郭美美，李曉彬，萬書勤，康躍虎

（1.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049）

0 引言

【研究意義】在經(jīng)濟快速發(fā)展的沿海地區(qū)，濱海鹽堿地是城鎮(zhèn)擴大面積與生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要后備土地資源[1]。但由于這類土壤多發(fā)育于鹽漬淤泥，具有鹽分量高、質(zhì)地黏重、鈉吸附比高等特點，加上濱海地區(qū)地下水埋深淺且多為咸水、微咸水，土壤鹽分淋洗困難，開發(fā)利用難度大。此外，濱海鹽漬土鹽分淋洗過程中還伴生土壤pH 值升高的現(xiàn)象[2]，不僅會直接影響土壤中活性養(yǎng)分的有效性、微生物活性，還會間接影響有機質(zhì)分解[3]，成為制約濱海鹽堿地植物成活與生長的重要因素，也是濱海鹽堿地植被構(gòu)建中需要迫切解決的關(guān)鍵問題。

【研究進展】無論是室內(nèi)土柱試驗還是田間試驗，濱海鹽漬土脫鹽過程中會有一個土壤pH 值升高的階段。胡紀常等[4]采集了我國20 多個濱海地區(qū)的土壤分析得出，濱海鹽漬土pH 值隨含鹽量的降低而略有增高，一般為7.5～8.5，個別可達9.0 以上。陳巍等[5]對江蘇地區(qū)濱海重度鹽漬土的室內(nèi)淋洗模擬研究結(jié)果表明，土壤含鹽量大于1 g/kg 時，pH 值隨含鹽量減小而上升。Sun 等[6-7]在天津大港采用滴灌進行濱海鹽堿地鹽分淋洗的原土造林試驗中，發(fā)現(xiàn)在滴灌水鹽調(diào)控的前2 a 表層土壤pH 值由8.5 升高到9，第3年開始下降到8.8。Li 等[8]在河北曹妃甸利用微咸水滴灌進行濱海鹽堿地原土造林試驗中，同樣發(fā)現(xiàn)在微咸水滴灌鹽分淋洗過程中，土壤pH 值先由8.01 升高到8.88 后降低，所種植的部分植物在pH 值升高階段逐漸死亡或生長不良。一般土壤微生物適宜的pH 值是6.5～7.5，過酸或過堿都會嚴重抑制土壤微生物的活性，從而影響各種養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和供應(yīng)，間接影響植物的生長[9]。土壤pH 值更是決定土壤礦質(zhì)成分有效性的重要因素，植物所必需的17 種營養(yǎng)元素中，除了鈣、鎂、鉬之外，其他元素在堿性條件下有效性均較低，土壤的酸堿性為中性時，大部分營養(yǎng)元素的有效性較高[10]。

【切入點】為了改善濱海鹽漬土鹽分淋洗過程中土壤pH 值升高造成的土壤堿性環(huán)境，目前常用的方法是使用外源添加劑，例如施用有機混合肥[11-12]、脫硫石膏[13-14]、生物炭[15]等，但以上外源添加劑需要的投入量高且工程量大，對于鹽堿地造林應(yīng)用來說，需要探索一種低成本、綠色、簡便高效的調(diào)控濱海重度鹽漬土脫鹽過程中pH 值顯著升高對植物生長不利影響的方法。【擬解決的關(guān)鍵問題】滴灌技術(shù)因其小流量、長時間、高頻率的灌溉特點和顯著的鹽分淋洗效果，被逐漸應(yīng)用于鹽堿地原土造林和常規(guī)綠化的灌溉，本研究將工業(yè)用粗磷酸作為酸性調(diào)節(jié)劑加入灌溉水中，采用滴灌進行室內(nèi)土柱模擬試驗，研究滴灌加酸處理對濱海重度鹽漬土壤鹽分淋洗和pH 值的影響規(guī)律，為濱海鹽堿地植物適宜生長環(huán)境構(gòu)建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤概況

供試土壤取自河北省唐山市曹妃甸區(qū)中科院地理資源所生態(tài)城泥質(zhì)濱海重度鹽堿地試驗示范基地（北緯39°12′，東經(jīng)118°31′），是典型的灘涂鹽漬淤泥發(fā)育土壤。土壤黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）和砂粒（0.05～2 mm）量分別為0.7%、80.13%、19.17%，土壤質(zhì)地為粉土，0～100 cm 未經(jīng)擾動的原始土壤體積質(zhì)量為1.7～1.85 g/cm3，土壤飽和泥漿提取液電導(dǎo)率（ECe）為35.5 dS/m，鈉吸附比（SAR）為57.50（mmol/L）0.5，pH 值為7.70，屬于鹽堿土（ECe＞4 dS/m，SAR＞13），程度為重度鹽堿土[16]。取樣地土壤質(zhì)地黏重、結(jié)構(gòu)性差、透氣性不良。

1.2 試驗方法

采集0～100 cm 深度的土壤，將樣品中石塊等雜質(zhì)剔除后，風(fēng)干過2 mm 篩混勻備用。采用土柱進行室內(nèi)模擬試驗，土柱玻璃罐長、寬、高分別為15、15 cm 和80 cm，底部有2 cm 厚的水泥不透水層，不透水層向排水口一側(cè)傾斜；在水泥層上填充礫石隔離層（直徑為3～5 cm 的礫石，厚度約為10 cm，礫石層上填充中沙，厚度為5 cm，用于排水排鹽；礫石隔離層上按照體積質(zhì)量1.5 g/cm3填充濱海鹽漬土，每5 cm 裝填1 次，每裝填一層用刷子將表面刷毛再裝填下一層，考慮到植物根系層主要分布在0～55 cm 土層范圍內(nèi)，且試驗區(qū)0～100 cm 土層土壤質(zhì)地?zé)o差異，為了減少部分裝填土柱的工作量，并且根據(jù)實驗室已有的土柱規(guī)格，土柱共填充11 層，整個玻璃罐土柱厚度為55 cm，土柱供試土壤初始鹽度（ECe）均值為32.25 dS/m，pH 均值為7.53，2 個數(shù)值均低于表1數(shù)值，這主要是土壤空間分布變異性造成的。距玻璃罐底部5 cm 處，側(cè)面開1 個直徑2 cm 的小孔，用玻璃膠將直徑2 cm 的PVC 塑料管與其連接用于排出淋洗水。

表1 土壤鹽分情況Table 1 Soil salinity

本試驗設(shè)計加酸后灌溉水pH 值和灌溉水量2 個因素。設(shè)計加酸后灌溉水的pH 值分別為6.0、6.5、7.0、7.5、8.2～8.5（不加酸處理），分別用S1、S2、S3、S4和S5 表示，由試驗基地的深層地下井水和工業(yè)用粗磷酸（85%濃度）按照不同比例（每100 L 灌溉水中加酸量分別為14.5±0.1、7±0.1、3±0.1、1±0.1、0 mL）配置而成。深層地下水的主要離子組成、電導(dǎo)率（EC）和pH 值如表2所示。所配置的灌溉水中含有H+、H2PO4-、HPO42-、PO43-和少量的OH-。設(shè)計灌溉水量分別為60、120、180、240 mm。試驗采用滴灌進行灌溉，由于供試土壤入滲性差，設(shè)計滴頭流量為0.3 L/h，所用滴灌帶截自農(nóng)用貼片式滴灌帶（滴頭間距30 cm，直徑16 mm，壁厚0.4 mm，10 m 水頭下流量1.38 L/h），滴頭為迷宮式管式滴頭，根據(jù)流量公式為：

表2 深層地下水水質(zhì)Table 2 Irrigation water quality

式中：Q為滴頭流量；k為與滴頭結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，H為滴頭工作壓力；x為出流指數(shù)（本試驗條件下x=0.5）[17]，通過計算得到約在50 cm 水頭下可得到設(shè)計的滴頭流量。滴頭放置在土柱的一角，每次灌水量為6 mm（135 mL，參考孫甲霞[18]、Chen 等[19]、Li 等[20]采用的滴灌水鹽調(diào)控方法的灌水量），灌水間隔時間為12 h。

1.3 測定指標與方法

每個處理灌溉至設(shè)計灌水量后的第2 天取樣，考慮到滴灌實際條件下滴頭對角線的距離最長，土壤環(huán)境空間跨度最大，因此土柱內(nèi)從滴頭位置沿對角線進行取樣。取樣為水平距滴頭0～3、3～6、6～9、9～12、12～15 cm，垂直深度為0～5、5～10、10～15、15～20、20～25、25～30、30～35、35～40、40～45、45～50、50～55 cm。取得的樣品制作成土壤飽和泥漿，然后用DT5-1離心機（北京時代北利離心機有限公司）以轉(zhuǎn)速3 600 r/min 下離心15 min 獲得飽和泥漿提取液，分別用電導(dǎo)率儀（雷磁，DDS-307）和酸度計（雷磁，PH3-3E）測定提取液ECe和pHe值。

脫鹽率=（ECe本底均值-土壤當前ECe值）/ECe本底均值。

積鹽率=（土壤當前ECe值-ECe本底均值）/ECe本底均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010 處理，采用OriginPro 8.0 和Surfer 8.0 軟件作圖，土壤鹽分在分析數(shù)據(jù)時采用水平加權(quán)平均值法，加權(quán)平均值=∑（樣品量×水平距離/整個水平范圍），平均值均指加權(quán)平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分變化

土柱供試土壤初始鹽度（ECe）為32.25 dS/m，如圖1所示，隨著灌溉水量的增加，土壤鹽分在水平和垂直方向上得到有效的淋洗。

1）灌水量為60 mm（圖1（a）），S1—S5 處理土柱水平濕潤鋒均運移到15 cm 處，垂直濕潤峰均運移到40 cm處，0～20 cm土層土壤鹽度分別降低到11.24、9.95、14.22、14.31 dS/m 和13.58 dS/m，脫鹽率分別為65%、69%、56%、56%和58%，20～40 cm 土層土壤鹽分積累，30～40 cm 土層的積鹽率分別為36%、40%、73%、41%、27%。

2）灌水量為120 mm（圖1（b）），S1—S5 處理土柱垂直濕潤峰恰好到達礫石層，0～40 cm 土層土壤鹽度分別降低到13.36、10.35、12.84、12.57 dS/m 和12.57 dS/m，脫鹽率分別為59%、68%、60%、61%和61%，40～55 cm 土層土壤鹽度分別增加到53.44、51.83、64.07、62.55、57.98 dS/m，積鹽率分別為66%、61%、99%、94%、80%。

3）灌水量為180 mm（圖1（c）），S1—S5 處理均有淋洗水進入礫石層但尚未排出，隨著灌溉水量增加，0～40 cm 土層土壤鹽度分別降低到5.93、7.46、6.88、7.83、8.82 dS/m，脫鹽率分別為82%、77%、79%、76%和73%，40～55 cm 土層土壤鹽度分別為47.17、51.98、62.40、51.61、57.19 dS/m，積鹽率分別為46%、61%、93%、60%、77%。

4）灌水量為240 mm（圖1（d）），S1—S5 處理均有淋洗水排出，整個土柱0～55 cm 土層土壤鹽度分別降低到3.12、3.86、3.06、3.54、3.22 dS/m，脫鹽率分別為90%、88%、90%、89%、90%。

圖1 不同加酸處理在不同灌水量下土壤ECe的剖面分布Fig.1 The profile distribution of ECe under different acid treatment with different irrigation volumes

如圖2（a）所示，灌水量為240 mm 時，淋洗出來的土壤鹽分隨淋洗水排出，大部分土體為非鹽漬狀態(tài)，S1—S5 處理0～40 cm 土層的土壤ECe均值都小于4 dS/m，中值均小于3 dS/m，S1、S3、S5 處理75%區(qū)域的土壤ECe均小于4 dS/m，S2處理和S4處理75%區(qū)域的土壤ECe也均小于5 dS/m。由圖2（b）可以看出，灌水量小于240 mm 時，隨著灌溉水量的增加，0～40 cm 土層土壤ECe均呈對數(shù)函數(shù)式降低。

圖2 土壤ECeFig.2 ECe in soil

2.2 土壤pH 值變化

如圖3所示，土壤初始pH 值為7.53，隨著灌溉水量的增加，土壤pH 值在鹽分受淋洗區(qū)域均出現(xiàn)了增加趨勢。灌水量為60 mm 時，濕潤鋒運移到40 cm處，S1—S5 處理0～40 cm 土層土壤pH 均值分別為7.45、7.55、7.72、7.58、7.61；灌水量為120 mm 時，整個土層已全部濕潤，S1—S5 處理0～55 cm 土層土壤pH 均值分別為7.74、7.74、7.48、7.76、7.79；灌水量為180 mm 時，淋洗水進入礫石層尚未排出，S1—S5處理0～55 cm 土層土壤pH 均值分別為7.95、7.85、7.91、7.84、7.79；灌水量為240 mm 時，已有淋洗水排出土柱，且整個土層已均被灌溉水淋洗變?yōu)槊擕}層，這時S1—S5 處理0～55 cm 土層土壤pH 均值分別為7.73、7.78、7.86、7.92、7.92。灌水量在60～180 mm時，加酸處理的土柱土層高pH 值（>7.9）區(qū)域范圍要大于未加酸的灌溉水處理；灌溉水量達到240 mm后，S1—S3 處理的高pH 值（>7.9）區(qū)域范圍減小，而S4—S5 處理的高pH 值（>7.9）區(qū)域范圍增加。在各灌水量下，所有處理土壤pH 值升高程度最大的區(qū)域集中在0～10 cm 土層，且整個剖面內(nèi)土壤pH 最大值（峰值）均分布于在這一區(qū)域內(nèi)。當灌水量為180 mm 時，可以明顯看到S1—S4 處理30 cm 土層以下出現(xiàn)一個高pH 值分布區(qū)域，當灌水量達到240 mm時，S1—S3 處理這一區(qū)域消失，S4 處理此區(qū)域增大，S5 處理則有明顯的高pH 區(qū)域出現(xiàn)。

圖3 不同加酸處理不同灌水量下土壤pH 值的剖面分布Fig.3 The profile distribution of pH under different acid treatment with different irrigation volumes

如圖4（a）所示，灌溉水量為240 mm 時，土柱中所有土壤鹽分已降到較低水平，0～55 cm 土層土壤pH 值，無論是最大值、均值、中值，均表現(xiàn)為S1 處理 S4處理>S2 處理>S3 處理>S1 處理（圖4（b））。隨著加酸量增加即灌溉水pH 越小，鹽分淋洗過程中土壤pH值升高的階段越短，土壤pH 值回降的越快越低（圖4（b））。

圖4 土壤pH值變化情況Fig.4 The change trend of mean pH of soil

3 討論

本研究中，在沒有淋洗水排出礫石層時，土柱表層土壤鹽分并隨淋洗水向下遷移，深層土壤為積鹽狀態(tài)；當有淋洗水排出礫石層后，整個土柱土壤中的鹽分隨淋洗水排出土體，整個土柱土層均為脫鹽狀態(tài)。土壤脫鹽過程呈現(xiàn)出鹽分峰值初步形成、向下移動和土柱整體脫鹽3 個階段[21-22]。當灌水量達到240 mm時，所有處理0～55 cm 整個土體已經(jīng)處于脫鹽的狀態(tài)，土壤脫鹽率均在85%以上。Prichard 等[23]研究表明，漫灌條件下，土壤鹽分降低70%時所需灌水量為土層深度的同等單位的數(shù)值，即0～55 cm 土層鹽分降低70%時漫灌條件下大概需要550 mm 的水量，而本研究在滴灌條件下，所需水量要小于240 mm，相比漫灌減少了至少1/2 以上。這主要是由于鹽漬土鈉離子量高，鈉吸附比高，土壤入滲性差，土壤水分飽和后土壤顆粒膨脹分解、土壤孔隙關(guān)閉，鹽分淋洗受阻，而滴灌條件下土壤水分主要為非飽和運動，鹽分淋洗效率高[24-25]。通過不同加酸處理在不同灌溉水量滴灌條件下的土壤脫鹽過程發(fā)現(xiàn)，在水中添加工業(yè)用粗磷酸后滴灌不會影響土壤鹽分的淋洗。

已有研究表明濱海鹽漬土脫鹽過程中存在土壤pH 先增加后降低的現(xiàn)象，而這一土壤pH 值的增加過程已被證明會影響到土壤養(yǎng)分的有效性、喜酸植物的生長或存活[4-8]。濱海鹽漬土主要離子有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-、HCO3-、CO32-，分布在土壤溶液和膠體中，維持著一種相對的、可逆的動態(tài)平衡[26]。濱海鹽漬土脫鹽過程中，陰、陽離子先后受到淋洗并發(fā)生遷移，為了繼續(xù)維持著這種平衡狀態(tài)，土壤中各離子量會發(fā)生變化，有研究表明灌水造成土壤Ca2+淋失促進CaCO3溶解，從而提高HCO3-量，pH值隨之升高[27]。本試驗處理實質(zhì)上是含有不同質(zhì)量濃度的H+溶液施入土體，這些H+有可能促進了土壤中CaCO3的溶解，影響了濱海鹽漬土淋洗脫鹽過程中各鹽分離子動態(tài)平衡的建立，所以出現(xiàn)了加酸處理高pH 值區(qū)域在灌水量為60～180 mm 時要大于不加酸處理的情況。本研究發(fā)現(xiàn)以滴頭為中心的1/4 橢球體土壤pH 值最先開始變化，這是由于這部分土體最先得到淋洗，土壤鹽分量下降最快，土壤離子量變化最大，使得土壤pH 值發(fā)生了改變。灌水量為180 mm 時，30 cm 土層以下出現(xiàn)土壤高pH 值分布，這可能是因為這部分土層由積鹽狀況向脫鹽狀態(tài)轉(zhuǎn)變，Ca2+開始淋失，引發(fā)土壤pH 值的改變。

本試驗中，未加酸的S5 處理脫鹽區(qū)域土壤pH值較初始pH 值始終呈增加趨勢，這可能是由于土體脫鹽程度尚未達到土壤pH 值由增轉(zhuǎn)降的拐點。S1—S3 處理均表現(xiàn)為隨著土壤鹽分的淋洗土壤pH值先增加后降低，這表明通過添加工業(yè)用粗磷酸調(diào)控灌溉水pH 值為6～7 時進行滴灌，可以有效縮短濱海鹽漬土脫鹽過程中土壤pH 值上升這一階段的時間，并且可以有效降低土壤pH 值的升高程度。根據(jù)試驗結(jié)果，240 mm 的灌水量可將0～55 cm 深度范圍75%以上的土壤鹽度淋洗到5 dS/m 以下，通過計算配酸比例，在此灌水量下，1 hm2土地共需添加72～348 L，約450～1 950 元的工業(yè)磷酸（有效成分85%）可將灌溉水pH 值調(diào)控在6～7 的范圍內(nèi)，通過灌水，可快速在植物主根層調(diào)控一個更偏中性的土壤酸堿環(huán)境。相比現(xiàn)有直接向土壤中添加外源添加劑[11-15]，成本低且省工省力，由于工業(yè)用粗磷酸的磷量高，兼具磷肥和酸堿調(diào)節(jié)劑的效用，有助于實現(xiàn)水肥一體化。

以上僅討論了室內(nèi)土柱模擬滴灌條件下不同加酸處理對土壤鹽分和pH 值的影響，沒有進一步分析土壤主要離子量的變化趨勢，且未涉及植物對加酸處理后土壤pH 值變化的響應(yīng)。此外，長期加酸處理滴灌對土壤pH 值改良調(diào)控效應(yīng)是否具有持久性，也有待于進一步研究。

4 結(jié)論

1）濱海鹽漬土滴灌條件下，隨著灌溉水量的增加，0～40 cm 土層土壤ECe均呈對數(shù)函數(shù)式降低，將0～55cm 土壤鹽分淋洗到70%以下時所需灌溉水量相比漫灌至少減少1/2 以上。

2）通過添加工業(yè)用粗磷酸滴灌后對濱海鹽漬土鹽分淋洗過程中土壤pH 值的變化產(chǎn)生了影響，隨著加酸量增加即灌溉水pH 值越小，鹽分淋洗過程中土壤pH 值升高的階段越短，土壤pH 值回降的越快越低，當加酸后灌溉水pH 值為6～7 時，可有效調(diào)控濱海重度鹽漬土在脫鹽過程中出現(xiàn)的pH 值升高的現(xiàn)象。