董倩倩，許忠宇，范文波*，魏建濤

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000；3.石河子大學(xué)理學(xué)院，新疆 石河子 832000)

水資源短缺和土壤鹽漬化是制約新疆農(nóng)業(yè)開發(fā)和持續(xù)發(fā)展的重要因素.膜下滴灌技術(shù)較好地適應(yīng)了新疆特殊的地理和氣候條件，可有效防止土壤次生鹽漬化發(fā)生[1-2].截至2018年，新疆膜下滴灌面積已突破3.0×106hm2，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已形成完整的耕作模式.目前的耕作方式與傳統(tǒng)的深耕模式相比發(fā)生了很大改變，土壤剖面由地膜覆蓋—耕作層—犁底層形成了典型的“夾心”結(jié)構(gòu).隨著新疆農(nóng)業(yè)機(jī)械化的大規(guī)模使用，加之翻耕深度不夠，調(diào)查結(jié)果顯示，南疆翻耕深度為30～40 cm，北疆翻耕深度為30 cm，導(dǎo)致地表以下一定深度土壤在垂直方向上逐漸形成結(jié)構(gòu)致密穩(wěn)定的犁底層.犁底層受耕畜和犁的壓力及通過降水、灌溉使黏粒沉積而成，具有累積性，隨著外加壓力的重復(fù)和持續(xù)，犁底層容重在一定范圍內(nèi)顯著增加[3].犁底層是限制土壤功能發(fā)揮的“瓶頸”，引發(fā)新疆灌區(qū)土壤潛在的環(huán)境問題.近年來，耕作層變薄，犁底層逐漸上移，土壤結(jié)構(gòu)的改變必然會(huì)影響水鹽運(yùn)移規(guī)律.

關(guān)于膜下滴灌技術(shù)對(duì)土壤水鹽調(diào)控方面的研究已有很多，主要集中于灌溉技術(shù)參數(shù)方面.膜下滴灌條件下滴頭附近的含水率隨灌水量的增加而增加，灌水后滴頭下方區(qū)域的土壤鹽分最低[4].KANG等[5]研究表明灌水量較大時(shí)，灌水后0～40 cm土層深度內(nèi)的鹽分明顯下降.以往研究大都假定土壤在空間上均勻分布，未考慮犁底層(層狀土)的影響.研究表明層狀土水鹽運(yùn)移特性對(duì)以灌溉為主的西北地區(qū)極為重要，因?yàn)閷訝钔镣临|(zhì)、層位等的不同，會(huì)不同程度地影響著水分的下滲和鹽分的淋洗[6-7]，也影響著作物根區(qū)的生長(zhǎng)環(huán)境.因此文中選擇地膜覆蓋—耕作層—犁底層形成的夾心結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，探討灌水量對(duì)夾心結(jié)構(gòu)土壤水鹽時(shí)空分布的影響，及入滲和蒸發(fā)條件下夾心結(jié)構(gòu)特性.

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用土柱試驗(yàn)，規(guī)格為：22 cm×1 cm×65 cm(直徑×壁厚×高).試驗(yàn)裝置由土柱、灌水系統(tǒng)、輻射燈和水鹽采集系統(tǒng)組成.根據(jù)調(diào)研結(jié)果設(shè)置耕作層及犁底層以下土壤為砂質(zhì)壤土，犁底層為壤質(zhì)黏土，基本物理參數(shù)如表1所示，其中γ為設(shè)計(jì)容重，c為田間持水率，ω為土壤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù).將試驗(yàn)用土碾碎及風(fēng)干后，過直徑2 mm篩以去除雜質(zhì)，測(cè)得初始含水率為1.5%.耕作層厚度為30 cm，每隔5 cm進(jìn)行振搗填裝，上層與下層之間打毛，以便各層緊密接觸.犁底層緊貼耕作層下層，采用人工夯實(shí)，裝土10 cm，裝填后總高度為60 cm.設(shè)置夾心結(jié)構(gòu)下3個(gè)灌水量(2，3，5 L)即處理SW1，SW2，SW3；灌水量為5 L時(shí)，設(shè)置不覆膜有犁底層為處理LW3，不覆膜無犁底層(均質(zhì)土壤)為空白處理CK，各試驗(yàn)處理重復(fù)3次.采用噴淋方法按理論含鹽量40 g/kg對(duì)供試土壤配鹽.

表1 土層土壤設(shè)計(jì)容重及基本物理特性Tab.1 Design unit weight and basic physical properties of soil layer

試驗(yàn)分為2個(gè)部分，第一部分為灌水入滲試驗(yàn).采用輸液袋模擬滴頭進(jìn)行灌溉，試驗(yàn)滴水前，先使用秒表與50 mL量筒將滴頭流量調(diào)節(jié)至設(shè)計(jì)流量1.5 L/h，再正式開始試驗(yàn).滴頭由土柱中心膜孔滴入，灌水過程中每隔30 min標(biāo)匯出垂直濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離.經(jīng)過水分再分布24 h，即蒸發(fā)試驗(yàn)開始前使用土鉆由上至下依次采取土樣，為了不破壞犁底層的完整性，此次取土對(duì)犁底層及其以下土層不進(jìn)行取土，再以相同土壤進(jìn)行填充，盡可能減少誤差.

第二部分為蒸發(fā)試驗(yàn)，裝置如圖1所示.在試驗(yàn)期內(nèi)每日持續(xù)開燈10 h，蒸發(fā)時(shí)間為10 d.為了測(cè)定各處理土柱蒸發(fā)過程中土壤累積蒸發(fā)量，同時(shí)不破壞土體結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)于每日早上10:00(開燈)之前采用稱重法對(duì)各土柱進(jìn)行稱重計(jì)算.試驗(yàn)完成后再次進(jìn)行取土采樣.

圖1 蒸發(fā)試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Diagram of evaporation test device

1.2 測(cè)定項(xiàng)目和方法

采用Decagon公司的EM50測(cè)定儀監(jiān)測(cè)距土壤表面5，10，15，20，25，30，40，50，60 cm處的土壤含水率和含鹽量，采集數(shù)據(jù)頻率為30 min/次；在各處理表層刮取0～2 cm土壤，采用烘干法和烘干殘?jiān)y(cè)定表層土壤及不同深度土壤實(shí)際含水率和實(shí)際含鹽量，將實(shí)測(cè)值與水鹽檢測(cè)儀測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果為

θ=0.535 4W+0.041 1,(R2=0.984 2，n=45)，

(1)

S=0.013 4σ-0.001 8,(R2=0.972 5，n=45).

(2)

試驗(yàn)土壤為擾動(dòng)土，很難保證各土柱土壤水分完全一致，故采用式(3)計(jì)算其相對(duì)變化率.

η=(θi-θ0)/θ0×100%，

(3)

式中：η為各階段土層土壤含水率相對(duì)于初始含水率的相對(duì)變化率，%；θi為各階段土層土壤含水率，%；θ0為初始土壤含水率，%.

根據(jù)史文娟等[8]重新定義不同蒸發(fā)歷時(shí)下各處理夾心結(jié)構(gòu)下水鹽運(yùn)移有效蒸發(fā)抑制率，計(jì)算公式為

R=(B0-Bi)/B0，

(4)

式中：R為水鹽抑制率，%；B0為均質(zhì)土蒸發(fā)量或土壤表層返鹽量，mm；Bi為各夾心結(jié)構(gòu)處理蒸發(fā)量或土壤表層返鹽量，mm.

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS26.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Origin 9.0和AutoCAD進(jìn)行作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 入滲條件下夾心結(jié)構(gòu)土壤水分運(yùn)移特征

2.1.1 夾心結(jié)構(gòu)對(duì)土壤含水率的影響

夾心結(jié)構(gòu)影響土壤水分分布，入滲結(jié)束后不同處理下剖面土壤水分分布如圖2所示，其中h為土層深度，θ為土壤含水率；θr為土壤水分相對(duì)變化率.由圖可知，在夾心結(jié)構(gòu)中，SW1處理30 cm土層以下土壤水分相對(duì)變化率基本為0，說明當(dāng)灌水量不足以到達(dá)犁底層上界面時(shí)，耕作層土壤水分入滲未受影響.灌水量越大，耕作層土壤含水率越大，即從大到小表現(xiàn)為SW3，SW2，SW1，土壤含水率變化拐點(diǎn)深度隨著灌水量的增加而向下移動(dòng).因誤差值小，故圖中所示誤差棒是實(shí)際誤差的5倍.

圖2 入滲試驗(yàn)結(jié)束后不同處理土壤剖面水分分布特征Fig.2 Water distribution characteristics of soil profile with different treatments after infiltration test

SW3和 LW3處理土壤含水率和水分相對(duì)變化率變化趨勢(shì)基本一致，水分峰值均在犁底層處.SW3和 LW3處理耕作層土壤含水率比處理CK提高了22.52%～29.33%，處理CK水分相對(duì)變化率在50 cm附近突增，是因?yàn)槿霛B試驗(yàn)結(jié)束后水分進(jìn)行再分布使?jié)駶?rùn)鋒向更深處運(yùn)移，導(dǎo)致50 cm附近土壤含水率增加.犁底層使耕作層土壤含水率增大，蓄水能力增強(qiáng).

采用單因素方差法進(jìn)一步對(duì)夾心結(jié)構(gòu)下不同灌水量或相同灌水量不同土體構(gòu)型下土壤含水率進(jìn)行差異性分析，結(jié)果如表2所示.為了驗(yàn)證夾心結(jié)構(gòu)對(duì)入滲過程的作用，從單一耕作層(0～30 cm)和整個(gè)土柱(0～60 cm)2個(gè)部分進(jìn)行對(duì)比.不同灌水量下0～30 cm土層土壤含水率顯著高于0～60 cm土層.處理SW1和SW2的0～60 cm土層土壤含水率在0.05顯著水平下差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，處理SW1，SW2和SW3 0～30 cm土層土壤含水率差異在0.01顯著水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.說明灌水量較小時(shí)，犁底層對(duì)水分入滲的阻礙作用不大，隨著灌水量的增加，耕作層土壤含水率顯著增加.處理SW3，LW3和CK在 0～30 cm土層土壤含水率差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，處理SW3和LW3在 0～60 cm土層差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，兩者均與處理CK差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，說明入滲過程中覆膜對(duì)水分運(yùn)移不產(chǎn)生影響，犁底層對(duì)水分向土壤深度入滲有顯著阻礙作用.

表2 不同灌水量或不同土體構(gòu)型下土壤含水率差異性分析Tab.2 Analysis on the difference of soil moisture content under different irrigation amounts or soil configurations

2.1.2 夾心結(jié)構(gòu)對(duì)垂直濕潤(rùn)鋒的影響

圖3a為不同處理累計(jì)入滲量隨時(shí)間變化曲線，其中F為累計(jì)入滲量，t為灌水時(shí)間.由圖可知，處理SW3和LW3水分入滲時(shí)間高于處理CK.處理SW3灌水150 min后濕潤(rùn)鋒到達(dá)犁底層上界面，此后30 min內(nèi)累計(jì)入滲量先減小后保持穩(wěn)定.當(dāng)水分由均質(zhì)土向?qū)訝钔吝^渡時(shí)，犁底層的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致單位水勢(shì)下進(jìn)入層狀土的水分通量變小，濕潤(rùn)鋒向下推進(jìn)速度減緩.當(dāng)濕潤(rùn)鋒緩慢穿過犁底層上界面后，累計(jì)入滲量隨灌水時(shí)間變化呈線性關(guān)系，入滲率小于在耕作層的入滲率.說明水分入滲速率減緩，入滲時(shí)間延長(zhǎng)，增加了水分在耕作層的停留時(shí)間，優(yōu)化了耕作層土壤水分分布.

圖3b為土壤濕潤(rùn)鋒位置，其中hf為垂直濕潤(rùn)鋒的深度，hs為土壤含鹽量峰值深度.由圖3b可知，各處理濕潤(rùn)鋒位置從大到小表現(xiàn)為CK，SW3，LW3，SW2，SW1.一方面灌水量越大，濕潤(rùn)鋒位置越向下運(yùn)移；另一方面犁底層保水能力強(qiáng)于耕作層，一部分水分被儲(chǔ)存在犁底層內(nèi)，且犁底層阻礙土壤濕潤(rùn)鋒向深處推進(jìn)，上部土壤水分增加，下部土壤水分減少.

圖3 不同處理累計(jì)入滲量隨時(shí)間的變化及土壤濕潤(rùn)鋒位置Fig.3 Change of cumulative infiltration with time and location of soil wetting front in different treatments

2.2 入滲條件下夾心結(jié)構(gòu)對(duì)鹽分運(yùn)移的影響

土體構(gòu)型對(duì)鹽分運(yùn)移影響表現(xiàn)為鹽分在不同土壤結(jié)構(gòu)中的滲透能力及被淋洗能力.圖3b所示灌水量越大，濕潤(rùn)鋒向土壤更深層運(yùn)移，鹽分被淋洗到更深層土壤中，并積累在略小于濕潤(rùn)鋒的位置，抑鹽效果越好.處理SW3和LW3由于犁底層的阻隔作用，土壤含鹽量峰值深度保持在犁底層附近，犁底層鹽分升高了30.83%～139.65%，表現(xiàn)為積鹽.

圖4為夾心結(jié)構(gòu)和均質(zhì)土壤鹽分時(shí)空分布等值線圖,圖中S為含鹽率.由圖可以看出，處理SW3犁底層是土柱積鹽區(qū)和脫鹽區(qū)的分界線，隨著灌水量持續(xù)輸入，表層土壤持續(xù)脫鹽，0～15 cm土層平均含鹽量減少近一半.犁底層滲透性差，當(dāng)水分從大孔隙的耕作層運(yùn)移到小孔隙的犁底層，入滲速率降低，淋洗鹽分能力變?nèi)?，鹽分不易被淋洗穿過犁底層.與處理CK相比，處理SW3犁底層以下土壤含鹽量變化小，沒有明顯的積鹽區(qū).處理CK土壤鹽分隨灌水時(shí)間增加逐漸向土壤深層運(yùn)移，最終被淋洗至土柱底部.

圖4 夾心結(jié)構(gòu)和均質(zhì)土壤鹽分時(shí)空分布等值線圖Fig.4 Isoline map of spatial and temporal distribution of soil salt in sandwich structure and homogeneous soil

2.3 蒸發(fā)過程夾心結(jié)構(gòu)土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律

水分累計(jì)蒸發(fā)量和土壤剖面含水率變化是衡量土壤水分蒸發(fā)的重要指標(biāo)[9-10].圖5 為蒸發(fā)過程各處理剖面水分變化，圖中E為累計(jì)蒸發(fā)量，t1為蒸發(fā)歷時(shí).從圖中可以看出，隨著蒸發(fā)歷時(shí)的延長(zhǎng)，夾心結(jié)構(gòu)處理與其他處理累計(jì)蒸發(fā)量差值逐漸增大后趨于穩(wěn)定.處理CK的累計(jì)蒸發(fā)量為108 mm，處理SW3和LW3與CK相比分別降低了550.60%和36.71%，處理SW3耕作層土壤含水率較不覆膜處理提高了10.68%～231.06%，不覆膜時(shí)表層土壤水分蒸發(fā)大，在土壤表面形成干土層，上下層土壤水勢(shì)梯度的絕對(duì)值變大，即夾心結(jié)構(gòu)下土壤水分蒸發(fā)被抑制.處理SW1，SW2和SW3累計(jì)蒸發(fā)量不為0，處理SW3累計(jì)蒸發(fā)量相較于處理SW1和SW2分別增加15.38%和12.24%，但整體變化趨勢(shì)一致.可能是灌水時(shí)覆膜表面開了小孔，一小部分土壤水分蒸發(fā)以氣態(tài)形式向外逃逸，導(dǎo)致全覆膜條件下累計(jì)蒸發(fā)量隨蒸發(fā)歷時(shí)呈線性緩慢增加.對(duì)蒸發(fā)后各土層土壤含水率進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)過程中夾心結(jié)構(gòu)土壤含水率變化呈倒“S”型，處理LW3和CK土壤含水率變化呈倒“U”型.

圖5 蒸發(fā)過程各處理剖面水分變化Fig.5 Water change of each treatment section in evaporation process

為了詳細(xì)對(duì)比蒸發(fā)過程中各處理對(duì)土壤水鹽抑制的強(qiáng)弱，探尋蒸發(fā)過程中夾心結(jié)構(gòu)對(duì)水鹽抑制情況.采用式(4)計(jì)算各處理表層土壤水鹽抑制率隨蒸發(fā)歷時(shí)的變化情況.

表3為不同處理表層水鹽抑制率隨蒸發(fā)歷時(shí)的變化情況,表中R為水鹽抑制率.由表中可知，夾心結(jié)構(gòu)下水鹽抑制率均隨灌水量的增加而增加，其中處理SW3表層鹽分抑制率最高達(dá)88.65%，水分抑制率達(dá)57.65%.將夾心結(jié)構(gòu)下3個(gè)灌水處理的水分抑制率與鹽分抑制率進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)處理SW1和SW2的水鹽抑制率隨著蒸發(fā)歷時(shí)的延長(zhǎng)而減小，減小幅度在10.00%以內(nèi).處理SW3水分抑制率高于鹽分抑制率1.5倍左右，水分抑制率隨蒸發(fā)歷時(shí)的延長(zhǎng)而減小，鹽分抑制率相反.說明蒸發(fā)過程中夾心結(jié)構(gòu)土壤水鹽運(yùn)移并不完全同步，與灌水量相關(guān).相同灌水量下不覆膜有犁底層處理LW3水鹽抑制率僅為夾心結(jié)構(gòu)處理SW3的15.24%～43.66%，不覆膜時(shí)耕作層土壤水分蒸發(fā)大，水勢(shì)梯度的絕對(duì)值增大，水分向上運(yùn)動(dòng)速度增加，導(dǎo)致攜帶鹽分的能力較覆膜條件有所升高.蒸發(fā)試驗(yàn)后觀測(cè)到處理LW3雖與CK的土壤表層上都形成了鹽結(jié)殼，但處理LW3的表層含鹽量小于CK的，可見犁底層對(duì)鹽分表聚起到一定的抑制作用.說明夾心結(jié)構(gòu)處理抑鹽效果和抑蒸效果優(yōu)于其他處理.

表3 不同處理表層水鹽抑制率隨蒸發(fā)歷時(shí)的變化情況Tab.3 Change of salt inhibition rate with evaporation time in surface water of different treatments

3 討 論

耕作方式改變土壤結(jié)構(gòu)，從而使土壤水分時(shí)空分布狀況存在差異.長(zhǎng)期過度耕作導(dǎo)致土壤出現(xiàn)壓實(shí)現(xiàn)象，犁底層逐漸形成.由于犁底層的阻隔作用，地膜覆蓋后土壤剖面由地膜覆蓋—耕作層—犁底層形成了典型的夾心結(jié)構(gòu).翟振[11]通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)犁底層造成有效耕作層變薄，水分無效損耗增大.文中發(fā)現(xiàn)犁底層改變了水分入滲特性，減緩了濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率.當(dāng)灌水量不足以到達(dá)犁底層時(shí)，耕作層土壤水分分布不受影響.已有學(xué)者將地膜與秸稈隔層結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)“上膜下秸”技術(shù)可抑制潛水蒸發(fā)和土壤返鹽，將鹽分控制在底土層，還會(huì)出現(xiàn)優(yōu)先流[12].仲昭易等[13]發(fā)現(xiàn)覆膜可使淺層土壤含水率提高11.74%～59.91%，秸桿隔層整體抑蒸效果和控鹽效果優(yōu)于土表覆膜.本研究入滲階段，犁底層切斷了耕作層的連續(xù)性，當(dāng)水分從大孔隙較多的耕作層進(jìn)入小孔隙較多的犁底層時(shí)，水分入滲在犁底層上界面發(fā)生突變，水分入滲速率減緩，入滲時(shí)間延長(zhǎng)，耕作層土壤含水率提高了22.52%～29.33%.濕潤(rùn)鋒向下推進(jìn)速度減緩，位置擱淺.蒸發(fā)階段，在地膜覆蓋和犁底層的雙層作用下表層鹽分抑制率最高達(dá)88.65%，水分抑制率達(dá)57.65%，夾心結(jié)構(gòu)抑蒸和減少鹽分表聚效果明顯優(yōu)于其他處理.

4 結(jié) 論

基于滴灌條件下，研究層位為30 cm，厚度為10 cm的犁底層與耕作層和地膜覆蓋形成的夾心結(jié)構(gòu)對(duì)土壤水鹽運(yùn)移及分布的影響，結(jié)果表明：

1) 入滲淋洗階段，夾心結(jié)構(gòu)中耕作層土壤含水率提高了22.52%～29.33%，垂直濕潤(rùn)鋒到達(dá)犁底層上界面時(shí)運(yùn)移速度減緩，并在一定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，水分再分布后運(yùn)移至犁底層下界面附近.同時(shí)犁底層鹽分升高了30.83%～139.65%，犁底層以下土壤含鹽量變化小，沒有明顯的積鹽區(qū).夾心結(jié)構(gòu)處理對(duì)鹽分的淋洗效果劣于對(duì)照處理.

2) 蒸發(fā)階段，各處理在不同程度上抑制土壤鹽分表聚，夾心結(jié)構(gòu)抑鹽和抑蒸效果最好，鹽分抑制率最高達(dá)88.65%，水分抑制率達(dá)57.65%.整體而言，夾心結(jié)構(gòu)中地膜覆蓋從上部阻隔水分蒸發(fā)和鹽分上移，犁底層自下而上減輕鹽分表聚，提高耕作層蓄水能力.夾心結(jié)構(gòu)中土壤水鹽運(yùn)移并不完全同步，與灌水量相關(guān).

3) 將單一耕作層和整體土柱采用單因素方差法進(jìn)行土壤含水率差異性分析，發(fā)現(xiàn)灌水量較小時(shí)，犁底層對(duì)水分入滲的阻礙作用不大，隨著灌水量的增加，耕作層土壤含水率差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.01).