張建國，李紅偉，李雅菲，李雨諾，馬 悅，田樂樂，張宇新

土壤鹽結(jié)皮人工培育及其破損程度對(duì)土壤蒸發(fā)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(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

土壤鹽結(jié)皮在干旱半干旱區(qū)廣泛發(fā)育，對(duì)地表土壤水文過程具有重要影響，而外力對(duì)鹽結(jié)皮的機(jī)械破損干擾現(xiàn)象普遍存在。該文以塔克拉瑪干沙漠流動(dòng)風(fēng)沙土為例，通過室內(nèi)試驗(yàn)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(jié)皮的形成發(fā)育過程，根據(jù)鹽結(jié)皮理化性質(zhì)確定了其最適人工培育條件，并在此基礎(chǔ)上模擬了鹽結(jié)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(fā)過程。結(jié)果表明：鹽結(jié)皮的硬度、抗剪切力、pH值和電導(dǎo)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(yǎng)鹽結(jié)皮厚度和硬度均較大；土壤日蒸發(fā)量隨鹽結(jié)皮破損程度的增加而增加，并隨灌水天數(shù)呈遞減趨勢；土壤累積蒸發(fā)量隨灌水天數(shù)以及破損程度的增加而增大，鹽結(jié)皮破損100%的土壤日蒸發(fā)量和累積蒸發(fā)量與其他各處理之間有顯著性差異；鹽結(jié)皮對(duì)土壤蒸發(fā)的累積蒸發(fā)抑制效率隨灌水時(shí)間的延長呈遞增趨勢，隨破損程度的增加而降低，鹽結(jié)皮無破損處理的累積蒸發(fā)抑制效率最高達(dá)58.84%，而破損50%的處理最大僅為30.20%?？傊?，土壤鹽結(jié)皮的人工培育在方法上是可行的，其對(duì)土壤水分蒸發(fā)具有明顯的抑制作用，且其破損程度對(duì)蒸發(fā)過程具有顯著影響。這對(duì)于揭示干旱半干旱區(qū)鹽漬土壤水文過程和指導(dǎo)水土資源的合理利用具有重要意義。

土壤；鹽；蒸發(fā)；結(jié)皮；人工培育；理化性質(zhì)；破損程度

0 引 言

在氣候條件較為干旱的地下水淺埋區(qū)，由于土壤水分的蒸發(fā)使得易溶性鹽分聚集與地表土壤顆粒結(jié)晶膠結(jié)形成土壤鹽結(jié)皮[1]。鹽結(jié)皮多形成于降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈的氣候環(huán)境[2]，具有鹽分含量高、硬度大、抗風(fēng)蝕能力強(qiáng)等特點(diǎn)[3]。此外，土壤鹽結(jié)皮在咸水灌溉條件下同樣也可以廣泛發(fā)育，如塔克拉瑪干沙漠公路防護(hù)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(jié)皮層[4]。

學(xué)者們對(duì)于鹽結(jié)皮的形成發(fā)育、影響因素、鹽結(jié)皮覆蓋對(duì)植被生長的作用以及其對(duì)土壤水分蒸發(fā)、土壤風(fēng)蝕等進(jìn)行了多方面研究。Langston等[5]研究發(fā)現(xiàn)，影響土壤風(fēng)蝕能力的主要因素有鹽結(jié)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(huì)隨鹽分類型、含量多少、土壤質(zhì)地、溫度等條件表現(xiàn)出差異性。張建國等[6]研究結(jié)果表明，鹽結(jié)皮對(duì)咸水滴灌防護(hù)林土壤蒸發(fā)過程具有明顯的延緩和抑制作用，其根本原因在于鹽結(jié)皮會(huì)堵塞土壤孔隙，阻斷毛管作用，增加水汽向大氣擴(kuò)散的阻力，并通過增加反照率而降低土表溫度進(jìn)一步降低土壤蒸發(fā)。Dai等[7]發(fā)現(xiàn)礦物底物的表面特性和土壤蒸發(fā)速率影響析出鹽的形態(tài)和晶體尺寸，特別是底物疏水性和低蒸發(fā)率會(huì)抑制鹽的擴(kuò)散?？椎掠沟萚8]通過對(duì)羅布泊干鹽湖表層鹽結(jié)皮含水率的季節(jié)性變化及吸水特性的研究發(fā)現(xiàn)，鹽結(jié)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(fā)速率會(huì)受到土壤中的鹽分類型的影響[9-11]。

已有相關(guān)研究主要集中于自然狀態(tài)下發(fā)育的鹽結(jié)皮，也有學(xué)者開始對(duì)鹽結(jié)皮進(jìn)行人工培育，發(fā)現(xiàn)不同鹽分形成的鹽結(jié)皮表面特征存在明顯差異[12]。但是土壤鹽結(jié)皮在風(fēng)蝕、野生動(dòng)物踩踏或人類活動(dòng)的干擾下很容易發(fā)生不同程度的機(jī)械破損，因而難以利用野外采集的鹽結(jié)皮進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)。探討鹽結(jié)皮的人工培育方法，對(duì)于進(jìn)一步通過模擬試驗(yàn)揭示其影響下的地表過程至關(guān)重要。此外，關(guān)于鹽結(jié)皮機(jī)械破損對(duì)土壤蒸發(fā)過程的影響，目前未見相關(guān)報(bào)道。土壤鹽漬化和水資源短缺是影響干旱區(qū)農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要問題，且兩者往往同時(shí)出現(xiàn)。因此，本文根據(jù)塔里木沙漠公路防護(hù)林實(shí)際地下水礦化度范圍來設(shè)置灌溉水礦化度梯度，根據(jù)前人對(duì)于鹽結(jié)皮鹽分組成研究以及該區(qū)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(jìn)行土壤鹽結(jié)皮的人工培育，以確定人工培育鹽結(jié)皮的最適水質(zhì)條件，然后在此基礎(chǔ)上探究了不同破損程度鹽結(jié)皮影響下的土壤水分蒸發(fā)過程。該研究對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)干旱區(qū)鹽漬土壤的地表水文過程和指導(dǎo)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(hù)林（39o00′N，84o10′E，海拔1 100 m 左右）的流動(dòng)風(fēng)沙土，養(yǎng)分含量極低，含鹽量為1.26～1.63 g/kg，機(jī)械組成以細(xì)沙與極細(xì)沙為主，自然含水率極低，僅為0.02%。供試土樣黏粒、粉沙、極細(xì)沙、細(xì)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(dǎo)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(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 土壤鹽結(jié)皮的人工培育

試驗(yàn)于2017年5月在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行。試驗(yàn)所用的自制微型蒸發(fā)器（micro-Lysimeters，MLS）由內(nèi)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(fēng)干過1 mm篩以剔除雜物，混勻裝入MLS內(nèi)，每桶裝土3 kg。為保持與沙漠公路防護(hù)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(fā)形成鹽結(jié)皮。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共形成48個(gè)鹽結(jié)皮樣本。鹽結(jié)皮培育期間日平均氣溫26.8 ℃，日平均相對(duì)濕度48.1%。鹽結(jié)皮形成后測定結(jié)皮厚度、硬度、pH值、電導(dǎo)率等。，確定硬度和厚度最大的結(jié)皮所對(duì)應(yīng)的礦化度和鹽分類型為最適培育條件。

1.2.2 土壤蒸發(fā)試驗(yàn)

根據(jù)鹽結(jié)皮培育結(jié)果，按照最適培育方案進(jìn)行鹽結(jié)皮的人工培育，待MLS內(nèi)的土壤水分充分蒸發(fā)形成鹽結(jié)皮之后，人為破損鹽結(jié)皮，破損面積分別為0、25%、 50%和100%，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。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(gè)）后，小心放入盛有淡水的塑料盆內(nèi)通過底部的小孔上滲進(jìn)行緩慢灌水，每個(gè)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(zhì)量，持續(xù)稱質(zhì)量12 d。期間每日08:00、12:00和18:00用溫濕度計(jì)記錄氣溫和相對(duì)濕度，求三者的日平均值，土壤蒸發(fā)試驗(yàn)期間的空氣溫濕度如圖1所示。

1.3 指標(biāo)測定及計(jì)算

利用MarCal 16 GN型游標(biāo)卡尺（德國馬爾，精度0.05 mm）測定結(jié)皮厚度，TYD-1型土壤硬度儀（浙江托普，精度0.01N）測定結(jié)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(jié)皮抗剪切力，雷磁PhS-3C型pH計(jì)（上海儀電，精度0.01）測定結(jié)皮pH值（體積比水:土=2.5:1）、雷磁DDS-307A型電導(dǎo)率儀（上海儀電，精度0.1 mS/cm）測定結(jié)皮電導(dǎo)率（體積比水:土=5:1）。

圖1 土壤蒸發(fā)試驗(yàn)期間氣溫和相對(duì)濕度(RH)狀況

MLS內(nèi)土壤日蒸發(fā)量、累積蒸發(fā)量和蒸發(fā)抑制效率計(jì)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(shù)，=1,2,3，…，12 d；ED為第天的土壤日蒸發(fā)量，mm；WE為第天MLS的總質(zhì)量，g；EC為第天的土壤累積蒸發(fā)量，mm；WE0為MLS的初始總質(zhì)量，g；為MLS內(nèi)桶截面積，cm2；為MLS內(nèi)桶半徑，cm；為鹽結(jié)皮對(duì)土壤蒸發(fā)的抑制效率，%；EC0為對(duì)照土壤累積蒸發(fā)量，mm；為水的密度1 g/cm3。

采用Excel2010和SPSS20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用Origin8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工培育鹽結(jié)皮的物理性質(zhì)

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

圖2 灌溉水礦化度與鹽結(jié)皮硬度之間的關(guān)系

表1 不同鹽分類型（ST）及礦化度（MD）處理下鹽結(jié)皮的硬度和抗剪切力多重比較結(jié)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(jié)皮抗剪切力逐漸增大。除Na2SO4外，其他鹽分的鹽結(jié)皮抗剪切力之間線性關(guān)系擬合性較好（2>0.90，<0.05），均呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，NaCl鹽結(jié)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(shí)，Na2SO4鹽結(jié)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(shí)，4種鹽的鹽結(jié)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(shí)，NaCl、KCl、Na2SO4所形成的鹽結(jié)皮抗剪切力之間無顯著性差異（>0.05），而CaCl2所形成的鹽結(jié)皮抗剪切力顯著低于這3種鹽（<0.05）。對(duì)于同種鹽分而言，隨灌溉水礦化度升高，KCl鹽結(jié)皮抗剪切力無顯著差異（>0.05）；而NaCl和Na2SO4鹽結(jié)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(jié)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(duì)鹽結(jié)皮抗剪切力均有一定的影響，礦化度對(duì)NaCl鹽結(jié)皮抗剪切力的影響更為顯著，當(dāng)?shù)V化度增加到30 g/L時(shí)抗剪切力最大（6.73 kg/cm2）。

圖3 灌溉水礦化度與鹽結(jié)皮抗剪切力之間的關(guān)系

2.1.3 pH值

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

表2 不同鹽分類型（ST）及礦化度（MD）下鹽結(jié)皮的pH值和電導(dǎo)率關(guān)系多重比較結(jié)果

2.1.4 電導(dǎo)率

由表2可以看出，同一礦化度下，當(dāng)灌溉水礦化度為5 g/L時(shí)，CaCl2鹽結(jié)皮電導(dǎo)率顯著低于其他鹽分；灌溉水礦化度為10 g/L時(shí)，KCl鹽結(jié)皮顯著高于NaCl、CaCl2；灌溉水礦化度為20 g/L時(shí)，CaCl2與KCl顯著低于NaCl與Na2SO4的電導(dǎo)率；灌溉水礦化度為30 g/L時(shí)，CaCl2與Na2SO4顯著低于NaCl與KCl電導(dǎo)率。對(duì)于同種鹽分，NaCl鹽結(jié)皮在灌溉水礦化度為20和30 g/L時(shí)顯著高于5和10 g/L；KCl鹽結(jié)皮在灌溉水礦化度30 g/L時(shí)顯著高于5 g/L；CaCl2鹽結(jié)皮在灌溉水礦化度30 g/L時(shí)顯著高于5、10和20 g/L；而隨灌溉水礦化度升高，Na2SO4鹽結(jié)皮電導(dǎo)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(duì)鹽結(jié)皮電導(dǎo)率均有一定影響（<0.01），其中電導(dǎo)率的最大值為30 g/L的NaCl鹽結(jié)皮(3.77 mS/cm)。

綜上所述，室內(nèi)培育最適鹽結(jié)皮的方案是選擇礦化度為30 g/L的NaCl進(jìn)行培育。

2.2 鹽結(jié)皮破損程度對(duì)土壤水分蒸發(fā)過程的影響

2.2.1 鹽結(jié)皮不同破損程度對(duì)土壤日蒸發(fā)量的影響

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

2.2.2 鹽結(jié)皮不同破損程度對(duì)土壤累積蒸發(fā)量的影響

從圖4b可以看出，隨灌水天數(shù)的增加，各處理土壤累積蒸發(fā)量逐漸增大，鹽結(jié)皮破損0、25%和50%的土柱累積蒸發(fā)量均一直遠(yuǎn)低于鹽結(jié)皮破損100%的土柱，且隨著時(shí)間的延長差距越明顯。不同破損程度各處理土壤累積蒸發(fā)量隨灌水后天數(shù)呈線性增加趨勢，鹽結(jié)皮覆蓋對(duì)土壤蒸發(fā)的抑制效應(yīng)明顯。隨著破損程度的增加，土壤累積蒸發(fā)量逐漸增加，從灌水第4 天開始，土壤累積蒸發(fā)量增速變緩。鹽結(jié)皮無破損的累積蒸發(fā)量與破損0、50%和25%的土柱之間差異顯著，最終累積蒸發(fā)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(duì)照相比，破損率不同的鹽結(jié)皮覆蓋均會(huì)使土壤累積蒸發(fā)量顯著降低，進(jìn)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(jié)皮破損程度對(duì)土壤水分累積蒸發(fā)抑制效率的動(dòng)態(tài)影響

蒸發(fā)抑制效率是指在土壤蒸發(fā)過程中某些指標(biāo)抑制土壤水分蒸發(fā)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(fā)抑制效率降低，鹽結(jié)皮破損50%的土柱，累積蒸發(fā)抑制效率最小。隨著灌水天數(shù)的增加，鹽結(jié)皮破損0、25%和50%的累積蒸發(fā)抑制效率均先增加后基本穩(wěn)定；破損50%處理從灌水開始直至灌水第7天，累積蒸發(fā)抑制效率逐漸增加，灌水第7 天至灌水最后1天，累積蒸發(fā)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(fā)抑制效率較高，灌水開始直至灌水第4 天，累積蒸發(fā)抑制效率逐漸增加，灌水第4 天至灌水最后1天，累積蒸發(fā)抑制效率基本不變，維持最大值（44.04%）。鹽結(jié)皮無破損處理累積蒸發(fā)抑制效率最高，從灌水開始直至灌水第4 天，累積蒸發(fā)抑制效率逐漸增加，灌水第4 天至灌水最后1天，累積蒸發(fā)抑制效率基本不變。第7 天達(dá)到最大值（58.84%）。鹽結(jié)皮覆蓋可以明顯抑制土壤水分蒸發(fā)，起到節(jié)水保墑的作用。

注：不同字母表示不同處理間土壤累積蒸發(fā)量差異顯著(P<0.05).

圖5 鹽結(jié)皮不同破損程度下蒸發(fā)抑制效率的動(dòng)態(tài)變化

3 討 論

3.1 灌溉水質(zhì)對(duì)鹽結(jié)皮理化性質(zhì)的影響

從本文研究結(jié)果來看，不同礦化度對(duì)于鹽結(jié)皮的硬度、抗剪切力、pH值、電導(dǎo)率的影響均較小，鹽分類型對(duì)鹽結(jié)皮硬度、pH值影響較大，對(duì)抗剪切力、電導(dǎo)率影響較小，礦化度和鹽分類型交互對(duì)鹽結(jié)皮的硬度、抗剪切力、pH值、電導(dǎo)率的影響均比較大，其中對(duì)于硬度的影響最大。這說明鹽結(jié)皮的基本理化性質(zhì)受礦化度和鹽分類型共同影響。鹽結(jié)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(fā)，鹽分結(jié)晶和土壤顆粒結(jié)聚而成，不同鹽分形成的鹽結(jié)皮結(jié)晶數(shù)量也不同。礦化度同為5、10、30 g/L時(shí)不同鹽分所形成的鹽分結(jié)晶數(shù)量相差不大，因此各鹽結(jié)皮硬度之間無顯著性差異。20 g/L KCl鹽結(jié)皮形成的結(jié)晶數(shù)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(huì)填滿土表所有孔隙，同種鹽分所形成的鹽結(jié)皮硬度逐漸增大。不同鹽分之間NaCl鹽結(jié)皮硬度變化最大，灌溉水礦化度30 g/L時(shí)不同鹽分鹽結(jié)皮硬度均達(dá)到最大。王大環(huán)等[2]利用古爾班通古特沙漠的細(xì)沙進(jìn)行了鹽結(jié)皮的培育，分析發(fā)現(xiàn)隨著濃度的增加，Na2SO4鹽結(jié)皮晶體數(shù)量增加，硬度增大，本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著礦化度的增加，30 g/L 時(shí)Na2SO4鹽結(jié)皮硬度顯著高于5和10 g/L，與其結(jié)果相一致。其抗風(fēng)蝕能力也會(huì)隨著硬度的增大而增強(qiáng)。

土壤抗剪切力的大小會(huì)受到土壤物理性質(zhì)的影 響[15]，在土壤水分蒸發(fā)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(duì)抵抗剪切破壞起到一定作用。而且土柱中鹽晶體會(huì)改變土壤顆粒之間的受力結(jié)構(gòu)，因此會(huì)影響到鹽結(jié)皮的抗壓能力[16]。本研究的結(jié)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(jié)晶和土壤顆粒形成的土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均增強(qiáng)，因此抗剪切力也逐漸增大。不同鹽分之間NaCl鹽結(jié)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(jié)皮抵抗外力壓實(shí)和破碎的能力也最強(qiáng)。在礦化度同為20 g/L時(shí)不同鹽分所形成的鹽結(jié)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(shí)，抗剪切力越大，更能有效阻止水分的蒸發(fā)。

鹽分增加可能導(dǎo)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(duì)比例發(fā)生變化，因而會(huì)影響其pH值[18]。本研究結(jié)果表明，NaCl鹽結(jié)皮pH值在30 g/L時(shí)顯著高于5 g/L，CaCl2鹽結(jié)皮20、30 g/L時(shí)顯著高于5、10 g/L，跟鹽的水解能力有關(guān)。礦化度為5 、10 g/L時(shí)，CaCl2鹽結(jié)皮pH與其他鹽分有顯著差異性。郭全恩等[18]研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH值與SO42-、Cl-在全鹽中的比例呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與Ca2+、Na+在全鹽中的比例呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，這與本研究的結(jié)果相一致。

土壤鹽分、水分、有機(jī)質(zhì)含量、土壤壓實(shí)度、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和孔隙率等都不同程度地影響著土壤電導(dǎo)率[19]。本研究結(jié)果表明，礦化度增加對(duì)鹽結(jié)皮電導(dǎo)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(dǎo)電性存在較大差異；隨著礦化度的升高電導(dǎo)率也逐漸增大。張?jiān)降萚20]研究發(fā)現(xiàn)鹽結(jié)皮電導(dǎo)率與灌溉水礦化度均呈線性正相關(guān)，與本研究的結(jié)果相一致。因此，根據(jù)土壤鹽結(jié)皮人工培育結(jié)果，綜合分析確定灌溉水礦化度為30 g/L的NaCl溶液為最優(yōu)鹽結(jié)皮人工培育條件。

3.2 鹽結(jié)皮對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響

不同的氣候條件和土壤特性均會(huì)影響土壤水分蒸發(fā)速率[21]。此外，土壤水分蒸發(fā)速率也會(huì)受到土壤水分運(yùn)移速率以及土壤蒸發(fā)面的影響[22]。而鹽結(jié)皮的存在改變了土壤蒸發(fā)的界面條件。土壤水分蒸發(fā)后可溶性鹽離子會(huì)在地表結(jié)晶，這樣不僅會(huì)使土壤毛管作用阻斷，阻礙水汽向大氣擴(kuò)散，同時(shí)還會(huì)引起地表反照率發(fā)生改變而降低土表溫度，從而進(jìn)一步降低土壤蒸發(fā)[13]，因此而導(dǎo)致水分蒸發(fā)速率變慢，日蒸發(fā)量減少。試驗(yàn)開始前灌水補(bǔ)給充分，蒸發(fā)初始階段各處理土壤含水率一致，MLS內(nèi)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(chǎn)生穩(wěn)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(kuò)散[23]。不同破損程度的鹽結(jié)皮土壤水分蒸發(fā)損失需要經(jīng)過一定覆蓋面的鹽結(jié)皮層，如果鹽結(jié)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(fā)損失較快，日蒸發(fā)量較大，土壤累積蒸發(fā)量快速增加，土壤水分累積蒸發(fā)抑制效率越小。因而破損100%的處理土壤日蒸發(fā)量最高，累積蒸發(fā)量也最大，而鹽結(jié)皮無破損處理土壤日蒸發(fā)量和累積蒸發(fā)量均最小。本研究結(jié)果與Shokri-Kuehni等[24]的研究結(jié)果一致。因此鹽結(jié)皮覆蓋可以減少土壤水分蒸發(fā)，抑制土壤鹽分在表層的積累，起到節(jié)水保墑和抑鹽的作用。

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

在風(fēng)沙危害極為嚴(yán)重的干旱荒漠區(qū)，鹽結(jié)皮的存在還可以抵抗風(fēng)蝕危害[1]，有利于旱區(qū)植物的生長發(fā)育。此外，荒漠地區(qū)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(dǎo)致的土壤強(qiáng)蒸發(fā)過程會(huì)使鹽漬化大面積出現(xiàn)。鹽結(jié)皮含鹽量高，它的存在對(duì)于植物也是一個(gè)潛在威脅[6]。如何充分發(fā)揮鹽結(jié)皮的保水抑鹽功能，降低其危害風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到水鹽相互協(xié)調(diào)，有關(guān)這方面的問題值得進(jìn)一步探究。

4 結(jié) 論

通過室內(nèi)人工培育土壤鹽結(jié)皮理化指標(biāo)的分析，確定了鹽結(jié)皮的最適培育方法，并對(duì)其不同破損程度影響下的土壤蒸發(fā)過程進(jìn)行分析，得出以下主要結(jié)論：

1）土壤鹽結(jié)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(jié)皮硬度、抗剪切力、pH、電導(dǎo)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(jìn)行鹽結(jié)皮的人工培育為最適培育條件，此時(shí)培育的結(jié)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(dǎo)率為3.77 mS/cm。

2）鹽結(jié)皮對(duì)土壤水分蒸發(fā)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(fā)量隨鹽結(jié)皮破損程度的增加而增加，并隨灌水后天數(shù)的增加而逐漸降低；土壤累積蒸發(fā)量隨灌水后天數(shù)以及鹽結(jié)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(fā)量均呈線性遞增變化關(guān)系；土壤累積蒸發(fā)抑制效率隨鹽結(jié)皮破損程度的增加而降低，隨灌水后天數(shù)呈先遞增后基本不變，破損50%和無破損在第7天達(dá)到最大值（30.20%和58.84%），破損25%在第4天達(dá)到最大值（44.04%）。

[1] 李誠志. 土壤風(fēng)蝕環(huán)境下鹽結(jié)皮研究及展望[J]. 新疆大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2018，35(4)：28－34，41. Li Chengzhi．A review：The formation, development and prospect of soil salt crust on the view of soil erosion [J]. Journal of Xinjiang University: Natural Science Edition, 2018, 35(4): 28－34, 41. (in Chinese with English abstract)

[2] 王大環(huán)，李誠志，李沼鵜. Na2SO4對(duì)古爾班通古特沙漠細(xì)沙鹽結(jié)皮特性的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2018，31(11)：1979－1986． Wang Dahuan, Li Chengzhi, Li Zhaoti. Na2SO4crust characteristics in fine sand collected in the Gurbantunggut Desert[J]. 2018, 31(11): 1979－1986. (in Chinese with English abstract)

[3] 李沼鵜. 幾種常見鹽分組合對(duì)風(fēng)沙土膠結(jié)強(qiáng)度的影響研究[D]. 烏魯木齊：新疆大學(xué)，2018． LiZhaoti, The Study on The Influence of Several Common Salt Combinations on the Cementation Strength of Aeolian Sandy[D]. Urumqi: Xinjiang University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[4] 劉海東，劉嬌，趙英，等. 梭梭和沙拐棗對(duì)風(fēng)沙土壤水熱鹽動(dòng)態(tài)的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2017，31(3)：169－175，181. Liu Haidong, Liu Jiao, Zhao Ying, et al. Effects of haloxylonammodendron and calligonummongolicum on water-heat-salt dynamics in sandy soil[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2017, 31(3): 169－175, 181. (in Chinese with English abstract)

[5] Langston G，Neuman M K. An experimental study on the susceptibility of crusted surfaces to wind erosion: A comparison of the strength properties of biotic and salt crusts[J]. Geomorphology, 2005, 72: 40－53.

[6] 張建國，徐新文，雷加強(qiáng)，等. 極端干旱區(qū)咸水滴灌林地鹽結(jié)皮對(duì)土壤蒸發(fā)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(9)：34－39． Zhang Jianguo, Xu Xinwen, Lei Jiaqiang, et al. Effects of salt crust on soil evaporation condition with saline-water drip-irrigation in extreme arid region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(9): 34－39. (in Chinese with English abstract)

[7] Dai S, Shin H, Santamarina J C. Formation and development of salt crusts on soil surfaces[J]. ActaGeotechnica, 2016, 11: 1103－1109.

[8] 孔德庸，李保國，馬黎春，等. 羅布泊干鹽湖表層鹽殼含水率季節(jié)性變化及吸水特征研究[J]. 地球?qū)W報(bào)，2016，37(2)：185－192． Kong Deyong, Li Baoguo, Ma Lichun, et al. Seasonal change of water absorption capability and moisture content of the top salt-crust in Lop Nur Dry Lake[J]. Journal of Geosciences 2016, 37(2): 185－192. (in Chinese with English abstract)

[9] 阿不都艾尼·阿不里，伍靖偉，塔西甫拉提·特依拜，等. 不同含鹽量土壤鹽分對(duì)蒸發(fā)的影響試驗(yàn)研究[J]. 土壤通報(bào)，2016，47(1)：79－84． Abdugheni Abliz, Wu Jingwei, Tashpolat Tiyip, et al. The effect of different soil salt contents on evaporation[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2016, 47(1): 79－84. (in Chinese with English abstract)

[10] Nachshon U, Weisbrod N. Beyond the salt crust: on combined evaporation and subflorescentsalt precipitation in porous media[J]. Transport in Porous Media, 2015, 110: 295－310.

[11] Nield J M, Wiggs G F S, King J, et al. Climate- surface-pore-water interactions on a salt crusted play an implications for crust pattern and surface roughness development measured using terrestrial laser scanning[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2016, 41: 738－753.

[12] 王大環(huán). 風(fēng)沙土鹽水膠結(jié)實(shí)驗(yàn)性研究[D]. 烏魯木齊：新疆大學(xué)，2018． Wang Dahuan. Experimental Study on Saline Cemented Sandy Soil[D]. Urumqi: Xinjiang University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[13] 張建國，趙英，徐新文，等. 極端干旱區(qū)咸水灌溉下流沙壓埋的減蒸抑鹽效應(yīng)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，25(5)：1415－1421. Zhang Jianguo, Zhao Ying, Xu Xinwen, et al. Effect of shifting sand burial on evaporation reduction and salt restraint under saline water irrigation in extremely arid region[J]. Journal of Applied Ecology, 2014, 25(5): 1415－1421. (in Chinese with English abstract)

[14] 姜海波，唐凱，何新林. 抑制干旱區(qū)平原水庫蒸發(fā)試驗(yàn)及蒸發(fā)模型研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2016，30(1)：119－124． Jiang Haibo, Tang Kai, He Xinlin. Experimental study on restraining evaporation of plain reservoirs in arid regions and Study on evaporation model[J]. Resources and Environment in Arid Areas, 2016, 30(1): 119－124. (in Chinese with English abstract)

[15] Arulrajah A, Disfani M M, Horpibulsuk S, et al. Physical properties and shear strength responses of recycled construction and demolition materials in unbound pavement base/subbase applications[J]. Construction & Building Materials, 2014, 58(4): 245－257.

[16] 陶高梁，李進(jìn)，莊心善，等. 利用土中水分蒸發(fā)特性和微觀孔隙分布規(guī)律確定SWCC殘余含水率[J]. 巖土力學(xué)，2018，39(4)：1256－1262． Tao Gaoliang, Li Jin, Zhuang Xinshan, et al. Determination of the residual water content of SWCC based on the soil moisture evaporation properties and micro pore characteristics[J]. Geotechnical Mechanics, 2018, 39(4): 1256－1262. (in Chinese with English abstract)

[17] 史東梅，蔣平，何文健，等. 紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪強(qiáng)度對(duì)干濕作用的響應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(24)：139－146. Shi Dongmei, Jiang Ping, He Wenjian, et al. Response of soil shear strength of bio-embankments for slope farmland to drying- wetting effect in Purple Hilly Area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(24): 139－146. (in Chinese with English abstract)

[18] 郭全恩，南麗麗，李保國，等. 灌溉水鹽分組成對(duì)土壤水鹽遷移參數(shù)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(23)：123－128. Guo Quan’en, Nan Lili, Li Baoguo, et al. Effect of salt ion composition of irrigation water on parameters of soil water and salt movement[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(23): 123－128. (in Chinese with English abstract)

[19] Mentges M I, Reichert J M, Rodrigues M F, et al. Capacity and intensity soil aeration properties affected by granul-ometry, moisture, and structure in no-tillage soils[J]. Geoderma, 2016, 263: 47－59.

[20] 張?jiān)?，楊勁松，姚榮江. 咸水凍融灌溉對(duì)重度鹽漬土壤水鹽分布的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2016，53(2)：388－400． Zhang Yue, Yang Jingsong, Yao Rongjiang. Effects of saline ice water irrigation on distribution of moisture and salt content in coastal saline soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(2): 388－400. (in Chinese with English abstract)

[21] Jana R B, Ershadi A, Mccabe M F. Examining the relationship between intermediate-scale soil moisture and terrestrial evaporation within a semi-arid grassland[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2016, 20(10): 3987－4004.

[22] Carrier O, Shahidzadeh-Bonn N, Zargar R, et al. Evaporation of water: Evaporation rate and collective effects[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2016, 798: 774－786.

[23] Hasan A A, Mekheimer K S, Tantawy B E. Magneto-gravitodynamics ability of three dimensional streaming velocities of fluid cylinder under the effect of capillary force[J]. Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 2018, 15(5): 174－181.

[24] Shokri-Kuehni, Salomé M S, Vetter T, et al. New insights into saline water evaporation from porous media: Complex interaction between evaporation rates, precipitation and surface temperature[J]. Geophysical Research Letters, 2017:5504－5510. doi:10.1002/2017GL073337

[25] Zhang Jianguo, Xu Xinwen, Zhao Ying, et al. Effect of shifting sand burial on soil evaporation and moisture–salt distribution in a hyper-arid desert[J]. Environmental Earth Sciences, 2016, 75(21): 1417.

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(xué)基金項(xiàng)目(41877541、41471222)；中科院水土保持研究所青年人才專項(xiàng)（A315021528）；陜西省大學(xué)生科創(chuàng)重點(diǎn)項(xiàng)目（201803141）

張建國，副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橥寥浪}運(yùn)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(jié)皮人工培育及其破損程度對(duì)土壤蒸發(fā)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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