胡 岸，陳東輝，王亞釗，鄧亞鵬

（1. 石家莊市水利技術(shù)推廣中心，河北 石家莊 050000； 2. 上海澄域環(huán)保工程有限公司，上海 201400）

0 引 言

鹽堿地是重要的土地后備資源，其合理開(kāi)發(fā)與利用對(duì)穩(wěn)糧穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)約有65.8 萬(wàn)km2的鹽堿土未用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，主要分布在東北、華北、西北及東部沿海在內(nèi)的17個(gè)省區(qū)。這些地區(qū)也是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)，但由于土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈、地表鹽分積聚嚴(yán)重等不利因素，已造成作物生長(zhǎng)困難，產(chǎn)量低下，阻礙了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展［2-4］。

國(guó)內(nèi)外在鹽堿土水鹽調(diào)控方面進(jìn)行了大量的研究。其中，砂石覆蓋是解決我國(guó)鹽堿地區(qū)水資源短缺、土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈的重要措施，在減少提高土壤蓄水保墑能力、抑制鹽分表層積聚等方面具有重要作用［5-7］。趙文舉［8］等研究了覆砂對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響，指出覆砂能抑制表層鹽分積聚，增大土壤含水率。唐德秀［9］等研究表明在植物生長(zhǎng)期內(nèi)，土壤蒸發(fā)隨覆砂量的增加而降低。

砂石覆蓋對(duì)非鹽堿土土壤蒸發(fā)入滲、作物生長(zhǎng)發(fā)育等方面的研究已取得了重大進(jìn)展。但對(duì)鹽堿土水鹽分布特征變化的研究還鮮有報(bào)道。因此，本文對(duì)不同砂石覆蓋度下濱海鹽堿土土壤水鹽分布及蒸發(fā)強(qiáng)度變化進(jìn)行分析，以期為鹽堿地區(qū)抑鹽、保墑、改土、增產(chǎn)等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土樣取自河北省滄州市“渤海糧倉(cāng)”科技項(xiàng)目工程示范區(qū)，采樣深度為0～40 cm，土壤容重為1.38 g/cm3，含鹽量為3 g/kg，pH 為8.24。采用吸管法測(cè)定土壤各粒級(jí)相對(duì)含量，結(jié)果見(jiàn)表1，覆蓋材料選用粒徑為0.5～1 cm的砂石。

表1 土壤顆粒級(jí)配相對(duì)含量Tab.1 Relative content of soil particle gradation

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)裝置為植物試驗(yàn)盆（盆高120 mm，上口直徑160 mm，下口直徑120 mm，容積1 800 mL），盆底鋪設(shè)200 g 粒徑為2 mm 的石英砂，將2 100 g風(fēng)干土壤置于盆內(nèi)，上部預(yù)留1 cm 以覆蓋砂石，覆蓋度［砂石覆蓋面積與試驗(yàn)盆橫截面積之比，黑色部分為砂石覆蓋，圖1（c）］按照0、25%、50%、75%和100%（分別以CK、S1、S2、S3 和S4 表示）鋪設(shè)，每個(gè)處理重復(fù)20 次，并進(jìn)行編號(hào)，選擇r，s，t3組［圖1（b）］進(jìn)行稱重。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)間為2022年3 月10 日，持續(xù)20 d，地點(diǎn)在石家莊市水利技術(shù)推廣中心，試驗(yàn)期間室內(nèi)溫度為16～20 ℃。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Diagram of the test device

1.3 試驗(yàn)流程

根據(jù)r，s，t3 組稱重值差值的平均值和時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算土壤累積蒸發(fā)量和蒸發(fā)強(qiáng)度；剩余17 組裝置依次由藥品匙分層（0～2、2～4、4～6 和6～10 cm）取樣，按順序通過(guò)破壞性取樣測(cè)定其土壤含水率和電導(dǎo)率（含鹽量）。土壤蒸發(fā)強(qiáng)度測(cè)定時(shí)間為8時(shí)到20 時(shí)［10］，0～5 d 按照每4 h 測(cè)定一次，6～10 d 按照每12 h 測(cè)定一次，11～20 d按照每24 h測(cè)定一次；土壤含水率和電導(dǎo)率1～10 d按照每24 h測(cè)定一次，11～20 d按照每36 h測(cè)定一次。試驗(yàn)期間，土壤水鹽數(shù)據(jù)和蒸發(fā)數(shù)據(jù)分別采集17 和40 次。土壤含水率由烘干法測(cè)定，電導(dǎo)率值由電導(dǎo)率儀（DDS-308A，上海雷磁）測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

（1）土壤含水率計(jì)算公式：

式中：θ為土壤含水率，%；mw為土壤中水分質(zhì)量，g；m濕為濕土質(zhì)量，g。

（2）土壤蒸發(fā)強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：E為土壤蒸發(fā)速率，mm/h；ΔM為r，s，t三組前后稱重?cái)?shù)據(jù)的差值，g；A為植物試驗(yàn)盆盆口面積；mm2；ρ為水的密度，g/cm3；Δt為前后稱重的時(shí)間差，h。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算和作圖分別由Excel 2016 和Origin 2018完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆砂對(duì)土壤水分的影響

2.1.1 覆砂對(duì)土壤表層含水率的影響

各處理的土壤表層0～2 cm 土壤含水率的變化過(guò)程見(jiàn)圖2?？芍?，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，CK、S1、S2、S3 和S4 處理土壤表層0～2 cm 含水率比試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)分別下降了85.89%、77.63%、69.85%、56.89%和53.07%；S1、S2、S3 和S4 土壤表層0～2 cm 含水率比CK 處理分別增加了58.57%、113.71%、205.61%和232.71%。從圖2 還可以看出，各處理土壤表層含水率均隨著時(shí)間的推移而下降，土壤表層含水率隨砂石覆蓋度的增加呈上升趨勢(shì)，且CK處理土壤表層含水率隨時(shí)間的推移呈現(xiàn)出指數(shù)型降低趨勢(shì)，覆蓋處理呈現(xiàn)出線性降低趨勢(shì)（表2），說(shuō)明覆砂在試驗(yàn)期間有較好的蓄水保墑效果，能有效抑制土壤表層水分散發(fā)，且土壤蒸發(fā)在試驗(yàn)前期中的抑制能力要優(yōu)于試驗(yàn)后期。

圖2 土壤表層（0～2 cm）含水率隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.2 The relationship between soil surface （0～2 cm）moisture content and time

2.1.2 覆砂對(duì)土壤剖面含水率的影響

各處理的土壤剖面的含水率的變化過(guò)程見(jiàn)圖3，可以看出，土壤含水率隨著土壤深度的增加呈增加趨勢(shì)，試驗(yàn)期間，CK 處理2～4、4～6和6～10 cm土層土壤含水率較表層0～2 cm含水率分別增加了3.63%、6.57%和5.68%，覆蓋處理2～4、4～6 和6～10 cm土層土壤含水率較表層0～2 cm 含水率分別增加了11.25%、13.60%和12.11%，CK、S1、S2、S3和S4處理2～10 cm土層土壤含水率較表層0～2 cm 土壤含水率分別增加了5.29%、18.15%、11.35%、9.39%和11.37%。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，S1、S2、S3 和S4 土壤剖面含水率比CK 處理分別增加了82.41%、128.63%、177.58%和220.91%，CK 處理土壤剖面含水率明顯低于其他處理，覆蓋處理土壤剖面含水率隨著砂石覆蓋度的增加呈線性增加趨勢(shì)（y= 12.274x+ 26.374，R2= 0.940 2）。

圖3 土壤剖面水分隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.3 Relationship of soil profile moisture with time

2.2 覆砂對(duì)土壤鹽分的影響

2.2.1 覆砂對(duì)土壤表層（0～2 cm）鹽分含量的影響

圖4反映了各處理表層（0～2 cm）土壤鹽分隨時(shí)間的變化關(guān)系， 可以看出，各處理土壤表層含鹽量隨著時(shí)間的推移均呈遞增趨勢(shì)，土壤表層含鹽量隨砂石覆蓋度的增加而呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，CK、S1、S2、S3 和S4 處理土壤表層0～2 cm 鹽分含量比試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)分別增加了356.48%、252.78%、229.63%、160.19%和146.30%；S1、S2、S3 和S4 土壤表層鹽分0～2 cm 含量比CK 處理分別降低了22.72%、27.79%、43.00%和46.04%。此外，在試驗(yàn)初期（0～200 h），CK 處理土壤表層鹽分含量迅速上升，較試驗(yàn)初期增加了258.33%，而S1、S2、S3和S4處理較CK 分別降低了11.72%、35.98%、63.60%和86.61%；試驗(yàn)后期（200～480 h），CK處理鹽分增長(zhǎng)速度減緩，S1、S2、S3 和S4土壤表層0～2 cm 鹽分變化量較CK 處理分別降低了57.53%、34.93%、41.10%和13.70%。說(shuō)明覆砂能夠有效抑制土壤表層鹽分積聚，在蒸發(fā)前期有較好的抑鹽效果。

圖4 土壤表層（0～2 cm）電導(dǎo)率隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.4 The relationship between soil surface （0～2 cm）conductivity and time

2.2.2 覆砂對(duì)土壤剖面鹽分含量的影響

圖5 反映了各處理土壤剖面含鹽量隨時(shí)間的變化關(guān)系，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，土壤鹽分剖面分布均勻；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，深層土壤的鹽分含量高于土壤表層，且各處理土壤鹽分含量隨土層深度的增加呈下降趨勢(shì)。試驗(yàn)期間，S1、S2、S3 和S4 處理0～10 cm 土層土壤剖面電導(dǎo)率比CK 處理降低了11.76%、8.11%、7.15% 和10.64%；無(wú)覆蓋處理2～4、4～6 和6～10 cm 土層土壤電導(dǎo)率較表層0～2 cm電導(dǎo)率分別降低了39.26%、45.32%和53.83%，覆蓋處理2～4、4～6和6～10 cm土層土壤電導(dǎo)率較表層0～2 cm電導(dǎo)率分別降低了（S1～S4 的0～2 cm 土層含鹽）18.57%、27.50% 和31.82%，CK、S1、S2、S3 和S4 處理表層0～2 cm 土壤電導(dǎo)率較2～10 cm 土層土壤電導(dǎo)率增加了85.65%、73.90%、45.52%、22.38%和5.15%，砂石覆蓋對(duì)0～10 cm 土層土壤剖面電導(dǎo)率抑制能力低于0～2 cm 土層。砂石覆蓋會(huì)導(dǎo)致土層間含鹽量趨于一致，改善土壤鹽分空間分布，說(shuō)明砂石覆蓋能有效降低土壤鹽分含量。

圖5 土壤剖面鹽分隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.5 The relationship between soil profile salinity and time

2.3 覆砂對(duì)土壤蒸發(fā)的影響

2.3.1 覆砂對(duì)土壤蒸發(fā)強(qiáng)度的影響

土壤蒸發(fā)強(qiáng)度隨時(shí)間的推移呈下降趨勢(shì)（圖6），0～200 h，土壤蒸發(fā)強(qiáng)度較大，CK、S1、S2、S3和S4處理土壤蒸發(fā)強(qiáng)度分別為0.11、0.09、0.08、0.07 和0.07 mm/h；200～480 h，土壤蒸發(fā)強(qiáng)度降低，CK、S1、S2、S3 和S4 處理土壤蒸發(fā)強(qiáng)度分別為0.04、0.04、0.03、0.02 和0.02 mm/h。試驗(yàn)期間，CK、S1、S2、S3 和S4 處理土壤平均蒸發(fā)強(qiáng)度分別為0.07、0.06、0.05、0.04 和0.04 mm/h，S1、S2、S3 和S4 處理土壤平均蒸發(fā)強(qiáng)度分別比CK 處理降低了15.51%、29.08%、41.01%和48.82%；土壤蒸發(fā)強(qiáng)度隨砂石覆蓋度的增加而呈減低趨勢(shì)。

圖6 土壤蒸發(fā)強(qiáng)度隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.6 Variation of soil evaporation intensity with time

圖7 累積蒸發(fā)量隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.7 The relationship of cumulative evaporation with time

2.3.2 覆砂對(duì)土壤累積蒸發(fā)量的影響

各處理土壤累積蒸發(fā)量均隨時(shí)間的延長(zhǎng)呈指數(shù)型增加趨勢(shì)。0～200 h，各處理累積蒸發(fā)量迅速增長(zhǎng)，CK、S1、S2、S3 和S4處理土壤累積蒸發(fā)量分別為21.43、18.03、15.95、14.14 和12.55 mm，S1、S2、S3和S4處理土壤累積蒸發(fā)量分別比CK處理降低了15.88%、25.57%、34.04%和41.43%；200～480 h，CK、S1、S2、S3和S4 處理土壤累積蒸發(fā)量分別為12.01、10.22、7.77、5.59 和4.56 mm，S1、S2、S3和S4處理土壤累積蒸發(fā)量分別比CK處理降低了14.86%、35.34%、53.46%和62.01%。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，CK、S1、S2、S3和S4 處理土壤累積蒸發(fā)量分別為33.44、28.25、23.72、19.72 和17.11 mm。土壤累積蒸發(fā)量隨砂石覆蓋度的增加呈遞減趨勢(shì)，說(shuō)明砂石覆蓋能有效降低土壤累積蒸發(fā)量。

3 討 論

3.1 覆砂對(duì)土壤水分的影響

水分是植被的正常生長(zhǎng)發(fā)育的必需元素，提高水分利用效率是提高作物產(chǎn)量的重要措施［11］。本研究中，覆蓋處理土壤平均含水率均高于CK 處理，可能是由于砂石覆蓋能有效保持土壤水分，抑制土壤水分散發(fā)，且隨著砂石覆蓋度的增加抑制效果增加，這與付亞亞［12］等的研究基本一致。試驗(yàn)期間，CK 處理呈對(duì)數(shù)型下降趨勢(shì)，而覆蓋處理呈直線型下降趨勢(shì)，可能是由于砂石覆蓋會(huì)降低土壤表面潛熱通量，一定程度上抑制了水汽直接向大氣直接擴(kuò)散，部分水蒸氣附著在砂石顆粒上，降低土壤水分向大氣散發(fā)，進(jìn)而保持土壤水分含量［13］。此外，試驗(yàn)期間主要為第二階段土壤蒸發(fā)，受到空氣動(dòng)力學(xué)阻力、土壤含水率等因素影響，而砂石覆蓋能增大空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度，土壤蒸發(fā)阻力變大，進(jìn)而減緩?fù)寥浪稚l(fā)，導(dǎo)致土壤含水率隨砂石覆蓋量的增加而增加［14］。

3.2 覆砂對(duì)土壤鹽分的影響

砂石覆蓋遵循“鹽隨水來(lái)、鹽隨水去”的水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在保持土壤水分的同時(shí)也抑制了土壤鹽分積聚［15］。本研究中，各處理表層鹽分含量隨時(shí)間的推移呈上升趨勢(shì)，且表層鹽分含量隨砂石覆蓋量的增加而降低，可能是由于砂石覆蓋降低了土壤蒸發(fā)強(qiáng)度，減緩了可溶鹽隨水分向土壤表層運(yùn)輸?shù)男?，進(jìn)而降低土壤表層鹽分含量［16］。此外，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，土壤鹽分空間分布逐漸趨于均勻，土壤表層和深層土壤含鹽量的差值隨著砂石覆蓋度的增加而減小，可能是由于“鹽隨水行”，砂石覆蓋抑制土壤水分移動(dòng)的同時(shí)也降低了土壤鹽分向表層運(yùn)輸能力［17］。

3.3 覆砂對(duì)土壤蒸發(fā)的影響

本研究中，隨著砂石覆蓋度的增加，土壤蒸發(fā)強(qiáng)度和累積蒸發(fā)量呈降低趨勢(shì)，可能是由于砂石覆蓋不僅增大了土壤表面覆蓋阻力，且在一定程度上改變了空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度，增大了空氣動(dòng)力學(xué)阻力，減小土壤表面與大氣接觸面積，降低了土壤熱通量，阻礙了土壤水分蒸發(fā)，這與Qiu［18］等研究的基本一致；此外，200～480 h 中，土壤蒸發(fā)強(qiáng)度減弱，可能是由于土壤含水率相對(duì)較低，毛細(xì)管發(fā)生斷裂，水汽由土壤孔隙擴(kuò)散至大氣，蒸發(fā)受到抑制，減小了土壤蒸發(fā)強(qiáng)度［19］。

4 結(jié) 論

（1）覆砂能有效保持土壤水分，土壤含水量隨著砂石覆蓋度的增加而增加；與CK 處理相比，覆砂處理土壤表層含水率比CK增加了58.57%～232.71%，剖面平均含水率比CK處理增加了82.41%～220.91%。

（2）覆蓋處理表層土壤鹽分含量較CK 降低了22.72%～46.04%，土壤剖面鹽分含量較CK 降低了7.15%～11.76%。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，鹽分主要積聚在土壤表層，表層土壤鹽分含量較2～10 cm 土層土壤鹽分含量增加了5.15%～85.65%，砂石覆蓋能有效抑制土壤表層積聚，提高土壤剖面鹽分空間分布均勻性，且隨著砂石覆蓋度的增加，土壤鹽分含量的差異減小。

（3）試驗(yàn)期間，覆砂處理土壤蒸發(fā)強(qiáng)度比CK 處理降低了15.51%～48.82%，覆砂有效抑制土壤蒸發(fā)，且土壤平均蒸發(fā)強(qiáng)度隨砂石覆蓋度的增加而呈降低趨勢(shì)。