱化，这是盐碱化的草甸土壤的分布区域。在远离河流的地方，地下水水质恶化，形成了更重的草甸盐渍土壤。在冲积平原上，由于坡度较缓，沉积物很强，受洪水影响，小湖泊和沼泽经常分布在河流之间和支流末端的低地上，盐碱化严重，多数为盐渍土壤；远离现代河流洪水影响的冲积平原的主要特征是残留盐碱化和沙漠化。

土壤的水分运动与盐分运动密切相关。夹层的存在影响水的运动，同时也不可避免地影响盐度的运动。史文娟[7]研究了蒸发条件下含沙土壤中水和盐的运动规律。对于盐渍土，尽管地下水的埋藏深度较浅，但潜水蒸发仍不稳定，并且沙层对水具有有效的抑制作用。随着蒸发时间的延长，它仍然逐渐减小。原因是在土壤表面形成的盐壳反过来阻止了蒸发。王文彦[9]研究了甘肃秦王川地区双层土壤入渗特征，并根据甘肃秦王川地区土壤的自然特征对双层土壤入渗特征进行了实验研究。渗透的物理过程讨论并测量了土壤-砂界面的最大临界水含量。结果表明，这种土壤结构对提高土壤蓄水能力具有显著作用。张新民[10]利用土壤水能形态学方法计算了上、下砂两层结构土壤的盐分定额，推导了确定两层土壤盐分定额的方法。利用土壤水能形态学方法分析上、下砂层结构。实例计算表明该方法更为准确。该方法可用于确定类似于秦王川灌区的新建灌区的淋溶配额。对于已实施的灌溉区域，此方法可用于评估浸出效果。然而，在模拟室外土壤柱渗入过程中，不同砂层对水和盐分运动影响的研究相对较少。

盐碱土改良的根本目的在于改善土壤理化性状，使之有利于作物生长发育，实现高产高效[11]。本文在现有的盐碱土壤农艺改良措施中，平整土地可使水分均匀下渗，使盐分不易集中于地表，防止土壤斑状盐碱化[12]；在土壤中铺设砂层能够有效地防止盐分上升到地表，从而引起土壤的盐渍化，利用室外土柱模拟试验研究在土壤中埋设0.6 mm，1.2 mm，2.5 mm 3种不同砂层的粒径进行土壤洗盐，研究不同埋砂深度的3种砂对土壤洗盐的效果，为南疆盐碱地的改良以及灌溉和排水等措施的制定提供了参考，并且为南疆盐碱地利用提供了理论依据。

1材料与方法

1.1试验区概况

本试验区位于新疆南疆阿拉尔市塔里木大学水灌溉试验基地(北纬40°32′，东经81°17′)，试验于2020年进行，该试验区日照时间充足(年日照时间达2500～3500 h)，年平均降水量为66 mm左右，年平均蒸发量为2000 mm左右，试验记录了2020年6～8月日最低气温和日最高气温和水分蒸发量如图1。供试土壤采自新疆阿拉尔市，土壤采集表层的土样，试验区干旱缺水，淡水资源匮乏，地下浅层微咸水资源丰富，土样试验区，结合本文的研究目的，选取地下水作为灌溉水，以增强灌溉水盐分对试验结果的影响[13]。

图16-8月每天最高气温、最低气温、日平均气温

1.2试验装置

本试验为室外土柱模拟试验，蒸发试验所用土柱采用5 mm厚有机玻璃材料制作，内径为20 cm，高为75 cm(土层厚70 cm)，土柱底部设石英砂反滤层以及排气孔，本试验装置所用的有机玻璃土柱与自制滴灌装置、电子秤、取土器等，用砂经过风干、去除杂物后过0.6 mm，1.2 mm，2.5 mm筛，分别为细砂、中砂和粗砂。土壤样品经风干、碾压、去除杂物后过2 mm筛，按照1.4 g/cm3的容重装入土柱中，分层捣实。1、2、3号土柱和4、5、6号土柱分别在距地表15 cm和30 cm处埋设10 cm厚砂层，1，4号土柱埋设的砂的粒径为粗砂；2，5号土柱埋设的砂的粒径为中砂；3，6号土柱埋设的砂的粒径为细砂；7号土柱为不设砂层的均质土对照组CK。7个土柱分别在距地表5 cm、10 cm、15 cm、45 cm和65 cm处钻直径为2.5 cm的圆形取样孔。便于取土进行盐分分析，每次取土后相同含水率的母土回填，每次取样的位置重复。

1.3试验设计

因为砂的保水能力差，砂层中的水分很容易入渗，当土壤中的盐分被淋洗到砂层之后可以很快下渗到深层土壤，且砂层能阻断土壤毛管水的上升，减少深层土壤水通过毛管水上升到达地表，进而减少将盐分运移至地表。但不同的砂层埋置深度和砂子粒径会对盐分淋洗产生不同的影响，所以本项目设置15 cm、30 cm 2个深度，分别埋置10 cm厚的粗砂、中砂、细砂来研究夹砂层对灌水和淋洗土壤盐分的作用，以期得出最优的夹砂层规格。

参照现有打孔设备的技术参数，试验设计2种埋砂深度为15 cm、30 cm，以及选择不同的砂的粒径大小，其中不埋设砂层的处理为对照组CK，具体设计分组见表1。在土柱安装结束之后，对土柱进行补水，补水使用自制滴灌装置，4 L的矿泉水瓶加上一个输液器，该灌溉装置同时能够供水并控制水位。试验开始时，使用自制滴灌装置于土柱的正上方分别对7个土柱注入4 L的微咸水(矿化度为5.6 g/L，滴头流量为0.5 L/h)，通过太阳光照射1个月，直至土中盐分蒸发到地表进行取土，然后再一次灌水，连续3次重复上述步骤，3次试验后取的土分别用DDSJ-308A型电导仪测试电导率和盐度，共测试3次，3次试验数据经过处理后，绘图进行试验分析。

表1 试验设计方案

1.4测定项目及方法

1.4.1 电导率的测定

用电导法测定各土样提取液的电导率，电导率采用土水比1∶5浸提液于DDSJ-308A型电导仪测试，测供试土样的电导率(EC)。

1.4.2 土壤含盐量的测定

称重20.0 g已通过2 mm孔径筛的风干土壤样品，将其放入150 ml锥形瓶中，添加100 ml蒸馏水以除去CO2(土壤水质量比为1∶5)，摇动5 min，并过滤以获得土壤样品提取物。其中，将用于去除CO2的蒸馏水煮沸15 min，冷却后即用浸提液于DDSJ-308A型电导仪测试，测供试土样的含盐量。

1.4.3 数据记录

第1次取土时间为2020年7月17日，第2次取土时间为8月17日，第3次取土时间为9月18日。取土位置都为距土表5 cm、10 cm、15 cm、45 cm、65 cm。原土样电导率为367 μs·cm-1。

1.5数据处理

为了减少测试误差并提高测试数据的准确性，测试数据采用3次重复测试的平均值。使用Excel绘制图形，使用DPS数据处理系统(数据处理系统，版本7.05)进行统计分析，以及基于最小有效差(LSD)进行多次比较。

2结果与分析

2.1不同夹砂层埋深对土壤返盐的影响

图2夹砂层不同埋深处理下土壤电导率变化

2.1.1 埋设深度15 cm和30 cm的粗砂对土壤返盐的影响

以不埋设砂层为对照，研究不同粒径夹砂层在不同埋设深度灌水对土壤电导率的影响，从而得出较优的夹砂层参数。埋深为15 cm和30 cm时粗砂处理下土壤电导率的变化随粒径的变化情况见图2。土壤水分在入渗过程中的运动受到毛细作用力和重力的双重作用。在此过程中，盐的运输是一个非常复杂的过程，包括离子交换和吸附以及离子拆分。土壤盐分离剂通常随着土壤水的运动而迁移。对于盐碱土，在一维水渗透过程中，渗透水将表土和原始土壤溶液中的可溶性盐溶解在一起，形成较高浓度的土壤溶液并向下移动，形成土壤溶液浓度。在下面的土壤中最高值称为盐峰。盐峰上部土壤发生淡化，下部土壤发生盐分积累，形成明显的淡化盐分富集区。

如图2(a)所示，在土柱中埋设粗砂A1、A2处理下，相较于CK，处理A1、A2在距土柱土壤表面5～47 cm时土壤的电导率要比CK的电导率低，证明夹砂层的埋设增大了土壤空隙，阻止了土壤返盐。处理A1与A2对比，处理A1的土壤电导率一直都比处理A2低，由此可见，A1处理下对抑制土壤返盐的效果要比A2处理下对抑制土壤返盐的效果好，所以，埋砂深度为15 cm和30 cm时，粗埋砂深度为15 cm时对抑制返盐的效果更好。

2.1.2 埋设深度15 cm和30 cm的中砂对土壤返盐的影响

如图2(b)所示，在土柱中埋设中砂粒径的夹砂层时，相较于对照，在B1、B2处理下，处理B1在距土柱土壤表面5～50 cm时土壤电导率要比CK的电导率低，处理B2在距表面5～30 cm时土壤中的盐分浓度要比CK的盐分浓度低，证明砂层的埋设增大了土壤空隙，对抑制土壤盐分的上升有更加显著的影响。处理B1、B2对比，B1处理下的土壤电导率要比B2处理下的盐分浓度低，B1处理对抑制土壤返盐的效果要比B2处理对抑制土壤返盐的效果好，所以，埋砂深度为15 cm和30 cm时，中砂埋砂深度为15 cm时对抑制土壤返盐效果更好。

2.1.3 埋设深度15 cm和30 cm的细砂对土壤返盐的影响

如图2(c)所示，在土柱中埋设细砂时，相较于对照，C1、C2处理在距土柱土壤表面5～47 cm时电导率都比CK低，证明砂层的埋设增大了土壤空隙，减少了土壤返盐。由此可见，砂的粒径都为细砂时，处理方式不一样，减缓返盐的效果也有一定的差异性。处理C1、C2对比，处理C1在距土柱土表25 cm之前的土壤盐分浓度比C2低，在25 cm之后C1的盐分持续升高，证明C1抑制洗盐效果明显，所以，埋砂深度为15 cm和30 cm时，埋砂深度为15 cm时对抑制返盐的效果更好。

综上所述，当埋砂深度为15 cm时，粗砂、中砂、细砂的夹砂层减缓土壤返盐效果最好。

2.2不同粒径的夹砂层对土壤返盐的影响

图3夹砂层不同粒径处理下土壤电导率变化

2.2.1 夹砂层埋深15 cm时不同粒径的夹砂层对土壤返盐的影响

由图3(a)看出，当夹砂层埋深为15 cm时，相对于CK，A1、B1、C1距土柱土壤表面5～45 cm时土壤盐分浓度比CK的电导率低，说明夹砂层埋深为15 cm时不同粒径的砂对抑制土壤返盐均有效果，其中细砂处理C1效果比较显著。处理A1、B1与C1之间对比，处理C1在距地表15cm之前土壤电导率比处理A1、B1土壤电导率低，说明埋砂深15 cm时细砂的夹砂层对抑制土壤返盐的效果较好。

2.2.2 夹砂层埋深30 cm时不同粒径的砂对土壤返盐的影响

由图3(b)可以看出，与CK对比，处理A2、B2、C2距土柱土表距离30 cm以内的土壤电导率比处理CK低，而处理B2在距土柱地表30 cm的范围内土壤电导率比处理A2、C2小，说明埋砂深30 cm中砂对抑制土壤返盐效果较显著。处理A2、B2及C2之间对比，处理B2在距地表30 cm的范围内土壤电导率比处理A2、C2土壤电导率低，说明当夹砂层埋深在30 cm时中砂对抑制土壤返盐的效果较好。

综上，可以得出当夹砂层埋深为15 cm时细砂对抑制土壤返盐的效果较好；而夹砂层埋深为30 cm时中砂对抑制土壤返盐的效果较好。

3讨论

沙覆盖作为一种传统的耕作手段已得到广泛应用，并已在世界许多国家使用。在中国西北干旱地区的沙漠与绿洲相交处，绿洲-沙漠过渡带富含咸淡的水和沙资源。但是，该地区植被恢复和生态保护的研究鲜有报道，这具有重要的生态意义。先前的研究已经表明，在降水入渗条件下，砂砾覆盖可以促进入渗。在这个实验中，不同的沙层被掩埋。沙层的覆盖抑制了水进入土壤的能力，这可能是由于将沙子的粒度与砾石的粒度进行了比较。较小的沙粒要小得多，并且细沙粒在渗透过程中会阻塞沙土界面处的土壤毛细血管，导致渗透能力降低。在该实验中，土壤中的水是通过渗透过程引入的，而不是通过土壤的毛细作用吸入的。蒸发开始时损失的水是砂层中游离水的损失，而不是稳定的蒸发过程，这与地下水位高的存在不同。影响下的稳定蒸发过程是不同的，盐渍化的形成与土壤蒸发密切相关。渗透后的潜水蒸发或砂层蒸发均可有效抑制蒸发并同时减少盐分的表面积聚。少量盐水是农田的储备水。试验结果表明，细砂在深度为15 cm时对土壤盐分的抑制作用最明显，在砂层下的累积量较高，可以抑制表面盐碱化。在浸出过程中，砂层的存在可在一定程度上防止盐分上升到表面。考虑到沙层的存在还可以抑制盐分在蒸发过程中的向上运动，并且沙层的质地，层的位置和厚度对土壤水分和盐分的移动有不同程度的影响，因此有必要专门分析沙层的厚度，以防止土壤盐分冲刷。这个问题的影响需要在未来的研究中加以讨论。