0 引言

20世纪50—60年代，吉林省西部地区生态环境良好，生物多样性较高，湿地面积约5 600 km^2[1-2]。80年代以来，霍林河、洮儿河等连续多年出现断流，地下水位下降，湖泡干涸，湿地面积萎缩至2 400多km^{2[1, 3]}，水土流失加剧，土壤沙化、盐渍化程度加重，土地生产力衰竭。当前生态环境恶化导致一系列连锁反应，其中盐渍化土壤成为当地农业、生态发展的桎梏。盐渍土是盐土和碱土以及各种盐化、碱化土壤的总称^[4]，因含盐性质不同可分为氯盐渍土及亚氯盐渍土、硫酸盐渍土及亚硫酸盐渍土、碱性盐渍土。全国第二次土壤普查数据显示，我国共有盐渍土约3 600万hm²，占可利用土地面积的4.88%，其中在东北平原的盐土和碱土共319.7万hm²，松嫩平原分布着的苏打盐渍土碱度较大，碱性强。

为改善吉林省西部生态环境，当地开展了河湖连通工程，该工程主要利用洪水、灌区退水补给湖泡，已建成哈达山水利枢纽、“引嫩入白”、大安灌区、“引洮分洪入向”等引蓄骨干连通工程^{[2-3, 5]}。初期通过水利工程将过境的洪水资源和灌溉回归水引入260个湖泡中存蓄起来^[1]，建立“河-湖”、“湖-湖”的水系连通网络。“湖-湖”连通的渠道只在汛期有水，流量较小，渠道数量多，因此渠道多采用无衬砌的形式。渠道工程经过盐渍土地区时，土壤在水流作用下发生溶陷破坏，直接影响灌渠渠道边坡稳定，降低渠系水利用系数。目前国内对于盐渍土溶陷特性的研究多集中于西部地区的硫酸盐渍土和滨海地区氯盐渍土，鲜有松嫩平原苏打盐渍土溶陷特性的研究。

乾安县地处松嫩平原腹地，其大部处于吉林省西部河湖连通工程查干湖核心板块。哈达山引水线路引第二松花江水至花敖泡，并自流至达其他湖泡。乾安县境内湖泡星罗棋布，大大小小的湖泡有73个，并分布着不同盐渍化程度的盐碱地，溶陷性是苏打盐渍土无衬砌渠道面临的首要工程问题。本文通过试验研究乾安县苏打盐渍土的理化性质和溶陷系数随深度的变化规律，以期为防治渠道工程的溶陷提供依据。

1 试验方案 1.1 取样

研究区位于松原市乾安县(123°21′16″E—124°22′50″E，44°37′47″N—45°18′08″N)，地处湖漫滩阶地，在河湖连通渠道工程的规划线路上。在河湖连通渠道规划线路上选取两处以苏打盐渍土为基础且无衬砌渠道、长度大于200 m的点位作为取样点(位置见图 1)。分别于2017-09-28、10-15、11-07日在当地进行土壤调查并取样。去除地表风干土层，使用取土器每10 cm垂直取4个原状土样，每一深度范围内均扰动土20 kg。共取得原状土样120个(直径8 cm、高度5 cm取样60个，直径5 cm、高度5 cm取样60个)，取样深度最深至150 cm。

1.2 方法

通过室内试验方法测定盐渍土深度10、20、30、40、50、100、150 cm处的易溶性的K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、CO₃^2-、HCO₃^-、SO₄^2-、Cl^-及易溶盐的质量分数，阳离子交换量(CEC)和交换性钠质量分数，按水、土质量比5:1制得土壤浸出液。分别利用火焰光度计测定K⁺和Na⁺质量分数，用EDTA(乙二胺四乙酸)络合滴定法测定Ca²⁺和Mg²⁺质量分数，用双指示剂-中和滴定法测定CO₃^2-和HCO₃^-质量分数，用EDTA间接滴定法测定SO₄^2-质量分数，用硝酸银滴定法测定Cl^-质量分数，用草酸铵-氯化铵法测定阳离子交换量，用乙酸铵-氢氧化铵-火焰光度计法测定交换性钠质量分数，用残渣烘干质量法测定易溶盐总质量分数。

苏打盐渍土中由于结晶盐的存在，土壤颗粒不易分散，因此用过滤法洗去试验土壤中的盐分，加入焦磷酸钠强分散剂进行分散处理，通过密度计法测定深度10~150 cm土壤的颗粒组成。根据本次研究的内容，通过室内试验方法测得取样点不同深度土壤的孔隙比(e)、塑性指数(I_P)、有机质质量分数(ω_u)和pH。利用变水头入渗仪测定原状土的水分入渗速率，试验水源为纯水，试验结果转换为标准10 ℃时的水分入渗速率^[6-11]。

潜蚀是盐渍土壤溶陷的主要原因^[6]。盐渍土土壤中易溶性的结晶盐遇水溶解，持续的水分渗流作用带走了土壤中部分固体颗粒，即发生潜蚀，并导致土壤孔隙比增大，受自重和外部荷载的影响，土壤颗粒重新排列，直至新的土壤结构形成。溶陷的发展趋势即是盐渍土由特殊的“固—液—气—盐”四相向着“固—液—气”三相转变。

测定盐渍土的溶陷系数通常使用单轴压缩试验，分为单线法和双线法^[12-13]。双线法使用2个土样，在相同压力时，溶陷量是经水浸溶的土样和不做处理的土样的高度差，即仅考虑盐渍土中盐分溶解、流失后由于荷载作用导致的变形量。而单线法适用于黄土湿陷特性试验^[9-10]，该方法下盐渍土的变形量由原始土壤受压变形与溶陷变形二者叠加而成，无法单一研究苏打盐渍土遇水盐溶后的溶陷性质；因此本次试验仅采用单轴压缩试验-双线法，并根据土工试验规程，选择200 kPa时试样的溶陷系数作为标准值^[11]。试验土样的深度自10~150 cm，每10 cm取2个高度5 cm的试样，各深度土壤的表面为试样的上切面。将2个试样固定于固结仪，起始荷载1 kPa保持试样与仪器接触紧密后去除顶压，逐级荷载25、50、100、150、200、300、400、500、600、700 kPa，记录每级荷载下试样形变稳定后的高度。当200 kPa试样形变量稳定时，其中1个试样浸水，待变形量稳定后读取试样高度，之后2个试样继续加压至下一等级荷载。试验所用水源为纯水。溶陷系数计算公式为

式中：δ为试样的溶陷系数；h_P为原状土不浸水的试样在某一级荷载时，下沉稳定后的高度，mm；h′_P为原状土浸水的试样在同一级荷载时，下沉稳定后的高度，mm；h₀为试样的原始高度。

2 结果与分析 2.1 盐分质量分数

试验土壤易溶性盐分的试验结果见表 1。

取样点苏打盐渍土易溶性离子中，阳离子以Na⁺为主，阴离子以HCO₃^-为主，盐分主要为NaHCO₃，这是由松嫩平原的地理、水文气象、母质等因素共同决定的^[14-18]。由实验结果(表 1)可知，实验土壤为中度苏打盐渍土，盐分主要集中在0~30 cm的土壤中，土壤中已测定的易溶性离子总质量分数大于0.798%，交换性钠占阳离子交换量百分比在30 cm深度处达到最大值63.22%；在30 cm下部的土壤中，随着深度增加，易溶性离子质量分数与交换性钠占阳离子交换量百分比减小。

盐分在土壤中运移过程受水分入渗速率的影响，易溶盐总质量分数和入渗速率随深度变化的关系见图 2。

图 2中，在10~150 cm土壤剖面上，入渗速率与易溶盐总质量分数呈反比，二者均在30 cm深度出现最值，该结果揭示了深度30 cm处盐分浓集的原因，深度30 cm的土壤性质具有代表性。深度30 cm的土壤中易溶盐总质量分数达到了1.075%，水分入渗速率仅1.09×10^-8 cm/s，说明降水长时间停留在地面，地表径流只能挟带盐分向类似取样点低地势的湖漫滩、岸坡阶地等地带富集，在湖泊地带的苏打盐渍土区域，洗盐的有效深度仅为30 cm。

这是因为取样时间9—11月，是当地年内第二个积盐期，特征为降水量减少、风速回升、气温降低、昼夜温差大，大量水分蒸发散失，少量水分的淋溶作用会挟带盐分向下运动；而此段时间地下水强烈上升，较深处土壤中的水分的在热毛管运动的作用下向上运动，直至渗透性较差的30 cm左右的土壤，总体的趋势是“向上”远大于“向下”，盐分在深度0~30 cm的土壤中汇集，造成了地表积盐的现象^[19]，这是吉林省西部湖泊地带形成苏打盐渍土区域的主要原因之一。

2.2 盐渍土性质

由取样点土壤质地颗粒组成试验结果(表 2)可知，取样点土壤质地为砂质黏壤土，土壤质地黏重，通透性较低，该质地土壤本身的透水性差，液限较低，遇水时变为糊状，阻碍水分运移。

从取样点土壤的孔隙比、塑性指数、有机质质量分数和pH随深度(h)变化的关系(图 3、4)可以看出：土壤的塑性指数、有机质质量分数和pH随深度加深而减小，而孔隙比随深度加深而增大，范围在0.695~0.925之间；孔隙比和塑性指数的变化曲线呈现“S”型，即存在变化率较小的平缓段与变化率较大的突变段，其中，深度30~120 cm土壤的孔隙比和塑性指数变化趋势要大于10~30 cm段与120~150 cm段。土壤的塑性指数能够反映土的结构构造、矿物成分、颗粒级配等因素；说明30~120 cm段的土壤性质不稳定，结构性减弱，易溶盐的质量分数大幅降低，造成这一区域上下部土壤性质的差异。

由图 2、3、4还可以得知：当地湖泊地带苏打盐渍土的塑性指数小于17.4，属低液限含砂粉土；土壤有机质质量分数小于0.72%，地表植被稀少，植物对于土壤盐渍化的治理作用微弱；pH大于9.44，土壤碱性极强；随着深度加深，易溶盐总质量分数降低，说明HCO₃^-水解出的OH^-浓度降低，土壤pH下降，但NaHCO₃始终是土壤中主要的盐分。

2.3 盐渍土溶陷特性

渗流作用下，原始盐渍土壤的溶陷过程分为两个阶段。阶段1，结晶盐溶解成盐溶液随水流失，土壤固体颗粒间的胶结能力减弱，孔隙增大，土壤结构稳定性下降。潜蚀和土壤沉降过程是相伴发生的，但潜蚀过程在先，因此这一阶段主要为盐渍土土壤发生潜蚀的阶段。阶段2，盐渍土土壤在自重与外部荷载的作用下固体颗粒重构，表现为土壤沉降下陷，原结构破坏。

图 5—7为各试样的溶陷系数随压力变化的关系曲线。

通过图 5—7可知，取样点1、2间同样深度土样的溶陷系数与压力的变化规律相同，浸水前(压力25~150 kPa)土样随着压力增大，溶陷系数呈小幅增长的趋势，整体保持在0.010以下；所有土样均在浸水后(200 kPa压力下)，溶陷系数达到最大，与上一压力等级下相比最高增长633.3 %；随着压力进一步增大，各土样的溶陷系数均在减小。结果表明：深度10~30、120~150与深度30~120 cm的试样相比，在浸水阶段溶陷系数的变化率差异较大。试样浸水前，溶陷系数与压力的关系没有明显规律，这一阶段试样中的盐分并未溶解、流失，式(1)中的h_P-h′_P为同一压力下对比试样间的高度差，此时的土壤沉降并不是潜蚀作用导致的，属原始土壤受压形变的结果。各层土壤浸水后，200 kPa时的溶陷系数大幅增长，之后随着压力增大，溶陷系数减小。说明试样在初次遇水时结构会发生较大的改变，外界荷载作用使得土壤的沉陷量急剧增大。实验证明，由潜蚀作用导致的溶陷量并不会随着压力增大而进一步增长，这是因为土壤在水流充分的潜蚀作用下，本属结晶盐的空间开放成孔隙，此时200 kPa的压力在最大程度上压缩了土壤的孔隙，随着压力增大，土壤孔隙可被压缩的空间减小，溶陷系数减小。

取样地的苏打盐渍土在200 kPa的压力下，溶陷系数随深度变化的关系见图 8。

当盐渍土0.010≤δ≤0.030时，土壤具有轻微溶陷性。由图 8可知，深度为30~120 cm的苏打盐渍土具有轻微溶陷性。由前文可知，30~120 cm的土壤的理化性质随深度变化的程度要大于10~30 cm和120~150 cm的土壤；而且30~120 cm土壤各土层之间性质的差异性是导致土壤溶陷的原因之一。

深度30 cm以上和120 cm以下的土壤不具溶陷性。深度30 cm以上的盐渍土中，从土壤颗粒的分散性分析^[20]，Na⁺的存在一般会使得土壤颗粒趋于分散，但Na⁺的质量分数有一定限度。当地浅层盐渍土的交换性钠所占阳离子交换量的比例较高，即扩散层中Na⁺浓度大，Na⁺挤入吸附层的机会增大，黏土颗粒的扩散层及水化膜变薄^[11]，使土-水悬液由分散转为聚结，土壤颗粒胶结能力强，不易分散，导致渗透性较低，在渗流作用下盐分不易溶解、流失，普通水源不会改变土壤颗粒的聚结程度，因此溶陷量小，溶陷系数低。而深度120 cm以下的土壤中，易溶性盐分的质量分数低于0.32%，这一部分土壤的孔隙比较高，同一层位的2个土样在压力作用下形变量较大，但由潜蚀作用带走结晶盐而开放的孔隙较少，因此溶陷量小，溶陷系数低。

深度10~150 cm的土壤的总溶陷量可以根据式(2)计算：

式中：S_δ为盐渍土的总溶陷量，mm；δ_i为第i土层的溶陷系数；H_i为第i层土的厚度，mm；n为土层的层数，本次试验n=15。

计算得知，取样点1、2深度10~150 cm土壤的总溶陷量分别为21.8 mm、19.0 mm。

3 结论与建议

1) 深度0~30 cm的积盐层的含盐量大于0.80%，这部分土壤渗透性差，渗流作用微弱，土壤中结晶盐不易溶解、流失，不具有溶陷性，对于苏打盐渍土，积盐层不是发生溶陷破坏的土层。

2) 盐渍土在首次遇水时，在200 kPa的压力下溶陷变形的程度最大，随着压力增大，溶陷系数减小。

3) 土壤深度30~120 cm具有轻微溶陷性，这一部分土壤的理化性质随深度的变化显著，因此深度不同的上下层土壤间，理化性质的差异性是诱发盐渍土溶陷的原因之一。

4) 吉林省西部河湖连通工程无衬砌形式的渠道应对盐渍土溶陷危害的首要原则是“渠道深挖”，利于区域内以水排盐除盐；同时结合新型的土壤固化剂，对渠道边坡进行固化加固处理。