地下水礦化度對濱海吹填土水鹽動態(tài)特征的影響

馬 想，張青青，蔡永立，梁 晶

（1. 上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院，上海 200232；2. 上海城市困難立地綠化工程技術(shù)研究中心，上海 200232；3. 上海交通大學(xué) 設(shè)計學(xué)院，上海 200030）

吹填造陸是濱海城市拓展城市發(fā)展空間的有效途徑。吹填土是指濱海地區(qū)通過將淺海底泥以挖掘等人工吹填方式形成的新陸地土壤，是濱海鹽土的成土母質(zhì)[1]。吹填土全鹽量一般在10.0 g/kg以上，pH在8.0以上[2]，鹽堿化是吹填土進(jìn)行綠化建設(shè)的主要障礙因子之一。目前，吹填土的改良大多采用“暗管排鹽，客土回填”的工藝[2]，同時吹填土的原位改良技術(shù)也逐漸受到關(guān)注。李霞等[1]研究表明鋸末和爐灰渣能有效改良吹填土物理結(jié)構(gòu)，腐殖酸能有效降低吹填土pH，田書溫等[3]研究表明鋸末、爐灰渣等改良材料能有效提高吹填土的洗鹽效率，加快吹填土的洗鹽過程。

土壤水鹽動態(tài)是土壤水分和鹽分隨時間變化和空間分布的過程，濱海鹽漬土壤中的可溶性鹽分，在雨季隨著雨水淋洗向下層入滲，干旱期又隨水分蒸發(fā)逐漸上移，在土壤垂直剖面上形成土壤鹽分的上下循環(huán)。在降雨不勻、強(qiáng)烈蒸發(fā)、較淺的地下水埋深等自然條件作用下，土壤水和地下水交換劇烈，地下水中的鹽分隨水分遷移，在土壤表層聚集，使得濱海鹽漬土壤表層在春秋季節(jié)強(qiáng)烈返鹽[4]。地下礦化度是水中含有鈣、鎂、鋁和錳等金屬的碳酸鹽、重碳酸鹽、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽以及各種鈉鹽等的總和[5]。在土壤水分和地下水分的頻繁交換過程中，地下水礦化度能直接影響土壤的水鹽動態(tài)特征。降雨的稀釋作用會導(dǎo)致地下水礦化度下降，而蒸發(fā)作用會使地下水礦化度上升[6]。在特定水文及環(huán)境條件下，地下水礦化度會呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，然而目前對于不同地下水礦化度對濱海吹填土水鹽動態(tài)變化特征的研究較少，本研究通過設(shè)置室內(nèi)土柱模擬試驗，研究了不同地下水礦化度條件下，土壤水分和鹽分的動態(tài)變化規(guī)律。研究結(jié)果可為濱海吹填土的原位改良提供理論指導(dǎo)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用土壤為上海市臨港滴水湖旁所采集的吹填土，土壤理化性質(zhì)見表1。試驗所用地下水由NaCl配制而成，配制的地下水礦化度分別設(shè)置為10 g/L和5 g/L，試驗時地下水位設(shè)置為0.6 m。

1.2 試驗方法

試驗裝置布設(shè)在溫室大棚。將吹填土過2 mm孔篩，按照土壤密度1.4 g/cm3將土壤填充到PVC（直徑為0.2 m）圓管中，后將PVC圓管放置于水桶中，為使地下水溫度一致，將水桶填埋于溫室土壤中。PVC圓管總長度為1.0 m，PVC管實際淹水區(qū)為下部0.4 m，管底部設(shè)有紗網(wǎng)，防止土壤滲漏，試驗布設(shè)見圖1。土柱內(nèi)土壤全部浸濕后，用土壤水分、溫度、EC、pH傳感器分別測定距土柱表層10、20、30、40、50 cm處土壤的含水率、溫度、EC、pH，并采集土壤樣品用于土壤全鹽量的測定，每次測定及采樣間隔1周，連續(xù)測4周。每次取樣后對水位高度和地下水礦化度進(jìn)行測定，保證試驗過程中地下水位和地下水礦化度恒定。

圖1 不同地下水礦化度對土壤水鹽動態(tài)的影響模擬裝置Fig.1 Simulation device of the effect of different groundwater mineralization on soil water and soil salinity dynamics

1.3 指標(biāo)測定

土壤pH采用電極法測定（水土比2.5∶1）；EC采用電導(dǎo)法測定（水土比5∶1）；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；全鹽量采用質(zhì)量法測定[7]。土壤溫度采用土壤溫度探針儀進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用IBM SPSS 22進(jìn)行單因素方差分析，多重比較采用Duncan法，相關(guān)性分析采用Pearson法，線性回歸采用逐步回歸法；采用Sigmaplot 14軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 上海臨港吹填土地下水礦化度變化特征

自然狀態(tài)下地下水礦化度會隨著季節(jié)變化表現(xiàn)出一定的波動規(guī)律。圖2為2008-08～2019-04對臨港地區(qū)地下水埋藏深度和礦化度的測定結(jié)果，地下水埋藏深度變化范圍為0.49～0.76 m，平均值為0.59 m，其中8月、9月和3月的地下水位最淺，僅為0.5 m。10月和4月地下水位較深，分別為0.76 m和0.7 m。地下水礦化度變化范圍為2.58～17.06 g/L，平均值為7.63 g/L，其中4月地下水礦化度最低，僅2.58 g/L，1月地下水礦化度最高，達(dá)17.06 g/L。

圖2 臨港滴水湖區(qū)域地下水位和地下水礦化度年際變化Fig.2 Groundwater level and mineralization in Lingang，Dishui Lake

2018-08～2019-04上海臨港地區(qū)區(qū)月平均降雨量如圖3所示，月平均降雨量在11.2～78.4 mm，平均為34.0 mm，其中8月平均降雨量，達(dá)78.4 mm，8月到10月平均降雨量逐漸降低，10月為最低值，僅11.2 mm，11月到4月平均降雨量基本穩(wěn)定在19.6～28.6 mm之間。

圖3 臨港2018-2019年月平均降雨量Fig.3 The average rainfall in Lingang area (2018～2019)

2.2 不同地下水礦化度下的土壤鹽分動態(tài)

2.2.1 地下水礦化度5 g/L時土壤水鹽動態(tài)

圖4為地下水礦化度5 g/L時土壤含水率、溫度、pH和全鹽量的動態(tài)變化。

由圖4(a)可知，地下水礦化度為5 g/L時，土壤含水率第1周和第2周測定結(jié)果均表現(xiàn)為10～40 cm逐漸增加，40 cm處達(dá)到最大值，40～50 cm逐漸降低，其中第1和第2周的最大值分別為25.1%、26.4%，最小值分別為18.4%、20.1%。第3和第4周測定結(jié)果表明土壤含水率在10～40 cm逐漸增加，40 cm處達(dá)到最大值，40～50 cm逐漸降低，其中第3和第4周的最大值分別為25.8%、23.4%，最小值分別為20.9%、18.6%。從不同取樣時間土壤剖面含水率平均值來看，第2周最大為23.2%，第4周最小為19.9%；從同一層次土壤含水率平均值來看，30 cm處含水率最大為24.4%，10 cm處含水率最小為19.6%。圖4(b)為土壤溫度的動態(tài)變化，土壤溫度表現(xiàn)為同一次測定的不同土層的土壤溫度差異不大，土壤剖面溫度變化幅度在第1～第4周分別為，0.7、0.5、2.1、0.6 ℃；但不同取樣時間表現(xiàn)出較大差異，第1～第4周土壤剖面的平均溫度分別為24.4、17.3、19.3和25.7 ℃。圖4(c)為土壤pH的動態(tài)變化，不同取樣時間內(nèi)土壤剖面pH的變化規(guī)律基本一致，隨著土壤深度的增加，土壤pH先增加后降低之后又逐漸升高，土壤pH在10～50 cm平均值分別為7.09、7.25、7.18、7.18和7.60。土壤剖面pH在第1～第4周分別為7.28、7.41、7.02和7.32。圖4(d)為土壤全鹽量動態(tài)變化，不同時期土壤全鹽量在剖面上的變化無統(tǒng)一趨勢，土壤鹽分在第1周時主要聚集在距土柱底層40 cm處，為2.69 g/L，30～50 cm土壤全鹽量逐漸增高；第2周時不同土層全鹽量極低且無差異，變化范圍在0.01～0.06 g/L；第3周時，10、30、40和50 cm處土壤全鹽量無顯著差異，變化范圍在0.01～0.04 g/L，但鹽分在20 cm處聚集，約為1.26 g/L；第4周時土壤全鹽量在10～30 cm處保持穩(wěn)定，約為2.40 g/L，30～50 cm逐漸減小。

圖4 地下水礦化度5 g/L時土壤含水率、溫度、pH和全鹽量的動態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of soil moisture, temperature, pH and total salt during ground water mineralization at 5 g/L

2.2.2 地下水礦化度10 g/L時土壤水鹽動態(tài)

圖5為地下水礦化度為10 g/L時土壤含水率、土壤溫度、土壤pH和土壤全鹽量的動態(tài)變化。

由圖5(a)可知，地下水礦化度為10 g/L時，土壤含水率隨著土壤深度的增加而逐漸降低，土壤剖面平均含水率在10、20、30、40和50 cm處分別為16.3%、13.5%、11.9%、11.3%和11.7%，其中10～30 cm土壤含水率迅速下降，30～50 cm土壤含水率降低幅度不大。從時間變化上來看，第2周時土壤含水率最高，剖面平均為16.5%；第4周含水率最低為9.70%。圖5(b)為土壤溫度的動態(tài)變化，不同土層的土壤溫度在同一次測定中差異不大，但不同取樣時間土壤溫度表現(xiàn)出較大差異，第1～第4周土壤溫度平均值分別為：24.9、17.6、18.6和25.4 ℃。圖5(c)為土壤pH的動態(tài)變化，土壤pH在不同取樣時間表現(xiàn)為相似的垂直分布規(guī)律，土壤pH隨著土壤深度的增加而逐漸增大，各土層pH平均值在1、0、30、40和50 cm處分別為7.01、7.04、7.06、7.32和7.76，10～30 cm變 化 不 大，30～50 cm迅速增加。從時間變化上來看，第2周時土壤pH最低，剖面平均為7.16；第4周時土壤pH最高，剖面平均為7.42。圖5(d)為土壤全鹽量的動態(tài)變化，土壤全鹽量的垂直分布規(guī)律在前3周的取樣中表現(xiàn)為相似的規(guī)律，10～20 cm范圍內(nèi)，隨著深度的增加土壤全鹽量逐漸增加，20 cm處為全鹽量最大值，20～50 cm范圍內(nèi)，土壤全鹽量逐漸降低。但在第4周的采樣中，10～50 cm范圍內(nèi)土壤全鹽量均隨深度的增加而逐漸降低。各土層全鹽量平均值在10、20、30、40和50 cm處分別為2.82、3.40、2.35、1.65和0.52 g/kg。第1～第4周土壤剖面全鹽量平均值分別為1.50、2.05、1.50和3.54 g/kg。

圖5 地下水礦化度10 g/L時土壤含水率、溫度、pH和全鹽量的動態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of soil moisture, soil temperature, pH and total salt during groundwater mineralization at 10 g/L

2.3 地下水礦化度對土壤指標(biāo)的影響

土壤地下水礦化度不同，土壤中的鹽分、水分變化趨勢不同。地下水礦化度為5 g/L時，30～40 cm土層含水率最大，而地下水礦化度為10 g/L時，10 cm土層土壤含水率最大，且土壤剖面的平均含水率在5 g/L和10 g/L之間表現(xiàn)為極顯著差異（見圖6）。土壤溫度的垂直變化，在不同地下水礦化度條件下表現(xiàn)一致，且土壤剖面平均溫度無顯著差異。土壤pH在兩種地下水礦化度條件下，垂直變化規(guī)律表現(xiàn)一致，且土壤剖面平均pH無顯著差異。土壤全鹽量在垂直分布上并沒有一致性的規(guī)律，且不同地下水礦化度條件下土壤剖面全鹽量無顯著差異，但地下水10 g/L礦化度條件下土壤電導(dǎo)率顯著大于5 g/L。

圖6 不同地下水礦化度對土壤各指標(biāo)的影響Fig.6 Effect of different groundwater mineralization on soilphysicochemical index

2.4 不同地下水礦化度下各土壤指標(biāo)相關(guān)性分析

將不同地下水礦化度作用下的土壤全鹽量和土壤含水率同土壤溫度、土壤pH進(jìn)行相關(guān)性分析（見表2），可以發(fā)現(xiàn)，在地下水礦化度為5 g/L時，土壤全鹽量與土壤溫度極顯著正相關(guān)，土壤含水率與土壤溫度顯著負(fù)相關(guān)；在地下水礦化度為10 g/L時，土壤全鹽量與土壤溫度、pH相關(guān)性不顯著；土壤含水率與土壤溫度極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤pH顯著負(fù)相關(guān)。將土壤含水率、土壤溫度和土壤pH分別設(shè)為x1、x2、x3，土壤全鹽量設(shè)為Y做回歸分析，可得回歸方程Y=15.6-0.12x1-2.0x2+0.11x3（p＜0.05）。

表2 土壤全鹽量、含水率、溫度和pH間的相關(guān)性Tab.2 The correlations between total soil salinity, moisture, temperature and pH

3 討 論

隨著上海生態(tài)之城建設(shè)的推進(jìn)，市內(nèi)濱海鹽堿土和吹填土的改良和綠化應(yīng)用越來越受到重視。有機(jī)物料和土壤調(diào)理劑可有效改善濱海吹填土理化性狀，研究結(jié)果表明[2]，鋸末、脫硫石膏等土壤調(diào)理劑的可有效改善吹填土物理性狀，對土壤容重、土壤飽和導(dǎo)水率和非毛管孔隙度具有較好的改良效果。李霞等[1]研究表明，脫硫石膏可顯著降低吹填土pH，提高濱海吹填土脫鹽率。鋸末和爐灰渣可有效改良土壤物理結(jié)構(gòu)，腐殖酸則可以有效抑制吹填土脫鹽后出現(xiàn)堿化[8]。張興等[9]的研究則表明園林綠化廢棄物的添加有利于吹填土脫鹽，但會造成土壤pH升高。這些研究對不同改良材料的改良效果進(jìn)行了探討，對濱海吹填土的原位改良具有指導(dǎo)意義，但在進(jìn)行原位改良時還需要關(guān)注地下水對吹填土的影響。

淺層地下水是影響鹽分遷移、積累和釋放的重要因素，地下水礦化度升高或地下水水位降低，都會導(dǎo)致土壤含水率和全鹽量顯著升高[6,10-11]。土壤溶液濃度越大，其黏度也會越大，土壤水分在剖面中的運移速度就越慢[12]，本文研究結(jié)果表明，地下水礦化度為5 g/L時土壤剖面含水率顯著高于10 g/L。但彭廣偉等[13]對黃河三角洲地區(qū)不同地下水礦化度條件下，土壤剖面中水鹽動態(tài)模擬的試驗表明，地下水礦化度在0～20 g/L范圍內(nèi)對土壤剖面的含水率無顯著影響，這可能與不同試驗設(shè)置的地下水深度不同有關(guān)。吹填土剖面中，土壤水分呈不均勻分布，這是因為土壤中水分運移是基質(zhì)勢和重力勢共同作用的結(jié)果，隨著地下水的補(bǔ)給，土壤基質(zhì)勢促進(jìn)土壤水分從含水率高的地方向含水率低的地方運移，隨著土柱高度的增加重力勢變大，土壤水分受到從重力勢大區(qū)域向重力勢小區(qū)域移動的力[14]?；|(zhì)勢與重力勢的作用導(dǎo)致土壤剖面中水分的分布不均勻，在基質(zhì)勢與重力勢達(dá)到相對平衡狀態(tài)的區(qū)域，土壤水分可以在此聚集，土壤含水率在當(dāng)前穩(wěn)態(tài)下就會較大。

在黃河三角洲地區(qū)，地下水礦化度3 g/L時，土柱全鹽量為0.06%，顯著低于礦化度8 g/L時的0.17%。本研究中試驗開展4周后，地下水礦化度在5 g/L和10 g/L時，土柱全鹽量分別為0.17%和0.35%。在地下水礦化度相近的條件下，上海臨港吹填土全鹽量顯著高于黃河三角洲土壤，這可能與試驗設(shè)置的地下水埋藏深度及土壤質(zhì)地有關(guān)。徐存興等[15]研究表明，地下水埋藏淺的區(qū)域相比于地下水埋藏較深的區(qū)域更易形成鹽堿地。土壤溫度在不同地下水礦化度條件下無顯著差異，盡管不同地下水礦化度影響土壤剖面的含水率，但室內(nèi)模擬試驗中，土柱直徑較小土壤溫度更多還是受到環(huán)境溫度的影響。土壤pH在不同地下水礦化度條件下無顯著差異，這可能是因為不同礦化度地下水均是由NaCL配置而成，NaCL溶液為中性，其溶質(zhì)濃度并不會影響溶液的酸堿性，故不同礦化度地下水對土柱pH也無顯著影響。

土壤中鹽分運移與土壤水分動態(tài)變化密切相關(guān)[4,6,10-11]，這主要是因為鹽分需要溶解于土壤溶液中，借助水分蒸騰和下滲進(jìn)行運移。本研究結(jié)果表明土壤溫度是影響土壤全鹽量的主要因素，這可能模擬試驗條件下，地下水埋藏深度一致，溫度是影響土壤剖面中水分運移的主要因素有關(guān)。在模擬試驗中，由于裝置設(shè)置于室內(nèi)，土柱內(nèi)土壤水分主要是蒸騰作用導(dǎo)致的上移，從而會出現(xiàn)土壤鹽分聚集于表層的現(xiàn)象，見圖5(d)，這與趙秀芳等[4]在蘇北灘涂區(qū)觀察到的表層土壤在冬季出現(xiàn)鹽分聚集結(jié)論一致。本研究通過逐步回歸分析獲得了土壤全鹽量與土壤含水率、土壤溫度和土壤pH間的相互關(guān)系，研究結(jié)果表明土壤含水率、土壤溫度和土壤pH可以較好的預(yù)測吹填土剖面中的全鹽量，但此結(jié)果是室內(nèi)模擬條件下得到的，能否在自然狀態(tài)下應(yīng)用，還需在大田環(huán)境中進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 語

（1） 臨港地區(qū)地下水埋藏深度平均為0.59 m，礦化度最小值為2.58 g/L，最大值為17.1 g/L，平均為5.63 g/L，地下水埋藏深度與礦化度并未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性；

（2） 地下水礦化度對土柱中水分運移過程有較大影響，但對土壤剖面的整體全鹽量影響不大，進(jìn)而導(dǎo)致不同地下水礦化度條件下，土壤剖面的EC值表現(xiàn)出顯著差異。

（3） 由氯化鈉配制的不同礦化度溶液對土柱的pH無顯著影響，但土壤鹽分會隨著土壤水分的運移逐漸向表層土壤聚集，地下水礦化度越大，表層土壤鹽分聚集效應(yīng)越顯著。