南疆夾砂層結構對土壤鹽分淋洗的影響

熊文晴 付 敏 孫三民 楊王康 王 鵬

(塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆 阿拉爾市 843300)

土壤鹽漬化是指土壤鹽堿化自然的地質過程，其中鹽分累積在土壤表面形成鹽漬土壤。在世界干旱和半干旱農業地區，土壤鹽堿化是一個重要的生態環境問題[1-3]。這些干旱和半干旱的農業區位于中國自然生態環境的脆弱地區。它不利于這些地區的作物生長，從而影響農業生態系統。如果消除土地鹽化的主要限制因素，那么農業生態系統的巨大潛力必將發揮作用。土地鹽堿化管理與防治對農業生態系統退化，生態環境保護和未來食品安全的防治具有十分重要的現實意義。據統計，鹽堿土在世界上100多個國家廣泛分布，總面積為1.0×109hm2[4]。鹽堿地的開發利用和土壤鹽堿化的防治已成為當前社會經濟的重要研究課題[5-6]。

新疆鹽漬化土壤是經過了長期的演變過程的。新疆南部至少自白堊紀以來就存在。后來的第四紀河流和湖泊沉積物，特別是現代沉積物，在土壤水和鹽分的重新分配中發揮了主要作用。由于土壤深層含有裂隙水和承壓水形式的鹽水，因此它參與了具有數百萬年歷史的區域水鹽循環。在干旱的沙漠條件下，由于極少的降水和極強的蒸發，地殼中的鹽不斷地累積到地表，形成了典型的鹽分高的鹽漬土壤。在新疆鹽漬土的形成過程中，河流系統都受到第四紀河床沉積物的影響。新疆的大型水系，如新疆南部的塔里木河和葉爾羌河以及新疆北部的伊犁河和瑪納斯河，都有這種類型的河流和湖泊沉積物分布。這些河流的上游和鄰近的河床地區具有良好的土壤滲透性。受河水淡化的影響，僅發生了輕度的鹽堿化，這是鹽堿化的草甸土壤的分布區域。在遠離河流的地方，地下水水質惡化，形成了更重的草甸鹽漬土壤。在沖積平原上，由于坡度較緩，沉積物很強，受洪水影響，小湖泊和沼澤經常分布在河流之間和支流末端的低地上，鹽堿化嚴重，多數為鹽漬土壤；遠離現代河流洪水影響的沖積平原的主要特征是殘留鹽堿化和沙漠化。

土壤的水分運動與鹽分運動密切相關。夾層的存在影響水的運動，同時也不可避免地影響鹽度的運動。史文娟[7]研究了蒸發條件下含沙土壤中水和鹽的運動規律。對于鹽漬土，盡管地下水的埋藏深度較淺，但潛水蒸發仍不穩定，并且沙層對水具有有效的抑制作用。隨著蒸發時間的延長，它仍然逐漸減小。原因是在土壤表面形成的鹽殼反過來阻止了蒸發。王文彥[9]研究了甘肅秦王川地區雙層土壤入滲特征，并根據甘肅秦王川地區土壤的自然特征對雙層土壤入滲特征進行了實驗研究。滲透的物理過程討論并測量了土壤-砂界面的最大臨界水含量。結果表明，這種土壤結構對提高土壤蓄水能力具有顯著作用。張新民[10]利用土壤水能形態學方法計算了上、下砂兩層結構土壤的鹽分定額，推導了確定兩層土壤鹽分定額的方法。利用土壤水能形態學方法分析上、下砂層結構。實例計算表明該方法更為準確。該方法可用于確定類似于秦王川灌區的新建灌區的淋溶配額。對于已實施的灌溉區域，此方法可用于評估浸出效果。然而，在模擬室外土壤柱滲入過程中，不同砂層對水和鹽分運動影響的研究相對較少。

鹽堿土改良的根本目的在于改善土壤理化性狀，使之有利于作物生長發育，實現高產高效[11]。本文在現有的鹽堿土壤農藝改良措施中，平整土地可使水分均勻下滲，使鹽分不易集中于地表，防止土壤斑狀鹽堿化[12]；在土壤中鋪設砂層能夠有效地防止鹽分上升到地表，從而引起土壤的鹽漬化，利用室外土柱模擬試驗研究在土壤中埋設0.6 mm，1.2 mm，2.5 mm 3種不同砂層的粒徑進行土壤洗鹽，研究不同埋砂深度的3種砂對土壤洗鹽的效果，為南疆鹽堿地的改良以及灌溉和排水等措施的制定提供了參考，并且為南疆鹽堿地利用提供了理論依據。

1材料與方法

1.1試驗區概況

本試驗區位于新疆南疆阿拉爾市塔里木大學水灌溉試驗基地(北緯40°32′，東經81°17′)，試驗于2020年進行，該試驗區日照時間充足(年日照時間達2500～3500 h)，年平均降水量為66 mm左右，年平均蒸發量為2000 mm左右，試驗記錄了2020年6～8月日最低氣溫和日最高氣溫和水分蒸發量如圖1。供試土壤采自新疆阿拉爾市，土壤采集表層的土樣，試驗區干旱缺水，淡水資源匱乏，地下淺層微咸水資源豐富，土樣試驗區，結合本文的研究目的，選取地下水作為灌溉水，以增強灌溉水鹽分對試驗結果的影響[13]。

圖16-8月每天最高氣溫、最低氣溫、日平均氣溫

1.2試驗裝置

本試驗為室外土柱模擬試驗，蒸發試驗所用土柱采用5 mm厚有機玻璃材料制作，內徑為20 cm，高為75 cm(土層厚70 cm)，土柱底部設石英砂反濾層以及排氣孔，本試驗裝置所用的有機玻璃土柱與自制滴灌裝置、電子秤、取土器等，用砂經過風干、去除雜物后過0.6 mm，1.2 mm，2.5 mm篩，分別為細砂、中砂和粗砂。土壤樣品經風干、碾壓、去除雜物后過2 mm篩，按照1.4 g/cm3的容重裝入土柱中，分層搗實。1、2、3號土柱和4、5、6號土柱分別在距地表15 cm和30 cm處埋設10 cm厚砂層，1，4號土柱埋設的砂的粒徑為粗砂；2，5號土柱埋設的砂的粒徑為中砂；3，6號土柱埋設的砂的粒徑為細砂；7號土柱為不設砂層的均質土對照組CK。7個土柱分別在距地表5 cm、10 cm、15 cm、45 cm和65 cm處鉆直徑為2.5 cm的圓形取樣孔。便于取土進行鹽分分析，每次取土后相同含水率的母土回填，每次取樣的位置重復。

1.3試驗設計

因為砂的保水能力差，砂層中的水分很容易入滲，當土壤中的鹽分被淋洗到砂層之后可以很快下滲到深層土壤，且砂層能阻斷土壤毛管水的上升，減少深層土壤水通過毛管水上升到達地表，進而減少將鹽分運移至地表。但不同的砂層埋置深度和砂子粒徑會對鹽分淋洗產生不同的影響，所以本項目設置15 cm、30 cm 2個深度，分別埋置10 cm厚的粗砂、中砂、細砂來研究夾砂層對灌水和淋洗土壤鹽分的作用，以期得出最優的夾砂層規格。

參照現有打孔設備的技術參數，試驗設計2種埋砂深度為15 cm、30 cm，以及選擇不同的砂的粒徑大小，其中不埋設砂層的處理為對照組CK，具體設計分組見表1。在土柱安裝結束之后，對土柱進行補水，補水使用自制滴灌裝置，4 L的礦泉水瓶加上一個輸液器，該灌溉裝置同時能夠供水并控制水位。試驗開始時，使用自制滴灌裝置于土柱的正上方分別對7個土柱注入4 L的微咸水(礦化度為5.6 g/L，滴頭流量為0.5 L/h)，通過太陽光照射1個月，直至土中鹽分蒸發到地表進行取土，然后再一次灌水，連續3次重復上述步驟，3次試驗后取的土分別用DDSJ-308A型電導儀測試電導率和鹽度，共測試3次，3次試驗數據經過處理后，繪圖進行試驗分析。

表1 試驗設計方案

1.4測定項目及方法

1.4.1 電導率的測定

用電導法測定各土樣提取液的電導率，電導率采用土水比1∶5浸提液于DDSJ-308A型電導儀測試，測供試土樣的電導率(EC)。

1.4.2 土壤含鹽量的測定

稱重20.0 g已通過2 mm孔徑篩的風干土壤樣品，將其放入150 ml錐形瓶中，添加100 ml蒸餾水以除去CO2(土壤水質量比為1∶5)，搖動5 min，并過濾以獲得土壤樣品提取物。其中，將用于去除CO2的蒸餾水煮沸15 min，冷卻后即用浸提液于DDSJ-308A型電導儀測試，測供試土樣的含鹽量。

1.4.3 數據記錄

第1次取土時間為2020年7月17日，第2次取土時間為8月17日，第3次取土時間為9月18日。取土位置都為距土表5 cm、10 cm、15 cm、45 cm、65 cm。原土樣電導率為367 μs·cm-1。

1.5數據處理

為了減少測試誤差并提高測試數據的準確性，測試數據采用3次重復測試的平均值。使用Excel繪制圖形，使用DPS數據處理系統(數據處理系統，版本7.05)進行統計分析，以及基于最小有效差(LSD)進行多次比較。

2結果與分析

2.1不同夾砂層埋深對土壤返鹽的影響

圖2夾砂層不同埋深處理下土壤電導率變化

2.1.1 埋設深度15 cm和30 cm的粗砂對土壤返鹽的影響

以不埋設砂層為對照，研究不同粒徑夾砂層在不同埋設深度灌水對土壤電導率的影響，從而得出較優的夾砂層參數。埋深為15 cm和30 cm時粗砂處理下土壤電導率的變化隨粒徑的變化情況見圖2。土壤水分在入滲過程中的運動受到毛細作用力和重力的雙重作用。在此過程中，鹽的運輸是一個非常復雜的過程，包括離子交換和吸附以及離子拆分。土壤鹽分離劑通常隨著土壤水的運動而遷移。對于鹽堿土，在一維水滲透過程中，滲透水將表土和原始土壤溶液中的可溶性鹽溶解在一起，形成較高濃度的土壤溶液并向下移動，形成土壤溶液濃度。在下面的土壤中最高值稱為鹽峰。鹽峰上部土壤發生淡化，下部土壤發生鹽分積累，形成明顯的淡化鹽分富集區。

如圖2(a)所示，在土柱中埋設粗砂A1、A2處理下，相較于CK，處理A1、A2在距土柱土壤表面5～47 cm時土壤的電導率要比CK的電導率低，證明夾砂層的埋設增大了土壤空隙，阻止了土壤返鹽。處理A1與A2對比，處理A1的土壤電導率一直都比處理A2低，由此可見，A1處理下對抑制土壤返鹽的效果要比A2處理下對抑制土壤返鹽的效果好，所以，埋砂深度為15 cm和30 cm時，粗埋砂深度為15 cm時對抑制返鹽的效果更好。

2.1.2 埋設深度15 cm和30 cm的中砂對土壤返鹽的影響

如圖2(b)所示，在土柱中埋設中砂粒徑的夾砂層時，相較于對照，在B1、B2處理下，處理B1在距土柱土壤表面5～50 cm時土壤電導率要比CK的電導率低，處理B2在距表面5～30 cm時土壤中的鹽分濃度要比CK的鹽分濃度低，證明砂層的埋設增大了土壤空隙，對抑制土壤鹽分的上升有更加顯著的影響。處理B1、B2對比，B1處理下的土壤電導率要比B2處理下的鹽分濃度低，B1處理對抑制土壤返鹽的效果要比B2處理對抑制土壤返鹽的效果好，所以，埋砂深度為15 cm和30 cm時，中砂埋砂深度為15 cm時對抑制土壤返鹽效果更好。

2.1.3 埋設深度15 cm和30 cm的細砂對土壤返鹽的影響

如圖2(c)所示，在土柱中埋設細砂時，相較于對照，C1、C2處理在距土柱土壤表面5～47 cm時電導率都比CK低，證明砂層的埋設增大了土壤空隙，減少了土壤返鹽。由此可見，砂的粒徑都為細砂時，處理方式不一樣，減緩返鹽的效果也有一定的差異性。處理C1、C2對比，處理C1在距土柱土表25 cm之前的土壤鹽分濃度比C2低，在25 cm之后C1的鹽分持續升高，證明C1抑制洗鹽效果明顯，所以，埋砂深度為15 cm和30 cm時，埋砂深度為15 cm時對抑制返鹽的效果更好。

綜上所述，當埋砂深度為15 cm時，粗砂、中砂、細砂的夾砂層減緩土壤返鹽效果最好。

2.2不同粒徑的夾砂層對土壤返鹽的影響

圖3夾砂層不同粒徑處理下土壤電導率變化

2.2.1 夾砂層埋深15 cm時不同粒徑的夾砂層對土壤返鹽的影響

由圖3(a)看出，當夾砂層埋深為15 cm時，相對于CK，A1、B1、C1距土柱土壤表面5～45 cm時土壤鹽分濃度比CK的電導率低，說明夾砂層埋深為15 cm時不同粒徑的砂對抑制土壤返鹽均有效果，其中細砂處理C1效果比較顯著。處理A1、B1與C1之間對比，處理C1在距地表15cm之前土壤電導率比處理A1、B1土壤電導率低，說明埋砂深15 cm時細砂的夾砂層對抑制土壤返鹽的效果較好。

2.2.2 夾砂層埋深30 cm時不同粒徑的砂對土壤返鹽的影響

由圖3(b)可以看出，與CK對比，處理A2、B2、C2距土柱土表距離30 cm以內的土壤電導率比處理CK低，而處理B2在距土柱地表30 cm的范圍內土壤電導率比處理A2、C2小，說明埋砂深30 cm中砂對抑制土壤返鹽效果較顯著。處理A2、B2及C2之間對比，處理B2在距地表30 cm的范圍內土壤電導率比處理A2、C2土壤電導率低，說明當夾砂層埋深在30 cm時中砂對抑制土壤返鹽的效果較好。

綜上，可以得出當夾砂層埋深為15 cm時細砂對抑制土壤返鹽的效果較好；而夾砂層埋深為30 cm時中砂對抑制土壤返鹽的效果較好。

3討論

沙覆蓋作為一種傳統的耕作手段已得到廣泛應用，并已在世界許多國家使用。在中國西北干旱地區的沙漠與綠洲相交處，綠洲-沙漠過渡帶富含咸淡的水和沙資源。但是，該地區植被恢復和生態保護的研究鮮有報道，這具有重要的生態意義。先前的研究已經表明，在降水入滲條件下，砂礫覆蓋可以促進入滲。在這個實驗中，不同的沙層被掩埋。沙層的覆蓋抑制了水進入土壤的能力，這可能是由于將沙子的粒度與礫石的粒度進行了比較。較小的沙粒要小得多，并且細沙粒在滲透過程中會阻塞沙土界面處的土壤毛細血管，導致滲透能力降低。在該實驗中，土壤中的水是通過滲透過程引入的，而不是通過土壤的毛細作用吸入的。蒸發開始時損失的水是砂層中游離水的損失，而不是穩定的蒸發過程，這與地下水位高的存在不同。影響下的穩定蒸發過程是不同的，鹽漬化的形成與土壤蒸發密切相關。滲透后的潛水蒸發或砂層蒸發均可有效抑制蒸發并同時減少鹽分的表面積聚。少量鹽水是農田的儲備水。試驗結果表明，細砂在深度為15 cm時對土壤鹽分的抑制作用最明顯，在砂層下的累積量較高，可以抑制表面鹽堿化。在浸出過程中，砂層的存在可在一定程度上防止鹽分上升到表面。考慮到沙層的存在還可以抑制鹽分在蒸發過程中的向上運動，并且沙層的質地，層的位置和厚度對土壤水分和鹽分的移動有不同程度的影響，因此有必要專門分析沙層的厚度，以防止土壤鹽分沖刷。這個問題的影響需要在未來的研究中加以討論。

4結語

經過室外土柱試驗研究3種不同粒徑夾砂層和2種夾砂層埋深對土壤返鹽的影響，可以得出夾砂層埋深為15 cm時細砂對抑制土壤返鹽的效果較好；夾砂層埋深為30 cm時中砂對抑制土壤返鹽的效果最明顯。