潜水蒸发条件下不同棉秆隔层埋深对土壤盐分时空分布的影响

姚宝林，孙三民，李发永，李朝阳，王学成

（塔里木大学 水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔843300）

0 引 言

【研究意义】新疆棉花种植面积分别占全国的74.31%和84%，是我国最大的植棉区[1-2]，而特殊气候下较大的潜水蒸发所形成的盐碱地不利于该区域棉花产业的可持续发展[3-6]。秸秆覆盖和将秸秆设置在土壤某一深度可以改变土壤和大气之间的水汽和热量交换，具有抑制潜水蒸发，减缓土壤返盐的效应[7-8]。针对南疆含盐潜水和棉秆丰富的现状，开展潜水蒸发条件下棉秆隔层不同设置深度对潜水蒸发、土壤盐分时空分布的影响研究，为抑制潜水蒸发、盐渍化棉田改良和棉秆还田技术具有重要研究意义。【研究进展】地下水埋深是造成土壤次生盐渍化的重要因素，同时持续的蒸发作用是土壤盐碱化的重要条件[9-10]。土壤隔层的设置可阻隔土壤和大气之间热量和水分交换具有减少蒸发、抑制土壤积盐的效果[11-12]，在土壤中设置隔层具有切断土壤毛细管，减缓潜水蒸发对地表盐分的积累[13-14]，并可以改善土壤物理结构、增加土壤有机质、提高土壤水分调节能力[15-17]。乔海龙等[18]对地表下20 cm 铺设厚度3 cm 的秸秆隔层表明隔层以下水分很难通过毛管作用上升，从而减少深层土壤水分的蒸散量，郭相平等[14]发现秸秆隔层埋深25 cm 显著抑制了潜水蒸发。虎胆·吐马尔白等[19]在地表下30 cm处铺设秸秆隔层，可阻止潜水蒸发，抑制上升水流，减少盐分向上迁移，但是地表秸秆覆盖土壤含盐量小于秸秆埋深30 cm 土壤含盐量。张金珠等[20]在棉花花铃期盐分抑制方面秸秆地表覆盖要比地表下30 cm覆盖效果好，张万锋等[21]表明秸秆深埋具有的阻盐蓄水作用，有利于淡化玉米根区土壤环境。不同地下水埋深及秸秆隔层设置对土壤盐分时空分布的影响还需要进一步研究。【切入点】在当前以地膜覆盖为主的膜下滴灌棉田实施秸秆地表覆盖难以实现，对于新疆目前推广实施的棉秆还田模式[22]，还田棉秆隔层潜水蒸发过程及棉秆隔层设置对土壤盐分时空分布规律鲜有研究。【拟解决的关键问题】本文在室内潜水长期蒸发条件下，通过对不同棉秆隔层和潜水埋深处理下潜水蒸发、土壤盐分时空分布规律进行研究，分析棉秆隔层对土壤盐分时空迁移的阻减特征，明确不同潜水埋深下棉秆隔层潜水蒸发量和盐分积累之间的关系，为南疆地下水浅埋区土壤盐渍化防治和棉秆还田提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 供试土样制备

试验于2018年7月20日—2020年7月1日在塔里木大学试验基地室内实验室（79°23′33″—81°53′45″E，40°20′00″—41°47′18″N，海拔高度1 020 m）进行。地下水埋深在1.54～3.34 m 之间波动，矿化度在1.56～2.56 g/kg 之间波动。供试土壤取自试验基地棉田，取土范围0～60 cm 深度，土壤颗粒组成黏粒（<0.002 mm）为3.41%、粉粒（0.002～0.02 mm）为23.06%、砂粒（0.02～2 mm）为73.53%，土壤为砂质壤土，土壤pH 值为7.37，属氯化物-硫酸盐土，土样初始土壤含盐量为2.1 g/kg。将取回的土壤晒干、磨碎，除去杂物后过1 mm 土筛，然后加水翻搅、塑料薄膜覆盖使土壤水分和盐分混合均匀，试验土样含水率为17.5%（约为田间持水率的75%）。

1.2 试验装置及试验设计

试验装置由黑色PVC 管（外径160 mm、壁厚2.5 mm）土柱、马氏瓶组成的地下水供水设施和水面蒸发量测装置组成，其中马氏瓶由壁厚8 mm、内径300 mm，高400 mm 的有机玻璃制成，瓶身带有精度为1 mm 的刻度尺。PVC 管底部通过PVC 胶用堵头封住，土柱外部包裹2 层2 cm 厚的橡塑保温卷材以减少外界与土柱的热交换。地下水埋深设计1.0、1.5 m 和2.0 m 共3 个水平，棉秆隔层埋深为15、30、45 cm 和60 cm 共4 个水平，试验采用完全随机区组设计，共计12 个处理，每个处理重复3 次，试验设计见表1。土柱装土前，先在土柱底部装填干净的砂砾石层作为滤层，厚度为5 cm，在滤层上铺设2 层孔径2 mm 的尼龙布，尼龙布上铺设2 层滤纸以防土柱上部土壤进入滤层，按照体积质量1.40 g/cm3、土壤质量含水率17.5%分层装填试验土柱，每次装填高度为5 cm，然后将土层表面打毛，使各层装填土层之间不出现断层，装填至棉秆埋深高度时，在棉秆隔层上下分别铺设2 层尼龙布和滤纸，棉秆样品取自塔里木大学水利与建筑工程学院试验田，将棉秆按1∶3∶6（叶∶桃∶秆）、长度3～5 cm（棉秆主茎用榔头破碎）、棉秆含水率50%进行铺设，压实后棉秆隔层厚度为5 cm（12×103kg/hm2）。

表1 棉秆隔层土柱蒸发试验设计Table 1 Soil column evaporation under cotton straw interlayer experimental design

PVC管侧面每隔10 cm螺旋布置孔径为2 cm的取样孔便于取土，试验时用橡皮塞堵住取样孔。土柱装填好后在砂砾石滤层部位打孔安装DN15的铜球阀，用塑料软管将球阀和自制马氏瓶相连，使液面高出砂砾石滤层5 cm。当马氏瓶中水量消耗完时，采用人工重新补水。地下水为试验基地重盐碱土的淋洗液和淡水配合而成，通过残渍法测定地下水矿化度g/L（y）和用DDS-308A电导率仪测定电导率值mS/cm（x）之间关系进行换算（y=0.345 4x+0.008 9，R²=0.9 834），地下水矿化度设计为3 g/L（电导率为8.7 mS/cm），试验布置见图1。同时采用高100 cm，相同直径（内径155 mm）的有机玻璃管测定室内水面蒸发。

图1 潜水蒸发试验装置Fig.1 Experimental apparatus for groundwater evaporation under cotton straw interlayer

1.3 试验测定方法

试验共计701 d，为了减少频繁取样导致取样孔周围土壤盐分误差，本试验主要探究棉秆隔层和地下水埋深对土壤盐分分布长期产生的影响，故取样间隔时间比较长，分别在试验后60、160、280 d和701 d时取样，用自制土钻取土，每次沿取样孔相同方向取土，由于单个取样孔取土量少，所以将3个重复土样混合成2份作为1个处理土样，取样后用初始土壤进行回填。采用烘干法测定土壤水分，风干土按照土水比1∶5采用电导率仪测定土壤盐分。根据试验基地土壤含盐量（g/kg）与土壤电导率（μS/cm）的关系（土壤含盐量（g/kg）=0.003 7×土壤电导率（μS/cm）+1.029 1，R2=0.98，n=115）计算土壤含盐量。室内水面蒸发和土柱水量观测时间同步。

1.4 数据处理

数据采用Microsoft Excel 2010 软件进行数据计算和绘图，DPS 进行方差分析和曲线拟合。

2 结果与分析

2.1 棉秆隔层和地下水埋深对潜水蒸发的影响

蒸发条件下不同深度棉秆隔层和地下水埋深潜水累计蒸发量和蒸发强度分别见图2 和表2。地下水埋深越深导致毛细管难以上升到地表，累计蒸发量和日均蒸发强度随地下水埋深的增加而减小。相对于水面累计蒸发量1 695.67 mm 和日均蒸发强度2.42 mm/d，1.0、1.5 m 和2.0 m 地下水埋深累计蒸发量比水面蒸发分别降低了28.34%、53.78%和79.83%，1.0 m 地下水埋深比1.5 m 和2.0 m 地下水埋深累计蒸发量分别增加了55.06%和255.33%；1.0、1.5 m和2.0 m 地下水埋深日均蒸发强度为1.74、1.12 mm/d和0.49 mm/d。但由于棉秆隔层的存在，对土壤水分蒸发起到一定的抑制作用，整体看棉秆埋深15 cm 阻减蒸发作用明显，而棉秆埋深30 cm 累计蒸发量和蒸发强度均大于其他棉秆埋深。地下水埋深为1.0 m 时，日均蒸发量为T1-30 处理>T1-45 处理>T1-60 处理>T1-15 处理，地下水埋深为1.5 m 时，日均蒸发量为T1.5-30 处理>T1.5-45 处理>T1.5-60 处理>T1.5-15处理，地下水埋深为2.0 m 时，日均蒸发量为T2-30处理>T2-45 处理>T2-60 处理>T2-15 处理。由于试验时间较长（701 d），埋深30 cm 棉秆容易腐烂致使阻减蒸发作用减弱，土壤蒸发增强，而棉秆埋深45 cm和60 cm 时空气稀少，其腐烂程度和速度较埋深30 cm慢，致使棉秆埋深30 cm 较埋深45 cm 和60 cm 土壤毛细管作用明显。

图2 不同棉秆和地下水埋深土壤蒸发过程Fig.2 Evaporation process with time for different cotton straw and groundwater buried

表2 不同棉秆和地下水埋深土壤蒸发强度Table 2 Soil evaporation under different cotton straw interlayer and groundwater depth

2.2 棉秆隔层和地下水埋深对土壤盐分时空分布的影响

蒸发条件下棉秆隔层和地下水埋深土壤盐分时空分布见图3—图5。随蒸发时间的延长土柱下部盐分向上层迁移使各处理盐分均出现表聚，盐分表聚量随地下水埋深增加而降低。1.0、1.5 m 和2 m 地下水埋深条件下耕作层0～30 cm日均积盐量分别为0.031、0.012 g/kg 和0.004 g/kg。棉秆隔层具有阻减盐分表聚的作用，地下水埋深1.0 m 棉秆隔层前期阻盐效果明显，随时间延长，棉秆阻蒸发作用降低，试验后161～280 d 之间棉秆隔层腐烂后，使前期阻隔在棉秆隔层以下的盐分随蒸发作用向土壤表层迁移，致使0～30 cm日均积盐量显著增加，后期日均积盐量又逐渐降低，随地下水埋深的增加，这一现象逐渐消失。试验前期（0～60 d）40 cm 以下土壤积盐量大于耕作层0～30 cm 积盐量，地下水埋深1.0、1.5 m 和2.0 m时浅层0～30 cm日均积盐量分别为0.011、0.010 g/kg和0.005 g/kg，而40 cm 以下土壤日均积盐量为0.064、0.046 g/kg 和0.037 g/kg。试验161～280 d 期间日均积盐量0～30 cm 大于40 cm 以下，地下水埋深1.0、1.5 m 和2.0 m 时浅层0～30 cm日均积盐量分别为0.057、0.014 g/kg 和0.003 g/kg，40 cm 以日均积盐量分别为0.006、0.004 g/kg 和0.001 g/kg。

图3 棉秆隔层和地下水埋深土壤盐分时空分布Fig.3 Temporal and spatial distribution of soil salt content with different cotton straw and groundwater depth

图4 不同棉秆和地下水埋深0～30 cm 之间土壤日均积盐量Fig.4 Daily salt accumulation in soil 0 to 30 cm with different cotton straw and groundwater depth

图5 不同棉秆和地下水埋深40 cm～地下水位之间土壤日均积盐量Fig.5 Daily salt accumulation in soil 40 cm to groundwater with different cotton straw and groundwater depth

试验期间地下水埋深1.0 m 和1.5 m 时，棉秆隔层设置在15 cm 处对耕作层0～30 cm 阻盐效果最好，T1-15 处理日均积盐量分别为T1-30、T1-45 处理和T1-60 处理的71.25%、87.15%和90.58%。T1.5-15 处理日均积盐量分别为T1.5-30、T1.5-45 处理和T1.5-60处理的41.91%、37.85%和34.90%。当地下水埋深为2.0 m 时由于土壤毛细管难以达到地表，主要依靠蒸发拉力促使盐分表聚，所以盐分表聚量较小，试验期间日均蒸发强度逐渐降低并未出现增大现象，T2-15处理阻盐效果依然最好，日均积盐量分别为T2-30、T2-45 和T2-60 处理的20.45%、26.63%和33.33%。不同棉秆和地下水埋深对土壤盐分的二因素方差分析表明棉秆埋深、地下水埋深及棉秆埋深和地下水埋深的互作均对土壤盐分产生极显著（P<0.01）影响（表3、表4），并且地下水埋深对土壤盐分的累计效应大于棉秆隔层对盐分的累计效应。

表3 不同棉秆和地下水埋深对土壤0～30 cm 盐分的二因素方差分析Table 3 Two-way variance analysis for testing the effects of 0～30 cm soil salt under different cotton straw interlayer and groundwater depth

表4 不同棉秆和地下水埋深对土壤40 cm-地下水位之间盐分的二因素方差分析Table 4 Two-way variance analysis for testing the effects of 40 cm to groundwater lavel soil salt under different cotton straw interlayer and groundwater depth

从整个土层积盐量来看，地下水埋深1.0 m 积盐量为T1-30 处理（13.76 g/kg）>T1-45 处理（12.80 g/kg）>T1-60 处理（11.30 g/kg）>T1-15 处理（9.12 g/kg）；地下水埋深1.5 m 积盐量为T1.5-60 处理（5.97 g/kg）>T1.5-45 处理（5.84 g/kg）>T1.5-30 处理（5.18 g/kg）>T1-15 处理（4.99 g/kg）；地下水埋深2 m 积盐量为T2-30 处理（3.50 g/kg）>T2-60 处理（2.88 g/kg）>T2-45 处理（2.82 g/kg）>T2-15 处理（2.74 g/kg）。可见，针对不同地下水埋深除棉秆隔层15 cm 浅埋外也可以选择其他深埋模式以降低盐分积累。

2.3 棉秆隔层和地下水埋深土壤盐分与累计蒸发量关系

地下水矿化度一定时，棉秆隔层和地下水埋深条件下耕作层0～30 cm 土壤盐分与潜水累计蒸发量关系可用线性函数y=ax+b进行描述（表5），耕作层土壤含盐量随潜水累积蒸发量的增加而增大，表现为线性关系的正相关，直线斜率a为土壤积盐速率的快慢，地下水浅埋时耕作层0～30 cm 土壤积盐越明显，耕作层0～30 cm 土壤积盐速率1.0 m 地下水埋深分别为1.5 m 和2.0 m 的1.84 倍和3.42 倍。

表5 棉秆隔层和地下水埋深下潜水累计蒸发量与耕作层0～30 cm 土壤盐分关系Table 5 Between accumulation evaporation and soil salt content for 0～30 cm tillage layer under different cotton straw interlayer and groundwater depth

3 讨论

3.1 棉秆隔层设置对潜水蒸发的影响

潜水蒸发是自然界水循环组成部分，指“潜水向包气带输送水分，并通过土壤蒸发或（和）植株蒸腾进入大气的过程”[23]，是SPAC 系统“4 水”中地下水向土壤水和大气水转化的主要形式，潜水蒸发受土壤毛管水上升高度、毛管输水能力和大气蒸发能力综合影响，地下水埋深增加，毛细管补给减弱导致潜水蒸发量强度逐渐降低，当潜水位埋深达到一定深度，潜水蒸发量趋向于0[24]。在土壤中设置秸秆隔层，隔层中大孔隙较多，与均质土壤交界面之间形成孔隙差异，阻断了土壤毛细管的连续性，导致土壤导水率降低，使棉秆隔层和均质土壤之间水分通量降低，切断了潜水上升通道，减弱潜水蒸发能力[8,14,18-19,21,25]。但秸秆腐烂与温度、水分、微生物等有关[26]，并且棉秆腐烂分解速率为翻埋高于地面覆盖[27]，秸秆隔层在15 cm 时离地表近，土壤含水率较低，减缓秸秆腐烂分解速率，因此导致试验过程中15 cm 棉秆埋深阻蒸发效果最好，而秸秆埋深30 cm 有利于秸秆腐烂，腐烂秸秆能够促进土壤团粒结构的形成, 改善土壤通

透性与保水保肥能力[28]，使其阻减蒸发作用降低，潜水蒸发量最大，但当秸秆埋深在60 cm 时，土壤湿度虽然增加，但是通气性减低，导致秸秆不易腐烂，土壤毛管作用不明显，潜水蒸发量小。

3.2 棉秆隔层对潜水蒸发的盐分阻减效应

蒸发过程潜水中的盐分随土壤毛细管向上迁移，水分蒸发后盐分积累在土表，盐分表聚现象明显[5,10,29-30]，耕作层0～30 cm 土壤积盐速率随地下水埋深增大而减小，土壤含盐量随潜水累计蒸发量的增加而增大，表现为线性正相关关系[9,31]，棉秆隔层设置可阻止深层土壤盐分向浅层表聚[8,19-21]，土壤中棉秆隔层设置可以破坏土壤毛细管连续性，抑制潜水蒸发和地表返盐[14,18-20,32]，研究表明，秸秆隔层在15 cm处对潜水蒸发的抑盐效果最好，并且棉秆隔层对土壤耕作层0～30 cm 阻盐效应主要表现在蒸发前期，随蒸发持续和秸秆隔层的腐烂，土壤通透性增加，将早期阻隔在秸秆隔层以下的盐分快速向耕作层迁移，使得0～30 cm 土壤盐分出现积累。

4 结论

1）随地下水埋深增加，蒸发量和蒸发强度均减小。棉秆隔层设置在15 cm 深度阻减蒸发作用明显，累计蒸发量和蒸发强度最小，而棉秆埋深30 cm 阻蒸发作用最小。

2）耕作层0～30 cm 土壤积盐量随地下水埋深减小而增加。试验前期（0～60 d）40 cm 以下土壤日均积盐量大于耕作层0～30 cm日均积盐量，试验中期（161～280 d）0～30 cm日均积盐量大于40 cm 以下日均积盐量。棉秆埋深15 cm 对耕作层0～30 cm 阻盐效果最好。

3）土壤积盐量随潜水累计蒸发量增加而增加。耕作层0～30 cm 土壤积盐量与潜水累计蒸发量关系可用线性函数描述。