劉 靜，周國(guó)華，2，孫永利，尚 巍，王金麗，葛銅崗

（1.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350）

鹽漬土是一系列受到鹽堿毒害作用下的鹽土、堿土及各種鹽化、堿化土壤的總稱，其廣泛分布于全球的各個(gè)區(qū)域［1］。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)，世界范圍內(nèi)鹽漬土面積約有9.54×108hm2，且以每年1.0×106~1.5×106hm2的速度在增長(zhǎng)［2，3］。我國(guó)鹽漬土面積約為3.6×107hm2，占全國(guó)可利用土地面積的4.88%，從熱帶到寒溫帶、濱海到內(nèi)陸、濕潤(rùn)區(qū)到干旱的荒漠地區(qū)均有分布，其中，西部6 省區(qū)（陜西、甘肅、寧夏、青海、內(nèi)蒙和新疆）鹽漬土面積占全國(guó)的70%左右［4，5］，目前約有80%左右的鹽漬土地尚未得到開(kāi)發(fā)利用［6］。天津市是我國(guó)鹽漬化程度較高的城市之一，土壤含鹽量大于0.2%的面積為9.7 萬(wàn)hm2，其中濱海新區(qū)3.8 萬(wàn)hm2，占全市的39.1%，且重度鹽漬土和鹽土占比高，分別占全市該類型的47.8%和62.6%，面 積 分 別 達(dá) 到0.74 萬(wàn)hm2和0.35 萬(wàn)hm2［7］。中新天津生態(tài)城屬于濱海新區(qū)，位于濱海新區(qū)東北部，轄區(qū)面積約150 km2，土壤資源豐富，但是土壤鹽堿重、面積大、治理困難，制約了區(qū)域生態(tài)城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，中新合作區(qū)域土壤以輕度鹽漬土和中重度鹽漬土為主，分別占20.52%和63.25%［8］，因此，如何開(kāi)發(fā)、恢復(fù)和保護(hù)區(qū)域鹽漬土地成為目前研究的熱點(diǎn)之一。

濱海鹽堿區(qū)域鹽漬土改良和景觀改善受氣候因素、地下水位、成土母質(zhì)、植物、降雨等因素的影響和制約，改良措施普遍采用了客土法、抬高地形、埋設(shè)暗管等方式。但是客土和抬高地形需要大量的種植土，不僅成本高昂，而且嚴(yán)重破壞耕地，是一種“綠一方、毀一方”的治理模式，與國(guó)家推行的耕地政策、生態(tài)環(huán)保政策和可持續(xù)發(fā)展政策相悖。

根據(jù)“鹽隨水來(lái)，鹽隨水去”的基本原理，灌水淋洗改良鹽漬土可取得顯著效果。但因?yàn)闉I海鹽堿地區(qū)水質(zhì)性缺水，自來(lái)水都需要從外地輸配，成本較高，使用灌水淋洗脫鹽的方法一直受制于自來(lái)水等淡水資源的缺乏而未能大面積推廣應(yīng)用。

目前天津生態(tài)城區(qū)域已經(jīng)建成了再生水廠，再生水廠生產(chǎn)的再生水有兩種，一種再生水是滿足天津市地方一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)的，其水質(zhì)未經(jīng)過(guò)脫鹽處理，出水含鹽量較高，一般為2~3 g/L，不滿足國(guó)家關(guān)于灌溉用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；另一種再生水是高品質(zhì)再生水，高品質(zhì)再生水是指生態(tài)城再生水廠采用“CMF-S+RO（浸沒(méi)式超濾膜工藝＋反滲透工藝）”工藝，將污水處理廠尾水處理為深度脫鹽的再生水。區(qū)域內(nèi)再生水系統(tǒng)為一套管網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)行單質(zhì)供水，其水質(zhì)同時(shí)滿足城市雜用水、循環(huán)冷卻用水、景觀環(huán)境用水要求，再生水生產(chǎn)能力近期為2.1萬(wàn)t/d，遠(yuǎn)期為4.2萬(wàn)t/d。使用再生水灌溉鹽漬土，可以大大降低自來(lái)水等優(yōu)質(zhì)淡水資源的消耗。

灌水量是再生水灌溉改良鹽漬土的核心參數(shù)，目前關(guān)于再生水澆灌鹽漬土脫鹽的研究較少，其脫鹽效果如何尚無(wú)參考，因此，開(kāi)展再生水灌水改良濱海鹽漬土試驗(yàn)十分必要，設(shè)置不同灌水量，有利于摸清灌水量對(duì)土壤鹽分遷移的影響。本試驗(yàn)旨在深入研究再生水灌水改良濱海鹽漬土適宜的灌水量工程參數(shù)，以期為濱海鹽堿地區(qū)使用再生水灌水淋洗改良鹽漬土工程化應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在中新天津生態(tài)城開(kāi)展，中新天津生態(tài)城位于天津市濱海新區(qū)東北部，渤海灣西岸。地貌類型主要為平原和洼地，土壤類型為濱海灘地鹽土，土壤特性受到氣候、水文等自然條件以及改良、吹填等人為因素的強(qiáng)烈干擾，具有顯著的地域性差異。該地區(qū)地下水位較高，且礦化程度大，區(qū)域內(nèi)有薊運(yùn)河和永定新河兩條主干河流，但淡水資源仍較為匱乏。氣候類型為大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，并具有海洋性氣候特點(diǎn)，四季特征分明：春旱多風(fēng)少雨，夏熱高溫降水集中，秋季風(fēng)和日麗，冬冷干燥少雪。全年平均降水量約為580 mm，年內(nèi)降水分布不均，多集中于7—8 月，占全年50%以上。該地域年平均蒸發(fā)量大，是降水量的3 倍多，全年以5 月最為突出。地區(qū)內(nèi)原生植物種類單一，主要有蘆葦、堿蓬和檉柳等，生態(tài)環(huán)境脆弱。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用大型高位花箱進(jìn)行模擬，花箱露天擺放于中新天津生態(tài)城東北部片區(qū)泰七路與盛二街東側(cè)79#地塊內(nèi)，將花箱墊平擺放整齊后，按照綠化工程虛鋪厚度方法裝填中重度鹽漬土，虛鋪高度10 cm，澆灌沉降后填裝高度為640 mm。考慮到灌水量與土壤厚度存在一定關(guān)系，試驗(yàn)設(shè)3 個(gè)處理：Z1，灌水量為512 mm；Z2，灌水量為640 mm；Z3，灌水量為768 mm。灌溉采用間歇灌水方法，分20 次灌水，每次灌水量按總量平均分配，每個(gè)試驗(yàn)處理設(shè)6 次重復(fù)，總計(jì)18 個(gè)花箱處理。由于試驗(yàn)采用電極法測(cè)定土壤全鹽含量，要求土壤保持一定的濕度。灌溉土壤淋鹽試驗(yàn)于2019 年10 月9 日開(kāi)始，當(dāng)日各處理均澆灌飽和水。10 月10—29 日按照試驗(yàn)方案對(duì)3 種處理進(jìn)行灌溉補(bǔ)水，共計(jì)20 d。灌水時(shí)間一般在當(dāng)日10：00 左右，在線現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)提前于灌水時(shí)間，監(jiān)測(cè)分別于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 日進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)材料

1.3.1 試驗(yàn)用土 取自中新生態(tài)城東北部片區(qū)79#地塊鹽堿荒地，土質(zhì)為黏土，土壤容重1.5~1.6 g/cm3。

1.3.2 花箱規(guī)格 長(zhǎng)×寬×高為1.00 m×1.00 m×0.64 m，總體積為0.64 m3，花箱底部沿對(duì)角線有兩處直徑為2 cm 的圓形排水孔。

1.3.3 試驗(yàn)用水 水源為再生水，水質(zhì)情況為：TDS≤50 mg/L，pH 6.0；灌水量分別為512、640、768 mm。

1.4 檢測(cè)指標(biāo)及方法

試驗(yàn)過(guò)程中檢測(cè)土壤含鹽量、含水量和溫度等指標(biāo)。土壤含鹽量采用ZD-EC 便攜式鹽分測(cè)定儀測(cè)定，并根據(jù)儀器讀數(shù)進(jìn)行土壤鹽分含量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換系數(shù)為2.2；土壤含水量采用ZD-06 便攜式土壤濕度測(cè)定儀測(cè)定；地表溫度采用便攜式紅外測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤溫度和水分

土壤鹽分的消長(zhǎng)主要取決于蒸發(fā)量、降雨量、地下水位、植物覆蓋、地形地貌等，尤其是水熱條件。土壤水分移動(dòng)過(guò)程會(huì)影響生態(tài)平衡，當(dāng)溫度較高時(shí)，蒸發(fā)量大于降雨量，水分大量蒸發(fā)，促使土壤中鹽分向地表聚集進(jìn)而危害植物生長(zhǎng)；當(dāng)溫度適中，降雨量大于蒸發(fā)量，水分向土壤深層入滲則帶動(dòng)鹽分向土壤底部遷移，會(huì)減輕鹽堿危害作用。

由圖1 可知，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)已經(jīng)進(jìn)入10 月，試驗(yàn)周期在二十四節(jié)氣中的寒露（10 月8 日）與立冬（11月8 日）之間。寒露之后，熱氣消退，寒氣漸生，天氣漸轉(zhuǎn)寒，俗語(yǔ)講“露水以寒，將要結(jié)冰，白露身不露，寒露腳不露”。10 月10 日第1 次觀測(cè)地表溫度為28 ℃，隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的延長(zhǎng)而明顯降低，在10 月16日時(shí)溫度降低到24 ℃，10 月18 日溫度回升了2 ℃，為26 ℃，之后持續(xù)斷崖式降低，11 月1 日結(jié)束時(shí)降低到14 ℃。隨著溫度的降低，地表蒸發(fā)作用減弱，同時(shí)也會(huì)造成鹽分脫洗速率和溶出量偏低。

由圖1 還可以看出，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，所有處理在前1 d 均灌溉了飽和的水分，促進(jìn)了土壤沉降，此時(shí)各處理土壤含水量在30.70%~32.17%，土壤水分含量基本一致。在試驗(yàn)期間，未有自然降雨過(guò)程，Z1、Z2和Z3 處理按照試驗(yàn)方案進(jìn)行灌水，在試驗(yàn)前期，盡管每日灌溉補(bǔ)水，土壤水分含量仍有明顯的下降趨勢(shì)，原因是一方面前期溫度高、蒸發(fā)量大；另一方面前期土壤孔隙多，造成水分下滲過(guò)快，土壤持水性較差。在試驗(yàn)后期，各處理土壤水分含量基本穩(wěn)定，維持在一定范圍。在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，土壤平均含水量排序?yàn)閆3 處理＞Z2 處理＞Z1 處理，Z1、Z2 和Z3處理土壤平均含水量分別為28.88%、29.96% 和29.98%，3 個(gè)處理在試驗(yàn)周期內(nèi)土壤含水量較為一致，Z3、Z2 略高于Z1。

圖1 土壤溫度和水分含量隨灌溉時(shí)間延長(zhǎng)的變化情況

2.2 土壤含鹽量和脫鹽率

灌水洗鹽是鹽漬地區(qū)土壤改良利用的先行途徑和有效措施，特別是在春秋季干旱季節(jié)，蒸發(fā)量大，但是自然降雨頻次和雨量均很小，土體缺水嚴(yán)重并伴隨返鹽堿現(xiàn)象，對(duì)園林綠化植物易產(chǎn)生生理性危害。天津?yàn)I海鹽漬區(qū)利用灌溉方式改良首先受到淡水資源的制約，因此，如何提高灌溉水的利用效率達(dá)到園林綠化需要的脫鹽標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)踐中的重要技術(shù)問(wèn)題。

由圖2 可知，各處理土壤中的鹽分含量整體呈下降趨勢(shì)，但在部分處理中某一時(shí)間段出現(xiàn)了鹽分偏高的波動(dòng)，產(chǎn)生了鹽峰，例如10 月14 日Z(yǔ)2 處理、10 月12 日Z(yǔ)1 處理。水分入滲運(yùn)動(dòng)過(guò)程是在毛管力和重力雙重作用下進(jìn)行的，伴隨著水分的遷移所產(chǎn)生的鹽分運(yùn)移過(guò)程非常復(fù)雜，既有離子的交換與吸附作用，又伴有離子的解吸等作用。鹽峰的形成是在土壤水鹽運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各種因子綜合作用的結(jié)果。隨著灌溉次數(shù)的增加，鹽峰逐漸下降，并最終消失。土壤含鹽量初始值存在較大差異，這是因?yàn)橥寥揽臻g變異性較大，各土樣直接存在很大的空間變異性，土壤初始含鹽量排序?yàn)閆1

圖2 土壤含鹽量隨時(shí)間增長(zhǎng)的變化情況

灌溉結(jié)束時(shí)，各處理土壤脫鹽率達(dá)到了22.83%~47.16%，脫鹽率排序?yàn)閆3 處理＞Z2 處理＞Z1 處理。結(jié)果表明，在本試驗(yàn)中，Z3 處理脫鹽效果最好，脫鹽效果與灌水量成正比，灌水量越大脫鹽效果越好。采用灌溉方式均可以促進(jìn)土壤脫鹽，但脫鹽效率不同，Z2 處理土壤鹽分含量降低35.73%，脫鹽效率較高；提高灌溉用水量后的Z3 處理，土壤脫鹽效率達(dá)到47.16%，較Z2 灌溉水平提高了31.99%；減少灌溉用水量后的Z1 處理，土壤脫鹽效率為22.83%，較Z2 灌溉水平降低了36.10%。

2.3 綜合評(píng)價(jià)

本試驗(yàn)采用常用的多目標(biāo)評(píng)價(jià)方法——層次分析法［8］來(lái)篩選最優(yōu)的再生水灌水量，即篩選出對(duì)土壤脫鹽率、含鹽量及經(jīng)濟(jì)性最佳的灌水量。建立的多目標(biāo)層次分析結(jié)果見(jiàn)表1。其中，指標(biāo)層包含土壤性質(zhì)和水費(fèi)成本2 個(gè)一級(jí)指標(biāo)，土壤脫鹽率、土壤含鹽量、土壤含水量和水費(fèi)成本4 個(gè)二級(jí)指標(biāo)。結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道［9，10］，根據(jù)各指標(biāo)的重要性，賦予指標(biāo)權(quán)重值。土壤脫鹽率、土壤含鹽量、土壤含水量和水費(fèi)成本指標(biāo)權(quán)重值分別為0.40、0.24、0.20 和0.16。

表1 灌水量篩選的層次分析結(jié)構(gòu)

為科學(xué)客觀地評(píng)價(jià)不同處理的土壤性質(zhì)和經(jīng)濟(jì)成本各項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)土壤含鹽量多次土壤取樣檢測(cè)結(jié)果取平均值作為測(cè)定表征值，平均值的選取采用去掉1 個(gè)最大值和1 個(gè)最小值、其他結(jié)果求和取平均值的方法，以避免極端數(shù)據(jù)造成的不良影響。

為了科學(xué)地篩選物料配比方案，消除各種指標(biāo)量綱不同帶來(lái)的影響，采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。表2 列出了各處理中土壤性質(zhì)和水費(fèi)成本；表3 列出了各處理中土壤性質(zhì)和水費(fèi)成本進(jìn)行極差法標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到的數(shù)據(jù)。各處理的土壤脫鹽率、土壤含水量數(shù)值越高，標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)值越接近1，土壤含鹽量和水費(fèi)成本則相反。具體標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采用下列公式計(jì)算。

表2 各處理土壤性質(zhì)和水費(fèi)成本

表3 各處理土壤性質(zhì)和水費(fèi)成本標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

式中，N表示歸一化值，X表示指標(biāo)的測(cè)定值，Xmin表示指標(biāo)的最小測(cè)定值，Xmax表示指標(biāo)的最大測(cè)定值。

將各處理標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)與各指標(biāo)的權(quán)重求積后累加，獲得各處理的加權(quán)分析分?jǐn)?shù)（表4）。

表4 各處理指標(biāo)加權(quán)得分

通過(guò)土壤各項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)可以看出，各處理綜合得分在0.40~0.60，不同處理間差異明顯，綜合得分排序?yàn)閆3>Z2>Z1。說(shuō)明在綜合考慮脫鹽率、土壤含鹽量、土壤含水量和經(jīng)濟(jì)成本的基礎(chǔ)上，以Z3 處理為最佳方案，最佳灌溉水量為768 mm。Z3和Z2 得分都在0.56 及以上，明顯優(yōu)于得分0.40 的Z1方案。實(shí)踐中不推薦用Z1 方案（512 mm 灌水量）進(jìn)行灌水脫鹽。

3 結(jié)論

綜上所述，使用再生水灌水洗鹽方式具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和操作性，應(yīng)用該方法可以明顯降低土壤含鹽量。在本試驗(yàn)條件下，灌水措施能夠直接有效降低土壤鹽分，降幅達(dá)到22.83%~47.16%，排序?yàn)閆3＞Z2＞Z1，脫鹽率隨灌水量增加而增加。通過(guò)考慮脫鹽率、土壤含鹽量、土壤含水量和經(jīng)濟(jì)成本等因素，運(yùn)用層次分析法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出最佳灌水量為768 mm（Z3），綜合評(píng)價(jià)得分為0.60。Z3 灌水量處理土壤脫鹽率高達(dá)47.16%，土壤由重度鹽漬土變?yōu)檩p度鹽漬土，滿足了大多數(shù)植物栽植的需要。