不同類型鹽荒地蒸發(fā)能力與水鹽變化特征研究

楊 煦，朱 勤，馬萌辰，伍靖偉

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，武漢 430010)

0 引 言

土壤鹽漬化是威脅我國西北旱區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。為了應(yīng)對灌溉產(chǎn)生的次生鹽堿化問題，普遍采用淋洗與排水相結(jié)合的方式，從而保證植物發(fā)育不受鹽分脅迫[1]。然而人工排水工程不僅投資巨大，維護資金短缺，同時排水可能產(chǎn)生嚴重的農(nóng)業(yè)面源污染等問題[2]。近年來，干排水控鹽技術(shù)得到了關(guān)注和研究，這種技術(shù)通過地下水的天然運動將耕地多余水分和鹽分排至相鄰鹽荒地，然后通過鹽荒地的潛水蒸發(fā)作用消耗掉，鹽分儲存在土壤和地下含水層中[3,4]。對于排水不足地區(qū)，干排水控鹽技術(shù)的有效性得到了較多的證實[5-7]，其設(shè)計包括鹽荒地的面積大小(耕荒比)、鹽荒地布置方式等問題也進行了初步研究[8]，但尚未進行鹽荒地利用與管理的研究。解決這些問題的關(guān)鍵是確定鹽荒地的蒸發(fā)能力，鹽荒地的蒸發(fā)能力不僅與地下水埋深、土壤質(zhì)地、氣象等因素關(guān)系密切，還與植被覆蓋和土地利用直接相關(guān)。本文通過野外試驗，研究在同等條件下鹽荒地種植木本植被、草本植被以及裸土條件下的水鹽動態(tài)和鹽荒地實際蒸騰蒸發(fā)量，進而探討鹽生植物在干排水系統(tǒng)中發(fā)揮的作用，為設(shè)計干排水系統(tǒng)提供理論技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況及試驗布置

試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市五原縣，東經(jīng)108°00′05″，北緯41°02′15″，地處內(nèi)蒙古河套灌區(qū)中部。該地夏季高溫干燥，冬季寒冷少雪，多年平均年降雨量155～214 mm，年蒸發(fā)量2 200～2 400 mm，蒸降比在10以上，每月平均日照時數(shù)270 h，累計太陽輻射約6 000 MJ/(m2·a)。地下水埋深淺，是我國土壤鹽漬化發(fā)育的典型地區(qū)[9]。

試驗區(qū)為一總面積為6 670 m2左右、長期未開發(fā)利用的鹽荒地，共分為12個小區(qū)。自2013年起，本文筆者所在課題組在鹽荒地上種植檉柳、沙棗、堿蓬、蘆葦、芨芨草等耐鹽植物，目前均已成熟。周邊農(nóng)田自每年5-6月起種植一季作物，主要作物為食葵、玉米、葫蘆等，引用黃河水進行地面灌溉，每年灌溉水量包括秋澆淋洗大約9 000 m3/hm2。

為研究不同植被類型對鹽荒地干排能力的影響，在試驗區(qū)內(nèi)選擇絕對高程基本相同、地下水埋深接近的三個相鄰鹽荒地試驗小區(qū)(編號依次為1號、2號、3號)作為試驗用地。每個試驗小區(qū)長約28 m、寬約14 m，其中，1號試驗小區(qū)主要種植有檉柳、沙棗等木本植物，覆蓋率高于80%；2號試驗小區(qū)主要種植堿蓬、蘆葦?shù)炔荼钧}生植物，覆蓋率高于80%；3號試驗小區(qū)為裸地。各試驗小區(qū)基本信息見表1。

表1 各試驗小區(qū)土壤物理性質(zhì)

1.2 數(shù)據(jù)觀測

為收集氣象資料，在離試驗區(qū)約1 km的河套灌區(qū)義長灌域永聯(lián)試驗站內(nèi)安裝自動氣象站一座，監(jiān)測降雨和水面蒸發(fā)等氣象數(shù)據(jù)。為分析鹽荒地水鹽動態(tài)，在3個試驗小區(qū)中央各布置一口地下水觀測井，在2018年5月7日至11月17日期間，進行了土壤含水量、含鹽量、地下水位的連續(xù)監(jiān)測。其中土壤含水量和含鹽量每2周在試驗小區(qū)中央、觀測井附近取樣一次，取樣深度為0～3、3～5、5～10、10～15、15～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～100、100～120、120～140 cm，共14級深度；地下水每日監(jiān)測一次地下水位和電導率。此外為監(jiān)測降雨后(2018年7月)的鹽荒地水鹽動態(tài)，在雨后的1、3、5、8、11日按照上述方法在3個試驗區(qū)進行了土壤含水量、全鹽量的取樣測定。土壤含水量采用烘干法測定，土壤含鹽量測定土壤1:5浸提液電導率轉(zhuǎn)換得到。

1.3 鹽荒地蒸發(fā)能力計算

為分析鹽荒地在不同植被條件下的蒸發(fā)能力，本研究基于水量均衡原理，以本次取樣深度0～140 cm土層為均衡體進行計算，具體公式如下：

ETc=Pr+G-D-ΔW

(1)

式中：ETc為鹽荒地蒸發(fā)蒸騰量，mm；Pr為有效降雨量，mm；G為潛水蒸發(fā)量，mm；D為土壤水滲漏量，mm；ΔW為土壤儲水量變化量，mm。

參考郝芳華[10]等的研究，有效降雨量采用下式計算：

(2)

式中：P為氣象站測得的降水量，mm；a為經(jīng)驗系數(shù)，此處取2.5；LAI為葉面積指數(shù)，無量綱，草本植物優(yōu)勢區(qū)為1.50、木本植物優(yōu)勢區(qū)為2.25。

潛水蒸發(fā)量按葉水庭公式計算[11,12]：

G=CE0

(3)

C=e-αH

(4)

式中：E0為同期水面蒸發(fā)量；C為潛水蒸發(fā)系數(shù)；H為同期地下水埋深，m；α為經(jīng)驗系數(shù)，m-1，由于鹽荒地試驗區(qū)土壤深層質(zhì)地以黏壤土為主，取值1.891 7 m-1。

考慮到試驗區(qū)只有降雨、沒有灌溉，且地下水位埋深較淺，深層土壤含水量變化不大，雨后地下水位都有上漲，因此根據(jù)給水度和地下水位埋深變化求出土壤水的滲漏量：

D=μΔh

(5)

式中：D為補給量，mm；Δh為雨后地下水位上升值，mm；μ為給水度，根據(jù)巖性選為0.05。

土壤儲水量變化量，根據(jù)土壤分層情況，依據(jù)以下公式計算:

(6)

式中：γi為第i層土壤的容重，g/cm3；ρ為水的密度，g/cm3；hi為第i層土壤的厚度，cm；θi為第i層土壤的質(zhì)量含水率。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同類型鹽荒地土壤水分變化特征

為分析不同類型鹽荒地土壤水分變化特征，選擇含水量較高、變化較為劇烈時期即2018年7月27日降雨后各試驗小區(qū)11日內(nèi)的土壤剖面含水率(圖1)進行分析。

從1號小區(qū)的土壤含水率剖面可以得知，由于試驗區(qū)內(nèi)木本植物分布密集，檉柳、沙棗的莖葉對降水的截留能力較強，相比于其他試驗區(qū)，降雨后第1日的表層土壤含水率較低，為27.44%(降雨后第1日表層土壤質(zhì)量含水率為27.44%)。同時由于冠層的對地表的遮蔽，土壤水分沒有過快地損失；而在80～120 cm范圍內(nèi)的深層土壤，質(zhì)量含水率變化劇烈，這是因為沙棗、檉柳作為多年生植物，根毛成熟區(qū)分布深度約為60～120 cm，深層根系的吸水使得深層失水。2號小區(qū)的土壤含水率剖面以距地表70 cm土壤深度為界，呈不同的變化特征：0～70 cm范圍內(nèi)的土壤在降雨后11日內(nèi)迅速失水，20～40 cm處下降尤為明顯，而70 cm以下的深層土壤，在觀測時間內(nèi)水分變化不明顯；這是由于草本植物具有吸水能力的根系主要分布在20～60 cm深度的淺層土壤中，在日光照射的作用下，淺層土壤的水分能夠同時通過地表蒸發(fā)和植物蒸騰迅速散失。3號小區(qū)的土壤含水率剖面表現(xiàn)為干旱區(qū)鹽堿地的典型特征，水分主要通過地表土壤蒸發(fā)進入大氣，因此表層土壤失水最快，含水率衰減速度隨土壤深度增加而降低。

圖1 降雨后1-11日各小區(qū)土壤質(zhì)量含水率變化圖

由此可見，在裸地(3號小區(qū))以及種植草本為主的鹽荒地(2號小區(qū))，蒸發(fā)主要是表層及淺層土壤強烈失水，深層影響有限，在后期蒸發(fā)耗水作用逐漸減弱；而以木本植物為主的鹽荒地(1號小區(qū))的各土層失水速度相對均勻，耗水空間更大，保持了較高的耗水能力，從而維持了鹽荒地干排能力的穩(wěn)定。

2.2 不同類型鹽荒地地下水位動態(tài)和土壤水分儲量變化

圖2、圖3給出了不同植被類型鹽荒地的地下水位動態(tài)和土壤水分儲量動態(tài)。由圖2可以看出，整體上三個小區(qū)的地下水埋深變化趨勢基本一致，在地表蒸發(fā)和植物蒸騰的共同作用下，地下水位持續(xù)下降，雨后有一定程度回升，但幅度和速率有所差異。1號小區(qū)分布的木本植物優(yōu)勢區(qū)植物冠層蒸騰能力強，地下水埋深下降更快；2號小區(qū)為草本植物優(yōu)勢區(qū)，3號小區(qū)為裸地，地下水埋深下降速度都相對較慢。在6月初，蒸發(fā)并不強烈，三者差別不大；進入7月后，三者的差距開始加大，裸地地下水埋深比種植有耐鹽植物的地塊更小，可見裸地地表蒸發(fā)耗水有一定局限性；進入9月后，耐鹽植物的蒸騰作用減弱，調(diào)節(jié)地下水埋深的能力逐漸消失，地下水埋深下降速度減緩，三者的地下水埋深又逐漸趨于接近。

圖2 不同地表植被類型地塊的地下水埋深變化趨勢

圖3 各植被類型土壤水分儲量變化

不同類型鹽荒地的土壤水儲量動態(tài)也有類似規(guī)律。整個試驗期間，土壤水分儲量整體上呈下降趨勢，雨后雖有增加，但在蒸發(fā)蒸騰作用下仍然保持較快的消耗速率。盡管三個小區(qū)初始土壤水分儲量基本相同，但種植有耐鹽植物的地塊的耗水速率明顯較大，木本植物優(yōu)勢區(qū)則比草本植物優(yōu)勢區(qū)的耗水更加明顯。此外，由于地下水與土壤水的轉(zhuǎn)換關(guān)聯(lián)，各小區(qū)地下水與土壤水分儲量保持了對應(yīng)的變化；如3號小區(qū)，耗水能力較弱，土壤水分儲量變化較小，因此地下水的埋深較小，這限制了臨近耕地多余的水鹽通過地下水坡度向鹽荒地排泄的能力。

上述結(jié)果說明，鹽荒地種植鹽生植物有利于增加鹽荒地的耗水能力和干排能力。

2.3 不同類型鹽荒地蒸發(fā)能力

表2給出了不同植被類型的鹽荒地在2018年6月10日-10月3日期間的蒸發(fā)蒸騰量。由表2可見，木本植物優(yōu)勢區(qū)、草本植物優(yōu)勢區(qū)、裸地的蒸發(fā)蒸騰量依次為330.1，284.0和234.4 mm，不同植被類型的蒸發(fā)蒸騰量差異顯著，相比裸地，木本植物優(yōu)勢區(qū)、草本植物優(yōu)勢區(qū)的蒸發(fā)能力分別增加了40.8%和22.4%。木本植物冠層茂密，葉面積指數(shù)LAI較草本植物更大，蒸騰作用強烈且持續(xù)，實現(xiàn)了土壤水分儲量的持續(xù)消耗。相比之下，草本植物的蒸騰作用小，且根系下扎深度不足，根系吸收水分明顯少于木本植物，因此蒸發(fā)能力比木本植物優(yōu)勢區(qū)更小。

表2 不同植被類型鹽荒地水量平衡結(jié)果 mm

在干排系統(tǒng)中，來自臨近荒地地下水的側(cè)向補給是鹽荒地土壤水和地下水維持平衡的主要來源。鹽生植物產(chǎn)生的蒸騰作用能夠增加鹽荒地土壤的水分消耗，進而消耗鹽荒地的地下水，增加臨近耕地與荒地的水力梯度，使得鹽荒地能夠持續(xù)接受周邊地塊的側(cè)向水分補給。因此，在生產(chǎn)實踐中可以考慮通過在鹽荒地種植鹽生植物，增加鹽荒地的干排能力。

2.4 不同類型鹽荒地土壤鹽分變化

干旱地區(qū)鹽荒地由于降雨稀少、蒸發(fā)強烈，且沒有灌溉的淋洗作用，因此鹽分總體呈向表層聚集趨勢，長期積鹽可能對鹽荒地蒸發(fā)和干排能力造成影響。降雨可以通過淋洗作用將鹽分淋至土壤深層，從而減緩鹽荒地蒸發(fā)能力的退化進程。為此，選擇2018年7月27日降雨后各小區(qū)的鹽分變化進行分析，圖4表示出降雨后11日內(nèi)土壤各層全鹽量變化趨勢，表3表示降雨11日后各土壤層全鹽量變化的計算結(jié)果。

由圖4可見，各小區(qū)表層土壤全鹽量遠大于其他土層全鹽量，呈現(xiàn)明顯的表聚現(xiàn)象。雨后由于淋洗，表層含鹽量有所下降；雨后11日期間由于土壤含水量較高、蒸發(fā)強烈，鹽分整體隨水分不斷向表層運移。不同鹽生植被的鹽荒地，積鹽情況差異明顯。木本植物(1號小區(qū))淺層土壤鹽分運動相對不顯著，20～70 cm深度土壤全鹽量增量很小，這一結(jié)果與Xia等[13]的研究結(jié)果一致，木本植物可以有效抑制淺層土壤過度積鹽；而在70 cm以下的土層中，在木本植物根系吸水的作用下，土壤水分上行運動劇烈，促進了鹽分的累積。草本植物(2號小區(qū))土壤以70 cm深度為界表現(xiàn)出不同的變化特征；在70 cm以上，各土層全鹽量均明顯增加，在70 cm以下，由于雨水的土壤浸潤深度不足以達到這一區(qū)域，而草本植物的根系吸水也難以促進這一土層的水分運動，全鹽量變化較小?？梢姡荼局参镫m增加了一定的排鹽空間，但相比木本植物，對鹽分的調(diào)節(jié)范圍較小。裸地(3號小區(qū))則由于強烈的地表蒸發(fā)，表層土壤全鹽量迅速上升，隨土壤縱深的增大，鹽分集聚速度迅速減緩，但100 cm以下的土壤全鹽量增量很小。結(jié)合表3的計算結(jié)果，對比木本植物、草本植物、裸地三種植被類型的鹽分動態(tài)，降雨后11日內(nèi)表層0～20 cm土壤全鹽量絕對值分別增加了0.91、1.24、3.16 g/kg。由此可見，根系分布越深的鹽生植物在空間上越能分散土壤中的鹽分累積，使鹽分集聚程度降低，增加了鹽荒地的排鹽空間，有助于維持鹽荒地干排能力的穩(wěn)定。

圖4 降雨后1～11日各小區(qū)土壤全鹽量變化圖

表3 不同類型植被土壤鹽分含量及其變化量 g/kg

干排系統(tǒng)中，鹽荒地干排作用的發(fā)揮主要受蒸發(fā)量的制約。隨著含鹽量的增加，土壤的蒸發(fā)能力下降[14]，因此干排系統(tǒng)存在使用年限問題，其年限受制于荒地鹽分的積鹽速度和分布狀態(tài)。對于裸土，鹽分主要集聚在表面，直接抑制土壤蒸發(fā)，從而使得鹽荒地干排作用退化較快；而種植木本植物或草本植物，能夠改變鹽分累積的土層深度，抑制鹽分在地表的累積。因此可以通過種植合適的鹽生植物，調(diào)節(jié)鹽荒地土壤水分和鹽分運動，進而延長鹽荒地在干排系統(tǒng)中的使用年限。

3 結(jié) 論

本文通過在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)進行的野外試驗，研究了不同鹽生植被類型鹽荒地的蒸發(fā)能力及其水鹽變化特征，結(jié)果表明：

(1)在干排系統(tǒng)中的鹽荒地種植鹽生植物，改變了土壤水分消耗的速度和深度，增加了鹽荒地土壤的耗水空間。裸土鹽荒地主要通過土面蒸發(fā)消耗表層土壤水分，耗水強度較小；而鹽生植物通過根系吸水消耗深層土壤水分，耗水空間更大，各土層耗水速度相對均勻，維持了鹽荒地干排能力的穩(wěn)定。

(2)種植鹽生植物可以顯著增加鹽荒地的蒸發(fā)能力，相比于裸地，木本植物、草本植物分別增加了40.8%和22.4%。

(3)由于鹽生植物的根系分布和耗水特性不同，種植鹽生植物的鹽荒地，鹽分累積更加均勻，表層集聚現(xiàn)象明顯減弱，從而增加了鹽荒地的排鹽空間，維持了鹽荒地一定的蒸發(fā)能力，可以延長其在干排系統(tǒng)中的使用年限。

(4)在鹽荒地種植鹽生植物，是一種提高鹽荒地干排能力、維持干排系統(tǒng)穩(wěn)定性的可行措施。