再生水灌水量对滨海盐渍土壤脱盐效果及综合评价研究

刘 静，周国华，2，孙永利，尚 巍，王金丽，葛铜岗

（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074；2.天津大学建筑工程学院，天津 300350）

盐渍土是一系列受到盐碱毒害作用下的盐土、碱土及各种盐化、碱化土壤的总称，其广泛分布于全球的各个区域［1］。根据联合国粮农组织（FAO）统计，世界范围内盐渍土面积约有9.54×108hm2，且以每年1.0×106~1.5×106hm2的速度在增长［2，3］。我国盐渍土面积约为3.6×107hm2，占全国可利用土地面积的4.88%，从热带到寒温带、滨海到内陆、湿润区到干旱的荒漠地区均有分布，其中，西部6 省区（陕西、甘肃、宁夏、青海、内蒙和新疆）盐渍土面积占全国的70%左右［4，5］，目前约有80%左右的盐渍土地尚未得到开发利用［6］。天津市是我国盐渍化程度较高的城市之一，土壤含盐量大于0.2%的面积为9.7 万hm2，其中滨海新区3.8 万hm2，占全市的39.1%，且重度盐渍土和盐土占比高，分别占全市该类型的47.8%和62.6%，面 积 分 别 达 到0.74 万hm2和0.35 万hm2［7］。中新天津生态城属于滨海新区，位于滨海新区东北部，辖区面积约150 km2，土壤资源丰富，但是土壤盐碱重、面积大、治理困难，制约了区域生态城市建设和经济发展，中新合作区域土壤以轻度盐渍土和中重度盐渍土为主，分别占20.52%和63.25%［8］，因此，如何开发、恢复和保护区域盐渍土地成为目前研究的热点之一。

滨海盐碱区域盐渍土改良和景观改善受气候因素、地下水位、成土母质、植物、降雨等因素的影响和制约，改良措施普遍采用了客土法、抬高地形、埋设暗管等方式。但是客土和抬高地形需要大量的种植土，不仅成本高昂，而且严重破坏耕地，是一种“绿一方、毁一方”的治理模式，与国家推行的耕地政策、生态环保政策和可持续发展政策相悖。

根据“盐随水来，盐随水去”的基本原理，灌水淋洗改良盐渍土可取得显著效果。但因为滨海盐碱地区水质性缺水，自来水都需要从外地输配，成本较高，使用灌水淋洗脱盐的方法一直受制于自来水等淡水资源的缺乏而未能大面积推广应用。

目前天津生态城区域已经建成了再生水厂，再生水厂生产的再生水有两种，一种再生水是满足天津市地方一级A 标准的，其水质未经过脱盐处理，出水含盐量较高，一般为2~3 g/L，不满足国家关于灌溉用水水质标准；另一种再生水是高品质再生水，高品质再生水是指生态城再生水厂采用“CMF-S+RO（浸没式超滤膜工艺＋反渗透工艺）”工艺，将污水处理厂尾水处理为深度脱盐的再生水。区域内再生水系统为一套管网系统，实行单质供水，其水质同时满足城市杂用水、循环冷却用水、景观环境用水要求，再生水生产能力近期为2.1万t/d，远期为4.2万t/d。使用再生水灌溉盐渍土，可以大大降低自来水等优质淡水资源的消耗。

灌水量是再生水灌溉改良盐渍土的核心参数，目前关于再生水浇灌盐渍土脱盐的研究较少，其脱盐效果如何尚无参考，因此，开展再生水灌水改良滨海盐渍土试验十分必要，设置不同灌水量，有利于摸清灌水量对土壤盐分迁移的影响。本试验旨在深入研究再生水灌水改良滨海盐渍土适宜的灌水量工程参数，以期为滨海盐碱地区使用再生水灌水淋洗改良盐渍土工程化应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在中新天津生态城开展，中新天津生态城位于天津市滨海新区东北部，渤海湾西岸。地貌类型主要为平原和洼地，土壤类型为滨海滩地盐土，土壤特性受到气候、水文等自然条件以及改良、吹填等人为因素的强烈干扰，具有显著的地域性差异。该地区地下水位较高，且矿化程度大，区域内有蓟运河和永定新河两条主干河流，但淡水资源仍较为匮乏。气候类型为大陆性半湿润季风气候，并具有海洋性气候特点，四季特征分明：春旱多风少雨，夏热高温降水集中，秋季风和日丽，冬冷干燥少雪。全年平均降水量约为580 mm，年内降水分布不均，多集中于7—8 月，占全年50%以上。该地域年平均蒸发量大，是降水量的3 倍多，全年以5 月最为突出。地区内原生植物种类单一，主要有芦苇、碱蓬和柽柳等，生态环境脆弱。

1.2 试验方法

试验采用大型高位花箱进行模拟，花箱露天摆放于中新天津生态城东北部片区泰七路与盛二街东侧79#地块内，将花箱垫平摆放整齐后，按照绿化工程虚铺厚度方法装填中重度盐渍土，虚铺高度10 cm，浇灌沉降后填装高度为640 mm。考虑到灌水量与土壤厚度存在一定关系，试验设3 个处理：Z1，灌水量为512 mm；Z2，灌水量为640 mm；Z3，灌水量为768 mm。灌溉采用间歇灌水方法，分20 次灌水，每次灌水量按总量平均分配，每个试验处理设6 次重复，总计18 个花箱处理。由于试验采用电极法测定土壤全盐含量，要求土壤保持一定的湿度。灌溉土壤淋盐试验于2019 年10 月9 日开始，当日各处理均浇灌饱和水。10 月10—29 日按照试验方案对3 种处理进行灌溉补水，共计20 d。灌水时间一般在当日10：00 左右，在线现场监测提前于灌水时间，监测分别于10 月10 日、10 月12 日、10 月14 日、10 月16 日、10 月18 日、10 月22 日、10 月25 日和11月1 日进行。

1.3 试验材料

1.3.1 试验用土 取自中新生态城东北部片区79#地块盐碱荒地，土质为黏土，土壤容重1.5~1.6 g/cm3。

1.3.2 花箱规格 长×宽×高为1.00 m×1.00 m×0.64 m，总体积为0.64 m3，花箱底部沿对角线有两处直径为2 cm 的圆形排水孔。

1.3.3 试验用水 水源为再生水，水质情况为：TDS≤50 mg/L，pH 6.0；灌水量分别为512、640、768 mm。

1.4 检测指标及方法

试验过程中检测土壤含盐量、含水量和温度等指标。土壤含盐量采用ZD-EC 便携式盐分测定仪测定，并根据仪器读数进行土壤盐分含量转换，转换系数为2.2；土壤含水量采用ZD-06 便携式土壤湿度测定仪测定；地表温度采用便携式红外测温仪进行测定。

2 结果与分析

2.1 土壤温度和水分

土壤盐分的消长主要取决于蒸发量、降雨量、地下水位、植物覆盖、地形地貌等，尤其是水热条件。土壤水分移动过程会影响生态平衡，当温度较高时，蒸发量大于降雨量，水分大量蒸发，促使土壤中盐分向地表聚集进而危害植物生长；当温度适中，降雨量大于蒸发量，水分向土壤深层入渗则带动盐分向土壤底部迁移，会减轻盐碱危害作用。

由图1 可知，试验开始时已经进入10 月，试验周期在二十四节气中的寒露（10 月8 日）与立冬（11月8 日）之间。寒露之后，热气消退，寒气渐生，天气渐转寒，俗语讲“露水以寒，将要结冰，白露身不露，寒露脚不露”。10 月10 日第1 次观测地表温度为28 ℃，随着监测时间的延长而明显降低，在10 月16日时温度降低到24 ℃，10 月18 日温度回升了2 ℃，为26 ℃，之后持续断崖式降低，11 月1 日结束时降低到14 ℃。随着温度的降低，地表蒸发作用减弱，同时也会造成盐分脱洗速率和溶出量偏低。

由图1 还可以看出，试验开始时，所有处理在前1 d 均灌溉了饱和的水分，促进了土壤沉降，此时各处理土壤含水量在30.70%~32.17%，土壤水分含量基本一致。在试验期间，未有自然降雨过程，Z1、Z2和Z3 处理按照试验方案进行灌水，在试验前期，尽管每日灌溉补水，土壤水分含量仍有明显的下降趋势，原因是一方面前期温度高、蒸发量大；另一方面前期土壤孔隙多，造成水分下渗过快，土壤持水性较差。在试验后期，各处理土壤水分含量基本稳定，维持在一定范围。在整个试验周期内，土壤平均含水量排序为Z3 处理＞Z2 处理＞Z1 处理，Z1、Z2 和Z3处理土壤平均含水量分别为28.88%、29.96% 和29.98%，3 个处理在试验周期内土壤含水量较为一致，Z3、Z2 略高于Z1。

图1 土壤温度和水分含量随灌溉时间延长的变化情况

2.2 土壤含盐量和脱盐率

灌水洗盐是盐渍地区土壤改良利用的先行途径和有效措施，特别是在春秋季干旱季节，蒸发量大，但是自然降雨频次和雨量均很小，土体缺水严重并伴随返盐碱现象，对园林绿化植物易产生生理性危害。天津滨海盐渍区利用灌溉方式改良首先受到淡水资源的制约，因此，如何提高灌溉水的利用效率达到园林绿化需要的脱盐标准是实践中的重要技术问题。

由图2 可知，各处理土壤中的盐分含量整体呈下降趋势，但在部分处理中某一时间段出现了盐分偏高的波动，产生了盐峰，例如10 月14 日Z2 处理、10 月12 日Z1 处理。水分入渗运动过程是在毛管力和重力双重作用下进行的，伴随着水分的迁移所产生的盐分运移过程非常复杂，既有离子的交换与吸附作用，又伴有离子的解吸等作用。盐峰的形成是在土壤水盐运动过程中各种因子综合作用的结果。随着灌溉次数的增加，盐峰逐渐下降，并最终消失。土壤含盐量初始值存在较大差异，这是因为土壤空间变异性较大，各土样直接存在很大的空间变异性，土壤初始含盐量排序为Z1

图2 土壤含盐量随时间增长的变化情况

灌溉结束时，各处理土壤脱盐率达到了22.83%~47.16%，脱盐率排序为Z3 处理＞Z2 处理＞Z1 处理。结果表明，在本试验中，Z3 处理脱盐效果最好，脱盐效果与灌水量成正比，灌水量越大脱盐效果越好。采用灌溉方式均可以促进土壤脱盐，但脱盐效率不同，Z2 处理土壤盐分含量降低35.73%，脱盐效率较高；提高灌溉用水量后的Z3 处理，土壤脱盐效率达到47.16%，较Z2 灌溉水平提高了31.99%；减少灌溉用水量后的Z1 处理，土壤脱盐效率为22.83%，较Z2 灌溉水平降低了36.10%。

2.3 综合评价

本试验采用常用的多目标评价方法——层次分析法［8］来筛选最优的再生水灌水量，即筛选出对土壤脱盐率、含盐量及经济性最佳的灌水量。建立的多目标层次分析结果见表1。其中，指标层包含土壤性质和水费成本2 个一级指标，土壤脱盐率、土壤含盐量、土壤含水量和水费成本4 个二级指标。结合文献报道［9，10］，根据各指标的重要性，赋予指标权重值。土壤脱盐率、土壤含盐量、土壤含水量和水费成本指标权重值分别为0.40、0.24、0.20 和0.16。

表1 灌水量筛选的层次分析结构

为科学客观地评价不同处理的土壤性质和经济成本各项指标，对试验土壤含盐量多次土壤取样检测结果取平均值作为测定表征值，平均值的选取采用去掉1 个最大值和1 个最小值、其他结果求和取平均值的方法，以避免极端数据造成的不良影响。

为了科学地筛选物料配比方案，消除各种指标量纲不同带来的影响，采用极差标准化方法对数据进行标准化处理。表2 列出了各处理中土壤性质和水费成本；表3 列出了各处理中土壤性质和水费成本进行极差法标准化处理后得到的数据。各处理的土壤脱盐率、土壤含水量数值越高，标准化后数值越接近1，土壤含盐量和水费成本则相反。具体标准化数据采用下列公式计算。

表2 各处理土壤性质和水费成本

表3 各处理土壤性质和水费成本标准化数据

式中，N表示归一化值，X表示指标的测定值，Xmin表示指标的最小测定值，Xmax表示指标的最大测定值。

将各处理标准化后的数据与各指标的权重求积后累加，获得各处理的加权分析分数（表4）。

表4 各处理指标加权得分

通过土壤各项指标标准化数据可以看出，各处理综合得分在0.40~0.60，不同处理间差异明显，综合得分排序为Z3>Z2>Z1。说明在综合考虑脱盐率、土壤含盐量、土壤含水量和经济成本的基础上，以Z3 处理为最佳方案，最佳灌溉水量为768 mm。Z3和Z2 得分都在0.56 及以上，明显优于得分0.40 的Z1方案。实践中不推荐用Z1 方案（512 mm 灌水量）进行灌水脱盐。

3 结论

综上所述，使用再生水灌水洗盐方式具有较强的实践性和操作性，应用该方法可以明显降低土壤含盐量。在本试验条件下，灌水措施能够直接有效降低土壤盐分，降幅达到22.83%~47.16%，排序为Z3＞Z2＞Z1，脱盐率随灌水量增加而增加。通过考虑脱盐率、土壤含盐量、土壤含水量和经济成本等因素，运用层次分析法进行综合评价，得出最佳灌水量为768 mm（Z3），综合评价得分为0.60。Z3 灌水量处理土壤脱盐率高达47.16%，土壤由重度盐渍土变为轻度盐渍土，满足了大多数植物栽植的需要。