宁夏中部干旱带微咸水灌溉对砂土混合覆盖下土壤水盐运移的影响

2021-09-16徐天渊贾振江李王成赵广兴高海燕赵相宇

干旱地区农业研究 2021年5期

徐天渊，贾振江，李王成,2,3，赵广兴，高海燕，王洁，赵相宇

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏银川 750021)

表土覆砂作为我国西北地区劳动人民在长期农业生产实践中探索出的一种保护性耕作方式，具有保温增渗、抗旱抑蒸的功效[1]。部分学者在压砂地土壤蒸发特性，如土壤蒸发量估算[2]、含水率变化特征[3]、覆砂有效年限[4]、压砂砾石元素淋溶[5]等方面进行了研究。在实际生产活动中，压砂地不可避免会产生砂土混合现象。吕国安等[6]研究发现，土壤蒸发能力与土壤中土壤与砾石的比例有关；许强等[7]通过对宁夏香山地区种植1～17 a的砂田研究发现，砂田覆砂层土砂比由0.09增加到0.57，土壤含水量由25.30%降低到13.70%；王兴等[8]研究显示，降雨量一定时，砂土混合比越大，土壤日蒸发量和累计蒸发量越小，且全覆盖时抑制蒸发效果最好。

微咸水是矿化度在2～5 g·L-1的含盐水[9]，在干旱地区农业灌溉中已得到广泛应用[10]，但同时其引发的土壤盐分累积问题也尤为突出[11-13]。表层砂土覆盖是干旱半干旱地区特有的一种免耕模式[14]，对土壤盐分具有一定抑制效果。王永忠等[15]研究表明，压砂地土壤盐分会随年限增加而逐年降低。潘佳颖等[16]认为压砂层较强的雨水淋溶作用和切断毛细管对盐分上移的抑制作用使土壤全盐量随着土壤深度的增加而增大。

前人研究主要集中在不同砂石类型和不同降雨量的区别，但针对实际生产过程中微咸水灌溉下不同砂土混合比的水盐运移规律研究鲜有报道。本研究采用微型蒸渗仪模拟大田试验，探究不同微咸水灌溉水平下不同砂土混合比的水盐动态规律，以期为宁夏中部干旱带压砂地生态保护和微咸水高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

于2020年8月在宁夏回族自治区中卫市环香山地区试验田开展大田试验，(105°13′44″ E、36°56′24″ N，海拔1 500～2 361.6 m)。该地区降雨稀少，蒸发强烈，近60 a均温6.8℃，多年平均降水量247 mm，多年平均蒸发量2 238 mm。在该地区多年平均蒸发量约为多年平均年降水量的10倍[17]。

1.2 供试土壤和砂石的基本性质

供试土壤为砂壤土，采自香山乡尹东村自然覆砂的耕作地，在采样区剔除表面20 cm覆层，采集覆层下0～20 cm土壤进行试验。土壤容重为1.31 g·cm-3，田间持水量(质量含水率)为22.31%，饱和含水量(质量含水率)为34.15%，土壤晾干后过1 mm筛备用。土壤颗粒粒径分布采用 Bettersize-2003 型激光粒度分布仪测定，土壤粒径组成特征为孔隙度58.6%，其中砂粒(1～0.05 mm)所占比例11.8%，粉粒(0.01～0.05 mm)所占比例35.1%，粘粒(0.001～0.01 mm)所占比例31.9%，胶粒(<0.001 mm)所占比例21.1%。

试验所用砂石取自当地主要压砂地，均为灰绿深灰色板岩，试验前过1 cm和3 cm不锈钢砂石筛，使砂石粒径均匀分布在1～3 cm之间，不同粒径砂石在混合前用自来水清洗3遍并晾干备用，其中粒径分布在1～2 cm之间占比为43%，2～3 cm 粒径占比为57%。

1.3 试验设计

选取地形平整、空间开阔的荒砂地作为试验场地，采用微型蒸渗仪进行大田试验模拟，微型蒸渗仪分内桶和外桶，内桶内径24 cm，外桶直径25.5 cm，高58 cm，壁厚4 mm。试验开始前，在试验区等距布置微型蒸渗仪，使微型蒸渗仪高出土壤表面约2 cm左右，以防止回漏。然后将供试土壤按容重1.31、1.33、1.39、1.42 g·cm-3从内桶底部进行分层装土，每层10 cm，装土时进行层间打毛填土至40 cm高，装填完成后静置24 h使桶内土壤达到平衡，将计算好的微咸水水量一次加入微型蒸渗仪中。本试验所使用的微咸水取自宁夏香山地区试验基地机井水，其理化性质见表1。

表1 供试微咸水理化性质表Table 1 Physical and chemical properties of brackish water tested

本试验结合当地灌水量及作物主要根群分布情况，依据不同计划湿润层计算灌水量，计算方法见式(1)：

W=πR2Hρb(θf-θ0)

(1)

式中，W为灌水量(L)，R、H分别为微型蒸渗仪半径和计划湿润层深度，本文中分别取12.0，20、30、40 cm；ρb、θf、θ0分别为土壤容重(g·cm-3)、田间持水量(%)、干土含水量(%)，本文中分别取1.31 g·cm-3、22.3%、2%。计算所得3个灌水量水平分别为W1(2.5 L·桶-1，相当于55.3 mm)，W2(3.7 L·桶-1，相当于81.8 mm),W3(5.0 L·桶-1，相当于110.6 mm)。

3个灌水量处理下各设6个砂土混合比处理，分别为S1(0%)、S2(20%)、S3(40%)、S4(60%)、S5(80%)、S6(100%)，共18个处理，每个处理2个重复。

微型蒸发桶内覆砂厚度依据当地覆砂经验为10 cm[18]，砂土混合比(S1～S6)是砂与土的体积比，按照体积与容重之积分别计算相应的质量，混合均匀后装入相应内桶内压实，然后将不同处理的内桶放入对应的外套桶中。

1.4 试验过程

试验于8月7日正式开始，每个重复的18个蒸发桶同时进行灌水(裸土以土面为基准面，覆砂以砂层表面为基准面)。试验期间，每天上午8∶00称重，记录土壤的日蒸发量，所用电子秤(益横TCS-300)量程300 kg，精度0.01 kg。8月21日试验结束，共进行15 d。同时每天利用20 cm蒸发皿测定水面蒸发量。

试验利用土钻取土，每3 d测定一次土壤含水率及其盐分，共测定15 d。采集的土样在烘箱内105℃温度下烘10 h测土壤水分含量，之后风干研磨过1 mm筛，以5∶1的水土比配置待测液，提取上清液，使用便携式电导率仪(雷磁DDBJ-350)测定土壤盐分含量。

1.5 数据处理

试验数据采用EXCEL 2016软件进行处理并用ORIGIN 2018 C进行绘图。

2 结果与分析

2.1 试验期间气象因素变化

图1为试验期间各气象因素日平均变化情况，取自试验地小型气象观测站数据。试验持续观测15 d，8月7日正式开始，8月21日结束，试验期间蒸发强烈，无天然降水，且除8月12日、8月19日以及8月20日气温相对较低、相对湿度与太阳辐射强度也较弱之外，整个试验点气温、相对湿度、太阳辐射以及风速分别保持在18℃～32℃、24%～76%、243～633 W·m-2、1.55～4.49 m·s-1之间。总体来说，整个试验阶段的气温、相对湿度、太阳辐射以及风速都处在一个较高的水平。

2.2 砂土混合比对累计蒸发量的影响

图2显示了各处理下及20cm蒸发皿(D20)在试验期间的累计蒸发量。从整体来看，各处理下的土壤蒸发量变化趋势大体相同，均随砂土比例的增加而减小。以W1为例，不同砂土混合比处理下的15 d累计蒸发量分别为31.86、24.17、18.51、11.94、7.59、7.35 mm，比D20分别减少了20.39%、39.61%、53.75%、70.16%、81.03%、81.63%，试验初期(3～9 d)，各砂土混合比的累计蒸发速率较大，斜率差异较为明显，但随着试验时长的增加(9～15 d)，累计蒸发速率渐变平缓。尤其80%、100%二者之间差异甚微，充分说明高的砂土混合比更具蒸发抑制效果。

与W1相比，随着微咸水灌溉量的增加，不同砂土混合比的累计蒸发量均相应提高，其中W2处理下分别提高了21.69%、2.15%、16.21%、40.03%、74.70%、4.08%，砂土混合比为80%时为累计蒸发变化拐点；W3处理下，分别提高了30.82%、35.62%、73.64%、53.18%、60.21%，13.88%，砂土混合比为40%时为变化拐点，且全覆盖时的抑蒸保墒效果最好。

2.3 不同微咸水灌溉下砂土混合比对土壤水分运移的影响

图3显示了W1、W2、W3处理下不同砂土混合比的土壤含水率分布情况。在土壤水运动的过程中，不难看出上层土壤水分含量随着试验时间延长不断减少，下层则又有所增加，如灌水后15 d土层深度为40 cm的W3S5、W3S6处理，这一现象与谭军利[19]所得结论相似。随着砂土混合比的增加，抑蒸保蓄作用更为明显，土壤含水率整体变化差异减小。W1、W2、W3相比，随着灌水量的增加砂土混合覆盖的土壤蒸发抑制作用更加显著，因此在整个土壤剖面的含水率变化差异也随之变小。综上不难推断出，分界点位置变化含水率变化差异不仅与砂土混合比有关，还与灌水量有着一定联系。

从不同灌水量来看土壤水分的分布情况，以砂土混合比为60%为例，其他砂土混合比类似。W1、W2、W3，3个不同处理的土壤水分含量均表现为先增加又减少的趋势，且在20 cm处达到峰值。其在第3天20 cm深度的平均土壤水分含量分别为18.89%、23.46%、25.71%，试验结束时分别为16.68%、21.77%、23.93%，递减幅度依次为13.25%、7.76%、7.44%。因此，随着灌水量的提高土壤水分含量逐渐增大，变化幅度表现为依次减小。累计蒸发量占比情况分别为8.72%、8.12%、6.86%，W3较W1占比减小30.54%，也从侧面说明了随着灌水量的增大土壤水分向更深层运移，砂土混合覆盖的抑制蒸发作用愈发明显。

从不同砂土混合比来看土壤水分的分布情况，以W1为例，其他灌水量情况类似。其在第3天的土壤水分含量均表现为递增趋势，不同砂土混合比20 cm深度的土壤水分含量分别为15.36%、16.86%、17.72%、18.89%、19.27%、20.91%，试验结束时分别为11.95%、14.68%、15.85%、16.68%、16.85%、17.98%，递减幅度依次为28.54%、14.85%、11.80%、13.25%、14.36%、17.60%。可以明显看出，随着砂土混合比的提高，土壤表层和深层的土壤水分含量渐增，但变化幅度表现为表层水分减小趋势明显增加，在深层有所减少且明显低于表层。这充分说明，加大砂土混合比可以有效减少土壤表层蒸发损失，同时，表层土壤水向下入渗，对于较深层土壤水分也有着一定的保蓄作用。

2.4 不同微咸水灌溉下砂土混合比对土壤盐分运移的影响

图4显示了W1、W2、W3处理下不同砂土混合比的土壤盐分分布变化，从中可以看出，土壤盐分随着试验时间的延长逐渐向下运移，尤其是砂土混合比为60%时最为明显，而随着砂土混合比的增加盐分向下层运移更加剧烈。W1～W3处理随着灌水量的增加砂土混合覆盖下的土壤盐分运移更加明显，因此整个土壤剖面的盐分变化差异也随之变小。

从不同灌水量来看土壤盐分分布情况，灌水后第3天，W1、W2和W3的土壤盐分含量峰值随灌水量增大而递增且位置从20、30 cm逐渐向深层递进。到灌水后第15天，3个处理的峰值位置继续向下层运移，且已出现的土壤盐分含量峰值均出现在30 cm处，较第3天均有所下降，由于取样深度不够，砂土混合比较大的处理并未显现出峰值，但不难推断出，80%、100%的盐分含量变化较快，在下层出现的峰值也可能较大。可见，在相同灌水量条件下，由于加大砂土混合比抑制了土壤表层蒸发，在减弱土壤盐分向表层聚积的同时也加剧了更多盐分向更深层土壤的运移。

从不同砂土混合比来看土壤盐分的分布情况，以W1为例，0%、20%和40%的盐分含量均出现峰值，分别为22.60、24.50 ds·m-1和29.8 ds·m-1，且与不覆砂相比，20%和40%的峰值含盐量分别提高了8.41%和31.9%。其中，裸土处理下整个试验阶段均在30 cm处达峰值，但从20%开始，土壤盐分峰值有明显向下推移趋势；而60%、80%和100%的盐分含量并未显现峰值，原因在于覆盖层中砂石所占比重增大，可有效阻断土壤蒸发的毛细管作用，表层土壤水分蒸发减弱，而深层入渗持续加强，促使更多的土壤盐分向更深层土壤运动，故土壤盐分峰值会继续向下层运移。60%和80%的土壤盐分均在第9天处于持续较高水平，而全覆盖则发生在第6天，与不覆盖相比，峰值出现或有提前的趋势，进一步说明增大砂石混合比对于土壤盐分的深层积累有着明显促进作用，对盐分的表层累积有着明显的抑制作用，且比值越大，峰值出现的时间可能越早。可见，随着灌水量和砂土混合比的进一步加大，“盐随水走”[20-22]现象更加凸显。

3 讨论

地表压砂是宁夏中部干旱带抗旱抑蒸的一种重要耕作方式，在实际生产过程中会不可避免地产生砂层与土壤的混合，不同砂土混合比对土壤水分分布具有不同程度的影响[23]。本文研究得出在不同灌水量条件下随着砂土混合比的增加，累计蒸发量均呈下降趋势，土壤含水率均呈上升趋势。这与王兴[24]和王艳伟[25]研究结果一致。裸土时，各灌水量条件下，蒸发量仅比水面蒸发皿小2.04%～20.39%，而砂土混合比为100%时，比水面蒸发皿小79.08%～81.63%；裸土的土壤含水率分布为7.34%～18.54%，而砂土混合比100%处理下为17.21%～28.72%。不同灌水量下砂土混合覆盖对土壤蒸发量的抑制作用随砂土混合比的增大而愈加显著，这是因为表层覆砂增加了大孔隙，有效促进了水分入渗和壤中流的发生，另一方面，砂土混合比的增大又阻断了土层与砂层的毛管联系，使得土壤表层蒸发得到进一步抑制。

从土壤盐分的分布来看，裸土与砂土混合覆盖相比含盐量的均值显然大于砂土混合覆盖，这与宋日权等[26]和唐学芬等[27]的研究结果一致。在不同灌水量条件下，由于加大砂土混合比抑制了土壤表层蒸发，在减弱土壤盐分向表层聚积的同时也加剧了更多盐分向更深层土壤的运移。低灌水量下，0%～40%的盐分含量均出现峰值，为22.60～29.8 ds·m-1，且与不覆砂相比，20%和40%的峰值含盐量分别提高了8.41%和31.9%，且峰值位置越往深处推移，出现的时间可能越早，60%和80%砂土混合比的土壤盐分均在第9天处于持续较高水平，而全覆盖则发生在第6天，这与谭军利等[19]的研究结果不一致，这主要是因为砂土混合比不同对土壤水分分布的调控不同，砂土混合比越大，土壤水分向下迁移的速率越快。从本研究的结果来看，灌水量增加后虽然其中含有一定盐分，但短时间内能带入土壤的盐分含量较少，反而较多的水分对表层盐分起到淋洗作用，避免了盐分表聚，这与王全九等[23]研究结果一致。同时，灌水加速了盐分向下的运移速率，提高了峰值盐分含量。本试验取样深度是依据农作物生长主要根系分布范围而确定，同时，也模拟了一次灌水后完整的蒸发过程和水盐运移过程，研究结果在一定程度上能够代表研究区压砂地土壤水分的运动过程。研究表明增大砂土混合比不但可有效减少土壤水分蒸发，而且同时可抑制盐分的表聚，增大土壤农业效能，并利用其促进盐分向土壤更深层运移的规律，可极大地减弱区域微咸水对土壤的后期次生危害性，有涵养生态的潜在作用。