秸秆覆盖对塔里木盆地南缘绿洲农田土壤水盐运移的影响

王海娟， 马红娜， 姜海波

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832003

土壤次生盐渍问题是由土壤的盐渍化灌溉引发的，这是导致农业发展的最主要问题，也是生态环境能否保持稳定的重要原因[1-2]。国内外对于揭盖覆盖效果已有大量的研究[3]。覆盖不仅能够抑制土壤水分无效蒸发并且成本低，这对于防止土壤返盐，提高作物水分利用率非常有效。这种覆盖无需覆膜技术能将浅层的干燥土壤润湿并且与干燥空气隔离，最终达到抑制蒸发的目的，其研发和推广对于农业可持续发展有着重要意义[4-6]。

土壤含盐量过高，引起土壤化学和物理性质发生改变，导致绝大部分作物的生长环境退化[7]。根据水可以带来盐也可以带走盐的原理，适当减少土壤水分的流失就可以在一定程度上减缓土壤盐分表聚[8]，进而降低土壤盐害对作物的影响。秸秆来源广泛，数量多，揭盖覆盖是一种能有效降低土壤水分蒸发的方式[9-10]。以往的研究发现，土壤盐渍化的主要原因是土壤中盐分表聚性，秸秆表层覆盖不仅能抑制盐分表聚也能减缓土壤盐渍化，抑制水分蒸发，最终达到改善盐碱地的目的。秸秆覆盖不仅有利于作物生长，也会影响土壤盐分的分布[11-12]。很多专家学者已明确肯定秸秆覆盖能够避免土壤盐分表聚和抑制土壤水分蒸发，只有裸地土壤在蒸发下会有表层积盐现象[13]。近期也有不少专家学者认为，秸秆覆盖可以将盐分移到耕层底部，让盐分聚集，随着水分上升和蒸发的作用，盐分上移导致土壤盐碱化。也有一部分研究认为，秸秆覆盖以后土壤盐分含量降低，但是耕作层的盐分会渐渐增加。随着覆盖时间延长，农田土壤盐含量也会增加[14]。虽然目前对于秸秆覆盖效应的争议不大，但是秸秆深层覆盖的具体技术还需要更加深入的研究。

新疆属于干旱内陆河灌区，该地区常用大水漫灌的方式进行灌溉，久而久之导致地下水位不断上调[15-17]。受自然气候影响，由于灌溉水具有下渗、蒸发等作用，土壤中的水盐运移相对频繁，排水系统有待完善，造成了农田地土壤的次生盐渍化。目前新疆已有1亿hm2灌区发生不同程度的次生盐渍化现象，约占灌溉面积的30%左右。新疆绿洲灌溉面积占土地总面积的3.57%，其中1/3的耕地土壤已经发生不同程度的土壤次生盐渍化，约为400万hm2[15-17]。当下土壤次生盐渍化成为阻碍干旱地灌区农业生产可持续发展的一大阻碍。可见，研究秸秆覆盖下水分、盐分在时间和空间上的运移规律，对于干旱区盐碱地农业生产具有重要作用。而秸秆覆盖下的土壤盐分的运移具有一定的复杂性，土壤水盐迁移的变化规律尚不清楚。因此，本试验提出上盖下隔一体化的盐渍土改方式，通过室内土柱模拟试验，研究双层秸秆覆盖还田对盐渍土的改良效应和机制，研究秸秆覆盖下土壤盐分运移的特征，以期为盐渍土改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2015年9月15日至2016年3月进行试验，试验使用直径30 cm、高1 m的聚氯乙烯(PVC)管做土柱试验。装土前，先在土柱底部装填干净的砂石层作为反滤层，厚度约10 cm，以提供1个气流顺畅的入渗环境。土柱底部用纱布封闭，放置于盛有10 g/L盐水的塑料盆中，用以模拟地下水环境。室内试验的土壤取自塔里木盆地西北部的阿拉尔灌区农垦九团一连的棉田地，从表层至地下1 m深度混合取土。土样经风干、碾压、筛分、均匀混合后制备成室内试验土样。土壤的基本物理化学属性见表1。

表1 土壤理化性质及肥力特征

1.2 试验设计

将采集的盐化潮土混均匀后装入土柱中，试验设置5个处理，分别是表层覆盖玉米秸秆(T1)、土表下40 cm处玉米秸秆(T2)、土表与土表下40 cm处覆盖秸秆量之比为1 ∶1(T3)、土表与土表下40 cm处覆盖秸秆量的比例为2 ∶1(T4)、无秸秆覆盖参考(CK)。其中秸秆覆盖总量为 900 g/m2。试验时，将土柱安置于遮雨棚下，已避免降雨的不利影响。

在进行试验的最初准备阶段，通过200 mm淡水定额进行洗盐，待水完全渗透后，在土柱侧面上通过土钻取土；在试验最初阶段用1个空的PVC管做对照，为测定试验时水分蒸发的强度，每隔5 d对土柱称质量，通过计算得出土壤水分的实际蒸发量；同时每隔10 d对土柱进行采样，采样位置分别距离土表0～20、20～40、40～60 cm，用来测量各土层中的含盐量。试验时，定期向土柱底部灌入10 g/L盐水，确保土柱底部一直处于盐水状态。取样后，将土壤烘干、磨碎，之后过2 mm筛，以1 ∶5的土水比浸提土壤溶液，烘干法测定土壤含盐量。

1.3 测定方法

土壤总含盐量通过残渣烘干法测定。按照土水比1 ∶5将蒸馏水缓缓加入土样中，再将20 mL滤液倒入1个已知质量的干燥蒸发器皿中，于200 ℃电热板上加热直到干燥结束。若蒸发器皿当中发现黄色物质，加入适量30%过氧化氢氧化样品，直至黄色消失。然后将器皿放进105 ℃烘箱中4 h。随后将蒸发器皿取出，放进干燥器中冷却至室温，称质量并记录。

1.4 数据分析

用Excel 2003、SPSS 18.0对数据进行分析，采用Origin 7.5作图。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆覆盖对土壤水分日蒸发量的影响

由图1可以看出，各处理的土壤水分日蒸发量变化幅度有差异，但变化趋势基本一致。试验初期，各处理土壤水分日蒸发量较大，5 d后CK日蒸发量最高，不同秸秆覆盖方式下土壤水分日蒸发量由小到大排序为T4

2.2 不同秸秆覆盖对土壤水分累积蒸发量的影响

由图2可知，不同秸秆覆盖方式下土壤水分的累积蒸发量均低于无秸秆覆盖的CK。蒸发5 d时CK、T1、T2、T3、T4处理的累积蒸发量分别为6.3、4.8、5.2、4.3、4.2 mm，不同秸秆覆盖方式对土壤水分蒸发的抑制作用表现为T4>T3>T1>T2；同时，随蒸发的进行，各处理的累积蒸发量差异更加明显。但是，在试验开始时，T2累积蒸发量低于T1，随着时间的推移，T3处理的累积蒸发量逐渐低于T2。

2.3 不同秸秆覆盖对土壤水分的影响

由图3可知，相同土层夏季的含水率最低，冬季含水率最高；从土壤剖面来看，CK、T1、T2、T3处理土壤的含水率均随着土层深度的增加而增加，相同土层的含水率基本表现为T3最高，CK最低；对于T4处理，0～20 cm土层含水率较高，在20～40 cm最低，而40～60 cm土层含水率有所增加；深层土壤含水率相差不大，随着秸秆覆盖的增加，表聚性逐渐减弱。说明秸秆覆盖对土壤含水率的垂直分布产生了明显的影响。不同秸秆覆盖时，由于覆盖方式的受限，水分快速进入空隙较大的土壤层(40～60 cm)，而在表层的水分迅速蒸发，导致表层土壤含水率较低，而由于冬季蒸发量较小，因此冬季土壤含水率比夏季高。此外，土壤水分运移至土层深处，在深层土壤聚积，表层没有形成大量的积水。

2.4 不同秸秆覆盖对土壤盐分的影响

在蒸发作用下，底层土壤和盐分可随水分向上迁移，使各土层盐分不断累积，不同措施的控盐抑盐效果差异明显。由图4可知，相同土层夏季盐分含量较高，而冬季盐分较低；从土壤剖面来看，各处理的土壤盐分均随着土层深度的增加逐渐降低，0～20 cm土层盐分较高，在20～40 cm降低，而40～60 cm 土层盐分又有所降低，盐分在土壤表层聚集，随着秸秆覆盖的增加，表聚性逐渐减弱。说明秸秆覆盖对土壤盐分的垂直分布产生了明显的影响。与土壤含水率相比，土壤盐分表现出相反的变化趋势，主要是由于土壤水分的蒸发造成了盐分的累积。不同秸秆覆盖时，由于覆盖方式的受限，水分在表层迅速蒸发，导致表层土壤含水率较低，盐分在表层大量累积，而冬季蒸发量较小，因此，从季节变化上考虑，冬季土壤表层盐分较夏季低。

2.5 土壤水分累积蒸发量与土壤累积含盐量的关系

本试验对土壤水分累积蒸发量与土壤含盐量进行了相关性分析。由表1可以看出，土壤水分累积蒸发量与土壤累积含盐量具有显著或极显著的相关性。在春季，累积蒸发量与累积含盐量显著相关(P<0.05)，相关系数为0.542；夏季累积蒸发量与累积含盐量极显著相关(P<0.01)，相关系数为0.915；秋季累积蒸发量与累积含盐量极显著相关(P<0.01)，相关系数为0.756；冬季累积蒸发量与累积含盐量显著相关(P<0.05)，相关系数为0.652。由此可知，累积蒸发量与累积含盐量属于高度正相关关系，即土壤水分蒸发量越大，土壤累积含盐量越大，这种高度相关性在夏季最大。

表1 土壤水分累积蒸发量与土壤盐累积量相关性

注：“*”“**”分别表示相关性显著(P<0.05)、极显著(P<0.01)。

3 讨论与结论

本试验结果显示，秸秆覆盖能明显抑制土壤水分蒸发，且T4处理的抑制效果最好。这主要是由于秸秆覆盖情况下，形成了复杂的毛管系统，为水分运移提供了通道，使土壤表层水分含量改变[18]。在地表下约40 cm处埋设秸秆隔断层，秸秆层以大空隙居多[19]，地表覆盖的秸秆切断了空气和土表的接触，使土壤水的蒸发量降低[20]。表面秸秆的覆盖量越大，对土壤水分蒸发的抑制效果越明显。

孙博等研究表明随着秸秆覆盖量的增加，土壤水分的蒸发量逐渐减少[21]。张金珠等研究发现，表层覆盖的秸秆能够抑制水分蒸发，且随着秸秆的覆盖量的增多，蒸发强度逐渐减小[22]。乔海龙等研究表明，在自然蒸发条件下，秸秆层能使深层土壤水分减少，但是表层土壤水分散失较严重[23]。

目前，许多学者认为秸秆覆盖的方式能够保证作物生长的水土环境，有利于作物生长。但由于秸秆覆盖会影响土壤盐分，相关研究尚无定论，甚至还存在一些分歧[24-25]。本试验发现，在地表下40 cm处进行秸秆隔层处理，有助于抑制土壤返盐。由于秸秆的隔层将土壤的毛细通道切断，对土壤土体的连续性造成了破坏，所以有效抑制了盐分的表层聚集，降低了土壤盐分含量[22-23]。不过要达到理想的抑盐效果仅使用单一的秸秆隔层方式是不够的，虽然秸秆的深层覆盖可以在一定程度上降低土壤返盐现象，但是并不能影响土壤的表层盐分聚集[26]。土壤表层的盐分聚集主要是由盐分表聚造成的。所以只有在土壤表层和深层同时覆盖秸秆，才能有效控制土壤盐分的形成，降低土壤的含盐量。学者封晓辉等通过研究发现，土壤在具有秸秆层覆盖的情况下，同时进行地膜覆盖能够很好的抑制土壤盐分；但是这种方式容易导致土壤污染，所以秸秆双层覆盖的方式相更适用于盐渍土改良[26]。在本试验中，由于秸秆覆盖方式存的局限性，土壤水分在表层快速蒸发，土壤表层含水率降低，土壤盐分在表层大量累计后，冬季蒸发量会大大减少。因此，冬天土壤盐分会明显低于夏季。目前关于秸秆双层覆盖降低土壤盐分的研究尚不成熟，相关研究多集中于室内试验，在实际应用中存在质疑。未来的研究应侧重于开展田间试验，深入地分析盐渍地土壤改良的科学途径。

本试验主要研究了土壤水分和盐分的关系。研究发现，土壤水分累积蒸发量和累积含盐量的相关性较高，即土壤水分蒸发量越高，累计的含盐量会越大，这种高度相关性主要体现在夏季。土壤水分和盐分的运移具有较为明显的规律，在两者运动中，水分具有决定性的主导作用。因此，抑制土壤水分的蒸发能够有效减少土壤盐分的积累。