山陰縣鹽漬化土壤鹽分垂向變化特征

尚長生

(山西省地質環境監測中心,太原 030024)

山陰縣是大同盆地土壤鹽漬化較嚴重地區之一。土壤鹽漬化極易導致土地沙漠化,因而土壤鹽漬化是比較嚴峻的生態環境問題。據前人資料及野外調查,山陰縣的原生鹽漬化土地主要分布在潛水埋藏較淺的地下水匯集區或河、湖周邊,次生鹽漬化土地也主要分布在離地表水源較近或潛水埋藏較淺的水澆地中[1-2]。因此,無論是原生鹽漬化還是次生鹽漬化土地,都分布在盆地內地勢較低處或土壤水分含量較高處。針對山陰縣土壤鹽漬化問題前人已開展了大量的研究工作,而對土壤鹽分垂向變化特征則鮮有研究。本文對土壤鹽分垂向變化特征及對控制土壤中鹽分遷移的地球化學過程進行探討,為鹽漬化土壤的改良與修復提供科學依據。

1 土壤鹽漬化現狀及土壤剖面樣品采集

在山陰縣盆地中心地帶,表層地層以河流沖積層為主,由灰黃色砂、砂類土、亞粘土和粘土等細粒物質組成,還有現代地表水體的堆積,巖性為灰黑色淤泥質粘土、粉砂等。表層土壤大部分沒有鹽化或輕度鹽化,中強度鹽化區及鹽土區沿桑干河流域分布;表層土壤中大部為重碳酸鹽優勢區,其次為硝酸鹽和硫酸鹽優勢區,氯化物優勢區所占的比例很小;重碳酸鹽優勢區分布于區域地下水系統的補給區與徑流區,硝酸鹽與硫酸鹽優勢區分布于排泄區。深層土壤中大部分發生了輕度鹽化,中度鹽化區沿桑干河流域分布;重碳酸鹽硫酸鹽型、硫酸鹽型土壤分布于桑干河流域,即區域地下水系統的排泄區[3-4]。

為進一步對鹽漬化土壤鹽分垂向變化特征進行研究,本次選取山陰縣古城鎮一帶進行研究,土壤剖面位于小疙瘩村,為典型的鹽漬化耕地,土壤剖面深度約2.0 m,從深度2.0 m處開始向上依次每隔10 cm采集一個土壤樣品。土壤剖面采樣記錄如表1所示。

表1 土壤剖面采樣記錄Table 1 Soil profile sampling record

20件樣品在實驗室經相關處理后,進行可溶鹽特征分析。另用土壤水取樣裝置收集土壤水,對土壤水樣進行主量成分分析。

2 鹽分離子的垂向分布特征

2.1 土壤剖面樣品的統計量

土壤剖面樣品的描述統計量如表2、表3所示。

表2 土壤剖面樣品(可溶鹽)的描述統計量Table 2 Description of soil profile sampling

表3 土壤剖面樣品(交換性陽離子)的描述統計量Table 3 Description of soil profile sampling

從表2和表3可以看出,土壤剖面樣品除NO3、SO4、Ca、Mg以及交換性鉀的變異系數相對較大之外,其他成分的變異系數相對較小。表明盆地的中心區域母質變化不大,但是NO3、SO4、Ca、Mg的活性較大。

2.2 鹽分離子的垂向分布特征分析

鹽分離子分布以浸提液中的離子濃度(mg/L)來說明,陰離子、pH在垂直剖面上的變化見圖1,陽離子在剖面上的變化見圖2。

圖1 陰離子、pH在剖面上的分布特征Fig.1 Distribution characteristics of anion and PH on the profile

圖2 陽離子在剖面上的分布特征Fig.2 Distribution characteristics of cation on the profile

1)氯離子。氯離子是可溶鹽中主要的陰離子,從地下水位到地表,氯離子表現出增加的趨勢。其濃度范圍為16.0 mg/L～228 mg/L,平均值為111 mg/L,土壤水中的濃度為402 mg/L。最小濃度位于剖面深度0.1 m處,最大濃度位于剖面深度0.6 m處。其原因可能是水分在上升過程中不斷溶濾巖土,使其離子濃度不斷增加,又不斷的被巖土顆粒交換吸附,導致剖面上的上層巖土可能比下層巖土吸附更多的鹽分。理論上,在土壤表層應該是濃度最大的地帶,但圖示的實際情況并非如此,最大濃度出現在深度0.6 m處。這是因為土壤剖面位于作物種植區,在耕作前進行過洗鹽,鹽分被迫向下遷移,但是洗鹽過程并非長期持續,所以最大濃度會存在于地表面以下一定深度上。表層幾十厘米之內的氯離子,一方面經過洗鹽過程,另一方面被作物吸收,往往不是最大濃度的所在。但在非作物種植區,如荒地或稀疏草原,由于無洗鹽過程,表面層可能是鹽分最高的地帶。在深度1.5 m處的中砂層,氯離子濃度顯著降低,這可能是因為中砂的吸附能力微弱,吸附的氯離子少的緣故[5-6]。

2)硝酸根。剖面上的硝酸根離子濃度低,其變化范圍為1.6 mg/L～57.0 mg/L,平均值為11.1 mg/L,土壤水中的濃度為320 mg/L。最小濃度位于深度1.5 m處,最大濃度位于深度0.4 m處。在深度0.9 m以下,硝酸根離子濃度變化并不十分明顯,位于深度1.5 m處的中砂層仍然是最低濃度所在,但從地下水位到地表,總體表現出增加的趨勢。在深度0.9 m以上,硝酸根離子表現出與氯離子相同的特點,先是增大到最大值,然后又減小。最大值位于深度0.4 m處,其原因可能是由于人類活動是區域硝酸根離子的主要來源,所以硝酸根離子主要聚集在表層,但是洗鹽迫使硝酸根離子遷移到表面以下一定深度上。

3)硫酸根。硫酸根離子是可溶鹽中主要的陰離子,從地下水位到地表,硫酸根離子表現出增加的趨勢。其濃度范圍為36.7 mg/L～2 350 mg/L,平均值為490 mg/L,土壤水中的濃度為1 640 mg/L。最小濃度位于深度1.5 m處,最大濃度位于深度0.4 m處。硫酸根離子表現出與氯離子相似的變化規律,最大濃度出現于深度0.4 m處。溶濾交換吸附是水分、鹽分在剖面上運移的最主要的地球化學作用,在溶濾交換吸附作用下,硫酸根離子濃度不斷增加,但是由于洗鹽過程及植物對硫酸根離子的吸收,其最大濃度位于地面以下一定深度上。

4)重碳酸根。從地下水位到地表,重碳酸根離子表現出明顯的減小趨勢。其濃度范圍為27.1 mg/L～78.0 mg/L,平均值為50.6 mg/L,土壤水中濃度為347 mg/L。最小濃度位于深度0.2 m處,最大濃度位于深度1.9 m處。由于土壤含水率及巖性的變化,使其吸附的重碳酸根濃度產生波動,進而使可溶鹽中的濃度產生波動。碳酸鹽礦物是地下水中碳酸根與重碳酸根的主要來源,碳酸鹽礦物是難溶性礦物,在剖面上如此短的途徑上是很難通過溶濾作用獲得足夠的碳酸根與重碳酸根的,所以碳酸根與重碳酸根來源于地下水。在向上遷移過程中,碳酸根與重碳酸根會與土壤中的二氧化碳發生反應而產生一定的變化。隨著距離地下水位越遠,土壤獲得的碳酸根與重碳酸根也就越少,土壤顆粒所能吸附的碳酸根與重碳酸根也就越少,進而表現出重碳酸根在剖面上向上減少的趨勢。

5)pH。pH值主要受碳酸根與重碳酸根控制,進而表現出與重碳酸根相同的變化趨勢,從地下水位到地表,pH值表現出減小的趨勢，范圍為7.46～9.09,最小值位于深度0.2 m處,最大值位于深度1.5 m處。除1.5 m深處的中砂層pH值明顯增大以外,在1.2 m深度下,pH值大體保持穩定。說明在該區域內,游離氫離子含量大體穩定,但是弱酸或強酸弱堿鹽含量變化明顯,這一點從重碳酸根含量的顯著變化可以得出。1.5 m深處的中砂層可能由于含水率高,吸附能力弱,吸附的弱堿金屬離子(如鋁離子)少,而使pH值增大。

6)氟離子。從地下水位到地表面,氟離子含量有減小的趨勢。其濃度范圍為:0.6 mg/L～3.6 mg/L,平均值為1.4 mg/L,土壤水中的濃度為1.7 mg/L。最小濃度位于深度0.3 m處,最大濃度位于深度2.0 m處。在深度2.0 m～1.5 m內變化顯著,在深度1.5 m以上變化相對緩慢，這是因為一方面氟離子與pH(HCO3)存在正相關關系，另一方面,由于地下水是包氣帶中氟的主要來源,離地下水位越遠能獲得的氟自然越少。

7)鈉離子。鈉離子是剖面上主要的陽離子,其濃度范圍為12.1 mg/L～288 mg/L,平均值為129 mg/L,土壤水中的濃度為456 mg/L。最小濃度位于深度1.9 m處,最大濃度位于深度0.6 m處。作為易溶鹽類,鈉離子與氯離子、鉀離子表現出相同的變化趨勢。從地下水位到地表,鈉離子表現出增加的趨勢。在深度為1.5 m處的中砂層,鈉離子濃度明顯降低,可能是中砂層對其的吸附能力降低所致。在0.6 m以上濃度表現出降低的趨勢,這可能是由于洗鹽過程迫使鹽分向下遷移所致。

8)鈣離子。鈣離子是剖面上的主要陽離子,其濃度范圍為5.8 mg/L～590 mg/L,平均值為114 mg/L,土壤水中的含量為91.5 mg/L。最小濃度位于深度1.5 m處,最大濃度位于深度.4 m處。0.5 m深度以下鈣離子濃度變化并不十分明顯,從地下水位往上略微表現出增加的趨勢,最小濃度位于深度為1.5 m處的中砂層。地下水中的鈣主要來自鈣鹽礦物的溶解,一方面剖面上的滲流途徑較短,另一方面剖面上這些礦物的含量有限,且這些礦物為難溶性礦物,其溶解反應受到制約，所以通過溶濾交換吸附作用而累積的鈣數量有限,因而鈣的累積應來自Na—Ca的交換。0.5 m以上鈣離子濃度變化十分顯著,這是因為一方面該層顆粒較細,吸附能力更強;另一方面該層內富含有機物,有機物吸附鈣離子所致,進而使得Na-Ca交換進行得更為充分。最大濃度位于深度0.4 m處,這是由于洗鹽過程迫使鹽分向下遷移所致。但在0.3 m到表層其濃度有所增加,是因為在近表面層有機物含量更高,吸附了更多的鈣。

9)鎂離子。鎂離子低于鈉離子和鈣離子,其濃度范圍為2.7 mg/L～160 mg/L,平均值為32.9 mg/L,土壤水中的含量為97.8 mg/L。最小濃度位于深度1.5 m處,最大濃度位于深度0.4 m處。從地下水位到地表,鎂離子表現出比較明顯的增加的趨勢,最小值位于深度為1.5 m處的中砂層。溶濾交換吸附作用是剖面上主要的水文地球化學作用,鎂離子濃度增加,但是各種巖性對其吸附的能力不一樣,進而使得其在剖面上的濃度表現出波動性。最大濃度位于深度0.4 m處,這一方面是濃度累積的結果;另一方面,近地表層富含有機質具有更強的吸附能力。由于洗鹽過程迫使鹽分向下遷移,使得最大濃度位于地表以下一定深度上。

10)總溶解固體(TDS)。主要陰陽離子是對總溶解固體(TDS)貢獻最大的幾種離子,從地下水位到地表,總溶解固體表現出明顯的增加的趨勢?？側芙夤腆w的范圍為172 mg/L～3 600 mg/L,平均值為918 mg/L,土壤水中的值為3 260 mg/L。最小濃度位于深度1.5 m處,最大濃度位于深度0.4 m處。溶濾交換吸附作用是剖面上的主要水文地球化學作用,溶解組分的離子濃度不斷增加。但是各元素的地球化學行為的差異,使總溶解固體在剖面上表現出波動性。近地表面層富含有機質,具有更強的吸附性,使總溶解固體在該層顯著增加。洗鹽過程迫使鹽分向下遷移,使得總溶解固體的最大值位于地表以下一定深度上。

3 可溶鹽類型

氯化物、硫酸鹽等易溶與相對易溶礦物含量在剖面上增加,并且由于微生物的作用非常緩慢,所以溶濾作用是剖面(包氣帶)上一種重要的水文地球化學作用。土壤中富含交換性鈣離子,山陰縣一帶的地下水中的陽離子以Na為主,所以Na-Ca交換也是剖面上重要的地球化學作用。土壤剖面上主要可溶鹽類型如表4所示。

表4 土壤剖面的可溶鹽類型Table 4 Soluble salt types of soil profile

注:trs-20是土壤水樣品,bc01是表層鹽樣品。

土壤水的化學類型為:SO4-Na·Mg,表層鹽樣品的類型為:SO4-Na。

土壤剖面上主要陰離子類型變化為:Cl·HCO3型—Cl·SO4型—SO4·Cl型—SO4型,其主要陽離子類型變化為:Na型—Na·Mg型—Ca·Mg型—Ca型。在深度為0.6 m以下,陽離子均是Na型。

4 結論

基于土壤剖面樣品的可溶鹽與交換性陽離子數據,并結合地下水化學特征,得出如下結論與認識:

1)在山陰縣一帶(盆地的中心)淺層,由于沉積環境相對穩定,其成土母質變化小,表現在土壤剖面上各成分的變異系數相對較小。

2)pH值能影響鹽分的遷移轉化,pH值與氟及鈉存在正相關,與鈣存在負相關。較高的pH值有利于鈉的吸附,而不利于鈣的吸附。

3)溶濾交換吸附是包氣帶中最重要的地球化學作用。在溶濾作用下,氯化物、硫酸鹽等易溶、相對易溶礦物不斷被溶解,使其濃度在剖面上不斷累積,以致形成鹽殼。區域地下水中富含Na+,土壤中富含交換性Ca2+,Na+-Ca2+交換的結果使Ca2+在剖面上累積。并且,由于近地表層含有豐富的有機質,能吸附更多的Ca2+。由于剖面上不同巖性的吸附能力不同,使鹽分在剖面上表現出分層性。