不同潜水埋深下浅层土壤的水盐分布特征

李小倩，夏江宝，赵西梅，杨吉华

(1.山东农业大学林学院 山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室，271018，山东泰安；2.滨州学院 山东省黄河三角洲生态环境重点实验室， 256603，山东滨州)

不同潜水埋深下浅层土壤的水盐分布特征

李小倩1,2，夏江宝2†，赵西梅1,2，杨吉华1

(1.山东农业大学林学院 山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室，271018，山东泰安；2.滨州学院 山东省黄河三角洲生态环境重点实验室， 256603，山东滨州)

浅层土壤水盐分布是影响植物幼苗生长的主要因子。为探讨潜水埋深对浅层土壤水盐分布特征的影响，以黄河三角洲建群种3年生柽柳苗木栽植的土壤柱体为研究对象，在咸水矿化度下(6.0 g/L)，模拟设置0.3、0.6、0.9、1.2、1.5和1.8 m共6种潜水水位，测定分析不同潜水埋深下，土壤表层0～10和10～20 cm土层的土壤相对含水量、含盐量及土壤溶液绝对浓度等水盐参数。结果表明：10～20 cm土壤相对含水量高于0～10 cm，随潜水水位的增加，土壤相对含水量均显著降低， 且0～10 cm土壤相对含水量随潜水水位降低幅度远高于10～20 cm，均在1.2～1.5 m处土壤相对含水量减少率最大；0～10 cm土层含盐量随潜水水位的增加，表现为先升高后降低，在1.2 m潜水水位处含盐量达到最大值(1.38%)，比0.3 m处增加106.35%。10～20 cm土层土壤含盐量随不同潜水水位的变化较为复杂，在潜水水位0.3～0.9 m变化平稳，在1.2 m处升高，在1.5～1.8 m降低，在1.2 m潜水水位处含盐量达到最大值(1.33%)，比0.3 m处增加304.04%；0～10 cm土层土壤溶液绝对浓度随潜水水位的增加，呈指数函数增加，以1.2 m处最大(17.12%)，10～20 cm土层土壤溶液绝对浓度随潜水水位的增加，先升高后降低，以1.2 m处最大(10.10%)。在0～20 cm土层土壤相对含水量与潜水水位呈显著负相关(P<0.01)，与土壤含盐量呈显著正相关(P<0.05)，土壤溶液绝对浓度在0～10 cm与潜水水位呈显著(P<0.01)正相关，与土壤相对含水量呈显著(P<0.01)负相关，却在10～20 cm与土壤含盐量呈显著(P<0.01)正相关。该研究为黄河三角洲土壤次生盐渍化的防治及柽柳栽植管理，提供理论依据和技术参考。

潜水水位； 土壤水分； 土壤盐分； 土壤溶液绝对浓度； 分布特征； 柽柳

黄河三角洲是百余年黄河冲积而成的新陆地，包含典型的多重生态界面，生态系统较为特殊，具有重要的生态功能和科学研究价值[1]。近年来，由于黄河三角洲土壤次生盐渍化严重，使该区域植被退化严重，加剧了当地的水土流失及养分缺失[2]。土壤盐碱化已成为制约黄河三角洲农林业发展的重要因素，然而盐渍土的形成与地下水位高低和矿化度大小密切相关[3]，土壤水盐运移亦与潜水埋深和矿化度密切相关[4-7]；因此，对于不同潜水埋深下，土壤的水盐分布特征及运移特征，已成为泥质海岸带盐碱地研究的热点问题之一。

土壤盐渍化是由自然或人为因素引起的严重环境问题，是制约农业生产和生态环境可持续发展的主要因素之一[8]。在浅埋条件下，黄河三角洲地下水中的盐分极易通过毛管上升作用不断向地表累积，造成不同程度的土壤盐渍化[9-10]，并进一步通过根系作用影响植物生长，严重抑制了该区域的植被恢复与生态重建。目前对黄河三角洲地下水位及土壤水盐特征的研究，多侧重于水盐空间变异特征[11]、地下水对植被类型和植物群落分布的影响[12-13]、地下水位与土壤水分或土壤盐分的互作关系[14-16]以及土壤水盐动态变化[17-18]等方面；而对咸水矿化度下、不同潜水埋深下的土壤水盐分布特征缺乏系统研究，以致在盐碱地改良和因潜水水位埋深变化引起的水盐交互胁迫，影响植物生长等方面存在理论和技术难题，在一定程度上制约盐碱地的土壤改良和有效利用。因此，为有效探明咸水矿化度条件下，不同潜水埋深下土壤剖面水分和盐分的分布特征，以黄河三角洲建群种柽柳(TamarixchinensisLour.)栽植的土壤柱体为研究对象，探讨柽柳栽植条件下，不同潜水水位下的土壤水盐分布规律，揭示潜水水位与土壤盐分积累的变化过程，为黄河三角洲土壤次生盐渍化的防治及柽柳栽植管理，提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料与设计

研究地点选择山东省黄河三角洲生态环境重点实验室的可控科研温室内(E 117°58′57″，N 37°22′56″)。供试土壤取自黄河下游滩地，土壤质地为粉砂壤土，初始含水率为6.56%，初始含盐量达0.01%，土壤密度为1.32 g/cm3，田间持水率为37.86%的原状土。地下水用黄河三角洲泥质海岸带的海盐配置，其方法为称取天然海盐0.72 kg，放到塑料桶内，加入120 L纯净水，并搅拌均匀，测其pH值为8.03，电导率为16.2 ms/cm，盐度(盐度表示每千克水中所含的溶解的盐类物质的量，即水中盐的浓度)为0.94%，矿化度为6 g/L，属于咸水。黄河三角洲地下潜水普遍埋深较浅(平均埋深为1.14 m)[19]，在此矿化度下，分别设置0.3、0.6、0.9、1.2、1.5和1.8 m共6个潜水水位，每水位下设置3个重复。

具体实验设计如下：在温室内，挖沟放置水桶，桶高69 cm，下内径45.5 cm(外径48 cm)，上内径57 cm(外径62 cm)。水桶内放PVC圆管(内径30 cm)，高度依据设计的水位深进行不同长度的加工(模拟潜水水位深+实际淹水深度0.55 m+顶端空隙层0.03 m)，PVC圆管的高度分别为0.88、1.18、1.48、1.78、2.08和2.38 m(图1)。PVC圆管内按照潜水水位填装原状土样，尽量避免大的扰动，外围水桶内加入配置好的咸水，使桶内水深保持在0.55 m，每天定时检查、补充地下水，保持地下水位恒定。在PVC圆管内栽植3年生柽柳苗木，苗木统一截干处理，地上留高60 cm，根茎平均为1.3 cm，根系长度12～16 cm，每个PVC圆管内可先栽植2～3株苗木，正常栽植管理约1个月后，每容器内留1株长势最好的苗木。

1.柽柳 Tamarix chinensis Lour.; 2.土壤 Soil; 3.地下水 Groundwater; 4.淹水区 Flooded area 0.55 m; 5.潜水水位 Groundwater table 0.3-1.8 m; 6.空隙层 Porous layers 0.03 m.图1 栽植柽柳的土柱模拟示意图和实景图Fig.1 The soil columns planted with Tamarix chinensis Lour.

1.2 测定方法与指标

2015年3月初进行试验布设， 6月份进行土壤水盐参数的测定。实验均在恒温大棚内进行，无降雨、灌溉，环境指标与外界大气一致，考虑到柽柳幼苗根系生长的主要土层(0～20 cm)，选取0～10和10～20 cm的土层进行土壤水盐参数测定。采用孔径为2.0 cm的土钻进行土壤采样，每PVC管随机选取5个样点样品作为一个混合样，分别取3个土柱为3次重复。烘干法测定土壤质量含水量，土壤相对含水量(RWC，%)为土壤质量含水量与田间持水量的比值；土壤含盐量(Sc)的测定，采用残渣烘干法，水土比为5∶1；土壤溶液绝对浓度(CS)为土壤含盐量(占干土质量分数，%)与土壤含水量(占干土质量分数，%)的比值[20]。

1.3 数据处理

原始数据处理和图表制作运用 Excel 2013，差异显著性和相关性分析运用SPSS19。

2 结果与分析

2.1 土壤含水量随潜水水位的变化规律

由图2可知，在0～10 cm土层，土壤RWC均值在1.37%～31.08%，变异系数达88.30%，土壤RWC在潜水水位1.5和1.8 m处无显著差异(P>0.05)外，其余潜水水位RWC均存在显著差异(P<0.05)。随潜水水位的增加，土壤RWC均值逐渐降低，但土壤RWC的降低幅度随潜水水位的不同，表现出较大差异，其中，1.8、1.5、1.2、0.9和0.6 m土壤RWC分别比0.3 m下降了95.60%、92.93%、74.14%、51.36%和33.48%。分析表明，土壤RWC的减少率在0.3～0.6 m逐渐升高， 1.5 m处达到最大值，为72.63%。

a: 0～10 cm土层，b :10～20 cm土层。以下图示均相同。a: 0-10 cm soil layer, b: 10-20 cm soil layer.The icons in the following figures and tables mean identically. 图2 潜水水位与土壤表层含水量的关系Fig.2 Relationship between the relative water content (RWC) and the diving water level(DWL)

在10～20 cm土层，土壤RWC均值在7.72%～29.87%，变异系数达52.03%。土壤RWC除潜水水位1.5和1.8 m无显著差异外，其余潜水水位之间均差异显著(P<0.05)。随潜水水位的增加，土壤RWC均值逐渐降低，其中，1.8、1.5、1.2、0.9和0.6 m下的土壤RWC分别比0.3 m下降73.02%、74.17%、55.71%、32.94%和23.48%。在潜水水位0～1.5 m范围，土壤水分减少率随潜水水位的增加而增大，在1.2～1.5 m减少率最大，达41.68%，在1.5～1.8 m土壤水分反而相应增加，但增加幅度较小，仅为4.44%。

图3 潜水水位与土壤表层含盐量的关系Fig.3 Relationship between the salt content and the diving water level

土层0～10和10～20 cm的土壤RWC均随潜水水位的增加显著降低，两者呈显著负相关(P<0.05)；但10～20 cm土壤RWC均高于0～10 cm，且随着潜水水位的增加，差异性越大，在潜水水位1.8 m处，其土壤RWC为0～10 cm的5.87倍。从土壤RWC随潜水水位的变化规律可以看出，0～10 cm土层RWC随潜水水位降低幅度远高于10～20 cm，即潜水水位对0～10 cm土层RWC的影响要大于10～20 cm土层。

2.2 土壤含盐量随潜水水位的变化规律

在0～10 cm土层，土壤含盐量随潜水水位的变化表现为先升高后降低的抛物线型(图3)，均值范围在0.25%～1.38%之间，变异系数57.69%。其中，潜水水位1.2、0.9和0.6 m下的土壤含盐量分别比0.3 m增加106.35%、47.76%和27.21%，潜水水位1.8和1.5 m下土壤含盐量分别比0.3 m减小63.00%和54.09%。土壤含盐量在潜水水位0.3～1.2 m处迅速增大，其中在潜水水位0.9～1.2 m处，呈现指数函数增长趋势，潜水水位1.2～1.5 m处迅速降低，且含盐量在潜水水位1.5和1.8 m处均低于0.3 m处。

10～20 cm土层的土壤含盐量随不同潜水水位的变化较为复杂，在潜水水位0.3～0.9 m变化较为平稳，在1.2 m处显著升高，在1.5～1.8 m又显著降低，均值范围在0.14%～1.33%之间，变异系数92.52%。其中，1.8、0.9和0.6 m潜水水位下的土壤含盐量分别比0.3 m下降58.08%、18.43%和16.16%，1.5和1.2 m下的土壤含盐量分别比0.3 m增加47.22%和304.04%。在潜水水位0～0.9 m，土壤含盐量逐渐降低，且差异性不显著(P>0.05)，在1.2 m处达到最大值，1.2～1.8 m土壤含盐量明显下降，潜水水位1.8 m处土壤含盐量最低。

2.3 土壤溶液绝对浓度随潜水水位的变化规律

一般研究把土壤全盐量(包括游离态的盐和存在于土壤矿物晶格中的盐)作为作物的耐盐指标，但盐分只有溶解到土壤溶液中，才会对作物产生直接的危害，因而盐害的诊断以土壤溶液盐浓度作为指标会更准确[19]。由图4可知，0～10 cm土层的土壤溶液绝对浓度(CS)随潜水水位的增加，呈指数函数增加，均值在2.17%～17.12%之间，在潜水水位0～0.9 m随潜水水位的增加，CS大致呈指数函数增长，在1.2～1.8 mCS差异不显著，且以1.2 m处最大(17.12%)。10～20 cm土层的土壤溶液绝对浓度(CS)随潜水水位的增加，先升高后降低，均值在1.10%～10.10%之间，在0.3～0.9 mCS差异不显著，但与潜水水位1.2～1.8 m差异显著(p<0.01)，以1.2 m处最大(10.10%)。

图4 潜水水位与土壤表层溶液绝对浓度关系Fig.4 Relationship between the absolute concentration(CS) and the diving water level

柽柳土壤柱体的土壤溶液绝对浓度在各个潜水水位下，0～10 cm土层均高于10～20 cm土层，随土壤深度的增加显著下降，这主要是因为在0～10 cm土层土壤含盐量较10～20 cm土层高，而含水量较10～20 cm处低；但均在潜水水位1.2 m处最大，这可能是因为地下水位抬升，导致盐分向表层积聚[14]。0～10 cmCS随潜水水位埋深(0～0.9 m)显著增加，且增加量显著高于10～20 cm，可见表土层CS在潜水水位0～0.9 m呈现升高的趋势，主要是由于0～10 cm土层的影响。在潜水水位1.2～1.8 m处，0～10 cm土层CS无明显差异，但在10～20 cm土层CS却明显降低，在潜水水位1.8 m处与-10 cm土层、0 m潜水位处CS无明显差异，说明10～20 cm土层对潜水水位1.5～1.8 m的CS有一定影响。

2.4 土壤水盐参数与潜水水位的相关性分析

研究在温室大棚内，因气候恒定，且土壤类型一致，植株均为柽柳幼苗，故只针对水盐参数及其与潜水水位进行相关性分析。由表1可知，0～10和10～20 cm土层土壤RWC与潜水水位均呈极显著负相关(P<0.01)，与土壤含盐量呈显著正相关(P<0.05)；0～10 cm土层CS与潜水水位呈极显著正相关(P<0.01)，与土壤相对含水量呈极显著负相关(P<0.01)，而10～20 cm土层CS仅与土壤含盐量呈极显著正相关(P<0.01)；0～20 cm土层土壤含盐量与潜水水位的相关性不显著。这与夏江宝等[20]整个土壤剖面水盐参数与潜水水位的相关性有一定差异，土壤溶液绝对浓度与含盐量、含水量分别呈极显著正相关(P<0.01)和负相关(P<0.01)，这也表明随着土壤剖面层次的不同，土壤水盐参数与潜水水位的相关性有一定差异。0～10和10～20 cm土层内，土壤水盐参数变异系数要高于深层土壤，且土壤水分变化较深层活跃[21]，笔者更为细化了土壤水盐参数与潜水水位的变化规律，即0～10 cm土层CS主要受土壤RWC的影响，10～20 cm土层CS主要受土壤含盐量的影响，且10～20 cm土层土壤RWC与潜水水位的相关性要高于0～10 cm，即土壤含水率分布与地下水埋深关系非常密切，越深层靠近地下水位，土壤的含水率与地下水埋深的相关关系越显著[22]。

表1 土壤水盐参数及其与潜水水位的相关系数

注：**表示达到0.01极显著水平, *表示达到0.05显著水平。 ** refers to a significant level at 0.01, * refers to a significant level at 0.05.SC: salt content.

3 讨论

土壤水分与潜水埋深密切相关，干旱区地下水埋深与0～20 cm的土壤含水量呈线性相关，且0～5 cm土层其线性方程斜率大于15～20 cm土层[15]。稻田根系层土壤水分与地下水埋深大致呈负相关的变化规律[19]。黄河下游滩地不同土层的相对含水量随潜水水位的增加显著降低，两者呈极显著负相关，且土壤水分随潜水水位的递减率、随土壤深度的增加明显减小[20]，这均与笔者研究相一致，即土壤RWC在0～20 cm土层，随潜水埋深呈线性负相关，土壤RWC随潜水水位的增加而显著降低，且0～10 cm土层的递减率大于10～20 cm土层；但0～20 cm土层土壤RWC均在潜水水位0.6 m处开始显著差异(P<0.05)，在1.5 m～1.8 m处无明显差异(P>0.05)，这可能是因为潜水水位较浅时，地下水通过毛细管作用充分供给包气带，土壤含水量增大[23]，而随潜水埋深增加至0.6 m，地下水向上运动到达表土层的能量消耗较高，土壤毛管吸力减弱，重力作用增强，水分上行能力减弱，致使土壤层含水量随着潜水水位的增加而显著下降。笔者得出0～20 cm土层的土壤RWC在潜水水位1.5 m减少率最大，这主要是因为随潜水水位变深，地下水对土壤0～10 cm的补给量减少，超过毛细管作用的临界深度[20]。

土壤盐分的积累过程其实是土壤潜水蒸发的过程，当潜水水位超过其蒸发极限深度时，盐分即不能到达地表。在浅埋深水位下，土壤盐分随潜水水位的增加而减小，两者之间可满足负相关或指数关系，但土壤盐分与潜水水位两者又并非同步升降[9]。在潜水水位低于2.0 m下，土壤盐分跟潜水水位表现出负相关关系或指数关系，然而土壤积盐又受潜水蒸发和地下水矿化度的影响，故其变化规律应该较为复杂。模拟实验是在矿化度及潜水蒸发稳定的条件下进行，在浅埋潜水下0～10 cm土层土壤能够较好的补充潜水蒸发带走的水盐，致使在潜水水位低于1.2 m时，土壤盐分随着潜水水位的增加而增加，甚至呈指数函数增加；而10～20 cm土层在潜水水位低于0.9 m时，土壤盐分随着潜水水位的增加而略微降低，这可能是因为潜水水位低，土壤盐分在表层迅速聚集类似形成一种结皮性质的保护层，降低水分蒸发，致使含盐量有降低趋势。土壤盐分随潜水水位的变化过程应存在潜水水位转折点[20]，1.2 m 水深应该是土壤盐分聚集发生转变的潜水水位，此水位土壤柱体盐分聚集最高。土壤盐分在不同潜水水位变化比例较大，但实际含盐量并不高，这主要是与栽植柽柳有关，研究表明，柽柳能显著降低表层土壤(0～20 cm)含盐量[24]，但柽柳对不同深度土壤盐分的影响仍需进一步的研究。

4 结论

1)在地下咸水(6 g/L)矿化度下，0～20 cm土层相对含水量随潜水水位的增加而显著降低，10～20 cm土壤相对含水量高于0～10 cm，且随着潜水水位的增加差异性增大，潜水水位对0～10 cm土层相对含水量的影响要大于10～20 cm土层。0～20 cm土层土壤相对含水量均在潜水水位1.2～1.5 m处变幅最大。

2)随潜水水位的增加，0～10 cm土层土壤含盐量均表现为先升高后降低，呈抛物线型。在0～1.2 m潜水位下，土壤含盐量增加显著，在1.2 m处达到最大值；10～20 cm土层土壤含盐量在潜水水位0～0.9 m土壤含盐量逐渐降低，在1.2 m处达到最大值。1.2 m是浅层土壤盐分聚集发生转变的潜水水位。

3)0～10 cm土层土壤溶液绝对浓度随潜水水位的增加，呈指数函数增加，10～20 cm土层土壤溶液绝对浓度随潜水水位的增加，呈现先升高后降低趋势，均以1.2 m处最大。土壤溶液绝对浓度在潜水水位0～0.9 m处，主要受0～10 cm土层的影响，在潜水水位1.5～1.8 m处，主要受10～20 cm土层的影响。0～10 cm土壤溶液绝对浓度主要受土壤相对含水量的影响，10～20 cm主要受土壤含盐量的影响。

4)在地下咸水(6 g/L)矿化度下，通过毛管吸力及大气蒸发作用，土壤内水分及盐分能上升到地表的最大潜水水位为1.2 m，土壤渍水、水分亏缺或含盐量过高，均可影响植物生长，所以可根据不同的植物根系深度，选择合适的潜水水位，确保植物正常生长发育。一般植物初始根系的主要生长层为20～40 cm，因此，比较适宜的潜水水位为1.4～1.6 m。从防止区域土壤盐渍化的角度考虑，也应采取合理措施，将潜水水位控制在不因蒸发而使土壤积盐的深度，从而实现土壤的改良及盐渍化的防治。

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Water and salt distribution characteristics of shallow soil at different diving water levels

LI Xiaoqian1, 2，XIA Jiangbao2, ZHAO Ximei1, 2, YANG Jihua1

(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Soil Erosion and Ecological Restoration, College of Forestry, Shandong Agricultural University, 271018, Tai’an, Shandong, China； 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Eco-environmental Science for Yellow River Delta， Binzhou University, 256603, Binzhou, Shandong, China)

[Background] Water and salt distribution of shallow soil are the main affecting factors of seedling growth. Taking soil columns planted withTamarixchinensisLour.(3-year-old), a constructive species in the Yellow River Delta as the research object, we aimed at studying how the diving water level (DWL) affects the water and salt distribution. [Methods] The experiment was carried out as such, first, planting theT.chinensisLour. to soil column in the greenhouse, configuring the salt water in which mineralization degree was 6 grams per liter with sea salt, then setting up 6 diving water levels of 0.3 m, 0.6 m, 0.9 m, 1.2 m, 1.5 m, and 1.8 m, and each level set 3 repeats. In the use of drying method and residue drying method, the relative water content (RWC), salt content and absolute concentration at soil depths of 0-10 cm and 10-20 cm in a simulated device with DWL of 0.3 m, 0.6 m, 0.9 m, 1.2 m, 1.5 m and 1.8 m were measured. [Results] The RWC in 10-20 cm was higher than that in 0-10 cm and decreased significantly with the DWL increased (0-20 cm), but the decreasing degree in 0-10 cm was much higher than that in 10-20 cm, the highest reduction of the RWC was at both 1.2 m and 1.5 m. The salt content (0-10 cm) increased at first and then decreased with the DWL increasing, reached peak at 1.2 m (1.38%) and increased by106.35% compared with that at 0.3 m. The salt content (10-20 cm) was complex with the DWL changing, it changed smoothly at 0.3-0.9 m and increased at 1.2 m then decreased at 1.5-1.8 m, reached maximum at 1.2 m (1.33%) and increased by 304.04% compared with 0.3 m. The absolute concentration (0-10 cm) exponentially increased with the DWL increasing and maximum at 1.2 m (17.12%).The absolute concentration (10-20 cm) increased at first and then decreased with the DWL increasing and was maximal at 1.2 m (10.10%). [Conclusions] The RWC was significantly negative with the DWL (P< 0.01) while significantly positive for the salt level (P< 0.05); the absolute concentration (0-10 cm) was significantly positive with the DWL (P< 0.01) but significantly negative with the DWL (P< 0.01), the absolute concentration (10-20 cm) was significantly positive with the salt level (P< 0.01). This study provides theoretical basis and technical reference for the prevention of soil salinization in the Yellow River Delta and the planting management ofT.chinensisLour.

diving water level; soil moisture; soil salinity; absolute concentration of soil; distribution characteristic;TamarixchinensisLour

2016-07-14

2016-11-27

项目名称： 国家自然基金面上项目“黄河三角洲柽柳对水位-盐分变化的生理生态响应过程与机制”(31370702);山东省重点研发计划项目“黄河三角洲盐碱地农田林网生态工程治理及配套生物修复技术研究与示范”(2015GNC111022)

李小倩(1992—)，女，硕士研究生。主要研究方向：流域综合治理。E-mail:mmysunchine@126.com

†通信作者简介： 夏江宝(1978—)，男，博士，教授，硕士生导师。主要研究方向：植被恢复与生态重建。E-mail:xiajb@163.com

S273.4

A

2096-2673(2017)02-0043-08

10.16843/j.sswc.2017.02.006