江蘇沿海墾區(qū)土壤脫鹽過程受排水條件影響的模擬研究

陳 瑾，羅 紈，賈忠華，張 裕，賀園春

（揚州大學水利科學與工程學院，江蘇揚州225009）

圍墾灘涂曾經是我國沿海地區(qū)重要的后備土地資源，對于農、牧、漁業(yè)發(fā)展具有重要意義［1，2］。由于新圍墾灘涂區(qū)土壤含鹽量高、滲透性差［3］，自然脫鹽過程十分緩慢［4］。江蘇省是我國灘涂圍墾的主要區(qū)域之一，其中鹽城市的圍墾面積最大，總量占全省總圍墾面積的70%［5］。雖然目前已經基本停止了圍墾工作，但是江蘇省現存墾區(qū)面積約50 萬hm2，其中未進行改造的面積占比仍然很大，土壤改良任務艱巨。目前，針對沿海灘涂圍墾區(qū)土壤鹽分變化的研究已有不少，但是由于自然條件以及人工措施的差異，得到的結果規(guī)律性較差、缺乏系統(tǒng)性地整理。李鵬［6］等在江蘇如東縣東凌墾區(qū)的研究顯示，在圍墾20年和50年后，土壤含鹽量都在1 g/kg 以下，已處于臨界輕度鹽化的狀態(tài)；而在江蘇省大豐市圍墾時間為9年的研究區(qū)內，鹽分含量最小僅為0.095 g/kg，最大可達到8.11 g/kg，差別很大［7，8］。張建兵等［9］在東臺市黃海原種場測得土壤平均含鹽量差別不大，介于1.27～1.98 g/kg間，但是在土壤剖面上差別很大。造成上述現象的原因主要是圍墾后的排水系統(tǒng)建設、運行不規(guī)范，再加上土壤特性空間變異性大［10-12］，導致土壤脫鹽過程存在較大差異。

本文利用在國內外廣泛認可的農田排水模型-DRAINMOD［20-23］，以江蘇省典型灘涂圍墾地區(qū)東臺市弶港鎮(zhèn)為例，針對濕潤區(qū)鹽分運動特點，在田間水文過程模擬結果的基礎上，構建了土壤鹽分淋洗模型，利用實測數據進行了模型驗證后，針對研究區(qū)典型土壤，模擬了不同暗管排水布置條件下農田排水及鹽分的變化過程，分析了研究區(qū)降雨淋洗作用下土壤脫鹽效果及影響因素，以期為沿海墾區(qū)土壤鹽漬化治理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及數據收集

研究區(qū)為江蘇省大豐市到如東縣的沿海墾區(qū)范圍。根據江蘇省土壤志，墾區(qū)土壤多為沖積鹽土類，潮鹽土亞類，土壤成中度鹽漬化狀態(tài)。為了評價目前圍墾區(qū)的脫鹽情況，本文收集了14項在沿海墾區(qū)進行的研究成果，整理得到了土壤含鹽量隨圍墾年份變化的情況［6-8，11，24-33］。研究區(qū)地處北亞熱帶暖濕季風氣候區(qū)，氣候溫暖濕潤，日照充足。

為了驗證模型模擬的可靠性，在位于江蘇省東臺市弶港鎮(zhèn)的江蘇省水利科學研究院沿海試驗基地觀測了暗管排水農田地下水位在自然降雨過程影響下的動態(tài)變化。同時，測定了站內氣象參數，以及土壤的理化特性。在比較模擬結果與實測結果一致性的基礎上，利用江蘇省東臺市長序列氣象數據，預測了不同排水條件下的土壤脫鹽過程。本文采用的長期氣象數據來自中國氣象局氣象數據中心公布的中國地面氣候資料日值數據集（江蘇省東臺市1953-2014年），氣象臺站的地理位置為北緯32°33'～32°57'，東經120°07'～120°53'。多年平均降水量為1 043.2 mm，最高年降水量為1991年的1 977.4 mm，最低年降水量為1978年的446.3 mm，雨量多集中于6-9月。

圖1 研究區(qū)地理位置及鹽分數據來源地圖［6-8，11，24-34］Fig.1 Map of the study area location and the reported soil salinity data sources［6-8，11，24-34］

1.2 DRAINMOD模型原理及鹽分動態(tài)預測模型

DRAINMOD 模型是由美國自然資源保護局推薦的田間水文模型［35］。它根據輸入的氣象以及灌排系統(tǒng)設計參數，逐日、逐時計算農田地表、地下水量平衡過程。模型輸出的田間水量平衡項包括入滲、蒸發(fā)蒸騰、地下排水和地表徑流量，以及田間地下水埋深等日值。在Δt時段內，農田土壤剖面水量平衡方程［35］為：

式中：ΔV為土壤水分變化量，cm；D為側向排水量，cm；ET為蒸發(fā)蒸騰量，cm；DS為深層滲漏量，cm；F為入滲量，cm。

地表水量平衡方程［35］可表示為：

式中：Pr為降雨量，cm；I為灌溉水量，cm；F為入滲量，cm；ΔS為地表的儲水量變化，cm；R為地表徑流量，cm。

除暗管埋深與間距以外，農田地表平整度也是影響農田排水水文過程的重要因素。在DRAINMOD 模型中體現為農田局部積水深度Si與總體平均蓄水深度Sm兩個地表排水參數。當地表排水條件為優(yōu)、良、差時，Sm取值分別為3、2、1 cm，Si則取值為Sm的1/2～1/3。表1 列出了DRAINMOD 模型主要輸入參數：其中部分土壤參數來自于土壤實測數據，部分參考了《江蘇土壤》［36］中研究區(qū)土壤特性，整理得到土壤水分特征曲線、排水特性等土壤參數。

牙體病作為牙科常見疾病，指的是牙齒硬組織發(fā)生疾病，主要包括根尖牙周病、齲齒等。牙髓病顧名思義指的是牙髓組織發(fā)生疾病，主要包括牙髓退變、牙髓壞死以及炎癥等。牙體牙髓病的臨床癥狀主要為牙齒劇烈疼痛、斷牙以及牙洞，嚴重情況下還會產生牙周潰爛、牙齒出血等情況，對患者的生活質量造成了嚴重的影響。牙體牙髓病的臨床治療方式為根管治療，不僅能夠有效提高牙體牙髓病的治療效果，同時能夠減少感染[1-2]。此次研究選取了我院收治的86例牙體牙髓病患者，均分為兩組后，分別實施一次性根管治療和多次法根管治療，對比其治療效果，具體報告如下。

DRAINMOD 模型5.0版本中增加了土壤鹽分隨排水輸出的預測模塊，但未能得到充分驗證；模型后期升級版本中存在的技術問題，致使現有6.1 版本中因輸入參數不全而無法正確使用。因此，本文在DRAINMOD模型田間水量平衡計算結果的基礎上構建了農田土壤剖面鹽分動態(tài)模型。首先，作物根區(qū)土壤的水分平衡可表述為：

式中：θsat為飽和土壤剖面含水率；zw，zmax分別為地下水位（飽和區(qū)）和根區(qū)深度，cm；θ(z)為土壤剖面深度z處的含水率；W為根區(qū)土壤含水量，cm3。

如果土壤剖面的鹽分初始濃度為c，剖面總鹽量為：

在忽略降水中所攜帶的鹽分情況下，只考慮灌溉水中的鹽分以及地下水中的鹽分輸入，在一個較小的時段內（Δt），排水鹽分濃度變化很小，則在該時段內剖面鹽分變化可以表示為：

式中：s為剖面鹽分含量，g；Q為單位時段內排出土壤的水流量，m3/s；Qin為單位時段內進入土壤的水流量，m3/s；cin為Δt時段內進入土壤中鹽分濃度，g/kg；Qgw為單位時段內作物利用地下水流量，m3/s；cgw為Δt時段內作物利用地下水鹽分濃度，g/kg。

在時段末，剖面的地下水位變動到z'wt，此時的剖面水量為：

則在時段末，剖面平均鹽分濃度可以表示為：

式（7）中的c'將作為下一個時段的初始濃度。依照上述計算步驟，可逐時段地根據每日排水過程和地下水的變化情況，預測土壤鹽分的變化。根據已有研究［10］，東臺地區(qū)新墾土地的土壤含鹽量約為11.9 g/kg，本文將該值作為灘涂鹽漬土改良的初始鹽分濃度。

本文根據研究區(qū)長序列日氣象數據以及土壤水力特性，利用DRAINMOD 模型模擬不同暗管排水系統(tǒng)布置，得到農田排水過程隨自然降雨的變化規(guī)律，根據輸出結果中的逐日水平衡項，利用上述鹽分平衡模型，計算了土壤鹽分的變化過程。模型主要輸入參數列于表1。

表1 DRAINMOD模型主要輸入參數Tab.1 The main input parameters for DRAINMOD model

2 結果分析與討論

2.1 模型的率定及驗證

采用2020年4月20日-7月24日于東臺市弶港鎮(zhèn)江蘇省水利科學研究院沿海試驗基地的實際地下水位資料與模型模擬結果進行對比，對DRAINMOD模型進行率定。根據研究區(qū)暗管排水系統(tǒng)布置現狀，在地表較為平整的條件下暗管埋深設置為0.8 m，暗管間距為8.9 m，利用DRAINMOD 模擬該時段內的地下水位逐日變化情況，繪制圖2。采用4 種統(tǒng)計參數衡量模型模擬的實際效果：均方根誤差與標準差比值（RSR）；百分比偏差（PBIAS）；Nash-Sutcliffe模型效率系數（NSE）；相關系數（r）［37］。

圖2 DRAINMOD模型率定的地下水位模擬值與實測值對比圖Fig.2 A comparison between the simulated and measured value of the groundwater level fixed by DRAINMOD

式中：Oi為觀測值；Pi為預測值是所有觀測值的平均值；n是總數。模擬結果顯示PBIAS= 3.81%，在±25%之內、RSR=0.41＜0.7、NSE=0.83＞0.65、相關系數為0.92，表明采用這種參數下模型模擬與實測值的誤差在規(guī)定范圍內，模擬效果好。

另外，本文根據張華［34］等于2013-2014年在該研究區(qū)進行的暗管排鹽試驗的研究結果進行模型驗證。該試驗中的暗管埋深為0.9 m，間距為17 m。在2013年5月1日-10月31日期間，測得的土壤剖面平均鹽分濃度約下降31.28%；而2014年5月1日-10月31日間由于雨量較大（807.8 mm），脫鹽率達到47.63%。兩年的平均脫鹽率為39.45%。圖3 模擬了研究區(qū)在這兩個試驗期內土壤鹽分變化情況，結果顯示2013年脫鹽率為19.09%，2014年為61.42%，平均脫鹽率為40.25%，試驗期內平均脫鹽率的模擬誤差為0.8%，表明模型精度較高，可以用來預測研究區(qū)土壤鹽分的長期變化。

圖3 研究區(qū)2013-2014年土壤含鹽量的實測值與模擬值Fig.3 Measured and simulated values of soil salinity in the study area in 2013-2014

2.2 預測不同暗管間距與埋深下土壤的脫鹽過程

圖4顯示模擬值以及文獻中報告的沿海墾區(qū)土壤含鹽量隨圍墾年份的變化值［6-8，11，24-33］。模擬結果依據東臺市1953-2014年的逐日氣象數據，分別計算了當排水埋深為1.2 m 時，土壤鹽分在排水良好（間距為20 m）和排水不暢（間距為200 m）情況下隨時間的變化過程。雖然文獻中對于排水系統(tǒng)的布置大都沒有詳細、定量的說明，但從圖4 中數據的分布來看，除點2 以外，實測鹽分數據采集點分布于排水不暢和排水良好地段之間，大部分的監(jiān)測點（占總數的78%）位于排水良好地帶。這主要是由于江蘇沿海墾區(qū)一般建設有農田排水設施，在降雨淋洗作用下，土壤逐漸脫鹽［24，25］。

圖4 研究區(qū)土壤鹽分變化預測值與實測值對比（d為暗管埋深，s為暗管間距）［6-8，11，24-33］Fig.4 Predicted and measured soil salinity change with time in the study area（d for drain depth，s for drain spacing）［6-8，11，24-33］

圖4 中的模擬結果包括暗管埋深為1.2 m 且地表平整的條件下，不同暗管間距對土壤含鹽量的影響；當排水間距為20 m時，土壤鹽分在1～2 a 內下降到了初始值的55.5%，5 a 內降到初始值的19.3%；而在排水不暢的情況下（間距為200 m），鹽分變化過程則十分遲緩，5 a 內僅下降到初始值的94.1%。表2 列出了依據中國土壤鹽漬化分類標準，不同暗管排水條件下土壤脫鹽所需年數的模擬結果。可見，當暗管排水條件良好時，在天然降雨的淋洗作用下，土壤鹽分可在10 a 內穩(wěn)定下降到1 g/kg左右，基本實現脫鹽；而在排水設施不完善的情況下，經過10 a后土壤含鹽量才能降到重度之下；當排水間距大于150 m時，土壤鹽分變化很小。這說明，在天然排水不暢，且無人工排水干預的情況下，土壤中的鹽分難以排出，無法實現脫鹽目標。因此，建設人工排水系統(tǒng)是保證沿海墾區(qū)農田土壤免受土壤鹽漬化危害的必要措施。

表2 研究區(qū)土壤在不同暗管間距條件下降至不同鹽漬化等級所需的年數計算結果 aTab.2 Calculated number of years required to reach different desalinization levels for different drain spacing in the study area

圖5顯示了暗管埋設深度對于土壤脫鹽速率的影響。從長期變化來看，當暗管間距為50 m，地表平整度較好的條件下，暗管埋設深度從0.6 m增加到1.5 m，土壤鹽分均在前期變化明顯，最后趨于穩(wěn)定，但最低值為0.9～3 g/kg不等。在圖5所示的計算期內，排水農田的土壤鹽分均呈明顯下降趨勢，尤其是在圍墾之后的前15 a 內，鹽分淋洗的效果十分顯著，隨后土壤鹽分在不同氣象條件影響下出現波動。這種整體趨勢的形成是由于在鹽漬化土壤改良初期，土壤的鹽分含量較高，排水帶出的鹽分就相應較多。以達到不同鹽分濃度、土壤鹽漬化等級為目標調整暗管埋設深度，表3 中的結果顯示當暗管埋深很小（0.6 m）時，經過長時間淋洗后的最低土壤含鹽量為3 g/kg，只能達到中度鹽漬化水平；當暗管埋深較大（1.5 m）時，可以在32 a 左右達到非鹽化土的等級，但研究區(qū)所在的沿海地區(qū)海拔較低，暗管埋深過大會造成排水出路困難、工程量大、成本較高、不利于生態(tài)環(huán)境保護等問題。當選取暗管埋深適中（1.2 m）時，土壤鹽分含量最終趨于穩(wěn)定后可達1.4 g/kg，既在當地作物耐鹽范圍之內，又可以顧及工程成本，是建設排水系統(tǒng)的較好選擇。

圖5 降雨淋洗條件下土壤含鹽量隨暗管埋深的變化（d為暗管埋深）Fig.5 Variation of soil salt content with drainage depth under rainfall leaching（d for drain depth）

表3列出了研究區(qū)土壤在不同暗管埋深條件下降至不同鹽漬化等級所需的年數計算結果。

表3 研究區(qū)土壤在不同暗管埋深條件下降至不同鹽漬化等級所需的年數計算結果 aTab.3 Calculated number of years required to reach different desalinization levels for different drain depth in the study area

為了進一步描述土壤降到輕度鹽堿化（＜1 g/kg）所需時間與排水強度（暗管埋深、間距）之間的關系，建立二元回歸分析模型，從而更好地預測數據的發(fā)展趨勢。本文模擬了研究區(qū)在地表較為平整時不同暗管埋深和間距條件下的土壤脫鹽年份，現擬合N=f（D、S）關系函數，得到二元方程為：式中：N為土壤完成脫鹽（土壤含鹽量降到1 g/kg 以下）至少所需要的年份，a；D為暗管埋深，m；S為暗管間距，m。相關系數r=0.97，表明擬合結果較好。

農田土壤鹽分淋洗的有效性取決于地下排水過程，即只有通過暗管排出的水才是淋洗土壤鹽分的有效水量，也只有通過地下排水才能夠有效淋洗土壤中的鹽分。因此，分析不同暗管布置條件下地表排水和地下排水的轉化過程可以在很大程度上反映排水系統(tǒng)設計對于鹽分淋洗效率的影響。

3 結 論

（1）利用長序列氣象數據，運用DRAINMOD 水文模型和鹽分淋洗模型可以分析不同暗管排水系統(tǒng)布置情況下農田排水洗鹽過程，科學布設暗管排水系統(tǒng)可以促進土壤中的鹽分快速有效地通過地下水排出，從而改變土壤的鹽分分布；暗管布置間距越小、埋深越大，鹽分淋洗效果越好；得到土壤脫鹽年份和暗管埋深、間距之間的回歸方程為N=11.872-7.385D+0.237S，因此應重點考慮暗管埋深為1.0～1.5 m，間距為20～50 m 的暗管布置組合；

（2）在沿海墾區(qū)采用暗管排水措施，合理利用自然降雨即可完成脫鹽任務。在排水較好（間距為30 m）的情況下，土壤鹽分可以在10 a 內降低到1 g/kg，成為非鹽化土；對于排水不暢（間距為100 m）的情況，則至少需要10 a才能降到重度之下；

（3）在幾乎無排水設施的情況下，土壤內鹽分不僅不會減少，反而會隨著時間的推移而逐漸累積。對于濱海新墾農田而言，如果在初期就建設完善的排水系統(tǒng)，可以提前實現穩(wěn)定的農業(yè)生產。如需盡快實現脫鹽目標，可以適當提高排水強度。沿海墾區(qū)利用暗管排水改良鹽漬土的同時，還需考慮農田除澇降漬要求［38］。由于控鹽對降低地下水位的要求較高，滿足其設計要求的同時即可滿足其他排水要求。