棉秆与风积沙混掺隔层对土壤水分入渗及水盐迁移特性的影响

王立成，朱 珠，孔芊芊，朱连勇

（塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

0 引 言

新疆地处亚欧腹地干旱区，长期以来降水少蒸发强，水资源短缺和盐碱胁迫已经成为威胁农田土壤适耕性的重要障碍因子，迫切需要改善土壤耕层生境以提升农业生产力［1］。近些年，通过秸秆隔层调控土壤水盐成为研究热点。张金珠等［2］发现秸秆越长，对土壤水分的蓄持作用以及剖面盐分的淋洗效果越好。但卢闯［3］认为秸秆长度越短、形态越细，隔层以上土壤含水率越高，淋洗过程中盐分的去除度更高。虎胆·吐马尔白等［4］通过综合试验资料和数值模拟得出隔层埋设处产生了盐分积聚现象。常芳弟等［5］在为期4年的大田试验中发现秸秆隔层能够降低隔层以上土层含盐量，但会提高隔层以下土层含盐量。SONG 等［6］研究还表明，秸秆覆盖和秸秆深埋相结合保水抑盐效果更佳。也有部分学者结合区域资源禀赋与当地土壤水文特性进行了压沙或夹沙层的研究。赵文举等［7］研究了不同压沙层厚与粒级对土壤水盐运移特性的影响，结果表明抑蒸效果与压沙厚度和细沙比例皆成正相关关系。陈建生等［8］在室内土柱中设置夹砂层进行模拟降雨入渗试验，结果表明砂夹层具有减缓水流下渗的作用，机理在于砂层的薄膜水持水量与上下土层之间存在的差异。郭志鹏［9］认为土石混合隔层对累计入渗量的影响存在比例阈值，且阈值随隔层的位置变化而变化。

综上所述，以往的研究多是围绕单一秸秆的隔层展开，部分涉及到了土壤水盐迁移特性对压沙或夹砂层的响应，但鲜见秸秆隔层掺沙对土壤水分入渗及水盐迁移影响的报道。新疆丰富的棉秆资源面临季节性、结构性过剩的问题［10］，且风蚀荒漠分布广，绿洲耕种区土地荒漠化风险突出［11］。因此，如何科学利用秸秆、防治土壤荒漠化、解决农耕土地干旱盐碱问题成为此地农业可持续发展的主要挑战。基于此，本文通过室内土柱试验，探究不同棉秆隔层掺沙比例对土壤水分入渗及水盐时空动态分布的影响，旨为新疆旱区建立科学的秸秆混沙隔层水盐调控机制，提高水分利用效率与防治土壤盐渍化提供相关参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自塔里木大学水利与建筑工程学院试验基地（塔里木河上游阿拉尔市， 81°18′5″E、40°32′20″N）［12］，取样深度0 至20 cm，自然风干后过2 mm 筛备用。秸秆为2021 年试验田风干棉秆，当年11月中旬拔柴置田埂风干后，经粉碎机（3 800 r/min）粉碎备用。供试风积沙取自新疆阿拉尔市周边。

表1 供试土壤颗粒分布与理化性质Tab.1 Soil particle distribution and physicochemical properties

表2 供试风积沙颗粒组成%Tab.2 Particle composition and moisture content of aeolian sand

表3 供试棉秆粉碎筛分值%Tab.3 Cotton stalk crushing screening value and moisture content

1.2 试验设计

试验设计7 个混沙比例0%、50%、75%、85%、90%、95%、100%（质量占比，分别用T0、T50、T75、T85、T90、T95、T100 表示），加上对照CK 共8 个处理，每个处理3 个重复。采用亚克力有机玻璃土柱（高120 cm，外径30 cm），侧壁均匀分布采样孔，底部设反滤层与透气孔，隔层设置在30 至35 cm 处，入渗水量19.7 L（控制为装填土层含水饱和的水平），以试验室制备的去离子水进行垂向积水入渗试验。

试验中按照“先密后疏”的时间原则记录不同时刻湿润锋面位置和入渗水位，积水入渗完毕停止记录。水分入渗结束时及再分布两天后通过不同位置取样孔取样，取样深度分别为5、15、25、35、45、55、65 和75 cm，采用烘干法和电导率法（水土比5∶1）测定含水率和电导率。

1.3 数据处理

试验中采集的数据用Microsoft Excel 2019 与origin 2021 做图，IBM SPSS Statistics 26进行统计分析，使用ANOVA单因素方差分析和LSD显著差异检验进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 混掺比例对湿润锋运移特征的影响

湿润锋为水分迁移前沿与干土层之间形成较为明显的干湿交界面，随时间的变化特性如图1 所示。在湿润峰到达隔层之前，棉秆掺沙隔层处理的湿润锋推进特征曲线与CK 一致，可近似为光滑的曲线，在30 至35 cm 附近出现了湿润锋运移的短暂停滞或不稳定波动，原因为隔层的存在造成界面处土水势差异，破坏了均质土壤孔隙的连通性，层间孔隙的形态与大小也不一致，引发优先流现象。之后秸秆隔层掺沙处理间差异变大，但均逐渐呈现出线性变化的特征。CK 的湿润峰推进特征整个过程均为光滑的曲线，且推进明显较秸秆掺沙隔层要快，以入渗1 050 min 为例，湿润锋运移表现为CK＞T100＞T90＞T75＞T85＞T50＞T95＞T0，其中CK 最远距离为75.3 cm，T100 次之为61.5 cm，T0 最小为48.94 cm，T95 仅大于T0 为54.22 cm，T50、T75、T85、T90之间差异不明显（P＞0.05）。

图1 湿润锋随时间的变化Fig.1 Dynamic change of wetting front

图2表明，T0、T50、T75、T85、T90、T95、T100 入渗历时与CK相比，分别延长了82.54%、38.10%、34.92%、36.51%、32.28%、73.02%、31.75%。方差分析可知棉秆掺沙隔层处理与CK 之间差异显著（P＜0.05），秸秆掺沙隔层延长了入渗时间。其中， T0和T95 入渗时间较长，T50、T75、T85、T90 和T100 入渗时间较短且差异不明显，T50 与T85 无显著差异（P＞0.05），T75、T90 与T100之间无显著差异（P＞0.05）。

图2 入渗时间Fig.2 Infiltration time

2.2 混掺比例对累计入渗量变化规律的影响

累计入渗量与时间的变化规律见图3。入渗初始不同处理累计入渗量随时间的关系曲线斜率均较大，入渗速率较快，随时间不断增大的变化趋势基本一致。入渗水分推进至隔层位置后，入渗速率趋缓且差异逐渐变大。CK 整个入渗过程呈现出一条光滑的曲线，其余处理在入渗至隔层深度之后呈现出线性变化的趋势，处理间累计入渗量差异也不断增大。同样以入渗至1 050 min 为例，累计入渗量表现为CK＞T50＞T75＞T90＞T85＞T100＞T95=T0，CK最大为23.3 cm，T0与T95最小均为16.9 cm。T0、T50、T75、T85、T90、T95、T100 与CK 相比分别减少了27.47%、12.88%、15.49%、16.74%、16.74%、27.47%、20.60%。此时刻各处理累计入渗量差异显著（P＜0.05），多重比较得出，T0与T95之间差异不显著（P＞0.05），T75与T90之间差异不显著（P＞0.05），其余处理两两之间差异显著。

图3 累计入渗量随时间的变化Fig.3 Dynamic change of cumulative infiltration

为进一步探究棉秆隔层掺沙比例与累计入渗量之间的关系，采用Kostiakov 入渗模型对累计入渗量与时间之间的关系数据进行拟合［13-15］，其中秸秆掺沙隔层处理以入渗至30 cm 为分界点，以上采用Kostiakov 入渗模型，以下采用线性模型；CK 整个浸润层均采用Kostiakov 入渗模型。

由表4可知，拟合结果决定系数均大于0.97，均方根误差最大为0.542 6，模型与试验数据之间一致性较好。结合图3 和表4 可知，除CK 外，入渗至30 cm 之后进入线性入渗阶段，时间与累计入渗量关系曲线的斜率表现为T100＞T85＞T90＞T75＞T50＞T95＞T0，说明此阶段T100 入渗速率最快，T0 与T95 入渗速率较慢，与湿润锋和累计入渗量的分析结果一致。

表4 累计入渗量与时间模型拟合参数表Tab.4 Cumulative infiltration and time model fitting parameter table

2.3 混掺比例对剖面水盐分布特性的影响

2.3.1 棉秆掺沙隔层对土壤水分分布的影响

土壤含水率分布在入渗结束时与入渗结束两天后均呈现出上层高下层低的趋势，且土壤含水率随深度变化差异显著（P＜0.05）（图4，图4 中不同小写字母代表入渗结束时含水率差异显著（P＜0.05），不同大写字母代表入渗结束两天后含水率差异显著（P＜0.05），下同）。入渗结束时，土壤上层含水率（5、15 与25 cm 深度土壤含水率平均值，图5）表现为：T95＞T0＞T50＞T85＞T90＞T75＞T100＞CK，T100与CK 无显著差异（P＞0.05），其余处理之间无显著差异（P＞0.05），且均显著高于CK处理（P＜0.05）。说明棉秆掺沙隔层可提高土壤上层的含水率，纯沙隔层的持水效果低于棉秆掺沙隔层。在经过两天的水分再分布后，土壤上层的含水率下降，下层的含水率上升，各处理土壤水分分布均匀度均较入渗结束时有所提升，CK 含水率随深度变化无差异（P＞0.05）。土壤上层含水率以T0 最高，T95 次之，CK 最低，与入渗结束时一致。说明T0的持水性最好，T95次之，CK最差。

图4 不同深度含水量分布图Fig.4 The distribution of water content at different depths

图5 土壤上层含水率Fig.5 Upper soil water content

2.3.2 棉秆掺沙隔层对土壤电导率变化的影响

电导率是表征土壤含盐量信息的间接指标［17，18］。水分入渗结束及入渗结束两天后电导率分布均呈现出上低下高的现象，同时呈现出随深度逐渐增大的趋势（图6）。水分入渗完成时，土壤上层盐分被淋洗至土壤下层，上层盐分淡化，下层一定程度积盐，整个深度范围内盐分分布差异显著（P＜0.05）。入渗结束两天后，随着水分的再分布，土壤盐分也发生了再分布，土层上部的盐分淡化与底部的积盐状态均未改变，但土层中部（30～60 cm 深度）的盐分出现了一定程度的下移。以电导率值（EC表示，图7）为639.2 的等值线为例，盐分再分布过程中其位置出现了一定程度的下移，形状被一定程度拉平。其中，以T0与T95 处理下移幅度最大。对不同处理而言，上层盐分淋洗效果相当，下层差异明显。整个湿润层范围，以CK和T0的盐分淋洗效果最好，其余处理土层底部出现一定积盐，原因可能是供试风积沙颗粒的基础含盐量比供试土样高的缘故。

图6 不同处理电导率分布图Fig.6 Electrical conductivity distribution of different treats

图7 不同深度电导率分布图Fig.7 Electrical conductivity distribution of different depths

3 讨 论

3.1 棉秆掺沙隔层处理的入渗特性

秸秆掺沙隔层使近似均质的土壤剖面结构变为层状结构，进而改变了土壤的入渗过程。隔层以上土体的入渗过程，无论是湿润锋推进距离还是累计入渗量随时间的变化关系都是一条近似光滑的曲线。但当入渗锋面到达秸秆掺沙隔层处时，湿润锋推进出现了停滞或者仅是浸润了部分隔层就停滞不前，这与李睿冉等［19］的研究一致。虽然二者隔层材料不同，但影响水流运动的机理却是一致的。土壤上层和隔层的质地与孔隙特性不同，导致层间土水势存在差异，只有在上层蓄水使得土水势上升至与隔层土水势相同时，入渗才会继续向下推进。同样由于土壤层间的质地与结构差异，使得入渗过程中秸秆掺沙隔层各处理均出现了一定的优先流现象。这与赵永敢等［20］的研究一致。本研究发现掺沙比例越高优先流现象消失的越快，可能是掺沙比例越高，层间孔隙的大小均匀度差异越小的原因。整体而言，棉秆掺沙隔层阻滞了水分入渗，延长了入渗历时。综合湿润锋和累计入渗量两方面数据可以得出CK和T100入渗较快，T0 和T95 入渗速率较慢，说明沙隔层的湿润锋推进速度要快于秸秆隔层，这与刘娜［21］的研究结果一致。掺沙95%的秸秆秸秆隔层抑渗效果与纯秸秆隔层相当，没有呈现出与其他混掺比例类似的阻渗规律。一方面原因是可能是此组合比例下秸秆掺沙隔层结构的级配分布，提高了隔层结构的致密性［22］，叠加层状结构界面处土水势差异的影响，使得阻渗水流下渗特性在掺沙比例95%达到最优。另一方面，秸秆混沙提高了隔层中的封闭气泡，阻断了水流通道，减小了过水面积，从而增强了沙的阻渗性［23，24］，当然也不排除一定程度由于试验装置及操作等方面误差带来的扰动影响。试验中，T100与其他不同掺沙比例的棉秆隔层相比，同一时刻湿润锋运移相对较快，但累计入渗量不是很大，原因是风积沙的饱和含水率较低水势较高，在湿润锋前沿越过隔层之后，因隔层以下风干土的水势与之差异过大从而导致湿润锋会加速推进。

3.2 棉秆掺沙隔层处理的水盐分布特性

棉秆掺沙隔层改变了耕层下垫面的性质，打破了土壤毛管自然状态下的连续性，进而改变了水分的迁移与分布特征。水分入渗结束后，浸润层水分分布不均，棉秆掺沙隔层处理上层含水率显著高于CK，表现出了较好的阻渗的性能，与Zhang等［25］的研究结果一致。积水入渗结束后，土层中含水率超过田间持水量的部分，在重力势和基质势的作用下水分会有一个再分布过程。综合两个时间点的水分分布状况，秸秆掺沙隔层能提高隔层以上土壤入渗后的含水率和储水量，这与郭相平等［26］的研究结果均一致。T0 和T95 在两个时间点的隔层以上土层含水率均高于其他处理。秸秆隔层对隔层以上土壤具有减渗效应已得到众多学者的研究认可［21，27，28］。混掺风积沙比例95%的棉秆隔层同样具有较好的减渗效应，可能是因为此比例下隔层结构级配分布致密性较好，秸秆掺沙形成大小不一、形态与弯曲度各异的封闭气泡，阻塞了水分迁移通道，从而实现了良好的阻渗持水效应［21］。

棉秆掺沙隔层能够将盐分控制在隔层以下，为隔层以上土壤创造一个高水低盐的适耕环境，王国丽［28］结合根箱与微区试验也得到了同样的结果。刘娜［21］认为埋设秸秆隔层初期水盐调控作用最明显，而埋设秸砂组合隔层后期水盐调控作用较好，与此研究不一致的原因是二者试验开展的时间尺度与试验方法不同。再分布过程中，土壤上层的盐分淡化状态与底部的积盐状态并没有改变，而土层中部的盐分则出现了一定程度的下移，与李毅等［29］的研究结果一致。再分布过程中T0与T95中部盐分下降幅度大于其他处理，原因是水分入渗结束时阻持的水分较多，饱和区和过渡区水分还有一个动态的分布过程，盐分迁移与水分运动高度相关，则盐分的再分布迁移程度就比较高。纵观整个入渗及再分布过程，CK 在整个湿润层盐分淋洗比较充分，秸秆掺沙隔层处理只在土层上部与中部有较好的盐分淡化效果，与卢闯等［24］的研究结果不一致，他们认为秸秆隔层的设置增强了盐分淋洗效果，提高了洗盐率。可能是供试土壤与风积沙的盐分含量差异、渗水条件与试验尺度不同的缘故。

考虑到新疆棉秆还田的主要方式为粉碎还田［30］，研究选取粉碎形态的棉秆掺沙作为隔层，下一步应加强对其他形态的棉秆掺沙隔层进行研究。另外室内土柱试验无法复现原状土的自然状态与田间作物实际生长环境，为更好的探究秸秆掺沙隔层对水盐分布特性的影响，还需跟进开展田间试验予以验证。

4 结 论

（1）棉秆掺沙隔层阻滞水分入渗，延长了入渗时间，不同掺沙比例对入渗历时有显著影响。CK 入渗最快，T0 和T95 入渗时间较长，T50、T75、T85、T90 和T100 入渗时间较短，且差异不明显。

（2）棉秆掺沙隔层对隔层以上的累计入渗量时间特性与湿润锋推进规律无影响，对隔层以下的影响差异显著，T0 阻渗效果最好，T95次之。

（3）累计入渗量随时间的变化关系，CK 可用Kostiakov 模型描述。而棉秆掺沙隔层处理在隔层以上范围Kostiakov 模型拟合情况较好，以下线性模型描述较好。拟合决定系数均大于0.98，试验数据与拟合模型之间一致性较好。

（4）水盐分布对秸秆掺沙隔层的响应显著。入渗结束时，含水率随深度逐渐降低，土壤上层含水率T0 最高，T95 次之，上层盐分淡化、底部积盐。两天后，水分分布趋于均匀，土层中部的盐分出现了一定程度的下移，T0和T95下移幅度最大。

综合湿润锋、累计入渗量等入渗特性指标与水盐运移与重分布规律，为提高水分利用效率与改善作物生长水盐环境，建议在新疆旱区推广应用秸秆隔层与秸秆隔层混掺95%风积沙农艺措施。