地下水矿化度对滨海吹填土水盐动态特征的影响

马 想，张青青，蔡永立，梁 晶

（1. 上海市园林科学规划研究院，上海 200232；2. 上海城市困难立地绿化工程技术研究中心，上海 200232；3. 上海交通大学 设计学院，上海 200030）

吹填造陆是滨海城市拓展城市发展空间的有效途径。吹填土是指滨海地区通过将浅海底泥以挖掘等人工吹填方式形成的新陆地土壤，是滨海盐土的成土母质[1]。吹填土全盐量一般在10.0 g/kg以上，pH在8.0以上[2]，盐碱化是吹填土进行绿化建设的主要障碍因子之一。目前，吹填土的改良大多采用“暗管排盐，客土回填”的工艺[2]，同时吹填土的原位改良技术也逐渐受到关注。李霞等[1]研究表明锯末和炉灰渣能有效改良吹填土物理结构，腐殖酸能有效降低吹填土pH，田书温等[3]研究表明锯末、炉灰渣等改良材料能有效提高吹填土的洗盐效率，加快吹填土的洗盐过程。

土壤水盐动态是土壤水分和盐分随时间变化和空间分布的过程，滨海盐渍土壤中的可溶性盐分，在雨季随着雨水淋洗向下层入渗，干旱期又随水分蒸发逐渐上移，在土壤垂直剖面上形成土壤盐分的上下循环。在降雨不匀、强烈蒸发、较浅的地下水埋深等自然条件作用下，土壤水和地下水交换剧烈，地下水中的盐分随水分迁移，在土壤表层聚集，使得滨海盐渍土壤表层在春秋季节强烈返盐[4]。地下矿化度是水中含有钙、镁、铝和锰等金属的碳酸盐、重碳酸盐、氯化物、硫酸盐、硝酸盐以及各种钠盐等的总和[5]。在土壤水分和地下水分的频繁交换过程中，地下水矿化度能直接影响土壤的水盐动态特征。降雨的稀释作用会导致地下水矿化度下降，而蒸发作用会使地下水矿化度上升[6]。在特定水文及环境条件下，地下水矿化度会呈现一定的变化规律，然而目前对于不同地下水矿化度对滨海吹填土水盐动态变化特征的研究较少，本研究通过设置室内土柱模拟试验，研究了不同地下水矿化度条件下，土壤水分和盐分的动态变化规律。研究结果可为滨海吹填土的原位改良提供理论指导。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用土壤为上海市临港滴水湖旁所采集的吹填土，土壤理化性质见表1。试验所用地下水由NaCl配制而成，配制的地下水矿化度分别设置为10 g/L和5 g/L，试验时地下水位设置为0.6 m。

1.2 试验方法

试验装置布设在温室大棚。将吹填土过2 mm孔筛，按照土壤密度1.4 g/cm3将土壤填充到PVC（直径为0.2 m）圆管中，后将PVC圆管放置于水桶中，为使地下水温度一致，将水桶填埋于温室土壤中。PVC圆管总长度为1.0 m，PVC管实际淹水区为下部0.4 m，管底部设有纱网，防止土壤渗漏，试验布设见图1。土柱内土壤全部浸湿后，用土壤水分、温度、EC、pH传感器分别测定距土柱表层10、20、30、40、50 cm处土壤的含水率、温度、EC、pH，并采集土壤样品用于土壤全盐量的测定，每次测定及采样间隔1周，连续测4周。每次取样后对水位高度和地下水矿化度进行测定，保证试验过程中地下水位和地下水矿化度恒定。

图1 不同地下水矿化度对土壤水盐动态的影响模拟装置Fig.1 Simulation device of the effect of different groundwater mineralization on soil water and soil salinity dynamics

1.3 指标测定

土壤pH采用电极法测定（水土比2.5∶1）；EC采用电导法测定（水土比5∶1）；土壤有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；全盐量采用质量法测定[7]。土壤温度采用土壤温度探针仪进行测定。

1.4 数据分析

数据采用IBM SPSS 22进行单因素方差分析，多重比较采用Duncan法，相关性分析采用Pearson法，线性回归采用逐步回归法；采用Sigmaplot 14软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 上海临港吹填土地下水矿化度变化特征

自然状态下地下水矿化度会随着季节变化表现出一定的波动规律。图2为2008-08～2019-04对临港地区地下水埋藏深度和矿化度的测定结果，地下水埋藏深度变化范围为0.49～0.76 m，平均值为0.59 m，其中8月、9月和3月的地下水位最浅，仅为0.5 m。10月和4月地下水位较深，分别为0.76 m和0.7 m。地下水矿化度变化范围为2.58～17.06 g/L，平均值为7.63 g/L，其中4月地下水矿化度最低，仅2.58 g/L，1月地下水矿化度最高，达17.06 g/L。

图2 临港滴水湖区域地下水位和地下水矿化度年际变化Fig.2 Groundwater level and mineralization in Lingang，Dishui Lake

2018-08～2019-04上海临港地区区月平均降雨量如图3所示，月平均降雨量在11.2～78.4 mm，平均为34.0 mm，其中8月平均降雨量，达78.4 mm，8月到10月平均降雨量逐渐降低，10月为最低值，仅11.2 mm，11月到4月平均降雨量基本稳定在19.6～28.6 mm之间。

图3 临港2018-2019年月平均降雨量Fig.3 The average rainfall in Lingang area (2018～2019)

2.2 不同地下水矿化度下的土壤盐分动态

2.2.1 地下水矿化度5 g/L时土壤水盐动态

图4为地下水矿化度5 g/L时土壤含水率、温度、pH和全盐量的动态变化。

由图4(a)可知，地下水矿化度为5 g/L时，土壤含水率第1周和第2周测定结果均表现为10～40 cm逐渐增加，40 cm处达到最大值，40～50 cm逐渐降低，其中第1和第2周的最大值分别为25.1%、26.4%，最小值分别为18.4%、20.1%。第3和第4周测定结果表明土壤含水率在10～40 cm逐渐增加，40 cm处达到最大值，40～50 cm逐渐降低，其中第3和第4周的最大值分别为25.8%、23.4%，最小值分别为20.9%、18.6%。从不同取样时间土壤剖面含水率平均值来看，第2周最大为23.2%，第4周最小为19.9%；从同一层次土壤含水率平均值来看，30 cm处含水率最大为24.4%，10 cm处含水率最小为19.6%。图4(b)为土壤温度的动态变化，土壤温度表现为同一次测定的不同土层的土壤温度差异不大，土壤剖面温度变化幅度在第1～第4周分别为，0.7、0.5、2.1、0.6 ℃；但不同取样时间表现出较大差异，第1～第4周土壤剖面的平均温度分别为24.4、17.3、19.3和25.7 ℃。图4(c)为土壤pH的动态变化，不同取样时间内土壤剖面pH的变化规律基本一致，随着土壤深度的增加，土壤pH先增加后降低之后又逐渐升高，土壤pH在10～50 cm平均值分别为7.09、7.25、7.18、7.18和7.60。土壤剖面pH在第1～第4周分别为7.28、7.41、7.02和7.32。图4(d)为土壤全盐量动态变化，不同时期土壤全盐量在剖面上的变化无统一趋势，土壤盐分在第1周时主要聚集在距土柱底层40 cm处，为2.69 g/L，30～50 cm土壤全盐量逐渐增高；第2周时不同土层全盐量极低且无差异，变化范围在0.01～0.06 g/L；第3周时，10、30、40和50 cm处土壤全盐量无显著差异，变化范围在0.01～0.04 g/L，但盐分在20 cm处聚集，约为1.26 g/L；第4周时土壤全盐量在10～30 cm处保持稳定，约为2.40 g/L，30～50 cm逐渐减小。

图4 地下水矿化度5 g/L时土壤含水率、温度、pH和全盐量的动态变化Fig.4 Dynamic changes of soil moisture, temperature, pH and total salt during ground water mineralization at 5 g/L

2.2.2 地下水矿化度10 g/L时土壤水盐动态

图5为地下水矿化度为10 g/L时土壤含水率、土壤温度、土壤pH和土壤全盐量的动态变化。

由图5(a)可知，地下水矿化度为10 g/L时，土壤含水率随着土壤深度的增加而逐渐降低，土壤剖面平均含水率在10、20、30、40和50 cm处分别为16.3%、13.5%、11.9%、11.3%和11.7%，其中10～30 cm土壤含水率迅速下降，30～50 cm土壤含水率降低幅度不大。从时间变化上来看，第2周时土壤含水率最高，剖面平均为16.5%；第4周含水率最低为9.70%。图5(b)为土壤温度的动态变化，不同土层的土壤温度在同一次测定中差异不大，但不同取样时间土壤温度表现出较大差异，第1～第4周土壤温度平均值分别为：24.9、17.6、18.6和25.4 ℃。图5(c)为土壤pH的动态变化，土壤pH在不同取样时间表现为相似的垂直分布规律，土壤pH随着土壤深度的增加而逐渐增大，各土层pH平均值在1、0、30、40和50 cm处分别为7.01、7.04、7.06、7.32和7.76，10～30 cm变 化 不 大，30～50 cm迅速增加。从时间变化上来看，第2周时土壤pH最低，剖面平均为7.16；第4周时土壤pH最高，剖面平均为7.42。图5(d)为土壤全盐量的动态变化，土壤全盐量的垂直分布规律在前3周的取样中表现为相似的规律，10～20 cm范围内，随着深度的增加土壤全盐量逐渐增加，20 cm处为全盐量最大值，20～50 cm范围内，土壤全盐量逐渐降低。但在第4周的采样中，10～50 cm范围内土壤全盐量均随深度的增加而逐渐降低。各土层全盐量平均值在10、20、30、40和50 cm处分别为2.82、3.40、2.35、1.65和0.52 g/kg。第1～第4周土壤剖面全盐量平均值分别为1.50、2.05、1.50和3.54 g/kg。

图5 地下水矿化度10 g/L时土壤含水率、温度、pH和全盐量的动态变化Fig.5 Dynamic changes of soil moisture, soil temperature, pH and total salt during groundwater mineralization at 10 g/L

2.3 地下水矿化度对土壤指标的影响

土壤地下水矿化度不同，土壤中的盐分、水分变化趋势不同。地下水矿化度为5 g/L时，30～40 cm土层含水率最大，而地下水矿化度为10 g/L时，10 cm土层土壤含水率最大，且土壤剖面的平均含水率在5 g/L和10 g/L之间表现为极显著差异（见图6）。土壤温度的垂直变化，在不同地下水矿化度条件下表现一致，且土壤剖面平均温度无显著差异。土壤pH在两种地下水矿化度条件下，垂直变化规律表现一致，且土壤剖面平均pH无显著差异。土壤全盐量在垂直分布上并没有一致性的规律，且不同地下水矿化度条件下土壤剖面全盐量无显著差异，但地下水10 g/L矿化度条件下土壤电导率显著大于5 g/L。

图6 不同地下水矿化度对土壤各指标的影响Fig.6 Effect of different groundwater mineralization on soilphysicochemical index

2.4 不同地下水矿化度下各土壤指标相关性分析

将不同地下水矿化度作用下的土壤全盐量和土壤含水率同土壤温度、土壤pH进行相关性分析（见表2），可以发现，在地下水矿化度为5 g/L时，土壤全盐量与土壤温度极显著正相关，土壤含水率与土壤温度显著负相关；在地下水矿化度为10 g/L时，土壤全盐量与土壤温度、pH相关性不显著；土壤含水率与土壤温度极显著负相关，与土壤pH显著负相关。将土壤含水率、土壤温度和土壤pH分别设为x1、x2、x3，土壤全盐量设为Y做回归分析，可得回归方程Y=15.6-0.12x1-2.0x2+0.11x3（p＜0.05）。

表2 土壤全盐量、含水率、温度和pH间的相关性Tab.2 The correlations between total soil salinity, moisture, temperature and pH

3 讨 论

随着上海生态之城建设的推进，市内滨海盐碱土和吹填土的改良和绿化应用越来越受到重视。有机物料和土壤调理剂可有效改善滨海吹填土理化性状，研究结果表明[2]，锯末、脱硫石膏等土壤调理剂的可有效改善吹填土物理性状，对土壤容重、土壤饱和导水率和非毛管孔隙度具有较好的改良效果。李霞等[1]研究表明，脱硫石膏可显著降低吹填土pH，提高滨海吹填土脱盐率。锯末和炉灰渣可有效改良土壤物理结构，腐殖酸则可以有效抑制吹填土脱盐后出现碱化[8]。张兴等[9]的研究则表明园林绿化废弃物的添加有利于吹填土脱盐，但会造成土壤pH升高。这些研究对不同改良材料的改良效果进行了探讨，对滨海吹填土的原位改良具有指导意义，但在进行原位改良时还需要关注地下水对吹填土的影响。

浅层地下水是影响盐分迁移、积累和释放的重要因素，地下水矿化度升高或地下水水位降低，都会导致土壤含水率和全盐量显著升高[6,10-11]。土壤溶液浓度越大，其黏度也会越大，土壤水分在剖面中的运移速度就越慢[12]，本文研究结果表明，地下水矿化度为5 g/L时土壤剖面含水率显著高于10 g/L。但彭广伟等[13]对黄河三角洲地区不同地下水矿化度条件下，土壤剖面中水盐动态模拟的试验表明，地下水矿化度在0～20 g/L范围内对土壤剖面的含水率无显著影响，这可能与不同试验设置的地下水深度不同有关。吹填土剖面中，土壤水分呈不均匀分布，这是因为土壤中水分运移是基质势和重力势共同作用的结果，随着地下水的补给，土壤基质势促进土壤水分从含水率高的地方向含水率低的地方运移，随着土柱高度的增加重力势变大，土壤水分受到从重力势大区域向重力势小区域移动的力[14]。基质势与重力势的作用导致土壤剖面中水分的分布不均匀，在基质势与重力势达到相对平衡状态的区域，土壤水分可以在此聚集，土壤含水率在当前稳态下就会较大。

在黄河三角洲地区，地下水矿化度3 g/L时，土柱全盐量为0.06%，显著低于矿化度8 g/L时的0.17%。本研究中试验开展4周后，地下水矿化度在5 g/L和10 g/L时，土柱全盐量分别为0.17%和0.35%。在地下水矿化度相近的条件下，上海临港吹填土全盐量显著高于黄河三角洲土壤，这可能与试验设置的地下水埋藏深度及土壤质地有关。徐存兴等[15]研究表明，地下水埋藏浅的区域相比于地下水埋藏较深的区域更易形成盐碱地。土壤温度在不同地下水矿化度条件下无显著差异，尽管不同地下水矿化度影响土壤剖面的含水率，但室内模拟试验中，土柱直径较小土壤温度更多还是受到环境温度的影响。土壤pH在不同地下水矿化度条件下无显著差异，这可能是因为不同矿化度地下水均是由NaCL配置而成，NaCL溶液为中性，其溶质浓度并不会影响溶液的酸碱性，故不同矿化度地下水对土柱pH也无显著影响。

土壤中盐分运移与土壤水分动态变化密切相关[4,6,10-11]，这主要是因为盐分需要溶解于土壤溶液中，借助水分蒸腾和下渗进行运移。本研究结果表明土壤温度是影响土壤全盐量的主要因素，这可能模拟试验条件下，地下水埋藏深度一致，温度是影响土壤剖面中水分运移的主要因素有关。在模拟试验中，由于装置设置于室内，土柱内土壤水分主要是蒸腾作用导致的上移，从而会出现土壤盐分聚集于表层的现象，见图5(d)，这与赵秀芳等[4]在苏北滩涂区观察到的表层土壤在冬季出现盐分聚集结论一致。本研究通过逐步回归分析获得了土壤全盐量与土壤含水率、土壤温度和土壤pH间的相互关系，研究结果表明土壤含水率、土壤温度和土壤pH可以较好的预测吹填土剖面中的全盐量，但此结果是室内模拟条件下得到的，能否在自然状态下应用，还需在大田环境中进一步研究。

4 结 语

（1） 临港地区地下水埋藏深度平均为0.59 m，矿化度最小值为2.58 g/L，最大值为17.1 g/L，平均为5.63 g/L，地下水埋藏深度与矿化度并未表现出显著相关性；

（2） 地下水矿化度对土柱中水分运移过程有较大影响，但对土壤剖面的整体全盐量影响不大，进而导致不同地下水矿化度条件下，土壤剖面的EC值表现出显著差异。

（3） 由氯化钠配制的不同矿化度溶液对土柱的pH无显著影响，但土壤盐分会随着土壤水分的运移逐渐向表层土壤聚集，地下水矿化度越大，表层土壤盐分聚集效应越显著。