夹心结构水盐运移及分布规律

董倩倩，许忠宇，范文波*，魏建涛

(1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2.石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000；3.石河子大学理学院，新疆 石河子 832000)

水资源短缺和土壤盐渍化是制约新疆农业开发和持续发展的重要因素.膜下滴灌技术较好地适应了新疆特殊的地理和气候条件，可有效防止土壤次生盐渍化发生[1-2].截至2018年，新疆膜下滴灌面积已突破3.0×106hm2，农业生产已形成完整的耕作模式.目前的耕作方式与传统的深耕模式相比发生了很大改变，土壤剖面由地膜覆盖—耕作层—犁底层形成了典型的“夹心”结构.随着新疆农业机械化的大规模使用，加之翻耕深度不够，调查结果显示，南疆翻耕深度为30～40 cm，北疆翻耕深度为30 cm，导致地表以下一定深度土壤在垂直方向上逐渐形成结构致密稳定的犁底层.犁底层受耕畜和犁的压力及通过降水、灌溉使黏粒沉积而成，具有累积性，随着外加压力的重复和持续，犁底层容重在一定范围内显著增加[3].犁底层是限制土壤功能发挥的“瓶颈”，引发新疆灌区土壤潜在的环境问题.近年来，耕作层变薄，犁底层逐渐上移，土壤结构的改变必然会影响水盐运移规律.

关于膜下滴灌技术对土壤水盐调控方面的研究已有很多，主要集中于灌溉技术参数方面.膜下滴灌条件下滴头附近的含水率随灌水量的增加而增加，灌水后滴头下方区域的土壤盐分最低[4].KANG等[5]研究表明灌水量较大时，灌水后0～40 cm土层深度内的盐分明显下降.以往研究大都假定土壤在空间上均匀分布，未考虑犁底层(层状土)的影响.研究表明层状土水盐运移特性对以灌溉为主的西北地区极为重要，因为层状土土质、层位等的不同，会不同程度地影响着水分的下渗和盐分的淋洗[6-7]，也影响着作物根区的生长环境.因此文中选择地膜覆盖—耕作层—犁底层形成的夹心结构为研究对象，探讨灌水量对夹心结构土壤水盐时空分布的影响，及入渗和蒸发条件下夹心结构特性.

1 材料和方法

1.1 试验设计

采用土柱试验，规格为：22 cm×1 cm×65 cm(直径×壁厚×高).试验装置由土柱、灌水系统、辐射灯和水盐采集系统组成.根据调研结果设置耕作层及犁底层以下土壤为砂质壤土，犁底层为壤质黏土，基本物理参数如表1所示，其中γ为设计容重，c为田间持水率，ω为土壤颗粒质量分数.将试验用土碾碎及风干后，过直径2 mm筛以去除杂质，测得初始含水率为1.5%.耕作层厚度为30 cm，每隔5 cm进行振捣填装，上层与下层之间打毛，以便各层紧密接触.犁底层紧贴耕作层下层，采用人工夯实，装土10 cm，装填后总高度为60 cm.设置夹心结构下3个灌水量(2，3，5 L)即处理SW1，SW2，SW3；灌水量为5 L时，设置不覆膜有犁底层为处理LW3，不覆膜无犁底层(均质土壤)为空白处理CK，各试验处理重复3次.采用喷淋方法按理论含盐量40 g/kg对供试土壤配盐.

表1 土层土壤设计容重及基本物理特性Tab.1 Design unit weight and basic physical properties of soil layer

试验分为2个部分，第一部分为灌水入渗试验.采用输液袋模拟滴头进行灌溉，试验滴水前，先使用秒表与50 mL量筒将滴头流量调节至设计流量1.5 L/h，再正式开始试验.滴头由土柱中心膜孔滴入，灌水过程中每隔30 min标汇出垂直湿润锋的运移距离.经过水分再分布24 h，即蒸发试验开始前使用土钻由上至下依次采取土样，为了不破坏犁底层的完整性，此次取土对犁底层及其以下土层不进行取土，再以相同土壤进行填充，尽可能减少误差.

第二部分为蒸发试验，装置如图1所示.在试验期内每日持续开灯10 h，蒸发时间为10 d.为了测定各处理土柱蒸发过程中土壤累积蒸发量，同时不破坏土体结构，试验于每日早上10:00(开灯)之前采用称重法对各土柱进行称重计算.试验完成后再次进行取土采样.

图1 蒸发试验装置图Fig.1 Diagram of evaporation test device

1.2 测定项目和方法

采用Decagon公司的EM50测定仪监测距土壤表面5，10，15，20，25，30，40，50，60 cm处的土壤含水率和含盐量，采集数据频率为30 min/次；在各处理表层刮取0～2 cm土壤，采用烘干法和烘干残渣法测定表层土壤及不同深度土壤实际含水率和实际含盐量，将实测值与水盐检测仪测定数据进行标定，结果为

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)

试验土壤为扰动土，很难保证各土柱土壤水分完全一致，故采用式(3)计算其相对变化率.

η=(θi-θ0)/θ0×100%，

(3)

式中：η为各阶段土层土壤含水率相对于初始含水率的相对变化率，%；θi为各阶段土层土壤含水率，%；θ0为初始土壤含水率，%.

根据史文娟等[8]重新定义不同蒸发历时下各处理夹心结构下水盐运移有效蒸发抑制率，计算公式为

R=(B0-Bi)/B0，

(4)

式中：R为水盐抑制率，%；B0为均质土蒸发量或土壤表层返盐量，mm；Bi为各夹心结构处理蒸发量或土壤表层返盐量，mm.

1.3 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS26.0进行数据分析，Origin 9.0和AutoCAD进行作图.

2 结果与分析

2.1 入渗条件下夹心结构土壤水分运移特征

2.1.1 夹心结构对土壤含水率的影响

夹心结构影响土壤水分分布，入渗结束后不同处理下剖面土壤水分分布如图2所示，其中h为土层深度，θ为土壤含水率；θr为土壤水分相对变化率.由图可知，在夹心结构中，SW1处理30 cm土层以下土壤水分相对变化率基本为0，说明当灌水量不足以到达犁底层上界面时，耕作层土壤水分入渗未受影响.灌水量越大，耕作层土壤含水率越大，即从大到小表现为SW3，SW2，SW1，土壤含水率变化拐点深度随着灌水量的增加而向下移动.因误差值小，故图中所示误差棒是实际误差的5倍.

图2 入渗试验结束后不同处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处理土壤含水率和水分相对变化率变化趋势基本一致，水分峰值均在犁底层处.SW3和 LW3处理耕作层土壤含水率比处理CK提高了22.52%～29.33%，处理CK水分相对变化率在50 cm附近突增，是因为入渗试验结束后水分进行再分布使湿润锋向更深处运移，导致50 cm附近土壤含水率增加.犁底层使耕作层土壤含水率增大，蓄水能力增强.

采用单因素方差法进一步对夹心结构下不同灌水量或相同灌水量不同土体构型下土壤含水率进行差异性分析，结果如表2所示.为了验证夹心结构对入渗过程的作用，从单一耕作层(0～30 cm)和整个土柱(0～60 cm)2个部分进行对比.不同灌水量下0～30 cm土层土壤含水率显著高于0～60 cm土层.处理SW1和SW2的0～60 cm土层土壤含水率在0.05显著水平下差异不具有统计学意义，处理SW1，SW2和SW3 0～30 cm土层土壤含水率差异在0.01显著水平具有统计学意义.说明灌水量较小时，犁底层对水分入渗的阻碍作用不大，随着灌水量的增加，耕作层土壤含水率显著增加.处理SW3，LW3和CK在 0～30 cm土层土壤含水率差异不具有统计学意义，处理SW3和LW3在 0～60 cm土层差异不具有统计学意义，两者均与处理CK差异具有统计学意义(P<0.05)，说明入渗过程中覆膜对水分运移不产生影响，犁底层对水分向土壤深度入渗有显著阻碍作用.

表2 不同灌水量或不同土体构型下土壤含水率差异性分析Tab.2 Analysis on the difference of soil moisture content under different irrigation amounts or soil configurations

2.1.2 夹心结构对垂直湿润锋的影响

图3a为不同处理累计入渗量随时间变化曲线，其中F为累计入渗量，t为灌水时间.由图可知，处理SW3和LW3水分入渗时间高于处理CK.处理SW3灌水150 min后湿润锋到达犁底层上界面，此后30 min内累计入渗量先减小后保持稳定.当水分由均质土向层状土过渡时，犁底层的特殊结构导致单位水势下进入层状土的水分通量变小，湿润锋向下推进速度减缓.当湿润锋缓慢穿过犁底层上界面后，累计入渗量随灌水时间变化呈线性关系，入渗率小于在耕作层的入渗率.说明水分入渗速率减缓，入渗时间延长，增加了水分在耕作层的停留时间，优化了耕作层土壤水分分布.

图3b为土壤湿润锋位置，其中hf为垂直湿润锋的深度，hs为土壤含盐量峰值深度.由图3b可知，各处理湿润锋位置从大到小表现为CK，SW3，LW3，SW2，SW1.一方面灌水量越大，湿润锋位置越向下运移；另一方面犁底层保水能力强于耕作层，一部分水分被储存在犁底层内，且犁底层阻碍土壤湿润锋向深处推进，上部土壤水分增加，下部土壤水分减少.

图3 不同处理累计入渗量随时间的变化及土壤湿润锋位置Fig.3 Change of cumulative infiltration with time and location of soil wetting front in different treatments

2.2 入渗条件下夹心结构对盐分运移的影响

土体构型对盐分运移影响表现为盐分在不同土壤结构中的渗透能力及被淋洗能力.图3b所示灌水量越大，湿润锋向土壤更深层运移，盐分被淋洗到更深层土壤中，并积累在略小于湿润锋的位置，抑盐效果越好.处理SW3和LW3由于犁底层的阻隔作用，土壤含盐量峰值深度保持在犁底层附近，犁底层盐分升高了30.83%～139.65%，表现为积盐.

图4为夹心结构和均质土壤盐分时空分布等值线图,图中S为含盐率.由图可以看出，处理SW3犁底层是土柱积盐区和脱盐区的分界线，随着灌水量持续输入，表层土壤持续脱盐，0～15 cm土层平均含盐量减少近一半.犁底层渗透性差，当水分从大孔隙的耕作层运移到小孔隙的犁底层，入渗速率降低，淋洗盐分能力变弱，盐分不易被淋洗穿过犁底层.与处理CK相比，处理SW3犁底层以下土壤含盐量变化小，没有明显的积盐区.处理CK土壤盐分随灌水时间增加逐渐向土壤深层运移，最终被淋洗至土柱底部.

图4 夹心结构和均质土壤盐分时空分布等值线图Fig.4 Isoline map of spatial and temporal distribution of soil salt in sandwich structure and homogeneous soil

2.3 蒸发过程夹心结构土壤水盐运移规律

水分累计蒸发量和土壤剖面含水率变化是衡量土壤水分蒸发的重要指标[9-10].图5 为蒸发过程各处理剖面水分变化，图中E为累计蒸发量，t1为蒸发历时.从图中可以看出，随着蒸发历时的延长，夹心结构处理与其他处理累计蒸发量差值逐渐增大后趋于稳定.处理CK的累计蒸发量为108 mm，处理SW3和LW3与CK相比分别降低了550.60%和36.71%，处理SW3耕作层土壤含水率较不覆膜处理提高了10.68%～231.06%，不覆膜时表层土壤水分蒸发大，在土壤表面形成干土层，上下层土壤水势梯度的绝对值变大，即夹心结构下土壤水分蒸发被抑制.处理SW1，SW2和SW3累计蒸发量不为0，处理SW3累计蒸发量相较于处理SW1和SW2分别增加15.38%和12.24%，但整体变化趋势一致.可能是灌水时覆膜表面开了小孔，一小部分土壤水分蒸发以气态形式向外逃逸，导致全覆膜条件下累计蒸发量随蒸发历时呈线性缓慢增加.对蒸发后各土层土壤含水率进行测定，发现蒸发过程中夹心结构土壤含水率变化呈倒“S”型，处理LW3和CK土壤含水率变化呈倒“U”型.

图5 蒸发过程各处理剖面水分变化Fig.5 Water change of each treatment section in evaporation process

为了详细对比蒸发过程中各处理对土壤水盐抑制的强弱，探寻蒸发过程中夹心结构对水盐抑制情况.采用式(4)计算各处理表层土壤水盐抑制率随蒸发历时的变化情况.

表3为不同处理表层水盐抑制率随蒸发历时的变化情况,表中R为水盐抑制率.由表中可知，夹心结构下水盐抑制率均随灌水量的增加而增加，其中处理SW3表层盐分抑制率最高达88.65%，水分抑制率达57.65%.将夹心结构下3个灌水处理的水分抑制率与盐分抑制率进行对比，发现处理SW1和SW2的水盐抑制率随着蒸发历时的延长而减小，减小幅度在10.00%以内.处理SW3水分抑制率高于盐分抑制率1.5倍左右，水分抑制率随蒸发历时的延长而减小，盐分抑制率相反.说明蒸发过程中夹心结构土壤水盐运移并不完全同步，与灌水量相关.相同灌水量下不覆膜有犁底层处理LW3水盐抑制率仅为夹心结构处理SW3的15.24%～43.66%，不覆膜时耕作层土壤水分蒸发大，水势梯度的绝对值增大，水分向上运动速度增加，导致携带盐分的能力较覆膜条件有所升高.蒸发试验后观测到处理LW3虽与CK的土壤表层上都形成了盐结壳，但处理LW3的表层含盐量小于CK的，可见犁底层对盐分表聚起到一定的抑制作用.说明夹心结构处理抑盐效果和抑蒸效果优于其他处理.

表3 不同处理表层水盐抑制率随蒸发历时的变化情况Tab.3 Change of salt inhibition rate with evaporation time in surface water of different treatments

3 讨 论

耕作方式改变土壤结构，从而使土壤水分时空分布状况存在差异.长期过度耕作导致土壤出现压实现象，犁底层逐渐形成.由于犁底层的阻隔作用，地膜覆盖后土壤剖面由地膜覆盖—耕作层—犁底层形成了典型的夹心结构.翟振[11]通过调研发现犁底层造成有效耕作层变薄，水分无效损耗增大.文中发现犁底层改变了水分入渗特性，减缓了湿润锋运移速率.当灌水量不足以到达犁底层时，耕作层土壤水分分布不受影响.已有学者将地膜与秸秆隔层结合研究发现“上膜下秸”技术可抑制潜水蒸发和土壤返盐，将盐分控制在底土层，还会出现优先流[12].仲昭易等[13]发现覆膜可使浅层土壤含水率提高11.74%～59.91%，秸杆隔层整体抑蒸效果和控盐效果优于土表覆膜.本研究入渗阶段，犁底层切断了耕作层的连续性，当水分从大孔隙较多的耕作层进入小孔隙较多的犁底层时，水分入渗在犁底层上界面发生突变，水分入渗速率减缓，入渗时间延长，耕作层土壤含水率提高了22.52%～29.33%.湿润锋向下推进速度减缓，位置搁浅.蒸发阶段，在地膜覆盖和犁底层的双层作用下表层盐分抑制率最高达88.65%，水分抑制率达57.65%，夹心结构抑蒸和减少盐分表聚效果明显优于其他处理.

4 结 论

基于滴灌条件下，研究层位为30 cm，厚度为10 cm的犁底层与耕作层和地膜覆盖形成的夹心结构对土壤水盐运移及分布的影响，结果表明：

1) 入渗淋洗阶段，夹心结构中耕作层土壤含水率提高了22.52%～29.33%，垂直湿润锋到达犁底层上界面时运移速度减缓，并在一定时间内保持稳定，水分再分布后运移至犁底层下界面附近.同时犁底层盐分升高了30.83%～139.65%，犁底层以下土壤含盐量变化小，没有明显的积盐区.夹心结构处理对盐分的淋洗效果劣于对照处理.

2) 蒸发阶段，各处理在不同程度上抑制土壤盐分表聚，夹心结构抑盐和抑蒸效果最好，盐分抑制率最高达88.65%，水分抑制率达57.65%.整体而言，夹心结构中地膜覆盖从上部阻隔水分蒸发和盐分上移，犁底层自下而上减轻盐分表聚，提高耕作层蓄水能力.夹心结构中土壤水盐运移并不完全同步，与灌水量相关.

3) 将单一耕作层和整体土柱采用单因素方差法进行土壤含水率差异性分析，发现灌水量较小时，犁底层对水分入渗的阻碍作用不大，随着灌水量的增加，耕作层土壤含水率差异具有统计学意义(p<0.01).