天津滨海园林绿化中盐土治理的理论及工艺.doc

天津滨海园林绿化中盐土治理的理论及工艺张万均 龙怀玉 郭育文等来源：/2010/0526/262.html1理论基础1.1土壤剖面上盐分的周年运动石元春在研究黄淮海平原的水盐运动时发现:我国东部地区在季风气候的影响下,水盐的周年运动可分为春季强烈上升阶段、初夏稳定阶段、雨季下行阶段、秋季上行阶段及冬季冻结稳定阶段(图1)1.天津滨海地区位于渤海的西海岸带,属于黄淮海的一部分,其水盐运动应符合黄淮海平原水盐运动的一般规律,但是又有其特殊的一面.首先开发区距渤海只有1.5 km,平均海拔仅2.5 m,坡降不到1/10 000,地下水埋深仅0.515 m,地势低洼平坦,排水不畅,海水回渗非常容易.由于地下水很容易得到海水的侧渗补充,即使在干旱季节,地下水也不会因土壤蒸发而显著下降,地下水埋深仍然小于土壤毛管水的上升高度.因此蒸发作用对土壤盐分上行运动的负反馈作用基本不存在,即土壤积盐过程在初夏还将继续进行.雨季到来时,地下水位很快上升,甚至形成地面滞水,致使在1 m土体中在雨季也不会产生明显的脱盐过程,甚至由于地下水的顶托而可能产生积盐过程(如图1中的虚线所示).因此在垂直方向上,在天津滨海地区,土壤盐分的周年运动以积盐过程占绝对优势,造成地下水的矿化度比海水还要高出2倍多.图1季风气候影响下的土壤水盐周年运动示意图(根据石元春1991重绘,虚线的潜水过程线和盐分过程代表天津滨海地区)1.2关于“临界深度”概念盐土治理的一项重要内容就是对土壤盐分进行调控,在垂直方面,也就是对土壤盐分的上行运动和下行运动进行调控,抑制上行运动,促进下行运动,或者使两者处于动态平衡之中.在一般情况下,土壤盐分的载体是土壤水,调控土壤盐分实质上是调控土壤水分.能给土壤带来盐分的土壤水运动不外乎两种,一是地下水位的升高,使土壤直接遭受含盐地下水的饱和浸渍;二是毛管水运动,即含盐地下水沿土壤毛管而上升的运动,这两种运动能否造成土壤积盐均取决于地下水水位.因此在具有潜在盐渍化的地区,修建水利措施控制地下水水位是防治盐渍土的必要措施.原苏联土壤学家B. B.波勒诺夫1931年提出防治土壤盐渍化的地下水“临界深度”,其基本含义是:如果地下水埋深达到某个深度,使得地下水沿土壤毛管的上升运动弱到不足以使土壤表层(耕作层)产生积盐,这个深度便叫“临界深度”.显然,“临界深度”等于“最大毛管上升高度+植物根系的活动层”.因此在治理盐渍土时,需要将地下水位控制在“最大毛管上升高度+根系活动层”的深度以下,即将土壤积盐部位控制在根系活动层之下.这个“临界深度”是从土壤发生学的角度加以定义的,只注意到静止的毛管水的上升极限,而忽视了毛管水的流速和土壤水流通量等动态因素.为此,20世纪50年代我国学者对“临界深度”进行了更深入的研究,指出“临界深度”实际上可以划分为三个等级2,“安全深度”,即地下水不参与表土层积盐的地下水埋深,也就是B.B.波勒诺夫关于“临界深度”的原始含义;“允许深度”,表土轻微积盐,但不影响作物生长,周年盐分基本稳定的地下水埋深;“警戒深度”,表土层开始强烈积盐的地下水埋深.对于防治土壤盐分危害作物,“安全深度”是最为可靠的.但是,我国东部地区在季风气候的影响下,土壤盐分在垂直方向上表现为“积盐脱盐(或潜在脱盐)积盐冻结稳定”的周期性运动,积盐阶段所累积的盐分完全有可能在其还未来得及危害植物时就被随后的脱盐过程所消除.在这种情况下,“安全深度”至少会导致两种资源的作用不能得到充分发挥.一是气象资源,即自然降雨和土壤冻结期,不论地下水位高低,自然降雨具有直接的或潜在的洗盐作用;在土壤冻结期间,几乎不会发生土壤积盐过程.二是植物的耐盐性,许多植物(包括农作物和园林植物)均具有一定的耐盐性,遭受短期的不很严重的盐害并不会造成它们死亡.另外,在我国劳动人民中广泛流传有“马瘦长癣,地饿起碱”,“碱大吃肥,肥大吃碱”等农谚;一些土壤学家曾提出在盐渍土区建立“淡化肥沃层”,即在不减少土体盐分储量的前提下,通过提高土壤肥力,以肥对土壤盐分进行时(间)、空(间)、形(态)的调制,在作物主要根系活动层,建立一个良好的肥、水、盐生态系统,达到作物持续高产稳产35.这充分说明,植物对土壤盐分的忍耐性与水、肥等外部环境有关,可以通过加强管理使之有所提高.在生产实际中,选用“允许深度”作为指导依据更能发挥人类的主观能动性.1.3进一步明确“允许深度”的涵义为了充分利用降雨和植物的耐盐性,有必要进一步明确“允许深度”的涵义.为此,我们在此提出“允许积盐”的概念,即如果积盐阶段并没有使耕作层土壤盐分增加到马上危害植物的程度,即为随后的脱盐过程所消除,那么这种积盐是完全可以允许发生的.某个时期内土壤的积盐量可以近似地用土壤蒸发量和地下水盐分浓度表示.根据WRGardner(1975)的研究,土壤潜在最大蒸发可以通过公式:E最大=Aah-n,由地下水埋深所决定,h为土壤地下水埋深,A,a,n均为经验常数.那么一旦确定了“允许积盐”,地下水位控制深度也就确定了,这个深度可以定义为“允许深度”.“允许深度”的基本含义是:在不危害植物的前提下,允许土壤耕作层出现短暂的积盐,但是这个积盐必须在盐分运动周期之内为随之而来的脱盐过程(包括自然的和人为的)所消除.根据前面的辨析可以清楚地看到“允许深度”着重强调了以下两个方面,一是“允许深度”强调要充分利用气候资源(自然降雨)和植物耐盐性资源;二是强调人类对土壤盐分运动的调控能力,“允许深度”不是一个静态指标,而是一个取决于土壤、气候、植物、管理(人类因素)等诸多因素的变量,当自然因素不足时,可以通过加强管理因素而调控它.2.1开发区盐土的客观条件2.1.1年降雨量较丰富天津滨海地区多年平均降雨量为603.7 mm,多年平均蒸发量为1 898.8 mm.尽管降雨量不到蒸发量的1/3,但是从图2可看出:全年的降雨量主要集中在69月,占全年降雨量的78%80%,而这段时间的蒸/降比处于全年的最低点,在7月、8月蒸/降比接近于1,有些年份降雨量甚至大于蒸发量.因此,如果没有地下水的顶托作用,当雨季来临时,在天津滨海地区应该有一个十分显著的脱盐过程或者潜在脱盐过程.图2天津滨海地区多年平均降雨量、蒸发量及其蒸降比2.1.2土壤冻结期较长塘沽气象台19611971年的记录表明:天津滨海地区冬季(12,1,2月)土层冻结深度一般在3450 cm,最大可达58 cm.10 cm土层的冻结期一般为12月25日2月21日,最长为12月6日3月15日,即在天津滨海地区,表层土壤一年之中至少有23个月的冻结期.当土壤处于冻结状态时,水分主要以气态形态向上层凝固,水汽运动基本不带动盐分,可以认为此时盐分的上行运动已经停止.2.1.3土壤基质软天津滨海地区大地构造位置为新华夏系,华北平原沉降带,出露地层主要为第四系和第三系,构成了疏松的半成岩盖层.土壤母质主要系在现代海退过程中由海河水系所夹带的泥土淤积而成,属于长期受海水盐渍影响的盐渍性沉积母质,第四系沉积物厚达5001 000 m,大部分土质通体粘质,故天津滨海地区土质的一个显著特点就是土体基质软.土体承载力小,长期遭受潜水浸渍的土层极易塌方,多年的建设施工实践发现挖至1.0m左右时,潜水大量渗出,挖至1.5 m深时,土体便开始严重塌方、滑坡.2.1.4潜水埋深浅,海水回渗容易开发区地势低洼,平均海拔仅2.5 m,地下水埋深0.51.5 m,坡降不到1/10 000,排水不畅.地面低于渤海的海潮位(一般为4.2 m,发生强潮时可达6.14 m),而开发区到渤海的距离仅1.5 km,加上潜水长期的浸泡,淤泥质的土质流动性很大,海水回渗非常容易.2.1.5耐盐性园林植物的引种天津滨海地区,由于土壤盐分的存在,除了少数生态效益和欣赏价值均不大的盐生植物外,没有其他园林植物存在.进行园林绿化建设时,所需的植物均需从外地引入,在这个过程中人们可以有目的地选择一些耐盐性较高的园林植物.开发区在建区前是一片盐田,没有任何绿色植物,建区后引入了1 000多种园林植物,在生产实践中发现这些植物可以忍耐0.2%0.4%的土壤盐度.另外,这些园林植物属于浅根植物,乔、灌木的根系主要分布在80 cm的土体之内,草坪、花卉的根系主要分布在40 cm的土体之内.2.1.6土壤次生盐渍化严重天津滨海地区的立地条件决定了土壤次生盐渍化在这里极易发生,光靠客土、垫土是不能治理盐碱的.开发区1987年所垫的良田土壤在不到4 a(到1990年)的时间内,20cm土层土壤含盐量便从初始的0.34%上升到1.84%,80 cm土体土壤含盐量从初始的0.40%上升到1.94%.2.2建设排盐系统的依据分析在农业上有一种“抽咸蓄淡”治理盐碱地的方法,其内容是抽排掉地下咸水,腾出土壤水分容库用以容纳降雨(有时也包括灌溉水).“抽咸蓄淡”可以充分地利用降雨资源,但在天津滨海地区无法实行.一是天津滨海地区属于淤泥质的软地基,过分抽取地下水会导致地面沉降;二是地下咸水很容易得到侧渗补充,使地下咸水排不胜排.因此在天津开发区园林绿化条件下盐土治理的基本方针是:稳定地下水位,防止地下水位在雨季上升;充分利用天然降雨,加强人工调控(灌溉、监测、施肥等);选择耐盐园林植物.其根本目的是为园林植物创造一个可以生存的淡化层.华北地区土壤毛管水的上升高度在1.52.5 m之间,开发区属于淤泥质粘土,其毛管水的上升高度约为1.5 m,如果选用“安全深度”,地下排盐管的埋深最浅也在2.12.5 m(土壤毛管水上升高度+根系活动层).由于开发区特殊的水文地质条件,当挖深至1.0 m左右时,潜水便大量渗出,挖深至1.5 m左右沟壁出现滑坡、塌方,通过工程措施加固沟壁后,排盐管的功效大大降低.显然,“安全深度”在开发区行不通,应当选择“允许深度”作为开发区盐土治理的理论指导.2.3“浅密式”排盐系统的建立根据前边的辨析可知,“允许深度”必须大于植物的根系活动层.开发区所引入的园林植物,花卉、草坪的根系主要分布在40 cm土层,乔木、灌木的根系主要分布在80 cm土层,在80100 cm土层也还有一定数量的根系分布.因此天津开发区园林绿化条件下,大部分地点的“允许深度”被确定为1.0 m左右.在天津开发区,盐土的治理是在城市园林绿化条件下进行的,只能选择暗管排盐系统.由于开发区特殊的水文地质条件,为了防止地下水排不胜排的情况发生,客观要求排盐暗管埋设在地下水大量渗出部位之上.开发区在建设的过程中,通过工程垫土,地面普遍抬高了1 m,即开发区的平均海拔由原来的2.5 m增高到3.5 m,地下水大量渗出部位的埋深变为2.0 m左右.但是根据水文地质学知识:当地面大面积抬高后,地下水位必然要有些升高,同时为了将排盐系统与市政雨水管相连接,使系统可靠地运行,最大排盐暗管的埋深被确定为1.5 m.排盐暗管的埋深与“允许深度”的最大差值h是确定排盐管间距的根本依据.考虑到排盐管本身的体积,同时为了安全起见,开发区的最大允许h被确认为0.4 m.根据农田水利学原理,h与暗管间距L之间的关系可用以下方程简单描述:式中,a为与土壤有关的经验常数,对于粘壤土和粘土分别为0.030.07和0.050.12.开发区土壤结构最好的情况是从外地运来的客土,属于壤土范围,依据最大允许h和(1)式所确定的最大暗管间距为15.0 m.而大部分情况下,土壤为本地的淤泥质粘土,在最粘的情况下,a取值为0.12,依据最大允许h和(1)式所确定的最大暗管间距为6.0 m.介于这两种情况时,视土壤和植物而定,有两种取值:8.0 m和10.0 m.在一般的农业利用中,排盐暗管的间距一般在100 m以上(表1).可见,开发区排盐暗管的埋深较其他地区所确定的排盐管埋深大大变浅了,但是排盐暗管的间距还小于其他地区排盐管的间距,形成了在“允许深度”指导下,以水平空间换取垂直空间的“浅密式”排盐系统.表1排水管的主要设计指标引自袁长极等,见:国际盐渍土改良学术讨论会论文集.“允许深度”在原文为“临界深度”,但其含义与本文的“允许深度”相同.2.4“浅密式”排盐系统的水盐调控“浅密式”排盐系统是在“允许深度”概念指导下建立的,必须建立相应的管理才能达到治理盐土的目的.管理的核心是调控植物根系活动层的盐分含量,在本文中的园林绿化条件下,根系活动层为40cm(草坪)或80 cm(灌木或乔木).调控土层含盐量的基本依据在理论上应该是该土层的盐分平衡,一般来说盐分平衡要通过计算水分平衡才能得到.由于开发区距离渤海仅仅1.5 km,容易发生“飞盐”现象,特别在春季和冬季有大风的时候.而开发区目前的技术还不能准确监测和计算“飞盐”量,通过水分平衡计算盐分平衡会产生较大误差,使得在确定淋洗量(RS)或灌溉淋洗量(IRS)时,存在潜在的不确定因素.因此,在确定灌溉定额时,采用经验为主、理论为辅的方法.从图2可看出,3月蒸降比最大,而此时土壤已完全解冻,是全年土壤潜在积盐过程最强烈的时期,因此在3月末4月初安排一次大水灌溉(浇透土壤,直至排盐管有水流出为止),洗掉3月积累的盐分.4月、5月的蒸降比仍然较大,土壤潜在积盐过程仍然比较大,但随后的雨季可以消除此期的积盐,因此59月的重点在于保证排盐系统正常运行,防止土壤滞水.只有当无雨时间持续过长时,才适当补充一些灌溉水.入秋以后,蒸降比开始回升,土壤又开始积盐,但积盐过程不是十分强烈,其所累积的盐分通过土壤冻结前(11月末12月初)的大水灌溉而消除掉,使土壤在低含盐量的情况