于超，孫池濤*，張倩，孫玉霞，朱自果，李勃，呂鵬超，于少利

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271000；2. 山東省葡萄研究院，山東 濟(jì)南 250000；3. 威海市農(nóng)業(yè)農(nóng)村事務(wù)服務(wù)中心，山東 威海 264200；4. 海陽(yáng)市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，山東 海陽(yáng) 265100)

水資源短缺和土壤鹽堿化是引起許多干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平低下的直接因素.黃河三角洲鹽漬化面積達(dá)4.429×105hm2，占全區(qū)總面積的一半以上.同時(shí)，黃河三角洲是未大規(guī)模開(kāi)發(fā)的大河三角洲，后發(fā)優(yōu)勢(shì)明顯，開(kāi)發(fā)潛力巨大[1].該地區(qū)土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，約50%以上的水分通過(guò)蒸發(fā)損失.此外，強(qiáng)烈的蒸發(fā)促使深層土壤水分和鹽分向表層土壤運(yùn)移，水去鹽留，最終導(dǎo)致鹽分在上層土壤積聚，造成土壤鹽堿化[2].因此，土壤水分蒸發(fā)不僅關(guān)系土壤水分的散失，還涉及土壤鹽漬化危害.

土壤水分蒸發(fā)看似簡(jiǎn)單，實(shí)則十分復(fù)雜[3-4].近年來(lái)，關(guān)于影響土壤蒸發(fā)的諸多因素的研究已取得了許多重要成果[5-6].鹽漬化土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最常見(jiàn)的土壤類型之一，鹽分對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響不可忽略.阿不都艾尼等[7]研究表明土壤含鹽量與蒸發(fā)量具有很好的相關(guān)性，且鹽分越高，相關(guān)性越好；隨著含鹽量增加，土壤蒸發(fā)速率減小.譚霄等[8]研究表明土壤含鹽量增加導(dǎo)致土壤持水性降低，土壤水分供應(yīng)能力下降.李新舉等[9]研究表明土壤水分蒸發(fā)總量在土壤水分較高時(shí)主要由土壤含鹽量控制，而含水量低時(shí)主要由土壤含水量控制.究其原因，可能與鹽分影響土壤水分黏滯系數(shù)、破壞土壤孔隙結(jié)構(gòu)以及堵塞土壤孔隙等[10]有關(guān)，進(jìn)而影響蒸發(fā).有研究[11]表明，鹽分積聚在土壤表層后，地表反照率增加，土壤獲得的有效輻射量減小，土壤蒸發(fā)隨之降低.而也有研究[12]表明，鹽分積聚土壤表面后可提高土壤內(nèi)部熱量傳輸能力，加速土壤水分的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而促進(jìn)土壤蒸發(fā).可見(jiàn)鹽分對(duì)土壤蒸發(fā)的影響機(jī)理以及鹽分影響下的土壤蒸發(fā)規(guī)律仍值得深入研究.

以往關(guān)于黃河三角洲地區(qū)鹽漬土方面的研究多集中耐鹽堿植物栽培、鹽堿地改良對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響等方面，而不同含鹽量土壤蒸發(fā)特性的相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道.基于此，文中通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究土壤鹽分含量對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響特性，分析蒸發(fā)過(guò)程中土壤水鹽分布和蒸發(fā)強(qiáng)度等指標(biāo)變化，探討含鹽量對(duì)土壤蒸發(fā)的影響機(jī)制，為黃河三角洲鹽漬土的水鹽調(diào)控和鹽漬土綜合治理提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤取自山東省農(nóng)科院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)示范基地0～40 cm 土層，土壤含鹽量為0.15%～0.30%，土壤pH為7.11～8.49.供試土壤顆粒級(jí)配：黏粒(<0.002 mm)、粉粒([0.002，0.050] mm)、沙粒(>0.050 mm)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8.41%，16.91%，52.54%；土壤類型為沙質(zhì)壤土；土壤鹽離子主要以Cl-和Na+為主.該區(qū)域氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫為12.3 ℃，年降雨量為561.3 mm，年蒸發(fā)量為1 155.6 mm；年內(nèi)降雨主要集中在6—9月份，約占全年降雨量的73%.

1.2 試驗(yàn)樣品制備

試驗(yàn)用塑料杯高102 mm、上口直徑72 mm、下口直徑50 mm，容積為300 mL；2個(gè)塑料杯為一套裝置，如圖1所示，上杯底部用電鉆均勻打孔(孔徑1 mm)，下杯完好嵌套上杯.上杯底部均勻鋪設(shè)20 g粒徑為2 mm的石英砂做反濾層并放置1張濾紙以防止反濾層與土壤混摻，之后將預(yù)先過(guò)篩、除雜的250 g風(fēng)干土按照1.3 g/cm3的干容重裝入杯中，塑料杯上部預(yù)留3 cm空間以灌水.試驗(yàn)共包括6個(gè)處理，由礦化度分別為5，10，30，50，70，90 g/L的咸水(由當(dāng)?shù)睾｛}配置而成)灌溉獲得，依次用處理T1—T6表示，每個(gè)處理重復(fù)20次.為了確保同一處理土壤含鹽量均一，所有處理的灌溉水量為300 mL，加水前每套裝置土壤上方放置1層濾紙，以免加水沖坑；加水后及時(shí)倒掉下杯收集的水分，所有處理加水后靜置24 h開(kāi)始試驗(yàn).

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

1.3 測(cè)定程序

固定每個(gè)處理中最后3組裝置稱重，按照先密后疏的原則，根據(jù)前后2次質(zhì)量差值及時(shí)間，分別確定累積蒸發(fā)量和土壤蒸發(fā)強(qiáng)度；通過(guò)藥匙破壞性分層(0～1，1～2，2～4，4～5和5～6 cm)取樣測(cè)定土壤含水率和電導(dǎo)率(含鹽量).土壤含水率通過(guò)烘干法測(cè)定，電導(dǎo)率值由電導(dǎo)率儀(DDS-307A，上海雷磁)測(cè)定.具體測(cè)定流程可參照孫池濤等[13]方法.

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)Excel錄入數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)初步分析，通過(guò)Excel和Surfer完成作圖.土壤蒸發(fā)強(qiáng)度由階段土壤蒸發(fā)量與時(shí)間的比值確定，土壤累積蒸發(fā)量由各階段蒸發(fā)量累計(jì)求和確定，土壤剖面平均含水率、電導(dǎo)率均通過(guò)加權(quán)平均法獲取.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分變化對(duì)土壤水分影響

2.1.1 對(duì)表層0～1 cm土壤質(zhì)量含水率的影響

圖2為不同含鹽量處理表層0～1 cm土壤體積含水率θ隨時(shí)間t的變化.由圖可見(jiàn)，各處理表層0～1 cm 土壤含水率隨時(shí)間延長(zhǎng)均呈降低趨勢(shì)；同一時(shí)刻各處理表層含水率隨含鹽量增加呈上升趨勢(shì).試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理T1—T6的土壤表層含水率比試驗(yàn)初期依次降低了95.8%，95.2%，94.7%，91.0%，87.0%和80.0%；處理T2—T6比T1表層平均含水率分別增加了1.3%，5.0%，13.6%，16.3%和22.8%.

圖2 不同含鹽量處理表層0～1 cm土壤含水率變化Fig.2 Variation of soil moisture content in 0-1 cm surface layer with different salt content treatments

表1為不同含鹽量處理表層土壤含水率與時(shí)間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系擬合結(jié)果.由表可見(jiàn)，0～18 d 內(nèi)，各處理表層含水率隨時(shí)間延長(zhǎng)呈線性下降趨勢(shì)，下降趨勢(shì)迅速且下降速率按處理排序由大到小為T1，T2，T3，T4，T6，T5；18～54 d內(nèi)，各處理表層含水率隨時(shí)間延長(zhǎng)呈線性下降趨勢(shì)，下降趨勢(shì)緩慢且下降速率按處理排序由小到大為T1，T2，T6，T3，T5，T4.整個(gè)試驗(yàn)期間，各處理表層含水率隨時(shí)間延長(zhǎng)呈對(duì)數(shù)型遞減趨勢(shì)，且降低幅度隨含鹽量增加而逐漸降低，說(shuō)明土壤含鹽量增加減少了水分蒸發(fā)，提高了最終土壤含水率.

表1 不同含鹽量處理表層含水率與時(shí)間之間的擬合關(guān)系表Tab.1 Relationship between surface water content and time of different salt content treatments

2.1.2 對(duì)土壤剖面含水率的影響

試驗(yàn)期間各處理土壤剖面含水率變化如圖3所示，圖中物理量為深度h、蒸發(fā)歷時(shí)t.由圖可見(jiàn)，各處理土壤剖面含水率隨時(shí)間延長(zhǎng)整體呈降低趨勢(shì)，且同一時(shí)刻隨著土壤含鹽量增加，土壤剖面平均含水率總體呈增高趨勢(shì).根據(jù)各個(gè)時(shí)間段的土壤含水率變化情況，試驗(yàn)前期各處理土壤含水率剖面分布比較均勻；試驗(yàn)后期各處理土壤含水率剖面分布均呈自上而下逐漸遞增的趨勢(shì)，且隨著含鹽量增加，土壤剖面平均含水率逐漸增高.

圖3 土壤剖面含水率變化過(guò)程Fig.3 Changes process of soil water content distribution across profile

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理T1—T6的土壤含水率分別為2.10%，2.52%，2.76%，4.54%，6.21%和9.09%；各處理剖面平均含水率較試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)依次降低了94.8%，93.6%，92.9%，88.3%，83.2%和75.3%，且處理T1—T6表層0～2 cm土壤含水率比土層3～6 cm低了8.3%～30.5%.0～18 d 內(nèi)，處理T1—T6剖面平均含水率下降速率分別為每天3.8%，3.7%，3.4%，3.1%，2.9%和2.7%，這一階段內(nèi)土壤含水率變化波動(dòng)較大，變化速率較快；18 d以后，處理T1—T6剖面平均含水率下降速率分別為每天2.3%，2.2%，2.3%，2.0%，1.8%和1.5%，可見(jiàn)含水率的變化波動(dòng)趨于穩(wěn)定.試驗(yàn)期間，處理T1—T6剖面平均含水率分別為19.77%，19.85%，20.45%，22.14%，22.26%和23.66%.

2.2 土壤鹽分變化對(duì)土壤鹽分的影響

2.2.1 對(duì)表層0～1 cm 土壤電導(dǎo)率的影響

圖4為各處理表層0～1 cm土層土壤電導(dǎo)率EC變化.由圖可見(jiàn)各處理表層0～1 cm 土壤電導(dǎo)率隨時(shí)間延長(zhǎng)呈增加趨勢(shì).試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理T1—T6表層電導(dǎo)率較試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)分別增加了135%～330%.此外，由圖還可見(jiàn)0～18 d 內(nèi)，處理T1—T6表層0～1 cm 土壤電導(dǎo)率增加迅速，分別增加了64%～186%，這個(gè)階段的土壤表層電導(dǎo)率變化波動(dòng)較大，鹽分運(yùn)移速率較快；18 d 之后，處理T1—T6表層0～1 cm土壤電導(dǎo)率增加緩慢，增加了50%～64%，這個(gè)階段的表層電導(dǎo)率變化趨于穩(wěn)定.

圖4 不同含鹽量處理表層0～1 cm 土壤電導(dǎo)率變化Fig.4 Soil conductivity variation of 0-1 cm surface layer with different salt content treatments

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理T2—T6的表層平均電導(dǎo)率比T1分別高了61%，213%，380%，465%和560%.可見(jiàn)隨著土壤含鹽量增加，鹽分在土壤表層的積聚程度越嚴(yán)重.

2.2.2 對(duì)土壤剖面電導(dǎo)率的影響

試驗(yàn)期間各處理土壤剖面電導(dǎo)率變化如圖5所示.由圖可見(jiàn)，各處理表層土壤電導(dǎo)率隨時(shí)間延長(zhǎng)而迅速增加，土壤剖面電導(dǎo)率分布均呈自表層向深層逐漸降低的趨勢(shì).試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，土壤鹽分剖面分布均勻.試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理T1—T6表層0～2 cm 土壤電導(dǎo)率較試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)分別增加了89%～153%；處理T2—T6表層0～2 cm 土壤電導(dǎo)率較T1分別增大了73%，168%，329%，349%和517%.此外，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理T2—T6比T1的剖面平均電導(dǎo)率分別高了44%，132%，262%，346%，583%，且處理T1—T6表層0～2 cm 土壤電導(dǎo)率比土層3～6 cm 高了82%～196%.可見(jiàn)，土壤鹽分含量越高，蒸發(fā)結(jié)束后土壤表層與深層之間電導(dǎo)率差異越大.

圖5 土壤剖面電導(dǎo)率變化Fig.5 Changes of soil electrical conductivity distribution across soil profile

2.3 土壤蒸發(fā)對(duì)土壤鹽分變化的響應(yīng)特征

2.3.1 蒸發(fā)強(qiáng)度對(duì)土壤鹽分變化的響應(yīng)特征

試驗(yàn)期間各處理蒸發(fā)強(qiáng)度E隨時(shí)間的變化如圖6所示.由圖可見(jiàn)，試驗(yàn)期間各處理蒸發(fā)強(qiáng)度隨時(shí)間延長(zhǎng)總體呈逐漸降低趨勢(shì).

圖6 土壤蒸發(fā)強(qiáng)度變化過(guò)程Fig.6 Soil evaporation intensity variation time under different treatments

0～18 d，各處理蒸發(fā)強(qiáng)度相對(duì)較高，處理T1—T6的平均蒸發(fā)強(qiáng)度分別為8.6×10-4，8.3×10-4，7.3×10-4，6.6×10-4，5.9×10-4和5.5×10-4mm/d；18～54 d，各處理平均蒸發(fā)強(qiáng)度較0～18 d平均蒸發(fā)強(qiáng)度顯著降低，處理T1—T6平均蒸發(fā)強(qiáng)度分別為9.0×10-5，1.1×10-4，1.4×10-4，1.5×10-4，1.5×10-4和1.3×10-4mm/d.試驗(yàn)期間，處理T1—T6的平均蒸發(fā)強(qiáng)度為3.5×10-4，3.5×10-4，3.4×10-4，3.2×10-4，3.0×10-4和2.7×10-4mm/d.綜上可知，蒸發(fā)前期(0～18 d)，各處理土壤平均蒸發(fā)強(qiáng)度隨土壤含鹽量增加而降低；蒸發(fā)后期(18～54 d)，各處理土壤平均蒸發(fā)強(qiáng)度隨土壤含鹽量增加而增加；整個(gè)試驗(yàn)期間(0～54 d)，各處理土壤平均蒸發(fā)強(qiáng)度隨土壤含鹽量增加呈降低趨勢(shì).

2.3.2 累積蒸發(fā)量對(duì)土壤鹽分變化的響應(yīng)特征

試驗(yàn)期間各處理累積蒸發(fā)量ET隨時(shí)間延長(zhǎng)的變化如圖7所示.

圖7 土壤累積蒸發(fā)量變化過(guò)程Fig.7 Cumulative soil evaporation variation time under different treatments

由圖7可見(jiàn)，0～18 d，各處理累積蒸發(fā)量迅速增長(zhǎng)，處理T1—T6的累積蒸發(fā)量分別為21.18，20.53，17.97，16.39，14.71和13.71 mm.18～54 d，各處理累積蒸發(fā)量較蒸發(fā)前期顯著降低，處理T1—T6的累積蒸發(fā)量分別為4.95，5.67，7.53，7.87，7.79和6.87 mm.試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理T1—T6的累積蒸發(fā)量分別為26.13，26.20，25.50，24.26，22.50和20.58 mm，可以看出土壤含鹽量低的處理T1累積蒸發(fā)量最高，其次為T2—T6.說(shuō)明土壤累積蒸發(fā)量隨含鹽量增加呈降低趨勢(shì)，且處理T1在蒸發(fā)前期累積蒸發(fā)量最大，蒸發(fā)后期累積蒸發(fā)量最小.

3 討 論

3.1 土壤鹽分含量對(duì)土壤水分運(yùn)移的影響

土壤水分運(yùn)動(dòng)不僅影響土壤墑情和作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分的供應(yīng)，還影響著土壤鹽分的積累與分布.文中研究的處理T2—T6的平均土壤含水率均比T1高，且隨著土壤含鹽量增加，表層含水率和剖面平均含水率均呈增加趨勢(shì)，這可能是隨著土壤鹽分升高，土壤溶質(zhì)勢(shì)增強(qiáng)，影響了水分運(yùn)移[14]；此外，隨著土壤含鹽量增加，土壤水黏滯系數(shù)增加，水分在土壤孔隙中的運(yùn)移以及地表蒸發(fā)也會(huì)受到影響，這與李新舉等[9]研究結(jié)果基本一致.試驗(yàn)期間各處理表層含水率均呈對(duì)數(shù)函數(shù)降低趨勢(shì)，且0～18 d內(nèi)各處理的下降趨勢(shì)遠(yuǎn)大于18 d以后各處理的下降趨勢(shì).原因是0～18 d內(nèi)各處理土壤含水率相對(duì)較高，毛管中大部分水分可用于土壤蒸發(fā)，土壤含水率降低幅度較大；18 d以后各處理含水率較低，毛管水逐漸斷裂，僅有部分毛管水用于土壤蒸發(fā)，土壤含水率降低幅度越小.此外，土壤含鹽量越高，鹽分對(duì)水的束縛作用越強(qiáng)，也在一定程度上減少了水分消耗.

3.2 土壤鹽分含量對(duì)土壤鹽分運(yùn)移的影響

土壤含鹽量的增加加快了土壤的積鹽過(guò)程.文中研究表明，隨著土壤含鹽量增加，表層積鹽量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，這主要是土壤中可溶性鹽隨水分蒸發(fā)而逐漸在表層積聚，并與地表土壤顆粒結(jié)晶膠結(jié)形成沉淀[15].試驗(yàn)期間各處理表層0～1 cm土壤含水率持續(xù)降低，土壤電導(dǎo)率持續(xù)增加，且0～18 d內(nèi)各處理表層電導(dǎo)率增加迅速，18 d 以后增加趨勢(shì)緩慢，這可能是0～18 d 內(nèi)鹽分主要通過(guò)毛管水運(yùn)移，18 d 以后土壤毛管水?dāng)嗔?，水?duì)鹽分的運(yùn)移能力降低所致[9].試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，土壤含鹽量越高，土壤剖面表層與深層之間鹽分含量差異越大，原因可能是土壤中的鹽分含量越高，蒸發(fā)過(guò)程中隨水分向表層遷移的鹽分含量就越多，表層積鹽也越嚴(yán)重[7].

3.3 土壤鹽分含量對(duì)土壤蒸發(fā)的影響

文中研究表明，處理T2—T6的0～18 d內(nèi)的平均蒸發(fā)強(qiáng)度均低于T1的，且隨土壤含鹽量增加，蒸發(fā)強(qiáng)度逐漸降低.這可能是土壤含鹽量越高，土壤表層積鹽越嚴(yán)重，鹽分在地表積聚，一方面增加了土壤溶質(zhì)勢(shì)，提高了土壤顆粒對(duì)水的束縛能力[14]，另一方面鹽分顆粒堵塞了部分土壤孔隙，減少了土壤水汽傳輸通道[16]，抑制了土壤蒸發(fā).18～54 d內(nèi)，盡管土壤蒸發(fā)強(qiáng)度仍隨含鹽量增加而降低，但不同含鹽量土壤蒸發(fā)強(qiáng)度差別逐漸減小，原因可能是此階段各處理土壤含水率相對(duì)較低，蒸發(fā)強(qiáng)度主要受土壤供水能力限制.此外，0～18 d內(nèi)處理T1的累積蒸發(fā)量高于其他處理，而18～54 d內(nèi)處理T1的累積蒸發(fā)量逐漸低于其他處理，且各處理在0～18 d內(nèi)的累積蒸發(fā)量高于18～54 d內(nèi)的累積蒸發(fā)量.這可能是蒸發(fā)前期供水能力較強(qiáng)，蒸發(fā)后期供水能力弱，盡管鹽分可影響蒸發(fā)強(qiáng)度，但其影響程度弱于土壤供水能力[14].可見(jiàn)，鹽分對(duì)土壤蒸發(fā)的影響在供水能力充足時(shí)更為明顯，當(dāng)土壤供水能力不足時(shí)，鹽分對(duì)蒸發(fā)強(qiáng)度的影響不明顯，這與李新舉等[9]研究基本一致.

4 結(jié) 論

1) 蒸發(fā)過(guò)程中，表層土壤含水率和電導(dǎo)率均隨土壤含鹽量增加呈增加趨勢(shì)：蒸發(fā)結(jié)束時(shí)，處理T2—T6比T1的0～1 cm表層平均含水率分別增加了1.3%～22.8%，且表層含水率的降低幅度隨著含鹽量增加呈對(duì)數(shù)型逐漸減小；處理T2—T6比T1的0～1 cm表層電導(dǎo)率分別增加了61%～560%，且蒸發(fā)前期表層電導(dǎo)率增加幅度明顯高于蒸發(fā)后期.

2) 土壤含鹽量對(duì)土壤剖面含水率及電導(dǎo)率分布影響差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.蒸發(fā)結(jié)束時(shí)，處理T1—T6表層0～2 cm土壤含水率比對(duì)應(yīng)的土層3～6 cm低了8.3%～30.5%，隨著土壤含鹽量增加，土壤剖面平均含水率逐漸增加；0～2 cm土壤電導(dǎo)率比對(duì)應(yīng)的3～6 cm高了82%～196%，且隨著土壤含鹽量增加，鹽分對(duì)土壤剖面鹽分分布的影響逐漸增強(qiáng)，表層與深層土壤含鹽量差異逐漸增大.

3) 蒸發(fā)過(guò)程中，土壤平均蒸發(fā)強(qiáng)度和累積蒸發(fā)量隨土壤含鹽量增加呈降低趨勢(shì)，且蒸發(fā)前期各處理土壤平均蒸發(fā)強(qiáng)度及累積蒸發(fā)量均高于蒸發(fā)后期，土壤含鹽量對(duì)土壤蒸發(fā)的抑制作用主要在蒸發(fā)前期.