水产养殖蓄水对邻近农田地下排水系统盐分淋溶效率的制约机制

《Vadose Zone Journa》：Aquaculture impoundment reduces salt leaching efficiency of subsurface drainage systems in neighboring farms

本研究通过现场观测与建模分析，揭示了沿海农田地下排水系统在调控土壤盐分中的关键作用及邻近水产养殖池塘蓄水带来的负面影响。研究发现，排水系统安装初期可使土壤表观电导率（ECa）降低49.5%，但养殖池塘蓄水后抬升地下水位，削弱了排水控盐效率，使降雨取代地下水位控制成为盐分动态的主控因子。成果为沿海农渔复合系统的可持续盐分管理提供了重要理论依据。

　　

摘要

本研究聚焦于沿海平原农业土壤盐渍化管理中广泛采用的地下排水技术，并深入探讨了邻近地表水体（特别是水产养殖池塘）对其盐分淋溶效率的影响。通过在包含水稻田和裸地的滨海农场安装地下排水管道，并进行为期一年的监测，发现排水系统使土壤表观电导率（EC_a）显著降低了49.5%，并有效降低了表层土壤盐分的空间异质性。然而，邻近养殖池塘的蓄水行为抬升了区域地下水位，导致排水系统对地下水位的控制能力下降，进而削弱了盐分淋溶效率。研究进一步揭示了盐分动态主导驱动因素的转变：蓄水前，地下水位控制是盐分淋溶的关键；蓄水后，降雨成为调控土壤盐分的主要因子。

1 引言

沿海平原因其平坦地形和便利的水源成为重要的农业区域，但也面临着严重的土壤盐渍化风险。浅层地下水位加剧了蒸发驱动的盐分积累，而邻近咸水水源（如海水入侵或咸水含水层）则促进了深层盐分向上运移。为应对这些挑战，地下管道排水系统已成为控制地下水位和缓解土壤盐分积累的常用方法。尽管该技术应用广泛，但由于地下水动态受气候变异等因素影响，以及地表水体（如灌溉塘、饮用水塘和养殖塘）的发展会改变区域地下水流场， achieving 预期的盐分淋溶目标仍然面临挑战。全球沿海水产养殖的快速扩张及其水体面积的时空变化，使得理解地表水体如何影响土壤盐分管理的长期效能变得至关重要。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

研究区位于中国江苏省盐城市条子泥垦区（TRA），毗邻黄海，属海洋性季风气候。该区域地下水主要以松散岩类孔隙水形式存在，潜水流场复杂。土地利用以水产养殖和作物种植为主，土地通常遵循从养殖到水稻再到耐盐作物的演变序列。

2.2 地下管道排水设计

为降低土壤盐分，在试验田安装了地下管道排水系统。管道埋深约1.8米，出口连接集水井，并通过潜水泵控制井内水位。

2.3 数据收集

监测内容包括气象数据、土壤理化性质、土壤表观电导率（EC_a，使用固定剖面传感器和电磁感应仪EMI测量）、地下水位、地下水電导率（EC_w）以及排水流量。

2.4 增强回归树模型

采用增强回归树（BRT）模型分析降雨、参考蒸发蒸腾（ET_o）、地下水埋深和排水流量对不同土层土壤EC_a变化的相对贡献和影响。

3 结果

3.1 水文变量

排水流量受养殖池塘蓄水引起的潜水位上升影响显著。虽然降雨与排水流量存在一定相关性，但蓄水后，排水流量的增加并不完全与降雨同步，表明地下水位的抬升是排水流量增加的重要贡献源。

3.2 土壤EC_a的时空变异

地下排水系统安装后，整个试验田的土壤EC_a呈现下降趋势。从1月到10月，50厘米、100厘米和180厘米深度的土壤EC_a分别下降了62.0%、49.2%和40.0%，平均降低率为49.5%。土壤盐分的空间变异性显著减小。监测期间观察到6月份出现短暂的“返盐”现象，主要源于高蒸发需求下咸地下水的毛细上升。

3.3 土壤EC_a对地下水埋深的响应

池塘空置时，试验田各部位地下水位相近。池塘蓄满后，南部和中部受池塘影响，地下水位显著上升，南北观测井之间水位高差可达15厘米。蓄水后，南部土壤EC_a日变化率分布在0附近的频率高于北部，表明南部土壤盐分变化更为集中。

3.4 对土壤EC_a变化的贡献

蓄水前后，影响土壤EC_a的机制存在差异。蓄水前，地下水埋深是影响各土层EC_a的最主要因素（相对贡献率59.4%, 50.4%, 65.8%），呈正相关；延迟响应中，降雨的影响最为显著。总体而言，蓄水前控制地下水位是盐分削减的关键，而降雨反而促进了土壤中可溶盐的溶解，导致EC_a升高。蓄水后，北部和南部的影响机制出现分化。南部0-100厘米土层的EC_a主要受降雨影响，其他因素占比较小；北部尤其是深层土壤（50-100厘米）的影响因素更为复杂。降雨成为土壤盐分的主要影响因子，其即时效应是溶解盐分使EC_a升高，延迟效应则通过淋溶使盐分降低。

4 讨论

4.1 地下排水有效性的时间变化

地下排水系统在降低土壤盐分和提高盐分淋溶效率方面作用显著。然而，邻近养殖池塘的蓄水通过渗漏抬升区域地下水位，限制了排水系统的控盐效率。在沿海农-渔复合系统中，设计地下排水系统时需充分考虑地表水体的动态变化。

4.2 土壤盐渍化和脱盐的机制

在不同地下水位条件下，土壤盐分变化的机制存在差异。冬季和春季，降雨对土壤剖面内的盐分垂直动态、淋溶和调控起着重要作用。蓄水前，控制地下水位是主要影响因素。蓄水后，地下水位无法精确控制，土壤盐分因ET_o出现反弹，且抬高的地下水位也会削弱降雨的淋盐效果。

4.3 滨海垦区盐分管理的可持续性

淡水养殖池塘的盐渍化影响应在类似的垦殖过程中予以研究。淡水池塘和稻田在垦殖早期有助于稀释土壤盐分，地下排水可加速这一过程。但本研究表明，这两种措施可能相互干扰。淡水蓄水抬升地下水位，会限制邻近地下排水系统的有效性。当前盐分管理可通过追加措施（如秸秆还田、添加石膏、使用土工布材料形成毛细屏障）或根据盐度阈值调整作物选择来加强。

4.4 局限性及对土壤盐分监测的启示

本研究使用EC_a作为土壤盐分动态的主要指标。体积EC_a不仅是溶解离子浓度的函数，还受土壤含水量、质地、温度和孔隙几何形状的影响。在研究区持续高湿的条件下，由土壤干湿循环引起的EC_a混杂波动可能较小，因此EC_a的相对变化可作为盐分动态的可靠指标。但EC_a时间序列中的部分高频变异可能源于含水量的变化。

5 结论

通过地下排水安装前后的时空场外观测，本研究证实盐分淋溶效率显著受养殖池塘蓄水的影响。排水系统在安装后的前三个月有效降低了土壤盐分和其空间变异性。但邻近大型养殖池塘蓄水抬升地下水位后，排水系统的控水能力下降，导致盐分水平反弹。研究识别了蓄水前后两种不同的土壤盐渍化机制。因此，受盐影响的土壤农业实践必须适应这些动态变化。未来的研究应侧重于农渔复合系统的区域尺度规划，以避免无效的管理策略。