排鹽補淡對濱海鹽堿土壤鹽分變化的影響

張 謙，馮國藝，王樹林，雷曉鵬，王 燕，梁青龍，林永增，祁 虹

(河北省農林科學院棉花研究所，農業部黃淮海半干旱區棉花生物學與遺傳育種重點實驗室，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補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hm2，占總耕地面積的10.4%，主要分布于東部低平原區和濱海平原區[1]，是河北省主要的后備耕地資源，但該地區土壤含鹽量高、春季積鹽返鹽嚴重，地下水埋深淺、礦化度高，開發利用難度大[2]。根據水鹽分布規律及運移特征，通過排水降低地下水位、淡水淋鹽是開發利用該區域鹽堿地的重要措施。

目前，濱海鹽堿土多通過明溝灌排、暗管排水等農田水利工程來控制地下水位，暗管排水排鹽根據“鹽隨水來，鹽隨水去”的水鹽運移規律，在降雨或灌溉進行淡水補充時，鹽隨水下移至暗管處后排出土體，同時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，在重漬化農田，暗管排水排鹽效果遠遠優于明溝，地下水位及水質有明顯改善，作物產量顯著提高[6-8]。但機械埋管成本較高、投資回收年限較長也是影響暗管排水技術大面積推廣的主要問題[9]。河北近濱海地區淺層地下水埋深淺，最淺地區年均埋深0.5～0.7 m[10]，淺層咸水的利用在采水技術、井群布局、 水質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]。本文針對河北近濱海鹽堿區地下水、土壤、降雨等區域特征[13-15]，通過淺層井進行咸水抽排明確排鹽對地下水水位及土壤含鹽量的影響，并對灌水和自然降雨對土壤淋洗脫鹽效果進行了比較，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的鹽堿地治理技術提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點位于河北省國營海興農場，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+占陽離子總量的80%～90%，周年監測數據顯示，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，年平均水面蒸發量1 980 mm，深層地下水及降雨是主要淡水來源。地下水埋深淺、礦化度高、降雨分布不均且蒸發量大是引起該區域鹽漬化的主要原因。

1.2 試驗設計

試驗設置中度(1 m土層平均含鹽量0.2%～0.4%)和重度鹽堿區(1 m土層平均含鹽量0.2%～0.4%)各1個，南北長50 m、東西寬30 m，兩區域間隔200 m左右，總面積約0.3 hm2，3月下旬分別在試驗區中心設抽排淺井1眼，以抽提井為圓心，距離5、10、15 m設觀測井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行降水排鹽(流量3 m3/h)，咸水經軟管排入集水池用于咸淡混合水魚蝦養殖。

試驗于2016年 4月18-21日排鹽抽水，之后停止抽水，觀測地下水水位變化及土層含鹽量變化；5月初在水位回復一致水平后進行排鹽補淡試驗，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)進行灌溉，灌水量20 mm；7月2-8日抽水，淺井周圍5、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(降雨開始時停止抽水)，集中降雨時長3 h。

1.3 測定項目及方法

分別于排鹽前、排鹽后灌水(降雨)前、灌水(降雨)后4 d和10 d，在每個觀測井0.5 m直徑范圍內3點取樣，取樣深度1 m，同一半徑內的4眼觀測井取平均值。土壤鹽分含量測定采取電導法，利用試驗區域內測定的含鹽量與電導率的直線回歸方程進行含鹽量換算[16]；利用HOBO U-20水位溫度記錄儀對中度鹽堿試驗區5、10、15 m處觀測井進行地下水位測定。采用Excel 2010進行數據整理與作圖。

2 結果與分析

2.1 淺井排鹽對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，經過連續84 h抽排，抽水區域地下水埋深圍繞抽提井呈現“V”型。5 m觀測井處地下水埋深由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內回升速率較快，之后趨緩。回升過程中，受單井抽排產生的水力坡降影響，淺層咸水連續傳遞后匯向抽提井，故5、10、15 m各處的觀測井水位回升過程中伴隨“回升-下降-回升”現象，距井5m處變化幅度最大。

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

2.2 排鹽降水位對土壤鹽分的影響

利用淺井對試驗區鹽水進行抽排，對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數據可以看出，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%，對照增加7.22%；排咸6 d后分別增加5.04%、6.98%、9.51%，對照增加11.56%。在中度鹽堿地進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，同時通過增大地下水埋深來抑制土壤水向上運動，減少蒸發帶來的鹽分表聚，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：同一鹽分水平內含鹽量數值后的小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著；變化率中正負值分別表示排咸后含鹽量增加或降低百分數，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量要小，增加地下水埋深對土壤鹽分的抑制作用更加明顯。抽水3d后，排鹽區內距離抽提井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%，對照增加3.44%；抽水6 d后分別減少11.79%、7.95%、6.75%，對照增加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，表現為脫鹽；中輕度鹽堿土壤隨水位下降并未表現出明顯的脫鹽，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量大于下移量有關。

2.3 補淡洗鹽對土壤鹽分的影響

2.3.1 灌水洗鹽效果

從表2可以看出，在停排回滲狀態下，利用礦化度1.2 g/L的深井水進行灌水洗鹽4 d后，中度鹽堿土壤1 m土層脫鹽率在10.78%～27.74%，表現為距抽提井越近，地下水埋深越深，排鹽后騰出的土壤水庫容越大，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%。對照為直接灌溉洗鹽(未進行排鹽處理)，中度和重度鹽堿土壤在灌水4 d后均表現為明顯脫鹽，脫鹽率為14.02%和30.78%，10 d后分別表現為開始返鹽和脫鹽率明顯下降，抽水降水位后補淡洗鹽可以有效提高土壤脫鹽率。

表2 灌水對鹽堿土壤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

自然降雨對鹽堿地具有的淋洗脫鹽效果，該區域年平均降雨量600～700 mm，集中于7-8月份，占全年總降水量的60%～70%。本文研究了降雨對排鹽騰出庫容后土壤的脫鹽影響，從表3可以看出，排鹽騰庫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，但仍優于對照。

3 結語與討論

排水攜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、調節土壤水、改良鹽堿地、防止土壤鹽漬化的基礎措施[17]，諸多學者在排水溝、暗管、豎井等排水設施的深度、間距、組合方式等方面進行了大量研究，本試驗利用簡易低成本淺井進行地下咸水抽排，結果表明，4m左右的淺井可以有效增加地下水埋深，抽水區域地下水水位圍繞抽排井呈現“V”型變化，停止抽水后回水明顯，排鹽對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。如何持續有效地將地下水位保持在允許深度，周年鹽分基本穩定，不影響作物正常生長是各種排鹽措施需繼續深入解決的問題。

補充淡水洗鹽是鹽堿地改良最有效的辦法，本試驗以深井水及雨水作為水源，比較了補充淡水對排鹽降水位后鹽堿地的脫鹽效果，結果驗證了騰空土壤水庫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，脫鹽率隨著時間推移而下降。地下水位較深時，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層以下，如山東內陸鹽堿地采用無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，地下水水位較高，如采取無排水沖洗，將使地下水位進一步提高，有可能加劇沖洗地塊土壤返鹽或引起灌溉區四周土壤鹽漬化，所以條田寬度不宜太寬，一般為30～50 m，毛溝、支溝、干溝等農田工程及時修整清淤，形成有效的田間排水網。單純排鹽只對重度鹽堿土壤有降鹽效果，且效率不高，仍需淡水補充來實現有效脫鹽，本試驗中補淡洗鹽過程都是在排鹽中止情況下，存在水位和下層鹽分回升，在持續排鹽保持地下水埋深高位穩定狀態下進行補淡壓鹽，其脫鹽效果有待進一步研究。