不同礦化度咸水冬季結(jié)冰灌溉對濱海鹽堿土的改良效果

李憲，李亞光

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

不同礦化度咸水冬季結(jié)冰灌溉對濱海鹽堿土的改良效果

李憲，李亞光?

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

為了尋找適宜進(jìn)行咸水結(jié)冰灌溉的灌溉用水礦化度區(qū)間，采用土柱模擬實(shí)驗(yàn)，研究不同礦化度(8、16、24和32 g/L)咸水結(jié)冰灌溉對濱海鹽堿土的改良作用。結(jié)果表明：礦化度較低的灌溉用水(8和16 g/L)處理后的土柱0～50 cm土層相對于處理前表現(xiàn)為脫鹽，而礦化度較高的灌溉用水(24和32 g/L)處理后的土柱0～50 cm土層相對于處理前表現(xiàn)為積鹽。礦化度較高(24和32 g/L)的處理在春季冰層完全融化后，0～20 cm土層會出現(xiàn)爆發(fā)性的積鹽，而在礦化度較低(8和16 g/L)的處理下并未產(chǎn)生爆發(fā)性的積鹽。因此，使用低礦化度灌溉用水進(jìn)行咸水結(jié)冰灌溉，在春季冰層完全融化后，0～50 cm土層表現(xiàn)為脫鹽，且灌溉用水礦化度越低脫鹽效果越好；較高礦化度的灌溉用水進(jìn)行咸水結(jié)冰灌溉可能造成0～50 cm土層進(jìn)一步積鹽，采用高礦化度的灌溉用水進(jìn)行咸水結(jié)冰灌溉可能會引起土壤的進(jìn)一步鹽堿化。在本實(shí)驗(yàn)條件下，灌溉用水礦化度低于16 g/L較適宜進(jìn)行咸水結(jié)冰灌溉。

咸水結(jié)冰灌溉； 礦化度； 濱海鹽堿地改良； 土壤水鹽動態(tài)

土壤鹽堿化和淡水資源的短缺是制約我國北方濱海地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素[1]。天津地區(qū)在當(dāng)?shù)靥厥獾乃牡刭|(zhì)環(huán)境影響下，形成了大片濱海鹽堿地，是我國鹽堿地的代表之一，其中天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)中新生態(tài)城前身為塘沽鹽場鹵化池，是天津?yàn)I海新區(qū)受鹽堿化影響最重、綠化難度最大的地區(qū)。我國北方地區(qū)土壤的鹽漬化具有明顯的季節(jié)性變化，在受到季風(fēng)氣候的影響下，天津地區(qū)春季降水量少但蒸發(fā)劇烈，土壤處于積鹽狀態(tài)；夏季降雨量較多，對土壤有較為明顯的淋洗作用；秋季由于降水量較少，土壤表現(xiàn)為積鹽狀態(tài)；冬季隨著土壤內(nèi)水分凍結(jié)而上升，鹽分在土壤上層累積，土壤處于積鹽狀態(tài)[2-4]。

根據(jù)土壤水鹽運(yùn)動規(guī)律，國內(nèi)外提出了許多關(guān)于鹽堿地治理的措施，其中灌排淋洗、地下暗管排水與降低地下水水位是較為行之有效的措施[5]；但這類措施需要消耗大量的淡水，在淡水資源相對匱乏的我國北方濱海地區(qū)(如天津)推廣實(shí)施難度較大。

針對上述情況，結(jié)合我國北方濱海地區(qū)冬季平均溫度較低且擁有豐富咸水資源的現(xiàn)狀，國內(nèi)學(xué)者提出了利用咸水結(jié)冰灌溉的方式對表層土壤進(jìn)行脫鹽，同時對土壤增墑，以達(dá)到春季植樹造林的要求。咸水結(jié)冰灌溉的主要原理是通過覆蓋冰層影響土體內(nèi)部的凍融過程，減緩潛在積鹽作用，并通過融冰過程中融冰水礦化度逐漸減小的現(xiàn)象對土壤進(jìn)行淋洗[6-8]。相關(guān)研究[6]證明，鹽堿土在咸水結(jié)冰灌溉處理后，雖然一部分鹽分被帶入土壤，但是土壤在1m深度內(nèi)表現(xiàn)為脫鹽。相關(guān)土柱實(shí)驗(yàn)[9]證明，利用礦化度15 g/L的咸水進(jìn)行結(jié)冰灌溉時土壤表層仍然表現(xiàn)為脫鹽。目前利用咸水結(jié)冰灌溉治理鹽堿地的報(bào)道還較少，而灌溉用水礦化度作為咸水結(jié)冰灌溉改良鹽堿土技術(shù)中的一個重要指標(biāo)，其對改良效果的影響研究較少。筆者通過研究不同礦化度灌溉用水條件下咸水結(jié)冰灌溉對表層土壤含鹽量的影響，探究咸水結(jié)冰灌溉情況不同灌溉用水礦化度下的土壤水鹽變化規(guī)律，尋找適宜進(jìn)行咸水結(jié)冰灌溉的灌溉用水礦化度的區(qū)間，以期對咸水結(jié)冰灌溉改良鹽堿地技術(shù)實(shí)際運(yùn)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為分析不同礦化度咸水結(jié)冰融水入滲對濱海鹽土水鹽分布狀況的影響，在室外設(shè)置了土柱試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)土柱直徑20 cm、高65 cm，共4根，在土柱側(cè)面標(biāo)明刻度。在距頂部5 cm以下，每隔10 cm在土柱兩側(cè)開取樣孔，并用橡膠塞堵住，以便于進(jìn)行土壤水鹽分析。

2.2 材料及方法

實(shí)驗(yàn)土樣取自天津中新生態(tài)城的濱海鹽堿土，土樣經(jīng)過風(fēng)干、碾壓、過篩(1 mm)后，均勻混合制備成實(shí)驗(yàn)土樣。將其按照1.4 g/cm3的密度分層均勻裝入土柱后，每根土柱用2 L淡水處理，使其各深度含水量與天津當(dāng)?shù)赝寥栏魃疃群肯嗨?，處理后平均質(zhì)量含水量為24.3%。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了4個梯度的礦化度研究咸水結(jié)冰灌溉對土壤水鹽運(yùn)動規(guī)律的影響，其礦化度分別為8 g/L(T1)、16 g/L(T2)、24 g/L(T3)和32 g/L(T4)。實(shí)驗(yàn)在室外進(jìn)行。在日平均最高氣溫在0 ℃以下時(2014年1月10日，氣溫-5 ℃ ～0 ℃ )，對土柱進(jìn)行咸水結(jié)冰灌溉，每個土柱灌溉水量為4.5 L(143.3 mm)，分3次灌溉，保證每次灌溉后立即結(jié)冰。完全灌溉后對土壤進(jìn)行覆膜，并將土柱移至背陰處，防止太陽直曬及降雨降雪對其的影響。

翌年春季造林時(2014年4月6日)，對各土柱進(jìn)行淡水灌溉，每個土柱灌溉水量為1.5 L(47.8 mm)，以此模擬春季造林前土壤情況。

2.3 數(shù)據(jù)獲得

2014年1月10日，對灌溉前的土柱用土鉆分別取0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm 5個土層的初始樣品。取樣后回填鹽堿土樣品。2014年3月8日，土壤及地表冰層完全融通后，分5個層次(0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm)采集土壤樣品，隨后3月20日、4月1日、4月10日和4月20日以相同方式分層取得土樣。

圖1 各處理土壤電導(dǎo)率剖面變化Fig.1 Variation of soil electrical conductivity profiles before and after treatment

電導(dǎo)率的測定采用電導(dǎo)率儀法, 土壤含水量測定采用烘干質(zhì)量法, 土壤pH值測定采用玻璃電極法, 水溶性鹽測定采用質(zhì)量法, 鈣、鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定用EDTA 滴定法, 鉀、鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定采用火焰光度法, 碳酸根和重碳酸根測定采用雙指示劑中和滴定法, 氯離子測定采用硝酸銀滴定法, 硫酸根測定采用EDTA間接滴定法。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用ExceL2013和SPSS19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 各時期各處理土壤電導(dǎo)率變化情況

美國農(nóng)業(yè)部鹽改實(shí)驗(yàn)室早就提出了以電導(dǎo)率作為鹽化土壤的分級指標(biāo), 并被世界上許多國家所采用[11]；國內(nèi)也有人提倡應(yīng)用25 ℃時的土壤浸出液電導(dǎo)率直接表示土壤的鹽漬化狀況[12]：因此，本文采用25 ℃時的水土比5∶1的土壤浸出液的電導(dǎo)率來反映土壤的鹽分情況。

圖1顯示了不同時期不同礦化度處理下土壤鹽分的變化。文中將處理后的電導(dǎo)率高于處理前(2014年1月10日)的情況稱為積鹽，低于處理前的情況稱為脫鹽。在咸水結(jié)冰灌溉前(2014年1月10日，圖1(a))，各處理各土層土壤電導(dǎo)率無顯著差異。咸水完全入滲后(2014年3月8日，圖1(b))，0～20 cm土層T1表現(xiàn)為脫鹽，T2、T3、T4均表現(xiàn)為積鹽，其中：積鹽程度表現(xiàn)為T4>T3>T2；20～50 cm土層T1、T2、T3表現(xiàn)為脫鹽,其中脫鹽程度表現(xiàn)為T1>T2>T3，T4表現(xiàn)為積鹽。鹽分隨著水分在下滲和蒸發(fā)作用繼續(xù)運(yùn)動(2014年3月20日，圖1(c))，各處理土壤表層(0～20 cm)均表現(xiàn)為一定程度的積鹽，其中：T3、T4表現(xiàn)為爆發(fā)性的積鹽，積鹽程度表現(xiàn)為T4>T3>T2>T1;T1處理的20～50 cm土層仍表現(xiàn)為為脫鹽；T2、T3處理的20～30 cm土層表現(xiàn)為一定程度的積鹽、積鹽程度表現(xiàn)為T3>T2，其中T2處理下20～30 cm土層電導(dǎo)率相對于處理前僅增加2%。而在30～50 cm土層，T2、T3表現(xiàn)為脫鹽。T4在0～50 cm土層均表現(xiàn)為積鹽。隨著蒸發(fā)作用的進(jìn)一步影響(2014年4月1日，圖1(d))，各處理各土層土壤都表現(xiàn)為進(jìn)一步的積鹽。而在春季造林前用淡水對各處理洗鹽后(2014年4月10日，圖1(e))，各處理各層次土壤電導(dǎo)率相較于2014年4月1日時均有明顯的下降，其中T3、T4處理0～10 cm土層在蒸發(fā)作用的影響下仍然表現(xiàn)為爆發(fā)性的積鹽。

3.2 處理前后土壤電導(dǎo)率變化情況

圖2 0～50 cm土體平均電導(dǎo)率隨時間變化情況Fig.2 Variation of soil electrical conductivity profiles

2014年4月10日各處理各層次的電導(dǎo)率與2014年1月10日相比的減小(增加)值(表1)表明：T1在各層次上都表現(xiàn)為脫鹽，主要脫鹽層在20～40 cm，其中20～30 cm土層脫鹽率最高，達(dá)到36.0%；T2在0～10 cm土層表現(xiàn)為積鹽，積鹽率為17.0%，10～50 cm土層表現(xiàn)為脫鹽，主要脫鹽層在30～50 cm，其中30～40 cm土層脫鹽率最高，達(dá)到34.9%，而在0～50 cm土層整體表現(xiàn)為脫鹽；T3在0～30 cm土層表現(xiàn)為積鹽，其中0～10 cm土層積鹽最嚴(yán)重，積鹽率為98.1%,而在30～50 cm土層表現(xiàn)為脫鹽，其中40～50 cm土層脫鹽率最高，脫鹽率為26.4%，而在0～50 cm土層整體表現(xiàn)為積鹽；T4僅在20～30 cm土層表現(xiàn)為脫鹽，脫鹽率為3.5%，而其他層次均表現(xiàn)為積鹽，其中積鹽最嚴(yán)重的是0～10 cm土層，積鹽率高達(dá)129.7%。上述情況說明，隨著灌溉用水礦化度程度的升高，表層土壤的積鹽率隨之上升，其中0～10 cm土層由于蒸發(fā)作用的影響，其積鹽最為明顯。20～50 cm土層在受到咸水冰融化過程的淋洗作用以及受到蒸發(fā)作用的影響較小，呈現(xiàn)出較為明顯的脫鹽 。而在0～50 cm土層范圍內(nèi)，T1和T2表現(xiàn)為脫鹽，T3和T4表現(xiàn)為積鹽，且積鹽程度與灌溉用水的礦化度呈正相關(guān)。

表1 處理前、后電導(dǎo)率差值(處理后-處理前)

3.3 各時期各處理表層土壤表層平均電導(dǎo)率變化情況

0～50 cm土層平均電導(dǎo)率隨時間變化情況(圖2)表明，處理前各組土壤電導(dǎo)率無顯著差異。而咸水完全入滲后(2014年3月8日)，T1和T2處理表現(xiàn)為脫鹽，T3和T4處理表現(xiàn)為積鹽。鹽分隨著水分在下滲和蒸發(fā)作用繼續(xù)運(yùn)動(2014年3月20日)，T1和T2相對于2014年3月8日表現(xiàn)為積鹽，但相對于處理前仍表現(xiàn)為脫鹽；而T3和T4處理則表現(xiàn)為爆發(fā)性的積鹽。隨后(2014年4月1日)各處理平均電導(dǎo)率相對于2014年3月20日進(jìn)一步上升。在春季造林前(2014年4月10日)，對各處理用47.8 mm的淡水灌溉后，各處理土體平均電導(dǎo)率相對于2014年4月1日均有較大程度的下降，其中T1和T2相對于處理前(2014年1月10日)表現(xiàn)為脫鹽，而T3和T4相對于處理前(2014年1月10日)則表現(xiàn)為較大程度的積鹽。

本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中0～50 cm土壤含鹽量與結(jié)冰灌溉用水的礦化度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而各層次土壤積鹽(脫鹽)程度表現(xiàn)不同。其主要原因是，礦化度越高的灌溉水帶入土壤內(nèi)的鹽分就越多。在灌溉用水量相同的情況下，當(dāng)灌溉用水的礦化度在某一臨界值時，由于在咸水冰融化過程中水鹽分離對土壤的淋洗作用下，使得土壤產(chǎn)生脫鹽，而當(dāng)灌溉用水的礦化度大于某一臨界值時，由于灌溉用水中含鹽量過高，對土壤產(chǎn)生的積鹽效應(yīng)要明顯大于由于咸水結(jié)冰灌溉帶來的脫鹽效應(yīng)，土壤表現(xiàn)為積鹽。而從冰層開始融化到冰層完全融化，期間會經(jīng)歷一個反復(fù)凍融的過程，即白天溫度大于0 ℃，土壤內(nèi)冰層融化，夜晚溫度小于0 ℃，土壤內(nèi)冰層再次凍結(jié)。由于反復(fù)凍融的過程減緩了底層土壤中的鹽分在蒸發(fā)作用下隨著水分累積到土壤表層，同時由于反復(fù)凍融過程中水鹽分離對冰層以下土壤的反復(fù)淋洗作用，使20～50 cm土層內(nèi)鹽分得到充分淋洗，表現(xiàn)為脫鹽。當(dāng)冰層完全融化，鹽分在蒸發(fā)作用隨著水分迅速累積到土壤表層，產(chǎn)生一種爆發(fā)性的積鹽，而20～50 cm土層由于底層土壤鹽分在蒸發(fā)作用下隨著水分上升，也表現(xiàn)為一定程度的積鹽。灌溉用水的礦化度越高，也就意味著越多的鹽分進(jìn)入土壤，在凍融過程中灌溉用水礦化度越高對土壤的淋洗作用就越差，更多的鹽分留在20～50 cm土層中，同時更多的鹽分進(jìn)入深層土壤，在冰層完全融化后其表層土壤的爆發(fā)性積鹽程度也就越高。

4 結(jié)論與討論

1)在灌溉用水礦化度低于16～24 g/L之間某一臨界值的情況下，采用冬季咸水結(jié)冰灌溉，春季融水入滲后可以降低土壤含鹽量，且在灌溉用水量相同的情況下，灌溉水礦化度越低，表層土壤脫鹽效果越明顯；當(dāng)灌溉用水礦化度高于16～24 g/L之間的某一臨界值時，采用冬季咸水結(jié)冰灌溉會造成表層土壤的進(jìn)一步積鹽。

2)在本文實(shí)驗(yàn)條件下，使用礦化度低于16 g/L灌溉用水進(jìn)行咸水結(jié)冰灌溉，在春季融冰后，可有效降低土壤表層的含鹽量；但由于春季蒸發(fā)強(qiáng)烈，脫鹽的過程持續(xù)時間較短，需使用配套的工程及農(nóng)藝措施來保持這一過程。如果長期使用咸水結(jié)冰灌溉對鹽堿地進(jìn)行治理，應(yīng)選用礦化度較小的灌溉用水，同時應(yīng)注意做好排水工作，防止土壤發(fā)生次生鹽堿化。

3)本研究采用土柱模擬探究了相同灌水量不同礦化度灌溉用水條件下咸水結(jié)冰灌溉對土壤鹽分分布規(guī)律的影響，實(shí)驗(yàn)條件較為理想化，后續(xù)研究中可進(jìn)行相關(guān)大田實(shí)驗(yàn)探究該方法在實(shí)際生產(chǎn)生活中運(yùn)用的可行性。另外，土壤的內(nèi)溫度變化規(guī)律可能會對咸水結(jié)冰灌溉，以及鹽堿地的改良效果產(chǎn)生一定的影響，尚需進(jìn)一步探究。

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(責(zé)任編輯：程 云)

Effects of freezing irrigation with saline water on coastal saline land soil under different salinities

Li Xian, Li Yaguang

(School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China)

In order to specify the optimal scope of salinity of irrigation water which could be used for freezing irrigation with saline water, the effect of freezing irrigation with saline water on coastal saline land soil was studied by simulated experiment on soil columns under different salinities of irrigation water. Compared with the pre-treatment samples, the top soil layer (0-50 cm) of the soil columns treated by the irrigation water of low salinity (8 g/L, 16 g/L) was desalinized, while that treated by the irrigation water of high salinity (24 g/L, 32 g/L) was salinized. When the frozen layer of soil thawed completely next spring, the top soil layer (0-20 cm) of the soil columns treated by the irrigation water of high salinity (24 g/L, 32 g/L) showed drastic salinization, while that of treated by the irrigation water of low salinity (8 g/L, 16 g/L) did not. Therefore, the top soil layer (0-50 cm) showed desalinization by freezing irrigation with low saline water when frozen soil layer thawed next spring. The lower the salinity of irrigation water was, the better the effect of desalinization was. However, in the same situation, the top soil layer (0-50 cm) showed salinization by freezing irrigation with highly saline water; therefore, the salinization of coastal saline land soil may be worsened if the soil was treated by freezing irrigation with high saline water. The results of the experiment suggest that the irrigation water with a salinity lower than 16 g/L is optimum for freezing irrigation under the conditions of this experiment.

freezing irrigation with saline water; salinity; coastal saline land soil amendment; dynamic of water and salt in soil

2014-06-10

2014-12-08

李憲(1990—)，男，碩士研究生。主要研究方向：鹽堿地改良。E-mail: lx396856620@126.com

?通信作者簡介： 李亞光(1959—)，男，副教授。主要研究方向：城鎮(zhèn)規(guī)劃與人居環(huán)境。E-mail: yiaguang@bjfu.edu.cn

S156.4

A

1672-3007(2015)03-0064-05

項(xiàng)目名稱： 國家“十二五”水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)“生態(tài)城水系統(tǒng)構(gòu)建多種類多類型植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)方案研究”(2012ZX07308-001-06)