微咸水矿化度对秸秆还田下土壤水盐运移分布影响

闪佳黛，胡浩云，谢宏磊

(1.河北工程大学水电学院，河北 邯郸 056021；2.内蒙古兴安盟松辽水利委员会察尔森水库管理局，内蒙古 兴安盟 137400)

水资源短缺一直都是阻碍我国农业可持续发展的障碍，尤其是在干旱半干旱地区，淡水资源更为匮乏，因此微咸水资源的开发利用显得尤为重要。我国的微咸水资源储量十分丰富，其分布范围广，可开发量大，开发程度低，且多分散在我国干旱半干旱地区，若能高效合理的利用微咸水资源对于缓解我国干旱半干旱地区水资源紧缺是一个良好的方式[1-3]。秸秆还田作为农业生产中最常见的利用方式，不仅能提高土壤结构的稳定性，给土壤增加养分，还具有良好的蓄水保墒性能，可以有效的减少土体表面蒸发，提高土壤水分利用效率，并且秸秆还田成本极低，容易操作和推广，是农业节水的一项重要措施[4]。国内外专家学者对微咸水及秸秆还田方面做了大量的研究，但目前，对秸秆还田下的微咸水利用鲜有报导，因此，开展了秸秆还田下不同矿化度微咸水入渗试验，以期研究其对水盐运移分布的影响，为科学利用微咸水资源提供依据。

1 试验条件与方法

1.1 试验条件

为了研究秸秆还田下的微咸水入渗特征及土壤水盐运移分布规律，在室内对均匀土柱进行一维垂直入渗试验。试验供水设备采用串联马氏瓶，维持恒定水头4 cm，马氏瓶高70 cm，截面积均为30 cm2，马氏瓶外壁标有刻度，用于记录入渗水量。土柱由透明有机玻璃制成，高100 cm，直径14 cm，厚5 mm，土柱两旁每隔5 cm对称开孔，取土孔直径为1 cm，试验装置如图1所示。

图1 垂直一维入渗试验装置

试验用土为壤土，采自河北工程大学试验场，土壤初始含水率为3.2%，密度为1.24 g/cm3，初始含盐量为2.72 g/kg。土样经风干、碾碎，过筛(2 mm)，按密度1.4 g/cm3分层装入土柱，每层5 cm，层间压实抛毛。其中，土柱上层(10 cm)设置为小麦秸秆掺土还田层，秸秆还田量为干土质量的3.2%[6]。微咸水矿化度设置5个水平，分别为：1、3、5、7、9 g/L，钠吸附比均为5，以蒸馏水不还田为对照试验。

1.2 试验方法

试验所用微咸水由蒸馏水以NaHCO3、MgSO4、MgCl2·6H2O、NaCl和CaCl2按不同比例配制。调整马氏瓶位置使试验水头固定为4 cm，入渗开始后根据由密到疏的原则记录马氏瓶液面读数并描绘湿润锋曲线，当湿润锋到达40 cm处时结束试验，抽干土面积水并用量筒量取积水水量。从湿润锋向上每隔5 cm提取土样，将土样分为两份，一份用烘干法测含水率，一份制成水土比为5∶1的浸提液测电导率值。

2 结果与分析

2.1 微咸水矿化度对秸秆还田下累积入渗量影响

微咸水矿化度对秸秆还田下累积入渗量影响如图2所示，入渗前期，各处理累积入渗量差异不大，随着入渗时间的增加，累积入渗量逐渐增加，差异逐渐明显。相同入渗时间下，秸秆处理累积入渗量均小于CK，秸秆还田增强了土壤的阻水性。在相同的入渗时间内，矿化度由1 g/L增加到3 g/L时，累积入渗量随矿化度的增加而增加；矿化度由5 g/L增加到9 g/L时，累积入渗量随矿化度的增加而减小，以矿化度3 g/L为分界点。用Kostiakov模型对累积入渗量与时间进行幂函数拟合，拟合情况如表1所示。由表1可知，入渗系数随矿化度的增大而减小，入渗指数随矿化度的增大而增大[9]，说明施用秸秆与未施秸秆所得结果相似。

表1 不同矿化度下I-t拟合情况

注：I为累积入渗量；t为入渗时间；k为入渗系数；a为入渗指数。

图2 微咸水矿化度对秸秆还田下入渗量的影响

2.2 微咸水矿化度对秸秆还田下湿润锋运移距离影响

不同矿化度下微咸水入渗达40 cm湿润锋面所需时间分别为：168 min(CK)、349 min(矿化度1 g/L)、321 min(矿化度3 g/L)、375 min(矿化度5 g/L)、507 min(矿化度7 g/L)、482 min(矿化度9 g/L)，即入渗到相同深度时不还田处理所用时间最短，秸秆还田处理中矿化度为3 g/L时所用时间最短。如图3所示，湿润锋运移规律同累积入渗量变化规律相似，相同入渗时间下，秸秆处理的湿润锋运移距离较CK小。在相同的入渗时间内，矿化度由1 g/L增加到3 g/L时，湿润锋运移距离随矿化度的增加而增加；矿化度由5 g/L增加到9 g/L时，湿润锋运移距离随矿化度的增加而减小，矿化度为3 g/L是拐点。

图3 微咸水矿化度对秸秆还田下湿润锋运移距离的影响

通过幂函数对湿润锋与时间进行拟合，如表2所示。

表2 不同矿化度下Zf-t拟合情况

注：Zf为湿润锋运移距离；t为入渗时间；m，n为拟合系数。

2.3 微咸水矿化度对秸秆还田下土壤水分分布影响

图4为一维垂直入渗过程中，不同矿化度微咸水入渗下土壤质量含水率剖面分布图。由图4可以看出，表层土质量含水率几近饱和，随着湿润锋向下推移，土壤质量含水率逐渐下降。具体变现为在0～10 cm深度范围内，土壤质量含水率急剧下降；在10～35 cm深度范围内，土壤质量含水率基本稳定在一定范围内；在35～40 cm深度范围内，土壤质量含水率再次下降，但变化幅度没有0～10 cm 大。随着矿化度的升高，同一深度土壤含水率呈先增大后减小的趋势，矿化度为3和5 g/L时土壤含水率较大，高于5 g/L时，则土壤含水率下降。这是由于土壤的持水能力以及导水性能受到矿化度和Na+浓度两个因素影响，一方面随着矿化度的增加土壤导水性能逐渐增强，另一方面矿化度浓度过高，钠离子含量增多导致土壤颗粒膨胀，透气性变差[7,8]。这也是造成累积入渗量与湿润峰呈上述变化规律的主要原因。

图4 不同矿化度微咸水入渗后土壤质量含水率在土剖面分布

图5为不同矿化度下土壤入渗率的变化曲线。如图5所示，各矿化度下入渗率曲线变化趋势大致相同，不还田处理土壤入渗率要高于各施用秸秆处理，入渗率随矿化度的增加表现出先增后减的趋势，矿化度在3 g/L时土壤入渗率最高，不同矿化度下入渗率为:9<7<1<5<3 g/L

图5 入渗率随微咸水矿化度的变化曲线

2.4 微咸水矿化度对秸秆还田下土壤盐分分布影响

图6为土壤盐分剖面随矿化度变化曲线。如图6所示，入渗过程结束后，不同矿化度微咸水入渗下土壤剖面电导率有相似变化规律，即在0～5 cm深度范围内电导率随深度的增加急剧降低；5～30 cm深度范围内，土壤电导率随深度的增加缓慢增加，但在湿润锋处急剧增加，增加到剖面最大值。同一土层深度下，土壤电导率随矿化度的增加而增加，说明土层含盐量的高低是由入渗水矿化度决定的。

图6 土壤盐分剖面随矿化度变化曲线

图7 微咸水矿化度与盐分降低区深度关系

图7为土壤盐分降低区深度变化图。由图7可知，对照处理盐分降低区深度最大，其湿润锋以上区域均得到淋洗，随着矿化度的增加，盐分降低区深度逐渐减小，矿化度由1 g/L增加到3 g/L时，盐分降低区深度上移10 cm，变化幅度33.3%；矿化度由3 g/L增加到5 g/L时，盐分降低区深度上移16 cm，变化幅度68.2%；当矿化度进一步增高，整个土柱几乎全部积盐，说明当矿化度高于3 g/L时，入渗水对土 柱中盐分的淋洗作用效果不大[4,5]。

3 结 语

(1)在一维垂直入渗试验下，入渗相同深度时，不还田处理的累积入渗量明显大于秸秆还田。累积入渗量随矿化度的增加表现出先增大后减小的趋势，即在相同的入渗时间内，矿化度由1 g/L增加到3 g/L时，累积入渗量随矿化度的增加而增加；矿化度由5 g/L增加到9 g/L时，累积入渗量随矿化度的增加而减小。微咸水矿化度对秸秆还田下湿润锋运移距离的影响同累积入渗量相似。

(2)秸秆还田下不同矿化度微咸水入渗后土壤含水率变化过程相似，随着矿化度的增加，土壤含水率表现为先增大后减小，以矿化度为3和5 g/L时，同一深度土壤含水率较高。入渗率随矿化度的变化规律同含水率相似，所有处理中以不还田处理的入渗率最大，不同矿化度处理中以3 g/L时土壤入渗率最大。

(3)秸秆还田下不同矿化度微咸水入渗结束后，同一深度土壤含盐量随矿化度的升高而升高。随着矿化度的增加，微咸水的淋洗作用逐渐降低，盐分降低区深度逐渐减小，当矿化度高于5 g/L时，整个土柱几乎全部积盐。

[1] 郑九华.秸秆覆盖条件下的微咸水利用研究[D].山东泰安:山东农业大学,2002.

[2] 吴忠东,王全九.入渗水矿化度对土壤入渗特征和离子迁移特性的影响[J].农业机械学报,2010,41(7):64-69.

[3] 吴忠东,王全九.微咸水入渗水量对土壤水盐运移特征的影响[J].农业机械学报,2010,41(11):67-78.

[4] 张金珠,王振华,虎胆·吐马尔白.具有秸秆夹层层状土壤一维垂直入渗水盐分布特征[J].土壤,2014,46(5):954-960.

[5] 史晓楠,王全九,苏 莹.微咸水水质对土壤水盐运移特征的影响[J].干旱区地理,2005,28(4):516-519.

[6] 仵 峰,张 凯,宰松梅.小麦玉米秸秆掺土还田量对土壤水分运动特性的影响[J].农业工程学报,31(24):102-105.

[7] 吴忠东,王全九.微咸水钠吸附比对土壤理化性质和入渗特性的影响研究[J].干旱地区农业研究,2008,26(1):231-236.

[8] 吴忠东,王全九.利用一维代数模型分析微咸水入渗特征[J].农业工程学报,2007,23(6):21-26.

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