濰北平原土壤鹽漬化特征及其影響因素

劉宏偉，許靜波，胡云壯，郭 旭，杜 東，馬 震，陳社明

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；2. 濰坊市國土資源局，山東 濰坊 261000)

0 引 言

氣候變化和人類活動(dòng)的強(qiáng)烈影響，使得土壤鹽漬化成為干旱、半干旱及沿海地區(qū)最主要的生態(tài)環(huán)境和土地退化問題之一。目前全球鹽堿土面積約為9.5×108hm2，其中我國鹽堿化土壤面積高達(dá)3.4×107hm2，約占耕地面積的1/3，鹽漬化災(zāi)害現(xiàn)狀非常嚴(yán)峻[1,2]。土壤鹽分積聚和淡水資源緊缺成為限制我國沿海地區(qū)開發(fā)的主要因素[3]，及時(shí)掌握土壤鹽分的分布特征及其影響因素是實(shí)現(xiàn)鹽漬化土地合理利用和科學(xué)開發(fā)的必要前提。

濰北平原年均降水較少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，加之不合理的地下水資源開發(fā)利用活動(dòng)，土壤鹽漬化問題日趨嚴(yán)重。目前，關(guān)于濰北平原土壤鹽漬化的研究已有大量成果，馬恭博等[4]指出該區(qū)土壤以輕度鹽漬化和中度鹽漬化為主，且不同深度土層鹽分呈現(xiàn)條帶狀和塊狀分布規(guī)律，自北向南土壤鹽分含量呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)；陳廣泉等[5]指出不同土層土壤鹽分含量具有明顯的空間變異性，其中60 ～ 100 cm等層段鹽分具有較強(qiáng)空間相關(guān)性；李晶瑩等[6]發(fā)現(xiàn)受海水入侵因素影響，該區(qū)鹽漬化范圍向內(nèi)陸最遠(yuǎn)可至20 km處；陳銘達(dá)等[7]發(fā)現(xiàn)土壤鹽分的組成受地下微咸水灌溉影響強(qiáng)烈；劉文全等[8]指出耕層(表層)土壤全鹽和有機(jī)質(zhì)含量的空間分布均呈現(xiàn)明顯的條帶狀格局，且離海岸線距離越遠(yuǎn)鹽分越低，認(rèn)為海水入侵、土地利用及人為的耕地措施是形成該格局的重要因素?？梢钥闯觯延醒芯繉?duì)土壤鹽漬化的分布特征進(jìn)行了充分梳理，但其評(píng)價(jià)方法和服務(wù)對(duì)象重點(diǎn)針對(duì)農(nóng)業(yè)種植和土壤改良，且未較全面分析土壤鹽漬化的影響因素。

本次通過野外采樣和室內(nèi)測(cè)試獲取土壤鹽分離子數(shù)據(jù)，分析不同鹽漬化指標(biāo)的分布特征和規(guī)律，應(yīng)用工程勘察規(guī)范和建筑規(guī)范評(píng)價(jià)土壤鹽漬化程度，并分析土壤鹽漬化與主要影響因素的相關(guān)關(guān)系，旨在有針對(duì)性的為沿海地區(qū)規(guī)劃、新城鎮(zhèn)建設(shè)和土壤環(huán)境改良提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于萊州灣南岸濰坊北部平原(圖1)，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)型氣候區(qū)，地形南高北低，平均坡降0.047%。多年平均降水量為610 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 020 mm。區(qū)內(nèi)地貌層次清晰，由南部山前洪積、沖積平原向北過渡為沖積、海積平原，發(fā)育彌河、虞河、白浪河、濰河等多條河流。該區(qū)屬于華北平原東緣，大地構(gòu)造上屬于膠萊地塹北段[9]，第四系沉積物由南向北增厚，巖性分布具有一定規(guī)律，由山前至沖洪積扇前緣依次為含礫砂、砂、砂質(zhì)黏土和黏土，北部濱海沉積物巖性主要為粉細(xì)砂、黏質(zhì)砂土、砂質(zhì)黏土和黏土。區(qū)內(nèi)地下水開采強(qiáng)度較大，形成了多個(gè)地下水降落漏斗，引發(fā)了北部咸-鹵水南侵南部淡水含水層[10]。淺層土壤類型主要以潮土與鹽化潮土為主，沉積相主要為沖洪積相、湖積淺平洼地相、三角洲平原相和潮間帶相等[11]。

圖1 研究區(qū)和取樣點(diǎn)位置圖Fig.1 Location of study area and sampling sites

2 材料和方法

2.1 樣品采集與測(cè)試

2015年10月于水鹽相對(duì)均衡期內(nèi)[12]，近似垂直于地下水流向布設(shè)6條剖面，對(duì)鹽分相對(duì)富集的50～60 cm土層進(jìn)行了52組土壤樣品的采集。采樣位置根據(jù)研究區(qū)土壤巖性、微地貌特征和土地利用類型等因素確定，定位坐標(biāo)采用差分GPS記錄(圖1)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

本次對(duì)樣品鹽分?jǐn)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析用SPSS軟件進(jìn)行，空間投影和克里格(Kriging)法插值分析用MAPGIS軟件進(jìn)行。

2.3 評(píng)價(jià)方法

(1)平均含鹽量。平均含鹽量是指示土壤鹽漬化程度的直接指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于鹽漬化評(píng)價(jià)工作中。本次以巖土工程勘察規(guī)范(GB 50021- 2001)[13]和鹽漬土地區(qū)建筑規(guī)范(SY/T 0317-2012)[14]為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)土壤含鹽量將鹽漬土分為弱鹽漬土、中鹽漬土、強(qiáng)鹽漬土和超強(qiáng)鹽漬土四類(表1)。同時(shí)，根據(jù)土壤化學(xué)成分含量將鹽漬土類型細(xì)分為氯鹽漬土、亞氯鹽漬土、亞硫酸鹽漬土、硫酸鹽漬土和堿性鹽漬土五種(表2)。

表1 按含鹽量鹽漬土分類表 %

表2 按含鹽化學(xué)成分鹽漬土分類表Tab.2 Classification of the soil salinization according to the chemical content

注：表中Cl-為氯離子在100 g土中所含毫摩數(shù)。

(2)鈉交換比(ESP)。鈉交換比，又稱堿化度，是通過計(jì)算土壤Na+交換Ca2+和Mg2+能力來指示土壤堿化程度的指標(biāo)。通常有兩種計(jì)算方法，一是常用的用交換性鈉離子占陽離子交換量的百分比法，其中交換性鈉需用乙酸銨-氫氧化銨-火焰光度法測(cè)得，陽離子交換量用氯化銨-乙酸銨交換法測(cè)得；另一種方法是用經(jīng)驗(yàn)公式法(Seilsepour, 2009)[15]：

式中：離子濃度單位均為mmol/L。

鑒于前述“平均含鹽量評(píng)價(jià)法”中設(shè)定了堿性鹽堿土這一分類，故本次工作沒有單獨(dú)測(cè)試交換性鈉和陽離子交換量，而采用經(jīng)驗(yàn)公式法來計(jì)算相對(duì)ESP(1∶5土、水重量比溶解)來計(jì)算土壤相對(duì)堿化程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤鹽分離子含量及相關(guān)性分析

表3 土壤鹽分離子含量統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of the salts parameters in the soils

全鹽量和ESP含量分布的強(qiáng)變異性以及Cl-、Na+含量分布的中強(qiáng)變異性，揭示這兩項(xiàng)指標(biāo)在區(qū)域分布上存在明顯的濃度梯度，且NaCl是土壤中鹽分存在的主要形態(tài)。

表4 土壤鹽分參數(shù)相關(guān)性矩陣Tab.4 Correlation matrix of the salt parameters in the soil (n=52)

3.2 鹽漬化指示指標(biāo)的分布特征

圖2 土壤全鹽量平面分布圖(單位：g/100 g)Fig. 2 Distributions of total salinity content in soils

圖3 土壤Cl-含量平面分布圖(單位：g/100 g)Fig.3 Distributions of Cl- content in soils

圖4 土壤含量平面分布圖(單位：g/100 g)Fig.4 Distributions of content in soils

圖5 土壤ESP含量平面分布圖(單位：g/100 g)Fig. 5 Distributions of ESP content in soils

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

從鹽漬化程度來看(圖6)，52組土壤樣品中有7組屬于中鹽漬土，4組屬于弱鹽漬土，樣品點(diǎn)鹽漬化比例為21.15%，區(qū)域上較大面積土壤處于未鹽漬化狀態(tài)。從鹽化類型來看，屬于氯鹽漬土的有5組，屬于亞氯鹽漬土的有5組，屬于亞硫酸鹽漬土的有1組，其中氯鹽和亞氯鹽類型占到鹽化類型的90.91%。

圖6 土壤鹽漬化類型和鹽漬化程度圖Fig.6 Soil classification and assessment results

從鹽漬化分布來看，研究區(qū)北部靠近海岸地段和侯鎮(zhèn)附近土壤鹽漬化處于弱鹽漬化至中鹽漬化等級(jí)，南部等大部分地段處于未鹽漬化狀態(tài)。

從土壤沉積相來看(圖6)，該區(qū)下三角洲平原沉積物為海相沉積，土壤固有的鹽分含量較高；上三角洲平原淺表分布有陸相沉積物造成土壤含鹽量相對(duì)偏低[11]。圖6顯示鹽漬土的分布與研究區(qū)土壤沉積相有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，7組中鹽漬化土樣中有5組分布在下三角洲平原地段，1組分布在上三角洲平原地段，1組分布在上三角洲平原與湖積淺平洼地交界地段；4組弱鹽漬化土樣均分布在上三角洲平原地段；沖洪積平原地段分布的土樣均未出現(xiàn)鹽漬化。這說明土壤鹽分的高低受沉積相控制，土壤成因決定了土壤鹽漬化(含鹽量)程度的背景值。

4 主要影響因素

除受土壤沉積相(土壤成因)背景影響外，土壤鹽分變化規(guī)律還受氣候(降水與蒸發(fā))、地形、土壤巖性、地下水埋深及地下水鹽度、灌溉條件等因素的影響和制約。根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，結(jié)合實(shí)際情況選擇地面高程、微地貌、潛水埋深、地下水鹽度、土壤全鹽量、灌溉情況、與排水情況、土壤巖性8個(gè)因子進(jìn)行相關(guān)性分析。其中，全鹽量、地面高程、潛水埋深、地下水鹽度為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，灌溉情況、排水情況、微地貌根據(jù)地面調(diào)查結(jié)果進(jìn)行定量數(shù)值化[11](表5)。

表5 土壤鹽漬化影響因素相關(guān)性Tab.5 Correlation matrix of the affecting factors for soil salinization (n=52)

可以看出，土壤全鹽量與地面高程、微地貌、灌溉情況、巖性、潛水埋深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與排水情況、地下水鹽度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。土壤全鹽量與地下水鹽度極強(qiáng)正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.92)，反映了土壤鹽分的累積和地下水含鹽量關(guān)系密切。地面高程分別與潛水埋深和微地貌具有較大的正相關(guān)關(guān)系，反映了土壤環(huán)境因素之間的相關(guān)性。排水情況與微地貌、地面高程呈顯著正相關(guān)，說明淋濾作用對(duì)鹽分淡化具有重要意義。

從相關(guān)系數(shù)來看，地面高程、微地貌、灌溉情況、潛水埋深和地下水鹽度5個(gè)主要因子影響著鹽分的分布和遷移轉(zhuǎn)化關(guān)系。從單因素影響來看，地面高程越高、微地貌屬高地的地段，受雨水淋濾等作用影響土壤鹽分含量相對(duì)越低；用微咸水灌溉頻率越低、土壤排水情況越好的地段，受水體鹽分快速排泄的影響土壤鹽分含量相對(duì)較低；土壤顆粒越粗、水位埋深較深的地段，土壤鹽分積累得越慢；土壤全鹽量與地下水鹽度顯著正相關(guān)，表明地下水咸化對(duì)土壤鹽分含量有直接而明顯的影響，是土壤鹽分積聚的最主要影響因素。

5 結(jié) 論

研究區(qū)土壤鹽漬化程度總體處于低-中等水平，僅21.15%的樣品點(diǎn)出現(xiàn)鹽漬化現(xiàn)象，鹽漬化等級(jí)為弱至中等。中等鹽漬化土壤主要分布在研究區(qū)北部的下三角洲平原地段，弱鹽漬化土壤主要分布在上三角洲平原。土壤鹽分含量存在明顯的分布規(guī)律，整體呈現(xiàn)出由東北向西南含量逐漸降低的近條帶狀分布特征；其中在地下水漏斗區(qū)和河流兩側(cè)分別呈現(xiàn)出鹽分含量偏高和偏低的特點(diǎn)；這與前人研究成果[5]較為一致。

NaCl是土壤中鹽分存在的主要形態(tài)，Cl-、Na+含量具有中強(qiáng)變異性的分布特征。土壤鹽化類型為氯鹽漬化、亞氯鹽漬化和亞硫酸鹽漬化，其中氯鹽漬化和亞氯鹽漬化類型占比達(dá)到90.91%。不同類型鹽漬化土的分布可以指導(dǎo)研究區(qū)工程樁基防腐措施的制定。

土壤鹽分含量受土壤成因(沉積相)、地面高程、微地貌、水位埋深、地下水鹽度、灌溉情況、排水情況和巖性等多種因素的影響。其中，土壤固有鹽分的高低受沉積相控制，土壤成因決定了土壤鹽漬化(含鹽量)程度的背景值；地下水咸化(地下水鹽度)是土壤鹽分積聚的最主要影響因素。

6 防治鹽漬化建議

6.1 建設(shè)生態(tài)防護(hù)林

在靠近海岸線的大家洼鎮(zhèn)、央子鎮(zhèn)、下營鎮(zhèn)等下三角洲沉積地段，土壤顆粒相對(duì)較細(xì)，地下水位相對(duì)較淺，土壤含鹽量較高。建議種植耐鹽性速生喬木和灌木，組成喬、灌、草相結(jié)合的生態(tài)防護(hù)林帶，針對(duì)地下水咸化是土壤鹽分積聚的最重要影響因素，可利用防護(hù)林增加蒸騰減少地面蒸發(fā)，降低地下水位，減緩?fù)寥利}漬化程度。同時(shí)，防護(hù)林根系可疏松土壤提高通透性，增強(qiáng)雨水的垂向?yàn)V鹽作用。

此外，應(yīng)考慮和濰坊市第二平原水庫、引黃濟(jì)青渠等水利工程相配套，從而達(dá)到排、灌結(jié)合的合理布局。

6.2 實(shí)施農(nóng)業(yè)生態(tài)工程

在河流入海區(qū)域?qū)嵤┺r(nóng)業(yè)生態(tài)工程，選育耐鹽小麥和棉花品種，作物的枯枝落葉和根系的生理活動(dòng)可改善土壤的理化性質(zhì)，提升土壤肥力，減輕土壤鹽漬化。同時(shí)，作物生長過程可吸收土壤中的鹽分，經(jīng)由人工收割和換季種植可大量減少土壤鹽分。

在研究區(qū)南部靠近壽光、寒亭、昌邑城區(qū)的地段，實(shí)施蔬菜和水果種植覆膜和滴水灌溉，做到高效節(jié)水，盡量減少地下淡水資源的開采，遏制地下水降落漏斗的擴(kuò)大，同時(shí)防止土壤次生鹽漬化。

6.3 濕地修復(fù)

按鹽漬化程度的不同，在該區(qū)配置合理的物種組成，構(gòu)建檉柳、堿蓬群叢、羊角菜群叢等景觀結(jié)構(gòu)單元，形成和不同鹽漬化程度相適宜的濕地景觀恢復(fù)區(qū)。

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