烏梁素海周圍鹽化潮土鈉質(zhì)化特征

劉 駿，于會(huì)彬，謝 森，席北斗，蔣進(jìn)元

1.環(huán)境保護(hù)部化學(xué)品登記中心，北京 100012

2.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164

3.中國環(huán)境科學(xué)研究院水環(huán)境系統(tǒng)工程研究室，北京 100012

4.湘潭大學(xué)環(huán)境工程系，湖南 湘潭 411105

烏梁素海周圍鹽化潮土鈉質(zhì)化特征

劉 駿1，于會(huì)彬2，3，謝 森4，席北斗3*，蔣進(jìn)元3

1.環(huán)境保護(hù)部化學(xué)品登記中心，北京 100012

2.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164

3.中國環(huán)境科學(xué)研究院水環(huán)境系統(tǒng)工程研究室，北京 100012

4.湘潭大學(xué)環(huán)境工程系，湖南 湘潭 411105

以烏梁素海周圍鹽角草(CSE)、堿蓬(CSG)、鹽爪爪(CKF)和苦豆子(CSA)群落的鹽化潮土為研究對象，分別采集0～20，＞20～40，＞40～60和＞60～80 cm共16個(gè)混合土樣.測定土壤pH，含水量，含鹽量，鈉吸附比(SAR)和交換性鈉離子百分率(ESP)等指標(biāo)，分析了土壤的堿化特征.結(jié)果表明:CSE土壤剖面含鹽量，SAR和ESP的平均值最高，其次為CSG，CKF和CSA土壤.CSE土壤金屬離子總量最大，其次為CSG，CKF和CSA;陽離子以Ca2+和Na+為主，陰離子以Cl-和為主，而和含量極低.土壤鹽分主要以氯化物和硫酸鹽為主，碳酸鹽以碳酸鈣形式存在.ESP與含鹽量(R2=0.834，P=0.000 8)和SAR(R2=0.862，P=0.000 2)之間均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，ESP隨著含鹽量和SAR的增大而增大，SAR可以替代ESP的測量.土壤剖面鹽分的分布狀況是在降水、蒸發(fā)、灌溉和地下水等因素的綜合作用下形成的.關(guān)鍵詞:鹽堿化;鹽化潮土;鈉質(zhì)化;烏梁素海

Abstract:Sixteen composite soil samples from different depths(0-20 cm，＞20-40 cm，＞40-60 cm and＞60-80 cm)were collected from four different halophyte communities，namely，Comm.Salicornia europaea(CSE)，Comm.Suaeda glauca(CSG)，Comm.Kalidium foliatum(CKF)and Comm.Sophora alopecuroides(CSA)located around Wuliangsuhai Lake.Based on measuring exchangeable sodium ion percentage(ESP)，sodium absorption rate(SAR)，pH，moisture and salinity，the salinization properties of saline fluvo-aquic soils were analyzed.The results showed that the means of salinity，ESPandSARin CSE profile were highest，followed by CSG，CKF and CSA.The total contents of metal ions were highest in CSE profile，followed by CSG，CKF and CSA.The major cations were Ca2+and Na+，while themajor anionswere Cl-and，though the contents ofandwere less.Chloride and sulphate were the main soil salinity，and carbonate existed as calcium carbonate.ESPwas significantly and positively correlated with salinity(R2=0.834，P=0.0008)andSAR(R2=0.862，P=0.0002)，indicating thatESPincreases with the rise of salinity andSAR，andSARcan be used as a surrogate forESP.The distribution of salts in soil profiles is formed from the combined effect of precipitation，evaporation，irrigation，groundwater，etc.

Keywords:salinisation;saline fluvo-aquic soils;sodicity;Wuliangsuhai Lake

荒漠化是一個(gè)自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)過程，由于人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)或自然過程改變了土壤、植被、空氣和水平衡，產(chǎn)生區(qū)域性土壤干旱或氣候干旱，導(dǎo)致土地生物量減少、生境惡化以及土地荒漠化范圍擴(kuò)大［1-2］.荒漠化主要發(fā)生在干旱、半干旱邊緣區(qū)域以及具有干旱災(zāi)害的半濕潤地區(qū)［3］.引起這種緩慢、分散和持續(xù)過程的主要原因有短期和長期氣候變化及人類活動(dòng)［4］.荒漠化使植被種類和數(shù)量減少、土壤結(jié)構(gòu)破壞、土壤肥力下降、水循環(huán)改變、作物產(chǎn)量和牲畜出欄量減少等［5］.

土壤鹽堿化是荒漠化的主要類型，干旱、半干旱地區(qū)是鹽堿土分布最廣泛的地帶，干旱、半干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌區(qū)和湖泊周圍地帶是鹽堿土的主要分布區(qū)［6］.其中，鹽化潮土主要分布在湖泊周圍，并形成了自然的鹽分梯度帶(從湖邊向外圍土壤的鹽堿化程度逐漸減弱)，鹽生植物群落沿鹽湖呈明顯的環(huán)帶狀分布［7-8］，因此，土壤鹽分條件是影響植被特點(diǎn)的重要因子［9］.

選取烏梁素海湖濱帶4種不同鹽生植物群落的土壤作為研究對象.通過分析土壤的物理和化學(xué)特性，以及堿化參數(shù)與特征，研究土壤剖面鹽分的成因以及鹽堿化的危害，以期為荒漠化防治和鹽堿土修復(fù)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

烏梁素海位于內(nèi)蒙古自治區(qū)的烏拉特前旗境內(nèi)，處于河套平原的末端，西臨河套灌區(qū)，東接烏拉山西麓，北靠陰山，南抵黃河;位于108°43′E～108°57′E和40°27′N～40°03′N之間，是黃河流域最大的淡水湖泊.現(xiàn)有水域面積293 km2，南北長35～40 km，東西寬5～10 km，容量為2.5×109～3.0×109m3.水深0.5～2.5 m，最深達(dá)到4.0 m，多年平均深度為0.7 m.所在地區(qū)為溫帶大陸性氣候，年均氣溫為7.3℃，年均降水量為224 mm，蒸發(fā)量為1 502 mm.烏梁素海是東北亞最重要的水生生物分布區(qū)之一，其中蘆葦?shù)拿娣e約有300 km2.河套灌區(qū)是我國最大的灌區(qū)，形成一套完整的灌溉體系，從磴口縣的三盛公水利樞紐取水，經(jīng)過灌渠進(jìn)入農(nóng)田;而農(nóng)田退水經(jīng)過排水渠進(jìn)入烏梁素海.由于灌溉技術(shù)和設(shè)施管理滯后，導(dǎo)致土壤鹽堿化進(jìn)程加?。?0-11］.

1.2 土樣采集

在烏梁素海，從湖邊到外圍，依次是強(qiáng)鹽生鹽角草群落(Comm.Salicornia europaea，CSE)，重鹽生堿蓬群落(Comm.Suaeda glauca，CSG)、中鹽生鹽爪爪群落(Comm.Kalidium foliatum，CKF)和輕鹽生苦豆子群落(Comm.Sophora alopecuroides，CSA)［12］.因此，在烏梁素海周圍分別選取這4種不同的鹽生植物群落的土壤作為研究對象(見圖1).在每個(gè)采樣點(diǎn)，用洛陽鏟(分0～20，＞20～40，＞40～60和 ＞60～80 cm土層)采集16個(gè)混合土樣.其中每層用環(huán)刀(Ф=6 cm，V=100 m L)采一個(gè)土樣(測量土壤的容重).每個(gè)土樣混合均勻，仔細(xì)檢出植物殘?bào)w，過篩(Ф=2 mm)后立刻放入土樣袋里運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，冷藏保存.

圖1 采樣點(diǎn)位置Fig.1 Location of selected sample sites

1.3 土壤理化性質(zhì)分析

每個(gè)土樣分兩部分處理，一部分土樣風(fēng)干、研磨后過100目(0.15 mm)篩，剩余土樣冷藏或直接分析.土壤容重(BD)和含水量的測定用環(huán)刀法.土壤的pH和EC用風(fēng)干土樣測定.土水比為1∶2.5，溫度為25℃，用酸度計(jì)(Sartorius)測量土樣的pH.土水比為1∶1，用電導(dǎo)率儀(FE30，Mettler Toledo)測量土樣的電導(dǎo)率.土壤的含鹽量用質(zhì)量法測定，即采用離心方法分離浸提液，經(jīng)蒸干得到烘干殘?jiān)コ袡C(jī)質(zhì)后，其質(zhì)量為可溶鹽總量.土壤可溶鹽就是通常所說的土壤八大離子，即Ca2+，Mg2+，Na+，K+，，，Cl-和.其中，金屬離子含量用原子吸收分光光度計(jì)(AA-6300，Shimadzu)測定;用離子色譜測量Cl-和含量;采用中和滴定法測定和含量(見表1).

表1 不同鹽生植物群落土壤的物理化學(xué)特征Table 1 The physical and chemical properties of soils in the four different halophyte communities

鈉吸附比(SAR)可以反映交換性離子組成.SAR計(jì)算見式(1)［14］.

用1 mol/L乙酸銨溶液提取土壤中的交換性Ca2+，Mg2+，K+和 Na+，用原子吸收分光光度計(jì)(AA-6300，Shimadzu)測量離子濃度，計(jì)算出土壤中交換性陽離子的含量(mmol/kg).ESP計(jì)算見式(2)［15］.

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤剖面含鹽量與離子分布特征

干旱、半干旱地區(qū)鹽生植被的分布受當(dāng)?shù)氐耐寥利}堿化程度和水分條件的共同影響，但水分與鹽分是在不同尺度上發(fā)生作用的.水分條件是地帶性因素，它在較大的區(qū)域尺度上影響著地區(qū)間植被分布的特點(diǎn).鹽分條件則是一種非地帶性因素，是在相對較小的尺度上造成植被群落結(jié)構(gòu)差異的主要因素［7，16］.在 CSE土壤剖面上，土層的平均含鹽量(66.76 g/kg)最高，其次是 CSG (21.49 g/kg)，CKF(15.43 g/kg)和 CSA(9.11 g/kg)(圖2).在CSE，CKF和CSA土壤剖面的各土層中，含鹽量變化較小，并且 ＞20～40 cm土層的含鹽量最大，而在 CSG土壤剖面中，0～20 cm土層的含鹽量幾乎為其他各土層的2倍.CSE土壤剖面的各土層的含鹽量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他3個(gè)土壤剖面，鹽角草對鹽分的耐受性最大，并且該群落距離湖泊最近.CSA土壤剖面各土層的含鹽量最低，表明苦豆子的耐鹽性最小，并且該群落距離湖泊最遠(yuǎn).因此，烏梁素海邊緣土壤鹽堿化程度最高，水分對植被的影響相對減弱，植被的地帶性特征消失，以鹽角草群落為主.離湖泊越遠(yuǎn)，土壤鹽堿化程度越低，鹽生植物群落受地帶性植被的影響越明顯，依次以當(dāng)?shù)氐膲A蓬、鹽爪爪和苦斗子等地帶性植被為主.

圖2 不同鹽生植物群落的土壤各土層含鹽量Fig.2 Salinity with soil vertical depth in the different halophyte communities

4種不同鹽生植物群落土壤的可溶性 Ca2+占陽離子總量比例最高(36.40%)，其次為 Na+(26.87%)，K+(21.87%)和 Mg2+(14.86%). Cl-與分別占陰離子總量的 62.37% 和37.63%和含量極低.土壤中可溶性鹽分主要以氯化物和硫酸鹽為主，碳酸鹽主要以非溶于水的碳酸鈣形式存在于土壤中［17］.

在4個(gè)土壤剖面中，CSE土壤金屬離子含量最大，其次為CSG，CKF和CSA.在CSE土壤剖面中，陽離子以 Ca2+和 Na+為主，占陽離子總量的40.87%和 28.59%，K+在表層陽離子中含量最高，并且隨土層加深而降低，其他金屬離子并不隨土層深度變化，Cl-含量明顯高于(見圖3).在CSG土壤剖面中，Ca2+含量最大(占33.99%)，Mg2+最小(占14.91%)，而 Na+和 K+相差不大(占26.16%和24.9%);Cl-明顯高于;在4個(gè)土層中，除了Mg2+在各土層濃度相差不大外，其他3種金屬離子濃度均在表層最高.在 CKF土壤剖面中，Ca2+和Na+較高，分別占34.41%和26.96%;Mg2+和 K+相對較少，分別占21.09%和17.54%，Cl-高于;除 K+外，其他3種金屬離子濃度隨土層加深而降低.在 CSA土壤剖面中，Mg2+含量最高(占32.69%)，其他3種金屬離子含量相差不大;Cl-與持平;除了K+，其他3種金屬離子在 ＞20～40 cm土層含量最高.

圖3 幾種鹽生植物群落土壤不同土層水溶性離子分布特征Fig.3 Distribution of dissolved ions with soil vertical depth in the different halophyte communities

4種不同鹽生植物群落各土層可溶性離子含量與含鹽量存在顯著正相關(guān)(R2=0.730，P= 0.001)，表明可溶性離子含量在土壤剖面中的分布態(tài)勢與含鹽量基本一致.土壤可溶性 Na+和Cl-含量與土壤含鹽量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(R2= 0.920，P=0.000 4;R2=0.688，P=0.001)，而和 Mg2+與含鹽量的相關(guān)性不明顯(R2= 0.486，P=0.056;R2=0.508，P=0.045)，這表明該類型土壤鹽分含量及化學(xué)性狀主要受 Na+和Cl-控制，而和Mg2+的影響不大.

2.2SAR和ESP的土壤剖面分布特征

在4個(gè)不同鹽生植物群落土壤剖面中，CSE土壤的SAR平均值最大(33.88)，其次是 CSG (23.33)，CKF(16.30)和CSA(11.28)(見圖4).除CSG土壤剖面外，在其他 3個(gè)土壤剖面上，＞20～40 cm的SAR高于其他3個(gè)土層.在每個(gè)土壤剖面中，不同土層中的SAR變化較大，但與土層深度的變化不相關(guān).

圖4 不同鹽生植物群落土壤中SAR在4個(gè)土層的分布特征Fig.4 Distribution ofSARwith soil four vertical depth in the different halophyte communities

土壤ESP的變化趨勢如圖5所示.CSE土壤剖面ESP平均值最大(35.53%)，其次為 CSG (20.97%)，CKF(17.58%)和(CSA7.90%).除了CSG，在 CSE，CKF和 CSA土壤剖面中，＞20～40 cm土層ESP值最大，這與土壤中的含水量所體現(xiàn)的趨勢大致相反(見圖5).造成這種現(xiàn)象的主要原因，是由于當(dāng)土壤中鈉吸附比值較高時(shí)，Na+成為土壤溶液中占優(yōu)勢的陽離子，使部分交換性鈣鎂離子被 Na+所取代.Na+的增加會(huì)引起土壤顆粒收縮、膠體顆粒的分散和膨脹，導(dǎo)致土壤孔隙的減少，影響土壤的滲透性和作物根系的發(fā)育生長［18］.每個(gè)土壤剖面各土層的ESP＞5%，并且pH介于7.64～8.50之間，所以該土壤類型為鹽化土［19］，可溶性鹽分以氯化物和硫酸鹽為主.

2.3ESP與含鹽量，SAR的相關(guān)性分析

各土層ESP與含鹽量之間的相關(guān)性見圖 6 (a)，由于R2=0.834，P=0.000 8，所以它們之間存在著顯著的正相關(guān)，表明土壤的ESP隨著含鹽量的增大而增大，可以用土層的含鹽量表征ESP.各土層ESP和SAR之間呈顯著正相關(guān)，R2= 0.862，P=0.000 2〔見圖6(b)〕，所以SAR可以用來反映膠體上交換性鈉離子在全部交換性陽離子中所占的比例.直線斜率k=1.027，表明ESP和SAR的值大致相等.由于ESP測定繁瑣并容易發(fā)生錯(cuò)誤，而ESP與SAR在數(shù)值上不是嚴(yán)格相等，所以美國土壤學(xué)會(huì)土壤學(xué)術(shù)語委員會(huì)推薦，用土壤飽和提取液的鈉吸附比來描述鈉質(zhì)土壤的特征［20-21］.

圖5 不同鹽生植物群落土壤ESP隨土層深度變化特征Fig.5 Change ofESPwith soil vertical depth in the different halophyte communities

圖6 土壤ESP與含鹽量，SAR的相關(guān)性分析Fig.6 Correlation amongESPand salinity andSARof the soils in the four different halophyte communities

圖7為土壤ESP和SAR及含鹽量的三維立體分析.它不僅反映ESP隨著SAR和含鹽量的增加而增大，而且反映出SAR和含鹽量存在著顯著相關(guān)性，SAR隨著含鹽量的增加而增大，因?yàn)椤吧椒濉彪SSAR和含鹽量增大而升高，并且“山峰”寬度較小.而SAR和含鹽量之間的相關(guān)分析結(jié)果(R2= 0.782，P=0.000 5)驗(yàn)證了以上分析結(jié)果.

圖7 不同鹽生植物群落土壤反ESP，SAR和含鹽量的曲面分析Fig.7 Curved drawing ofESP，SARand salinity of soils in four different halophyte communities

2.4 土壤剖面鹽分狀況的形成

SAR與ESP之間呈極顯著正相關(guān)，回歸方程為y=1.027x-1.265，R2=0.862.試驗(yàn)所在地區(qū)處于半干旱氣候區(qū)，多年平均降水量為224 mm，蒸發(fā)量1 502 mm，蒸發(fā)量約為降水量的7倍，土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈使鹽分易于向表層積聚.烏梁素海湖水主要來自河套灌區(qū)的農(nóng)田退水，退水分別來自夏澆和秋澆［22］.本地區(qū)第四系孔隙潛水含水層厚度為5～10 m，常年水位埋深1.4～3.2 m，小于土壤返鹽的臨界深度.

由于各排干的污水直接排放入烏梁素海，故加劇了烏梁素海湖濱帶的鹽分堆積情況，使鹽堿化程度繼續(xù)加劇.近20年來礦化度和pH顯著升高，20世紀(jì)50年代湖水含鹽量小于 0.8 g/L，60年代上升到1.5～2.0 g/L，70年代達(dá)3.5 g/L，進(jìn)入80年代后，由于入湖水量和出湖水量增加，使湖水含鹽量有所下降.目前，湖水含鹽量平均為1.8 g/L.pH由50年代的平均7.5上升到現(xiàn)在的平均8.5左右.近年來，由于上游大量的生活、生產(chǎn)污水經(jīng)總排干溝排入烏梁素海，水質(zhì)化學(xué)污染嚴(yán)重，礦化度越來越高，湖水富營養(yǎng)化程度不斷加重［23］.

3 結(jié)論

不同鹽生植物群落土壤的含鹽量，SAR與ESP在整個(gè)土壤剖面上分布是有規(guī)律的，CSE的平均值最高，其次為CSG，CKF和CSA.在4個(gè)土壤剖面中，除了CSA土壤剖面，其他3個(gè)土壤剖面的0～40 cm含鹽量高于其他土層;＞20～40 cm的SAR和ESP明顯高于其他3個(gè)土層.說明該土層為土壤堿化層.土壤的 Na+和 Cl-為該地區(qū)典型離子和含量極低，這與該區(qū)域成土母質(zhì)的成分有關(guān).ESP與含鹽量和SAR值之間均呈現(xiàn)顯著相關(guān)(R2＞0.830，P=0.000 2)，即ESP隨著含鹽量和SAR的增大而增大.因此，SAR可以替代ESP的測量.土壤剖面鹽分的分布狀況是在降水、蒸發(fā)、灌溉和地下水等因素的綜合作用下形成的.

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Sodicity Properties o f Sa line Fluvo-aquic Soils around W u liangsuhai Lake

LIU Jun1，YU Hui-bin2，3，XIE Sen4，XIBei-dou3，JIANG Jin-yuan3

1.Chem ical Registration Center，Ministry of Environmental Protection of the People's Republic of China，Beijing 100012，China
2.School of Environmental＆Safety Engineering，Chanzhou University，Chanzhou 213164，China
3.Water Environment System Project Laboratory，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
4.Department of Environmental Engineerning，Xiangtan，Hunan 411105，China

X53

A

1001-6929(2011)02-0229-07

2010-05-17

2010-10-15

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2009ZX07106-001，2009ZX07207-004)

劉駿(1973-)，男，北京人，工程師，Liuhl2001@yahoo.com.cn.*責(zé)任作者，席北斗(1969-)，男，安徽碭山人，研究員，博士，主要從事流域水環(huán)境過程研究，xibeidou@263.com