掺沙对盐渍化土壤水盐分布及其蒸发特性的影响

孙池涛，邓亚鹏*，孙玉霞，毛伟兵，米兆荣，张倩，张明明

(1. 山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271000； 2. 河南科技学院园艺园林学院，河南 新乡 453003)

盐渍土是重要的后备耕地资源，其合理开发与改良利用对提高土地生产力、保障世界粮棉安全具有重要意义.中国是世界上盐渍土面积很大的国家，约为3 600万hm2，主要分布在东北、西北及滨海地区[1].这些地区也是中国重要的粮棉产区，但长期以来，受土壤盐分含量较高、地表积聚严重等因素影响，植被成苗困难，缺苗断垄现象严重[2].水分是限制该地区农业发展的重要因素，因此，减少土壤蒸发、保蓄土壤水分是抑制盐分向地表积聚和盐渍土改良的重要议题.

国内外有关盐渍土水盐调控措施的研究报道已经很多，其中，沙石覆盖是解决中国北方干旱地区水资源短缺、提高作物产量的重要农艺措施之一，在提高降水入渗、抑制土壤蒸发等方面具有重要作用[3-4].付亚亚等[5]研究了覆沙对冬小麦农田土壤水分的影响，指出土壤贮水量随着覆沙量增加而增大，土壤累计蒸发量随覆沙量增加而减小.马中昇等[6]研究表明地表覆沙可提高土壤含水率，抑制地表返盐，提高西瓜产量.

以往研究多是集中于地表覆沙对土壤水盐及作物产量的影响.然而，作物生育期结束后，地表的沙石很难从地表直接移除，覆盖的沙石通常随耕作与上层土壤混掺，形成新的土壤，这与原有土壤的水力传输特性有很大差异，而有关土-沙混掺后掺沙层内土壤蒸发特性及水分运移的研究结果鲜见报道.

近年来，有关掺沙对非盐渍土土壤理化性质、湿润锋和入渗速率等方面的研究工作取得了重要进展[7-8]，而有关掺沙条件下盐渍土土壤蒸发、水盐运移特征的研究报道鲜见[9].开展相关研究对丰富土壤蒸发机理和水盐调控理论具有重要作用[10-11].鉴于田间气象因素(空气温度、湿度、风速等)变化复杂，且条件难以控制，文中通过室内试验设置不同掺沙量模拟不同覆沙年限掺沙状况，分析掺沙层土壤水盐分布及蒸发速率变化，旨在研究掺沙对盐渍土土壤蒸发及土壤水盐调控的影响，为盐渍农田土壤保墒、抑盐和土壤改良提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土壤取自某科技示范区(117°42′～118°04′E，37°17′～38°03′N)，采样深度为0～40 cm，土壤容重为1.25～1.45 g/cm3，盐质量比为3～5 g/kg，土壤黏粒(<0.002 mm)为10.75%，粉粒([0.002，0.050]mm)为54.92%，沙粒(>0.050 mm)为34.33%；土壤质地为黏质壤土(美国制)，具体颗粒级配：粒级为<0.002，[0.002,0.010]，(0.010,0.020]，(0.020,0.050]，(0.050,0.200]，(0.200,2.000]mm的相对质量分数分别为10.75%，5.24%，9.05%，40.63%，33.18%，1.15%.采样区属于温带大陆性季风气候，多年平均气温为12.3 ℃，降雨量为586 mm，蒸发量为1 800 mm；其中6—9月份降雨量约占全年的70%.试验中，以粒径为1～2 mm石英沙作掺沙材料.

1.2 试验设计

试验装置容积为230 mL、杯高80 mm、上口直径70 mm、下口直径50 mm的塑料杯实现，2个塑料杯为一套装置，具体如图1所示.

图1 试验装置示意图

上杯底部用电钻均匀打孔(孔径1 mm)，下杯完好嵌套上杯.上杯底部均匀铺设20 g粒径为2 mm的石英沙作反滤层，之后将预先混合好的140 g土-沙混合物(掺沙量按照占土-沙总质量比例为0，10%，30%，50%和70%设置，处理名称依次为CK，T1，T2，T3和T4)装入杯中，反滤层与土壤之间放置一层滤纸以防止反滤层与土壤混掺，塑料杯上部预留0.5 cm空间以灌水，每个处理重复20次.

1.3 操作流程

试验前，在每个处理土壤上方放置一层滤纸，以免加水冲坑；之后，向每一套装置中加100 mL预先配置好的5 g/L氯化钠溶液淋洗土壤，以保证每个处理初始盐分含量一致(这一过程中应及时排除下杯搜集的液体)，装置静置24 h.按照先密后疏的原则，选择每个处理中最后3组装置称重，根据前后两次称量值计算蒸发量；通过破坏性分层取样(0～1，1～2，2～3和3～5 cm)测定土壤质量含水率和电导率(含盐量)；土壤质量含水率通过烘干法测定，电导率由电导率仪(DDS-308A，上海雷磁)测定.

1.4 数据处理

试验数据录入和初步分析由Excel实现，单因素方差分析由SPSS实现，作图由Excel和Surfer 9.0完成.

文中土壤剖面平均质量含水率、电导率均通过加权平均法获取.

(1)

式中：Mi为第i层土壤质量含水率/电导率，%/(dS/m)；di为土层厚度，cm；n为土层数量.

2 结果与分析

2.1 掺沙对土壤水分的影响

2.1.1 掺沙对表层0～1 cm土壤质量含水率的影响

图2为不同掺沙量表层0～1 cm土壤质量含水率θ随时间t变化情况.

图2 不同掺沙量表层0～1 cm土壤质量含水率变化

由图2可知，各处理表层0～1 cm土壤质量含水率随时间延长而降低，且各处理表层土壤质量含水率随掺沙量增加呈降低趋势.

试验开始时，处理CK，T1，T2，T3和T4的土壤质量含水率依次为39.35%，41.18%，34.05%，29.89%和26.52%.随着掺沙量增加，土壤初始质量含水率呈降低趋势.

试验结束时，处理CK，T1，T2，T3和T4的土壤质量含水率比试验初期依次降低了83.2%，84.7%，83.7%，89.5%和92.7%，且处理T1，T2，T3和T4的平均质量含水率比CK分别低了4.2%，15.8%，52.7%和70.4%，表明掺沙处理在一定程度上降低了土壤持水和保水性能.

0～5 000 min，处理T1和T2的表层0～1 cm土壤平均质量含水率比CK分别增加了50.0%和40.7%，处理T3和T4的表层0～1 cm土壤平均质量含水率比CK分别降低了36.3%和18.7%.

2.1.2 掺沙对土壤剖面质量含水率的影响

图3为不同掺沙量土壤剖面质量含水率随时间的分布情况，图中h为土层深度.

图3 不同掺沙量土壤剖面质量含水率分布

由图3可知，各处理土壤剖面质量含水率随时间延长呈降低趋势，且同一时刻随着掺沙量增加，土壤剖面质量含水率总体呈降低趋势.试验结束时，处理CK，T1，T2，T3和T4剖面平均质量含水率较试验开始时分别降低了77.8%，77.9%，79.2%，84.8%和79.9%，且处理T1，T2，T3和T4剖面平均质量含水率比CK降低了5.7%，19.7%，51.8%和39.9%.试验期间，处理CK，T1，T2，T3和T4剖面平均质量含水率分别为22.8%，23.2%，20.9%，14.4%和14.2%，处理T3和T4剖面平均质量含水率明显低于CK，T1和T2.

2.2 掺沙对土壤盐分的影响

2.2.1 掺沙对表层土壤电导率的影响

图4为不同掺沙量表层0～1 cm土壤电导率EC随时间的变化情况.

图4 不同掺沙量表层0～1 cm土壤电导率变化

由图4可知，各处理表层0～1 cm土壤电导率随时间延长均呈增大趋势，试验结束时，处理CK，T1，T2，T3和T4表层电导率比试验开始时对应的电导率依次增长了338%，219%，172%，161%和150%，可见随着掺沙量增加，表层土壤电导率增加幅度在降低.0～5 000 min，处理T1，T2，T3和T4表层0～1 cm土壤平均电导率比CK分别降低了16.3%，30.2%，8.1%和22.4%;5 001～14 000 min，处理T1，T2，T3和T4表层0～1 cm土壤平均电导率比CK分别增加了44.8%，4.6%，10.9%和20.9%.

2.2.2 掺沙对土壤剖面电导率的影响

图5为不同掺沙量土壤剖面电导率EC随时间的分布情况.

由图5可知，就同一处理而言，随着时间延长，表层含盐量逐渐增加，试验后期土壤剖面电导率分布均呈自表层向深层先迅速减小再缓慢增大的趋势；就不同处理而言，随着掺沙量增加，0～5 000 min，处理CK，T1，T2，T3和T4表层0～1 cm土壤含盐量比其相应的(1,5] cm土壤含盐量分别增加了91.9%，37.5%，24.8%，87.4%和67.3%；5 001～14 000 min，处理CK，T1，T2，T3和T4表层0～1 cm土壤含盐量比其相应的(1,5] cm土壤含盐量分别增加了296%，369%，281%，541%和538%.5 001～14 000 min，所有处理盐分主要积聚在0～1 cm处.处理CK，T1，T2，T3和T4表层0～1 cm土壤在0～5 000 min含盐量比5 001～14 000 min土壤含盐量分别降低了21.6%，54.7%，47.7%，35.0%和49.7%；而(1,5] cm土壤在同等时间含盐量分别增加了61.8%，54.4%，59.6%，122.1%和92.1%.

图5 不同掺沙量土壤剖面电导率分布

2.3 掺沙对土壤蒸发的影响

2.3.1 掺沙对土壤蒸发速率的影响

图6为不同掺沙量土壤蒸发速率e随时间变化情况.

由图6可知，试验期间各处理蒸发速率随时间延长总体均呈降低趋势.0～5 000 min，各处理蒸发速率相对较高，处理CK，T1，T2，T3和T4平均蒸发速率依次为1.52×10-3，2.08×10-3，1.49×10-3，2.03×10-3和1.52×10-3mm/min；5 001～18 000 min，各处理蒸发速率较蒸发前期显著降低，处理CK，T1，T2，T3和T4的平均蒸发速率分别为0.79×10-3，0.44×10-3，0.47×10-3，0.26×10-3，和0.35×10-3mm/min.可见，0～5 000 min，CK处理平均蒸发速率最低，但各处理间差异不具有统计学意义(p<0.01)；5 001～18 000 min，CK处理平均蒸发速率最高，随着掺沙量增加蒸发速率呈降低的趋势.试验期间，处理CK，T1，T2，T3和T4的平均蒸发速率分别为1.02×10-3，0.95×10-3，0.79×10-3，0.81×10-3，和0.71×10-3mm/min，平均蒸发速率随掺沙量增加呈递减趋势，处理T1，T2，T3和T4比CK分别低了6.9%，22.6%，20.6%和30.4%.

图6 不同掺沙量土壤蒸发速率时间变化

2.3.2 掺沙对土壤累积蒸发量的影响

图7为不同掺沙量土壤累计蒸发量E随时间的变化情况.

图7 不同掺沙量土壤累计蒸发量变化

由图7可知，试验结束时，处理CK，T1，T2，T3和T4的累计蒸发量分别为16.72，15.32，12.68，13.09和11.52 mm.0～5 000 min，各处理累计蒸发量迅速增长，处理CK，T1，T2，T3和T4的阶段累计蒸发量为7.69，10.38，7.43，10.16和7.60 mm；5 001～18 000 min，各处理累计蒸发量较蒸发前期显著降低，处理CK，T1，T2，T3和T4的阶段累计蒸发量为9.03，4.94，5.25，2.93和3.91mm.可见，就所有掺沙处理而言，累积蒸发量随掺沙量增加呈递减趋势，而CK处理在蒸发前期累积蒸发量较小，蒸发后期累积蒸发量最大.

3 讨 论

3.1 掺沙对土壤水分的影响

水分是土壤的重要组成部分，也是影响盐碱土土壤盐分运移的重要途径，减少土壤水分的无效蒸发是提高土壤水分利用效率的重要途经[12].以往研究指出掺沙会降低掺沙层的土壤含水率，且随掺沙量增加土壤含水率降低[8].本研究中掺沙处理表层平均土壤含水率均低于CK处理，且随掺沙量增加土壤表层质量含水率呈降低趋势，而剖面平均质量含水率也呈现相同趋势，这与以往的研究结果基本一致.原因可能是土壤掺沙后土壤孔隙度增加，保水能力降低，掺沙层的水分在重力作用下向深层运移.

3.2 掺沙对土壤盐分的影响

掺沙是改良盐碱土的重要方式之一.掺沙后土壤容重改变，大孔隙度数量增加，土壤水分传输能力提高，同时，掺沙还可抑制土壤积盐[9].本研究表明土壤掺沙在一定程度上抑制了可溶性盐向地表积聚，但T1处理盐分含量略高于CK，可能是掺沙含量相对较少，抑制盐分积聚作用较弱，且盐分积聚在表层，而表层以下盐分含量降低，在一定程度上为深层土壤提供适宜的低盐环境，有利于植被根系生长发育[13].试验期间各处理表层土壤质量含水率呈持续下降趋势，而各处理表层电导率则逐步增大，这可能是盐碱土中大量的可溶性盐分，随土壤水分的运动而发生动态变化.0～5 000 min，CK处理表层0～1 cm土壤含盐量比掺沙处理高，而5 001～14 000 min，CK处理则比掺沙处理低.原因可能是5 000 min后土壤连续毛管水发生断裂，水盐运移过程受到抑制；同时，这也表明土壤盐分运移受土壤水分和掺沙共同影响.5 001～14 000 min，各处理表层及剖面电导率变化幅度较大，可能与同一处理不同重复间变异性及试验期间各处理近地层微气候差异引起的盐分运移速率不同等因素有关[14].

3.3 掺沙对土壤蒸发的影响

土壤孔隙结构状况、土壤含水率及气象条件均影响土壤蒸发[15-16].本研究中掺沙改变了土壤孔隙结构、提高了土壤孔隙度，进而影响土壤蒸发速率，土壤初始蒸发速率随着掺沙量增加而增大，但蒸发后期则随着掺沙量增加而逐渐减小，且掺沙可提高盐碱土保水效果，随着配沙量增加，保水效果逐渐加强.原翠萍等[17]研究表明，裸露地表土壤抑蒸效果明显低于掺沙处理，裸露土壤保水效果较差.宋日权等[9]研究表明土壤掺沙会降低土壤含水率，掺沙层含水率随掺沙比例越大而下降，本研究结果与之相一致.0～5 000 min，CK处理土壤蒸发速率明显低于掺沙处理，可能是试验开始时土壤孔隙充满水分，随着土壤的掺沙量增加，土壤大孔隙随之增加，水分向上传输加快，从而提高了掺沙土壤蒸发速率；5 001～14 000 min，各处理土壤质量含水率逐渐降低，掺沙各处理大孔隙毛管力不足以平衡毛管水重力，导致连续毛管水断裂，而CK处理中土壤存在较多的细小孔隙，加之其土壤质量含水率相对较高，因此其蒸发速率较大.本研究仅考虑了掺沙层土壤蒸发特性，有关土壤掺沙对深层土壤水分及盐分运移的影响有待于深入研究.

4 结 论

掺沙处理表层0～1 cm土壤质量含水率比CK平均低了4.3%～238.3%，剖面平均土壤质量含水率比CK提高了6.0%～107.3%；表层0～1 cm土壤在0～5 000 min含盐量比5 001～14 000 min表层0～1 cm土壤含盐量降低了21.6%～54.7%；而1～5 cm土壤在相同时间含盐量分别增加了54.4%～122.1%，土壤含盐量主要积聚在表层0～1 cm处， T3处理以上掺沙量可降低土中盐分含量；土壤蒸发速率CK比掺沙处理高了7.4%～43.7%，掺沙可提高盐碱土保水效果，且随着配沙量增加保水效果逐渐加强.结果进一步验证了掺沙后土壤水变化幅度减小、深层盐分含量降低、保水效果较好等优点.结合不同时段土壤质量含水率、电导率及蒸发特征可知，掺沙的保水、控盐、抑蒸效应主要体现在蒸发后期.在盐渍土地区，是提高土壤含水率并抑制土壤表层盐分积聚的有效措施，蒸发后期掺沙的保水、控盐、抑蒸效应大于蒸发前期.

需要指出的是，本试验是在室内环境下进行的，试验装置规格相对较小，文中土壤质量含水率和电导率等数据均是通过破坏性取样获得，加之同一处理不同重复在土-沙混掺不完全一致等因素影响，导致文中个别数据出现异常，但文中所获结果、结论均符合自然界土壤蒸发规律，且与国内外相似研究基本一致.有关田间土-沙混掺对土壤蒸发特性以及水盐分布的影响有待于进一步研究.

致谢：山东农业大学2014级水利水电工程专业本科生李明扬、郎伟杰、黄紫岳、黄炳程、张晓楠、赵紫鹏等同学在试验准备、数据采集等方面做了大量工作，在此表示感谢！