秸秆覆盖条件下滨海盐渍土水盐分布及蒸发特征

邓亚鹏, 孙池涛, 孙景生, 张俊鹏, 米兆荣, 毛伟兵, 孙玉霞

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节水灌溉
中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (3) : 128-133.
农田水利

秸秆覆盖条件下滨海盐渍土水盐分布及蒸发特征

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Effects of Straw Mulching on Water and Salt Distribution and Evaporation Characteristics in Coastal Saline Soil

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摘要

为了揭示秸秆覆盖滨海盐渍土水盐调控机理，通过室内模拟实验研究了不同秸秆覆盖量（0、0.3、0.6、0.9和1.2 kg/m2分别由CK、秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D表示）对土壤水盐运移和蒸发强度的影响。结果表明，秸秆覆盖可有效提高表层及土壤剖面含水率，且增墒效果随秸秆覆盖量的增加而增加：试验期间秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D剖面平均含水率比CK依次高了41.2%、52.3%、65.7%和58.5%；秸秆覆盖可抑制表层土壤盐分积聚并有效调控土壤剖面盐分分布，秸秆覆盖量越大表层积盐量越低，土壤剖面盐分分布越趋于均衡：试验结束时，CK、秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D表层0~2 cm土壤电导率比3~5 cm电导率分别高了246.3%、242.8%、138.4%、40.5%和47.6%；土壤蒸发强度和累积蒸发量随着秸秆覆盖量的增加而降低：试验期间CK、秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D处理平均蒸发强度依次为1.79×10-3、1.64×10-3、0.93×10-3、1.35×10-3和0.76×10-3 mm/min，累积蒸发量分别为17.79、20.30、14.20、14.57和10.27 mm，且蒸发初期秸秆覆盖对蒸发强度和累积蒸发量的抑制作用更明显。

Abstract

In order to reveal the mechanism of straw cover on the water and salt regulation of coastal saline soil， the effects of different straw coverage （0， 0.3， 0.6， 0.9 and 1.2 kg/m2， denoted by CK， straw A， straw B， straw C and straw D， respectively） on soil water and salt transport and evaporation rate are studied through indoor simulation experiments. The results show that straw mulching increases the moisture content of the surface layer and soil profile， and the effect of increasing soil moisture increases with the increase in straw coverage. The average moisture content of straw A， straw B， straw C and straw D profiles are higher than CK by 41.2%， 52.3%， 65.7% and 58.5% during the experiment； straw mulching can suppress the accumulation of surface soil salt and effectively regulate the soil profile salt distribution. The lower the salt content， the more balanced the salt distribution in the soil profile： the electrical conductivity of 0~2 cm soil on the surface of CK， straw A， straw B， straw C and straw D is 246.3%， 242.8%， 138.4%， 40.5% and 47.6% higher than the 3~5 cm conductivity， respectively. At the end of the experiment； the soil evaporation rate and cumulative evaporation decrease with the increase in straw coverage. During the experiment， the average evaporation rate of CK， straw A， straw B， straw C and straw D treatments are 1.79×10-3， 1.64×10-3， 0.93×10-3， 1.35×10-3 and 0.76×10-3 mm/min， the cumulative evaporation is 17.79， 20.30， 14.20， 14.57 and 10.27 mm， and the effect of straw coverage on the evaporation rate and cumulative evaporation is more obvious in the early stage of evaporation.

关键词

秸秆覆盖 / 滨海 / 盐渍土 / 水盐分布 / 土壤蒸发

Key words

straw mulching / marina / saline-alkaline soil / water-salt distribution / soil evaporation

基金

山东省自然科学基金(ZR2018BEE048)
农业部作物需水过程与调控重点实验室开放基金(FIRI202004-0201)
山东省重点研发计划（重大科技创新工程）(2019JZZY010727)
国家自然科学基金青年基金项目(31700368)

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邓亚鹏 , 孙池涛 , 孙景生 , 张俊鹏 , 米兆荣 , 毛伟兵 , 孙玉霞. 秸秆覆盖条件下滨海盐渍土水盐分布及蒸发特征[J].中国农村水利水电, 2021(3): 128-133
Ya-peng DENG , Chi-tao SUN , Jing-sheng SUN , Jun-peng ZHANG , Zhao-rong MI , Wei-bing MAO , Yu-xia SUN. Effects of Straw Mulching on Water and Salt Distribution and Evaporation Characteristics in Coastal Saline Soil[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(3): 128-133

0 引 言

就滨海盐渍化土壤而言，土壤盐渍化和淡水资源紧缺是导致农业生产力低下的重要因素［1］。这些地区土壤贫瘠、蒸发强烈，每年约有50%~70%的土壤水分通过地表蒸发损失，这部分水分没有直接参与作物生物量和产量的形成，属于无效水分消耗；相反，这部分水分将深层土壤盐分运输至地表，引起土壤盐分积聚，加重土壤盐渍化［2，3］。理论上，只要减少地表水分无效蒸发就可减轻盐分表聚，降低土壤盐渍化风险［4］。因此，减少蒸发、蓄墒保水、抑制返盐是盐碱地土壤水盐调控的重要课题。覆盖作为传统的农业节水技术，在培肥改土、提高降水入渗及减少地面径流、抑制土壤蒸发和提高作物产量等方面具有重要作用，是解决我国北方旱农地区“旱”与“薄”的重要途径［5，6］。近年来，有关秸秆覆盖对非盐渍土土壤水热特性、土壤养分、土壤呼吸的影响及作物耗水特性、水分利用效率等方面的研究取得了重要进展［7-11］，而有关秸秆覆盖条件下盐渍土土壤蒸发、水盐运移特征研究尚处于探索阶段，其对土壤水盐运移调控及土壤蒸发特性的影响还需深入研究［12-14］。因此，本文通过室内模拟试验研究不同秸秆覆盖量对盐渍土土壤水分蒸发的影响，分析其对土壤水盐运移过程的调控机理，为滨海盐渍农田土壤保墒、抑盐和土壤改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土壤取自山东省滨州市无棣县“渤海粮仓”科技示范区（38°03′N，117°42′E），采样深度为0~40 cm，土壤容重为1.35 g/cm3，含盐量为3~5 g/kg，通过吸管法测定土壤各粒级相对含量及离子组成。土壤质地为黏质壤土（美国制），黏粒（<0.002 mm）为10.75%，粉粒（0.002~0.05 mm）为54.92%，沙粒（>0.05 mm）为34.33%；土壤盐分离子主要以Cl-和Na+为主。试验中所用覆盖材料为剪碎0.5~1 cm的小麦秸秆。试验结果见表1和表2。
表1 试验土壤颗粒级配相对含量

Tab.1 Relative content of particle size of experimental soil

粒级/mm 2.0~0.2 0.20~0.05 0.05~0.02 0.02~0.01 0.010~0.002 <0.002
相对含量/% 1.15 33.18 40.63 9.05 5.24 10.75
表2 试验土壤离子含量 (g/kg)

Tab.2 Ion composition for the experimental soil

CO3 2- HCO3 - SO4 2- Cl- Ca2+ Mg2+ K+ Na+
土壤离子含量 0 0.04 0.05 0.29 0.04 0.01 0.02 0.08

1.2 试验设计

本试验通过航空塑料杯（容积230 mL，杯高80 mm，上口直径70 mm，下口直径50 mm）实现，两个塑料杯为一套装置（图1），上杯底部用电钻均匀打孔（孔径1 mm），下杯完好嵌套上杯。上杯底部均匀铺设20 g粒径为2 mm的石英砂，之后石英砂上装230 g风干土壤，上杯顶部预留0.5 cm高空间以覆盖秸秆，秸秆量按照0、0.3、0.6、0.9和1.2 kg/m2（分别由CK、秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D表示）铺设，因土壤水盐数据为破坏性取样获得，为确保试验期间数据完整，每个处理重复20次，并依次编号。试验时间为2019年12月28日至2020年1月9日共计14 d。试验在山东农业大学水利土木工程实验中心大厅完成，试验期间室内温度为13~18 ℃。
图1 试验装置示意图(单位：mm)

Fig.1 Schematic diagram of the test device

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1.3 试验流程

根据本课题组前期调查结果，试验区内土壤盐分含量为5 g/kg。为了使本研究中各土壤样品初始盐分含量保持一致，试验开始前，向每套装置中加预先配置好的5 g/L NaCl溶液180 mL（灌水前土壤上方铺设滤纸，以免加水冲坑，灌水后将滤纸移除）淋洗土壤，入渗过程中及时倒掉下杯搜集的液体，静置24 h后，按设计用量均匀覆盖秸秆。每个处理选择最后3组重复称重，根据前后两次称重值和时间间隔分别计算蒸发量和蒸发速率；其余17组重复，按编号顺序依次由药品匙分层（0~1、1~2、2~3和3~5 cm）取样，分别测定土壤含水率和电导率（含盐量），为减小试验过程中取样误差，取样时用直尺和记号笔在塑料杯外缘标记好1、2、3、5 cm处位置；上述指标均按照先密后疏的原则采集数据：0~3 500 min按照每120~480 min（2~8 h）测定一次，之后按照每240~1 440 min（4~24 h）测定一次。试验期间，土壤水盐数据共采集17次，蒸发数据采集36次。土壤含水率通过烘干法测定，电导率值由电导率仪（DDS-308A，上海雷磁）测定。

1.4 数据处理

试验数据录入和初步分析由Excel 2007实现，双因素方差分析由SPSS 19.0实现，作图由Excel 2007和Surfer 9.0完成。

2 结果与分析

2.1 秸秆覆盖对土壤水分的影响

2.1.1 秸秆覆盖对表层0~1 cm土壤质量含水率的影响

由图2可知，各处理表层0~1 cm土壤含水率随时间的延长均呈降低趋势；同一时刻各处理表层土壤含水率随秸秆覆盖量的降低呈降低趋势。试验结束时CK、秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D的土壤含水率比试验初期依次下降了83.2%、81.0%、67.3%、37.7%和47.5%，CK比秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D平均含水率分别降低了33.6%、62.5%、78.2%和76.5%。此外，从图2还可以看出，0~5 000 min内，CK处理含水率呈对数函数迅速降低（y=-13.12 lnx+128.86， R 2=0.924 6），6 000 min以后CK表层含水率降低缓慢；而其他处理表层土壤含水率随时间的变化呈线性降低趋势。0~5 000 min内，CK含水率降低幅度远高于秸秆覆盖处理，说明秸秆覆盖比不覆盖具有较好的保水效果，且可以减缓水分蒸发。
图2 不同秸秆覆盖量表层0~1 cm土壤含水率变化

Fig.2 Variation of soil moisture content in the 0~1 cm layer with different straw coverage

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2.1.2 秸秆覆盖对土壤剖面含水率的影响

各处理土壤剖面含水率随时间的推进呈降低趋势，且同一时刻随着秸秆覆盖量的增加，土壤剖面含水率总体呈增加趋势（图3）。试验结束时CK、秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D剖面平均含水率较试验开始时分别降低了77.8%、71.4%、53.7%、28.1%和42.6%；试验结束时秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D剖面平均含水率较CK分别增加了42.6%、121.7%、232.0%和210.6%。试验期间秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D剖面平均含水率比CK依次提高了41.2%、52.3%、65.7%和58.5%，表明秸秆覆盖处理剖面含水率显著高于CK。
图3 不同秸秆覆盖量土壤剖面含水率分布

Fig.3 Soil moisture distribution with different straw coverage

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2.2 秸秆覆盖对土壤盐分的影响

2.2.1 秸秆覆盖对表层0~1 cm土壤电导率的影响

由图4可知，各处理表层0~1 cm土壤电导率随时间的延长均呈增加趋势，试验结束时CK、秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D表层电导率比试验开始时对应的电导率依次增长了338%、154%、125%、115%和142%，且试验结束时CK比秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D平均电导率分别增加了57.7%、54.6%、74.5%和84.8%。0~2 000 min内，CK和秸秆覆盖各处理电导率均迅速上升，2 000~14 000 min，CK平均表层电导率远远高于覆盖处理，且表层电导率随着秸秆覆盖量的增加呈降低趋势，说明秸秆覆盖比不覆盖具有较好的抑盐效果。
图4 不同秸秆覆盖量表层0~1 cm土壤电导率变化

Fig.4 Variation of soil electrical conductivity in the 0~1 cm layer with different straw coverage

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2.2.2 秸秆覆盖对土壤剖面电导率的影响

由剖面电导率随时间的分布（图5）可知，就同一处理而言，试验后期土壤剖面电导率分布均呈自表层先迅速降低再缓慢增加的趋势；就不同处理而言，随着秸秆覆盖量的增加，表层0~2 cm土壤电导率逐渐降低。试验结束时CK、秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D表层0~2 cm土壤电导率较试验初始分别增加了194.7%、115.6%、102.2%、85.0%和107.1%，且秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D表层0~2 cm土壤电导率较CK分别低了14.6%、18.2%、19.9%和26.7%，可见，秸秆覆盖处理抑盐效果显著优于CK。此外，试验结束时，CK、秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D表层0~2 cm土壤电导率比3~5 cm电导率高了246.3%、242.8%、138.4%、40.5%和47.6%，可见，秸秆覆盖量越大，土壤表层与深层之间的盐分分布差异越小，秸秆覆盖优化了土壤剖面盐分分布。
图5 不同秸秆覆盖量土壤剖面电导率分布

Fig.5 Soil electrical conductivity distribution with different straw coverage

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2.3 秸秆覆盖对土壤蒸发的影响

2.3.1 秸秆覆盖对土壤蒸发强度的影响

试验期间各处理蒸发强度随时间的延长总体均呈极显著
降低（p < 0.01）（图6）。0~5 000 min，各处理蒸发强度相对较高，CK、秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D处理平均蒸发强度依次为2.69×10-3、2.11×10-3、1.07×10-3、1.96×10-3和0.94×10-3 mm/min；5 000~18 000 min，各处理平均蒸发强度较0~5 000 min平均蒸发强度显著降低，CK、秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D处理平均蒸发强度分别为0.48×10-3、0.94×10-3、0.73×10-3、0.49×10-3和0.50×10-3 mm/min。0~5 000 min，CK处理平均蒸发强度最高，5 000~18 000 min，CK处理平均蒸发强度则最低。试验期间，CK、秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D处理平均蒸发强度依次为1.79×10-3、1.64×10-3、0.93×10-3、1.35×10-3和0.76×10-3 mm/min，土壤平均蒸发强度随秸秆覆盖量的增加呈极显著递减（p < 0.01）（表3），CK比秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D分别高了9.3%、91.6%、32.2%和134.6%。双因子方差分析（表3）表明，时间、秸秆覆盖量及其二者交互作用对土壤蒸发强度均有极显著影响（p < 0.01）。
图6 土壤蒸发强度时间变化

Fig.6 Variation of soil evaporation rate

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表3 覆盖量与时间交互作用对土壤蒸发强度和累积蒸发量的双因素方差分析

Tab.3 Two-way ANOVA analysis of effects of time and straw mulching amount on soil evaporation rate and cumulative soil evaporation amount

因素

自由度

df

 F值
蒸发强度 累积蒸发量
时间 35 107.62** 248.41**
覆盖量 4 261.45** 665.75**
时间×覆盖量 140 9.64** 6.33**
注：**表示在p < 0.01 水平下影响极显著。

2.3.2 秸秆覆盖对土壤累积蒸发量的影响

试验结束时CK、秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D处理累积蒸发量分别为17.79、20.30、14.20、14.57和10.27 mm（图7）。0~5 000 min，各处理累积蒸发量迅速增长，CK、秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D处理累积蒸发量为12.90、9.56、5.06、8.48和4.06 mm；5 000~18 000 min，各处理累积蒸发量较蒸发前期显著降低，CK、秸秆A、秸秆B、秸秆C和秸秆D处理累积蒸发量为4.89、10.74、9.14、6.08和6.21 mm。可见，就所有秸秆处理而言，累积蒸发量随秸秆覆盖量的增加呈极显著递减（表3），而CK处理在蒸发前期累积蒸发量最大，蒸发后期累积蒸发量最小。双因子方差分析 （表3） 表明， 时间、秸秆覆盖量及其二者交互作用对土壤累积蒸发均有极显著影响（p < 0.01）。
图7 土壤累积蒸发量变化

Fig.7 Changes in cumulative soil evaporation

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3 讨 论

3.1 秸秆覆盖对土壤水分的影响

土壤水分与作物生长发育密切相关，降低土壤水分的散发是保持农业发展的根本保障［15，16］。以往研究指出秸秆覆盖对土壤保水性较好，能有效抑制土壤水分散失，且土壤含水率随秸秆覆盖量的增加而增加［7，9］。本研究中秸秆覆盖处理平均土壤含水率均比CK处理高，且随秸秆覆盖量的增加土壤表层及剖面平均含水率均呈增加趋势，这与以往的研究结果基本一致。0~6 000 min内，CK土壤含水率呈对数函数迅速降低，而其他处理则呈线性降低，原因可能是秸秆覆盖后，在地表和大气之间形成了水汽传输阻隔层，抑制了秸秆覆盖处理土壤水分向大气的直接扩散［17］。6 000~14 000 min内，秸秆C处理土壤表层及剖面含水率均高于其他处理，其原因可能是适宜的覆盖量有助于改善近地层微气候环境及减缓深层土壤水分向表层传输［18］。此外，本研究中，蒸发过程主要为非饱和土壤水汽传输，水分由表层向深层消耗，土层深度增加后土壤水汽传输阻力亦逐渐增大，加上秸秆覆盖层的抑制等作用影响，导致土壤含水率随土层深度和秸秆覆盖量的增加而增加。

3.2 秸秆覆盖对土壤盐分的影响

秸秆覆盖在抑制土壤水分蒸发的同时也抑制了土壤积盐［4，12］。本研究表明随着秸秆覆盖量的增加土壤表层积盐量呈递减趋势，这可能是地表覆盖秸秆在一定程度上抑制了可溶性盐向地表积聚，降低了表层盐分含量［19］。试验期间各处理表层土壤含水率呈持续降低趋势，而各处理表层电导率则主要在0~2 000 min内迅速增加，这可能是盐分主要随毛管水运移，2 000 min后土壤毛管水发生断裂，水分运输盐分的能力降低［20］。此外，秸秆覆盖处理土壤含水率和电导率变化幅度均低于CK，表明土壤盐分运移受水分运移和秸秆覆盖共同影响。试验结束时，随着秸秆覆盖量的增加土壤剖面上下层间盐分含量差异减小，盐分趋于均匀分布，原因可能是秸秆覆盖在抑制蒸发的同时降低了盐分传输能力［18，19］。

3.3 秸秆覆盖对土壤蒸发的影响

土壤蒸发受自身供水、周围气候及覆盖等因素的共同影响［21］。本研究中地表秸秆覆盖延长了土壤水汽传输路径，增加了水汽传输阻力，降低了土壤蒸发强度［22］。因此，0~5 000 min内，秸秆覆盖处理平均蒸发强度远低于CK处理，且随着秸秆覆盖量的增加，蒸发强度和累积蒸发量呈降低趋势，研究结果与李晓明等［23］研究一致；5 000~18 000 min内，CK土壤含水率相对较低，其土壤供水能力弱于秸秆覆盖处理，故其蒸发强度和累积蒸发量低于秸秆覆盖处理。

4 结 论

综上所述，本研究可得出以下结论。
（1）秸秆覆盖具有较好的保水效果，随着秸秆覆盖量的增加秸秆覆盖保水效果越强：土壤平均蒸发强度随秸秆覆盖量的增加呈极显著降低趋势，且秸秆覆盖对土壤蒸发的抑制作用主要在蒸发前期；蒸发时间、秸秆覆盖量以及两者交互作用均对土壤蒸发强度有极显著影响。
（2）秸秆覆盖在一定程度上可有效抑制深层土壤盐分向表层积聚，优化土壤剖面盐分分布，且随着秸秆覆盖量的增加秸秆对土壤剖面盐分分布的影响逐渐增强，表层与深层土壤含盐量差异逐渐减小。
本研究结论是在室内环境下获得的，室内与田间气候环境存在较大的差异，有关田间秸秆覆盖对盐碱土蒸发强度、土壤水盐运移以及作物生长的影响还有待于深入研究。

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