蒸发条件下地下水埋深对土壤水盐含量的影响

李文昊，王振华，王凯飞

(石河子大学水利建筑工程学院/石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室,新疆 石河子 832003)

土壤盐渍化是全球性问题之一，也是影响干旱半干旱地区农田生态环境及粮食安全的主要因素。新疆地处西北内陆干旱区，土壤盐渍化问题严重。新疆第2次土壤普查数据表明，区域耕地总面积为409万hm2，盐渍化耕地面积 1.27万hm2，占耕地总面积的31.10%，其中轻度盐渍化占耕地面积的22.32%，中重度盐渍化占耕地面积的 8.78%[3]。近年来，一些地区由于过量灌溉、扩大耕地面积或掩埋排水设施等引起潜水蒸发加剧，土壤次生盐碱化现象严重，因此，在干旱半干旱地区，研究一定蒸发条件下土壤水盐运移规律与浅层地下水埋深的关系，对于指导盐碱地改良及防治土壤次生盐渍化发生有着重要的理论价值，对农业生产、区域经济发展也具有一定的实际意义[4-7]。

很多学者研究了干旱区土壤原生及次生盐渍化问题。在对土壤盐渍化诱发机理研究中，江红南等[8]、常晓敏等[9]研究表明引排水量、地下水埋深以及蒸发量对土壤含盐量的影响最大，其次为地下水矿化度、降雨和气温；张德强等[10]研究认为在地下水浅埋区盐渍化的盐分绝大部分来自于地下水；范爱武等[11]考虑土壤热、湿、气等因素，通过数值模拟研究表明地下水位是土壤盐分运移的主要影响因素；樊自立等[12]、张骜等[13]针对西北干旱区地下水埋深的研究表明，当地下水处于高水位，在强烈的蒸发作用下，盐分溶解于地下水，并通过毛管上升积聚于表层，使土壤发生盐渍化，产生盐胁迫。在对土壤含盐量与地下水关系研究中，邹平等[14]、刘广明等[7]研究结果表明，土壤盐渍化程度高低与地下水的埋深直接关联；IBRAKHIMOV M等[15]研究表明随着地下水埋深的变浅，土壤含盐量增加；贡路等[16]研究表明，地下水埋深与土壤表层全盐含量呈显著负相关关系，并直接影响土壤总盐含量大小。在利用模拟手段探索土壤水盐运动的研究中，赵丹丹等[17]、李远等[18]运用Hydrus模型模拟了不同土壤质地、灌溉方式及灌水频率下土壤水盐运动机理。

上述研究结果为干旱区盐碱地治理提供了重要参考,但对浅层地下水位埋深及稳定的蒸发过程与盐碱化产生的响应研究尚少。本文通过研究不同地下水位埋深处理在稳定蒸发条件下湿润锋、土壤含水率及含盐量变化过程，探索干旱区土壤次生盐渍化诱发机理，为进一步干旱绿洲区盐碱地治理或防治提供一定的理论依据。

1 试验研究方法

1.1 试验地概况

试验地位于石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室试验基地。基地海拔412 m，东经85°59′47″，北纬44°19′28″，平均地面坡度0.6%；地处天山北麓中段，准噶尔盆地南部，古尔班通古特沙漠南缘；属典型的温带大陆性气候，冬季长而严寒，夏季短而炎热，年日照时数为2 721～2 818 h，多年平均降雨量207 mm。

1.2 试验装置

试验装置由土柱、供水设施和蒸发模拟装置组成，如图1所示。采用高80 cm、内径20 cm的有机玻璃土柱，自土表至地下水埋深设计处每10 cm埋置水温盐传感器(Watchdog公司生产)；为了减少外界与土柱热交换，在土柱外部包裹保温材料(内贴锡纸、外包保温棉)。通过调整马氏瓶高度稳定、持续向土柱供水，维持地下水位稳定。275 W白炽灯(距离地表20 cm)24 h持续照射，模拟稳定蒸发。土柱上部装土模拟包气带；试验土取自新疆生产建设兵团第八师121团盐碱地荒地。土壤颗分见表1，经风干、碾压后，过2 mm土工筛，经拌和处理(初始平均电导率为2 mS/cm)。按容重1.5 g/m3，每5 cm分层装填，装填一层土后将表层刨毛，以保证容重均衡，并避免土层衔接处出现隔层。土柱下部模拟地下水饱和带，填装直径为2～7 mm的砂砾石，厚度为20 cm。在模拟饱和带和包气带间设置有隔层(滤纸)，避免上层土壤进入下层含水层。

图1 试验装置示意图

1.3 试验方法

2018年3—5月，采用土柱试验，白炽灯模拟稳定蒸发，马氏瓶放置合适高度控制地下水埋深，设置30、40、50、60 cm 地下水埋深4个处理，每个处理3组重复，数据采用3组平均值。试验开始后，前48 h每隔6 h在土柱外四周标记湿润锋位置，48 h之后每隔12 h标记1次；蒸发过程中利用水温盐传感器监测记录每小时土壤水盐变化；试验结束后取样采用烘干称重法测定土壤含水量(取土位置与水温盐传感器埋置位置相同)，用DDS-11 A数显电导率仪测定25 ℃下土样EC值，进一步校核水温盐传感器准确性，结果表明水温盐传感器数据准确。

供试土壤颗粒成分为粘粒15%、粉(砂粒)20%、砂粒65%。

2 结果与分析

2.1 蒸发条件下不同地下水埋深土壤湿润锋变化

地下水是土壤水的供给来源，土壤水是盐分运移的载体，湿润锋迁移位置可直观反映水分运动情况，另外，土壤水分运动通常受基质势、压力势、溶质势、温度势、重力势等综合影响，而本试验设计土壤水分运动主要受到基质势、温度势及重力势的影响。不同地下水埋深下湿润锋推进距离与时间的关系对比，如图2所示。

这一时期的广告用字还存在使用《第二次汉字简化方案（草案）》中公布的、后来被废止的简化字（简称“二简字”）的现象。1977年底，二简字一经推行就被大量使用，如1978年刊登在报纸上的电影广告将“导演”印为“导 ”，将“电影”印为“电 ”[4]。二简字在1986年被正式废除，绝少出现在印刷出版物中，只有街头手书的招牌广告上偶尔一现。与繁体字有着深厚的传统文化基础相比，二简字的根基不稳，迅速退出规范字领域理所当然。1987年的《规定》中禁止使用二简字，印刷品中二简字的消失是《规定》实施成效的体现，而街头广告中偶尔出现的手书二简字，又反映了《规定》执行不到位。

图2 不同地下水埋深湿润锋 推进距离与时间关系

由图2可知：地下水埋深越深，湿润锋完全推进时间越长；随蒸发时间的延长，各处理湿润锋的推进速率出现先减后增的变化趋势。在蒸发初期(0～30 h)各处理湿润锋的推进速率相近，地下水埋深为30 cm时湿润锋完全推进需60 h，地下水埋深40 cm时需要90 h，地下水埋深为50 cm时需要130 h，地下水埋深为60 cm时需要200 h。稳定蒸发条件下地下水埋深30～60 cm，埋深每增加10 cm完全推进时间依次增加30、70、150 h，说明在蒸发前期，包气带土壤水分运动受到较强的基质势作用，湿润锋的移动速率较快。在蒸发中期，基质势作用效果明显减弱，温度势作用还未突显，土壤水在毛管中运动较缓慢，且地下水位埋深越深，土壤水分缓慢运动的延续时间越长。而在蒸发后期，土壤水分较靠近表层土，温度势作用明显，土壤水分运动速率再次增加。

2.2 蒸发条件下不同地下水埋深土壤含水量变化

为了进一步的明确稳定蒸发条件下不同试验处理土壤含水量随时间的变化关系，根据张骜[13]的研究结果，选取最具代表性的地下水埋深50 cm，对距离地表10、20、30、40、50 cm土层蒸发1～16天，日平均含水率与蒸发时间进行拟合，如图3所示。由图3可知：随着蒸发时间的延长，各土层含水量逐渐增加，且最后趋向于定值，且最终状态各土层含水率存在明显的梯度；在土水势综合作用下，浅层土壤含水量小于深层含水量。地下水不断补充土壤水，土壤水又在强烈的蒸发作用下形成气态水溢出地表；包气带成为连接地下水与空气的介质。

图3 地下水埋深为50 cm不同土层含水量与时间关系

为了准确表征稳定蒸发条件下各处理土壤含水量变化及分布特征，本研究以蒸发第5、9、15天(试验结束)为典型日期，分析典型时期土壤含水量分布特征，以及不同典型日期土壤含水量变化，如图4所示。由图4可知：

图4 蒸发不同时间时不同地下水埋深含水量关系

稳定蒸发一段时间后，不同地下水埋深处理的土壤含水量均随土层深度的增加而增大。

同一土层深度，呈现地下水埋深越深、含水量越低的现象。随着土壤水逐渐迁移至土表，土壤饱和度逐步增加；蒸发到第9天时，所有处理湿润锋已运动至地表，土柱内部形成水分传导“通路”；地下水位埋深为30、40 cm处理，在土层深度为13 cm时出现交错现象，即13 cm以上土层地下水位埋深40 cm的处理大于30 cm的处理；13 cm以下土层反之；同时，“水去盐留”出现地表积盐的现象。到蒸发15天时，各土层含水率，尤其是浅层不完全随地下水埋深的降低而减小，在20 cm以上土层表现出土壤含水率的一致性。

蒸发初期土壤含水量均随地下水位埋深的降低而减小，但随着蒸发时间的延长，浅层土壤含水量并不随地下水埋深呈现绝对的负相关性，土壤含水量与土水势有着密切的关系。

2.3 蒸发条件下不同地下水埋深土壤盐分变化规律

盐随水动，土壤水分运动的复杂性，也充分体现出土壤盐分演变规律的复杂性。选取典型时间节点[13]，以土壤盐分的最直接评价指标电导率反映蒸发第1、3、6、9、12、15天不同试验处理土壤盐分分布特征，分析土壤盐分表聚机理，结果如图5所示。

图5 不同地下水埋深处理土壤电导率随时间变化

从图5可以看出：

(1)一段稳定蒸发后，不同地下水位埋深处理均表现出盐分表聚现象。地下水位埋深30 cm处理，持续蒸发1～3天盐分表聚；地下水位埋深40、50 cm处理，持续蒸发3～6天出现盐分表聚；地下水位埋深60 cm处理，持续蒸发6～9天盐分表聚。说明地下水位埋深是土壤盐碱化速率的重要因素，即地下水位埋深越浅，相同蒸发时间下土壤盐碱化速率越快。这是因为随着蒸发时间的延长，土体水分运动形成稳定通路，盐分运动也形成稳定通路；土壤母质中盐分被源源不断带至浅层，地下水中盐分也随水分的运动移至浅层。强烈的蒸发作用下，水分汽化至大气，盐分滞留在地表；此过程中，一定深度的土层仅仅起到传导的作用，但盐分一直在地表累积。

(2)结合图2结果，图5还说明湿润锋边缘盐分很高，土壤湿润锋在向上运动的过程是推动盐壳向上移动的。

3 讨论

(1)本文研究了不同试验处理对湿润锋变化、含水率变化及土壤含盐量的影响，总结出地下水位埋深是造成土壤次生盐渍化的重要因素，盐随水动、水去盐留，同时持续的蒸发作用是土壤盐碱化的重要条件，水分是土壤次生盐碱化的重要媒介。众多学者对土壤盐碱化的成因进行研究[19-21]，一致认为土壤发生次生盐碱化的程度和地下水埋深有着很大的关系，仅通过大定额的淋洗方式不能根本解决聚盐问题，土壤盐分管理要求把地下水控制在一定的埋深范围之内[22]。

(2)崔亚莉等[23]发现在地下水浅埋区，当蒸发量较大时水分强烈向上运移，不仅使地下水矿化度增加，而且加剧了上部土壤的积盐速度，此观点和本实验得出的结论一致，即地下水位埋深越浅，相同蒸发时间下土壤盐碱化速率越快。

(3)魏彬等[24]、李小倩等[25]分别在不同地下水埋深下得出土壤含水量与地下水埋深之间存在显著的负相关关系，并直接影响土壤总盐含量。本文研究加入稳定蒸发条件的前提，发现土壤浅层的含水量并不随地下水埋深呈现绝对的负相关性。

(4)综上所述，土壤次生盐渍化防治的关键是对盐渍化土地水盐运移规律进行研究并制定调控策略，掌握盐渍化土壤水盐运移规律，才能有效地实施改良措施，另外，制定合理的作物灌溉制度，因地制宜拟定灌排方式，改良和合理利用土地，将对土壤洗盐及预防土壤次生盐碱化起到极其重要的作用[26]。

4 结论

(1)在一维蒸发条件下，水分运移主要受基质势和重力势的综合作用，温度势与基质势主要作用在水分运动开始和结束时效果极为明显。

(2)同一地下水埋深时，盐分随毛管水的上升发生运移，到达地表后，水分蒸发，盐分表聚；不同地下水埋深时，随着地下水埋深增加，水分、盐分运动路径增加。

(3)地下水位埋深是造成土壤次生盐渍化的重要因素，持续的蒸发作用是土壤盐碱化的重要条件，水分是土壤次生盐碱化的重要媒介。