王立成，朱 珠，孔芊芊，朱連勇

（塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

0 引 言

新疆地處亞歐腹地干旱區(qū)，長期以來降水少蒸發(fā)強，水資源短缺和鹽堿脅迫已經成為威脅農田土壤適耕性的重要障礙因子，迫切需要改善土壤耕層生境以提升農業(yè)生產力［1］。近些年，通過秸稈隔層調控土壤水鹽成為研究熱點。張金珠等［2］發(fā)現秸稈越長，對土壤水分的蓄持作用以及剖面鹽分的淋洗效果越好。但盧闖［3］認為秸稈長度越短、形態(tài)越細，隔層以上土壤含水率越高，淋洗過程中鹽分的去除度更高。虎膽·吐馬爾白等［4］通過綜合試驗資料和數值模擬得出隔層埋設處產生了鹽分積聚現象。常芳弟等［5］在為期4年的大田試驗中發(fā)現秸稈隔層能夠降低隔層以上土層含鹽量，但會提高隔層以下土層含鹽量。SONG 等［6］研究還表明，秸稈覆蓋和秸稈深埋相結合保水抑鹽效果更佳。也有部分學者結合區(qū)域資源稟賦與當地土壤水文特性進行了壓沙或夾沙層的研究。趙文舉等［7］研究了不同壓沙層厚與粒級對土壤水鹽運移特性的影響，結果表明抑蒸效果與壓沙厚度和細沙比例皆成正相關關系。陳建生等［8］在室內土柱中設置夾砂層進行模擬降雨入滲試驗，結果表明砂夾層具有減緩水流下滲的作用，機理在于砂層的薄膜水持水量與上下土層之間存在的差異。郭志鵬［9］認為土石混合隔層對累計入滲量的影響存在比例閾值，且閾值隨隔層的位置變化而變化。

綜上所述，以往的研究多是圍繞單一秸稈的隔層展開，部分涉及到了土壤水鹽遷移特性對壓沙或夾砂層的響應，但鮮見秸稈隔層摻沙對土壤水分入滲及水鹽遷移影響的報道。新疆豐富的棉稈資源面臨季節(jié)性、結構性過剩的問題［10］，且風蝕荒漠分布廣，綠洲耕種區(qū)土地荒漠化風險突出［11］。因此，如何科學利用秸稈、防治土壤荒漠化、解決農耕土地干旱鹽堿問題成為此地農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)?；诖?，本文通過室內土柱試驗，探究不同棉稈隔層摻沙比例對土壤水分入滲及水鹽時空動態(tài)分布的影響，旨為新疆旱區(qū)建立科學的秸稈混沙隔層水鹽調控機制，提高水分利用效率與防治土壤鹽漬化提供相關參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自塔里木大學水利與建筑工程學院試驗基地（塔里木河上游阿拉爾市， 81°18′5″E、40°32′20″N）［12］，取樣深度0 至20 cm，自然風干后過2 mm 篩備用。秸稈為2021 年試驗田風干棉稈，當年11月中旬拔柴置田埂風干后，經粉碎機（3 800 r/min）粉碎備用。供試風積沙取自新疆阿拉爾市周邊。

表1 供試土壤顆粒分布與理化性質Tab.1 Soil particle distribution and physicochemical properties

表2 供試風積沙顆粒組成%Tab.2 Particle composition and moisture content of aeolian sand

表3 供試棉稈粉碎篩分值%Tab.3 Cotton stalk crushing screening value and moisture content

1.2 試驗設計

試驗設計7 個混沙比例0%、50%、75%、85%、90%、95%、100%（質量占比，分別用T0、T50、T75、T85、T90、T95、T100 表示），加上對照CK 共8 個處理，每個處理3 個重復。采用亞克力有機玻璃土柱（高120 cm，外徑30 cm），側壁均勻分布采樣孔，底部設反濾層與透氣孔，隔層設置在30 至35 cm 處，入滲水量19.7 L（控制為裝填土層含水飽和的水平），以試驗室制備的去離子水進行垂向積水入滲試驗。

試驗中按照“先密后疏”的時間原則記錄不同時刻濕潤鋒面位置和入滲水位，積水入滲完畢停止記錄。水分入滲結束時及再分布兩天后通過不同位置取樣孔取樣，取樣深度分別為5、15、25、35、45、55、65 和75 cm，采用烘干法和電導率法（水土比5∶1）測定含水率和電導率。

1.3 數據處理

試驗中采集的數據用Microsoft Excel 2019 與origin 2021 做圖，IBM SPSS Statistics 26進行統(tǒng)計分析，使用ANOVA單因素方差分析和LSD顯著差異檢驗進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 混摻比例對濕潤鋒運移特征的影響

濕潤鋒為水分遷移前沿與干土層之間形成較為明顯的干濕交界面，隨時間的變化特性如圖1 所示。在濕潤峰到達隔層之前，棉稈摻沙隔層處理的濕潤鋒推進特征曲線與CK 一致，可近似為光滑的曲線，在30 至35 cm 附近出現了濕潤鋒運移的短暫停滯或不穩(wěn)定波動，原因為隔層的存在造成界面處土水勢差異，破壞了均質土壤孔隙的連通性，層間孔隙的形態(tài)與大小也不一致，引發(fā)優(yōu)先流現象。之后秸稈隔層摻沙處理間差異變大，但均逐漸呈現出線性變化的特征。CK 的濕潤峰推進特征整個過程均為光滑的曲線，且推進明顯較秸稈摻沙隔層要快，以入滲1 050 min 為例，濕潤鋒運移表現為CK＞T100＞T90＞T75＞T85＞T50＞T95＞T0，其中CK 最遠距離為75.3 cm，T100 次之為61.5 cm，T0 最小為48.94 cm，T95 僅大于T0 為54.22 cm，T50、T75、T85、T90之間差異不明顯（P＞0.05）。

圖1 濕潤鋒隨時間的變化Fig.1 Dynamic change of wetting front

圖2表明，T0、T50、T75、T85、T90、T95、T100 入滲歷時與CK相比，分別延長了82.54%、38.10%、34.92%、36.51%、32.28%、73.02%、31.75%。方差分析可知棉稈摻沙隔層處理與CK 之間差異顯著（P＜0.05），秸稈摻沙隔層延長了入滲時間。其中， T0和T95 入滲時間較長，T50、T75、T85、T90 和T100 入滲時間較短且差異不明顯，T50 與T85 無顯著差異（P＞0.05），T75、T90 與T100之間無顯著差異（P＞0.05）。

圖2 入滲時間Fig.2 Infiltration time

2.2 混摻比例對累計入滲量變化規(guī)律的影響

累計入滲量與時間的變化規(guī)律見圖3。入滲初始不同處理累計入滲量隨時間的關系曲線斜率均較大，入滲速率較快，隨時間不斷增大的變化趨勢基本一致。入滲水分推進至隔層位置后，入滲速率趨緩且差異逐漸變大。CK 整個入滲過程呈現出一條光滑的曲線，其余處理在入滲至隔層深度之后呈現出線性變化的趨勢，處理間累計入滲量差異也不斷增大。同樣以入滲至1 050 min 為例，累計入滲量表現為CK＞T50＞T75＞T90＞T85＞T100＞T95=T0，CK最大為23.3 cm，T0與T95最小均為16.9 cm。T0、T50、T75、T85、T90、T95、T100 與CK 相比分別減少了27.47%、12.88%、15.49%、16.74%、16.74%、27.47%、20.60%。此時刻各處理累計入滲量差異顯著（P＜0.05），多重比較得出，T0與T95之間差異不顯著（P＞0.05），T75與T90之間差異不顯著（P＞0.05），其余處理兩兩之間差異顯著。

圖3 累計入滲量隨時間的變化Fig.3 Dynamic change of cumulative infiltration

為進一步探究棉稈隔層摻沙比例與累計入滲量之間的關系，采用Kostiakov 入滲模型對累計入滲量與時間之間的關系數據進行擬合［13-15］，其中秸稈摻沙隔層處理以入滲至30 cm 為分界點，以上采用Kostiakov 入滲模型，以下采用線性模型；CK 整個浸潤層均采用Kostiakov 入滲模型。

由表4可知，擬合結果決定系數均大于0.97，均方根誤差最大為0.542 6，模型與試驗數據之間一致性較好。結合圖3 和表4 可知，除CK 外，入滲至30 cm 之后進入線性入滲階段，時間與累計入滲量關系曲線的斜率表現為T100＞T85＞T90＞T75＞T50＞T95＞T0，說明此階段T100 入滲速率最快，T0 與T95 入滲速率較慢，與濕潤鋒和累計入滲量的分析結果一致。

表4 累計入滲量與時間模型擬合參數表Tab.4 Cumulative infiltration and time model fitting parameter table

2.3 混摻比例對剖面水鹽分布特性的影響

2.3.1 棉稈摻沙隔層對土壤水分分布的影響

土壤含水率分布在入滲結束時與入滲結束兩天后均呈現出上層高下層低的趨勢，且土壤含水率隨深度變化差異顯著（P＜0.05）（圖4，圖4 中不同小寫字母代表入滲結束時含水率差異顯著（P＜0.05），不同大寫字母代表入滲結束兩天后含水率差異顯著（P＜0.05），下同）。入滲結束時，土壤上層含水率（5、15 與25 cm 深度土壤含水率平均值，圖5）表現為：T95＞T0＞T50＞T85＞T90＞T75＞T100＞CK，T100與CK 無顯著差異（P＞0.05），其余處理之間無顯著差異（P＞0.05），且均顯著高于CK處理（P＜0.05）。說明棉稈摻沙隔層可提高土壤上層的含水率，純沙隔層的持水效果低于棉稈摻沙隔層。在經過兩天的水分再分布后，土壤上層的含水率下降，下層的含水率上升，各處理土壤水分分布均勻度均較入滲結束時有所提升，CK 含水率隨深度變化無差異（P＞0.05）。土壤上層含水率以T0 最高，T95 次之，CK 最低，與入滲結束時一致。說明T0的持水性最好，T95次之，CK最差。

圖4 不同深度含水量分布圖Fig.4 The distribution of water content at different depths

圖5 土壤上層含水率Fig.5 Upper soil water content

2.3.2 棉稈摻沙隔層對土壤電導率變化的影響

電導率是表征土壤含鹽量信息的間接指標［17，18］。水分入滲結束及入滲結束兩天后電導率分布均呈現出上低下高的現象，同時呈現出隨深度逐漸增大的趨勢（圖6）。水分入滲完成時，土壤上層鹽分被淋洗至土壤下層，上層鹽分淡化，下層一定程度積鹽，整個深度范圍內鹽分分布差異顯著（P＜0.05）。入滲結束兩天后，隨著水分的再分布，土壤鹽分也發(fā)生了再分布，土層上部的鹽分淡化與底部的積鹽狀態(tài)均未改變，但土層中部（30～60 cm 深度）的鹽分出現了一定程度的下移。以電導率值（EC表示，圖7）為639.2 的等值線為例，鹽分再分布過程中其位置出現了一定程度的下移，形狀被一定程度拉平。其中，以T0與T95 處理下移幅度最大。對不同處理而言，上層鹽分淋洗效果相當，下層差異明顯。整個濕潤層范圍，以CK和T0的鹽分淋洗效果最好，其余處理土層底部出現一定積鹽，原因可能是供試風積沙顆粒的基礎含鹽量比供試土樣高的緣故。

圖6 不同處理電導率分布圖Fig.6 Electrical conductivity distribution of different treats

圖7 不同深度電導率分布圖Fig.7 Electrical conductivity distribution of different depths

3 討 論

3.1 棉稈摻沙隔層處理的入滲特性

秸稈摻沙隔層使近似均質的土壤剖面結構變?yōu)閷訝罱Y構，進而改變了土壤的入滲過程。隔層以上土體的入滲過程，無論是濕潤鋒推進距離還是累計入滲量隨時間的變化關系都是一條近似光滑的曲線。但當入滲鋒面到達秸稈摻沙隔層處時，濕潤鋒推進出現了停滯或者僅是浸潤了部分隔層就停滯不前，這與李睿冉等［19］的研究一致。雖然二者隔層材料不同，但影響水流運動的機理卻是一致的。土壤上層和隔層的質地與孔隙特性不同，導致層間土水勢存在差異，只有在上層蓄水使得土水勢上升至與隔層土水勢相同時，入滲才會繼續(xù)向下推進。同樣由于土壤層間的質地與結構差異，使得入滲過程中秸稈摻沙隔層各處理均出現了一定的優(yōu)先流現象。這與趙永敢等［20］的研究一致。本研究發(fā)現摻沙比例越高優(yōu)先流現象消失的越快，可能是摻沙比例越高，層間孔隙的大小均勻度差異越小的原因。整體而言，棉稈摻沙隔層阻滯了水分入滲，延長了入滲歷時。綜合濕潤鋒和累計入滲量兩方面數據可以得出CK和T100入滲較快，T0 和T95 入滲速率較慢，說明沙隔層的濕潤鋒推進速度要快于秸稈隔層，這與劉娜［21］的研究結果一致。摻沙95%的秸稈秸稈隔層抑滲效果與純秸稈隔層相當，沒有呈現出與其他混摻比例類似的阻滲規(guī)律。一方面原因是可能是此組合比例下秸稈摻沙隔層結構的級配分布，提高了隔層結構的致密性［22］，疊加層狀結構界面處土水勢差異的影響，使得阻滲水流下滲特性在摻沙比例95%達到最優(yōu)。另一方面，秸稈混沙提高了隔層中的封閉氣泡，阻斷了水流通道，減小了過水面積，從而增強了沙的阻滲性［23，24］，當然也不排除一定程度由于試驗裝置及操作等方面誤差帶來的擾動影響。試驗中，T100與其他不同摻沙比例的棉稈隔層相比，同一時刻濕潤鋒運移相對較快，但累計入滲量不是很大，原因是風積沙的飽和含水率較低水勢較高，在濕潤鋒前沿越過隔層之后，因隔層以下風干土的水勢與之差異過大從而導致濕潤鋒會加速推進。

3.2 棉稈摻沙隔層處理的水鹽分布特性

棉稈摻沙隔層改變了耕層下墊面的性質，打破了土壤毛管自然狀態(tài)下的連續(xù)性，進而改變了水分的遷移與分布特征。水分入滲結束后，浸潤層水分分布不均，棉稈摻沙隔層處理上層含水率顯著高于CK，表現出了較好的阻滲的性能，與Zhang等［25］的研究結果一致。積水入滲結束后，土層中含水率超過田間持水量的部分，在重力勢和基質勢的作用下水分會有一個再分布過程。綜合兩個時間點的水分分布狀況，秸稈摻沙隔層能提高隔層以上土壤入滲后的含水率和儲水量，這與郭相平等［26］的研究結果均一致。T0 和T95 在兩個時間點的隔層以上土層含水率均高于其他處理。秸稈隔層對隔層以上土壤具有減滲效應已得到眾多學者的研究認可［21，27，28］?；鞊斤L積沙比例95%的棉稈隔層同樣具有較好的減滲效應，可能是因為此比例下隔層結構級配分布致密性較好，秸稈摻沙形成大小不一、形態(tài)與彎曲度各異的封閉氣泡，阻塞了水分遷移通道，從而實現了良好的阻滲持水效應［21］。

棉稈摻沙隔層能夠將鹽分控制在隔層以下，為隔層以上土壤創(chuàng)造一個高水低鹽的適耕環(huán)境，王國麗［28］結合根箱與微區(qū)試驗也得到了同樣的結果。劉娜［21］認為埋設秸稈隔層初期水鹽調控作用最明顯，而埋設秸砂組合隔層后期水鹽調控作用較好，與此研究不一致的原因是二者試驗開展的時間尺度與試驗方法不同。再分布過程中，土壤上層的鹽分淡化狀態(tài)與底部的積鹽狀態(tài)并沒有改變，而土層中部的鹽分則出現了一定程度的下移，與李毅等［29］的研究結果一致。再分布過程中T0與T95中部鹽分下降幅度大于其他處理，原因是水分入滲結束時阻持的水分較多，飽和區(qū)和過渡區(qū)水分還有一個動態(tài)的分布過程，鹽分遷移與水分運動高度相關，則鹽分的再分布遷移程度就比較高?？v觀整個入滲及再分布過程，CK 在整個濕潤層鹽分淋洗比較充分，秸稈摻沙隔層處理只在土層上部與中部有較好的鹽分淡化效果，與盧闖等［24］的研究結果不一致，他們認為秸稈隔層的設置增強了鹽分淋洗效果，提高了洗鹽率。可能是供試土壤與風積沙的鹽分含量差異、滲水條件與試驗尺度不同的緣故。

考慮到新疆棉稈還田的主要方式為粉碎還田［30］，研究選取粉碎形態(tài)的棉稈摻沙作為隔層，下一步應加強對其他形態(tài)的棉稈摻沙隔層進行研究。另外室內土柱試驗無法復現原狀土的自然狀態(tài)與田間作物實際生長環(huán)境，為更好的探究秸稈摻沙隔層對水鹽分布特性的影響，還需跟進開展田間試驗予以驗證。

4 結 論

（1）棉稈摻沙隔層阻滯水分入滲，延長了入滲時間，不同摻沙比例對入滲歷時有顯著影響。CK 入滲最快，T0 和T95 入滲時間較長，T50、T75、T85、T90 和T100 入滲時間較短，且差異不明顯。

（2）棉稈摻沙隔層對隔層以上的累計入滲量時間特性與濕潤鋒推進規(guī)律無影響，對隔層以下的影響差異顯著，T0 阻滲效果最好，T95次之。

（3）累計入滲量隨時間的變化關系，CK 可用Kostiakov 模型描述。而棉稈摻沙隔層處理在隔層以上范圍Kostiakov 模型擬合情況較好，以下線性模型描述較好。擬合決定系數均大于0.98，試驗數據與擬合模型之間一致性較好。

（4）水鹽分布對秸稈摻沙隔層的響應顯著。入滲結束時，含水率隨深度逐漸降低，土壤上層含水率T0 最高，T95 次之，上層鹽分淡化、底部積鹽。兩天后，水分分布趨于均勻，土層中部的鹽分出現了一定程度的下移，T0和T95下移幅度最大。

綜合濕潤鋒、累計入滲量等入滲特性指標與水鹽運移與重分布規(guī)律，為提高水分利用效率與改善作物生長水鹽環(huán)境，建議在新疆旱區(qū)推廣應用秸稈隔層與秸稈隔層混摻95%風積沙農藝措施。