降雨及隔鹽層對(duì)濱海鹽堿地水鹽運(yùn)動(dòng)的影響

殷小琳，丁國(guó)棟，張維城

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083，北京)

近年來(lái)，濱海區(qū)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁的地區(qū)，加強(qiáng)和完善濱海區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)，越來(lái)越重要。我國(guó)濱海鹽漬土面積增長(zhǎng)快，1974—1984年，每年增長(zhǎng)約60.68 km2，1984年至今，平均每年新增20～23 km2［1］。土壤鹽漬化現(xiàn)象也日益突出，土地鹽漬化即由于自然或人為因素的影響，鹽堿成分在土體中積聚，使其他土壤類型逐步向鹽堿土轉(zhuǎn)變的一種成土過(guò)程［2］。濱海鹽堿地植物的生長(zhǎng)條件相對(duì)較為惡劣，土壤含鹽量較高及季節(jié)性土壤返鹽是沿海灘涂植物立苗的限制因子，土壤物理和化學(xué)性狀不良是植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要障礙［3］。較高的地下水位、強(qiáng)烈的水分蒸發(fā)、強(qiáng)烈的鹽分表聚等使濱海鹽堿地造林成活率低、保存率低，樹(shù)木生長(zhǎng)緩慢，同時(shí)也是限制濱海鹽堿地區(qū)林業(yè)發(fā)展的一大瓶頸。為開(kāi)發(fā)和利用這一土地資源，進(jìn)行了不懈的努力，開(kāi)展了各種形式的植樹(shù)造林、土壤改良和農(nóng)田開(kāi)墾，取得了一定的成績(jī);但對(duì)濱海鹽堿地造林和水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律相關(guān)關(guān)系的研究相對(duì)較少［4］。土壤中水鹽運(yùn)動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程［5］，為了使鹽堿地的造林取得良好經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)效益，首先要了解土壤水鹽運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，這是采取一切改良鹽堿地措施的重要前提條件［6］。

本試驗(yàn)于2007年在河北滄州黃驊濱海鹽堿造林地內(nèi)展開(kāi)，試驗(yàn)樹(shù)種為白蠟(Fraxinus chinensis)。種植白蠟時(shí)在樹(shù)穴底部設(shè)置爐渣和沙子隔鹽層處理，通過(guò)5個(gè)月的觀測(cè)與記錄，研究隔鹽層不同處理措施對(duì)不同深度(表層(0～5 cm)、30和60 cm)土壤水鹽運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的影響，旨在闡明不同隔鹽層及植物生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)濱海鹽堿地土壤含鹽量和造林的影響，為濱海鹽堿地林業(yè)的發(fā)展提供有效的治理方法。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于河北省東南部的河北滄州臨港經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，東臨黃驊港，北依京津，西接華北平原，區(qū)域總面積268 km2，人口4.2萬(wàn)。試驗(yàn)地地處E 117°23'～117°39'，N 38°19'～38°29'。境內(nèi)地勢(shì)平坦，自西南向東北微微傾斜，海拔1.8～7.5 m。氣候?qū)偌撅L(fēng)型大陸性氣候，多年均降水量624.4 mm，降水分布不均，年降雨量的74.8%集中在夏季，僅7、8月的降雨量就占年降雨量的63.2%。降水強(qiáng)度大，24 h最大降雨量達(dá)286.8 mm，陸地年均蒸發(fā)量為461.6 mm，全年平均風(fēng)速4.2 m/s。無(wú)霜期為209 d左右，研究區(qū)地下水位在1.0～3.0 m，土壤類型為中度鹽漬化土壤。平均凍土層深0.478 m，最大凍土層深0.64 m。土壤多為潮土類型(黏質(zhì)、輕質(zhì)鹽化)，含鹽量0.06% ～0.18%，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8% ～2.0%，地下淡水層320～600 m，礦化度1.5 g/L。選取試驗(yàn)地有代表性的地段，挖剖面實(shí)測(cè)試驗(yàn)地土壤狀況，具體見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)地土壤基本性狀Tab.1 Basic soil properties of coastal saline land

2 資料與方法

2.1 試驗(yàn)區(qū)樹(shù)木處理方式及布設(shè)

所選試驗(yàn)區(qū)遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)和道路，北邊是1條東西走向排水斗渠，南鄰農(nóng)地，東西兩側(cè)為南北走向排水支渠，大約深3 m，大體為長(zhǎng)方形，面積約1.3 hm2。試驗(yàn)在4月下旬開(kāi)始，首先進(jìn)行全面整地而后開(kāi)挖樹(shù)穴，樹(shù)穴底部分別設(shè)置爐渣和沙子隔鹽層，以進(jìn)行抑制鹽分運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究，樹(shù)穴規(guī)格為1 m×1 m×1 m。隔鹽層的2個(gè)處理分別為:1)處理Ⅰ，20 cm爐渣+10 cm秸稈+10 cm農(nóng)家肥:2)處理Ⅱ，20 cm沙子+10 cm秸稈+10 cm農(nóng)家肥(圖1);并設(shè)對(duì)照處理，其中每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共18個(gè)樣本。

2.2 氣象條件及測(cè)量方法

圖1 隔鹽層布設(shè)示意圖Fig.1 Arrangement diagram of salt layers

實(shí)驗(yàn)區(qū)中心地帶布設(shè)1口4.5 m深的潛水井，4月下旬開(kāi)始觀測(cè)地下水位的變化，此后每個(gè)月中下旬各觀測(cè)1次，每逢降雨加測(cè)地下水位的變化，每2天1次，連續(xù)觀測(cè)1周時(shí)間。采用Vantage Pro2全自動(dòng)氣象站(美國(guó)產(chǎn))觀測(cè)實(shí)驗(yàn)區(qū)各水文及氣象因子，用“WET SENSOR土壤水分溫度電導(dǎo)率速測(cè)儀”(英國(guó)產(chǎn))進(jìn)行土壤水分和鹽分的測(cè)定，電導(dǎo)率誤差為±10 ms/m，土壤含水量誤差為±0.03。從4月開(kāi)始，以后每月下旬測(cè)1次土壤剖面不同深度(表層、30和60 cm)的電導(dǎo)率和水分含量。采用挖土壤剖面和取土器采集相結(jié)合的方法進(jìn)行土壤剖面電導(dǎo)率、水分及溫度的測(cè)定。每個(gè)隔鹽層處理觀測(cè)8個(gè)點(diǎn)，相鄰2點(diǎn)的距離間隔為6 m，各觀測(cè)點(diǎn)隨機(jī)排列，同一隔鹽層處理每層土壤取2個(gè)點(diǎn)，對(duì)照觀測(cè)與上同。每次數(shù)據(jù)采完后，用烘干法進(jìn)行水分原位測(cè)定結(jié)果的誤差校正，數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS16.0進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水位對(duì)降雨的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

試驗(yàn)區(qū)距海岸有20 km，區(qū)內(nèi)排水系統(tǒng)為干、支、斗、農(nóng)、毛渠中的斗渠和支渠。試驗(yàn)區(qū)遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)和道路，無(wú)人為干擾活動(dòng)，排除地下水位的變化中人為等因素影響。結(jié)果顯示，所在試驗(yàn)區(qū)地下潛水位不存在周期性，且與降雨因素有較大關(guān)聯(lián)，基本排除本區(qū)地下水位的變化受海潮的影響。至2007年雨季結(jié)束，降雨量為392.7 mm，遠(yuǎn)少于多年平均降雨量624.24 mm，為干旱年份。

通過(guò)定期觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，區(qū)域地下水位在觀測(cè)季平均深度1.97 m，每月的變異系數(shù)較大，最大變異系數(shù)達(dá)到1.9，此時(shí)恰為降雨量最高的時(shí)候，地下水位月相變化劇烈，說(shuō)明試驗(yàn)區(qū)地下水位與降雨量存在較大關(guān)聯(lián)性。由圖2分析整個(gè)5、6、7月可以發(fā)現(xiàn)，5月降雨量最大值達(dá)到24 mm，此時(shí)地下潛水位的變化量?jī)H為0.2 m。，5和6月降雨稀少，地下水位也基本維持在2.3～2.5 m之間。7月初由于強(qiáng)降雨，地下水位急劇抬高，變化劇烈，達(dá)到最小觀測(cè)期0.68 m，此時(shí)鹽分隨地下水一起上移，對(duì)深根性植物產(chǎn)生較大影響，另外還說(shuō)明降雨與地下水埋深雖然相關(guān)，但并不是每次降雨都會(huì)影響地下水位的變化。因?yàn)楫?dāng)降雨量較小時(shí)，由于地面的強(qiáng)烈蒸發(fā)作用，降雨無(wú)法有效補(bǔ)給，地下水即已損失殆盡，只有當(dāng)降雨強(qiáng)度和降雨量達(dá)到一定程度后，才會(huì)顯著影響地下水位;因此，在一定的降雨強(qiáng)度下，地下水位具有穩(wěn)定性。在試驗(yàn)地觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單次降雨或短期內(nèi)間歇性降雨累計(jì)達(dá)到80 mm或以上時(shí)，地下水位迅速抬高，80 mm降雨量即為該地區(qū)能引起地下水位產(chǎn)生較大變化的臨界值。同期觀測(cè)支渠和斗渠積水均有較大深度，說(shuō)明在自然排水條件下，尤其在雨季降雨無(wú)法及時(shí)排出，需要通過(guò)水泵等人為措施排水排鹽，避免發(fā)生澇災(zāi)和因水位上升而引起的土壤返鹽。

圖2 降雨量及地下水位年變化Fig.2 Changes of rainfall and underground water

3.2 土壤含水量及電導(dǎo)率隨時(shí)間變化分析

3.2.1 表層 因?yàn)樵囼?yàn)區(qū)內(nèi)不同部位土壤鹽分存在較大差異，所以在分析土壤鹽分變化時(shí)，可以有效分析有隔鹽層和無(wú)隔鹽層對(duì)土壤剖面鹽分變化的趨勢(shì)，而無(wú)法準(zhǔn)確分析有無(wú)隔鹽層對(duì)土壤鹽分的改變程度。根據(jù)土壤水動(dòng)力學(xué)原理，土壤水吸力能夠反映非飽和土壤中土壤水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力［7］。由圖3可以看出，在土壤表層，土壤含水量與降雨強(qiáng)度有密切關(guān)系，在7、8、10月?tīng)t渣、沙子和對(duì)照處理措施下土壤含水量普遍都較高，相同觀測(cè)時(shí)間中各處理之間的差異性并不大。7月出現(xiàn)1次127 mm的最大降雨量，恰好在此時(shí)表層土壤含水量達(dá)到觀測(cè)期中的最高值。在5月由于白蠟栽植后進(jìn)行了灌溉，壓鹽后強(qiáng)烈的地表蒸發(fā)使土壤的鹽分發(fā)生表聚，反映在電導(dǎo)率上有較高的電導(dǎo)率值。到7月由于強(qiáng)降雨，地下水位急劇抬高，達(dá)到觀測(cè)期最小的0.68 m;但是土壤表層的鹽分卻大幅下降，說(shuō)明此時(shí)降雨的淋洗對(duì)表層土壤鹽分的降低起了主導(dǎo)作用。土壤表層的平均鹽分含量?jī)H136.67 ms/m，是5月份的1/4。到8、9月由于氣溫較高，蒸發(fā)量大，而此時(shí)降雨相對(duì)減少，從圖中可以看出，土壤鹽分含量有較大程度的升高，說(shuō)明隨著水分的蒸發(fā)，鹽分源源不斷地從底層得到補(bǔ)給。由于隔鹽層距地面有一段距離，在土壤表面含鹽量可能也會(huì)受臨近地段鹽分橫向運(yùn)動(dòng)的影響，所以各處理層之間鹽分變化差異性不大。圖中反映出表層土壤含水量主要受蒸發(fā)的控制，基本不受隔鹽層的影響。

圖3 2007年土壤表層土壤含水量和電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化Fig.3 Diagram of changes of soil moisture content and electric conductivity over time on surface soil in 2007

3.2.2 距地表30 cm處 由圖4可以得出，在30 cm深處各種處理措施下土壤含水量的變化受降雨影響的程度比在地表處受到的影響小，其變化程度與土壤表層有一定差異性。在7月由于強(qiáng)降雨的淋洗作用，鹽分隨水分下移，雖然地下水位在上升，但是有隔鹽層的阻隔，鹽分隨地下水的上升并未對(duì)該層電導(dǎo)率產(chǎn)生較大影響，所以總體上看總的含鹽量是下降的。8、9月由于地面強(qiáng)烈的蒸發(fā)及白蠟葉片的蒸騰作用，使深層次土壤鹽分有上升的趨勢(shì)。在這個(gè)層次深度的土壤中，鹽分含量的變化與地下水位的升降是有關(guān)聯(lián)的。從圖中還可以看出，有隔鹽層處理的土壤中鹽分變化幅度要小于對(duì)照組，并且經(jīng)過(guò)1個(gè)雨季后，土壤總的含鹽量在下降，爐渣隔鹽層處理的電導(dǎo)率從5月的591 ms/m下降到了10月的493 ms/m，沙子隔鹽層處理的電導(dǎo)率從558 ms/m下降到501 ms/m，對(duì)照組則從384 ms/m略有上升，達(dá)到394 ms/m，在此深度爐渣的隔鹽效果要好于沙子隔鹽層。隔鹽層的存在延緩了降雨的下滲過(guò)程，使水分下滲過(guò)程中能夠溶解更多鹽分，從而使淋洗效果加強(qiáng)。強(qiáng)降雨和隔鹽層的存在能夠起到洗鹽和阻鹽作用，這對(duì)于根系深度在30 cm左右的植物比較有利。

圖4 2007年30 cm深度土壤含水量和電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化Fig.4 Diagram of changes of soil moisture content and electric conductivity over time at 30 cm depth in 2007

3.2.3 距地表60 cm處 如圖5所示，由于60 cm深度土層的土壤剖面與隔鹽層相銜接，水分一定程度上受降雨入滲深度和地水位及隔鹽層的三重影響。由于土壤界面存在水分張力，當(dāng)土壤含水量未達(dá)到飽和時(shí)，隨土壤水分的增大，該層土壤水分出現(xiàn)積累的狀況，土壤含水量要比地表和30 cm處都要大。7月降雨量最大，表層土壤鹽分隨著雨水的下滲下滲，到達(dá)底層隔鹽層時(shí)，較深層的鹽分隨水被排出，引起土壤電導(dǎo)率下降。而對(duì)照組由于缺少了隔鹽層的存在，鹽分可以隨水分繼續(xù)上升，而此時(shí)的地下水位僅有0.64 m，使得60 cm土壤深度土壤鹽分有上升的趨勢(shì)，說(shuō)明該層次土壤中鹽分受地下水位和降雨淋洗的雙重作用影響強(qiáng)烈。從圖中還可以看出，在整個(gè)雨季中不同隔鹽層作用下鹽分的變化規(guī)律是不一樣的，爐渣隔鹽層從810 ms/m下降到582 ms/m，沙子隔鹽層從607 ms/m下降到560 ms/m，從減小鹽分的上升幅度上來(lái)看，爐渣的隔鹽效果要好于沙子。到了8、9月隨著地面強(qiáng)烈的蒸發(fā)和白蠟旺盛的蒸騰作用土壤鹽分逐漸往地面富集，而地下水位下降，地下水?dāng)y帶的鹽分隨之下降，使在60 cm深處土壤鹽分逐漸下降，地表和30 cm處的鹽分卻上升。

圖5 2007年60 cm深度土壤含水量和電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化Fig.5 Diagram of changes of soil moisture content and electric conductivity over time at 60 cm depth in 2007

4 結(jié)論與討論

1)試驗(yàn)區(qū)降雨強(qiáng)度和降雨量對(duì)地下水位有一定的影響。該區(qū)蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，少量的降雨并不能有效補(bǔ)給地下水位，無(wú)法使水位抬高;但當(dāng)單次降雨或短期內(nèi)間歇性降雨累計(jì)達(dá)到80 mm時(shí)，這種影響極顯著，地下水位迅速上升。說(shuō)明:此時(shí)已經(jīng)達(dá)到渠道排水能力極限，需要人為干預(yù)強(qiáng)排，以減小深層土壤鹽分水地下水上移帶來(lái)的危害。

2)由于區(qū)域鹽堿分布不均勻，爐渣隔鹽層處理和無(wú)隔鹽層土壤剖面含鹽量本底值不同，因此不再作對(duì)照比較。但在30及60 cm處其變化的程度和趨勢(shì)卻表現(xiàn)出明顯的不同，有隔鹽層處理鹽分隨降雨及蒸發(fā)變化程度要明顯小于對(duì)照，在年變化中隔鹽層對(duì)鹽分的排出和抑制返鹽作用明顯，對(duì)照組則出現(xiàn)了返鹽現(xiàn)象。

3)沙子隔鹽層與爐渣隔鹽層對(duì)土壤水分和鹽分的影響一致，都能起到增加土壤含水量和隔鹽作用，土壤剖面水分含量與對(duì)照比都有明顯增加。從抑制返鹽效果的土壤鹽分年內(nèi)變化來(lái)看，爐渣要好于沙子。

4)在旱季，土壤表層的返鹽作用強(qiáng)烈，因此淺根性植物此時(shí)一定要做好排鹽措施。在鹽堿地植樹(shù)造林時(shí)，最好要布設(shè)隔鹽層，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在30到60 cm深層土壤鹽分也有變化;但變化幅度不大，且總體上有相對(duì)減小的趨勢(shì)。

降雨量、土壤鹽分和地下水位之間有一定的關(guān)聯(lián)，本實(shí)驗(yàn)未涉及相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有條件的單位和個(gè)人可布置相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。此外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隔鹽層厚度與土壤鹽分的變化也有一定關(guān)系，也可進(jìn)行相關(guān)研究，找出隔鹽層厚度的最佳比例，為今后提高鹽堿地造林成活率提供技術(shù)支撐。

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