混沙对黄河三角洲盐渍土盐分淋洗效果的影响

2022-01-24李靖江雷廷武

中国农村水利水电 2022年1期

高崧，亓波，李靖江，雷廷武，2

（1.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 271018；2.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083）

0 引言

土壤盐渍化是一个世界性的环境问题，严重制约农业和生态的可持续发展［1-3］。黄河三角洲是我国三大河口三角洲之一，拥有丰富的潜在耕地资源，但大面积的土壤盐渍化不仅限制作物生长，还降低了土地利用效率［4-6］。黄河三角洲由黄河冲积性沉积和海相沉积交互作用形成［7］，特殊的土地形成过程使得土壤结构致密、容重大、渗透性差，最终导致盐分浸出困难［8，9］。因此，如何提高盐分淋洗效率是该地区盐渍土改良的关键。

国内外专家和学者针对盐渍土盐分淋洗问题展开了众多研究。闫少锋等［10］研究发现土壤盐分淋洗量随着淋洗水量的增加而增大。对于淡水资源紧缺的地区，合理开发利用微咸水进行淋洗同样能够达到较好的淋洗效果［11，12］。土壤改良剂可以有效改善土壤性质，促进盐分浸出，因此被广泛应用于土壤盐分淋洗。潘德峰等［13］研究发现配施化学改良剂后灌水淋洗能够显著提高土壤脱盐率。Shaygan 等［14］研究得出施用膨润土能够提高土壤阳离子交换速率，降低交换性钠离子的含量。此外，生物炭、腐殖酸、脱硫石膏等改良剂的使用也都能促进土壤盐分的淋洗［15-17］。但是很多改良剂存在成本高、可持续性差等问题，混沙作为一种物理改良措施，能够有效改善土壤性质，加快土壤入渗［18］，是促进盐分淋洗的潜在方法。因此，本研究通过室内土柱试验分析了混沙对盐渍土盐分淋洗效果的影响，研究结果将为黄河三角洲地区盐渍土的改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤取自山东省东营市广饶县山东农业大学国际现代农业科教基地附近的耕地（37°18′22″N，118°39′27″E），取耕层0～30 cm 的土壤带回实验大厅，经自然风干、除杂、过筛后装袋密封备用。供试沙为风积沙。初始土壤的基本理化性质如表1 所示。经测定土壤砂粒（2～0.02 mm）、粉粒（0.02～0.002 mm）、黏粒（＜0.002 mm）含量分别为40.93%、50.22%、8.85%，根据国际制土壤质地分级标准，供试土壤为粉砂质壤土。

表1 供试土壤的理化性质Tab.1 The physical and chemical properties of experiment soil

1.2 试验装置

淋洗试验装置主要包括土柱、马氏瓶和钢架3 部分。土柱由有机玻璃材料制成，高度为40 cm，内径为10 cm；土柱底部均匀的设有直径为2 mm 的小孔，用以收集淋出液。马氏瓶高度为50 cm，内径为8 cm，淋洗过程中利用马氏瓶控制淋洗入渗水头为5 cm。钢架用于固定有机玻璃土柱使其悬空，以便于从土柱底部收集淋出液。淋洗试验装置如图1所示。

图1 淋洗试验装置图Fig.1 The leaching experiment device

1.3 试验方法

1.3.1 土柱填装

试验共设计0%、20%和50%（对应土沙质量比为10∶0、8∶2和5∶5）3个混沙量。各处理土柱内填土高度均为30 cm，填装土柱前首先将供试土壤和沙按设计混沙量混合均匀，然后按土壤容重1.5 g∕cm³每5 cm 一层均匀填装，每两层之间用工具进行打毛处理，共填装6层。各土柱填装完成后均自然沉降24 h，然后再进行淋洗试验。

1.3.2 试验过程

淋洗试验从灌水开始，至淋出液体积达到2 500 mL 结束，利用马氏瓶控制淋洗入渗水头为5 cm，淋洗用水为去离子水。试验中淋出液前500 mL每50 mL接一次，500 mL以后每100 mL接一次，一共接30次，每次接出立刻测量其电导率，记录淋出液电导率随淋出液体积的变化。试验结束后立刻排干土壤表层积水，将淋洗后土壤从土柱中倒出并混合均匀，测量淋洗后土壤pH值和八大离子含量。

1.4 测量项目及方法

土壤电导率（水土比5∶1浸提）和pH值（水土比2.5∶1浸提）分别用电导率仪和pH 计测定，淋出液电导率直接由电导率仪测量；八大离子测定：将待测土样按水土比5∶1 浸提，测量浸提液离子含量，K+和Na+用火焰光度法；Ca2+和Mg2+用EDTA 络合滴定法；CO32-和HCO3-用双指示剂中和滴定法；Cl-用硝酸银滴定法；SO42-用EDTA间接络合滴定法。

1.5 数据处理与分析

在Excel 2016 中对试验数据进行整理，所有数据均取三次重复的平均值；利用Origin 2018 进行绘图；通过SPSS 25.0 软件中的单因素方差分析及LSD多重比较来确定各处理间的差异。

2 结果与讨论

2.1 土壤盐分淋洗速度的变化

图2 显示了不同混沙量土壤淋洗结束（淋出液达到2 500 mL）所需要的时间，从图2 中可以看出，土壤不混沙时盐分淋洗速度十分缓慢，整个淋洗过程耗时达到694.6 h，而混沙20%和50%的土壤淋洗时间分别为348.0 h和104.8 h，与未混沙土壤相比缩短了49.9%和84.9%，均达到显著性差异（p＜0.05）。由此可见，混沙显著提高了盐分淋洗速度，缩短了淋洗时间，且混沙量越大淋洗时间越短。孙婴婴等［19］认为混沙能够改变土壤颗粒组成，增加砂粒含量，改善盐渍土质地过于细密的问题，这也是混沙能够促进盐渍化土壤入渗，缩短盐分淋洗的时间的主要原因。

图2 淋洗时间随混沙量的变化Fig.2 Variation of leaching time with sand-incorporation rate

2.2 淋出液电导率的变化

图3为不同混沙量土壤淋洗过程中淋出液电导率随淋出液体积的变化。从图中可以看出，各处理淋出液电导率的变化趋势相似。在淋洗初期，由于土壤中总盐分含量很高，大量的可溶性盐随水流快速向下运动而被淋洗出土壤，因此淋出液的电导率开始时很高且下降速度很快；随着淋洗过程的推进，土壤中的总盐分含量越来越低且大多被土壤颗粒吸附在小孔隙中，因此，淋出液的电导率变化也越来越小，最后基本达到稳定不变。这与王鹏山等［20］和翟亚明等［21］的研究结果相似。从图中还可以看出，不同处理前50 mL 淋出液的电导率最高且存在显著差异（p＜0.05），其随混沙量的增加而减小，这是因为混沙降低了土壤的总盐分含量，使得淋洗初期水分溶解淋出的盐分也随之减少。在淋洗的中后期，各处理间淋出液的电导率差距很小，但仍表现为混沙0%＞混沙20%＞混沙50%。

图3 淋出液电导率随淋出液体积的变化Fig.3 Variation of leachate conductivity with leachate volume

2.3 土壤盐离子的变化

2.3.1 盐离子含量

淋洗前后以及各处理之间土壤盐离子含量的变化如表2所示。从表中可以看出，不同混沙量土壤淋洗后除HCO3-含量显著增加以外，其他离子含量均显著减少，HCO3-含量增加的原因主要与土壤中离子交换吸附平衡有关［22］，在初始土壤中Cl-含量达到所有阴离子总含量的70%，而在淋洗后的土壤中Cl-含量极少，此时某些碳酸盐类矿物会解离产生HCO3-以保证土壤离子电荷的平衡［23］，从而导致淋洗后土壤HCO3-含量的增加。

表2 淋洗前后土壤盐离子的含量 g∕kgTab.2 Content of soil salt ion before and after leaching

混沙对土壤淋洗后K+、Mg2+和Cl-的含量影响不显著，K+和Mg2+在淋洗前的初始含量很低，而Cl-虽然淋洗前的初始值很高但其很容易被淋洗，因此K+、Mg2+和Cl-经过淋洗后各处理均降低至一个比较接近的低值。Ca2+受混沙量的影响相对较小，混沙0%和20%时无明显差异，只有当混沙量达到50%时才会产生显著差异。混沙对土壤淋洗后Na+、SO42-和HCO3-均有显著影响，混沙能够增加土壤的砂粒含量，加快淋洗速度，降低土壤黏粒对Na+的吸附作用，因此淋洗后土壤Na+随混沙量的增加而降低；由于淋洗后土壤阳离子主要还是以Na+为主且混沙量越高其含量越低，相应为了平衡电荷需要解离产生的HCO3-就会减少，最终使得淋洗后土壤HCO3-也随混沙量的增加而降低；而SO42-随混沙量的增加而增加可能是因为混沙增加了土壤颗粒对SO42-的吸附能力。

2.3.2 盐离子脱盐率

图4 显示了不同混沙量土壤淋洗后各盐离子脱盐率的变化。从图中可以看出，各处理土壤淋洗后K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-和SO42-均处于脱盐状态，只有HCO3-因平衡电荷的需要而处于积盐状态。在所有盐离子中，K+的脱盐率最低大约在58%左右，这是因为K+在淋洗前土壤中的含量极低，除去土壤所能够吸附的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对Cl-的吸附能力较小，Cl-很容易被淋洗，因此其脱盐率最高，所有处理均达到98%以上；Na+、Ca2+、Mg2+和SO42-的脱盐率虽然在不同混沙量土壤中大小有所差异但都大于80%。因此，淋洗之后土壤盐离子除HCO3-以外均达到较好的脱盐效果。

图4 不同处理土壤淋洗后盐离子脱盐率的变化Fig.4 Variation of soil salt ion desalination rate after soil leaching in different treatments

混沙量对淋洗后土壤各盐离子脱盐率的影响与其对淋洗后土壤离子含量的影响相对应。土壤淋洗后K+、Mg2+和Cl-的脱盐率在不同混沙量土壤中基本相同；Na+和Ca2+的脱盐率随混沙量的增加而增大；SO42-的脱盐率随混沙量的增加而减小；而处在积盐状态的HCO3-随混沙量增加积盐程度降低。最后，结合图5 不同混沙量土壤总盐分脱盐率的变化来看，混沙能够增大土壤总盐分的脱盐率，且混沙量越大脱盐效果越好。孙婴婴等［19］在研究中也得出相似的结论，他们指出拌沙降低了土壤的全盐含量，且拌沙比例越高，全盐含量越低，土壤脱盐率越高。但土壤各盐离子含量的变化部分与本研究存在一定的差异，这主要与土壤种类、离子初始含量及迁移速度等不同有关。

图5 不同处理土壤总盐分脱盐率的变化Fig.5 Variation of soil total salt desalination rate in different treatments

2.3.3 各盐离子含量比例

淋洗前后以及各处理之间土壤各盐离子所占总盐分离子比例的变化如图6 所示。从图6 中可以看出，淋洗前土壤主要以Na+和Cl-为主，淋洗后土壤盐离子比例发生很大变化，Cl-所占比例显著降低；Na+所占比例虽然有一定程度下降，但在淋洗后土壤中仍接近30%，这主要是土壤对Na+的吸附能力较强所导致的，李奇霏等［23］也在研究中得到了相同的结果，他们认为Na+的淋洗是一个长期的过程具有多变性和复杂性，彻底脱盐并不容易。淋洗后土壤的另一大变化是为了平衡电荷而产生大量的HCO3-使得其所占比例显著增加，这会使土壤发生一定程度的碱化。而其他离子在淋洗前后所占比例变化相对较小。

图6 不同处理土壤淋洗前后各盐离子所占比例的变化Fig.6 Variation of each salt ion proportion before and after leaching in different treatments

分析图6中不同混沙量土壤淋洗后盐离子所占比例的变化得出，Na+所占比例随混沙量的增加而减小，说明混沙能够降低Na+对土壤的危害；HCO3-所占比例也随混沙量的增加而减小，说明虽然淋洗后土壤会发生一定程度的碱化，但是混沙能够降低土壤的碱化程度。SO42-所占比例随混沙量的增加而增加，其他离子所占比例受混沙量的影响变化不大。从整体来看，混沙能够使淋洗后土壤的离子组成向有益的方向发展，且混沙量越大，离子组成越好。

2.4 土壤pH值和钠吸附比（SAR）的变化

不同混沙量土壤淋洗前后pH值和SAR的变化如表3所示，从表中可以看出，淋洗前土壤pH 值为8.04，淋洗后各处理土壤pH 值均显著增加，土壤发生一定程度的碱化，这主要与淋洗后土壤中HCO3-含量的增加有关。李奇霏等［23］和翟亚明等［21］也都在研究中得出了相同的规律。但与孙婴婴等［19］的研究不同，其试验中使用的是碱化土壤，初始pH 很高，拌沙前后土壤碱性离子含量变化不大，因此pH 并未产生明显变化。分析淋洗后不同混沙量土壤pH 值的变化得出，淋洗后土壤pH 值随混沙量的增加而显著减小，说明混沙能够在一定程度上抑制淋洗后土壤的碱化。从表中还可以看出，淋洗后土壤SAR 显著降低，且混沙量越多SAR 越小，混沙能够显著降低Na+对土壤的危害，为作物创造更好的生长环境。