降雨及隔盐层对滨海盐碱地水盐运动的影响

殷小琳，丁国栋，张维城

(北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，100083，北京)

近年来，滨海区成为我国经济活动频繁的地区，加强和完善滨海区的生态环境建设，越来越重要。我国滨海盐渍土面积增长快，1974—1984年，每年增长约60.68 km2，1984年至今，平均每年新增20～23 km2［1］。土壤盐渍化现象也日益突出，土地盐渍化即由于自然或人为因素的影响，盐碱成分在土体中积聚，使其他土壤类型逐步向盐碱土转变的一种成土过程［2］。滨海盐碱地植物的生长条件相对较为恶劣，土壤含盐量较高及季节性土壤返盐是沿海滩涂植物立苗的限制因子，土壤物理和化学性状不良是植物生长发育的主要障碍［3］。较高的地下水位、强烈的水分蒸发、强烈的盐分表聚等使滨海盐碱地造林成活率低、保存率低，树木生长缓慢，同时也是限制滨海盐碱地区林业发展的一大瓶颈。为开发和利用这一土地资源，进行了不懈的努力，开展了各种形式的植树造林、土壤改良和农田开垦，取得了一定的成绩;但对滨海盐碱地造林和水盐运动规律相关关系的研究相对较少［4］。土壤中水盐运动是一个非常复杂的过程［5］，为了使盐碱地的造林取得良好经济社会和生态效益，首先要了解土壤水盐运动的基本规律，这是采取一切改良盐碱地措施的重要前提条件［6］。

本试验于2007年在河北沧州黄骅滨海盐碱造林地内展开，试验树种为白蜡(Fraxinus chinensis)。种植白蜡时在树穴底部设置炉渣和沙子隔盐层处理，通过5个月的观测与记录，研究隔盐层不同处理措施对不同深度(表层(0～5 cm)、30和60 cm)土壤水盐运动变化规律的影响，旨在阐明不同隔盐层及植物生长过程对滨海盐碱地土壤含盐量和造林的影响，为滨海盐碱地林业的发展提供有效的治理方法。

1 试验地概况

试验地位于河北省东南部的河北沧州临港经济技术开发区，东临黄骅港，北依京津，西接华北平原，区域总面积268 km2，人口4.2万。试验地地处E 117°23'～117°39'，N 38°19'～38°29'。境内地势平坦，自西南向东北微微倾斜，海拔1.8～7.5 m。气候属季风型大陆性气候，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，仅7、8月的降雨量就占年降雨量的63.2%。降水强度大，24 h最大降雨量达286.8 mm，陆地年均蒸发量为461.6 mm，全年平均风速4.2 m/s。无霜期为209 d左右，研究区地下水位在1.0～3.0 m，土壤类型为中度盐渍化土壤。平均冻土层深0.478 m，最大冻土层深0.64 m。土壤多为潮土类型(黏质、轻质盐化)，含盐量0.06% ～0.18%，有机质质量分数0.8% ～2.0%，地下淡水层320～600 m，矿化度1.5 g/L。选取试验地有代表性的地段，挖剖面实测试验地土壤状况，具体见表1。

表1 试验地土壤基本性状Tab.1 Basic soil properties of coastal saline land

2 资料与方法

2.1 试验区树木处理方式及布设

所选试验区远离城镇和道路，北边是1条东西走向排水斗渠，南邻农地，东西两侧为南北走向排水支渠，大约深3 m，大体为长方形，面积约1.3 hm2。试验在4月下旬开始，首先进行全面整地而后开挖树穴，树穴底部分别设置炉渣和沙子隔盐层，以进行抑制盐分运动的实验研究，树穴规格为1 m×1 m×1 m。隔盐层的2个处理分别为:1)处理Ⅰ，20 cm炉渣+10 cm秸秆+10 cm农家肥:2)处理Ⅱ，20 cm沙子+10 cm秸秆+10 cm农家肥(图1);并设对照处理，其中每个处理3个重复，共18个样本。

2.2 气象条件及测量方法

图1 隔盐层布设示意图Fig.1 Arrangement diagram of salt layers

实验区中心地带布设1口4.5 m深的潜水井，4月下旬开始观测地下水位的变化，此后每个月中下旬各观测1次，每逢降雨加测地下水位的变化，每2天1次，连续观测1周时间。采用Vantage Pro2全自动气象站(美国产)观测实验区各水文及气象因子，用“WET SENSOR土壤水分温度电导率速测仪”(英国产)进行土壤水分和盐分的测定，电导率误差为±10 ms/m，土壤含水量误差为±0.03。从4月开始，以后每月下旬测1次土壤剖面不同深度(表层、30和60 cm)的电导率和水分含量。采用挖土壤剖面和取土器采集相结合的方法进行土壤剖面电导率、水分及温度的测定。每个隔盐层处理观测8个点，相邻2点的距离间隔为6 m，各观测点随机排列，同一隔盐层处理每层土壤取2个点，对照观测与上同。每次数据采完后，用烘干法进行水分原位测定结果的误差校正，数据采用Excel和SPSS16.0进行分析。

3 结果与分析

3.1 地下水位对降雨的动态响应

试验区距海岸有20 km，区内排水系统为干、支、斗、农、毛渠中的斗渠和支渠。试验区远离城镇和道路，无人为干扰活动，排除地下水位的变化中人为等因素影响。结果显示，所在试验区地下潜水位不存在周期性，且与降雨因素有较大关联，基本排除本区地下水位的变化受海潮的影响。至2007年雨季结束，降雨量为392.7 mm，远少于多年平均降雨量624.24 mm，为干旱年份。

通过定期观测发现，区域地下水位在观测季平均深度1.97 m，每月的变异系数较大，最大变异系数达到1.9，此时恰为降雨量最高的时候，地下水位月相变化剧烈，说明试验区地下水位与降雨量存在较大关联性。由图2分析整个5、6、7月可以发现，5月降雨量最大值达到24 mm，此时地下潜水位的变化量仅为0.2 m。，5和6月降雨稀少，地下水位也基本维持在2.3～2.5 m之间。7月初由于强降雨，地下水位急剧抬高，变化剧烈，达到最小观测期0.68 m，此时盐分随地下水一起上移，对深根性植物产生较大影响，另外还说明降雨与地下水埋深虽然相关，但并不是每次降雨都会影响地下水位的变化。因为当降雨量较小时，由于地面的强烈蒸发作用，降雨无法有效补给，地下水即已损失殆尽，只有当降雨强度和降雨量达到一定程度后，才会显著影响地下水位;因此，在一定的降雨强度下，地下水位具有稳定性。在试验地观测发现，当单次降雨或短期内间歇性降雨累计达到80 mm或以上时，地下水位迅速抬高，80 mm降雨量即为该地区能引起地下水位产生较大变化的临界值。同期观测支渠和斗渠积水均有较大深度，说明在自然排水条件下，尤其在雨季降雨无法及时排出，需要通过水泵等人为措施排水排盐，避免发生涝灾和因水位上升而引起的土壤返盐。

图2 降雨量及地下水位年变化Fig.2 Changes of rainfall and underground water

3.2 土壤含水量及电导率随时间变化分析

3.2.1 表层 因为试验区内不同部位土壤盐分存在较大差异，所以在分析土壤盐分变化时，可以有效分析有隔盐层和无隔盐层对土壤剖面盐分变化的趋势，而无法准确分析有无隔盐层对土壤盐分的改变程度。根据土壤水动力学原理，土壤水吸力能够反映非饱和土壤中土壤水的运动规律，是非饱和土壤水运动的驱动力［7］。由图3可以看出，在土壤表层，土壤含水量与降雨强度有密切关系，在7、8、10月炉渣、沙子和对照处理措施下土壤含水量普遍都较高，相同观测时间中各处理之间的差异性并不大。7月出现1次127 mm的最大降雨量，恰好在此时表层土壤含水量达到观测期中的最高值。在5月由于白蜡栽植后进行了灌溉，压盐后强烈的地表蒸发使土壤的盐分发生表聚，反映在电导率上有较高的电导率值。到7月由于强降雨，地下水位急剧抬高，达到观测期最小的0.68 m;但是土壤表层的盐分却大幅下降，说明此时降雨的淋洗对表层土壤盐分的降低起了主导作用。土壤表层的平均盐分含量仅136.67 ms/m，是5月份的1/4。到8、9月由于气温较高，蒸发量大，而此时降雨相对减少，从图中可以看出，土壤盐分含量有较大程度的升高，说明随着水分的蒸发，盐分源源不断地从底层得到补给。由于隔盐层距地面有一段距离，在土壤表面含盐量可能也会受临近地段盐分横向运动的影响，所以各处理层之间盐分变化差异性不大。图中反映出表层土壤含水量主要受蒸发的控制，基本不受隔盐层的影响。

图3 2007年土壤表层土壤含水量和电导率随时间的变化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处 由图4可以得出，在30 cm深处各种处理措施下土壤含水量的变化受降雨影响的程度比在地表处受到的影响小，其变化程度与土壤表层有一定差异性。在7月由于强降雨的淋洗作用，盐分随水分下移，虽然地下水位在上升，但是有隔盐层的阻隔，盐分随地下水的上升并未对该层电导率产生较大影响，所以总体上看总的含盐量是下降的。8、9月由于地面强烈的蒸发及白蜡叶片的蒸腾作用，使深层次土壤盐分有上升的趋势。在这个层次深度的土壤中，盐分含量的变化与地下水位的升降是有关联的。从图中还可以看出，有隔盐层处理的土壤中盐分变化幅度要小于对照组，并且经过1个雨季后，土壤总的含盐量在下降，炉渣隔盐层处理的电导率从5月的591 ms/m下降到了10月的493 ms/m，沙子隔盐层处理的电导率从558 ms/m下降到501 ms/m，对照组则从384 ms/m略有上升，达到394 ms/m，在此深度炉渣的隔盐效果要好于沙子隔盐层。隔盐层的存在延缓了降雨的下渗过程，使水分下渗过程中能够溶解更多盐分，从而使淋洗效果加强。强降雨和隔盐层的存在能够起到洗盐和阻盐作用，这对于根系深度在30 cm左右的植物比较有利。

图4 2007年30 cm深度土壤含水量和电导率随时间的变化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处 如图5所示，由于60 cm深度土层的土壤剖面与隔盐层相衔接，水分一定程度上受降雨入渗深度和地水位及隔盐层的三重影响。由于土壤界面存在水分张力，当土壤含水量未达到饱和时，随土壤水分的增大，该层土壤水分出现积累的状况，土壤含水量要比地表和30 cm处都要大。7月降雨量最大，表层土壤盐分随着雨水的下渗下渗，到达底层隔盐层时，较深层的盐分随水被排出，引起土壤电导率下降。而对照组由于缺少了隔盐层的存在，盐分可以随水分继续上升，而此时的地下水位仅有0.64 m，使得60 cm土壤深度土壤盐分有上升的趋势，说明该层次土壤中盐分受地下水位和降雨淋洗的双重作用影响强烈。从图中还可以看出，在整个雨季中不同隔盐层作用下盐分的变化规律是不一样的，炉渣隔盐层从810 ms/m下降到582 ms/m，沙子隔盐层从607 ms/m下降到560 ms/m，从减小盐分的上升幅度上来看，炉渣的隔盐效果要好于沙子。到了8、9月随着地面强烈的蒸发和白蜡旺盛的蒸腾作用土壤盐分逐渐往地面富集，而地下水位下降，地下水携带的盐分随之下降，使在60 cm深处土壤盐分逐渐下降，地表和30 cm处的盐分却上升。

图5 2007年60 cm深度土壤含水量和电导率随时间的变化Fig.5 Diagram of changes of soil moisture content and electric conductivity over time at 60 cm depth in 2007

4 结论与讨论

1)试验区降雨强度和降雨量对地下水位有一定的影响。该区蒸发作用强烈，少量的降雨并不能有效补给地下水位，无法使水位抬高;但当单次降雨或短期内间歇性降雨累计达到80 mm时，这种影响极显著，地下水位迅速上升。说明:此时已经达到渠道排水能力极限，需要人为干预强排，以减小深层土壤盐分水地下水上移带来的危害。

2)由于区域盐碱分布不均匀，炉渣隔盐层处理和无隔盐层土壤剖面含盐量本底值不同，因此不再作对照比较。但在30及60 cm处其变化的程度和趋势却表现出明显的不同，有隔盐层处理盐分随降雨及蒸发变化程度要明显小于对照，在年变化中隔盐层对盐分的排出和抑制返盐作用明显，对照组则出现了返盐现象。

3)沙子隔盐层与炉渣隔盐层对土壤水分和盐分的影响一致，都能起到增加土壤含水量和隔盐作用，土壤剖面水分含量与对照比都有明显增加。从抑制返盐效果的土壤盐分年内变化来看，炉渣要好于沙子。

4)在旱季，土壤表层的返盐作用强烈，因此浅根性植物此时一定要做好排盐措施。在盐碱地植树造林时，最好要布设隔盐层，实验发现在30到60 cm深层土壤盐分也有变化;但变化幅度不大，且总体上有相对减小的趋势。

降雨量、土壤盐分和地下水位之间有一定的关联，本实验未涉及相关实验内容，有条件的单位和个人可布置相关实验研究。此外，实验发现隔盐层厚度与土壤盐分的变化也有一定关系，也可进行相关研究，找出隔盐层厚度的最佳比例，为今后提高盐碱地造林成活率提供技术支撑。

［1］盛云飞.崇明农业园区滨海盐渍土上园林树木的生长适应性研究［D］.南京:南京农业大学，2004

［2］江泽慧.世界及中国盐渍土改良利用概况.盐碱土绿化技术［M］.北京:中国林业出版社，2004:1-10

［3］林学政，陈靠山.种植盐地碱蓬改良滨海盐渍土对土壤微生物区系的影响［J］.生态学报，2006，26(3):802-807

［4］刘德辉，宋珍海，李荣锦，等.泥质海岸防护林对滩涂土壤的改良效果研究［J］.土壤通报，1998，29(6):245-247

［5］石元春.渍土的水盐运动［M］.北京:北京农业大学出版社，1986:36-42

［6］王遵亲.中国盐渍土［M］.北京:科学出版社，1995:114-124

［7］张蔚榛.地下水与土壤水动力学［M］.北京:武汉水利电力大学出版社.1996:213