覆砂对滨海盐碱土水盐分布及蒸发特性的影响研究

胡 岸，陈东辉，王亚钊，邓亚鹏

（1. 石家庄市水利技术推广中心，河北 石家庄 050000； 2. 上海澄域环保工程有限公司，上海 201400）

0 引 言

盐碱地是重要的土地后备资源，其合理开发与利用对稳粮稳产具有重要意义［1］。据统计，我国约有65.8 万km2的盐碱土未用于农业生产，主要分布在东北、华北、西北及东部沿海在内的17个省区。这些地区也是我国重要的粮食产区，但由于土壤水分蒸发强烈、地表盐分积聚严重等不利因素，已造成作物生长困难，产量低下，阻碍了当地经济的发展［2-4］。

国内外在盐碱土水盐调控方面进行了大量的研究。其中，砂石覆盖是解决我国盐碱地区水资源短缺、土壤蒸发强烈的重要措施，在减少提高土壤蓄水保墒能力、抑制盐分表层积聚等方面具有重要作用［5-7］。赵文举［8］等研究了覆砂对土壤水盐运移的影响，指出覆砂能抑制表层盐分积聚，增大土壤含水率。唐德秀［9］等研究表明在植物生长期内，土壤蒸发随覆砂量的增加而降低。

砂石覆盖对非盐碱土土壤蒸发入渗、作物生长发育等方面的研究已取得了重大进展。但对盐碱土水盐分布特征变化的研究还鲜有报道。因此，本文对不同砂石覆盖度下滨海盐碱土土壤水盐分布及蒸发强度变化进行分析，以期为盐碱地区抑盐、保墒、改土、增产等提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土样取自河北省沧州市“渤海粮仓”科技项目工程示范区，采样深度为0～40 cm，土壤容重为1.38 g/cm3，含盐量为3 g/kg，pH 为8.24。采用吸管法测定土壤各粒级相对含量，结果见表1，覆盖材料选用粒径为0.5～1 cm的砂石。

表1 土壤颗粒级配相对含量Tab.1 Relative content of soil particle gradation

1.2 试验设计

本试验装置为植物试验盆（盆高120 mm，上口直径160 mm，下口直径120 mm，容积1 800 mL），盆底铺设200 g 粒径为2 mm 的石英砂，将2 100 g风干土壤置于盆内，上部预留1 cm 以覆盖砂石，覆盖度［砂石覆盖面积与试验盆横截面积之比，黑色部分为砂石覆盖，图1（c）］按照0、25%、50%、75%和100%（分别以CK、S1、S2、S3 和S4 表示）铺设，每个处理重复20 次，并进行编号，选择r，s，t3组［图1（b）］进行称重。试验开始时间为2022年3 月10 日，持续20 d，地点在石家庄市水利技术推广中心，试验期间室内温度为16～20 ℃。

图1 试验装置图Fig.1 Diagram of the test device

1.3 试验流程

根据r，s，t3 组称重值差值的平均值和时间间隔来计算土壤累积蒸发量和蒸发强度；剩余17 组装置依次由药品匙分层（0～2、2～4、4～6 和6～10 cm）取样，按顺序通过破坏性取样测定其土壤含水率和电导率（含盐量）。土壤蒸发强度测定时间为8时到20 时［10］，0～5 d 按照每4 h 测定一次，6～10 d 按照每12 h 测定一次，11～20 d按照每24 h测定一次；土壤含水率和电导率1～10 d按照每24 h测定一次，11～20 d按照每36 h测定一次。试验期间，土壤水盐数据和蒸发数据分别采集17 和40 次。土壤含水率由烘干法测定，电导率值由电导率仪（DDS-308A，上海雷磁）测定。

1.4 数据分析

（1）土壤含水率计算公式：

式中：θ为土壤含水率，%；mw为土壤中水分质量，g；m湿为湿土质量，g。

（2）土壤蒸发强度计算公式：

式中：E为土壤蒸发速率，mm/h；ΔM为r，s，t三组前后称重数据的差值，g；A为植物试验盆盆口面积；mm2；ρ为水的密度，g/cm3；Δt为前后称重的时间差，h。

试验数据计算和作图分别由Excel 2016 和Origin 2018完成。

2 结果与分析

2.1 覆砂对土壤水分的影响

2.1.1 覆砂对土壤表层含水率的影响

各处理的土壤表层0～2 cm 土壤含水率的变化过程见图2。可知，试验结束时，CK、S1、S2、S3 和S4 处理土壤表层0～2 cm 含水率比试验开始时分别下降了85.89%、77.63%、69.85%、56.89%和53.07%；S1、S2、S3 和S4 土壤表层0～2 cm 含水率比CK 处理分别增加了58.57%、113.71%、205.61%和232.71%。从图2 还可以看出，各处理土壤表层含水率均随着时间的推移而下降，土壤表层含水率随砂石覆盖度的增加呈上升趋势，且CK处理土壤表层含水率随时间的推移呈现出指数型降低趋势，覆盖处理呈现出线性降低趋势（表2），说明覆砂在试验期间有较好的蓄水保墒效果，能有效抑制土壤表层水分散发，且土壤蒸发在试验前期中的抑制能力要优于试验后期。

图2 土壤表层（0～2 cm）含水率随时间变化关系Fig.2 The relationship between soil surface （0～2 cm）moisture content and time

2.1.2 覆砂对土壤剖面含水率的影响

各处理的土壤剖面的含水率的变化过程见图3，可以看出，土壤含水率随着土壤深度的增加呈增加趋势，试验期间，CK 处理2～4、4～6和6～10 cm土层土壤含水率较表层0～2 cm含水率分别增加了3.63%、6.57%和5.68%，覆盖处理2～4、4～6 和6～10 cm土层土壤含水率较表层0～2 cm 含水率分别增加了11.25%、13.60%和12.11%，CK、S1、S2、S3和S4处理2～10 cm土层土壤含水率较表层0～2 cm 土壤含水率分别增加了5.29%、18.15%、11.35%、9.39%和11.37%。试验结束时，S1、S2、S3 和S4 土壤剖面含水率比CK 处理分别增加了82.41%、128.63%、177.58%和220.91%，CK 处理土壤剖面含水率明显低于其他处理，覆盖处理土壤剖面含水率随着砂石覆盖度的增加呈线性增加趋势（y= 12.274x+ 26.374，R2= 0.940 2）。

图3 土壤剖面水分随时间变化关系Fig.3 Relationship of soil profile moisture with time

2.2 覆砂对土壤盐分的影响

2.2.1 覆砂对土壤表层（0～2 cm）盐分含量的影响

图4反映了各处理表层（0～2 cm）土壤盐分随时间的变化关系， 可以看出，各处理土壤表层含盐量随着时间的推移均呈递增趋势，土壤表层含盐量随砂石覆盖度的增加而呈现降低趋势。试验结束时，CK、S1、S2、S3 和S4 处理土壤表层0～2 cm 盐分含量比试验开始时分别增加了356.48%、252.78%、229.63%、160.19%和146.30%；S1、S2、S3 和S4 土壤表层盐分0～2 cm 含量比CK 处理分别降低了22.72%、27.79%、43.00%和46.04%。此外，在试验初期（0～200 h），CK 处理土壤表层盐分含量迅速上升，较试验初期增加了258.33%，而S1、S2、S3和S4处理较CK 分别降低了11.72%、35.98%、63.60%和86.61%；试验后期（200～480 h），CK处理盐分增长速度减缓，S1、S2、S3 和S4土壤表层0～2 cm 盐分变化量较CK 处理分别降低了57.53%、34.93%、41.10%和13.70%。说明覆砂能够有效抑制土壤表层盐分积聚，在蒸发前期有较好的抑盐效果。

图4 土壤表层（0～2 cm）电导率随时间变化关系Fig.4 The relationship between soil surface （0～2 cm）conductivity and time

2.2.2 覆砂对土壤剖面盐分含量的影响

图5 反映了各处理土壤剖面含盐量随时间的变化关系，试验开始时，土壤盐分剖面分布均匀；试验结束时，深层土壤的盐分含量高于土壤表层，且各处理土壤盐分含量随土层深度的增加呈下降趋势。试验期间，S1、S2、S3 和S4 处理0～10 cm 土层土壤剖面电导率比CK 处理降低了11.76%、8.11%、7.15% 和10.64%；无覆盖处理2～4、4～6 和6～10 cm 土层土壤电导率较表层0～2 cm电导率分别降低了39.26%、45.32%和53.83%，覆盖处理2～4、4～6和6～10 cm土层土壤电导率较表层0～2 cm电导率分别降低了（S1～S4 的0～2 cm 土层含盐）18.57%、27.50% 和31.82%，CK、S1、S2、S3 和S4 处理表层0～2 cm 土壤电导率较2～10 cm 土层土壤电导率增加了85.65%、73.90%、45.52%、22.38%和5.15%，砂石覆盖对0～10 cm 土层土壤剖面电导率抑制能力低于0～2 cm 土层。砂石覆盖会导致土层间含盐量趋于一致，改善土壤盐分空间分布，说明砂石覆盖能有效降低土壤盐分含量。

图5 土壤剖面盐分随时间变化关系Fig.5 The relationship between soil profile salinity and time

2.3 覆砂对土壤蒸发的影响

2.3.1 覆砂对土壤蒸发强度的影响

土壤蒸发强度随时间的推移呈下降趋势（图6），0～200 h，土壤蒸发强度较大，CK、S1、S2、S3和S4处理土壤蒸发强度分别为0.11、0.09、0.08、0.07 和0.07 mm/h；200～480 h，土壤蒸发强度降低，CK、S1、S2、S3 和S4 处理土壤蒸发强度分别为0.04、0.04、0.03、0.02 和0.02 mm/h。试验期间，CK、S1、S2、S3 和S4 处理土壤平均蒸发强度分别为0.07、0.06、0.05、0.04 和0.04 mm/h，S1、S2、S3 和S4 处理土壤平均蒸发强度分别比CK 处理降低了15.51%、29.08%、41.01%和48.82%；土壤蒸发强度随砂石覆盖度的增加而呈减低趋势。

图6 土壤蒸发强度随时间变化关系Fig.6 Variation of soil evaporation intensity with time

图7 累积蒸发量随时间变化关系Fig.7 The relationship of cumulative evaporation with time

2.3.2 覆砂对土壤累积蒸发量的影响

各处理土壤累积蒸发量均随时间的延长呈指数型增加趋势。0～200 h，各处理累积蒸发量迅速增长，CK、S1、S2、S3 和S4处理土壤累积蒸发量分别为21.43、18.03、15.95、14.14 和12.55 mm，S1、S2、S3和S4处理土壤累积蒸发量分别比CK处理降低了15.88%、25.57%、34.04%和41.43%；200～480 h，CK、S1、S2、S3和S4 处理土壤累积蒸发量分别为12.01、10.22、7.77、5.59 和4.56 mm，S1、S2、S3和S4处理土壤累积蒸发量分别比CK处理降低了14.86%、35.34%、53.46%和62.01%。试验结束时，CK、S1、S2、S3和S4 处理土壤累积蒸发量分别为33.44、28.25、23.72、19.72 和17.11 mm。土壤累积蒸发量随砂石覆盖度的增加呈递减趋势，说明砂石覆盖能有效降低土壤累积蒸发量。

3 讨 论

3.1 覆砂对土壤水分的影响

水分是植被的正常生长发育的必需元素，提高水分利用效率是提高作物产量的重要措施［11］。本研究中，覆盖处理土壤平均含水率均高于CK 处理，可能是由于砂石覆盖能有效保持土壤水分，抑制土壤水分散发，且随着砂石覆盖度的增加抑制效果增加，这与付亚亚［12］等的研究基本一致。试验期间，CK 处理呈对数型下降趋势，而覆盖处理呈直线型下降趋势，可能是由于砂石覆盖会降低土壤表面潜热通量，一定程度上抑制了水汽直接向大气直接扩散，部分水蒸气附着在砂石颗粒上，降低土壤水分向大气散发，进而保持土壤水分含量［13］。此外，试验期间主要为第二阶段土壤蒸发，受到空气动力学阻力、土壤含水率等因素影响，而砂石覆盖能增大空气动力学粗糙度，土壤蒸发阻力变大，进而减缓土壤水分散发，导致土壤含水率随砂石覆盖量的增加而增加［14］。

3.2 覆砂对土壤盐分的影响

砂石覆盖遵循“盐随水来、盐随水去”的水盐运动规律，在保持土壤水分的同时也抑制了土壤盐分积聚［15］。本研究中，各处理表层盐分含量随时间的推移呈上升趋势，且表层盐分含量随砂石覆盖量的增加而降低，可能是由于砂石覆盖降低了土壤蒸发强度，减缓了可溶盐随水分向土壤表层运输的效率，进而降低土壤表层盐分含量［16］。此外，试验结束时，土壤盐分空间分布逐渐趋于均匀，土壤表层和深层土壤含盐量的差值随着砂石覆盖度的增加而减小，可能是由于“盐随水行”，砂石覆盖抑制土壤水分移动的同时也降低了土壤盐分向表层运输能力［17］。

3.3 覆砂对土壤蒸发的影响

本研究中，随着砂石覆盖度的增加，土壤蒸发强度和累积蒸发量呈降低趋势，可能是由于砂石覆盖不仅增大了土壤表面覆盖阻力，且在一定程度上改变了空气动力学粗糙度，增大了空气动力学阻力，减小土壤表面与大气接触面积，降低了土壤热通量，阻碍了土壤水分蒸发，这与Qiu［18］等研究的基本一致；此外，200～480 h 中，土壤蒸发强度减弱，可能是由于土壤含水率相对较低，毛细管发生断裂，水汽由土壤孔隙扩散至大气，蒸发受到抑制，减小了土壤蒸发强度［19］。

4 结 论

（1）覆砂能有效保持土壤水分，土壤含水量随着砂石覆盖度的增加而增加；与CK 处理相比，覆砂处理土壤表层含水率比CK增加了58.57%～232.71%，剖面平均含水率比CK处理增加了82.41%～220.91%。

（2）覆盖处理表层土壤盐分含量较CK 降低了22.72%～46.04%，土壤剖面盐分含量较CK 降低了7.15%～11.76%。试验结束时，盐分主要积聚在土壤表层，表层土壤盐分含量较2～10 cm 土层土壤盐分含量增加了5.15%～85.65%，砂石覆盖能有效抑制土壤表层积聚，提高土壤剖面盐分空间分布均匀性，且随着砂石覆盖度的增加，土壤盐分含量的差异减小。

（3）试验期间，覆砂处理土壤蒸发强度比CK 处理降低了15.51%～48.82%，覆砂有效抑制土壤蒸发，且土壤平均蒸发强度随砂石覆盖度的增加而呈降低趋势。