排鹽補(bǔ)淡對(duì)濱海鹽堿土壤鹽分變化的影響

張 謙，馮國(guó)藝，王樹(shù)林，雷曉鵬，王 燕，梁青龍，林永增，祁 虹

(河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所，農(nóng)業(yè)部黃淮海半干旱區(qū)棉花生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050051)

鹽堿地是重要的后備耕施資源，改良和利用鹽堿地對(duì)補(bǔ)充日益減少的耕地面積具有重要意義。河北省鹽堿耕地面積78 萬(wàn)hm2，占總耕地面積的10.4%，主要分布于東部低平原區(qū)和濱海平原區(qū)[1]，是河北省主要的后備耕地資源，但該地區(qū)土壤含鹽量高、春季積鹽返鹽嚴(yán)重，地下水埋深淺、礦化度高，開(kāi)發(fā)利用難度大[2]。根據(jù)水鹽分布規(guī)律及運(yùn)移特征，通過(guò)排水降低地下水位、淡水淋鹽是開(kāi)發(fā)利用該區(qū)域鹽堿地的重要措施。

目前，濱海鹽堿土多通過(guò)明溝灌排、暗管排水等農(nóng)田水利工程來(lái)控制地下水位，暗管排水排鹽根據(jù)“鹽隨水來(lái)，鹽隨水去”的水鹽運(yùn)移規(guī)律，在降雨或灌溉進(jìn)行淡水補(bǔ)充時(shí)，鹽隨水下移至暗管處后排出土體，同時(shí)將地下水位控制在臨界深度，減少高礦化度地下水上移，減輕土壤鹽漬化程度[3-5]，研究表明，在重漬化農(nóng)田，暗管排水排鹽效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于明溝，地下水位及水質(zhì)有明顯改善，作物產(chǎn)量顯著提高[6-8]。但機(jī)械埋管成本較高、投資回收年限較長(zhǎng)也是影響暗管排水技術(shù)大面積推廣的主要問(wèn)題[9]。河北近濱海地區(qū)淺層地下水埋深淺，最淺地區(qū)年均埋深0.5～0.7 m[10]，淺層咸水的利用在采水技術(shù)、井群布局、 水質(zhì)改良等方面研究表明，抽排淺層咸水可以降低地下水位、為降雨及地表水入滲騰出地下空間[11,12]。本文針對(duì)河北近濱海鹽堿區(qū)地下水、土壤、降雨等區(qū)域特征[13-15]，通過(guò)淺層井進(jìn)行咸水抽排明確排鹽對(duì)地下水水位及土壤含鹽量的影響，并對(duì)灌水和自然降雨對(duì)土壤淋洗脫鹽效果進(jìn)行了比較，積極探索易推廣低成本、咸淡水資源合理利用的鹽堿地改良途徑，以期為拓展并提高該地區(qū)的鹽堿地治理技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于河北省國(guó)營(yíng)海興農(nóng)場(chǎng)，土壤含鹽量范圍為0.2%～1.0%，屬濱海氯化物鹽漬土類型，土壤質(zhì)地為粉砂黏壤土，鹽分組成以氯化鈉為主，Cl-占陰離子總量的70%～80%，Na+和K+占陽(yáng)離子總量的80%～90%，周年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，地下水埋深0.8～2.2 m，淺層地下水年均礦化度5～15 g/L，季節(jié)性變化差異大，最高值在30.6 g/L。全年平均降雨量600 mm左右，其中7，8月份為集中降雨期，年平均水面蒸發(fā)量1 980 mm，深層地下水及降雨是主要淡水來(lái)源。地下水埋深淺、礦化度高、降雨分布不均且蒸發(fā)量大是引起該區(qū)域鹽漬化的主要原因。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置中度(1 m土層平均含鹽量0.2%～0.4%)和重度鹽堿區(qū)(1 m土層平均含鹽量0.2%～0.4%)各1個(gè)，南北長(zhǎng)50 m、東西寬30 m，兩區(qū)域間隔200 m左右，總面積約0.3 hm2，3月下旬分別在試驗(yàn)區(qū)中心設(shè)抽排淺井1眼，以抽提井為圓心，距離5、10、15 m設(shè)觀測(cè)井12眼(井群分布如圖1)，井深均為4 m，井徑0.1 m，在抽排淺井利用小型自吸泵進(jìn)行降水排鹽(流量3 m3/h)，咸水經(jīng)軟管排入集水池用于咸淡混合水魚(yú)蝦養(yǎng)殖。

試驗(yàn)于2016年 4月18-21日排鹽抽水，之后停止抽水，觀測(cè)地下水水位變化及土層含鹽量變化；5月初在水位回復(fù)一致水平后進(jìn)行排鹽補(bǔ)淡試驗(yàn)，5月7-13日抽水，停止抽水后立即利用深井水(礦化度1.2 g/L)進(jìn)行灌溉，灌水量20 mm；7月2-8日抽水，淺井周?chē)?、10、15 m處地下水水位分別降至3.02、2.73、2.61 m，8日降雨25 mm(降雨開(kāi)始時(shí)停止抽水)，集中降雨時(shí)長(zhǎng)3 h。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

分別于排鹽前、排鹽后灌水(降雨)前、灌水(降雨)后4 d和10 d，在每個(gè)觀測(cè)井0.5 m直徑范圍內(nèi)3點(diǎn)取樣，取樣深度1 m，同一半徑內(nèi)的4眼觀測(cè)井取平均值。土壤鹽分含量測(cè)定采取電導(dǎo)法，利用試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)測(cè)定的含鹽量與電導(dǎo)率的直線回歸方程進(jìn)行含鹽量換算[16]；利用HOBO U-20水位溫度記錄儀對(duì)中度鹽堿試驗(yàn)區(qū)5、10、15 m處觀測(cè)井進(jìn)行地下水位測(cè)定。采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 淺井排鹽對(duì)淺層地下水埋深的影響

利用淺井排鹽可以有效增加地下水埋深(圖2)，與抽提井距離越小，水位下降幅度越大，經(jīng)過(guò)連續(xù)84 h抽排，抽水區(qū)域地下水埋深圍繞抽提井呈現(xiàn)“V”型。5 m觀測(cè)井處地下水埋深由1.65 m增至2.50 m，降深為0.85 m、10 m處由1.63 m增至2.26 m，降深為0.63 m、15 m處由1.58 m增至2.06 m，降深為0.48 m。

圖2 抽水排鹽對(duì)地下水埋深的影響Fig.2 Effect of draining salt on groundwater depth

淺層咸水停止抽排后立即出現(xiàn)明顯的水位回升(圖3)，13 d左右回升至抽排前水位，7.5 d內(nèi)回升速率較快，之后趨緩?；厣^(guò)程中，受單井抽排產(chǎn)生的水力坡降影響，淺層咸水連續(xù)傳遞后匯向抽提井，故5、10、15 m各處的觀測(cè)井水位回升過(guò)程中伴隨“回升-下降-回升”現(xiàn)象，距井5m處變化幅度最大。

圖3 回水對(duì)地下水埋深的影響Fig.3 Effect of recharging on groundwater depth

2.2 排鹽降水位對(duì)土壤鹽分的影響

利用淺井對(duì)試驗(yàn)區(qū)鹽水進(jìn)行抽排，對(duì)中度和重度鹽堿土壤1 m土層鹽分含量的影響存在差異。從表1數(shù)據(jù)可以看出，中度鹽堿土有明顯的積鹽返鹽(表層土為主)，排咸3d后，距離抽排井5、10、15 m處的1 m土層平均含鹽量較排鹽前分別增加2.75%、4.41%、5.12%，對(duì)照增加7.22%；排咸6 d后分別增加5.04%、6.98%、9.51%，對(duì)照增加11.56%。在中度鹽堿地進(jìn)行淺井排鹽可以使鹽分隨著土壤水下移，直接降低深層土壤含鹽量，同時(shí)通過(guò)增大地下水埋深來(lái)抑制土壤水向上運(yùn)動(dòng)，減少蒸發(fā)帶來(lái)的鹽分表聚，但隨著與抽提井距離的增大，抑制效果趨緩。

表1 排鹽對(duì)鹽堿土壤1 m土層含鹽量的影響Tab.1 Effect of draining salt on salt content in 1 m soil layer of coastal saline soil

注：同一鹽分水平內(nèi)含鹽量數(shù)值后的小寫(xiě)字母表示處理間在0.05水平上差異顯著；變化率中正負(fù)值分別表示排咸后含鹽量增加或降低百分?jǐn)?shù)，后表同。

重度鹽堿土壤受表層土壤孔隙度、容重等影響，較中度鹽堿土壤蒸發(fā)量要小，增加地下水埋深對(duì)土壤鹽分的抑制作用更加明顯。抽水3d后，排鹽區(qū)內(nèi)距離抽提井5、10、15 m處的1 m土層平均含鹽量較抽水前分別減少6.09%、4.01%、2.65%，對(duì)照增加3.44%；抽水6 d后分別減少11.79%、7.95%、6.75%，對(duì)照增加3.02%。

在排水排鹽處理的影響下，重度鹽堿土壤含鹽量隨著地下水位的下降而降低，表現(xiàn)為脫鹽；中輕度鹽堿土壤隨水位下降并未表現(xiàn)出明顯的脫鹽，含鹽量增加，但增加幅度趨緩，這可能與抽水形成的水力坡度或不同鹽分水平土壤的容重、孔隙度、滲透特性等物理性狀差異造成的土壤水的蒸發(fā)量大于下移量有關(guān)。

2.3 補(bǔ)淡洗鹽對(duì)土壤鹽分的影響

2.3.1 灌水洗鹽效果

從表2可以看出，在停排回滲狀態(tài)下，利用礦化度1.2 g/L的深井水進(jìn)行灌水洗鹽4 d后，中度鹽堿土壤1 m土層脫鹽率在10.78%～27.74%，表現(xiàn)為距抽提井越近，地下水埋深越深，排鹽后騰出的土壤水庫(kù)容越大，脫鹽率越高，灌水10 d后脫鹽率下降，鹽分逐漸回升；重度鹽堿土壤灌水4 d后脫鹽率在49.53%～65.00%，且距抽提井距離越大，脫鹽效果越明顯， 10 d后仍脫鹽效果明顯，脫鹽率在41.24%～43.45%。對(duì)照為直接灌溉洗鹽(未進(jìn)行排鹽處理)，中度和重度鹽堿土壤在灌水4 d后均表現(xiàn)為明顯脫鹽，脫鹽率為14.02%和30.78%，10 d后分別表現(xiàn)為開(kāi)始返鹽和脫鹽率明顯下降，抽水降水位后補(bǔ)淡洗鹽可以有效提高土壤脫鹽率。

表2 灌水對(duì)鹽堿土壤1 m土層含鹽量的影響Tab.2 Effect of supplementing fresh water on salt content in 1 m soil layer of coastal saline soil

2.3.2 降雨洗鹽效果

自然降雨對(duì)鹽堿地具有的淋洗脫鹽效果，該區(qū)域年平均降雨量600～700 mm，集中于7-8月份，占全年總降水量的60%～70%。本文研究了降雨對(duì)排鹽騰出庫(kù)容后土壤的脫鹽影響，從表3可以看出，排鹽騰庫(kù)容可以加速土壤脫鹽，提高1 m土體脫鹽率。在接近的水量條件下，降雨對(duì)土壤的脫鹽作用與灌水類似，但脫鹽率不及灌水明顯。

表3 降雨對(duì)鹽堿土壤1 m土層含鹽量的影響Tab.3 Effect of supplementing rainfall on salt content in 1 m soil layer of coastal saline soil

降雨4 d后，中度鹽堿土壤脫鹽率在9.23%～13.64%，距抽提井越近，脫鹽率越高；重度鹽堿土壤脫鹽率在22.09%～31.05%，距抽提井距離越大，脫鹽效果越明顯；降雨10 d后，土壤脫鹽率下降，但仍優(yōu)于對(duì)照。

3 結(jié)語(yǔ)與討論

排水?dāng)y鹽和灌水洗鹽是鹽堿地改良中主要的水利措施，增加地下水埋深、騰空土壤水庫(kù)容可以有效抑制中度、重度鹽堿土壤返鹽并提高灌溉、降雨等淡水淋洗效率，加大土壤脫鹽效果。排水是排除地表水、控制地下水、調(diào)節(jié)土壤水、改良鹽堿地、防止土壤鹽漬化的基礎(chǔ)措施[17]，諸多學(xué)者在排水溝、暗管、豎井等排水設(shè)施的深度、間距、組合方式等方面進(jìn)行了大量研究，本試驗(yàn)利用簡(jiǎn)易低成本淺井進(jìn)行地下咸水抽排，結(jié)果表明，4m左右的淺井可以有效增加地下水埋深，抽水區(qū)域地下水水位圍繞抽排井呈現(xiàn)“V”型變化，停止抽水后回水明顯，排鹽對(duì)在中度和重度鹽堿地1 m土層含鹽量的影響存在差異，分別表現(xiàn)為抑鹽、降鹽效果，且都隨著抽提半徑的增大，排鹽效果減弱。如何持續(xù)有效地將地下水位保持在允許深度，周年鹽分基本穩(wěn)定，不影響作物正常生長(zhǎng)是各種排鹽措施需繼續(xù)深入解決的問(wèn)題。

補(bǔ)充淡水洗鹽是鹽堿地改良最有效的辦法，本試驗(yàn)以深井水及雨水作為水源，比較了補(bǔ)充淡水對(duì)排鹽降水位后鹽堿地的脫鹽效果，結(jié)果驗(yàn)證了騰空土壤水庫(kù)容可以增加灌水洗鹽效果，且接近水量的灌水處理要比降雨效果明顯，脫鹽率隨著時(shí)間推移而下降。地下水位較深時(shí)，不需修筑排水工程，沖洗水量可將一部分土壤鹽分淋洗到作物根系活動(dòng)層以下，如山東內(nèi)陸鹽堿地采用無(wú)排水的淡水壓鹽植棉也能獲得較好的效果[18,19]。但在濱海鹽堿地區(qū)，地下水水位較高，如采取無(wú)排水沖洗，將使地下水位進(jìn)一步提高，有可能加劇沖洗地塊土壤返鹽或引起灌溉區(qū)四周土壤鹽漬化，所以條田寬度不宜太寬，一般為30～50 m，毛溝、支溝、干溝等農(nóng)田工程及時(shí)修整清淤，形成有效的田間排水網(wǎng)。單純排鹽只對(duì)重度鹽堿土壤有降鹽效果，且效率不高，仍需淡水補(bǔ)充來(lái)實(shí)現(xiàn)有效脫鹽，本試驗(yàn)中補(bǔ)淡洗鹽過(guò)程都是在排鹽中止情況下，存在水位和下層鹽分回升，在持續(xù)排鹽保持地下水埋深高位穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行補(bǔ)淡壓鹽，其脫鹽效果有待進(jìn)一步研究。