混沙對黃河三角洲鹽漬土鹽分淋洗效果的影響

2022-01-24 02:47:00李靖江雷廷武

中國農(nóng)村水利水電 2022年1期

高崧，亓波，李靖江，雷廷武，2

（1.山東農(nóng)業(yè)大學水利土木工程學院，山東泰安 271018；2.中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083）

0 引言

土壤鹽漬化是一個世界性的環(huán)境問題，嚴重制約農(nóng)業(yè)和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展［1-3］。黃河三角洲是我國三大河口三角洲之一，擁有豐富的潛在耕地資源，但大面積的土壤鹽漬化不僅限制作物生長，還降低了土地利用效率［4-6］。黃河三角洲由黃河沖積性沉積和海相沉積交互作用形成［7］，特殊的土地形成過程使得土壤結(jié)構(gòu)致密、容重大、滲透性差，最終導致鹽分浸出困難［8，9］。因此，如何提高鹽分淋洗效率是該地區(qū)鹽漬土改良的關(guān)鍵。

國內(nèi)外專家和學者針對鹽漬土鹽分淋洗問題展開了眾多研究。閆少鋒等［10］研究發(fā)現(xiàn)土壤鹽分淋洗量隨著淋洗水量的增加而增大。對于淡水資源緊缺的地區(qū)，合理開發(fā)利用微咸水進行淋洗同樣能夠達到較好的淋洗效果［11，12］。土壤改良劑可以有效改善土壤性質(zhì)，促進鹽分浸出，因此被廣泛應用于土壤鹽分淋洗。潘德峰等［13］研究發(fā)現(xiàn)配施化學改良劑后灌水淋洗能夠顯著提高土壤脫鹽率。Shaygan 等［14］研究得出施用膨潤土能夠提高土壤陽離子交換速率，降低交換性鈉離子的含量。此外，生物炭、腐殖酸、脫硫石膏等改良劑的使用也都能促進土壤鹽分的淋洗［15-17］。但是很多改良劑存在成本高、可持續(xù)性差等問題，混沙作為一種物理改良措施，能夠有效改善土壤性質(zhì)，加快土壤入滲［18］，是促進鹽分淋洗的潛在方法。因此，本研究通過室內(nèi)土柱試驗分析了混沙對鹽漬土鹽分淋洗效果的影響，研究結(jié)果將為黃河三角洲地區(qū)鹽漬土的改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自山東省東營市廣饒縣山東農(nóng)業(yè)大學國際現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科教基地附近的耕地（37°18′22″N，118°39′27″E），取耕層0～30 cm 的土壤帶回實驗大廳，經(jīng)自然風干、除雜、過篩后裝袋密封備用。供試沙為風積沙。初始土壤的基本理化性質(zhì)如表1 所示。經(jīng)測定土壤砂粒（2～0.02 mm）、粉粒（0.02～0.002 mm）、黏粒（＜0.002 mm）含量分別為40.93%、50.22%、8.85%，根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級標準，供試土壤為粉砂質(zhì)壤土。

表1 供試土壤的理化性質(zhì)Tab.1 The physical and chemical properties of experiment soil

1.2 試驗裝置

淋洗試驗裝置主要包括土柱、馬氏瓶和鋼架3 部分。土柱由有機玻璃材料制成，高度為40 cm，內(nèi)徑為10 cm；土柱底部均勻的設(shè)有直徑為2 mm 的小孔，用以收集淋出液。馬氏瓶高度為50 cm，內(nèi)徑為8 cm，淋洗過程中利用馬氏瓶控制淋洗入滲水頭為5 cm。鋼架用于固定有機玻璃土柱使其懸空，以便于從土柱底部收集淋出液。淋洗試驗裝置如圖1所示。

圖1 淋洗試驗裝置圖Fig.1 The leaching experiment device

1.3 試驗方法

1.3.1 土柱填裝

試驗共設(shè)計0%、20%和50%（對應土沙質(zhì)量比為10∶0、8∶2和5∶5）3個混沙量。各處理土柱內(nèi)填土高度均為30 cm，填裝土柱前首先將供試土壤和沙按設(shè)計混沙量混合均勻，然后按土壤容重1.5 g∕cm3每5 cm 一層均勻填裝，每兩層之間用工具進行打毛處理，共填裝6層。各土柱填裝完成后均自然沉降24 h，然后再進行淋洗試驗。

1.3.2 試驗過程

淋洗試驗從灌水開始，至淋出液體積達到2 500 mL 結(jié)束，利用馬氏瓶控制淋洗入滲水頭為5 cm，淋洗用水為去離子水。試驗中淋出液前500 mL每50 mL接一次，500 mL以后每100 mL接一次，一共接30次，每次接出立刻測量其電導率，記錄淋出液電導率隨淋出液體積的變化。試驗結(jié)束后立刻排干土壤表層積水，將淋洗后土壤從土柱中倒出并混合均勻，測量淋洗后土壤pH值和八大離子含量。

1.4 測量項目及方法

土壤電導率（水土比5∶1浸提）和pH值（水土比2.5∶1浸提）分別用電導率儀和pH 計測定，淋出液電導率直接由電導率儀測量；八大離子測定：將待測土樣按水土比5∶1 浸提，測量浸提液離子含量，K+和Na+用火焰光度法；Ca2+和Mg2+用EDTA 絡(luò)合滴定法；CO32-和HCO3-用雙指示劑中和滴定法；Cl-用硝酸銀滴定法；SO42-用EDTA間接絡(luò)合滴定法。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

在Excel 2016 中對試驗數(shù)據(jù)進行整理，所有數(shù)據(jù)均取三次重復的平均值；利用Origin 2018 進行繪圖；通過SPSS 25.0 軟件中的單因素方差分析及LSD多重比較來確定各處理間的差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤鹽分淋洗速度的變化

圖2 顯示了不同混沙量土壤淋洗結(jié)束（淋出液達到2 500 mL）所需要的時間，從圖2 中可以看出，土壤不混沙時鹽分淋洗速度十分緩慢，整個淋洗過程耗時達到694.6 h，而混沙20%和50%的土壤淋洗時間分別為348.0 h和104.8 h，與未混沙土壤相比縮短了49.9%和84.9%，均達到顯著性差異（p＜0.05）。由此可見，混沙顯著提高了鹽分淋洗速度，縮短了淋洗時間，且混沙量越大淋洗時間越短。孫嬰嬰等［19］認為混沙能夠改變土壤顆粒組成，增加砂粒含量，改善鹽漬土質(zhì)地過于細密的問題，這也是混沙能夠促進鹽漬化土壤入滲，縮短鹽分淋洗的時間的主要原因。

圖2 淋洗時間隨混沙量的變化Fig.2 Variation of leaching time with sand-incorporation rate

2.2 淋出液電導率的變化

圖3為不同混沙量土壤淋洗過程中淋出液電導率隨淋出液體積的變化。從圖中可以看出，各處理淋出液電導率的變化趨勢相似。在淋洗初期，由于土壤中總鹽分含量很高，大量的可溶性鹽隨水流快速向下運動而被淋洗出土壤，因此淋出液的電導率開始時很高且下降速度很快；隨著淋洗過程的推進，土壤中的總鹽分含量越來越低且大多被土壤顆粒吸附在小孔隙中，因此，淋出液的電導率變化也越來越小，最后基本達到穩(wěn)定不變。這與王鵬山等［20］和翟亞明等［21］的研究結(jié)果相似。從圖中還可以看出，不同處理前50 mL 淋出液的電導率最高且存在顯著差異（p＜0.05），其隨混沙量的增加而減小，這是因為混沙降低了土壤的總鹽分含量，使得淋洗初期水分溶解淋出的鹽分也隨之減少。在淋洗的中后期，各處理間淋出液的電導率差距很小，但仍表現(xiàn)為混沙0%＞混沙20%＞混沙50%。

圖3 淋出液電導率隨淋出液體積的變化Fig.3 Variation of leachate conductivity with leachate volume

2.3 土壤鹽離子的變化

2.3.1 鹽離子含量

淋洗前后以及各處理之間土壤鹽離子含量的變化如表2所示。從表中可以看出，不同混沙量土壤淋洗后除HCO3-含量顯著增加以外，其他離子含量均顯著減少，HCO3-含量增加的原因主要與土壤中離子交換吸附平衡有關(guān)［22］，在初始土壤中Cl-含量達到所有陰離子總含量的70%，而在淋洗后的土壤中Cl-含量極少，此時某些碳酸鹽類礦物會解離產(chǎn)生HCO3-以保證土壤離子電荷的平衡［23］，從而導致淋洗后土壤HCO3-含量的增加。

表2 淋洗前后土壤鹽離子的含量 g∕kgTab.2 Content of soil salt ion before and after leaching

混沙對土壤淋洗后K+、Mg2+和Cl-的含量影響不顯著，K+和Mg2+在淋洗前的初始含量很低，而Cl-雖然淋洗前的初始值很高但其很容易被淋洗，因此K+、Mg2+和Cl-經(jīng)過淋洗后各處理均降低至一個比較接近的低值。Ca2+受混沙量的影響相對較小，混沙0%和20%時無明顯差異，只有當混沙量達到50%時才會產(chǎn)生顯著差異?；焐硨ν寥懒芟春驨a+、SO42-和HCO3-均有顯著影響，混沙能夠增加土壤的砂粒含量，加快淋洗速度，降低土壤黏粒對Na+的吸附作用，因此淋洗后土壤Na+隨混沙量的增加而降低；由于淋洗后土壤陽離子主要還是以Na+為主且混沙量越高其含量越低，相應為了平衡電荷需要解離產(chǎn)生的HCO3-就會減少，最終使得淋洗后土壤HCO3-也隨混沙量的增加而降低；而SO42-隨混沙量的增加而增加可能是因為混沙增加了土壤顆粒對SO42-的吸附能力。

2.3.2 鹽離子脫鹽率

圖4 顯示了不同混沙量土壤淋洗后各鹽離子脫鹽率的變化。從圖中可以看出，各處理土壤淋洗后K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-和SO42-均處于脫鹽狀態(tài)，只有HCO3-因平衡電荷的需要而處于積鹽狀態(tài)。在所有鹽離子中，K+的脫鹽率最低大約在58%左右，這是因為K+在淋洗前土壤中的含量極低，除去土壤所能夠吸附的K+其余可供淋洗出的含量就非常少；由于Cl-初始含量很高且土壤對Cl-的吸附能力較小，Cl-很容易被淋洗，因此其脫鹽率最高，所有處理均達到98%以上；Na+、Ca2+、Mg2+和SO42-的脫鹽率雖然在不同混沙量土壤中大小有所差異但都大于80%。因此，淋洗之后土壤鹽離子除HCO3-以外均達到較好的脫鹽效果。

圖4 不同處理土壤淋洗后鹽離子脫鹽率的變化Fig.4 Variation of soil salt ion desalination rate after soil leaching in different treatments

混沙量對淋洗后土壤各鹽離子脫鹽率的影響與其對淋洗后土壤離子含量的影響相對應。土壤淋洗后K+、Mg2+和Cl-的脫鹽率在不同混沙量土壤中基本相同；Na+和Ca2+的脫鹽率隨混沙量的增加而增大；SO42-的脫鹽率隨混沙量的增加而減??；而處在積鹽狀態(tài)的HCO3-隨混沙量增加積鹽程度降低。最后，結(jié)合圖5 不同混沙量土壤總鹽分脫鹽率的變化來看，混沙能夠增大土壤總鹽分的脫鹽率，且混沙量越大脫鹽效果越好。孫嬰嬰等［19］在研究中也得出相似的結(jié)論，他們指出拌沙降低了土壤的全鹽含量，且拌沙比例越高，全鹽含量越低，土壤脫鹽率越高。但土壤各鹽離子含量的變化部分與本研究存在一定的差異，這主要與土壤種類、離子初始含量及遷移速度等不同有關(guān)。

圖5 不同處理土壤總鹽分脫鹽率的變化Fig.5 Variation of soil total salt desalination rate in different treatments

2.3.3 各鹽離子含量比例

淋洗前后以及各處理之間土壤各鹽離子所占總鹽分離子比例的變化如圖6 所示。從圖6 中可以看出，淋洗前土壤主要以Na+和Cl-為主，淋洗后土壤鹽離子比例發(fā)生很大變化，Cl-所占比例顯著降低；Na+所占比例雖然有一定程度下降，但在淋洗后土壤中仍接近30%，這主要是土壤對Na+的吸附能力較強所導致的，李奇霏等［23］也在研究中得到了相同的結(jié)果，他們認為Na+的淋洗是一個長期的過程具有多變性和復雜性，徹底脫鹽并不容易。淋洗后土壤的另一大變化是為了平衡電荷而產(chǎn)生大量的HCO3-使得其所占比例顯著增加，這會使土壤發(fā)生一定程度的堿化。而其他離子在淋洗前后所占比例變化相對較小。

圖6 不同處理土壤淋洗前后各鹽離子所占比例的變化Fig.6 Variation of each salt ion proportion before and after leaching in different treatments

分析圖6中不同混沙量土壤淋洗后鹽離子所占比例的變化得出，Na+所占比例隨混沙量的增加而減小，說明混沙能夠降低Na+對土壤的危害；HCO3-所占比例也隨混沙量的增加而減小，說明雖然淋洗后土壤會發(fā)生一定程度的堿化，但是混沙能夠降低土壤的堿化程度。SO42-所占比例隨混沙量的增加而增加，其他離子所占比例受混沙量的影響變化不大。從整體來看，混沙能夠使淋洗后土壤的離子組成向有益的方向發(fā)展，且混沙量越大，離子組成越好。

2.4 土壤pH值和鈉吸附比（SAR）的變化

不同混沙量土壤淋洗前后pH值和SAR的變化如表3所示，從表中可以看出，淋洗前土壤pH 值為8.04，淋洗后各處理土壤pH 值均顯著增加，土壤發(fā)生一定程度的堿化，這主要與淋洗后土壤中HCO3-含量的增加有關(guān)。李奇霏等［23］和翟亞明等［21］也都在研究中得出了相同的規(guī)律。但與孫嬰嬰等［19］的研究不同，其試驗中使用的是堿化土壤，初始pH 很高，拌沙前后土壤堿性離子含量變化不大，因此pH 并未產(chǎn)生明顯變化。分析淋洗后不同混沙量土壤pH 值的變化得出，淋洗后土壤pH 值隨混沙量的增加而顯著減小，說明混沙能夠在一定程度上抑制淋洗后土壤的堿化。從表中還可以看出，淋洗后土壤SAR 顯著降低，且混沙量越多SAR 越小，混沙能夠顯著降低Na+對土壤的危害，為作物創(chuàng)造更好的生長環(huán)境。