不同礦化度咸水在濱海典型植被鹽堿地中的入滲特性研究①

劉淙琮，孫宏勇，郭 凱，董心亮，程東娟

不同礦化度咸水在濱海典型植被鹽堿地中的入滲特性研究①

劉淙琮1，孫宏勇2,3*，郭 凱2,3，董心亮2,3，程東娟1

(1 河北工程大學水利水電學院，河北邯鄲 056038；2中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心，石家莊 050022；3中國科學院大學，北京 100049)

基于濱海鹽堿區典型植被白茅、鹽地堿蓬和裸地的土壤性狀調查，開展了不同礦化度咸水(0、5、10 g/L)在上述典型地塊中的水分入滲試驗，以分析濱海鹽堿區典型植被對土壤結構特征、咸水入滲特性、水鹽分布規律的影響。結果表明：①裸地、鹽地堿蓬地和白茅地土壤容重和含鹽量依次降低、土壤大粒徑水穩性團聚體含量依次增加；②同一地塊初始入滲率、穩定入滲率和累積入滲量均隨咸水礦化度的升高逐漸增大，相同礦化度咸水入滲下，穩定入滲率和累積入滲量由大到小依次為白茅地、鹽地堿蓬地和裸地；③入滲前土壤表層含鹽量由高到低的地塊依次為裸地、鹽地堿蓬地和白茅地，咸水入滲后，裸地表層土壤含鹽量隨咸水礦化度的升高而增加，咸水入滲對鹽地堿蓬地表層土壤鹽分的淋洗顯著，且在礦化度為5 g/L咸水入滲后的淋洗效果最佳，而白茅地土壤鹽分淋洗對入滲咸水礦化度則不敏感；④雙因素方差分析結果顯示，植被類型對濱海鹽堿地水分入滲特性的影響大于入滲水的礦化度。

濱海鹽堿地；典型植被類型；水分入滲特性；水鹽分布

我國鹽漬土分布范圍廣、面積大，在干旱、半干旱及濱海地區都有大面積分布[1]，總面積達9.91×107hm2，潛在鹽堿地面積達1.73×107hm2[2-4]。其中濱海地區包括渤海灣、黃海、東海等地區是我國典型的濱海鹽堿地分布區，面積約占中國鹽漬土總面積的7%[5]。河北省的濱海鹽漬土面積達7.80×105hm2，占全省總耕地面積的10.4%。由于濱海地區海拔低，地下水位高，常年受海水侵蝕的影響，使得土壤鹽分含量高、滲透性差，加之淡水資源相對匱乏，制約了該地區農業發展[6]。因此作為重要的后備耕地資源[7]，鹽堿地合理的開發和利用對保障耕地安全具有重要意義。在鹽堿地改良過程中，生物改良是重要的治理措施，種植耐鹽植物可以通過土壤鹽分吸收和改善土壤結構實現鹽堿地土壤良性發展，同時該區域豐富的咸水資源也是亟待開發的水資源。因此，研究不同礦化度咸水在濱海地區典型植被土壤中的水分入滲特性，探索植被類型對水鹽分布的響應機制，對豐富和發展鹽堿地生物改良和咸水資源利用理論及技術具有重要意義[8-9]。

大量研究表明，通過人工種植耐鹽植物的方法可以改善鹽漬土的土壤環境。耐鹽植物在生長過程中能夠吸收鹽堿地中的鹽分聚集于植物體內，降低鹽堿地中的鹽分含量。不同耐鹽植物對于鹽漬土鹽分有不同的吸收能力，依據不同鹽漬土類型和特點，選擇種植不同種類耐鹽植物在鹽堿地改良中發揮了重要作用[10-11]。鄒桂梅等[12]與李從娟等[13]利用鹽地堿蓬進行鹽堿土生物改良試驗，結果表明鹽地堿蓬能夠明顯降低濱海鹽漬土的容重，增加土壤孔隙度，進而增強鹽漬土的水分入滲特性。也有研究表明，檉柳、鹽角草、苜蓿[14]等耐鹽植物生長也能不同程度地改善土壤結構，進而影響水分在土壤中的入滲。

總結以往經驗，以淡水壓鹽為核心的灌排工程措施是目前鹽堿地改良最有效的方法[15]，而當前淡水資源日益不足始終是制約上述措施應用的關鍵因素。在以上水土資源約束下，鹽堿區豐富的地下咸水成為鹽堿地改良的重要水資源。據初步統計，僅河北省濱海地區的咸水資源總量可達7.17×108m3[16]，亟待開發利用。近年來大量研究表明，地下咸水的利用可以顯著降低地下水位，擴大地下水庫容，緩解土壤積鹽。咸水入滲過程中，咸水中離子和土壤的相互作用關系顯著促進了土壤顆粒的絮凝，土壤團聚性、穩定性、孔隙度和滲透性能顯著增強[17-18]，顯著促進了水分的入滲過程。與淡水相比，咸水入滲的累積入滲量與濕潤鋒遷移距離均顯著提高，同時咸水礦化度越高越有利于水分的入滲[19-21]。對于鹽分的淋洗則與土壤初始條件、咸水礦化度和水量等密切相關。基于上述研究，有研究通過采用咸淡水輪灌、咸淡水混灌、暗管排水等措施，以更好地調控土壤鹽分，保證作物生長[22]。

耐鹽植物的生長以及水分的礦化度對土壤水鹽運移過程都有一定程度的影響。鹽堿區由于土壤鹽分異質性較高，不同植被類型呈斑塊狀分布，且不同植被類型對土壤結構特性、咸水入滲特征、土壤水鹽分布等影響的研究均不夠完善，同時不同植被類型下土壤結構和咸水入滲過程的相互作用關系也不明確。基于此，本研究以濱海地區典型植被類型(裸地、鹽地堿蓬、白茅)的土壤為主要研究對象，開展田間咸水入滲試驗，研究不同礦化度咸水在典型植被類型土壤中的入滲過程、水鹽分布規律等，分析典型植被類型下的土壤結構、水分入滲參數和水鹽分布相互作用關系，為濱海鹽堿地生物改良和咸水資源利用提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于河北省海興縣小山鄉(117°57′50″E，38°17′45″N)。該地區地勢低洼平坦，土壤類型為典型的濱海鹽漬土，其中土壤鹽分組成以Cl–和Na+為主。氣候類型屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣侯[23]，年平均氣溫為12.1℃，年平均降水量582.3 mm，降水主要集中在7—8月份。土壤中的鹽分含量具有明顯的季節性特征，土壤鹽分動態主要表現為春秋冬三季積鹽，夏季淋鹽，其中春季積鹽期土壤積鹽最為強烈[24-26]。前期對試驗區典型植被類型及土壤進行了系統調查與分析，試驗區植被呈斑塊狀分布，裸地、鹽地堿蓬和白茅為3種典型耐鹽植被類型，土壤中的砂粒、粉粒、黏粒含量分別為155.3、821.2、23.5 g/kg，按照土壤質地國際制分類標準，試驗區土壤質地為粉質壤土。此外，對典型植被類型的地上生物量、土壤容重、團聚體等理化性質的調查結果顯示，裸地、鹽地堿蓬、白茅3種地塊中的植物生物量依次升高，表層(0 ～ 20 cm)土壤鹽分依次降低，土壤中的大粒徑水穩性團聚體含量依次增大(表1)。

1.2 試驗處理及材料準備

本試驗選取3個典型耐鹽植被類型(裸地、鹽地堿蓬和白茅)，設置3個咸水礦化度(0、5、10 g/L)水平，共9個處理，進行田間入滲試驗，每個處理重復3次。試驗前，進行了不同礦化度咸水、雙環入滲儀等材料準備。其中咸水配置方法為：根據設置的咸水礦化度，采用與當地地下水離子成分一致的海鹽融入蒸餾水配制，由于田間咸水用量較大，5 g/L和10 g/L處理采用天平(0.01 g)分別稱取100 g和200 g海鹽，融入25 L水桶中，并定容至20 L，混勻后儲藏備用；入滲試驗采用的入滲儀為內環直徑30 cm、外環直徑60 cm的IN12-W型雙環入滲儀，并配套標準馬氏瓶(內環使用水位每下降1 cm水量下滲100 ml的小馬氏瓶，外環使用水位每下降1 cm水量下滲250 ml的大馬氏瓶)。

表1 不同植被類型鹽堿地土壤基本理化性質

注：表中不同小寫字母表示同一土層不同植被類型間存在顯著性差異(<0.05)。

1.3 試驗過程及樣品采集

試驗開展于2020年10月，試驗前在入滲儀設置點周圍選取具有代表性的裸地、鹽地堿蓬和白茅斑塊，每個地塊選取了3個重復，進行了土壤取樣，取樣深度為0 ～ 20、20 ～ 40和40 ～ 60 cm，測其土壤含水量、容重及孔隙度。在入滲儀設置點，使用吸能錘將雙環入滲儀[27]擊入土壤深度15 cm處，后將與內外環配套使用的馬氏瓶固定在土壤中與入滲儀相同深度處，向兩個馬氏瓶中倒入足量對應礦化度的咸水，調節馬氏瓶底部的流量閥。此時馬氏瓶中的水流入到內外環中，在兩個馬氏瓶中的側面都有一個透明玻璃管，調節流量閥的同時，觀察其中水的流速。當內外環中水的深度同時達到2 cm水頭時，調節流量閥，維持2 cm定水頭供水的入滲試驗，入滲時間為180 min。在入滲開始后的0、5、10、15、20、25、30、45、60、75、90、120、150、180 min觀察并記錄馬氏瓶讀數，入滲結束后，待地表沒有積水時，使用土鉆在入滲后的土壤中進行取樣，取樣深度為0 ～ 20、20 ～ 40和40 ～ 60 cm，進行土壤水鹽含量測定。入滲試驗完成后，在3種不同植被類型鹽堿地中分別設置3個2 m×2 m的樣塊，測其土壤表層0 ～ 20 cm 的生物量。

1.4 指標測定與統計分析

采用環刀法測定土壤容重；采用濕篩法測定土壤水穩性團聚體各粒徑團聚體分布；土壤質量含水量采用烘干法測定(105 ℃，8 h)；土壤樣品進行風干、研磨、5∶1水土質量比浸提等操作后，使用B-173型電導率儀測定土壤電導率，采用滴定法測定可溶性離子含量，土壤總鹽分含量利用各離子含量加和計算。本試驗數據利用Excel 2007進行整理，使用SPSS17.0進行數據分析，采用雙因素方差分析法分析不同植被類型和咸水礦化度對濱海鹽堿地水分入滲特性的影響，采用 Duncan法對各處理間的差異進行多重比較(差異顯著性<0.05)，利用Origin 2019b進行圖表制作。

2 結果與分析

2.1 不同礦化度咸水在典型植被鹽堿地中的水分入滲特性

2.1.1 入滲率 圖1為不同礦化度咸水在典型植被鹽堿地中的水分入滲率隨時間的變化。由圖1可見，水分入滲率隨時間呈先快速減小后逐漸穩定的趨勢，相同植被類型中，咸水礦化度對水分入滲率影響顯著(<0.05)。裸地中，淡水(礦化度0 g/L)的初始入滲率為0.21 mm/min，礦化度5、10 g/L咸水的初始入滲率分別比淡水增加了4.76% 和14.29%，入滲90 min時，礦化度0、5、10 g/L咸水的穩定入滲率分別為0.05、0.09、0.09 mm/min；鹽地堿蓬地中，淡水的初始入滲率為0.49 mm/min，礦化度5、10 g/L咸水的初始入滲率分別比淡水增加了36.73% 和42.86%，入滲90 min時，礦化度0、5、10 g/L咸水的穩定入滲率分別為0.10、0.14、0.21 mm/min；白茅地中，淡水的初始入滲率為0.89 mm/min，礦化度5、10 g/L咸水的初始入滲率分別比淡水增加43.82% 和62.92%，入滲90 min時，礦化度0、5、10 g/L咸水的穩定入滲率分別為0.18、0.30、0.42 mm/min。相比在裸地，在鹽地堿蓬地和白茅地淡水的初始入滲率分別增加133.33% 和323.81%，入滲90 min時，穩定入滲率分別增加100.00% 和260.00%；礦化度5 g/L咸水的初始入滲率分別增加204.55% 和481.82%，穩定入滲率分別增加55.56% 和233.33%；礦化度10 g/L咸水的初始入滲率分別增加191.67% 和504.17%，穩定入滲率分別增加132.53% 和391.09%。上述結果顯示，隨著咸水礦化度的升高，同一地塊中的水分初始入滲率和穩定入滲率逐漸增大；同時，裸地、鹽地堿蓬地、白茅地的水分初始入滲率和穩定入滲率呈依次增大的趨勢。

圖1 不同礦化度咸水在典型植被鹽堿地中的水分入滲率隨時間的變化

2.1.2 累積入滲量 圖2為不同礦化度咸水在典型植被鹽堿地中的累積入滲量隨時間的變化。由圖2可見，累積入滲量隨時間的增加表現為先快速增長后穩定增長的趨勢。不同植被類型鹽堿地中的累積入滲量也存在著顯著差異(<0.05)。裸地中，淡水在水分入滲結束后的累積入滲量為14.01 mm，礦化度5、10 g/L的咸水入滲后的累積入滲量相比淡水分別增加31.98% 和33.62%；鹽地堿蓬地中，淡水的累積入滲量為20.75 mm，礦化度5、10 g/L咸水的累積入滲量相比淡水分別增加60.24% 和109.78%；白茅地中，淡水的累積入滲量為44.47 mm，礦化度5、10 g/L咸水的累積入滲量相比淡水分別增加64.47%和106.99%。相比在裸地，在鹽地堿蓬地和白茅地淡水的累積入滲量分別增加48.11% 和217.42%；礦化度5 g/L咸水的累積入滲量分別增加79.83% 和295.57%；礦化度10 g/L咸水的累積入滲量分別增加132.53% 和391.72%。以上結果表明，同一地塊中的水分累積入滲量隨著咸水礦化度的升高呈增大的趨勢；同時，裸地、鹽地堿蓬地、白茅地的水分累積入滲量呈依次增大的趨勢。

圖2 不同礦化度咸水在典型植被鹽堿地中的累積入滲量隨時間的變化

此外，基于上述結果，采用雙因素方差分析，本文探討了植被類型和咸水礦化度對水分入滲特性的影響特征，結果如表2所示，植被類型和咸水礦化度均顯著影響了水分的入滲特性，并且植被類型相對于咸水礦化度的影響更為顯著。因此，植被生長對土壤結構特性的影響，顯著大于咸水礦化度在入滲過程中對土壤透水性的影響。

表2 不同因素對水分入滲特性影響的方差分析

注：A代表植被類型；B代表咸水礦化度。

2.2 不同礦化度咸水入滲后典型植被鹽堿地中的水鹽分布

2.2.1 水分分布 圖3為不同礦化度咸水入滲后典型植被鹽堿地中土壤含水量的變化，可見，裸地、鹽地堿蓬地和白茅地在不同土壤深度中的初始含水量在201.0 ～ 215.4 g/kg范圍內。水分入滲后，裸地土壤含水量的變化主要在土壤表面0 ～ 20 cm深度，礦化度0、5和10 g/L的咸水入滲后，土壤含水量與入滲前相比分別升高9.76%、18.11% 和17.48%，而下層20 ～ 40和40 ～ 60 cm深度與入滲前則沒有顯著差異；鹽地堿蓬地0 ～ 20 cm深度土壤含水量比入滲前分別升高46.83%、48.94% 和51.68%，白茅地則分別升高46.72%、49.37% 和47.11%，兩種植被下其下層20 ～ 40、40 ～ 60 cm深度土壤含水量與入滲前相比均有不同程度的升高，但其增加幅度沒有表層明顯。以上結果表明，在同一地塊不同礦化度咸水入滲后的土壤含水量無明顯差異，不同地塊咸水入滲后的土壤含水量由高到低分別為白茅地、鹽地堿蓬地和裸地，且都隨土壤深度的增加而逐漸降低。因此，不同植被類型對土壤容重、團聚體等的影響不同，導致咸水入滲后土壤剖面水分差異顯著，而不同礦化度咸水入滲對土壤剖面水分分布的影響則不明顯(<0.05)。

(不同小寫字母表示同一土層不同處理間存在顯著性差異(P<0.05)，下同)

2.2.2 鹽分分布 圖4為不同礦化度咸水入滲后典型植被鹽堿地中土壤鹽分分布，可見，入滲前不同植被類型土壤含鹽量由高到低依次為裸地、鹽地堿蓬地和白茅地，入滲完成后，0 ～ 20 cm表層土壤含鹽量變化最為劇烈。入滲前，裸地土壤表層含鹽量為25.16 g/kg，淡水入滲后，土壤表層含鹽量為25.01 g/kg，相比入滲前降低了0.60%；礦化度5、10 g/L咸水入滲后，土壤表層含鹽量分別為26.35和31.65 g/kg，相比于入滲前分別升高了4.73% 和25.79%。鹽地堿蓬地，土壤表層初始含鹽量為17.38 g/kg，礦化度0、5、10 g/L咸水入滲后，其含鹽量相比入滲前分別降低了21.92%、36.08% 和33.53%；白茅地，入滲前各層土壤中的鹽分含量為1.59、2.12和3.05 g/kg，隨著土壤深度的增加略有增大，不同礦化度的咸水入滲后土壤鹽分含量仍較低，與入滲前相比差異未達到顯著水平(>0.05)。

圖4 不同礦化度咸水入滲后典型植被鹽堿地中的鹽分含量

3 討論

濱海地區由于常年受到海水侵蝕的影響，導致土壤鹽分高、結構性差，大量的鹽堿地處于荒廢狀態，并且淡水資源日益不足限制了鹽堿地的開發與利用。在上述背景下，濱海鹽堿區典型鹽生植物和咸水資源利用在該地區鹽堿地改良中的前景廣闊，而耐鹽植物生長和咸水利用對土壤結構均有不同程度的影響。土壤容重和孔隙度是土壤松緊程度、通氣狀況的直接反映，它們與土壤中的水鹽運移過程密切相關，是反映鹽堿土改良狀況的重要指標。據研究，耐鹽植被生長過程中根系的物理穿插作用、根系的腐熟等生命活動，能夠顯著促進土壤腐殖酸、有機質的形成，進而促進了土壤大粒徑團聚體的形成，提高了土壤孔隙度，土壤通氣透水性顯著增強，并且不同植被類型根系形態結構差異明顯，對土壤結構性改善作用也存在差異[28]。本研究中裸地的土壤容重最大、大粒徑土壤團聚體含量最低，鹽地堿蓬地次之，白茅地最小，這表明裸地的土壤結構處于板結狀態，其透氣性較差，鹽地堿蓬地與之相比有一定程度的改善，而白茅地的生長對鹽堿地的改土效果最好，這與楊策等[7]研究的鹽地堿蓬等植株能夠改善土壤結構、降低土壤容重的結果相一致。同時，大粒徑團聚體對于維持土壤結構穩定性具有重要的作用，其含量越高，土壤的抗侵蝕能力越強。本研究對不同植被類型鹽堿地中不同土壤深度的團聚體含量進行測定，結果顯示裸地的土壤團聚體以小粒徑團聚體為主，鹽地堿蓬地和白茅地的土壤以大粒徑團聚體為主，其中，白茅地中的大粒徑團聚體含量最高。這表明白茅地土壤結構的改善程度最大，能夠很好地增強土壤抗侵蝕能力。

土壤容重和孔隙度與其滲透性緊密相關，并且土壤滲透性作為土壤物理結構的一項重要指標，滲透性越強，入滲率越大，土壤中鹽分運移也就越快。不同植被類型鹽堿地(裸地、鹽地堿蓬地、白茅地)中的土壤逐漸疏松，其容重逐漸降低，孔隙度逐漸增加等變化提高了土壤的導水性[5]。本研究中裸地的土壤容重高、滲透性能差，其鹽分淋洗較為困難，土壤含水量在水分入滲后只在土壤表層有較小幅度的增加，礦化度5、10 g/L咸水入滲后，鹽分在土壤表層有一定程度的滯留，增加了表層土壤含鹽量；而鹽地堿蓬地的土壤結構得到明顯的改善，其相對于裸地的土壤容重顯著降低，入滲完成后的土壤含水量在0 ～ 20、20 ～ 40和40 ～ 60 cm深度均有所增加。白茅地的土壤結構特性最佳，由于白茅生長根系生物量大，對土壤結構的改善效果最好，前期相同降雨條件下，水分的入滲性能最佳，鹽分淋洗效果顯著，因此該地塊土壤初始含鹽量最低，咸水入滲完成后，各層的土壤含水量也相對最高，并且相對于入滲前，土壤鹽分的淋洗效果受到咸水礦化度的影響不敏感。

在鹽堿地改良的過程中，土壤的板結現象較為嚴重，土壤容重較大使得土壤孔隙度較小，水分不容易向下層入滲，無法對鹽分進行充分淋洗，同時淡水資源日益不足是制約鹽堿地改良的關鍵。因此，在上述條件下，利用當地適應性強的耐鹽植物的生長改善鹽堿地土壤結構，再結合咸水入滲鹽堿地可以取得更好的改良效果。本研究中不同礦化度的咸水在土壤中入滲特性較淡水強，并且能夠取得較好的鹽分淋洗效果。戴繼航等[29]在研究咸水入滲土壤的過程中，發現咸水的入滲過程是由咸水中離子和土壤中離子共同作用的結果，促進了土壤團聚體的形成，改善了土壤結構，提高了咸水的入滲率和累積入滲量，本研究結果與上述研究一致，但相對于咸水礦化度，植物對土壤結構的改善和對水分入滲特性的影響則更為顯著。

4 結論

1) 同一典型植被地塊中水分的初始入滲率、穩定入滲率和累積入滲量隨咸水礦化度的升高逐漸增大，不同地塊中上述入滲特性參數由大到小分別為白茅地、鹽地堿蓬地和裸地。

2) 入滲前，不同典型植被地塊中土壤含鹽量由高到低分別為裸地、鹽地堿蓬地和白茅地，入滲后，裸地表層土壤含鹽量隨咸水礦化度的升高而增大；鹽地堿蓬地表層土壤含鹽量顯著降低，白茅地表層土壤鹽分最低，且土壤鹽分淋洗對咸水礦化度的影響不敏感。

3)濱海鹽堿地的水分入滲特性受植被類型的影響程度要大于咸水礦化度。

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Infiltration Characteristics of Saline Water with Different Salinity in Coastal Saline-alkali Land with Typical Vegetation

LIU Congcong1, SUN Hongyong2,3*, GUO Kai2,3, DONG Xinliang2,3, CHENG Dongjuan1

(1 School of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Hebei University of Engineering, Handan, Hebei 056038, China; 2 Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Based on the investigation of soil properties of coastal saline-alkali land with typical vegetations, including bare land,and, the infiltration experiments were conducted with saline water of different salinity (0, 5, 10 g/L) to evaluate the effects of the typical vegetations on the characteristics of soil structure, saline water infiltration and soil water and salt distribution. The results showed that: 1) Soil bulk density and salinity were in the order of bare land >land>land, while water stable macro-aggregates contents were on the contrary. 2) In the same plot, the initial infiltration rate, stable infiltration rate and cumulative infiltration increased with the increase of water salinity, while the above infiltration parameters of the saline water with the same salinity were in the order of bare land

Coastal saline-alkali land; Typical vegetation; Water infiltration characteristics; Water and salt distribution

劉淙琮, 孫宏勇, 郭凱, 等. 不同礦化度咸水在濱海典型植被鹽堿地中的入滲特性研究. 土壤, 2022, 54(1): 177–183.

S156.4+2

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.01.023

國家自然科學基金青年項目(51809260)和河北省重點研發計劃項目(192273039D，20327002D)資助。

(hysun@sjziam.ac.cn)

劉淙琮(1996—)，男，山西晉城人，碩士研究生，主要從事農業水土資源與環境研究。E-mail：1220981719@qq.com