再生水灌水量對濱海鹽漬土壤脫鹽效果及綜合評價研究

劉 靜，周國華，2，孫永利，尚 巍，王金麗，葛銅崗

（1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300074；2.天津大學建筑工程學院，天津 300350）

鹽漬土是一系列受到鹽堿毒害作用下的鹽土、堿土及各種鹽化、堿化土壤的總稱，其廣泛分布于全球的各個區(qū)域［1］。根據聯(lián)合國糧農組織（FAO）統(tǒng)計，世界范圍內鹽漬土面積約有9.54×108hm2，且以每年1.0×106~1.5×106hm2的速度在增長［2，3］。我國鹽漬土面積約為3.6×107hm2，占全國可利用土地面積的4.88%，從熱帶到寒溫帶、濱海到內陸、濕潤區(qū)到干旱的荒漠地區(qū)均有分布，其中，西部6 省區(qū)（陜西、甘肅、寧夏、青海、內蒙和新疆）鹽漬土面積占全國的70%左右［4，5］，目前約有80%左右的鹽漬土地尚未得到開發(fā)利用［6］。天津市是我國鹽漬化程度較高的城市之一，土壤含鹽量大于0.2%的面積為9.7 萬hm2，其中濱海新區(qū)3.8 萬hm2，占全市的39.1%，且重度鹽漬土和鹽土占比高，分別占全市該類型的47.8%和62.6%，面 積 分 別 達 到0.74 萬hm2和0.35 萬hm2［7］。中新天津生態(tài)城屬于濱海新區(qū)，位于濱海新區(qū)東北部，轄區(qū)面積約150 km2，土壤資源豐富，但是土壤鹽堿重、面積大、治理困難，制約了區(qū)域生態(tài)城市建設和經濟發(fā)展，中新合作區(qū)域土壤以輕度鹽漬土和中重度鹽漬土為主，分別占20.52%和63.25%［8］，因此，如何開發(fā)、恢復和保護區(qū)域鹽漬土地成為目前研究的熱點之一。

濱海鹽堿區(qū)域鹽漬土改良和景觀改善受氣候因素、地下水位、成土母質、植物、降雨等因素的影響和制約，改良措施普遍采用了客土法、抬高地形、埋設暗管等方式。但是客土和抬高地形需要大量的種植土，不僅成本高昂，而且嚴重破壞耕地，是一種“綠一方、毀一方”的治理模式，與國家推行的耕地政策、生態(tài)環(huán)保政策和可持續(xù)發(fā)展政策相悖。

根據“鹽隨水來，鹽隨水去”的基本原理，灌水淋洗改良鹽漬土可取得顯著效果。但因為濱海鹽堿地區(qū)水質性缺水，自來水都需要從外地輸配，成本較高，使用灌水淋洗脫鹽的方法一直受制于自來水等淡水資源的缺乏而未能大面積推廣應用。

目前天津生態(tài)城區(qū)域已經建成了再生水廠，再生水廠生產的再生水有兩種，一種再生水是滿足天津市地方一級A 標準的，其水質未經過脫鹽處理，出水含鹽量較高，一般為2~3 g/L，不滿足國家關于灌溉用水水質標準；另一種再生水是高品質再生水，高品質再生水是指生態(tài)城再生水廠采用“CMF-S+RO（浸沒式超濾膜工藝＋反滲透工藝）”工藝，將污水處理廠尾水處理為深度脫鹽的再生水。區(qū)域內再生水系統(tǒng)為一套管網系統(tǒng)，實行單質供水，其水質同時滿足城市雜用水、循環(huán)冷卻用水、景觀環(huán)境用水要求，再生水生產能力近期為2.1萬t/d，遠期為4.2萬t/d。使用再生水灌溉鹽漬土，可以大大降低自來水等優(yōu)質淡水資源的消耗。

灌水量是再生水灌溉改良鹽漬土的核心參數(shù)，目前關于再生水澆灌鹽漬土脫鹽的研究較少，其脫鹽效果如何尚無參考，因此，開展再生水灌水改良濱海鹽漬土試驗十分必要，設置不同灌水量，有利于摸清灌水量對土壤鹽分遷移的影響。本試驗旨在深入研究再生水灌水改良濱海鹽漬土適宜的灌水量工程參數(shù)，以期為濱海鹽堿地區(qū)使用再生水灌水淋洗改良鹽漬土工程化應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在中新天津生態(tài)城開展，中新天津生態(tài)城位于天津市濱海新區(qū)東北部，渤海灣西岸。地貌類型主要為平原和洼地，土壤類型為濱海灘地鹽土，土壤特性受到氣候、水文等自然條件以及改良、吹填等人為因素的強烈干擾，具有顯著的地域性差異。該地區(qū)地下水位較高，且礦化程度大，區(qū)域內有薊運河和永定新河兩條主干河流，但淡水資源仍較為匱乏。氣候類型為大陸性半濕潤季風氣候，并具有海洋性氣候特點，四季特征分明：春旱多風少雨，夏熱高溫降水集中，秋季風和日麗，冬冷干燥少雪。全年平均降水量約為580 mm，年內降水分布不均，多集中于7—8 月，占全年50%以上。該地域年平均蒸發(fā)量大，是降水量的3 倍多，全年以5 月最為突出。地區(qū)內原生植物種類單一，主要有蘆葦、堿蓬和檉柳等，生態(tài)環(huán)境脆弱。

1.2 試驗方法

試驗采用大型高位花箱進行模擬，花箱露天擺放于中新天津生態(tài)城東北部片區(qū)泰七路與盛二街東側79#地塊內，將花箱墊平擺放整齊后，按照綠化工程虛鋪厚度方法裝填中重度鹽漬土，虛鋪高度10 cm，澆灌沉降后填裝高度為640 mm。考慮到灌水量與土壤厚度存在一定關系，試驗設3 個處理：Z1，灌水量為512 mm；Z2，灌水量為640 mm；Z3，灌水量為768 mm。灌溉采用間歇灌水方法，分20 次灌水，每次灌水量按總量平均分配，每個試驗處理設6 次重復，總計18 個花箱處理。由于試驗采用電極法測定土壤全鹽含量，要求土壤保持一定的濕度。灌溉土壤淋鹽試驗于2019 年10 月9 日開始，當日各處理均澆灌飽和水。10 月10—29 日按照試驗方案對3 種處理進行灌溉補水，共計20 d。灌水時間一般在當日10：00 左右，在線現(xiàn)場監(jiān)測提前于灌水時間，監(jiān)測分別于10 月10 日、10 月12 日、10 月14 日、10 月16 日、10 月18 日、10 月22 日、10 月25 日和11月1 日進行。

1.3 試驗材料

1.3.1 試驗用土 取自中新生態(tài)城東北部片區(qū)79#地塊鹽堿荒地，土質為黏土，土壤容重1.5~1.6 g/cm3。

1.3.2 花箱規(guī)格 長×寬×高為1.00 m×1.00 m×0.64 m，總體積為0.64 m3，花箱底部沿對角線有兩處直徑為2 cm 的圓形排水孔。

1.3.3 試驗用水 水源為再生水，水質情況為：TDS≤50 mg/L，pH 6.0；灌水量分別為512、640、768 mm。

1.4 檢測指標及方法

試驗過程中檢測土壤含鹽量、含水量和溫度等指標。土壤含鹽量采用ZD-EC 便攜式鹽分測定儀測定，并根據儀器讀數(shù)進行土壤鹽分含量轉換，轉換系數(shù)為2.2；土壤含水量采用ZD-06 便攜式土壤濕度測定儀測定；地表溫度采用便攜式紅外測溫儀進行測定。

2 結果與分析

2.1 土壤溫度和水分

土壤鹽分的消長主要取決于蒸發(fā)量、降雨量、地下水位、植物覆蓋、地形地貌等，尤其是水熱條件。土壤水分移動過程會影響生態(tài)平衡，當溫度較高時，蒸發(fā)量大于降雨量，水分大量蒸發(fā)，促使土壤中鹽分向地表聚集進而危害植物生長；當溫度適中，降雨量大于蒸發(fā)量，水分向土壤深層入滲則帶動鹽分向土壤底部遷移，會減輕鹽堿危害作用。

由圖1 可知，試驗開始時已經進入10 月，試驗周期在二十四節(jié)氣中的寒露（10 月8 日）與立冬（11月8 日）之間。寒露之后，熱氣消退，寒氣漸生，天氣漸轉寒，俗語講“露水以寒，將要結冰，白露身不露，寒露腳不露”。10 月10 日第1 次觀測地表溫度為28 ℃，隨著監(jiān)測時間的延長而明顯降低，在10 月16日時溫度降低到24 ℃，10 月18 日溫度回升了2 ℃，為26 ℃，之后持續(xù)斷崖式降低，11 月1 日結束時降低到14 ℃。隨著溫度的降低，地表蒸發(fā)作用減弱，同時也會造成鹽分脫洗速率和溶出量偏低。

由圖1 還可以看出，試驗開始時，所有處理在前1 d 均灌溉了飽和的水分，促進了土壤沉降，此時各處理土壤含水量在30.70%~32.17%，土壤水分含量基本一致。在試驗期間，未有自然降雨過程，Z1、Z2和Z3 處理按照試驗方案進行灌水，在試驗前期，盡管每日灌溉補水，土壤水分含量仍有明顯的下降趨勢，原因是一方面前期溫度高、蒸發(fā)量大；另一方面前期土壤孔隙多，造成水分下滲過快，土壤持水性較差。在試驗后期，各處理土壤水分含量基本穩(wěn)定，維持在一定范圍。在整個試驗周期內，土壤平均含水量排序為Z3 處理＞Z2 處理＞Z1 處理，Z1、Z2 和Z3處理土壤平均含水量分別為28.88%、29.96% 和29.98%，3 個處理在試驗周期內土壤含水量較為一致，Z3、Z2 略高于Z1。

圖1 土壤溫度和水分含量隨灌溉時間延長的變化情況

2.2 土壤含鹽量和脫鹽率

灌水洗鹽是鹽漬地區(qū)土壤改良利用的先行途徑和有效措施，特別是在春秋季干旱季節(jié)，蒸發(fā)量大，但是自然降雨頻次和雨量均很小，土體缺水嚴重并伴隨返鹽堿現(xiàn)象，對園林綠化植物易產生生理性危害。天津濱海鹽漬區(qū)利用灌溉方式改良首先受到淡水資源的制約，因此，如何提高灌溉水的利用效率達到園林綠化需要的脫鹽標準是實踐中的重要技術問題。

由圖2 可知，各處理土壤中的鹽分含量整體呈下降趨勢，但在部分處理中某一時間段出現(xiàn)了鹽分偏高的波動，產生了鹽峰，例如10 月14 日Z2 處理、10 月12 日Z1 處理。水分入滲運動過程是在毛管力和重力雙重作用下進行的，伴隨著水分的遷移所產生的鹽分運移過程非常復雜，既有離子的交換與吸附作用，又伴有離子的解吸等作用。鹽峰的形成是在土壤水鹽運動過程中各種因子綜合作用的結果。隨著灌溉次數(shù)的增加，鹽峰逐漸下降，并最終消失。土壤含鹽量初始值存在較大差異，這是因為土壤空間變異性較大，各土樣直接存在很大的空間變異性，土壤初始含鹽量排序為Z1

圖2 土壤含鹽量隨時間增長的變化情況

灌溉結束時，各處理土壤脫鹽率達到了22.83%~47.16%，脫鹽率排序為Z3 處理＞Z2 處理＞Z1 處理。結果表明，在本試驗中，Z3 處理脫鹽效果最好，脫鹽效果與灌水量成正比，灌水量越大脫鹽效果越好。采用灌溉方式均可以促進土壤脫鹽，但脫鹽效率不同，Z2 處理土壤鹽分含量降低35.73%，脫鹽效率較高；提高灌溉用水量后的Z3 處理，土壤脫鹽效率達到47.16%，較Z2 灌溉水平提高了31.99%；減少灌溉用水量后的Z1 處理，土壤脫鹽效率為22.83%，較Z2 灌溉水平降低了36.10%。

2.3 綜合評價

本試驗采用常用的多目標評價方法——層次分析法［8］來篩選最優(yōu)的再生水灌水量，即篩選出對土壤脫鹽率、含鹽量及經濟性最佳的灌水量。建立的多目標層次分析結果見表1。其中，指標層包含土壤性質和水費成本2 個一級指標，土壤脫鹽率、土壤含鹽量、土壤含水量和水費成本4 個二級指標。結合文獻報道［9，10］，根據各指標的重要性，賦予指標權重值。土壤脫鹽率、土壤含鹽量、土壤含水量和水費成本指標權重值分別為0.40、0.24、0.20 和0.16。

表1 灌水量篩選的層次分析結構

為科學客觀地評價不同處理的土壤性質和經濟成本各項指標，對試驗土壤含鹽量多次土壤取樣檢測結果取平均值作為測定表征值，平均值的選取采用去掉1 個最大值和1 個最小值、其他結果求和取平均值的方法，以避免極端數(shù)據造成的不良影響。

為了科學地篩選物料配比方案，消除各種指標量綱不同帶來的影響，采用極差標準化方法對數(shù)據進行標準化處理。表2 列出了各處理中土壤性質和水費成本；表3 列出了各處理中土壤性質和水費成本進行極差法標準化處理后得到的數(shù)據。各處理的土壤脫鹽率、土壤含水量數(shù)值越高，標準化后數(shù)值越接近1，土壤含鹽量和水費成本則相反。具體標準化數(shù)據采用下列公式計算。

表2 各處理土壤性質和水費成本

表3 各處理土壤性質和水費成本標準化數(shù)據

式中，N表示歸一化值，X表示指標的測定值，Xmin表示指標的最小測定值，Xmax表示指標的最大測定值。

將各處理標準化后的數(shù)據與各指標的權重求積后累加，獲得各處理的加權分析分數(shù)（表4）。

表4 各處理指標加權得分

通過土壤各項指標標準化數(shù)據可以看出，各處理綜合得分在0.40~0.60，不同處理間差異明顯，綜合得分排序為Z3>Z2>Z1。說明在綜合考慮脫鹽率、土壤含鹽量、土壤含水量和經濟成本的基礎上，以Z3 處理為最佳方案，最佳灌溉水量為768 mm。Z3和Z2 得分都在0.56 及以上，明顯優(yōu)于得分0.40 的Z1方案。實踐中不推薦用Z1 方案（512 mm 灌水量）進行灌水脫鹽。

3 結論

綜上所述，使用再生水灌水洗鹽方式具有較強的實踐性和操作性，應用該方法可以明顯降低土壤含鹽量。在本試驗條件下，灌水措施能夠直接有效降低土壤鹽分，降幅達到22.83%~47.16%，排序為Z3＞Z2＞Z1，脫鹽率隨灌水量增加而增加。通過考慮脫鹽率、土壤含鹽量、土壤含水量和經濟成本等因素，運用層次分析法進行綜合評價，得出最佳灌水量為768 mm（Z3），綜合評價得分為0.60。Z3 灌水量處理土壤脫鹽率高達47.16%，土壤由重度鹽漬土變?yōu)檩p度鹽漬土，滿足了大多數(shù)植物栽植的需要。