土壤鹽結皮人工培育及其破損程度對土壤蒸發的影響

張建國，李紅偉，李雅菲，李雨諾，馬 悅，田樂樂，張宇新

土壤鹽結皮人工培育及其破損程度對土壤蒸發的影響

張建國1,2，李紅偉1，李雅菲1，李雨諾1，馬 悅1，田樂樂1，張宇新1

（1. 西北農林科技大學資源環境學院，農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，楊凌 712100；2. 西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，楊凌 712100）

土壤鹽結皮在干旱半干旱區廣泛發育，對地表土壤水文過程具有重要影響，而外力對鹽結皮的機械破損干擾現象普遍存在。該文以塔克拉瑪干沙漠流動風沙土為例，通過室內試驗利用不同礦化度(5、10、20和30 g/L)的不同鹽溶液（NaCl、Na2SO4、CaCl2、KCl）模擬咸水灌溉下鹽結皮的形成發育過程，根據鹽結皮理化性質確定了其最適人工培育條件，并在此基礎上模擬了鹽結皮不同破損程度（破損100%、破損50%、破損25%和無破損）影響下的土壤蒸發過程。結果表明：鹽結皮的硬度、抗剪切力、pH值和電導率通常隨著灌溉水礦化度的增加而增大，采用30 g/L NaCl溶液培養鹽結皮厚度和硬度均較大；土壤日蒸發量隨鹽結皮破損程度的增加而增加，并隨灌水天數呈遞減趨勢；土壤累積蒸發量隨灌水天數以及破損程度的增加而增大，鹽結皮破損100%的土壤日蒸發量和累積蒸發量與其他各處理之間有顯著性差異；鹽結皮對土壤蒸發的累積蒸發抑制效率隨灌水時間的延長呈遞增趨勢，隨破損程度的增加而降低，鹽結皮無破損處理的累積蒸發抑制效率最高達58.84%，而破損50%的處理最大僅為30.20%。總之，土壤鹽結皮的人工培育在方法上是可行的，其對土壤水分蒸發具有明顯的抑制作用，且其破損程度對蒸發過程具有顯著影響。這對于揭示干旱半干旱區鹽漬土壤水文過程和指導水土資源的合理利用具有重要意義。

土壤；鹽；蒸發；結皮；人工培育；理化性質；破損程度

0 引 言

在氣候條件較為干旱的地下水淺埋區，由于土壤水分的蒸發使得易溶性鹽分聚集與地表土壤顆粒結晶膠結形成土壤鹽結皮[1]。鹽結皮多形成于降水稀少、蒸發強烈的氣候環境[2]，具有鹽分含量高、硬度大、抗風蝕能力強等特點[3]。此外，土壤鹽結皮在咸水灌溉條件下同樣也可以廣泛發育，如塔克拉瑪干沙漠公路防護林由于采用高礦化度地下咸水（礦化度范圍為2~28 g/L）灌溉形成了鹽分含量很高的鹽結皮層[4]。

學者們對于鹽結皮的形成發育、影響因素、鹽結皮覆蓋對植被生長的作用以及其對土壤水分蒸發、土壤風蝕等進行了多方面研究。Langston等[5]研究發現，影響土壤風蝕能力的主要因素有鹽結皮的硬度、抗剪切能力以及形狀大小，而且其硬度、厚度、抗剪切能力和形狀會隨鹽分類型、含量多少、土壤質地、溫度等條件表現出差異性。張建國等[6]研究結果表明，鹽結皮對咸水滴灌防護林土壤蒸發過程具有明顯的延緩和抑制作用，其根本原因在于鹽結皮會堵塞土壤孔隙，阻斷毛管作用，增加水汽向大氣擴散的阻力，并通過增加反照率而降低土表溫度進一步降低土壤蒸發。Dai等[7]發現礦物底物的表面特性和土壤蒸發速率影響析出鹽的形態和晶體尺寸，特別是底物疏水性和低蒸發率會抑制鹽的擴散。孔德庸等[8]通過對羅布泊干鹽湖表層鹽結皮含水率的季節性變化及吸水特性的研究發現，鹽結皮表層含水率存在一定的差異。也有研究表明地表水分蒸發速率會受到土壤中的鹽分類型的影響[9-11]。

已有相關研究主要集中于自然狀態下發育的鹽結皮，也有學者開始對鹽結皮進行人工培育，發現不同鹽分形成的鹽結皮表面特征存在明顯差異[12]。但是土壤鹽結皮在風蝕、野生動物踩踏或人類活動的干擾下很容易發生不同程度的機械破損，因而難以利用野外采集的鹽結皮進行室內模擬試驗。探討鹽結皮的人工培育方法，對于進一步通過模擬試驗揭示其影響下的地表過程至關重要。此外，關于鹽結皮機械破損對土壤蒸發過程的影響，目前未見相關報道。土壤鹽漬化和水資源短缺是影響干旱區農業和生態環境可持續發展的主要問題，且兩者往往同時出現。因此，本文根據塔里木沙漠公路防護林實際地下水礦化度范圍來設置灌溉水礦化度梯度，根據前人對于鹽結皮鹽分組成研究以及該區鹽分組成來確定模擬鹽分類型。通過模擬不同鹽分組成的高礦化度咸水灌溉進行土壤鹽結皮的人工培育，以確定人工培育鹽結皮的最適水質條件，然后在此基礎上探究了不同破損程度鹽結皮影響下的土壤水分蒸發過程。該研究對于進一步認識干旱區鹽漬土壤的地表水文過程和指導水土資源的合理利用具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 供試土樣

供試土壤為采自于塔克拉瑪干沙漠公路防護林（39o00′N，84o10′E，海拔1 100 m 左右）的流動風沙土，養分含量極低，含鹽量為1.26～1.63 g/kg，機械組成以細沙與極細沙為主，自然含水率極低，僅為0.02%。供試土樣黏粒、粉沙、極細沙、細沙、中沙、粗沙分別占0.27%、12.35%、52.04%、30.79%、2.12%、2.42%，pH值為8.26、電導率為0.437 mS/cm、容重1.49、全鹽量1.309 g/kg，離子組成以Na+、Cl?和HCO3?為主。

1.2 試驗設計

1.2.1 土壤鹽結皮的人工培育

試驗于2017年5月在實驗室條件下進行。試驗所用的自制微型蒸發器（micro-Lysimeters，MLS）由內徑為10.45 cm，高25 cm，底部用塑料薄膜封住的PVC管制作而成。首先將供試沙土風干過1 mm篩以剔除雜物，混勻裝入MLS內，每桶裝土3 kg。為保持與沙漠公路防護林灌溉水礦化度（礦化度范圍為2～28 g/L）的一致性，并綜合考慮鹽分組成的影響，分別用NaCl、Na2SO4、CaCl2和KCl共4種鹽配成不同礦化度梯度（5、10、20和30 g/L）的咸水，將同等體積（1 200 mL）的咸水均勻噴灑于MLS土壤表面，讓其自然蒸發形成鹽結皮。每個處理設3個重復，共形成48個鹽結皮樣本。鹽結皮培育期間日平均氣溫26.8 ℃，日平均相對濕度48.1%。鹽結皮形成后測定結皮厚度、硬度、pH值、電導率等。，確定硬度和厚度最大的結皮所對應的礦化度和鹽分類型為最適培育條件。

1.2.2 土壤蒸發試驗

根據鹽結皮培育結果，按照最適培育方案進行鹽結皮的人工培育，待MLS內的土壤水分充分蒸發形成鹽結皮之后，人為破損鹽結皮，破損面積分別為0、25%、 50%和100%，每個處理設3個重復。將MLS底部的塑料薄膜用直徑為0.5 mm的鋼絲均勻穿孔（20個）后，小心放入盛有淡水的塑料盆內通過底部的小孔上滲進行緩慢灌水，每個MLS灌水400 mL。灌水完成后每日08:00用精度為0.01 g的天平稱取MLS的質量，持續稱質量12 d。期間每日08:00、12:00和18:00用溫濕度計記錄氣溫和相對濕度，求三者的日平均值，土壤蒸發試驗期間的空氣溫濕度如圖1所示。

1.3 指標測定及計算

利用MarCal 16 GN型游標卡尺（德國馬爾，精度0.05 mm）測定結皮厚度，TYD-1型土壤硬度儀（浙江托普，精度0.01N）測定結皮硬度，H-4212MH型土壤剪切測試儀（北京劍靈，精度0.01 kg/cm2）測定結皮抗剪切力，雷磁PhS-3C型pH計（上海儀電，精度0.01）測定結皮pH值（體積比水:土=2.5:1）、雷磁DDS-307A型電導率儀（上海儀電，精度0.1 mS/cm）測定結皮電導率（體積比水:土=5:1）。

圖1 土壤蒸發試驗期間氣溫和相對濕度(RH)狀況

MLS內土壤日蒸發量、累積蒸發量和蒸發抑制效率計算方法[13]:

ED=10×(WE-WE-1)/（1）

EC=SED（2）

=π2（3）

=(EC0-EC)/EC0×100% （4）

式中為天數，=1,2,3，…，12 d；ED為第天的土壤日蒸發量，mm；WE為第天MLS的總質量，g；EC為第天的土壤累積蒸發量，mm；WE0為MLS的初始總質量，g；為MLS內桶截面積，cm2；為MLS內桶半徑，cm；為鹽結皮對土壤蒸發的抑制效率，%；EC0為對照土壤累積蒸發量，mm；為水的密度1 g/cm3。

采用Excel2010和SPSS20.0對數據進行統計分析，運用Origin8.0作圖。

2 結果與分析

2.1 人工培育鹽結皮的物理性質

2.1.1 硬度

由圖2可以看出，隨著灌溉水礦化度的增加，不同鹽分所形成鹽結皮的硬度均逐漸增大。除KCl外，其他鹽分的鹽結皮硬度之間線性關系擬合性較好（2>0.90，<0.05），均呈現出明顯的正相關關系，其中NaCl鹽結皮斜率最大，Na2SO4鹽結皮擬合性最好（2=0.99）。從表1可以看出，當灌溉水礦化度為5、10或30 g/L時，不同鹽分所形成鹽結皮的硬度之間無顯著差異（>0.05）；灌溉水礦化度為20 g/L時，KCl所形成的鹽結皮硬度顯著低于其他3種鹽分（<0.05）。對于同種鹽分來說，當灌溉水礦化度分別為5、10和20 g/L時，NaCl、Na2SO4鹽結皮硬度無顯著性差異（>0.05），而灌溉水礦化度為30 g/L時NaCl形成的結皮硬度顯著高于5 g/L時（<0.05）而Na2SO4形成的結皮硬度顯著高于5和10 g/L時（<0.05）；不同濃度KCl鹽結皮硬度間無顯著差異（>0.05）；CaCl2鹽結皮在灌溉水礦化度為20和30 g/L時顯著高于5 g/L，30 g/L顯著高于10 g/L（<0.05）。因此在5~30 g/L礦化度范圍內，在5~30 g/L礦化度范圍內礦化度對硬度影響達極顯著水平（<0.01），鹽分類型影響達顯著水平（=0.02），而礦化度和鹽分交互對鹽結皮硬度影響不顯著。比較而言，礦化度對硬度影響更大鹽分類型及灌溉水礦化度對NaCl鹽結皮硬度的影響最大，礦化度為30 g/L時硬度最大（24.17 kg/cm2）。

圖2 灌溉水礦化度與鹽結皮硬度之間的關系

表1 不同鹽分類型（ST）及礦化度（MD）處理下鹽結皮的硬度和抗剪切力多重比較結果

注：不同大寫字母表示同一礦化度不同鹽分類型處理間差異性顯著；不同小寫字母表示同種鹽分不同礦化度處理間差異性顯著(<0.05)，下同。

Note: Different uppercase letters indicated significant differencesamong different salt types at the same concentration; and different lowercase letters indicated significant differences among the same salt treatments with different salinity(<0.05), the same below.

2.1.2 抗剪切力

由圖3可以看出，隨著灌溉水礦化度的增加，不同鹽分所形成的鹽結皮抗剪切力逐漸增大。除Na2SO4外，其他鹽分的鹽結皮抗剪切力之間線性關系擬合性較好（2>0.90，<0.05），均呈現出明顯的正相關關系，NaCl鹽結皮斜率最大，擬合性最好(2=0.96)。由表1可以看出，灌溉水礦化度同為5、10 g/L時，Na2SO4鹽結皮抗剪切力顯著與高于其他3種鹽（<0.05）；灌溉水礦化度同為20 g/L時，4種鹽的鹽結皮抗剪切力之間無顯著差異（>0.05）；灌溉水礦化度為30 g/L時，NaCl、KCl、Na2SO4所形成的鹽結皮抗剪切力之間無顯著性差異（>0.05），而CaCl2所形成的鹽結皮抗剪切力顯著低于這3種鹽（<0.05）。對于同種鹽分而言，隨灌溉水礦化度升高，KCl鹽結皮抗剪切力無顯著差異（>0.05）；而NaCl和Na2SO4鹽結皮在灌溉水礦化度為30 g/L顯著高于5、10、20 g/L（<0.05），CaCl2鹽結皮在5 g/L抗剪切力顯著低于其他礦化度（<0.05）。鹽分類型和灌溉水礦化度對鹽結皮抗剪切力均有一定的影響，礦化度對NaCl鹽結皮抗剪切力的影響更為顯著，當礦化度增加到30 g/L時抗剪切力最大（6.73 kg/cm2）。

圖3 灌溉水礦化度與鹽結皮抗剪切力之間的關系

2.1.3 pH值

由表2可以看出，對于不同鹽分而言，灌溉水礦化度同為5、10g/L時， CaCl2鹽結皮pH值顯著低于其他3種鹽分（<0.05）；灌溉水礦化度為20、30 g/L時，4種鹽所形成的鹽結皮pH值之間無顯著性差異。對于同一種鹽分而言，隨灌溉水礦化度升高，KCl、Na2SO4鹽結皮pH值無顯著性差異；隨灌溉水礦化度升高，NaCl鹽結皮在灌溉水礦化度為30 g/L時顯著高于5 g/L；CaCl2鹽結皮在灌溉水礦化度為5 g/L時pH值顯著低于20、30 g/L（<0.05）。在5~30 g/L礦化度范圍內礦化度和鹽分類型對抗剪切力影響達極顯著水平（<0.01），而礦化度和鹽分交互對鹽結皮硬度影響不顯著（0.05）。相對而言，4種礦化度下CaCl2的鹽結皮pH值均最小，而Na2SO4鹽結皮pH值均最大，在礦化度30 g/L時最高（7.86）。

表2 不同鹽分類型（ST）及礦化度（MD）下鹽結皮的pH值和電導率關系多重比較結果

2.1.4 電導率

由表2可以看出，同一礦化度下，當灌溉水礦化度為5 g/L時，CaCl2鹽結皮電導率顯著低于其他鹽分；灌溉水礦化度為10 g/L時，KCl鹽結皮顯著高于NaCl、CaCl2；灌溉水礦化度為20 g/L時，CaCl2與KCl顯著低于NaCl與Na2SO4的電導率；灌溉水礦化度為30 g/L時，CaCl2與Na2SO4顯著低于NaCl與KCl電導率。對于同種鹽分，NaCl鹽結皮在灌溉水礦化度為20和30 g/L時顯著高于5和10 g/L；KCl鹽結皮在灌溉水礦化度30 g/L時顯著高于5 g/L；CaCl2鹽結皮在灌溉水礦化度30 g/L時顯著高于5、10和20 g/L；而隨灌溉水礦化度升高，Na2SO4鹽結皮電導率無顯著性差異。不同的鹽分類型和灌溉水礦化度的改變對鹽結皮電導率均有一定影響（<0.01），其中電導率的最大值為30 g/L的NaCl鹽結皮(3.77 mS/cm)。

綜上所述，室內培育最適鹽結皮的方案是選擇礦化度為30 g/L的NaCl進行培育。

2.2 鹽結皮破損程度對土壤水分蒸發過程的影響

2.2.1 鹽結皮不同破損程度對土壤日蒸發量的影響

由圖4可以看出，隨著灌水天數增加，不同破損程度處理間土壤日蒸發量均逐漸降低，隨著破損程度增加土壤日蒸發量也增加。整個灌水過程中，不同破損程度處理的土壤日蒸發量明顯低于對照處理（破損100%）。表明鹽結皮的破損會顯著降低土壤日蒸發量。前2 天破損100%的處理土壤水分日蒸發量的降低程度遠高于其他各處理，第2 天以后對照土壤水分日蒸發量的下降幅度逐漸減少。第2 天以后對照土壤日蒸發量的下降幅度逐漸減小。灌水第5 天以后4個處理日蒸發量逐漸接近，不同破損程度的處理日蒸發量均小于1.00 mm，灌水最后一天不同破損程度處理的鹽結皮日蒸發量均達到最低值。

2.2.2 鹽結皮不同破損程度對土壤累積蒸發量的影響

從圖4b可以看出，隨灌水天數的增加，各處理土壤累積蒸發量逐漸增大，鹽結皮破損0、25%和50%的土柱累積蒸發量均一直遠低于鹽結皮破損100%的土柱，且隨著時間的延長差距越明顯。不同破損程度各處理土壤累積蒸發量隨灌水后天數呈線性增加趨勢，鹽結皮覆蓋對土壤蒸發的抑制效應明顯。隨著破損程度的增加，土壤累積蒸發量逐漸增加，從灌水第4 天開始，土壤累積蒸發量增速變緩。鹽結皮無破損的累積蒸發量與破損0、50%和25%的土柱之間差異顯著，最終累積蒸發量分別為8.38 （破損0）、14.1 （破損100%）、9.08（破損50%）和8.55 （破損25%）mm。與對照相比，破損率不同的鹽結皮覆蓋均會使土壤累積蒸發量顯著降低，進而使土壤含水率提高，這有利于土壤水分的保持。

2.2.3 鹽結皮破損程度對土壤水分累積蒸發抑制效率的動態影響

蒸發抑制效率是指在土壤蒸發過程中某些指標抑制土壤水分蒸發的能力[14]。由圖5可以看出，在初始含水率相同條件下，隨破損程度的增加，累積蒸發抑制效率降低，鹽結皮破損50%的土柱，累積蒸發抑制效率最小。隨著灌水天數的增加，鹽結皮破損0、25%和50%的累積蒸發抑制效率均先增加后基本穩定；破損50%處理從灌水開始直至灌水第7天，累積蒸發抑制效率逐漸增加，灌水第7 天至灌水最后1天，累積蒸發抑制效率基本不變，維持最大值（30.20%）。其次是破損25%處理，累積蒸發抑制效率較高，灌水開始直至灌水第4 天，累積蒸發抑制效率逐漸增加，灌水第4 天至灌水最后1天，累積蒸發抑制效率基本不變，維持最大值（44.04%）。鹽結皮無破損處理累積蒸發抑制效率最高，從灌水開始直至灌水第4 天，累積蒸發抑制效率逐漸增加，灌水第4 天至灌水最后1天，累積蒸發抑制效率基本不變。第7 天達到最大值（58.84%）。鹽結皮覆蓋可以明顯抑制土壤水分蒸發，起到節水保墑的作用。

注：不同字母表示不同處理間土壤累積蒸發量差異顯著(P<0.05).

圖5 鹽結皮不同破損程度下蒸發抑制效率的動態變化

3 討 論

3.1 灌溉水質對鹽結皮理化性質的影響

從本文研究結果來看，不同礦化度對于鹽結皮的硬度、抗剪切力、pH值、電導率的影響均較小，鹽分類型對鹽結皮硬度、pH值影響較大，對抗剪切力、電導率影響較小，礦化度和鹽分類型交互對鹽結皮的硬度、抗剪切力、pH值、電導率的影響均比較大，其中對于硬度的影響最大。這說明鹽結皮的基本理化性質受礦化度和鹽分類型共同影響。鹽結皮的形成是由于水分和可溶性鹽分匯聚在地表后水分蒸發，鹽分結晶和土壤顆粒結聚而成，不同鹽分形成的鹽結皮結晶數量也不同。礦化度同為5、10、30 g/L時不同鹽分所形成的鹽分結晶數量相差不大，因此各鹽結皮硬度之間無顯著性差異。20 g/L KCl鹽結皮形成的結晶數量較少，因此硬度顯著低于其他鹽分。隨著灌溉水礦化度的增加，晶體幾乎會填滿土表所有孔隙，同種鹽分所形成的鹽結皮硬度逐漸增大。不同鹽分之間NaCl鹽結皮硬度變化最大，灌溉水礦化度30 g/L時不同鹽分鹽結皮硬度均達到最大。王大環等[2]利用古爾班通古特沙漠的細沙進行了鹽結皮的培育，分析發現隨著濃度的增加，Na2SO4鹽結皮晶體數量增加，硬度增大，本研究結果發現隨著礦化度的增加，30 g/L 時Na2SO4鹽結皮硬度顯著高于5和10 g/L，與其結果相一致。其抗風蝕能力也會隨著硬度的增大而增強。

土壤抗剪切力的大小會受到土壤物理性質的影 響[15]，在土壤水分蒸發的過程中，土壤鹽溶液逐漸飽和最終使得不同類型的鹽分晶體逐漸析出，從而填滿土壤孔隙，從而對抵抗剪切破壞起到一定作用。而且土柱中鹽晶體會改變土壤顆粒之間的受力結構，因此會影響到鹽結皮的抗壓能力[16]。本研究的結果表明，除KCl之外，其他三種鹽分隨著礦化度的升高，不同鹽分結晶和土壤顆粒形成的土壤內部結構穩定性均增強，因此抗剪切力也逐漸增大。不同鹽分之間NaCl鹽結皮抗剪切力變化最大，且灌溉水礦化度越高其抗剪切力越大，鹽結皮抵抗外力壓實和破碎的能力也最強。在礦化度同為20 g/L時不同鹽分所形成的鹽結皮抗剪切力之間無顯著性差異。史東梅等[17]研究表明，土壤越緊實，抗剪切力越大，更能有效阻止水分的蒸發。

鹽分增加可能導致土壤鹽漬化。隨灌溉水礦化度的增高，同一鹽分離子含量的相對比例發生變化，因而會影響其pH值[18]。本研究結果表明，NaCl鹽結皮pH值在30 g/L時顯著高于5 g/L，CaCl2鹽結皮20、30 g/L時顯著高于5、10 g/L，跟鹽的水解能力有關。礦化度為5 、10 g/L時，CaCl2鹽結皮pH與其他鹽分有顯著差異性。郭全恩等[18]研究發現，土壤pH值與SO42-、Cl-在全鹽中的比例呈極顯著負相關關系，與Ca2+、Na+在全鹽中的比例呈極顯著正相關關系，這與本研究的結果相一致。

土壤鹽分、水分、有機質含量、土壤壓實度、質地、結構和孔隙率等都不同程度地影響著土壤電導率[19]。本研究結果表明，礦化度增加對鹽結皮電導率有不同程度的影響，同一礦化度下，不同鹽分電離的離子不同，導電性存在較大差異；隨著礦化度的升高電導率也逐漸增大。張越等[20]研究發現鹽結皮電導率與灌溉水礦化度均呈線性正相關，與本研究的結果相一致。因此，根據土壤鹽結皮人工培育結果，綜合分析確定灌溉水礦化度為30 g/L的NaCl溶液為最優鹽結皮人工培育條件。

3.2 鹽結皮對土壤水分蒸發的影響

不同的氣候條件和土壤特性均會影響土壤水分蒸發速率[21]。此外，土壤水分蒸發速率也會受到土壤水分運移速率以及土壤蒸發面的影響[22]。而鹽結皮的存在改變了土壤蒸發的界面條件。土壤水分蒸發后可溶性鹽離子會在地表結晶，這樣不僅會使土壤毛管作用阻斷，阻礙水汽向大氣擴散，同時還會引起地表反照率發生改變而降低土表溫度，從而進一步降低土壤蒸發[13]，因此而導致水分蒸發速率變慢，日蒸發量減少。試驗開始前灌水補給充分，蒸發初始階段各處理土壤含水率一致，MLS內土壤表層水吸力較大，加快了鹽溶液的上行速率，使得土壤表面鹽分大量聚積，土壤水分在毛管力作用下上升到表層而產生穩定的失水過程。也有研究表明由于氣溫與土體溫度差異較大，所以使得土壤表面水氣壓梯度較大，造成水蒸氣從土柱中逐漸向空氣中擴散[23]。不同破損程度的鹽結皮土壤水分蒸發損失需要經過一定覆蓋面的鹽結皮層，如果鹽結皮破損程度越大，水分則可以沿毛管上升至土壤表層，該階段水分蒸發損失較快，日蒸發量較大，土壤累積蒸發量快速增加，土壤水分累積蒸發抑制效率越小。因而破損100%的處理土壤日蒸發量最高，累積蒸發量也最大，而鹽結皮無破損處理土壤日蒸發量和累積蒸發量均最小。本研究結果與Shokri-Kuehni等[24]的研究結果一致。因此鹽結皮覆蓋可以減少土壤水分蒸發，抑制土壤鹽分在表層的積累，起到節水保墑和抑鹽的作用。

在蒸發過程中，土柱表層不同破損程度的鹽結皮含水率逐漸降低，剛開始日蒸發量較高，損失的土壤水分以毛管水為主，蒸發后期主要以水汽擴散為主，因此日蒸發量緩慢降低，土壤累積蒸發量增加變慢，累積蒸發抑制效率基本不變。Zhang等[25]研究發現裸地土壤日蒸發量高于有鹽結皮覆蓋的土壤，隨著灌水后天數的增加土壤累積蒸發量逐漸增大。本研究結果與其基本一致。鹽結皮破損100%的處理土壤累積蒸發量與其他處理之間有顯著性差異，表明土壤累積蒸發量會因鹽結皮破損程度的變化而變化，鹽結皮覆蓋對于保持較高的土壤含水量以及維持干旱區植物的生長具有積極的意義。

在風沙危害極為嚴重的干旱荒漠區，鹽結皮的存在還可以抵抗風蝕危害[1]，有利于旱區植物的生長發育。此外，荒漠地區沒有足夠的水分滿足植物生長需要，而且干旱的氣候條件所導致的土壤強蒸發過程會使鹽漬化大面積出現。鹽結皮含鹽量高，它的存在對于植物也是一個潛在威脅[6]。如何充分發揮鹽結皮的保水抑鹽功能，降低其危害風險，達到水鹽相互協調，有關這方面的問題值得進一步探究。

4 結 論

通過室內人工培育土壤鹽結皮理化指標的分析，確定了鹽結皮的最適培育方法，并對其不同破損程度影響下的土壤蒸發過程進行分析，得出以下主要結論：

1）土壤鹽結皮的人工培育是可行的。隨著灌溉水礦化度的升高，不同鹽分所培育的鹽結皮硬度、抗剪切力、pH、電導率均有不同程度的增加，綜合分析確定礦化度為30 g/L的NaCl鹽溶液進行鹽結皮的人工培育為最適培育條件，此時培育的結皮的硬度為24.17 kg/cm2，抗剪切力為6.73 kg/cm2，pH 值為7.45，電導率為3.77 mS/cm。

2）鹽結皮對土壤水分蒸發具有明顯的抑制作用，且隨著破損率的增加抑制作用逐漸減弱。日蒸發量隨鹽結皮破損程度的增加而增加，并隨灌水后天數的增加而逐漸降低；土壤累積蒸發量隨灌水后天數以及鹽結皮破損程度的增加而逐漸增加，不同處理之間土壤累積蒸發量均呈線性遞增變化關系；土壤累積蒸發抑制效率隨鹽結皮破損程度的增加而降低，隨灌水后天數呈先遞增后基本不變，破損50%和無破損在第7天達到最大值（30.20%和58.84%），破損25%在第4天達到最大值（44.04%）。

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Artificial cultivation of soil salt crust and effects of its damage rate on soil evaporation

Zhang Jianguo1,2, Li Hongwei1, Li Yafei1, Li Yunuo1, Ma Yue1, Tian Lele1, Zhang Yuxin1

(17121002712100)

Soil salt crust is widely developed in arid and semi-arid areas, which has great impacts on earth surface soil hydrological processes, and interference of external forces on mechanical damage of salt crust is common. Shifting aeolian sandy soil in the Taklimakan Desert was taken as an example, different salt solutions (NaCl, Na2SO4, CaCl2, KCl) of different salinities (5, 10, 20, 30 g/L) were used to simulate the formation and development of salt crust under saline water irrigation.The air temperature and humidity during the salt crust cultivation were recorded. The optimum artificial cultivation conditions were determined based on the physiochemical properties analysis results of salt crust. Furthermore, the soil evaporation process under the influence of different damage degree of salt crust (damage rates of 100%, 50%, 25% and 0) was monitored. The results showed that the hardness, shear resistance, pH and EC of the salt crust generally increased with the increasing salinity of irrigation water. The thickness and hardness of the crust were the largest for 30 g/L NaCl solution,and its hardness was 24.17 kg/cm2, shear resistance was 6.73 kg/cm2, pH value was 7.45, and EC was 3.77 mS/cm. Daily soil evaporation in micro-lysimeters (MLS) increased with the increasing damage degree of salt crust and decreased with the days after irrigation. Soil accumulative evaporation increased with the days after irrigation and the degree of damage. During the soil moisture evaporation, soluble salts gradually crystallized on the soil surface, which not only blocked soil capillary action, but also inhibited diffusion of water vapor into the atmosphere. Meanwhile, it changed and lowered surface soil temperature, thus further reduced soil evaporation. Thus, the evaporation rate of water gradually slowed down and the amount of evaporation per day reduced. Daily evaporation and cumulative evaporation with 100% soil salt crust were significantly different from the other treatments. Cumulative evaporation inhibition efficiency of salt crust on soil evaporation increased with the increasing time after irrigation, and decreased with the increasing damage degree, which indicated that soil cumulative evaporation would change due to the change of salt crust damage. The cover of salt crust had positive effect on maintaining high soil moisture and plant growth in arid regions. Cumulative evaporation inhibition efficiency of salt crust increased with the days after irrigation, and decreased with the increasing damage rate. When the crust was damaged by 50% or 0, the cumulative evaporation inhibition efficiency reached the maximum on the 7thday. When the crust damage rate was 25%, the maximum evaporation inhibition efficiency was on the 4thday.The maximum cumulative evaporation inhibition efficiency of salt crust without damage was 58.84%, while it was only 30.20% under damaged rate of 50%.In summary, soil salt crust could be artificially cultivated, and it has obvious inhibitory effects on soil evaporation, and its damage degree has significant impacts on soil evaporation process. It is of great significance to reveal the hydrological processes of saline soils and to guide the rational utilization of soil and water resources in arid and semi-arid areas.

soils; salts; evaporation; crust; artificial cultivation; physiochemical properties; damage degree

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.015

S161.4

A

1002-6819(2019)-13-0138-07

2019-04-01

2019-06-10

國家自然科學基金項目(41877541、41471222)；中科院水土保持研究所青年人才專項（A315021528）；陜西省大學生科創重點項目（201803141）

張建國，副教授，博士生導師，主要研究方向為土壤水鹽運移和荒漠化防治。Email：zhangjianguo21@nwafu.edu.cn

張建國，李紅偉，李雅菲，李雨諾，馬 悅，田樂樂，張宇新.土壤鹽結皮人工培育及其破損程度對土壤蒸發的影響[J]. 農業工程學報，2019，35(13)：138－144. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.015 http://www.tcsae.org

Zhang Jianguo, Li Hongwei, Li Yafei, Li Yunuo, Ma Yue, Tian Lele, Zhang Yuxin.Artificial cultivation of soil salt crust and effects of its damage rate on soil evaporation [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 138－144. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j. issn.1002- 6819.2019.13.015 http://www.tcsae.org