隔盐材料对盐渍土水盐分布及蒸发特性的影响.pdf

引文格式：尹亚敏,赵作章,宋国苍,等.隔盐材料对盐渍土水盐分布及蒸发特性的影响J.云南农业大学学报(自然科学),2024,39(2):155161.DOI:10.12101/j.issn.1004-390X(n).202312028隔盐材料对盐渍土水盐分布及蒸发特性的影响*尹亚敏1，赵作章1，宋国苍2，彭尔瑞1*(1.云南农业大学水利学院，云南昆明650201；2.昆明市官渡区水利管理中心，云南昆明650214)摘要:【目的】通过探究隔盐材料土壤水盐运移规律，为盐渍土壤治理措施的合理选择、土壤盐渍化及区域生态修复提供科学依据。【方法】以云南省楚雄州禄丰市黑井镇骄子山隧道弃渣场的土壤为研究对象，选取紫茎泽兰(F1)、剑麻(X1)、小麦(D1)3 种植物秸秆作为土壤隔盐材料，未设置隔层材料的红黏土为对照组(CK)开展室内土柱试验，测定土壤累积蒸发量、土壤剖面含水率、土壤盐分含量等。【结果】(1)土壤累积蒸发量表现为 CKD1F1X1，植物秸秆隔盐材料最大可降低 22.69%的土壤水分蒸发率。(2)1830cm 土壤剖面层平均含水率在整个试验过程中均表现为 F1X1D1CK；018cm 土壤剖面层平均含水率在试验初期至27d 时表现为 F1X1D1CK，在试验 28d 至试验结束时均表现为CKD1X1F1。(3)土壤平均含盐量表现为 CKD1X1F1，隔盐材料积盐率降低 12%35%。【结论】在蒸发试验中，隔盐材料有良好的阻滞水分上行和减缓盐分向隔层上部土壤积聚的作用，并具有保水性和抑制盐分表聚的作用，其中紫茎泽兰的效果最好。关键词:盐渍化土壤；隔盐材料；水盐调控；土壤蒸发中图分类号:S161.4文献标志码:A文章编号:1004390X(2024)02015507Effects of Salt-isolating Materials on Water-salt Distribution andEvaporation Characteristic of Salinized SoilYINYamin1，ZHAOZuozhang1，SONGGuocang2，PENGErrui1(1.CollegeofWaterConservancy,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China;2.KunmingGuanduDistrictWaterConservancyManagementCenter,Kunming650214,China)Abstract:PurposeToexploretheregulationofsoilwaterandsalttransportofsalt-insulatingmaterials,providingascientificbasisfortherationalselectionofsalinesoiltreatmentmeasures,im-provementofsoilsalinizationandregionalecologicalrestoration.MethodsThesoilofJiaozishanTunnelslagdumpinHejingTown,LufengCity,ChuxiongPrefecture,YunnanProvince,wasselec-tedastheresearchobject,andthethreeplantstrawsofAgeratina adenophora(F1),Agave sisalanaPerr.exEngelm.(X1)andwheat(D1),wereusedassoilsalt-isolatingmaterials,redclaywithoutanysalt-isolatingmaterialswereusedascontrolgroup(CK)tocarryoutindoorsoilcolumntest,andthesoilcumulativeevaporation,soilprofilemoisturecontentandsoilsaltcontentweremeasured.Results1)ThecumulativeevaporationofsoilwasCKD1F1X1,whichcouldreducethesoilwaterevaporationrateby22.69%.2)Theaveragemoisturecontentofsoilprofilelayerinthe18-30cm收稿日期：2023-12-18修回日期：2024-05-10网络首发日期：2024-05-17*基金项目：国家自然科学基金项目(42367025)；校企合作项目(KX132021013)。作者简介：尹亚敏(1965)，女，云南嵩明人，学士，高级实验师，主要从事水力学及生态修复研究。E-mail：*通信作者 Correspondingauthor：彭尔瑞(1966)，女，云南丘北人，硕士，教授，主要从事河湖整治与工程扰动修复研究。E-mail：网络首发地址：https:/ F1X1D1CK from the initial stage to the 27th day of the experiment,and presented asCKD1X1F1fromthe28thdaytotheendoftheexperiment.3)TheaveragesaltcontentofsoilwasCKD1X1F1,thesaltaccumulationratewasreducedby12%to35%.ConclusionIntheevaporationtest,thesalt-isolatingmaterialshasgoodeffectsonblockingwaterup-wellingandslow-ingsaltaccumulationtothesoilabovethespacer,andithastheeffectofwaterretentionandinhibit-ingsaltsurfaceaccumulation,andtheeffectofA.adenophoraisthebest.Keywords:salinizedsoil;salt-isolatingmaterials;waterandsaltregulation;soilevaporation黑井地区弃渣场位于云南省楚雄彝族自治州禄丰市黑井镇，是云南省最大的产盐区，也是中国砂盐的重要产地。该地区地层富含石膏、芒硝、氯盐等风化物，由于铁路建设，黑井地区弃渣场完全暴露于地表，表层渣土已风化开裂甚至成粉末状，加上水分大量蒸发，渣场表层已经析出一层白色的盐结晶。随后该地进行了耕作土回填，土壤发生次生盐渍化，土壤板结、水资源匮乏和缺少适生作物/植物品种严重影响了该区域的生态环境1。采用合理的盐渍土壤治理措施，改善其理化性状和生物学特性，对耕地资源扩展、生态系统建设、区域化高质量发展具有重要的现实意义。在理论方面，王遵亲等2对盐渍土进行了定义和系统的分类。在治理方面，土壤盐渍化治理措施包括灌排措施、物理调节、化学改良和生物措施。物理调控措施的机理相对明确，操作性较强3，其措施主要有秸秆深埋、地膜覆盖、耕作保墒、深耕施肥、平整土地等4-6。秸秆深埋是通过在耕层以下铺设隔层，减少因蒸发作用的水分上移，阻止深层土壤盐分向耕层运移7-9。本研究选取紫茎泽兰、剑麻和小麦秸秆作为土壤隔盐材料，以黑井镇骄子山隧道弃渣场的土壤为研究对象开展室内土柱试验，研究不同隔盐材料处理下土壤水盐的分布规律，以期为改良土壤质地、改善土壤盐渍化和区域生态修复提供科学指导。1 材料与方法1.1试验材料将昆明当地收割晾干的小麦秆剪裁为 0.51.0cm，将云南农业大学后山收割的紫茎泽兰的茎晾干并剪裁至 0.51.0cm，将从昆明周边县城农村采摘的剑麻按 50%腐烂、50%半腐烂剪裁为 0.81.2cm，三者即为供试秸秆。试验土壤采自骄子山隧道弃渣场，自然风干，经粉碎后过 2mm 孔径的试验筛备用。供试盐渍土中，黏粒 直径(d)0.005mm 占 5.00%，粉粒(0.005mmd0.075mm)占 14.74%，砂粒(0.075mmd2mm)占 35.18%，砾粒(2mm0.05)，蒸发强度表现为 D1F1X1CK；随着蒸发时间的延长，土壤累积蒸发量呈增加趋势，蒸发速率逐渐趋于平缓。蒸发 5d 时，对照组的蒸发强度逐渐超过隔盐材料组，累积蒸发量表现为 CK(532.4g)D1(489.2g)F1(485.1g)X1(452.9g)，D1 和 F1 土壤累积蒸发量差异不显著(P0.05)，但 X1 显著低于 D1 和 F1(PF1D1，与CK 相比，D1、F1 和X1 的累积蒸发量在蒸发 5、10和 25d 分别下降了 10.80%、19.31%和 22.82%，到蒸发后期各处理蒸发抑制率略有下降，累积蒸发量增长缓慢。因此，3 种耕作层plough layer隔盐层salt-isolatinglayer盐岩层salt layer红黏土(CK)red clay红黏土red clay盐渍土saline soilAgeratinadenophoraAgave sisalanawheat20 cm10 cm15 cm紫茎泽兰(F1)剑麻(X1)小麦(D1)图 1 试验装置和处理Fig.1Testdeviceandtreatments05101520253035404502004006008001 0001 2001 4001 6001 800CKD1F1X1时间/dtime累积蒸发量/gcumulative evaporation注：CK.对照处理；F1.紫茎泽兰为隔盐材料；X1.剑麻为隔盐材料；D1.小麦为隔盐材料；下同。Note:CK.controltreatment;F1.Ageratina adenophorausedassalt-isol-ating material;X1.Agave sisalana used as salt-isolating material;D1.wheatusedassalt-isolatingmaterial;thesameasbelow.图 2 不同隔盐材料处理下土壤累积蒸发量的变化Fig.2Changesofcumulativeevaporationofsoilunderdifferenttreatmentsofsalt-isolatingmaterials第2期尹亚敏，等：隔盐材料对盐渍土水盐分布及蒸发特性的影响157隔盐材料处理中，剑麻蒸发强度最低，蒸发抑制作用表现最好。2.2不同隔盐材料对土壤剖面含水率的影响由图 3 可知：不同隔盐材料改变了土壤结构，且都具有一定的吸水性，在不同处理下土壤含水率表现出一定差异性。(1)蒸发 1d 时，各处理 012cm、3042cm 土壤含水率差异不显著(P0.05)，土壤平均含水率表现为 F1X1D1CK；与 CK 相比，F1、X1 和 D1 的土壤含水率在018cm 分别提高 6.06%、5.03%和 3.46%，在 1830cm 增幅为 47.51%、34.98%和 23.07%，说明埋设隔盐层能提升上层土壤的持水能力。(2)当蒸发试验进行至 14d 时，不同处理下 018cm 层土壤平均含水率表现为 F1(24.30%)X1(24.10%)D1(24.00%)CK(22.60%)，而这 4 个处理的 1830cm 层土壤平均含水率分别为 21.90%、30.10%、27.60%和 25.50%。与蒸发 1d 时相比，CK、F1、X1 和 D1 处理 018cm 层的土壤平均含水率分别减少 1.70%、6.00%、5.10%和 3.70%，1830cm层的土壤平均含水率分别减少 0.17%、2.54%、表 2 不同隔盐材料的土壤水分蒸发抑制率Tab.2Inhibitionrateofsoilmoistureevaporationunderdifferenttreatmentsofsalt-isolatingmaterials%隔盐材料salt-isolatingmaterials5d10d25d40dD18.120.74b11.090.22c10.800.32c5.220.26cF18.800.21b21.170.52b19.310.38b17.912.08bX114.500.69a23.700.88a22.820.19a22.690.32a注：F1.紫茎泽兰为隔盐材料，X1.剑麻为隔盐材料，D1.小麦为隔盐材料；同列不同字母表示具有显著差异(P0.05)。Note:F1.Ageratina adenophorausedassalt-isolatingmaterial,X1.Agave sisalanausedassalt-isolatingmaterial,D1.wheatusedassalt-isolatingmaterial;differentlettersinthesamecolumnindicatesignificantdifferences(PX1D1CK，说明隔盐材料提高了土壤表层的失水速率，抑制下层水分的上移速率。(3)蒸发至 28d 时，表层土壤逐渐失水，形成干土层，蒸发强度进一步降低。CK、F1、X1 和 D1 处理的 018cm 层土壤平均含水率分别为 19.73%、17.76%、18.50%和 18.74%，1830cm 层土壤平均含水率分别为20.53%、24.97%、22.93%和 20.26%。(4)蒸发至42d 时，与28d 相比，CK、F1、X1 和D1 的018cm 层土壤平均含水率分别减少 1.33、1.49%、1.64%和 1.92%，1830cm 层土壤平均含水率分别减少 1.40%、3.11%、2.33%和 0.86%，土壤平均含水率变化差异不显著(P0.05)，说明土壤水分主要以水汽扩散的方式穿过干土层进入大气；与 CK 相比，F1、X1 和 D1 的 018cm 层土壤平均含水率分别降低 11.58%、8.69%和 5.38%，而1830cm 层土壤的平均含水率分别提高 14.26%、7.68%和 1.42%，说明埋置隔盐层对土壤上层具有良好的保水性，且紫茎泽兰的保水性能最好。2.3不同隔盐材料处理对土壤盐分含量的影响由图 4 可知：不同隔盐材料均能够抑制土壤盐分上移，且与蒸发过程相关。随着蒸发的进行，盐岩层的盐分随毛管水通过隔盐层上升到耕作层，水分蒸发后，使盐分积累在表层土壤中，表现为 CK 最大，F1 最小。(1)蒸发 1d 时，土壤各深度层盐分含量差异较小，不同处理间耕作层和隔盐层平均含盐量较小，盐岩层含盐量较大，土壤中的盐分主要集中在盐岩层。(2)蒸发至 14d时，不同隔盐材料处理的 018cm 土层平均含盐量表现为 CKX1F1D1，1830cm 土层的平均含盐量表现为 CKD1X1F1，3042cm 土层平均含盐量表现为 F1X1D1CK，说明埋置隔层均可降低上层土壤(018cm)的含盐量，降低土壤的输水能力；不同处理 1830cm 土层盐分累5101520253035510152025303551015202530355101520253035平均含盐量/(gkg1)average salt content6012182430364248土壤深度/cmsoil depth601218243036424860121824303642486012182430364248CKF1X1D11 d14 d28 d42 d图 4 不同隔盐材料处理土壤剖面含盐量分布Fig.4Distributionofsaltcontentinsoilprofilestreatedwithdifferentsalt-isolatingmaterials第2期尹亚敏，等：隔盐材料对盐渍土水盐分布及蒸发特性的影响159积明显，主要原因是隔盐材料处理分层压实后孔隙率有差异，并且不同材料的表面斥水性存在一定程度差异。(3)蒸发至 28d 时，不同隔盐材料处理的 018cm 土层平均含盐量表现为 CKD1X1F1，1830cm 土层的平均含盐量表现为 CKD1X1F1，3042cm 土层CK、F1、X1 和D1 的平均含盐量分别为 24.61、26.26、26.08 和 25.68g/kg。各处理土壤平均盐分含量增幅较小，CK、F1、X1 和 D1 的 018cm 土层平均盐含量增幅分别为16.97%、14.50%、16.80%和15.68%，1830cm土层的平均盐含量增幅分别为 11.81%、8.67%、9.67%和 7.97%。(4)蒸发 42d 时，F1、X1 和 D1处理的 018cm 土层平均盐含量比 CK 分别降低了34.83%、23.61%和12.50%，CK、F1、X1 和D1处理 3042cm 土层平均含盐量分别为 24.61、26.26、26.08 和 25.68g/kg，说明埋置隔层能够有效抑制土壤盐分向土壤表层集聚，且紫茎泽兰抑制盐分的效果最明显。3 讨论土壤水分是土壤盐分运移的重要载体，设置隔盐层会破坏原土体毛细管的连续性、增加土壤孔隙度。有研究表明：利用地上降雨和灌溉水对隔层以上土壤淋洗盐分，或通过隔层切断土壤的毛细管作用，阻隔地下水向上层运动引发返盐可以改善土壤理化性质，增加土壤有机质，优化土壤水盐分布，有效提高土壤“保水抑盐”的能力7。隔层材料填充改变土壤结构的同时还能通过降低土壤累积蒸发量来降低土壤积盐量，达到改良盐碱的目的。地表覆盖可改变土壤上边界条件，重度盐渍土地表覆膜可减少蒸发量 12.1%25.5%，能降低表层土壤积盐量 14.3%32.4%12。地表覆膜的隔盐效果主要集中于 010cm 的表层土壤，而作物根系生长分布不只局限于表土层，85%以上的根系分布在 040cm 土层13。有学者提出：将表层覆盖材料埋设在地下适宜深度更利于土壤耕层脱盐14。本研究中，填充隔盐材料土壤的土壤蒸发强度和累积蒸发量低于裸土，减少蒸发量5.22%22.69%，降低表层土壤积盐量 12.50%34.72%，这可能是由于不同隔盐层材料阻隔水分运移的机理不同，降低土壤蒸发速率和抑制的土壤水分蒸发效果也不同。小麦秸秆表面由疏水蜡组成，具有一定的斥水性，在一定程度上对土壤的蒸发产生阻抑作用，且小麦秸秆的覆盖使得水汽只能通过隔盐层间的毛细管道扩散，蒸发水分。剑麻剪裁后呈片状结构，分层压实后对土壤表层覆盖比较大，孔隙度较低，减缓了表层土壤与大气的水分能量交换。紫茎泽兰吸水性和持水性较强，降低了水汽扩散通量。应用较多且降盐控盐效果较为理想的隔盐材料包括河沙、炉渣、陶粒、沸石、蛭石、玉米秸秆等。张清敏等15在盐渍化地区土地整理过程中提出“炉渣和玉米秸秆(隔盐材料)+隔盐层深度60cm+有机肥(改良剂)”的改良方案能有效改良土壤性状。此外，隔盐材料能有效保水降盐，促进植物光合作用及生长。王琳琳等16在盐碱地刺槐造林中采用沸石、陶粒和河沙作为隔盐层材料，均有助于土壤保墒控盐、改善植物光合特性以及促进刺槐生长，其中沸石 080cm 土体内盐分含量和土壤盐溶质浓度显著降低，为最佳隔盐材料。本研究中，各处理表层盐分含量随时间的推移呈上升趋势，且表层盐分含量因隔盐材料的填充而降低，隔盐层以下盐分含量上升，这可能是由于隔盐材料填充降低了土壤蒸发强度，减缓了可溶盐随水分向土壤表层运输的效率，进而降低土壤表层盐分含量，使盐分被阻断在隔盐层以下。由于试验采用室内土柱模拟的方式进行，只研究了短时间内土壤剖面水盐的变化规律，未在室外进行长时间的大田或微区试验，考虑到隔盐材料长时间存在于土壤中会发生分解，长期利用是否会导致土壤理化性质发生变化，并且不同隔盐材料分解速率不一致，对土壤的改良效果和持续时间亦不明确，故在今后的研究中应加长试验周期，开展土柱模拟试验的同时进行大田试验，确保研究结果具有实践性。4 结论(1)埋置隔盐层能够抑制土壤水分蒸发。不同隔盐材料可在不同程度上降低土壤蒸发强度，土壤累积蒸发量表现为对照小麦紫茎泽兰剑麻。土壤水分蒸发抑制作用表现为剑麻紫茎泽兰小麦，且蒸发抑制表现与隔盐材料有关，隔盐材料占比越大，蒸发抑制率越高。160云南农业大学学报第39卷(2)埋置隔盐层能够提高土壤保水持水能力。在蒸发阶段，以剑麻、紫茎泽兰和小麦为隔层的土柱，018cm 土层的土壤含水率降幅大于对照组，1830cm 土层的土壤含水率降幅小于对照组，保水能力表现为紫茎泽兰剑麻小麦对照；蒸发强度主要受土壤导水率控制，隔盐材料剪裁处理后的片状结构减小了土壤水分的蒸发通道，从而使下层水分上移更缓慢，限制了土壤水分扩散运动，使下层保持更高的含水率。(3)随着蒸发的进行，水分由土柱底部向表层运移，液态水逐渐减少，气态水占优，因此单位时间内盐分运移速率逐渐缓慢。埋置隔层能够有效抑制盐分向土壤表层聚集，且紫茎泽兰的抑制盐分效果最明显。参考文献胡炎,杨帆,杨宁,等.盐碱地资源分析及利用研究展望J.土壤通报,2023,54(2):489.DOI:10.19336/ki.trtb.2022031902.1王遵亲,祝寿泉,俞仁培,等.中国盐渍土M.北京:科学出版社,1993.2王婧,逄焕成,任天志,等.地膜覆盖与秸秆深埋对河套灌区盐渍土水盐运动的影响J.农业工程学报,2012,28(15):52.DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.15.009.3丁光伟,赵存兴.黄土高原地区土地盐渍化的防治J.干旱区资源与环境,1991(4):49.DOI:10.13448/ki.jalre.1991.04.008.4ZHAOYG,WANGSJ,LIY,etal.Long-termperform-anceoffluegasdesulfurizationgypsuminalarge-scaleapplication in a saline-alkali wasteland in northwestChinaJ.Agriculture,Ecosystems and Environment,2018,261:115.DOI:10.1016/j.agee.2018.01.009.5ZHENGH,WANGX,CHENL,etal.Enhancedgrowth6of halophyte plants in biochar-amended coastal soil:roles of nutrient availability and rhizosphere 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