秸秆隔层对沿海垦区盐渍土淋洗过程影响的模拟

陆培榕, 邢玮麟, 罗 纨, 贺园春, 杨玉杰, 吴 慧, 赵文宇

(扬州大学水利科学与工程学院, 江苏 扬州 225009)

持续淤涨的沿海滩涂作为一类可持续利用的土地资源, 可缓解我国耕地资源不足的问题[1]．然而, 以粉砂淤泥质海岸为主的江苏盐碱滩涂[2], 土壤结构性差、保水能力弱,伴随季节性强蒸发, 易出现含盐潜水上溯现象, 使得近地表耕作层盐分含量过高, 作物根系受盐分胁迫导致吸水能力衰弱, 造成区域性产量降低, 严重制约了滩涂垦区的农业发展[3]．因此, 抑制含盐地下水上溯, 提升耕作层单淡水的蓄留能力, 是江苏沿海滩涂垦区盐渍土改良的基本方向．

秸秆还田是农业耕作中普遍应用的田间措施, 在土壤水盐调控方面能够发挥积极作用．通过覆盖或埋设的方式在土壤剖面形成大孔隙度的秸秆隔层, 可提升土壤剖面蓄水量, 限制潜水蒸发造成的溶质上移．覆盖秸秆层可延缓灌水在地表的横向扩散, 减少地表径流, 促进灌水下渗, 提升单位灌水量的淋洗收益[4], 同时能够限制表层土壤与外部空气的接触, 降低蒸发过程中土壤水分的耗散, 防止盐分表聚[5]．埋设秸秆或土壤-秸秆混合层是在土壤剖面内形成高透水度的水平分隔带, 有利于淋洗过程中土壤饱和状态下重力势主导的水分下渗, 并破坏土壤毛细管的连续性, 阻隔含盐潜水上溯, 保障淋洗后的脱盐效果[6-7]．张万锋等[8]在盐渍农田地表下35 cm土层处布设厚度为5 cm的秸秆层, 灌水后耕作层土壤持水量提升约16%, 脱盐率提升约7%, 可为作物根系提供高水低盐的生长环境; Zhang等[9]提出使用土壤-秸秆混合隔层时, 应注意秸秆的掺加量, 过高的秸秆占比将增加淋洗时溶质在隔层中的滞留量, 导致蒸发阶段形成返盐．此外, 在还田过程中逐渐腐熟的秸秆将提升土壤内有机质含量, 加强土壤矿物的絮凝作用, 促进土壤团聚体的成型, 进而改善土壤结构[10]．综上, 合理运用秸秆隔层能够有效调控土壤水盐分布, 并逐步改善土壤性质, 对于土壤结构性差、盐渍化风险高的沿海垦区具有重要的适用价值．然而, 受试验成本及场地因素的限制, 现有研究多集中于秸秆隔层在单层布设形式下的试验分析, 侧重于探讨土壤盐分在灌水淋洗前后的阶段性效果对比, 对于淋洗过程中土壤水盐运移的细节特征描述有待进一步量化．基于此, 本文拟开展灌水淋洗的土柱试验, 研究纯秸秆隔层以及土壤-秸秆混合隔层对沿海垦区盐渍土淋洗过程的影响, 动态模拟多类隔层布设形式下土壤水盐在淋洗过程中的运移过程, 评价各设计情景下的土壤脱盐效果, 以期为秸秆还田措施在滩涂盐渍土改良方面的应用提供理论依据及技术参考．

1 材料与方法

1.1 试验设计与观测

供试土样取自江苏省东台市条子泥垦区(120°57′E,32°45′N), 该区属亚热带季风海洋性气候, 年平均气温15.2 ℃, 年均降水量1 061.2 mm．取土位置距离海岸线约3 km, 取土深度为地表以下0～2 m．使用Microtrac S3000激光粒度分析仪(麦奇克有限公司, 美国)测定土样颗粒粒径体积百分含量, 测得砂粒(粒径2～0.05 mm)占51.25%, 粉粒(粒径0.05～0.002 mm)占45.43%, 黏粒(粒径小于0.002 mm)占3.31%．按美国农业部(United States department of agriculture, USDA)土壤粒径分级标准, 研究区属砂质壤土．

试验土柱由透明有机玻璃筒制成, 高80 cm, 内径20 cm, 壁厚0.5 cm．土柱上方连接马氏瓶进行定水头灌水, 土柱下方布设5 cm厚砾石反滤层并安装可启闭的排水出口．填土过程中为防止土壤颗粒下渗, 先在砾石反滤层上方铺设0.5 cm厚的透水无纺布, 再将风干后土样(质量含水率12%)过2 mm孔径土筛, 按容重为1.3 g·cm-3进行填充, 柱内土壤填充高度为60 cm, 填充过程中每隔10 cm对土壤进行压实, 并表面刷毛以保证各压实土层之间的充分接触．

试验选用纯秸秆和土壤-秸秆混合两类隔层材料．其中纯秸秆为碎化长度为3～5 cm的晒干水稻秸秆; 土壤-秸秆混合为晒干水稻秸秆碎化至2 cm以内后与试验土壤的混合, 参照已有研究中保水效果显著的秸秆掺加量[11], 将秸秆量占干土质量的比率设为3.2%．

另外, 采用埋设和覆盖两种隔层布设方式．其中, 埋设是在土壤表层以下16 cm处布设一层厚度为4 cm的隔层; 覆盖是在土壤表层均匀铺设一层厚度为4 cm的隔层, 并在上方加盖一层0.2 mm厚的钢丝网, 以防止灌水过程中秸秆漂浮．

土柱试验设计纯秸秆隔层埋设、纯秸秆隔层覆盖、土壤-秸秆混合隔层埋设和土壤-秸秆混合隔层覆盖4种处理方式, 每种处理设计3次重复试验．试验装置及隔层布设方式如图1所示．

试验前使用0.5 mol·L-1的NaCl溶液从装置底部排水口进行自下而上的反向供水, 直至土柱表面出现积水层, 静置72 h后, 打开底部出水口放水, 待底部彻底无排水后, 再重复上述过程2次, 以确保土柱内水盐分布的一致性．在淋洗试验中, 利用淡水(电导率为0.36 dS·m-1) 自上而下对布设隔层的土柱进行淋洗, 淋洗时利用供水马氏瓶维持土柱表层上方10 cm的入渗水头．淋洗过程中始终打开土柱装置下方的排水出口,自出现排水后, 每隔2.5 h记录排水量并检测排水含盐量, 直至底部排水含盐量趋于稳定(各处理均在排水50～60 h时趋于稳定)．排水含盐量使用DDBJ-350便携式电导率仪(上海仪电科学仪器公司, 上海)监测各时段排出溶液的电导率, 并根据不同配比NaCl溶液的质量浓度与电导率拟合公式ρ=0.82×γ+0.17计算出对应排水的含盐量, 其中ρ为溶液中可溶性盐的质量浓度, g·L-1;γ为溶液电导率, dS·m-1．

1.2 数值模拟

1.2.1 控制方程

采用HYDRUS-2D模型模拟隔层影响下的土壤水盐动态变化过程, 通过构建二维有限元模拟域, 并设置多类边界条件, 动态模拟变饱和状态下多孔介质内水盐运移及分布形式．以均质且各向同性的土壤作为基本假设, 土壤剖面的水分运动采用二维Richards方程[12]表示为

(1)

其中θ为土壤体积含水率, cm3·cm-3;h为压力水头, cm;t为时间, h;K(h)为当土壤内的压力水头为h时的土壤导水率, cm·h-1;S(h)为根系吸水项, h-1, 本研究未涉及作物栽培, 故该项忽略．

采用van Genuchten-Mualem模型对土壤的水力学性质进行描述:

(2)

(3)

(4)

(5)

其中θs为土壤饱和含水率,cm3·cm-3;θr为土壤残余含水率,cm3·cm-3;α为进气吸力的倒数, cm-1;Ks为土壤饱和导水率, cm·h-1;Se为相对饱和度;l为孔隙连通性参数, 一般取0.5[13];m和n为土壤水分特征曲线形状系数．

不考虑溶质的化学反应, 采用对流弥散方程来描述溶质在土壤中的运移过程:

(6)

其中C为土壤溶液浓度, mol·L-1;qx和qz分别为横向和纵向的通量, cm·h-1;Dx和Dz分别为横向和纵向弥散系数, cm．

1.2.2 模型构建

HYDRUS模型构建主要包括几何模拟域的搭建, 边界条件的选择以及初始条件的确定．以土柱试验装置为基础, 分别为隔层埋设和隔层覆盖处理方式建立土壤垂向剖面的二维矩形模拟域, 如图2所示．模拟域宽度为20 cm, 高度为64 cm(60 cm土壤+4 cm隔层), 由大约5 000个三角形单元组成, 其中隔层与土壤的接触区域单元分布密度较大．模拟域上方设置为定水头边界, 用于模拟淋洗过程中恒定的10 cm入渗水头; 模拟域左右两侧对应土柱的有机玻璃边壁, 设置为零通量边界; 模拟域底边设置为自由出水边界, 用来模拟底部水分与溶质的瞬时及累计排出量．土壤初始含水率设定为0.375 cm3·cm-3, 土壤溶液初始含盐量实测为29.25 g·L-1．此外, 根据测定土样中黏粒、粉粒和砂粒的占比, 利用HYDRUS软件内嵌的Rosetta模块估算土壤水分参数．纯秸秆对应的水分特征参数初始值是根据HYDRUS模型在秸秆还田方面的已有研究而拟定的[14]; 土壤-秸秆混合物则视为透水性较高的一类土壤, 选用HYDRUS模型中砂土对应的水分特征参数作为初始值．模型中与溶质运移相关的Dx和Dz取决于模拟域对应的空间尺寸[15], 参照Cote等[16]使用HYDRUS-2D模型在小尺度(50 cm×100 cm)土壤剖面的模拟研究方式, 将Dz初始值设定为剖面深度的十分之一, 并按照公式Dx=Dz/10设定Dx的初始值．参照土柱试验底部排水含盐量趋于稳定的时间, 统一设定模型运行时长为60 h．

图2 二维模拟域Fig.2 Two-dimensional simulation domain

1.2.3 模型率定与验证

基于水分特征参数及溶质运移参数的初始值进行多轮调参, 结合误差分析指标对模型进行率定和验证,确定模型运行参数．需要注意的是, 试验使用的是圆柱体土柱,而数值模拟采用的是二维矩形模拟域,因此率定和验证过程中须将模拟所得的底边累计排水排盐量进行相应的体积单位转换．

1.2.4 情景设计

以土柱试验为基础, 利用率定和验证后的水分及溶质参数, 动态模拟多类隔层布设形式下土壤淋洗过程中的水盐运移情况．选用纯秸秆和土壤-秸秆混合两类隔层材料分别设计7种隔层布设方式, 共计14种模拟布设情景, 具体如表1和图3所示, 其中浅埋和深埋分别是在土壤表层以下16和36 cm处布设隔层．为便于对比脱盐效果, 所有隔层的初始含盐量均设为零．每类情景进行两轮淡水淋洗, 每轮淋洗持续24 h, 时间间隔为48 h．同时, 在距每组处理的模拟域上边界15, 30, 45 cm处分别设置3个观测点,用于记录淋洗过程中土壤剖面的水分及盐分变化．

表1 情景模拟设计

图3 隔层的布设形式(cm)Fig.3 The arrangement of compartments

2 结果与讨论

2.1 模型率定与验证

通过对比覆盖形式下土体底部累计排水量及排盐量的实测值和模拟值, 率定供试土壤与两类隔层的水分及溶质参数．图4为纯秸秆与土壤-秸秆混合覆盖形式下土体底部累计排水量及排盐量的实测值和模拟值的对比结果．由图4(a)和(b)可知, 纯秸秆处理与土壤-秸秆混合处理的入渗水头与入渗历时一致, 二者模拟所得累计排水总量均为76.15 L, 累计排水量模拟值均呈线性增长; 纯秸秆处理和土壤-秸秆混合处理的实测累计排水总量分别为81.10和83.09 L, 累计排水量实测值同样呈线性增长, 实测值略高于模拟值．由图4(c)和(d)可知, 两类隔层处理的累计排盐量均呈先增大后逐渐趋于稳定的变化过程, 10～30 h时段内模拟值均高于实测值, 30 h后差异逐渐减小; 土壤-秸秆混合处理的累计排盐总量高于纯秸秆处理的结果, 这是由于土壤含有一定量的盐分, 而大孔隙的纯秸秆不具备蓄滞盐分的能力．此外, 两类隔层材料覆盖形式下的误差统计指标均在精度合理范围内, 其中累计排盐量的模拟精度低于累计排水量的模拟精度．

图4 覆盖形式下累计排水量及累计排盐量实测值和模拟值对比Fig.4 Comparison of measured and simulated values of cumulative water and salt discharge amount under mulching condition

表2给出了水分及溶质参数的率定结果．根据表2结果模拟埋设形式下纯秸秆隔层与土壤-秸秆混合隔层的累计排水量及累计排盐量, 通过对比模拟值和实测值进行参数验证, 结果如图5所示．由图5可知, 验证过程中两类隔层累计排水量的模拟值与实测值随入渗历时呈线性增长, 实测值仍高于模拟值; 纯秸秆处理的累计排盐量实测值在部分时段低于模拟值, 而土壤-秸秆混合处理的累计排盐量实测值均低于模拟值, 但两类处理总体变化趋势一致．此外, 相比于率定阶段, 验证阶段的RMSEn增大, NSE减小, 但均满足精度要求(RMSEn均小于0.3, NSE均大于0.8)．因此, 模型采用的水分及溶质参数满足实际运用的要求．

表2 水力特性参数及溶质运移参数

图5 埋设形式下累计排水量及累计排盐量实测值和模拟值对比Fig.5 Comparison of measured and simulated values of cumulative water and salt discharge amount under burying condition

综上得出, 模型率定与验证过程中模拟所得的累计排水量均低于实测值, 这可能是由于数值模型中默认模拟域内的介质为均质且各向同性, 而试验中供试土样与装置的有机玻璃边壁在填充过程中难以充分贴合,灌水过程中易在边壁处形成优先流,导致水分下渗速率增大, 造成试验观测的累计排水量偏高, 同时降低了灌水对装置内土体溶质的淋洗, 使得模拟所得的累计排盐量在部分时段高于实测值; 累计排盐量的模拟精度低于累计排水量, 原因可能是HYDRUS模型为基于Richards方程的解而建立的溶质对流弥散方程, 土壤水分运移的模拟误差将传递至溶质运移的模拟结果中[19], 导致累计排盐量的模拟误差进一步扩大．此外, 本文率定的土壤及秸秆隔层的水分与溶质参数均基于土柱试验的小尺度空间, 在大田环境下的适用性有待进一步验证．

2.2 情景模拟结果分析

2.2.1 土层水分变化

图6为不同隔层布设形式下两轮灌水过程中土壤剖面含水率的变化过程．由图6可知, 灌水阶段(0～24 h, 72～96 h)不同模拟情景下土壤含水率均趋于一致, 但纯秸秆埋设处理对灌水过程中土壤含水率的变化产生扰动, 除T1处理外, 其他情景下第一轮灌水前期(0～10 h)在45 cm观测深度处水分变化均存在明显波动; 非灌水阶段(24～72 h)不同隔层布设情景下土壤含水率下降趋势不同, 相比于无隔层埋设处理T1和G1, 浅埋隔层能够提升非灌水阶段15 cm深度处的土壤含水量, 深埋隔层可同时提升15和30 cm深度处的土壤含水率, 纯秸秆隔层T1～T7非灌水阶段15和30 cm深度处的平均土壤含水率比土壤-秸秆混合隔层G1～G7分别高3.01%和1.83%. 此外, 浅埋+深埋布设形式有助于维持土壤含水率, 且覆盖处理的保水效果略优于无覆盖处理, 无覆盖条件下, 浅埋+深埋布设形式下T6和G6的15 cm深处土壤含水率比单层浅埋处理T2和G2分别高1.01%和0.93%, 比单层深埋处理T3和G3分别高4.43%和4.78%; 覆盖条件下, T7和G7比单层浅埋T4和G4分别高0.57%和0.20%, 比单层深埋T5和G5分别高3.29%和4.44%．

图6 不同隔层布设形式下不同深度土壤含水率的变化Fig.6 Variation of soil moisture content at different depth under different interlayer arrangement

2.2.2 土层盐分变化

图7为不同隔层布设形式下两轮灌水过程中土壤剖面含盐量的变化过程．由图7可知, 各类模拟情景下土壤盐分质量浓度的总体变化趋势基本一致, 均表现为第一轮淋洗过程(0～24 h)迅速降低, 非灌水阶段缓慢减小, 第二轮淋洗过程(72～96 h)再次下降并趋于0 g·L-1．由图7(a)可知, 当观测深度为15 cm时, 各情景下第一轮灌水后土壤盐分质量浓度下降93.1%～95.8%, 且灌水与非灌水阶段基本一致．由图7(b)可知, 当观测深度为30 cm时, 各情景下第一轮灌水后土壤盐分质量浓度降低82.1%～91.4%, 其中浅埋隔层处理在第一轮灌水前期的土壤盐分质量浓度下降幅度大于其他处理．由图7(c)可知, 当观测深度为45 cm时, 各情景下第一轮灌水后土壤盐分质量浓度降低65.6%～79.1%, 其中深埋隔层处理在第一轮灌水前期土壤盐分质量浓度出现明显波动, 15 h后重新趋于一致; 非灌水淋洗阶段深埋隔层处理比其他处理的土壤盐分质量浓度高16.7%, 其中三层布设形式下土壤盐分质量浓度最高．

图7 不同隔层布设形式下不同深度土壤盐分质量浓度的变化Fig.7 Variation of soil solute concentration at different depth under different interlayer arrangement

综合对比各情景下土壤水分和盐分的变化特征,15 cm深度处覆盖与无覆盖处理的土壤含水率及含盐量变化曲线几乎重叠, 说明纯秸秆或土壤-秸秆混合覆盖未能促进土壤盐分的淋洗, 这主要是因为水分下渗速率取决于剖面内导水能力较弱的土层[20], 而纯秸秆或土壤-秸秆混合隔层的透水能力均高于土壤, 灌水下渗速率仍取决于土壤的导水性能; 非灌水阶段30和45 cm深度处纯秸秆或土壤-秸秆混合的三层布设形式下土壤盐分质量浓度均高于其他处理, 这是由于布设秸秆隔层可切断土壤剖面孔隙的连续性,使淋洗过程中土壤水势在土壤与隔层交界面产生突变[21]．

2.2.3 累计排盐量

图8为不同隔层布设形式下累计排盐量在两轮淋洗过程中的变化．由图8可知, 累计排盐量的增长主要集中在第一轮灌水淋洗过程, 各情景下两轮淋洗后的累计排盐量基本趋于一致; 纯秸秆的各种布设形式在第一轮灌水过程中平均排盐速率(累计排盐量与灌水历时的比值)由大到小依次为T1(9.17 g·h-1), T2(8.55 g·h-1), T3(8.05 g·h-1), T4(7.99 g·h-1), T5(7.51 g·h-1), T7(7.32 g·h-1), T6(7.26 g·h-1), 单层布设形式在第一轮淋洗过程中的平均排盐速率比双层和三层布设形式分别高11.76%和17.41%; 土壤-秸秆混合的各种布设形式下的累积排盐变化与纯秸秆类似, 但平均排盐速率差异减小, 第一轮灌水阶段平均排盐速率最高的G1(8.44 g·h-1)仅比最低的G7(7.87 g·h-1)高7.31%; 纯秸秆单层布设形式经过两轮淋洗后的平均排盐总量比双层和三层布设形式分别高0.74%和0.29%, 土壤-秸秆混合单层布设形式比双层和三层布设形式分别低0.22%和0.31%, 说明隔层布设形式对排盐总量的影响较小．

图8 不同隔层布设形式下累计排盐量的变化Fig.8 Variation of cumulative salt discharge amount under different interlayer arrangement

综上得出, 随秸秆布设层数的增加, 灌水淋洗过程中土柱底部排盐速率降低, 这主要是由于秸秆在土壤剖面形成了大孔隙低毛管力区域, 入渗水在大孔隙隔层与细孔隙土壤交界处受进水吸力差异的影响使下移速率放缓[22], 土柱条件下水分及溶质受装置边界的影响主要呈垂向运移, 导致溶质运移速率下降, 而大田环境下蓄存于大孔隙秸秆隔层的水分存在水平运移, 使得溶质横向扩散[9], 此情形下排盐效果与隔层布设层数的关系有待进一步研究; 增加纯秸秆隔层数量比增加土壤-秸秆混合隔层数量对排盐速率的限制程度更大, 主要原因是土壤-秸秆混合隔层内的土壤能够与上下方土层建立较强的水力联通[23], 降低了隔层对水分入渗的阻滞效果．

3 结论

本文采用HYDRUS-2D模型动态模拟多类隔层布设形式下土壤水盐在淋洗过程中的运移规律。研究表明,纯秸秆隔层较土壤-秸秆混合隔层可提升约2.42%的土壤剖面含水率,但提升程度随隔层埋深的增加而减弱;增加隔层布设层数可提升灌水时土壤剖面的持水能力,降低灌水过程中盐分淋洗速率,但对淋洗结束后土壤剖面底部累计排盐总量的影响较小. 研究结果可为秸秆隔层措施在沿海滩涂盐渍土改良方面的应用提供理论依据及技术参考.