關(guān)鍵詞：淤背區(qū)；土壤改良；膨潤(rùn)土；保水性；黃河下游

中圖分類號(hào)：Ｓ１５７；ＴＶ８８２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０５．０１４

引用格式：張依茹，黃波，王紅雷，等．黃河下游淤背區(qū)膨潤(rùn)土保水層試驗(yàn)研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（５）：６５－６８，７５．

堤防加固是黃河下游防洪工程建設(shè)的重要內(nèi)容之一，也是保障下游防洪安全的主要措施［１］ 。在淤背區(qū)種植適生林（生態(tài)林）具有顯著的經(jīng)濟(jì)及生態(tài)效益，為滿足植樹生長(zhǎng)條件，在放淤固堤工程建設(shè)中普遍會(huì)鋪設(shè)一層０．２ ｍ 厚的黏土保水層（黏粒含量大于１５％），以提高淤區(qū)保水保肥能力。但近年來，出現(xiàn)土場(chǎng)難找、土料短缺以及取土場(chǎng)對(duì)土地及環(huán)境破壞等情況，造成放淤固堤工程中保水層施工用土難的問題越來越突出［２］ 。膨潤(rùn)土是一種黏土巖，具有較強(qiáng)的吸水性、膨脹性、吸附性、分散性和黏著性等一系列優(yōu)良理化性質(zhì)。崔自治等［３－４］ 發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土能明顯降低土壤的滲透性，對(duì)砂土抗?jié)B性能的改善尤為明顯。孫夢(mèng)媛等［５］ 發(fā)現(xiàn)施用膨潤(rùn)土后的土壤保水能力提高，而且具有長(zhǎng)效性。湯家喜等［６］ 發(fā)現(xiàn)單施或者混施不同用量的膨潤(rùn)土均可顯著改善風(fēng)沙土土壤理化性質(zhì)。評(píng)價(jià)土壤保水持水性的優(yōu)劣應(yīng)從多方面綜合考慮，ＴＯＰＳＩＳ 是一種優(yōu)秀的多屬性評(píng)價(jià)方法，以ＴＯＰＳＩＳ 為例分析學(xué)術(shù)評(píng)價(jià)的多屬性評(píng)價(jià)相關(guān)問題具有良好的代表性［７］ ?？紤]到在確定指標(biāo)權(quán)重時(shí)運(yùn)用熵權(quán)法更加客觀準(zhǔn)確，因此利用熵權(quán)法改進(jìn)ＴＯＰＳＩＳ 評(píng)價(jià)方法對(duì)不同膨潤(rùn)土保水層設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。本次試驗(yàn)選取膨潤(rùn)土作為保水材料，在黃河山東德州河段的淤背區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)不同試驗(yàn)區(qū)０．８ ｍ 深度的土壤含水率變化和樹株生長(zhǎng)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和分析，以期尋找經(jīng)濟(jì)合理的淤背區(qū)改良方案。

１試驗(yàn)區(qū)概況和試驗(yàn)方法

１．１試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黃河下游德州段淤背區(qū)，其沿大堤軸線方向?qū)挾葹椋矗?ｍ，垂直方向長(zhǎng)度為８０ ｍ，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫為１４． ３ ℃，年均降水量為５４７．５ ｍｍ。

１．２膨潤(rùn)土摻入比預(yù)試驗(yàn)

分別取淤區(qū)沙土、蓋頂土和試驗(yàn)所需膨潤(rùn)土進(jìn)行土樣分析，結(jié)果見表１。沙土土樣中顆粒組成以沙粒為主，沙粒含量高達(dá)９１．０％，黏粒含量?jī)H為４．３％；蓋頂土黏粒含量為２７．３％，土質(zhì)較好。

采用環(huán)刀法制備膨潤(rùn)土與沙土不同摻入比土樣，進(jìn)行滲透試驗(yàn)。按照表２ 的摻入比進(jìn)行土樣配制，將土樣灑水并均勻攪拌至最優(yōu)含水率，人工擊實(shí)填至環(huán)刀內(nèi)，進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，測(cè)定滲透系數(shù)ｋ。綜合考慮實(shí)際施工條件及成本控制，膨潤(rùn)土建議摻入比確定為１２％（與１０ｃｍ 厚淤砂的質(zhì)量比）。

１．３試驗(yàn)方案

把試驗(yàn)區(qū)劃分成３ 個(gè)小區(qū)，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)為１５ ｍ×８０ ｍ 的矩形，膨潤(rùn)土施用量均為２０ ｋｇ／ ｍ^２，蓋頂土厚度為５０ ｃｍ。試驗(yàn)小區(qū)Ａ１：將膨潤(rùn)土均勻攤鋪在淤沙表面，采用小型旋耕機(jī)進(jìn)行充分混合，旋耕深度為１０～１５ ｃｍ，壤土蓋頂；試驗(yàn)小區(qū)Ａ２：將膨潤(rùn)土均勻攤鋪在淤沙表面，膨潤(rùn)土平均厚度約１．５ ｃｍ，壤土蓋頂；對(duì)照小區(qū)ＣＫ１：不施加膨潤(rùn)土，壤土蓋頂。

試驗(yàn)區(qū)為淤筑完成尚未蓋頂?shù)挠俦硡^(qū)，首先通過推土機(jī)對(duì)淤沙層進(jìn)行碾壓平整，在Ａ１ 和Ａ２ 平整好的淤沙層上進(jìn)行放線和分格以保證膨潤(rùn)土的施用量均勻，方格規(guī)格為１５ ｍ×１５ ｍ，通過鏟車配合人工將膨潤(rùn)土均勻攤鋪在方格中，然后輕度壓實(shí)。Ａ１ 中使用旋耕機(jī)將膨潤(rùn)土和下層淤沙進(jìn)行充分混合以形成膨潤(rùn)土－沙土混合保水層，最后對(duì)整個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行蓋頂（見圖１）。保水層鋪設(shè)及觀測(cè)管埋設(shè)于２０１９ 年１２ 月完成，２０２０ 年春季種植楊樹苗以進(jìn)行生長(zhǎng)性觀測(cè)試驗(yàn)，樹株行間距為３ ｍ，株間距為２ ｍ。

１．４監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及方法

各深度土壤含水率的測(cè)定采用ＴＲＩＭＥ－ＰＩＣＯ－ＩＰＨ土壤水分儀進(jìn)行，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)埋設(shè)兩個(gè)測(cè)量管，管長(zhǎng)１００ ｃｍ，埋入深度９０ ｃｍ，對(duì)試驗(yàn)區(qū)０～８０ ｃｍ 深度范圍內(nèi)（每１０ ｃｍ 為一個(gè)監(jiān)測(cè)深度）土壤含水率進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，并視降雨情況進(jìn)行隨機(jī)加測(cè)。植被生長(zhǎng)情況通過樹高、胸徑、地徑和植被覆蓋率等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，樹高、胸徑和地徑均在樹苗種植后每隔３ 個(gè)月測(cè)量一次，樹高由桿尺測(cè)定，胸徑和地徑由胸徑尺測(cè)定，植被覆蓋度在樹苗種植后１ ａ 進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由無人機(jī)獲取的可見光影像進(jìn)行監(jiān)測(cè)計(jì)算，在設(shè)定合適航線進(jìn)行拍攝后，運(yùn)用Ｐｉｘ４Ｄｍａｐｐｅｒ和Ａｒｃｇｉｓ 軟件對(duì)影像資料進(jìn)行處理，通過試算尋找合適閾值，根據(jù)閾值統(tǒng)計(jì)像元個(gè)數(shù)得出。

２監(jiān)測(cè)結(jié)果

２．１試驗(yàn)區(qū)降水情況

分析試驗(yàn)區(qū)近１ ａ 的降水監(jiān)測(cè)結(jié)果（見圖２）可知，全年的降水量分布不均且波動(dòng)性大，降水主要集中在４—９ 月（約占全年降水總量的７８％），其中８ 月降水量達(dá)到峰值，降水會(huì)對(duì)試驗(yàn)區(qū)的土壤水分變化產(chǎn)生影響，從而影響到土壤含水率的監(jiān)測(cè)和植被生長(zhǎng)情況。

２．２膨潤(rùn)土對(duì)土壤含水率的影響

各試驗(yàn)小區(qū)土壤含水率的垂直變化情況見圖３。膨潤(rùn)土對(duì)土壤含水率的影響，總體表現(xiàn)為隨著土層深度增加，各小區(qū)不同月份土壤含水率的差異均呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)，土壤含水率在０～３０ ｃｍ 深度達(dá)到峰值，在３０～５０ ｃｍ 深度逐漸下降到最低點(diǎn)，６０～７０ ｃｍ 深度再次上升。

將混合、薄鋪小區(qū)和對(duì)照小區(qū)進(jìn)行對(duì)比可知，膨潤(rùn)土保水層的布設(shè)對(duì)于保水情況有明顯改善，混合方案和薄鋪方案的土壤平均含水率分別提高了２％ ～７％和３％～１１％。在３０～４０ ｃｍ 深度薄鋪小區(qū)濕潤(rùn)鋒的移動(dòng)速度最慢，同時(shí)，在５０ ｃｍ 深度以上的土壤中，薄鋪小區(qū)平均土壤含水率較對(duì)照小區(qū)提高４％～１２％，上部土壤顯示較高的持水力。在３０～５０ ｃｍ 深度，薄鋪小區(qū)土壤含水率迅速下降，其原因是土壤中的水分遇到了純膨潤(rùn)土保水層，被迅速吸收，起到了攔蓄緩釋的作用。對(duì)照小區(qū)土壤含水率緩慢下降，土壤中的水分遇到最底部的沙土，沙土層持水能力弱，無法儲(chǔ)存水分，但是深層的水分蒸發(fā)緩慢，少量水分又能在底部被儲(chǔ)存。在５０ ｃｍ 深度以下，混合小區(qū)土壤含水率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，說明按摻入比設(shè)置的膨潤(rùn)土保水層仍具有一定的保水效果，但上部水分沒有能夠更好地保存下來，說明其持水能力較弱。

多組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，土壤中膨潤(rùn)土通過自身的吸水性吸收大量水分并將水分滯蓄在表層土中，減緩水分向深層遷移的速度。混合小區(qū)的表層含水率較薄鋪小區(qū)低，在較深土層中滯蓄效果不明顯，說明混合方案可以改善沙土的持水能力，但是整體保水持水性仍不如膨潤(rùn)土薄鋪方案。

２．３膨潤(rùn)土對(duì)植被生長(zhǎng)情況的影響

植被生長(zhǎng)情況直觀反映土壤水肥狀況，利用ＳＰＳＳ軟件對(duì)植被生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果見表３。３個(gè)小區(qū)的樹高和植被覆蓋度有顯著差異，對(duì)照小區(qū)與混合小區(qū)植被的胸徑和地徑差異不顯著。薄鋪小區(qū)成活樹苗的樹高、地徑、胸徑和植被覆蓋度等多個(gè)方面都優(yōu)于混合和對(duì)照小區(qū)，說明薄鋪保水層能更好地保持土壤水分和肥力，創(chuàng)造更適合植被生長(zhǎng)的環(huán)境。同時(shí)，楊樹為淺根性速生樹種，主要水平營(yíng)養(yǎng)吸收根系呈輻射狀向四周延伸，試驗(yàn)區(qū)樹槽深度為５０ ｃｍ，正是膨潤(rùn)土所在的深度，膨潤(rùn)土的吸水性使其緩慢向下垂直釋放水分，能讓土壤水有效且更為持久地為楊樹根系提供充足的水分。

３熵權(quán)－ＴＯＰＳＩＳ綜合評(píng)價(jià)

ＴＯＰＳＩＳ法是根據(jù)有限的評(píng)價(jià)對(duì)象與理想化目標(biāo)的接近程度進(jìn)行排序的方法，是在現(xiàn)有的對(duì)象中進(jìn)行相對(duì)優(yōu)劣的評(píng)價(jià)，其操作較為客觀、簡(jiǎn)便［８］ 。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法，相對(duì)于其他定權(quán)方法，計(jì)算步驟較為簡(jiǎn)單，可以有效利用指標(biāo)數(shù)據(jù)，較大程度排除主觀因素的影響［９］ 。本研究選取土壤含水率、土壤平均滲透速率、樹高、胸徑、地徑、植被覆蓋度和經(jīng)濟(jì)成本作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

由表５ 可以看出，膨潤(rùn)土保水層方案中綜合效益評(píng)價(jià)結(jié)果為：薄鋪方案＞混合方案＞壤土方案（對(duì)照方案），主要原因是薄鋪的純膨潤(rùn)土保水層比沙土－膨潤(rùn)土混合保水層的保水持水性更佳，在土壤平均含水率相近的情況下，保證水分可以長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存在土壤中，從而使土壤環(huán)境更適宜于植被生長(zhǎng)，同時(shí)植被在一定程度上降低了土壤水分的流失速度，總體上薄鋪方案為最優(yōu)方案。

４結(jié)論

（１）試驗(yàn)結(jié)果表明，選取膨潤(rùn)土這一材料進(jìn)行保水層布設(shè)對(duì)于有效提升黃河下游淤背區(qū)的土壤持水能力是可行的，膨潤(rùn)土保水層可使表層土壤的平均含水率提高４％～１２％，改善土壤理化性質(zhì)，增強(qiáng)土壤持水的穩(wěn)定性，減小季節(jié)間的波動(dòng)幅度，樹株的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)相較于對(duì)照組明顯提升。另外，膨潤(rùn)土在山東地區(qū)儲(chǔ)量豐富，價(jià)格適中，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和成本對(duì)比分析，適用性、經(jīng)濟(jì)性良好，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

（２）各個(gè)試驗(yàn)段的監(jiān)測(cè)結(jié)果和ＴＯＰＳＩＳ綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，對(duì)于黃河下游新建淤背區(qū)的土壤改良效果，薄鋪方案＞混合方案＞壤土方案，即薄鋪方案可以獲得更佳的保水效益，同時(shí)在后期的持水性上也顯示出較大優(yōu)勢(shì)，逐步提高了土壤水分的供應(yīng)與保蓄能力，結(jié)合施工和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，薄鋪方案施工成本較低，綜合效益最佳。

在樹種選擇方面，本研究選擇了速生楊樹，在后期的試驗(yàn)中建議通過選擇不同的樹種對(duì)不同膨潤(rùn)土保水層方案進(jìn)行對(duì)比與評(píng)價(jià)。

【責(zé)任編輯 許立新】