谭军利 ，王西娜，金慧娟，杜飞飞，田军仓

（1.宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021；2.旱区现代农业水资源高效利用教育部 工程研究中心，银川 750021；3.宁夏大学 农学院，银川 750021）

0 引 言

砂田耕作在中国已有300 多年历史了，是干旱地区应对干旱的一种覆盖方式。土壤覆砂具有减少土壤水分蒸发[1-3]，促进水分下渗，增加土壤含水率等多种生态功能。宁夏砂田分布区主要集中在宁夏中部干旱带，多年平均降雨量不足200 mm。由于压砂地种植的西瓜品质优良，受到市场青睐，近年来种植面积逐年增大。传统砂田种植西瓜均为雨养，但降雨年际变化大，极端干旱时常出现。为保证较高且稳定的西瓜产量，瓜农在种植过程中使用含有盐分的地下微咸水进行补充灌溉。【切入点】微咸水补充灌溉提高了西瓜产量，但也将盐分带入，给压砂地的可持续利用带来了新的挑战，提出了新的问题：微咸水灌溉条件下压砂地土壤水盐是如何分布的？

【研究进展】许多学者对土表覆砂抑制土壤水分蒸发开展了大量研究。60 d 内压砂田累计蒸发量仅为裸田的18.3%[1]；覆盖5 cm 的砂砾可以保蓄80%～85%的年降雨量[4]；而5 a 的新砂田土壤含水率比裸田的高76.2%～98.4%[5]。在连续41 d 蒸发过程中，覆盖条件下的累计土壤蒸发量与时间呈近似线性关系，而裸土为对数关系[6]。覆砂对土壤蒸发的抑制效果与砂层的粒径[7]及厚度[8]有关。同时蒸发减小率与砾石粒径呈负相关[9]，随覆砂厚度的增加而增加。从覆盖2 cm到覆盖10 cm 蒸发量减少量从52%增加到92%[10]。覆砂减少水分蒸发是因为较干的覆盖层增大了其下方的水汽流动阻力[11-12]，该阻力的大小与覆盖层厚度和砂砾粒径有关[13]。

由此可见，覆砂厚度及砾石粒径与抑制土壤水分蒸发的能力关系密切。但这2 个砂层因素对微咸水灌溉条件下压砂地土壤水盐运移的影响的研究却很少，而且在实际的砂田中砂层是粒径大小不一的砂砾混合物，这与单一粒径模拟条件下砂砾粒径抑制土壤蒸发过程不同。谭军利等[14]发现随着砂田种植年限延长，砂层的级配也会发生变化，大粒径的砾石量减少，小粒径的砂粒增多。盐随水而动，覆砂抑制了土壤水分蒸发从而也减少了表层0～1 cm 之中盐分累积[15-17]，同时促进了盐分向下层运移[17]。砂层本身也具有一定的持水性能，这种性能随种植年限增加而增强[14]。

【拟解决的关键问题】综上所述，砂层厚度和级配或者覆盖物的粒径大小会影响土壤水分蒸发过程，相应亦会影响土壤盐分的运移过程。本研究通过土柱模拟试验，明确微咸水灌溉条件下砂层厚度及级配对土壤水盐分布及运移过程的影响，【研究意义】为了解压砂地微咸水灌溉条件下水盐运移规律提供一定理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验设计

供试土壤为淡灰钙土，取自中卫香山镇红圈子村荒地。去除表层0～20 cm 土壤以减少地表杂物及植物根系的影响，取20～40 cm 深度土壤，质地均一，土壤质地为壤质土。砂粒量14.2%，粉粒量58.1%，黏粒量27.7%，土壤体积质量为1.30 g/cm3，田间持水率为22.3%，土壤风干后过1 cm 筛备用。

砂石取自中卫兴仁镇兴仁八队一压砂地，取回后用标准砂石套筛进行筛分，之后不同粒径砂砾用自来水清洗晾干备用。灌溉用微咸水取自兴仁镇兴仁八队一眼机井，机井深度80 m。微咸水的化学性质如下：ECi5.06 dS/m，pH值8.22，阴离子HCO3-、Cl-、SO42-分别为3.52、30.53、1.92 mmol/L，阳离子Ca2+、Mg2+、Na+、K+分别为2.20、9.89、7.68、0.03 mmol/L。

砂层级配中，粗级配指砂砾组合中的大粒径砾石占的比例较大，中级配指砂砾组合中的中粒径砾石占的比例较大，细级配则是砂砾组合中的细粒径砾石占的比例较大。砂层级配是根据田间调查取样得到不同种植年限压砂地砂层的级配变化规律确定的，详见参考文献[14]。不同砂层级配处理情况列于表1。加权直径即将砂层的各粒径砂砾的直径乘以其质量百分比，3 种级配的加权直径分别为6.0、5.0 和4.5 mm。

表1 砂层级配处理不同粒径砂砾所占百分比 Table 1 Percentage of different size of gravel and sand in gravel-sand mulched stratum %

土柱模拟试验于2015 年7—9 月在宁夏大学试验场进行。采用PVC 土柱进行模拟试验，土柱内直径18.9 cm，高100 cm，土柱底部密封。试验设置砂层级配和覆砂厚度2 个因素，试验设计列于表2。本试验共设7 个处理，其中中级配与10 cm 覆砂厚度为同1 个处理，实际只有6 个处理，每个处理重复2 次。

表2 试验处理 Table 2 Experimental treatments

1.2 土柱准备

土柱四周打孔，共打5 排直径为1 cm 的取样孔，取样孔的间距为10 cm，每排共打8个孔如图1所示。装土时先将所有土柱上的孔用橡皮塞堵上，然后按干体积质量1.30 g/cm3分层装土，每5 cm 为1 层，每装填完1 层打毛之后继续装填下1 层，共18 层，土壤层高0.8 m。

图1 试验土柱示意图 Fig. 1 Schematic diagram of soil column

除0 cm 覆砂厚度外，其他处理在土壤层之上，根据砂层级配及厚度装填砂层。砂层按照1.9 g/cm3装入。土柱试验布置如图2 所示。

土柱装填完成后让其平衡过夜，之后灌入取自中卫兴仁的机井水。灌入水量依据使得80 cm 的土层达到田间持水率与风干土的含水率的差值计算出来的。每个土柱灌水量一致均为6.3 L。

灌水时间为8 月18 日，当所有土柱入渗完成后记为试验第1 天，试验共进行30 d。

图2 试验布置图 Fig. 2 Experimental arrangement layout

1.3 样品采集及测定方法

1.3.1 样品采集

分别在试验开始的第2、7、12、18、30 天从土柱取样孔进行取样。取土深度分别为10、20、30、40、50、60 cm 和70 cm，取样时将橡皮塞从取样孔取出，土壤样品取出后装入自封袋中。横向取样深度3～4 cm，取样结束后将橡皮塞塞进取样孔。试验结束后（即试验第31 天）采用土钻从土柱中间取土，有覆砂的土柱将所覆砂石小心移去，在砂土界面取土作为表层0 cm 的样品，其他土样用土钻采集，每10 cm为1 个样品，取样深度为0～70 cm。由于第12 天和第18 天取样前有降雨的影响，因此，本文仅分析第2 天、第7 天及试验结束时土钻取样的结果。尽管试验结束时的结果也受到降雨的影响，但距离降雨的时间比较长，后期由于有12 d 土壤水分蒸发，也可以看出覆砂对土壤水盐分布的影响。样品取回后，一部分用于测定土壤含水率，另一部分则风干碾碎过1 mm 筛用于测定土壤盐分。

1.3.2 测定方法

采用烘干法测定土壤含水率；采用电导率仪测定土水比为1∶5 的悬液，用悬液电导率值代表土壤盐分。

1.4 数据处理

图表中数据均为2 次重复的平均值，用Excel 2010 软件作图。采用单因素方差分析，处理之间多重比较采用LSD 法。

2 结果与分析

2.1 砂层级配对土壤水分分布的影响

如图3（a）所示，相同覆砂厚度条件下，在灌水后第2 天，除40 cm 深度处细级配处理的含水率显著（P<0.05）低于粗级配及中级配的外，砂层级配对其他深度土壤水分的分布无显著影响；而到灌水后第7天时（图3（b）），粗级配及细级配处理的0～70 cm土壤含水率高于中级配处理的，尤其是下层50、60、70 cm 深度处存在显著差异。试验结束时（图3（c）），中级配处理土壤含水率与粗级配和细级配的差异进一步加大，最大土壤含水率差值达到6%。说明，砂层级配对土壤水分分布有明显的影响，影响程度随着试验时间的延长越来越明显。

图3 不同砂层级配下土壤水分动态分布 Fig. 3 Dynamic distribution of soil moisture under different grading of gravel-sand mulching stratum

从图3（c）可以看出，试验结束时，覆砂条件下土壤剖面土壤含水率呈倒“C”形分布。表层土壤含水率较低在12%～16%之间；0～60 cm 土层土壤含水率最高且各层之间土壤含水率差异很小；60 cm 以下土层土壤含水率较低。表层与0～10 cm 深度处的土壤含水率差值在3.5%～4.5%之间，而0～10 cm 和10～20 cm之间土壤含水率差异很小。另外中级配处理的土壤含水率显著低于粗级配及细级配的，尤其是下层40～80 cm 之间。这可能是因为级配不同砂层的孔隙分布存在差异，中级配处理的砂层孔隙与下层土壤的孔隙建立了较好的毛管连续性，导致土壤水分上升到砂层表面而消耗。粗级配砂层由于大粒径砂砾量（>2.5 mm砂砾量=65%）较多，因此，通气孔隙较多而毛管孔隙较少，其抑制蒸发的能力更强，0～40 cm 土层土壤含水率高于细级配砂层。

2.2 覆砂厚度对土壤水分分布的影响

不同覆砂厚度对土壤水分分布有明显的影响。如图4（a）所示，灌水后第2 天，5 cm 和10 cm 覆砂厚度0～60 cm 深度的土壤含水率明显大于不覆砂（0 cm）和15 cm 覆砂厚度的。适宜的覆砂厚度促进了水分下渗，下层土壤水分明显高于不覆砂处理的。而覆砂厚度达到15 cm 的处理土壤含水率最低，这可能是因为砂层本身具有一定的持水能力，当覆砂厚度超过一定阈值后减少入渗的水量，导致土壤含水率明显低于其他处理。而到灌水后第7 天（图4（b）），覆砂厚度15 cm处理的土壤含水率显著增加且与其他覆砂处理的土壤含水率接近。不覆砂时，不同土层土壤含水率明显低于覆砂处理的，0～40 cm 土层覆砂与不覆砂处理土壤含水率差值为4.7%～6.0%，且随着土层深度增加土壤含水率差值进一步增大。

从图4（c）可以看出，覆砂与不覆砂土壤含水率差异最大的是表层且达到极显著水平（P<0.01），覆砂处理土壤含水率是不覆砂处理的4～5 倍。0～40 cm土层，与不覆砂相比，覆砂处理的土壤含水率提高了30.6%～62.3%。不同覆砂厚度之间土壤水分也存在一定的差异。覆砂厚度5 cm 土壤含水率最高，其次为15 cm，最低的是10 cm 的处理，但覆砂处理之间差异不大。

图4 不同覆砂厚度下土壤水分动态分布 Fig.4 Dynamic distribution of soil moisture under different thicknesses of gravel-sand mulching stratum

图5 不同砂层级配下土壤盐分动态分布 Fig.5 Dynamic distribution of soil salinity under different grading of gravel-sand mulching stratum

2.3 砂层级配对土壤盐分分布及运移的影响

如图5 所示，砂层级配对土壤盐分分布及运移影响较小，这主要是因为粗级配、中级配及细级配之间覆砂厚度均为10 cm，而且砂层是各种粒径砂砾的混合物，只是比例有所差异。灌水后第2 天（图5（a）），不同级配砂层处理含盐量峰值出现在60 cm 土层处。但是20～50 cm 土层，细级配砂层土壤含盐量低于其他处理对应深度土壤含盐量。灌水后第7 天（图5（b）），细级配及粗级配处理含盐量最大值出现在70 cm深度处，而中级配处理的峰值仍在60 cm 处。试验结束时（图5（c）），不同级配砂层处理剖面上土壤盐分分布基本一致。但粗级配砂层处理0～40 cm 土层土壤含盐量低于中级配和细级配，这与粗级配砂层能保蓄更多土壤水分（图3（c）），有效抑制土壤蒸发有关。

2.4 覆砂厚度对土壤盐分分布及运移的影响

如图6 所示，覆砂厚度对土壤盐分在剖面上的分布有明显影响。灌水后第2 天（图6（a）），覆砂5 cm处理盐分峰值出现在50 cm 处，且盐分峰值最高达到5.46 dS/m，不覆砂处理盐分峰值出现在60 cm 处，其峰值处含盐量在4 个处理中最低。灌水后第7 天（图6（b）），不同覆砂厚度处理盐分分布存在较大差异。不覆砂处理的盐分峰值上升到40 cm 处且峰值处含盐量增大；而覆砂5 cm 处理，盐分峰值下移至70 cm 处而且峰值处含盐量下降。而覆砂10 cm 和15 cm 处理，盐分峰值及出现的位置变化不大。

图6 不同覆砂厚度下土壤盐分动态分布 Fig. 6 Dynamic distribution of soil salinity under different thicknesses of gravel-sand mulching stratum

从试验结束时土壤盐分分布来看（图6（c）），覆砂与不覆砂处理含盐量差异最大的是表层土壤（P<0.001），覆砂处理表层含盐量在0.3～0.4 dS/m 之间，而不覆砂处理的含盐量为1.31 dS/m。覆砂抑盐效率达到69%～77%。且不覆砂处理整个0～80 cm 剖面上平均含盐量高于覆砂处理的，尽管试验期间有降雨的影响。覆砂5 cm 处理的0～10 cm 土层含盐量小于覆砂10 cm 和15 cm 的，这也说明覆砂仅为5 cm时亦可抑制了表层土壤的盐分的累积。

3 讨 论

3.1 砂层级配对土壤水盐分布的影响

砂石覆盖改变了土壤水文过程，提高了土壤导水率和入渗速率[18]。以往研究砂石覆盖对土壤水分分布及运移过程多采用单一粒径的砂石[6-8]，而本试验中是根据田间实际砂层级配情况来设计砂层。这种砂层级配更能反映实际砂层对水盐分布及运移的影响，但同时也增加了研究的复杂性。3 种砂层级配其加权直径分别为6.0、5.0、4.5 cm。尽管加权直径差异不大，但其本身的持水性能[14]以及砂层孔隙大小的分布却有很大的差异。砂砾层与土体形成的层状结构其土壤水分运移特性不同于均质土，其孔隙结构的不同空间分布通过影响土层含水率、水力梯度和传导度，进而影响土壤水分和溶质运移[18]。在灌水后2～7 d，砂层级配对土壤水分分布的影响不明显。但试验结束时，中级配的砂层整个剖面土壤含水率明显低于粗级配及细级配砂层，而粗级配砂层增加了0～10 cm 土壤的土壤含水率。造成这种结果的原因可能是中级配的砂层与土壤的毛管力的连续性要好于粗级配及细级配，形成了一个持续水分输送的通道使得土壤水分因蒸发而减少。逄蕾等[19]认为小粒径砾石覆盖保水效果最好。这与本文的结论相一致。

虽然砂层与下层的土壤建立了毛管联系，但由于砂层具有的毛管孔隙大大少于土壤，因此，与裸土相比，土壤水分还是得以保蓄。而粗级配砂层则因为拥有更多的通气孔隙而减少了土壤水分的消耗，保蓄更多上层土壤水分。

从土壤盐分的分布来看，压砂措施抑制了土壤盐分在表层土壤的积聚。唐学芬等[20]发现裸地的含盐量明显高于砂地，且老砂地>新砂地>中砂地。但由于该研究中压砂时间以及灌水措施对土壤盐分存在持续的影响，所以含盐量不仅与新、中、老砂地砂层的特性有关。本研究中粗级配砂层由于抑制土壤水分蒸发能力较强，上层0～40 cm 土层的含盐量低于细级配和中级配砂层。

3.2 覆砂厚度对土壤水盐分布的影响

本试验中灌水量是在保证0～80 cm 深度土壤达到田间持水率的基础上而设计，微咸水灌水量比较有限。因此，砂层本身的持水量的多少会对土壤水盐运移产生影响。随着砂层厚度增加，砂层持水量相应也会增加。砂层厚度对水分入渗产生较大影响，在一定覆砂厚度（本研究中的5 cm 和10 cm）条件下覆砂促进了土壤水分的下渗，而超过一定覆砂厚度后，覆砂反而限制了入渗初期土壤水分的下渗，整个剖面的土壤含水率低于不覆砂处理。这主要是因为砂层厚度超过一定的范围后，砂层持水量增加而参与入渗的水量减少。随着试验时间延长（灌水后第7 天），砂层所保持的水分逐渐释放出来，并在重力的作用下继续下渗，故不同覆砂厚度条件下土壤水分分布无显著差异。砂层厚度对土壤水分的蒸发影响在试验结束时已经显现出来。与不覆砂处理相比，无论覆砂厚度大或小均能大幅度增加土壤含水率。这与以往的研究结果[1-3]相类似。

由于本研究历时较短，只有1 个月，且期间还有降雨的影响，所得结果也是初步结果。为进一步探讨覆砂厚度及级配对土壤蒸发及水盐分布，需要更长时间且更好的环境控制条件来进行。

4 结 论

1）砂层级配对土壤水盐运移的影响较小，中级配的砂层抑制土壤水分蒸发的能力较粗级配及细级配的砂层弱。

2）在灌水量相同条件下，砂层厚度越大，砂层本身的持水量能力越强。

3）与不覆砂相比，覆砂均能保蓄土壤水分，抑制盐分在土壤表层聚集和促进盐分下移。