2021, Vol. 58
2. 中国科学院大学 北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
环渤海地区是我国滨海盐土主要分布区域[1]，土壤盐碱化、地下水位浅且矿化度高、土地利用率低和生态环境差是该地区面临的主要问题[2]。由于淡水资源不足，严重限制了该地区土地利用、农业生产和生态环境建设[3]，而丰富的地下咸水资源的利用日益重要[4]。咸水利用和土壤水盐调控一直是国内外研究的热点，针对咸水利用方式和技术等方面开展了大量的研究，通过咸水直灌[5]，咸淡水轮灌[6]，咸淡水交替灌[7-8]等灌溉方式，结合喷灌、滴灌、漫灌、畦灌[9-11]等灌溉技术，在节约淡水的前提下，尽量减少对土壤的不利影响，创建适宜的根层土壤水盐条件，以实现作物和植物的正常生长。
咸水利用下，咸水和土壤胶体中离子间的交换吸附作用影响水分入渗特性，因此咸水水质显著影响了水分入渗过程[12]。大量研究表明：相对于淡水，咸水可显著促进水分入渗，同时，咸水入渗过程中土壤盐分的淋洗和累积交替进行，咸水矿化度越高，盐分在土壤中的累积也越多，进而导致土壤次生盐渍化[13-14]。有研究指出利用低于3 g·L-1微咸水进行灌溉比较适宜，且不会造成土壤积盐[15]。而如果咸水矿化度过大，则会造成土壤盐分累积，仍然需要部分淡水进行淋洗。目前，咸淡水交替灌溉是咸水利用的有效方式，其中咸水入渗可显著改善土壤结构，促进后续淡水的入渗淋盐[16]。朱瑾瑾等[17]研究表明：利用9 g·L-1的咸水和淡水轮流入渗可实现土壤盐分有效淋洗，能够达到与相同水量淡水入渗相同的淋盐效果；Lin等[18]通过春季咸水直接灌溉，结合夏季降雨，可实现土壤盐分淋洗。
近年来，笔者所在团队根据环渤海地区气候条件、土壤水盐运移规律和植物阶段性耐盐特征，依据咸水结冰融化咸淡水分离原理，发明了咸水结冰灌溉改良滨海重盐碱地技术[19-20]，即利用当地高矿化度咸水，在冬季进行灌溉，灌溉咸水在冬季低温作用下在地表冻结成咸水冰；春季咸水冰融化入渗过程中，先融化的高浓度咸水先入渗，后融化的低浓度咸水和淡水的入渗可实现土壤盐分有效淋洗。前期室内土柱模拟试验和田间试验结果均表明，咸水冰融化入渗可达到较淡水冰融化入渗更好的淋盐效果[21-22]。由于咸水冰的融化是水质水量连续变化的过程[23-24]，利用以上融水入渗必然会导致其在土壤中的入渗特性的变化。目前，尚没有关于不同矿化度和不同水量咸水连续入渗滨海盐土的过程和入渗后水盐分布的研究。
因此，本研究拟通过室内土柱模拟试验，依据咸水冰融化过程中融水水质和水量的变化规律，开展不同梯次咸水入渗滨海盐土过程及土壤水盐运移规律方面的研究，以期为咸水冰融水入渗过程中不同阶段的入渗特性和水盐分布规律提供依据，同时探讨咸水梯次灌溉改良滨海盐碱地的效果。
1 材料与方法 1.1 试验材料供试土样为取自河北省海兴县小山乡的滨海盐土，按中国土壤分类为盐碱土，经测定其中粉粒，砂粒和黏粒分别占82.44%，1.88%和15.68%。根据国际制土壤质地分级标准为粉砂质黏壤土。土壤经风干，碾压，过筛（孔径1 mm）均匀混合制成室内土柱试验土样。经测定风干土壤的含水量为2.42%，含盐量为36.40 g·kg-1。试验用咸水以当地海盐和蒸馏水配制而成，咸水矿化度和离子组成按所取的咸水水质，由MgCl2和CaSO4调配。供试土样和咸水的离子成分见表 1。
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表 1 供试土样和咸水的离子组成 Table 1 Ions contents of the tested water and soil |
室内设置土柱模拟试验，分析咸水梯次入渗滨海盐土过程和水盐分布情况。土柱采用有机玻璃材料制成，内径为9 cm，高为105 cm，底部封底，并在底部侧方开有直径为5 mm的排水口，在距顶端10 cm以下，每隔5 cm在土柱两侧开直径为2 cm的取样孔，土柱填装和水分入渗过程中，用橡胶塞堵住以防漏水；按照容重为1.42 g·cm-3（取土当地表层土壤容重）每10 cm一层填装土柱；土柱填装完成后，采用内径7 cm，高50 cm的马氏瓶供水，定水头入渗滨海盐土；土柱和马氏瓶侧面均贴有带刻度的塑料透明胶带，入渗过程中，定时记录湿润锋距离、马氏瓶水位的变化，以分析入渗特性；入渗完成后，在取样口进行土壤取样，分析不同咸水入渗后土壤水盐分布状况。
1.3 试验过程与处理本研究设置了三个不同咸水入渗处理，包括咸水梯次入渗（GSI）、咸水单一入渗（DSI）和咸水冰融化入渗（MSI），对照为淡水入渗（CK）。其中咸水矿化度为15 g·L-1，入渗水量为314.3 mm。GSI处理根据咸水冰融化过程中融水水质和水量的变化设置了不同咸水梯次，具体方法为室内采用矿化度为15g·L-1、体积为1 L的咸水置于冷冻箱内，在-18℃~-24℃下结冰，后将其置于室温（15 ℃），使其自然融化，每隔1h收集一次融水，并测定其融水体积和矿化度，依据融水矿化度和融水体积的变化，设置GSI处理中不同咸水梯次。如图 1所示，融水的累积体积随矿化度的升高而后呈指数下降，直至融化出淡水。依据融水累积体积和根据以上变化设置了4个矿化度和水量的咸水梯次包括梯次1（S1）：矿化度为81 g·L-1，水量为25 mm；梯次2（S2）：矿化度为19 g·L-1，水量为125.8 mm；梯次3（S3）：矿化度为3 g·L-1，水量为94.3 mm；梯次4（S4）：淡水，水量为69.2 mm。利用上述梯次水质和水量的咸水，以马氏瓶供水（定水头2cm）依次入渗滨海盐土，待上一梯次咸水完全入渗后，立即改换下一梯次咸水，直至所有梯次咸水入渗完成；MSI处理，把配置好的咸水置于冷冻箱内（-18℃~-24℃），使其冷冻成咸水冰，后将制备好的咸水冰置于土柱上方在室温条件下（15℃）使其自然融化入渗，直至融水全部入渗结束。DSI处理，把配置好的矿化度为15 g·L-1，入渗水量为314.3 mm的咸水，以马氏瓶供水（定水头2 cm）入渗滨海盐土，直到入渗完成。CK对照，利用水量为314.3 mm的淡水，利用马氏瓶供水（定水头2 cm）入渗滨海盐土，直至入渗停止，以其他处理入渗完成为准。以上处理重复3次。
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图 1 咸水冰融化过程中融水矿化度和累积体积的关系 Fig. 1 Relationship between cumulative volume and salinity of meltwater during melting of saline ice |
水分入渗过程中，通过土柱侧面带有刻度的胶带，定时记录各处理湿润锋迁移距离。此外，由于MSI处理中咸水冰融化入渗滨海盐土，是一个连续的过程，入渗过程中的累积入渗量、入渗率等参数不能定量监测，本文中针对GSI处理、CK处理和DSI处理的累积入渗量和入渗率等指标进行了测定，是通过分析GSI处理下的入渗指标及与其他处理的区别，初步明确MSI处理下入渗特性的变化规律。水分入渗过程中，按照先短后长的时间间隔定时观测马氏瓶水位，分析累积入渗量和入渗率。其中，入渗0~30 min时间段，每2 min观测一次；30~90 min时间段，每5 min观测一次；90~390 min时间段，每30 min观测一次；此后每1 h观测一次直至入渗结束。入渗完成后，从土表至湿润锋处依次在柱壁取样孔处取土，测定土壤水盐含量。采用烘干法测定土壤含水量。土样利用1∶5的土/水比浸提后，测定土壤离子含量和含盐量，用双指示剂滴定法测定HCO3−含量，用AgNO3滴定法测定Cl−含量，用EDTA间接络合滴定法测定SO42−、Ca2+、Mg2+含量，用阴阳离子平衡法求得K+和Na+含量，土壤含盐量为各阴阳离子之和。
入渗结束后，对各处理不同土层0~10、10~20和20~40 cm的脱盐率进行计算，以分析不同咸水入渗对土壤盐分淋洗效率的影响，其中脱盐率由以下公式计算所得：
| $ R_{d}=\left(S_{A}-S_{B}\right) / S_{A} \times 100 \% $ | (1) |
式中，
采用Excel 2016和SPSS 19.0软件对数据进行统计和分析，采用One-way AVOVA对处理间入渗过程中的累积入渗量、入渗率和湿润锋深度，以及入渗后处理间同一土壤深度的水盐含量和脱盐率进行方差分析，采用Duncan法进行多重比较和显著性分析。
2 结果与讨论 2.1 入渗过程水分入渗是水分进入土壤的重要环节，显著影响了土壤的物质迁移和水分分布[12]，本研究对不同梯次咸水入渗滨海盐土的累积入渗量、入渗率和入渗深度进行了分析，并与其他处理进行了对比。据研究，咸水入渗盐碱土过程中，咸水中的二价阳离子如Ca2+、Mg2+等与土壤胶体吸附的单价阳离子如Na+发生交换吸附作用，有利于土壤颗粒的絮凝、改善土壤结构，提高土壤的渗透性能[25-26]。本研究也取得了相同的研究结果，图 2为GSI、DSI和CK处理的累积入渗量和入渗率随入渗历时的变化过程，由于MSI处理中咸水冰融化入渗滨海盐土是一个连续的过程，其阶段性入渗指标如入渗率和累积入渗量均不能定量监测，因此该处理没有在图 2中显示。如图 2所示，入渗初期，由于土壤含水量极低（2.42%），土壤基质势极高[24]，入渗率也较高，后随着水分的入渗，土壤含水量逐渐升高，入渗率呈逐渐降低趋势。相同入渗时间点，CK处理累积入渗量和入渗率小于咸水处理。各处理不同入渗时间段的入渗率和累积入渗量进行方差分析结果表明：相同入渗时间段，咸水处理的累积入渗量和入渗率均显著高于对照处理（表 2）。咸水入渗中，GSI处理和DSI处理的总入渗量相同，但入渗过程中以上处理在累积入渗量上存在差异。入渗初期，GSI处理由于S1梯次咸水的矿化度显著高于DSI处理，为81 g·L-1，其累积入渗量和平均入渗率显著高于DSI处理的15 g·L-1。如表 2所示，0~24 min时间段（对应S1咸水梯次阶段），GSI处理的累积入渗量和平均入渗率分别为28.7 mm和1.2 mm·min-1，显著高于DSI处理的19.7 mm和0.8 mm·min-1（P < 0.05）；S2梯次咸水的矿化度为19 g·L-1，与DSI处理矿化度相当，在此阶段（24~1 142 min时间段），GSI处理的累积入渗量和平均入渗率与DSI处理相比没有显著差异。入渗后期，GSI处理中S3梯次咸水的矿化度为3 g·L-1，低于DSI处理，其累积入渗量和平均入渗率显著低于DSI处理。在此阶段（1 142~2 702 min时间段）GSI处理的累积入渗量和平均入渗率分别为87.9 mm和0.06 mm·min-1，显著低于DSI处理的131.6 mm和0.08 mm·min-1（P < 0.05）；2 702 min~入渗结束时间段（对应S4咸水梯次阶段），GSI处理的平均入渗率为0.03 mm·min-1，显著低于DSI处理的0.05 mm·min-1（P < 0.01），但GSI处理的入渗水量在前3个梯次小于DSI处理，水分完全入渗条件下，在S4阶段的累积入渗量为76.0 mm显著大于DSI处理的34.5 mm。已有研究表明：随着咸水矿化度的增大，土壤胶体的絮凝和土壤团粒结构进一步增强，土壤导水能力显著提高，水分入渗过程加快[27]。本研究中咸水梯次入渗充分利用了上述规律，在入渗初期促进了水分的入渗。相对于咸水单一直接入渗，咸水梯次入渗在入渗初期显著促进了水分进入土壤的过程，提高了累积入渗量和入渗率，进而为后续低矿化度咸水和淡水创造了良好的入渗条件。并且咸水梯次入渗条件下对入渗率的影响在入渗最初阶段更为明显，如图 2所示，S1梯次阶段咸水结束时的入渗率为0.35 mm·min-1，换水后进入S2梯次阶段初期的入渗率迅速升高至1.67 mm·min-1。在S2、S3和S4阶段换水后，水分入渗率均有不同程度的升高，但没有S1和S2咸水梯次明显。
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注：GSI为咸水梯次入渗，DSI为咸水单一入渗，CK为淡水入渗。下同。Note：GSI is graduation saline water infiltration，DSI is direct saline water infiltration，CK is fresh water infiltration. The same below. 图 2 不同处理累积入渗量和入渗率随入渗时间的变化 Fig. 2 Variations of cumulative infiltration and infiltration rate with infiltration going on relative to treatment |
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表 2 处理间不同入渗时间段累积入渗量、入渗率和湿润锋迁移距离 Table 2 Cumulative infiltration, infiltration rate and migration distance of wetting front relative to time period of infiltration and treatment |
湿润锋迁移距离是累积入渗量和入渗率的综合表现[27]，已有研究表明，水分入渗初期，土壤含水量较低，土壤基质吸力高，湿润锋迁移速度和深度均较快，随着进一步入渗，水土界面土壤含水量逐渐升高，土壤基质吸力逐渐降低，水分以活塞流的形式向下推移，湿润锋迁移过程减慢[12, 14]。本研究各处理累积入渗量和入渗率的差异也导致了湿润锋迁移过程的不同。如图 3所示，在入渗初期，相同入渗历时，各处理之间湿润锋迁移距离没有明显差异；随着水分的进一步入渗，各处理的湿润锋迁移距离呈现不同的变化趋势，表现为相同入渗历时，咸水处理的湿润锋迁移距离显著大于淡水处理（表 2）。咸水处理中，0~24 min时间段（对应S1咸水梯次阶段），由于GSI处理的累积入渗量和入渗率显著大于DSI处理（图 2），其湿润锋迁移距离显著大于DSI处理（P < 0.05），此外，由于MSI处理在此阶段咸水冰的融化速度较慢，导致湿润锋迁移距离最小；24~1 142 min时间段（对应S2咸水梯次阶段），各咸水处理的湿润锋迁移距离没有显著差异；1 142~2 702 min时间段（对应S3咸水梯次阶段），由于GSI处理的累积入渗量和入渗率显著小于DSI处理（图 2），其湿润锋迁移距离显著低于DSI处理（P < 0.05），MSI处理和GSI处理间没有显著差异；2 702 min~结束时间段（对应S4咸水梯次阶段），GSI处理的累积入渗量显著大于DSI处理（P < 0.05），其湿润锋迁移距离显著大于DSI处理，同时。MSI处理和GSI处理间没有显著差异。
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注：MSI为咸水冰融化入渗。下同。Note：MSI is melting saline ice infiltration. The same below. 图 3 不同处理湿润锋迁移距离随入渗时间的变化 Fig. 3 Variations of migration distance of wetting front with infiltration going on relative to treatment |
相对于淡水入渗，咸水入渗显著提高了水分的入渗特性。与淡水入渗相比，相同入渗时间，咸水的累积入渗量、入渗率和湿润锋迁移距离均显著大于淡水入渗，这与前人研究结果一致[28-29]，相对于咸水直接入渗，咸水梯次入渗对土壤的入渗特性具有重要影响，上一梯次高矿化度咸水入渗促进了土壤结构和入渗条件的改善，可为后续梯次低矿化度微咸水和淡水创造良好入渗条件，并且以上过程主要发生在入渗初期。此外，湿润锋迁移距离是累积入渗量和入渗率的综合表现，本研究中，咸水梯次入渗滨海盐土过程在湿润锋迁移距离上能够较好的反映咸水冰融水入渗滨海盐土的过程，这表明咸水结冰融水入渗与咸水梯次入渗过程具有类似的累积入渗量和入渗率的变化特征，这为咸水冰融水在滨海盐土中的连续入渗特征提供了理论依据，也可作为模拟分析咸水结冰融水入渗特征的有效手段。
2.2 入渗后土壤水分分布入渗过程的不同导致了土壤水分和盐分在土壤剖面分布的差异，图 4为入渗完成后不同处理水分在土壤剖面的分布。对于CK处理由于入渗率、累积入渗量和湿润锋迁移距离均显著小于咸水处理，咸水处理入渗完成时，CK处理停止入渗，其总入渗量和入渗深度远小于其他处理，在10 cm以下未能完全入渗，含水率远小于其他处理。0~10 cm土层，咸水处理土壤含水量均显著低于淡水处理，咸水处理中，DSI处理土壤含水率最高（33.82%），其次为GSI处理（32.60%），最小为MSI处理（32.45%）；10~20 cm和20~40 cm土层，各咸水处理的土壤含水量变化趋势与0~10 cm一致；40 cm以下土层则与之相反。以上结果表明：咸水梯次入渗相对于咸水单一入渗，更能促进水分向深层土壤迁移和分配。此外，GSI处理和MSI处理在入渗过程中的相似性，也使得以上处理的土壤水分分布基本一致，这表明：咸水梯次入渗能够较好的反映咸水冰融水入渗后土壤水分分布。
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图 4 入渗后不同处理下土壤水分在剖面分布 Fig. 4 Post-infiltration distribution of water content in the soil profile relative to treatment |
咸水入渗盐碱土过程中，盐分淋洗和累积交替进行，咸水水质和入渗方式对土壤盐分的分布和淋洗具有重要影响[30]。图 5为入渗完成后不同处理下土壤盐分的剖面分布，表现为土壤表层盐分淋洗，深层累积的变化趋势。CK处理由于入渗深度浅，土壤盐分淋洗深度较浅，其中0~10 cm土层土壤含盐量为1.80 g·kg-1，土壤盐分主要积累于10~30 cm土层。咸水处理中0~40 cm土层，土壤含盐量由大到小依次为DSI处理 > GSI处理 > MSI处理，其中DSI处理的土壤含盐量为9.34 g·kg-1，显著高于GSI处理的3.09 g·kg-1和MSI处理的2.83 g·kg-1；而在深层土壤（40~80 cm）中，土壤含盐量在处理间的变化趋势相反。本研究中，即使利用15 g·L-1的咸水对滨海盐土进行单一入渗，也可达到较好的淋盐效果，这与较高的土壤含盐量背景值有关，由于咸水矿化度始终处于一个水平，致使土壤盐分淋洗不够充分。此外，GSI处理和MSI处理土壤盐分在剖面的分布基本一致，但土壤盐分淋洗效果略小于MSI处理。据研究咸淡水轮灌是咸水利用中重要的研究方向，通过咸水对土壤结构改善作用，进一步加强后续淡水的淋盐效果[31]，并且咸水冰融水入渗中，不同矿化度融水的连续入渗也能够实现盐分更好的淋洗[3]。本研究结果显示咸水梯次入渗对土壤盐分的淋洗效果较为显著，并且好于淡水和咸水单一入渗，其盐分淋洗效果与咸水冰融水入渗效果一致。因此，咸水梯次入渗能够较好地反映咸水冰融水入渗对土壤盐分的淋洗效果，这为探讨咸水结冰融水入渗过程中盐分的淋洗规律提供了依据。
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图 5 入渗后不同处理下土壤盐分在剖面分布 Fig. 5 Post-infiltration distribution of salt content in the soil profile relative to treatment |
此外，对入渗完成后各处理不同土层的脱盐率进行了分析（图 6），结果表明0~40 cm土层MSI处理和GSI处理的平均脱盐率分别为92.87%和91.38%，显著大于DSI处理的74.74 %。对于CK处理由于入渗率、累积入渗量和湿润锋迁移距离均显著小于咸水处理，咸水处理入渗完成时，CK处理的总入渗量和入渗深度远小于其他处理，表现为0~10 cm土层的脱盐率为91.73%，而10 cm以下土层表现为积盐。咸水处理中，分别对入渗后不同土层的脱盐率进行了分析结果表明：GSI处理在0~10 cm、10~20 cm和20~40 cm土层的脱盐率分别为95.17%、92.28%和86.69%，MSI处理在以上土层的脱盐率分别为95.74%、93.14%和89.72%，以上两个处理在相同土层的脱盐率没有显著差异，DSI处理在0~10 cm、10~20 cm和20~40 cm土层的脱盐率分别为72.39%、77.27%和74.54%，均显著低于上述两个处理（P < 0.05）。因此，咸水梯次入渗在不同土层的脱盐率与咸水冰融水入渗基本一致。通过对咸水梯次入渗和咸水结冰融水入渗下的累积入渗量、入渗率和湿润锋迁移距离分析表明，以上两种入渗方式在入渗初期上一梯次高矿化度咸水促进了下一梯次低矿化度咸水的入渗，并且此阶段，梯次咸水和咸水冰中的大部分盐分已经进入土体，并淋洗至表层以下，且能够保证后期低矿化度咸水和淡水足够的入渗水量，进而促进了表层土壤盐分的彻底淋洗，并且在土壤盐分分布和各土层的盐分淋洗效率也能保持一致。
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图 6 入渗后不同处理下不同土层脱盐率 Fig. 6 Post-infiltration desalination rate of the soil relative to depth of the soil and treatment |
此外，前期研究结果表明：利用高矿化度咸水冰（> 5 g·L-1）入渗滨海盐土过程中，在一定范围内，咸水冰的矿化度越高，对盐分淋洗效果越深和越好[32]。这可能由于矿化度越高的咸水冰融化初期融水的矿化度也就越高，对土壤水分入渗过程的促进效应也就越大，通过后续微咸水和淡水的入渗，进而实现了较低矿化度咸水冰更好的盐分淋洗效果。针对不同矿化度的咸水梯次入渗滨海盐土过程、盐分淋洗动态过程和盐分淋洗效率仍需进一步研究。
通过以上研究，初步明确了不同梯次咸水在滨海盐土中的入渗过程，探明了入渗后土壤水盐分布规律。相对于咸水单一入渗和淡水入渗，咸水梯次入渗能够达到与咸水冰融水入渗一致的盐分淋洗效果，这为探讨咸水冰融水连续入渗滨海盐土过程中盐分淋洗动态提供了依据和有利的方式，同时也为田间咸水轮灌淋盐提供了理论依据。
3 结论本研究依据咸水冰融化过程中水质水量的变化规律，确定试验所需不同咸水梯次，通过室内土柱模拟试验对咸水梯次入渗滨海盐土过程中的入渗特性、土壤水盐分布特征和盐分淋洗规律等进行研究，结果表明：咸水入渗滨海盐土的入渗率、累积入渗量和湿润锋迁移距离均显著高于淡水；GSI处理中，上一梯次咸水显著提高了下一梯次咸水的入渗率，在入渗前期更为明显；GSI入渗处理在入渗后期的低矿化度咸水和淡水的累积入渗量显著大于DSI处理，并且MSI处理和GSI处理的湿润锋迁移距离变化趋势较为一致，在入渗后期的湿润锋迁移距离显著大于DSI处理；MSI处理和GSI处理在入渗后土壤剖面分布趋势基本一致，相对于CK和DSI处理，GSI处理与MSI处理更能促进水分向深层土壤迁移和分配；MSI处理和GSI处理在入渗后土壤盐分的剖面分布、各土层的盐分淋洗效率基本一致，0~40 cm土层土壤脱盐率均显著高于DSI处理。因此，咸水梯次入渗过程能够反映出与咸水结冰融水入渗一致的水分入渗过程、土壤水盐分布和盐分淋洗效果，这为探索咸水冰融水入渗过程中盐分淋洗动态提供了较好研究方法，同时也为田间咸水轮灌盐分淋洗提供了理论依据。
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