黄河三角洲盐渍土蒸发对土壤盐分变化的响应特征

于超，孙池涛*，张倩，孙玉霞，朱自果，李勃，吕鹏超，于少利

(1. 山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271000；
2. 山东省葡萄研究院，山东 济南 250000；
3. 威海市农业农村事务服务中心，山东 威海 264200；
4. 海阳市农业技术推广中心，山东 海阳 265100)

水资源短缺和土壤盐碱化是引起许多干旱和半干旱地区农业生产力水平低下的直接因素.黄河三角洲盐渍化面积达4.429×105hm2，占全区总面积的一半以上.同时，黄河三角洲是未大规模开发的大河三角洲，后发优势明显，开发潜力巨大[1].该地区土壤蒸发强烈，约50%以上的水分通过蒸发损失.此外，强烈的蒸发促使深层土壤水分和盐分向表层土壤运移，水去盐留，最终导致盐分在上层土壤积聚，造成土壤盐碱化[2].因此，土壤水分蒸发不仅关系土壤水分的散失，还涉及土壤盐渍化危害.

土壤水分蒸发看似简单，实则十分复杂[3-4].近年来，关于影响土壤蒸发的诸多因素的研究已取得了许多重要成果[5-6].盐渍化土壤是农业生产中最常见的土壤类型之一，盐分对土壤水分蒸发的影响不可忽略.阿不都艾尼等[7]研究表明土壤含盐量与蒸发量具有很好的相关性，且盐分越高，相关性越好；
随着含盐量增加，土壤蒸发速率减小.谭霄等[8]研究表明土壤含盐量增加导致土壤持水性降低，土壤水分供应能力下降.李新举等[9]研究表明土壤水分蒸发总量在土壤水分较高时主要由土壤含盐量控制，而含水量低时主要由土壤含水量控制.究其原因，可能与盐分影响土壤水分黏滞系数、破坏土壤孔隙结构以及堵塞土壤孔隙等[10]有关，进而影响蒸发.有研究[11]表明，盐分积聚在土壤表层后，地表反照率增加，土壤获得的有效辐射量减小，土壤蒸发随之降低.而也有研究[12]表明，盐分积聚土壤表面后可提高土壤内部热量传输能力，加速土壤水分的运动过程，从而促进土壤蒸发.可见盐分对土壤蒸发的影响机理以及盐分影响下的土壤蒸发规律仍值得深入研究.

以往关于黄河三角洲地区盐渍土方面的研究多集中耐盐碱植物栽培、盐碱地改良对土壤水盐运移的影响等方面，而不同含盐量土壤蒸发特性的相关研究鲜见报道.基于此，文中通过室内试验研究土壤盐分含量对土壤水分蒸发的影响特性，分析蒸发过程中土壤水盐分布和蒸发强度等指标变化，探讨含盐量对土壤蒸发的影响机制，为黄河三角洲盐渍土的水盐调控和盐渍土综合治理提供科学依据.

1.1 试验材料

试验土壤取自山东省农科院现代农业综合试验示范基地0～40 cm 土层，土壤含盐量为0.15%～0.30%，土壤pH为7.11～8.49.供试土壤颗粒级配：黏粒(<0.002 mm)、粉粒([0.002，0.050] mm)、沙粒(>0.050 mm)的质量分数分别为8.41%，16.91%，52.54%；
土壤类型为沙质壤土；
土壤盐离子主要以Cl-和Na+为主.该区域气候属于暖温带大陆性季风气候，多年平均气温为12.3 ℃，年降雨量为561.3 mm，年蒸发量为1 155.6 mm；
年内降雨主要集中在6—9月份，约占全年降雨量的73%.

1.2 试验样品制备

试验用塑料杯高102 mm、上口直径72 mm、下口直径50 mm，容积为300 mL；
2个塑料杯为一套装置，如图1所示，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的石英砂做反滤层并放置1张滤纸以防止反滤层与土壤混掺，之后将预先过筛、除杂的250 g风干土按照1.3 g/cm3的干容重装入杯中，塑料杯上部预留3 cm空间以灌水.试验共包括6个处理，由矿化度分别为5，10，30，50，70，90 g/L的咸水(由当地海盐配置而成)灌溉获得，依次用处理T1—T6表示，每个处理重复20次.为了确保同一处理土壤含盐量均一，所有处理的灌溉水量为300 mL，加水前每套装置土壤上方放置1层滤纸，以免加水冲坑；
加水后及时倒掉下杯收集的水分，所有处理加水后静置24 h开始试验.

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test device

1.3 测定程序

固定每个处理中最后3组装置称重，按照先密后疏的原则，根据前后2次质量差值及时间，分别确定累积蒸发量和土壤蒸发强度；
通过药匙破坏性分层(0～1，1～2，2～4，4～5和5～6 cm)取样测定土壤含水率和电导率(含盐量).土壤含水率通过烘干法测定，电导率值由电导率仪(DDS-307A，上海雷磁)测定.具体测定流程可参照孙池涛等[13]方法.

1.4 数据处理

通过Excel录入数据并进行数据初步分析，通过Excel和Surfer完成作图.土壤蒸发强度由阶段土壤蒸发量与时间的比值确定，土壤累积蒸发量由各阶段蒸发量累计求和确定，土壤剖面平均含水率、电导率均通过加权平均法获取.

2.1 土壤盐分变化对土壤水分影响

2.1.1 对表层0～1 cm土壤质量含水率的影响

图2为不同含盐量处理表层0～1 cm土壤体积含水率θ随时间t的变化.由图可见，各处理表层0～1 cm 土壤含水率随时间延长均呈降低趋势；
同一时刻各处理表层含水率随含盐量增加呈上升趋势.试验结束时，处理T1—T6的土壤表层含水率比试验初期依次降低了95.8%，95.2%，94.7%，91.0%，87.0%和80.0%；
处理T2—T6比T1表层平均含水率分别增加了1.3%，5.0%，13.6%，16.3%和22.8%.

图2 不同含盐量处理表层0～1 cm土壤含水率变化Fig.2 Variation of soil moisture content in 0-1 cm surface layer with different salt content treatments

表1为不同含盐量处理表层土壤含水率与时间的统计关系拟合结果.由表可见，0～18 d 内，各处理表层含水率随时间延长呈线性下降趋势，下降趋势迅速且下降速率按处理排序由大到小为T1，T2，T3，T4，T6，T5；
18～54 d内，各处理表层含水率随时间延长呈线性下降趋势，下降趋势缓慢且下降速率按处理排序由小到大为T1，T2，T6，T3，T5，T4.整个试验期间，各处理表层含水率随时间延长呈对数型递减趋势，且降低幅度随含盐量增加而逐渐降低，说明土壤含盐量增加减少了水分蒸发，提高了最终土壤含水率.

表1 不同含盐量处理表层含水率与时间之间的拟合关系表Tab.1 Relationship between surface water content and time of different salt content treatments

2.1.2 对土壤剖面含水率的影响

试验期间各处理土壤剖面含水率变化如图3所示，图中物理量为深度h、蒸发历时t.由图可见，各处理土壤剖面含水率随时间延长整体呈降低趋势，且同一时刻随着土壤含盐量增加，土壤剖面平均含水率总体呈增高趋势.根据各个时间段的土壤含水率变化情况，试验前期各处理土壤含水率剖面分布比较均匀；
试验后期各处理土壤含水率剖面分布均呈自上而下逐渐递增的趋势，且随着含盐量增加，土壤剖面平均含水率逐渐增高.

图3 土壤剖面含水率变化过程Fig.3 Changes process of soil water content distribution across profile

试验结束时，处理T1—T6的土壤含水率分别为2.10%，2.52%，2.76%，4.54%，6.21%和9.09%；
各处理剖面平均含水率较试验开始时依次降低了94.8%，93.6%，92.9%，88.3%，83.2%和75.3%，且处理T1—T6表层0～2 cm土壤含水率比土层3～6 cm低了8.3%～30.5%.0～18 d 内，处理T1—T6剖面平均含水率下降速率分别为每天3.8%，3.7%，3.4%，3.1%，2.9%和2.7%，这一阶段内土壤含水率变化波动较大，变化速率较快；
18 d以后，处理T1—T6剖面平均含水率下降速率分别为每天2.3%，2.2%，2.3%，2.0%，1.8%和1.5%，可见含水率的变化波动趋于稳定.试验期间，处理T1—T6剖面平均含水率分别为19.77%，19.85%，20.45%，22.14%，22.26%和23.66%.

2.2 土壤盐分变化对土壤盐分的影响

2.2.1 对表层0～1 cm 土壤电导率的影响

图4为各处理表层0～1 cm土层土壤电导率EC变化.由图可见各处理表层0～1 cm 土壤电导率随时间延长呈增加趋势.试验结束时，处理T1—T6表层电导率较试验开始时分别增加了135%～330%.此外，由图还可见0～18 d 内，处理T1—T6表层0～1 cm 土壤电导率增加迅速，分别增加了64%～186%，这个阶段的土壤表层电导率变化波动较大，盐分运移速率较快；
18 d 之后，处理T1—T6表层0～1 cm土壤电导率增加缓慢，增加了50%～64%，这个阶段的表层电导率变化趋于稳定.

图4 不同含盐量处理表层0～1 cm 土壤电导率变化Fig.4 Soil conductivity variation of 0-1 cm surface layer with different salt content treatments

试验结束时，处理T2—T6的表层平均电导率比T1分别高了61%，213%，380%，465%和560%.可见随着土壤含盐量增加，盐分在土壤表层的积聚程度越严重.

2.2.2 对土壤剖面电导率的影响

试验期间各处理土壤剖面电导率变化如图5所示.由图可见，各处理表层土壤电导率随时间延长而迅速增加，土壤剖面电导率分布均呈自表层向深层逐渐降低的趋势.试验开始时，土壤盐分剖面分布均匀.试验结束时，处理T1—T6表层0～2 cm 土壤电导率较试验开始时分别增加了89%～153%；
处理T2—T6表层0～2 cm 土壤电导率较T1分别增大了73%，168%，329%，349%和517%.此外，试验结束时，处理T2—T6比T1的剖面平均电导率分别高了44%，132%，262%，346%，583%，且处理T1—T6表层0～2 cm 土壤电导率比土层3～6 cm 高了82%～196%.可见，土壤盐分含量越高，蒸发结束后土壤表层与深层之间电导率差异越大.

图5 土壤剖面电导率变化Fig.5 Changes of soil electrical conductivity distribution across soil profile

2.3 土壤蒸发对土壤盐分变化的响应特征

2.3.1 蒸发强度对土壤盐分变化的响应特征

试验期间各处理蒸发强度E随时间的变化如图6所示.由图可见，试验期间各处理蒸发强度随时间延长总体呈逐渐降低趋势.

图6 土壤蒸发强度变化过程Fig.6 Soil evaporation intensity variation time under different treatments

0～18 d，各处理蒸发强度相对较高，处理T1—T6的平均蒸发强度分别为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，各处理平均蒸发强度较0～18 d平均蒸发强度显著降低，处理T1—T6平均蒸发强度分别为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.试验期间，处理T1—T6的平均蒸发强度为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.综上可知，蒸发前期(0～18 d)，各处理土壤平均蒸发强度随土壤含盐量增加而降低；
蒸发后期(18～54 d)，各处理土壤平均蒸发强度随土壤含盐量增加而增加；
整个试验期间(0～54 d)，各处理土壤平均蒸发强度随土壤含盐量增加呈降低趋势.

2.3.2 累积蒸发量对土壤盐分变化的响应特征

试验期间各处理累积蒸发量ET随时间延长的变化如图7所示.

图7 土壤累积蒸发量变化过程Fig.7 Cumulative soil evaporation variation time under different treatments

由图7可见，0～18 d，各处理累积蒸发量迅速增长，处理T1—T6的累积蒸发量分别为21.18，20.53，17.97，16.39，14.71和13.71 mm.18～54 d，各处理累积蒸发量较蒸发前期显著降低，处理T1—T6的累积蒸发量分别为4.95，5.67，7.53，7.87，7.79和6.87 mm.试验结束时，处理T1—T6的累积蒸发量分别为26.13，26.20，25.50，24.26，22.50和20.58 mm，可以看出土壤含盐量低的处理T1累积蒸发量最高，其次为T2—T6.说明土壤累积蒸发量随含盐量增加呈降低趋势，且处理T1在蒸发前期累积蒸发量最大，蒸发后期累积蒸发量最小.

3.1 土壤盐分含量对土壤水分运移的影响

土壤水分运动不仅影响土壤墒情和作物生长所需养分的供应，还影响着土壤盐分的积累与分布.文中研究的处理T2—T6的平均土壤含水率均比T1高，且随着土壤含盐量增加，表层含水率和剖面平均含水率均呈增加趋势，这可能是随着土壤盐分升高，土壤溶质势增强，影响了水分运移[14]；
此外，随着土壤含盐量增加，土壤水黏滞系数增加，水分在土壤孔隙中的运移以及地表蒸发也会受到影响，这与李新举等[9]研究结果基本一致.试验期间各处理表层含水率均呈对数函数降低趋势，且0～18 d内各处理的下降趋势远大于18 d以后各处理的下降趋势.原因是0～18 d内各处理土壤含水率相对较高，毛管中大部分水分可用于土壤蒸发，土壤含水率降低幅度较大；
18 d以后各处理含水率较低，毛管水逐渐断裂，仅有部分毛管水用于土壤蒸发，土壤含水率降低幅度越小.此外，土壤含盐量越高，盐分对水的束缚作用越强，也在一定程度上减少了水分消耗.

3.2 土壤盐分含量对土壤盐分运移的影响

土壤含盐量的增加加快了土壤的积盐过程.文中研究表明，随着土壤含盐量增加，表层积盐量呈增长趋势，这主要是土壤中可溶性盐随水分蒸发而逐渐在表层积聚，并与地表土壤颗粒结晶胶结形成沉淀[15].试验期间各处理表层0～1 cm土壤含水率持续降低，土壤电导率持续增加，且0～18 d内各处理表层电导率增加迅速，18 d 以后增加趋势缓慢，这可能是0～18 d 内盐分主要通过毛管水运移，18 d 以后土壤毛管水断裂，水对盐分的运移能力降低所致[9].试验结束时，土壤含盐量越高，土壤剖面表层与深层之间盐分含量差异越大，原因可能是土壤中的盐分含量越高，蒸发过程中随水分向表层迁移的盐分含量就越多，表层积盐也越严重[7].

3.3 土壤盐分含量对土壤蒸发的影响

文中研究表明，处理T2—T6的0～18 d内的平均蒸发强度均低于T1的，且随土壤含盐量增加，蒸发强度逐渐降低.这可能是土壤含盐量越高，土壤表层积盐越严重，盐分在地表积聚，一方面增加了土壤溶质势，提高了土壤颗粒对水的束缚能力[14]，另一方面盐分颗粒堵塞了部分土壤孔隙，减少了土壤水汽传输通道[16]，抑制了土壤蒸发.18～54 d内，尽管土壤蒸发强度仍随含盐量增加而降低，但不同含盐量土壤蒸发强度差别逐渐减小，原因可能是此阶段各处理土壤含水率相对较低，蒸发强度主要受土壤供水能力限制.此外，0～18 d内处理T1的累积蒸发量高于其他处理，而18～54 d内处理T1的累积蒸发量逐渐低于其他处理，且各处理在0～18 d内的累积蒸发量高于18～54 d内的累积蒸发量.这可能是蒸发前期供水能力较强，蒸发后期供水能力弱，尽管盐分可影响蒸发强度，但其影响程度弱于土壤供水能力[14].可见，盐分对土壤蒸发的影响在供水能力充足时更为明显，当土壤供水能力不足时，盐分对蒸发强度的影响不明显，这与李新举等[9]研究基本一致.

1) 蒸发过程中，表层土壤含水率和电导率均随土壤含盐量增加呈增加趋势：蒸发结束时，处理T2—T6比T1的0～1 cm表层平均含水率分别增加了1.3%～22.8%，且表层含水率的降低幅度随着含盐量增加呈对数型逐渐减小；
处理T2—T6比T1的0～1 cm表层电导率分别增加了61%～560%，且蒸发前期表层电导率增加幅度明显高于蒸发后期.

2) 土壤含盐量对土壤剖面含水率及电导率分布影响差异具有统计学意义.蒸发结束时，处理T1—T6表层0～2 cm土壤含水率比对应的土层3～6 cm低了8.3%～30.5%，随着土壤含盐量增加，土壤剖面平均含水率逐渐增加；
0～2 cm土壤电导率比对应的3～6 cm高了82%～196%，且随着土壤含盐量增加，盐分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增大.

3) 蒸发过程中，土壤平均蒸发强度和累积蒸发量随土壤含盐量增加呈降低趋势，且蒸发前期各处理土壤平均蒸发强度及累积蒸发量均高于蒸发后期，土壤含盐量对土壤蒸发的抑制作用主要在蒸发前期.

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