黑河中游地區(qū)水循環(huán)過程對(duì)土壤鹽分特征的影響

孟雪，張娟，鄭一，田勇，吳鑫，吳斌，李金國(guó)，王賽，朱宰元

北京大學(xué)工學(xué)院能源與資源工程系，北京 100871

黑河中游地區(qū)水循環(huán)過程對(duì)土壤鹽分特征的影響

孟雪，張娟，鄭一*，田勇，吳鑫，吳斌，李金國(guó)，王賽，朱宰元

北京大學(xué)工學(xué)院能源與資源工程系，北京 100871

摘要：干旱、半干旱區(qū)的土壤鹽漬化是重要的生態(tài)環(huán)境問題。黑河流域是我國(guó)第二大內(nèi)陸河流域，研究該地區(qū)的土壤鹽漬化問題對(duì)于我國(guó)西部地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。黑河的中游地區(qū)集中了流域內(nèi)絕大部分人口和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)（以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主）。該研究對(duì)黑河中游地區(qū)表層土壤進(jìn)行了全面采樣，測(cè)定了土壤含鹽量及其離子構(gòu)成；并通過主成分分析確定了表征鹽漬化程度的第一主成分和表征堿化程度的第二主成分。結(jié)合地表-地下水耦合模擬的結(jié)果，探討了研究區(qū)水循環(huán)過程對(duì)土壤鹽分特征的影響。研究結(jié)果表明，黑河中游表層土壤的鹽漬化程度較高，高臺(tái)-金塔一帶鹽漬化最嚴(yán)重，含鹽量最高可達(dá)31.4%，其次為酒泉北部和張掖南部地區(qū)，含鹽量在0.20%～0.37%之間。黑河中游土壤的鹽漬化程度與地下水埋深密切相關(guān)?？傮w而言，地下水埋深越淺，土壤含鹽量的均值越高，而標(biāo)準(zhǔn)差越大。研究區(qū)土壤主要呈原生鹽漬化，次生鹽漬化現(xiàn)象不顯著。黑河中游土壤堿化程度較輕，堿化程度和鹽漬化程度的空間分布呈反向關(guān)系。黑河中游的灌溉活動(dòng)未造成顯著的次生鹽漬化，但一定程度上提高了土壤的堿化程度。與以往研究相比，該研究更全面地覆蓋了黑河中游地區(qū)的代表性地點(diǎn)，并定量分析了區(qū)域水循環(huán)與土壤鹽漬化之間的聯(lián)系，研究結(jié)果對(duì)于我國(guó)西部地區(qū)水土資源的可持續(xù)開發(fā)利用具有重要參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：黑河流域；土壤；鹽漬化；地下水；綠洲農(nóng)業(yè)；灌溉

引用格式：孟雪，張娟，鄭一，田勇，吳鑫，吳斌，李金國(guó)，王賽，朱宰元. 黑河中游地區(qū)水循環(huán)過程對(duì)土壤鹽分特征的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(7): 1108-1112.

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土壤鹽漬化是指在特定氣候、地質(zhì)及土壤質(zhì)地等自然因素以及人為引水灌溉不當(dāng)引起的土地質(zhì)量退化的過程（白福等，2008）231。土壤鹽漬化是干旱、半干旱地區(qū)突出的生態(tài)環(huán)境問題。我國(guó)的干旱、半干旱區(qū)約占國(guó)土總面積的一半，其中鹽漬土分布廣泛（俞仁培，2001）。土壤的積鹽、脫鹽過程受各種自然和人為因素影響，故土壤鹽分組成及離子比例存在顯著地理差異（毛任釗等，1997）。土壤鹽漬化可分為原生鹽漬化和次生鹽漬化，前者指未受人類干擾而保持天然狀態(tài)的鹽漬化過程，后者通常指由于不合理的耕作灌溉引起的鹽漬化過程。分析鹽漬化土壤的鹽分特征，對(duì)于干旱、半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義（古麗格娜·哈力木拉提等，2012）。土壤鹽漬化問題的研究已在國(guó)內(nèi)許多地區(qū)開展（張飛等，2007；范曉梅等，2014；范曉梅等，2010）。黑河流域是我國(guó)第二大內(nèi)陸河流域，是我國(guó)干旱、半干旱區(qū)水土資源管理研究與實(shí)踐的代表性區(qū)域（程國(guó)棟等，2014）。黑河流域的土壤鹽漬化問題已獲得一定研究。石迎春等（2009）在黑河中游高臺(tái)縣境內(nèi)黑河干流兩側(cè)進(jìn)行采樣，分析了當(dāng)?shù)氐耐寥利}分特征。白福等（2008）232-235對(duì)黑河中下游平原土壤的鹽漬化成因進(jìn)行了定性討論?？傮w而言，現(xiàn)有研究尚未全面覆蓋黑河中游地區(qū)的代表性地點(diǎn)，且很少定量分析區(qū)域水循環(huán)與土壤鹽漬化的關(guān)系。

本研究在整個(gè)黑河中游地區(qū)進(jìn)行采樣，測(cè)試表層土壤樣品的含鹽量及離子構(gòu)成，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了多元統(tǒng)計(jì)分析。此外，結(jié)合分布式地表-地下水耦合模擬的結(jié)果（Tian et al.，2014），定量研究了土壤鹽漬化與當(dāng)?shù)厮h(huán)過程的聯(lián)系。研究結(jié)果對(duì)于黑河中游地區(qū)水土資源管理具有重要參考意義。

1　研究區(qū)概況

本研究利用ArcSwat軟件根據(jù)河流特征劃出黑河中游流域邊界，其中采樣點(diǎn)位置分布如圖所示（見圖1）。黑河中游地區(qū)總面積為39800 km2，自東南向西北依次包括大馬營(yíng)盆地、張掖盆地、酒泉東盆地、酒泉西盆地和金塔盆地，涉及的行政單元包括張掖市的山丹、民樂、臨澤、高臺(tái)、甘州區(qū)四縣一區(qū)，酒泉市及其下轄的金塔縣。綠洲農(nóng)業(yè)主要集中于張掖盆地，張掖盆地東起永固丘陵，西至榆木山前，南北以山為界，東西長(zhǎng)140 km，南北寬逾60 km，面積達(dá)8100 km2，為大型山間盆地（仵彥卿等，2010）72。研究區(qū)整體地勢(shì)南高北低，海拔介于1100 m至2300 m之間。區(qū)域氣候?yàn)榇箨懶愿珊禋夂颍杲邓繛?0～300 mm，多年平均實(shí)際蒸發(fā)量為700～1000 mm，遠(yuǎn)大于區(qū)內(nèi)降水量。該區(qū)堆積了較厚的第四系松散沉積物，沉積物自南向北由粗變細(xì)，主要為洪積和沖洪積的砂、黏土和含礫砂巖；其間分布有較厚的黏土層。

圖1　研究區(qū)范圍（黑河中游）、采樣點(diǎn)位置及表層土壤含鹽量的空間分布Fig. 1 The study area (the middle stream of Heihe River) and the soil sampling locations with the total salt content indicated

2　研究方法

2.1土樣采集

綠洲農(nóng)業(yè)是黑河中游主要的土地利用方式，故本研究重點(diǎn)關(guān)注耕層土壤的鹽漬化問題。目前，當(dāng)?shù)剞r(nóng)田仍主要采用傳統(tǒng)耕作方式（即人力或小型農(nóng)機(jī)具作業(yè)），耕層厚度通常為12～15 cm。2014年8月上旬在黑河中游采集表層（0～15 cm）土壤樣品57個(gè)，采樣點(diǎn)位置如圖1所示。樣點(diǎn)布設(shè)考慮了多方面因素：第一，空間上能對(duì)研究區(qū)有較好覆蓋；其次，涵蓋代表性的土地利用類型（以綠洲農(nóng)田為主，兼顧草地、林地和荒漠戈壁）；第二，涵蓋代表性的土壤類型（鹽土、灰鈣土、灌淤土和風(fēng)沙土等）；第三，采樣點(diǎn)具有交通可達(dá)性。每次采樣時(shí)，先選定一塊10 mí10 m的正方形樣地，樣地應(yīng)能較好代表周邊1～2 km范圍內(nèi)的典型土壤條件；然后，采用非系統(tǒng)X形線段采樣方式（魯如坤，1998），在樣地四角及中心位置分別采取適量土樣，混合后裝袋送回實(shí)驗(yàn)室處理。

2.2樣品處理與測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將所采集的土樣置于通風(fēng)良好處自然風(fēng)干。之后，除去草根，研磨過1 mm篩，裝入自封袋中保存。在進(jìn)行土壤離子含量測(cè)試時(shí)，取50 g處理后的土樣與250 mL蒸餾水（水土比5∶1）進(jìn)行混合浸提。提取液中Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-的含量用美國(guó)戴安ICS-2000離子色譜測(cè)定；CO32-和HCO3-的含量采用雙指示劑中和滴定法測(cè)定（鮑士旦，2000）；pH值和電導(dǎo)率則使用美國(guó)奧立龍便攜式多參數(shù)測(cè)量?jī)x（520M-01）測(cè)定。

2.3地表-地下水耦合模擬

黑河中游地區(qū)的水循環(huán)過程十分特殊，地表水和地下水頻繁轉(zhuǎn)換，且受人類活動(dòng)影響的強(qiáng)烈擾動(dòng)。例如，張應(yīng)華等（2005）運(yùn)用同位素δ18O分析，發(fā)現(xiàn)農(nóng)田灌溉活動(dòng)對(duì)地表水和地下水的轉(zhuǎn)化有顯著影響。為定量分析黑河中游水循環(huán)過程對(duì)該地區(qū)土壤鹽漬化的影響，本研究從Tian et al.（2014）所建的黑河中下游地表-地下水耦合模型（基于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的GSFLOW建模平臺(tái)）中提取了研究區(qū)1 kmí1 km網(wǎng)格精度的水文變量數(shù)據(jù)集（2003─2012年），具體包括降水、潛在蒸散發(fā)、實(shí)際蒸散發(fā)、地下水水位及埋深、氣溫、灌溉量、離排灌渠遠(yuǎn)近等。通過分析這些水文變量的空間規(guī)律，嘗試揭示研究區(qū)土壤鹽漬化與當(dāng)?shù)厮h(huán)過程的聯(lián)系。

2.4數(shù)據(jù)分析

本研究對(duì)土壤離子含量數(shù)據(jù)和水文變量數(shù)據(jù)進(jìn)行了基本統(tǒng)計(jì)分析及主成分分析。水文變量以土壤采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的模型網(wǎng)格數(shù)據(jù)作為樣本點(diǎn)。如前所述，所選樣地能較好代表周邊1～2 km范圍內(nèi)的典型土壤條件，故樣點(diǎn)數(shù)據(jù)可以合理體現(xiàn)所在模型網(wǎng)格（1 kmí1 km）的平均情況。所有數(shù)據(jù)分析利用Excel及SPSS18.0軟件完成。

3　結(jié)果與討論

3.1土壤鹽分的基本統(tǒng)計(jì)特征

土壤樣品的pH值在6.58～8.79之間，大部分呈中性或弱堿性。陽離子中，Ca2+含量最高，幾何均值為85.07 mg·kg-1；其次是Na+、Mg2+和K+，幾何均值分別為62.06、40.18和31.23 mg·kg-1。陰離子中，HCO3-含量最高，幾何均值為242.78 mg·kg-1；其次是SO42-和Cl-，幾何均值分別為161.59和54.80 mg·kg-1。CO32-含量極少，部分土樣并未檢出。如表1所示，總含鹽量（HYL）與Na+、Cl-、SO42-含量的相關(guān)系數(shù)都在0.99以上，而與K+、Mg2+的相關(guān)系數(shù)在0.85以上，表明土壤含鹽量的空間變化規(guī)律主要受這五種離子控制。雖然HCO3-含量雖然很高，但與總含鹽量卻無相關(guān)性。pH僅與CO32-顯著相關(guān)：pH高的土樣，通常都可檢出CO32-，且含量較高。

表1　土壤鹽分含量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)矩陣Table 1 Correlation coefficient matrix of ions and total salt contents

3.2鹽漬土的空間分布特征

參照文獻(xiàn)（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，1991），將含鹽量超過0.1%作為鹽漬土的界定標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)Cl-/2SO42-毫克當(dāng)量比值進(jìn)行鹽漬化類型劃分。結(jié)果表明，黑河中游地區(qū)鹽漬土（見圖1中紅色實(shí)心圓圈所示采樣點(diǎn)）主要分布在高臺(tái)-金塔一帶，酒泉北部、張掖南部地區(qū)。高臺(tái)-金塔一帶鹽漬化程度嚴(yán)重，含鹽量最高可達(dá)31.4%，鹽漬土類型主要為亞硫酸鹽漬土；酒泉北部、張掖南部地區(qū)中度鹽漬化，含鹽量在0.20%～0.37%之間，主要為硫酸鹽漬土。圖2顯示了由耦合模型模擬的2012年平均地下水埋深分布圖?？梢姡@些鹽漬土分布集中的區(qū)域地下水埋深都很淺。其它水文變量與土壤鹽漬化程度之間的關(guān)聯(lián)性并不顯著。

圖2　研究區(qū)2012年平均地下水埋深Fig 2 Depth to water table in the study area as of 2012

為進(jìn)一步分析地下水對(duì)當(dāng)?shù)赝寥利}漬化程度的影響，將土樣按所在位置地下水埋深（2003─2012年均值）進(jìn)行分組（0～5、5～10、10～20 m及大于20 m），并計(jì)算了各組樣品含鹽量的幾何均值及標(biāo)準(zhǔn)差（見表2）。土壤鹽漬化是一個(gè)逐步發(fā)展的長(zhǎng)期過程，土樣含鹽量體現(xiàn)的是采樣前相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)當(dāng)?shù)厮倪^程的累積作用。因此，本研究采用地下水埋深的多年平均值進(jìn)行分析。埋深分組則基于如下考慮：首先，潛水蒸發(fā)極限（4～4.5 m）是土壤活性積鹽和殘余積鹽的分界（樊自立等，2008），故將5 m作為第一個(gè)分界點(diǎn)；其次，地下水埋深超過10 m的情況下，絕大部分植物已無法利用地下水滿足生長(zhǎng)需要（王希義等，2013），故將10 m作為第二個(gè)分界點(diǎn)；再次，為了進(jìn)一步細(xì)化分組，增加了20 m這個(gè)分界點(diǎn)。由表2可見，總體上，地下水埋深越淺，土壤含鹽量的均值越高，而標(biāo)準(zhǔn)差越大。這表明研究區(qū)內(nèi)土壤含鹽量受到地下水的顯著影響。在鹽漬化程度較高的金塔?高臺(tái)一帶和酒泉北部地區(qū)，地下水位埋深一般小于10 m，地下水化學(xué)類型主要為Cl-SO4-Na-Mg、Cl-SO4-Na和Cl-Na（仵彥卿等，2010）86，礦化度高。這些地區(qū)夏季氣溫可高達(dá)40 ℃，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，含鹽地下水的蒸發(fā)濃縮作用十分強(qiáng)烈，導(dǎo)致鹽分在土壤表層積聚，尤其是Na+、Cl–和SO42-的含量顯著高于周邊其它地區(qū)。另一方面，在鹽漬化程度整體較高的地區(qū)，土樣含鹽量的標(biāo)準(zhǔn)差也顯著高于其它地區(qū)，說明除了地下水特征和氣候條件外，還有其它的重要影響因素存在。

表2　不同地下水埋深條件下的土壤含鹽量Table 2 Total salt contents for different levels of depth to water table

3.3主成分分析結(jié)果及討論

對(duì)土樣的八大離子含量進(jìn)行了主成份分析，并以累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于80%為標(biāo)準(zhǔn)劃分確定第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）。由于部分土樣未檢測(cè)到CO32-，故將CO32-含量與HCO3-含量相加作為一個(gè)變量納入分析。7個(gè)變量在兩個(gè)主成分中的系數(shù)如圖3所示。Na+、K+、Mg2 +、Cl-、SO42–這5個(gè)離子組分在PC1中的系數(shù)均在0.2左右，顯著大于它們?cè)赑C2中的系數(shù)（-0.008～0.089）。如前所述，這5個(gè)離子均與含鹽量呈高度正相關(guān)，表明PC1可代表土壤的鹽漬化程度。CO32-+HCO3-在PC2中的系數(shù)高達(dá)0.95，表明PC2可代表土壤的堿化程度。Ca2+在PC1和PC2中系數(shù)分別為0.152和-0.209，數(shù)量級(jí)大致相當(dāng)，Ca2+含量與研究區(qū)土壤鹽漬化程度和堿化程度都相關(guān)?？梢?，主成分分析清楚的區(qū)分了土壤鹽漬化和土壤堿化這兩大特征。

圖3　各離子組分在第一主成分和第二主成分中的系數(shù)Fig. 3 The coefficients of different ions in the first and second principal components

圖4展示了主成分得分的空間分布。PC1得分的分布與土壤含鹽量的分布（圖1）十分相似。PC2得分的分布則與PC1呈明顯的反向關(guān)系，即鹽漬化程度高的地方堿度低。這在臨澤縣附近的灌區(qū)表現(xiàn)的最為突出。黑河中游地區(qū)每年的毛灌溉水量達(dá)到22.6億m3（2003─2012年平均），其中80%是地表水。相比地下水，黑河中游的地表水礦化度較低（溫小虎等，2004），pH較高（郜銀梁等，2011），具有高堿度、低礦化度的特點(diǎn)。而前人的研究已表明（孟昭甫等，1984），堿性低礦化水用于灌溉易造成土壤的次生堿化。據(jù)此推斷，PC2得分較高的地點(diǎn)存在地表水灌溉引起的土壤堿度增加。根據(jù)文獻(xiàn)中的堿化標(biāo)準(zhǔn)（張杰，2010），pH>8.5，堿化度>5%的土壤為堿化土，而采集土樣pH>8.5的樣點(diǎn)極少，并且所有土樣HCO3-/（Cl-+SO42-）均<1，故目前黑河中游地區(qū)尚未達(dá)到堿化的程度。

為了進(jìn)一步分析灌溉活動(dòng)是否導(dǎo)致了土壤次生鹽漬化，將57個(gè)土樣按是否為農(nóng)田樣品分為兩組，分別計(jì)算土壤含鹽量的幾何均值和標(biāo)準(zhǔn)差（見表3）。可見，灌區(qū)農(nóng)田樣品的含鹽量總體上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于非農(nóng)田樣品，表明灌溉對(duì)表層土壤的主要作用是淋洗脫鹽，而不是造成次生鹽漬化。非農(nóng)田地區(qū)土壤含鹽量相對(duì)較高，且標(biāo)準(zhǔn)差很大，主要是受到了地下水特征、氣候條件等自然因素的綜合影響。

表3　農(nóng)田和非農(nóng)田土樣的含鹽量對(duì)比Table 3 Total salt contents of soil samples from farmlands and non-farmlands

4　結(jié)論

圖4　主成分得分的空間分布圖Fig. 4 Maps of principal component scores

本研究對(duì)黑河中游地區(qū)表層土壤進(jìn)行大范圍采樣，分析了土壤的鹽分特征，并基于地表-地下水耦合模擬，探討了區(qū)域水循環(huán)過程對(duì)土壤鹽分特征的影響。研究所獲得的主要結(jié)論包括：（1）黑河中游表層土壤的鹽漬化程度較高，高臺(tái)-金塔一帶鹽漬化最嚴(yán)重，含鹽量最高可達(dá)31.4%，其次為酒泉北部和張掖南部地區(qū)，含鹽量在0.20%～0.37%之間；（2）黑河中游土壤的鹽漬化程度與地下水埋深密切相關(guān)，主要表現(xiàn)為原生鹽漬化，次生鹽漬化現(xiàn)象不顯著；（3）目前，黑河中游土壤的堿化程度較輕，堿化程度和鹽漬化程度的空間分布呈反向關(guān)系；（4）黑河中游的灌溉活動(dòng)未造成顯著的次生鹽漬化，但一定程度上提高了土壤的堿化程度。

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Impacts of Hydrological Processes on Soil Salinity in the Middle Heihe River Basin

MENG Xue, ZHANG Juan, ZHENG Yi*, TIAN Yong, WU Xin, WU Bin, LI Jinguo, WANG Sai, JOO Jaewon
Department of Energy and Resources Engineering, College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China

Abstract:Soil salinization is a typical ecological and environmental problem in arid and semi-arid areas. Heihe River Basin (HRB) is the second largest inland river basin in China. Investigation on the soil salinization issue in HRB can provide valuable information to the sustainable development of the western China. The population and economic development (mainly agriculture) in HRB are concentrated in its middle stream area. This study conducted a field campaign of soil sampling in the entire middle HRB. The total salt content and ion composition of top-soil samples were analyzed. Principal component (PC) analysis was performed on the data, which identified the first and second PCs as the indicators of soil salinization and soil alkalization, respectively. Results of integrated surface water-ground water modeling for the study area were also referred to, and the impacts of hydrological processes on the soil salinity were discussed. The major study results include the following. First of all, the top soil of the study area has a high salinity, and soil salinization is most severe along the main Heihe River from Gaotai to Jinta, where the highest total salt content reaches 31.4%. The northern part of Jiuquan and southern part of Zhangye also have significant soil salinization, but not as severe as Gaotai to Jinta, and the salt content ranges from 0.20% to 0.37%. The degree of soil salinization is closely related to the depth to water table, which implies primary salinization. In general, both mean and standard deviation of topsoil salinity increase with depth to water table. As present, soil alkalization is not a problem in the middle HRB, and the spatial distribution of soil alkalinity is negatively correlated with that of soil salinity. The intensive irrigation in the study area has not caused significant secondary salinization, but enhanced the soil alkalinity to a certain extent. Compared to previous studies, this study better covers the typical soils and land uses in the entire middle HRB, and quantitatively analyzed the connection between hydrologic processes and soil salinization in this area. The study results provide insights into the sustainable utilization of water and land resources in the western China.

Key words:Heihe River Basin; soil; salinization; groundwater; oasis agriculture; irrigation

收稿日期：2015-05-25

*通信作者。E-mail: yizheng@pku.edu.cn

作者簡(jiǎn)介：孟雪（1993年生），女，博士研究生，從事水文水資源研究。E-mail: mengxue@pku.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAC03B02）；國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目（91225301）

中圖分類號(hào)：S153；S151.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2015）07-1108-05

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.07.004