半干旱半濕潤地區(qū)土壤鹽分平衡情勢評價方法及應用

王金哲，張光輝，嚴明疆，聶振龍，劉中培

中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所，石家莊 050061

0 引言

土壤鹽分狀況與地下水和下伏土壤之間通過降水、蒸發(fā)和下滲等過程不斷交換、不斷改變（簡稱情勢）。在水資源緊缺的環(huán)渤海低平原區(qū)，咸水和微咸水的開發(fā)利用與該平原土壤鹽分情勢密切相關［1］。土壤鹽分與各因素之間長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，對土壤質量和農業(yè)生態(tài)安全將產生影響。綜合各方面影響因素，客觀評價土壤鹽分情勢，對于提高微咸水利用程度和保障農業(yè)生態(tài)環(huán)境安全具有重要意義［2－4］。

土壤鹽分與眾多影響因子之間的關系研究備受關注。方生等［5］對海河平原土壤水鹽動態(tài)調控指標進行探討，確定了旱季和雨季前防治土壤鹽漬化的地下水埋深臨界深度；毛任釗等［6］對海河低平原鹽漬區(qū)農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量評價指征進行研究，提出了一套水土質量關鍵指征；毛任釗等［7］又采用通徑分析方法研究海河低平原鹽漬澇洼區(qū)表層土壤積鹽因素的主次關系，結果表明，地下水埋深2～3m、表層土壤全鹽量小于50g/kg、地表高差小于66cm地段，表層土壤鹽漬度主要受心土層鹽分狀況和微地形因素支配；姚榮江等［8］運用通徑分析法對黃河下游三角洲鹽漬區(qū)表層土壤積鹽影響因子及其強度進行了分析，得到表土積鹽過程受到鹽源分布、鹽分離子化學特征、土壤理化性質、地下水狀況以及區(qū)域性氣候條件綜合影響的結論。

筆者在前人評價的基礎上，從地下水、氣候、土壤和初始鹽源方面綜合考慮，討論了土壤鹽分情勢評價指標體系，進行了土壤鹽分情勢評價指標體系的應用，并通過野外調查數據對評價結果進行了效驗，以期對預警土壤鹽漬化和指導農業(yè)安全利用微咸水灌溉起到一定的指導作用。

1 評價指標體系構建

1.1 指標體系

指標體系構建是表層土壤鹽分平衡情勢評價的關鍵。表層土壤鹽分平衡情勢評價指標體系分為3級，即目標層、指標分類和指標層。指標層作為評價體系的重要基礎，對評價結果能否反映真實狀況起著決定性作用。單項指標篩選時不完全取決評價者的主觀愿望，它是根據研究區(qū)的具體條件和資料享有情況，遴選和確定的具體指標，最終指標的數量和內容能夠較好地反映表層土壤鹽分平衡情勢評價的實際狀況。

多年野外調查和相關研究資料表明，土壤鹽分情勢與地下水、土壤、氣候和初始鹽源狀況4個方面的多項要素有關，既要考慮應盡可能包含主要影響要素，又要避免出現指標繁冗的現象。每類屬性層包含2或3個指標，其中土壤質地是狀態(tài)指征，其他指標屬趨勢指標，為動態(tài)變化量值。不同指標和指征在不同尺度和復雜程度上反映不同的問題，具有不同的針對性，指標集合整體可滿足表層土壤鹽分平衡情勢評價目標層的要求。最終構建的指標體系如表1所示。

1.2 指標等級劃分及其依據

從評價指標體系的實用性角度考慮，土壤鹽分情勢狀況劃分為“優(yōu)、良、中、差、劣”5個等級，各指標劃分的依據如下所述。

1.2.1 地下水特征

對環(huán)渤海低平原區(qū)土壤鹽分與地下水埋深相關關系研究發(fā)現：地下水水位埋深＜2.5m，兩者之間為直線相關關系，相關系數大于0.9，極強相關；2.5～10.0m，兩者之間存在一定關聯性，其中，2.5～＜4.0m之間的相關系數為0.75，4.0～＜6.0m的相關系數為0.53，6.0～10.0m 的相關系數為0.51；＞10.0m相關性弱。由此可知，在地下水埋深小于2.5m時，土壤鹽分受其影響程度大，對土壤鹽漬化程度加重有潛在隱患，而大于10.0m，土壤鹽分受地下水埋深影響的程度十分微弱。

表1 表層土壤鹽分平衡評價指標體系及指標等級劃分Tabel 1 Classification of the surface soil salinity balance evaluation index system and indicaors

依據文獻［9］，礦化度小于1g/L為淡水，1～3 g/L為微咸水，＞3～10g/L為咸水。由經驗可知：超過3g/L的地下水灌溉農田時，土壤普遍有積鹽現象，如河北省臨西縣咸水灌溉試驗結果，土壤耕層積鹽率為54%；利用5g/L的地下水灌溉時，土壤耕層積鹽率高達235%，反映了土壤耕層同期含鹽量有增高的趨勢，土壤含鹽量已超過作物的耐鹽極限值［10］；土壤水含鹽量超過5.7g/L時，棉田出苗率明顯低于90%。所以，大于5g/L的地下水對農業(yè)灌溉已是不允許的。

鈉吸附比等級劃分標準參考文獻［6］的指標，這一指標可指示水質能否引起土壤堿化。

1.2.2 土壤特性

土壤pH值和土壤質地的等級劃分標準參考毛任釗等［6］的土壤與地下水農業(yè)生態(tài)環(huán)境評價指征的等級閾值。其中，土壤質地的劃分標準為土壤中顆粒的組成，本次評價選取黏粒體積分數作為表征土壤質地的標準，以反映土壤持水性、黏度和土壤分散性等物理性質方面的差異［11］。

Cl－的等級劃分依據為以氯化物質量分數為標準的土壤鹽漬化劃分標準。

1.2.3 氣候因子

降水量指標等級確定以研究區(qū)1961－2005年的平均值數據為基礎，以不同頻率（＜12.5%、12.5%～37.5%、＞37.5%～62.5%、＞62.5%～87.5%和＞87.5%）年降水量劃分標準為依據，即按照劃分豐、偏豐、平、偏枯和枯水年的標準，確定降水量的5個評價等級，分別為＞710、710～642、＜642～585、＜585～405、＜405mm。因為降水對土壤鹽分的淋濾作用有利于脫鹽、減弱土壤鹽漬化的危害，相對來看，豐水年較平水年、枯水年分土壤鹽分更能保證土壤生態(tài)質量，所以此5個等級即為從優(yōu)到劣等級的劃分結果。

根據降水量豐、偏豐、平、偏枯和枯對應年份劃分蒸發(fā)量指標等級，劃分結果為＜1 334、1 334～＜1 612、1 612～＜1 793、1 793～1 994、＞1 994mm。因為蒸發(fā)作用對土壤鹽分的上行動力促進積鹽作用，加重了土壤鹽漬化程度，因此，蒸發(fā)量越大，對土壤保持鹽分平衡越不利。

1.2.4 土壤初始鹽源狀況

根據中國科學院南京土壤研究所提出的鹽堿土壤分級指標，確定土壤因子中土壤含鹽量的指標等級，此土壤鹽化分級指標適用地區(qū)為華北平原濱海、干旱及半干旱地區(qū)，適用的鹽漬類型為＋、Cl－、Cl－－和－Cl－。此項指標分級數據不是實際值，而是基于不同地區(qū)的平均值。

1.3 評價標準及評價方法

土壤鹽分平衡情勢評價結果為0.0～1.0的數值，筆者采用加權綜合指數法進行評價，得到各因子對表層土壤鹽分平衡影響的綜合指數（R）。R值的計算公式為

式中：ai為評價指標的權重；Xi為評價指標；n為評價指標的個數。

其中R值為1.0～0.8為優(yōu)，＜0.8～0.6為良，＜0.6～0.4為中，＜0.4～0.2為差，＜0.2～0.0為劣，5種結果對應的土壤鹽分情勢如表2所示。

表2 土壤鹽分平衡情勢評價標準Table 2 Grading and significance of the results of the evaluation of surface soil salinity balance

2 數據處理

表1中的11個指標全部反映自然因素，運用SPSS17軟件對11個指標進行因子分析。為更好地分析表層土鹽分與各因子之間自然數據的變化規(guī)律，以更客觀地確定各因子在主因子變化中的作用，以旋轉前的單項指標特征值占總提取特征值的比重作各屬性和各指標權重。結果顯示：土壤初始鹽源狀況中的3個指標權值相對較大，都大于0.1，說明土壤初始鹽源狀況對表層土壤鹽分平衡情勢的影響作用較大；其次，地下水特征3個指標的權值徘徊在0.1左右，對目標層的影響次于土壤初始鹽源；土壤理化性質和氣候因子對目標層的影響相對前2項較弱。

獲得各指標權值后，對照相應的標準化量值，確定各指標的指數，然后根據綜合評價指數公式，計算目標層的綜合評價指數，進而對照相應評價分級標準，判別具體區(qū)位表層土壤鹽分平衡狀況，然后再根據分區(qū)的具體狀況分析評價結果的準確性。

在采用SPSS17軟件對指標進行因子分析時，11個指標變量中地下水埋深和降水量對表層土壤鹽分的載荷系數表現為負值，說明地下水埋深和降水量對表層土壤鹽分含量的作用是逆向的，地下水埋深和降水量數值越大，表層土壤易溶鹽質量分數越低。表層土壤鹽分平衡作為目標層指標，是指表層土壤易溶鹽總量的基本穩(wěn)定，沒有積鹽現象，從土壤質量角度考慮，脫鹽趨勢也可以歸為平衡情勢，因此，可以認為綜合評價目標為負向指標。這樣，地下水埋深和降水量數據越大，越有利于保持表層土壤鹽分的平衡，而其他9個指標則反映為數據越大，越不利于維持表層土壤鹽分的平衡。在具體數據處理時，對除地下水埋深和降水量以外的9個指標標準化量值取其倒數，然后再對其進行標準化。

3 應用與效驗

2010年4 、5月份，在環(huán)渤海低平原區(qū)開展了一次全區(qū)土壤和地下水采樣工作，土壤和地下水配合對應取樣，具體采樣方案是先確定地下水采樣點，實測水位埋深，現場測試水溫、鹽度、氧化－還原電位、pH和溶解氧質量濃度，然后采集水樣。選取依賴此井水灌溉但取樣期間還沒有澆水的田塊采集土壤樣品，并對井位和土壤采樣點進行GIS定位，采樣點間隔20km左右。土壤采樣分8層，總深度60 cm，上部20cm取4層，間隔5cm；下部40cm取4層，間隔10cm。土壤樣品測試項目為易溶鹽質量分數、八大離子質量分數和pH，部分重點區(qū)的土壤還進行了顆粒分析，地下水測試項目為簡分析。野外工作共計對應采樣104組，樣品測試單位具備國土資源部實驗室甲級資質，數據質量保證了表層土壤鹽分平衡情勢評價工作的精確度，104組樣品數據基本滿足大尺度評價要求。

依據上述評價方法對環(huán)渤海低平原區(qū)表層土壤鹽分平衡情勢測評結果見表3和圖1。

邯鄲市和廊坊市的零星地區(qū)為“良”級區(qū)，面積為756.6km2，相對研究區(qū)9.6×104km2的總面積，僅占0.8%。在這些地區(qū)，淺層地下水埋深變化較大，7.0～30.0m 為主，礦化度為0.66～2.60g/L，即淡水或礦化度低的微咸水，鈉吸附比小于8，開發(fā)利用地下水對農田灌溉不會對土壤造成積鹽效果；土壤質地以粉質中亞黏土為主，pH為6.97～7.85，w（Cl－）小于0.01%，表層、中層和底土層的初始含鹽量為0.040 2～0.079 0g/kg，土壤特性和初始鹽源都顯示為適宜作物生長的非鹽漬化土壤，容納鹽分的能力較強。地下水和土壤鹽分質量分數指標表明該區(qū)缺少充裕的鹽分來源，氣候因子在此情況下就發(fā)揮不了作用，土壤鹽漬化的潛在威脅就不存在，維持土壤鹽分平衡能力就較強。

表3 不同等級分區(qū)指標屬性具體狀況Table 3 Differt grades partition indicators attributes specific situation

圖1 環(huán)渤海低平原區(qū)表層土壤鹽分平衡情勢評價結果Fig.1 Balance situation evalution results of the surface soil salinity of the low plains area of the Bohai Sea

“中”級區(qū)的分布面積為25 717.1km2，占研究區(qū)總面積的26.8%，呈條帶狀分布在西部平原區(qū)，在南部濟南地區(qū)和東北部唐山樂亭地區(qū)也有分布。淺層地下水埋深為2.1～16.0m，大部分地區(qū)為10 m左右，礦化度為0.95～4.00g/L，以微咸水分布地區(qū)為主，鈉吸附比最大值為14，地下水灌溉對土壤和作物有影響。土壤質地以粉質中亞黏土為主，pH為7.01～8.46，偏堿性；w（Cl－）＜0.02%，作物能正常生長。表層土壤含鹽量為0.051 9%～0.131 9%，中、底土層的初始含鹽量為0.053 4%～0.154 4%，為非鹽漬化土壤。綜合本區(qū)各項指標情況，土壤自身含鹽量低，能接納一定的外部鹽分而不表現出鹽漬化特征，作物灌溉抽取的地下水中所含鹽分對土壤有一定影響，相應地影響土壤維持鹽分平衡的能力。

“差”級區(qū)分布面積為56 592.2km2，占研究區(qū)面積的58.9%，位于研究區(qū)中部地區(qū)，是主體級別。該區(qū)淺層地下水埋深為2.0～10.0m，大部分地區(qū)為2.0～5.0m，地下水蒸發(fā)的臨界深度為2.5m。地下水礦化度為1.80～8.28g/L，以2.0～4.0g/L分布地區(qū)為主，全區(qū)分布程度不同的微咸水；鈉吸附比最大為78，灌溉后引起土壤堿化，需進行水質或土壤的預防性改良。表層、中層和底土層的初始含鹽量變化范圍為0.079 6%～0.411 8%，也就是，部分地區(qū)為中度鹽漬化土壤。本區(qū)以粉質中亞黏土和粉質重亞黏土為主，平均黏粒體積分數達19.0%，對土壤溶液中的鹽分有較強的吸附能力。在土壤自身表現為偏堿性、部分地區(qū)為鹽漬化特征質量不佳的前提下，地下水位埋藏深度較小，使得高礦化度地下水中鹽分到達土壤的路徑較短，相同的蒸發(fā)動力作用下，會有較多的地下水中鹽分通過毛細作用運移儲存在土壤中。多種因素疊加的結果，該區(qū)土壤鹽分平衡情勢“差”。

“劣”級區(qū)分布面積為129 34.1km2，占研究區(qū)面積的13.5%，全部分布在研究區(qū)東部濱海平原。該區(qū)淺層地下水埋深0.4～2.6m，地下水礦化度為2.73～10.36g/L，以4.00～6.00g/L分布地區(qū)為主，即全區(qū)分布微咸水、半咸水。地下水鈉吸附比為31～82，灌溉對土壤的堿化危害程度非常高。土壤質地以粉質重亞黏土為主，平均黏粒體積分數為22.47%，土壤越黏重，對鹽分的吸附性越強，土壤鹽分剖面積聚類型以表聚型為主［12］；酸堿度為7.09～8.87，偏 堿 性；Cl－質 量 分 數 較 高，最 大 值 達0.521 2%，作物在此環(huán)境下開始死亡。567～682 mm的降水對于保持淺層地下水水位、150 0～202 9 mm的蒸發(fā)量對于地下水中鹽分向地表的運移都起到一定作用。全區(qū)表層、中層和底土層的初始含鹽量較高，為0.114 4%～0.709 5%，表明部分地區(qū)為強鹽漬化土壤?？偟膩砜?，該區(qū)水位埋深淺和礦化度較高的地下水環(huán)境、黏重的土壤質地和偏堿性特征、較強的降水和蒸發(fā)量、土壤自身較高的含鹽量因素都不利于土壤鹽分平衡的維持，土壤遭受鹽漬化的風險在全區(qū)占據首要地位。

4 結論與討論

從土壤安全和農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量角度考慮，以表層土壤鹽分平衡為評價目標，從地下水、氣候、土壤理化性質和初始鹽源4個方面篩選了11個與表層土壤鹽分密切相關的影響因子作為評價指標，構建了一套評價表層土壤鹽分平衡情勢的指標體系。以環(huán)渤海低平原區(qū)為典型區(qū)進行的效驗結果證明，評價方法具備有效性和適用性。

此評價方法可用于表層土壤鹽分平衡情勢的評價工作，評價結果將為土壤鹽漬化地區(qū)微咸水和咸水的灌溉提供有效依據，例如：評價結果“劣”級區(qū)，不宜繼續(xù)咸水灌溉；“差”級區(qū)應控制咸水灌溉量，減少咸水攜帶進入土壤中的鹽分；“中”級區(qū)適當進行灌溉，以避免土壤鹽分平衡情勢向不利于土壤安全和農業(yè)生態(tài)環(huán)境的方向發(fā)展；“良”和“優(yōu)”級區(qū)可加大咸水灌溉量，但需注意監(jiān)測土壤鹽分?？傊寥利}分平衡情勢評價方法對于土壤安全和農業(yè)生態(tài)環(huán)境質量的保證有指導意義。

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