長江三角洲地區(qū)灘涂土壤鹽分空間分布特征研究

曹燕，白玉杰，李金文，陳小華，沈根祥

(上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233)

0 引 言

土壤鹽堿化是全球主要環(huán)境問題之一，可導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)或絕收，影響植被生長并間接造成生態(tài)環(huán)境惡化，嚴重制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。我國是受土壤鹽堿化危害最嚴重的國家之一，約有鹽堿地3 670萬hm2，主要分布在東北、華北、西北內(nèi)陸地區(qū)及長江以北沿海地帶，其中具有農(nóng)業(yè)利用前景的鹽堿地1 230萬hm2[1]。因地制宜地開發(fā)和利用大面積分布的鹽堿地對實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用具有重要意義，而對土壤鹽堿特征、剖面類型及其空間分布的定量研究是實現(xiàn)鹽堿地科學(xué)管理及合理利用的必要前提。因此，如何快速、準確及動態(tài)地獲取農(nóng)田土壤鹽分信息及大面積鹽堿化信息，是農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的新主題[2-5]。

鹽堿化發(fā)生受潮汐、降水、溫度和光照等條件影響，存在空間異質(zhì)性大、時空分布不均勻的特點[6]。傳統(tǒng)的土壤鹽堿化監(jiān)測采用野外定點調(diào)查方法，土壤樣品采集多以采挖、土鉆鉆孔侵入式等方式為主，該方法因準確性較高而被廣泛使用。但存在費時費力、破壞性強、監(jiān)測點少等問題，尤其是在測定大面積區(qū)域土壤鹽分時，無法采集到足夠的樣本量，難以全面反映鹽堿地全貌[7]。研究發(fā)現(xiàn)：土壤電導(dǎo)率隨著土壤中可溶性鹽含量的增加而增加，可用來表征土壤鹽分，進而評價土壤鹽堿化程度[8]。因此，近年來采用電磁感應(yīng)法測量土壤鹽分的空間變化規(guī)律成為研究熱點[9-12]。電磁感應(yīng)法通過非接觸直讀方式直接測量土壤表觀電導(dǎo)率，可高效、快速且實時地獲取土壤鹽堿化信息[13]，具有操作簡易、覆蓋性廣、獲取數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點。該方法同地統(tǒng)計學(xué)、GIS等手段相結(jié)合，可以很好地克服常規(guī)點狀化學(xué)監(jiān)測難以反映鹽分空間全貌的不足，適用于較大尺度土壤鹽堿化的調(diào)查、評估和監(jiān)測工作，可實現(xiàn)田間鹽分含量和空間分布的快速評估。

目前常用的電磁感應(yīng)儀包括加拿大Geonics公司的EM系列、美國Geophex公司的GEM系列和捷克GF Instruments公司的CMD系列等。其中，CMD-1電磁感應(yīng)儀能夠快速地以非接觸的方式測量地面標定深度的表觀電導(dǎo)率(量程為0～1 000 mS·m-1)和同相率(量程為-80 ppt～80 ppt)。該系列設(shè)備具有反應(yīng)迅速、不易受電磁噪音影響等優(yōu)點，每個點位的測量時間快，平均在0.1～3 s之間；探測有效深度(對應(yīng)75%的敏感度積累)為1.5 m(全深)/0.75 m(半深)。由于探頭有效深度接近地表，CMD-1適用于耕作層土壤的表觀電導(dǎo)率測量。

本研究采用CMD-1頻率域電磁感應(yīng)儀對上海崇明某灘涂農(nóng)場實施場地全覆蓋的土壤電導(dǎo)特性探測，獲取場地表觀電導(dǎo)率，評估土壤鹽分空間分布，初步確定全場鹽分潛勢分級和空間分布。在此基礎(chǔ)上，進行針對性布點、鉆孔取樣及測試分析，獲得土壤表觀電導(dǎo)率和土壤鹽分含量的相關(guān)關(guān)系，并通過主要離子分析，剖析出鹽堿化類型和形成機理。本研究可從源頭上掌握典型土壤鹽堿化時空發(fā)生規(guī)律，進而為科學(xué)精準改良及分區(qū)、分類和分級農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有力的技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于上海市崇明區(qū)東南部，毗鄰長江口咸淡水交匯區(qū)，地理位置介于121°54′～121°55′E、31°31′～31°32′N之間，屬典型長江下游三角洲地區(qū)。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，氣候溫和濕潤，年平均氣溫16.5 ℃，年平均降水量為1 113.6 mm，日照充足，雨水充沛，四季分明[14]。土壤質(zhì)地以粉(砂)壤土和粉(砂)質(zhì)粘壤土為主，因常年受風(fēng)暴潮、鹽霧及種植結(jié)構(gòu)與方式等影響，土壤鹽分含量普遍較高，且存在明顯時空分布差異[15-16]。

1.2 表觀電導(dǎo)率數(shù)據(jù)的采集與分析

綜合考慮研究區(qū)土壤質(zhì)地、鹽分分布狀況、作物類型以及土地利用方式等因素，選取了某典型地塊作為試驗區(qū)。2021年2月到3月期間，應(yīng)用捷克GF Instruments公司生產(chǎn)的CMD-1型電磁感應(yīng)儀進行土壤表觀電導(dǎo)率測定，儀器出廠標定探測深度0.75 m。該儀器基于電磁感應(yīng)原理，通過原生磁場產(chǎn)生的次生磁場與地下介質(zhì)電導(dǎo)率之間的關(guān)系進行表觀電導(dǎo)率測定，并直接采用表觀電導(dǎo)率測值來表征整個剖面土壤鹽分信息，從而反映出整個場地鹽分空間分布狀況[17-18]。以步行速度攜帶GPS和CMD-1型電磁感應(yīng)儀在試驗區(qū)沿田條方向進行全覆蓋掃描探測，對應(yīng)的平均探測間隔約為1 m，每1 s采集一個土壤電導(dǎo)率與GPS數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)采用Surfer軟件進行Kriging插值，繪制全場地表觀電導(dǎo)率分布圖，與衛(wèi)星遙感圖像進行疊加確定全場地鹽分空間分布。

1.3 樣品采集與數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019、IBM SPSS Statistics 26進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用Origin2018軟件作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤鹽分空間分布格局分析

電磁感應(yīng)法測定的土壤表觀電導(dǎo)率反映的是不同深度電導(dǎo)率與其對電磁感應(yīng)儀線圈敏感性乘積隨土壤深度變化的積分值，因此需確定其與土壤電導(dǎo)率或鹽分含量的定量關(guān)系，進而實現(xiàn)對土壤鹽分的評估?；貧w分析是研究土壤鹽分含量(或電導(dǎo)率)與電磁感應(yīng)法測定的表觀電導(dǎo)率關(guān)系的經(jīng)典方法[20]。

以電磁感應(yīng)儀定點測量得的58個取樣點表觀電導(dǎo)率為自變量，實驗室測得的每個取樣點三層不同深度土壤全鹽量、電導(dǎo)率平均值為因變量分別進行相關(guān)性分析和單因素方差分析(圖1和圖2)。由圖中可以看出，土壤電導(dǎo)率與電磁感應(yīng)法獲得的表觀電導(dǎo)率數(shù)據(jù)存在線性正相關(guān)關(guān)系，線性回歸模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.927 3，P<0.05。土壤全鹽量與電磁感應(yīng)法獲得的表觀電導(dǎo)率數(shù)據(jù)也存在線性正相關(guān)關(guān)系，回歸模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.940 9，P<0.05。這表明在該地區(qū)應(yīng)用電磁感應(yīng)儀測得的表觀電導(dǎo)率來估算土壤含鹽量是完全可行的，土壤表觀電導(dǎo)率可作為土壤鹽堿化的表征指標。

圖1 表觀電導(dǎo)率與土壤電導(dǎo)率回歸分析Fig.1 Regression analysis of apparent electrical conductivity and soil electrical conductivity

圖2 表觀電導(dǎo)率與土壤全鹽量回歸分析Fig.2 Regression analysis of apparent electrical conductivity and soil salt content

一般全鹽量≤1 g·kg-1的土壤為非鹽土，1～2 g·kg-1為輕鹽化土，2～4 g·kg-1為中鹽土，>4 g·kg-1屬于高鹽土[21]?；陔姶鸥袘?yīng)儀全覆蓋測量的地塊表觀電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，通過建立起的表觀電導(dǎo)率與土壤鹽分相關(guān)關(guān)系，我們獲得了場地土壤鹽分含量信息，采用Kriging插值方法評估研究區(qū)表觀電導(dǎo)率和土壤鹽分空間變異特征(圖3和圖4)。通過圖4中土壤鹽分空間分布可實現(xiàn)對區(qū)域土壤鹽堿化程度的科學(xué)快速評估，可以看出研究區(qū)有近80%區(qū)域存在不同程度的鹽堿化問題，且以輕中度鹽堿土為主。

圖3 表觀電導(dǎo)率空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of apparent electrical conductivity

圖4 土壤鹽分空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of soil salt content

2.2 不同深度土壤典型指標描述性統(tǒng)計分析

從表1可以看出，研究地塊的采樣點土壤不同土層pH值范圍是8.14～9.04，變異系數(shù)分別為2.73%、2.57%和2.63%，屬于弱變異，說明調(diào)查區(qū)域的pH值變化差異不大，土壤呈現(xiàn)穩(wěn)定的堿性特征。不同土層電導(dǎo)率和全鹽量的變異系數(shù)差別不大，但是變異系數(shù)均比較大，說明調(diào)查區(qū)域內(nèi)的鹽堿化程度分布不均勻。

表1 不同深度土壤典型指標描述性統(tǒng)計分析Table 1 Descriptive statistical analysis of soil indexes at different depths

由表1的偏度值可以看出，各深度土壤電導(dǎo)率空間分布具有一定的偏態(tài)性，即電導(dǎo)率在垂直方向上存在顯著的空間變異特征。其中60～100 cm深度層電導(dǎo)率水平空間分布變異程度最強，0～60 cm深度層相對較弱，這可能與地塊水文狀況、土壤質(zhì)地及地勢地貌等因素有關(guān)，且這些影響因素對土壤電導(dǎo)率的影響隨著土壤深度的增加而增大。

就土壤電導(dǎo)率來看，各層土壤電導(dǎo)率均值的變化范圍在39.5～91.3 mS·m-1之間，對應(yīng)土壤全鹽量變化范圍為0.93～2.13 g·kg-1。其中，0～30 cm土壤層電導(dǎo)率和全鹽量均值最大，明顯高于其他兩個深度層，表明研究區(qū)土壤鹽分分布具有較強的表聚性，且研究區(qū)土壤平均電導(dǎo)率在垂直方向上也具有較強的變異性。由變化幅度(最大值與最小值之差)來看，0～30 cm土壤表層電導(dǎo)率的變化幅度最大，為335 mS·m-1，其余兩個深度層均低于100 mS·m-1，表明表層土壤電導(dǎo)率分布具有較強的變異性。對不同點位進行剖面分析，可以判定該地塊鹽堿化類型以表聚型為主，土壤鹽分在水平及垂直方向上均具有較強的分異特征。表聚型的鹽堿化類型說明該鹽堿地土壤鹽分的運移處于上升狀態(tài)，而在平衡狀態(tài)下，若沒有人為因素的強烈干擾或適宜的氣候條件(如降雨)不會發(fā)生明顯的脫鹽過程。因此，就成因分析來看，一方面研究區(qū)瀕臨東海，受海水的浸漬側(cè)滲作用較強烈，地下水礦化度相對較高；另一方面研究區(qū)是淤漲成陸、灘涂圍墾形成的，地勢相對較低導(dǎo)致大量地下水入滲，在旱季強烈地表蒸發(fā)作用下受地下水返鹽影響更為強烈，導(dǎo)致表土層積鹽明顯高于其它深度層。

2.3 鹽堿化類型和成因分析

表2 不同鹽堿化區(qū)域主要指標含量分析Table 2 Analysis of main index in different saline-alkali regions

對所有采樣點土壤鹽堿化指標進行相關(guān)性分析(表3)，可以看出，電導(dǎo)率和全鹽量具有很好的相關(guān)性，再次證實了可通過測量表觀電導(dǎo)率來反映研究區(qū)域的鹽堿化程度；同時，電導(dǎo)率和全鹽量均與Cl-、Na+、K+和Mg2+含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，其中全鹽量與Cl-、Na+和Mg2+的相關(guān)系數(shù)均大于0.93。就離子來看，Cl-、Na+、K+和Mg2+相互之間也存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)均大于0.9。

表3 土壤鹽堿化指標相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of soil salinization indexes

通過對比中高鹽堿區(qū)域和輕度鹽堿區(qū)域采樣點土壤鹽堿化指標(表4和表5)可以看出，輕度鹽堿地和中高度鹽堿地土壤中主要離子的相關(guān)性相對一致。但不同的是，中高度鹽堿化區(qū)域土壤pH值與電導(dǎo)率存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與重碳酸根離子存在顯著的負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，且電導(dǎo)率和重碳酸根離子存在顯著的負相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；說明該地區(qū)鹽堿化土壤中起導(dǎo)電作用的主要是堿性離子，重碳酸根離子對鹽堿化土壤pH具有顯著影響，但其含量越高，土壤導(dǎo)電性越低。

表4 中重度鹽堿地土壤鹽堿化指標相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of soil salinization indexes in moderate to severe saline-alkali land

表5 輕度鹽堿土土壤鹽堿化指標相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of soil salinization indexes in slight saline-alkali land

3 結(jié)論

(1)研究區(qū)的電磁感應(yīng)表觀電導(dǎo)率和實測土壤電導(dǎo)率、實測土壤全鹽量之間均呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性(R2>0.9，P<0.05)，表明電磁感應(yīng)方法可以準確快速地獲得土壤電導(dǎo)率信息。對電磁感應(yīng)法探測結(jié)果進行解譯分析，可科學(xué)準確獲取區(qū)域內(nèi)土壤鹽分空間分布特征和鹽堿化風(fēng)險分級分區(qū)情況。

(2)研究區(qū)域不同土層電導(dǎo)率和全鹽量的變異系數(shù)均比較大，區(qū)域內(nèi)的鹽堿化程度分布不均勻。在研究區(qū)整個土壤剖面上，土壤鹽分含量表聚性趨勢明顯，且在空間分布上具有明顯的水平和垂直方向的變異特征。研究區(qū)有近80%區(qū)域存在不同程度的鹽堿化問題，其中輕中度鹽堿土較多，海水浸漬側(cè)滲和地下水返鹽影響是該區(qū)域鹽漬化形成的主要原因，需采取必要的治理措施對土壤鹽堿化進行有效改良。

(3)研究區(qū)鹽堿化類型主要是硫酸鹽型，土壤電導(dǎo)率和全鹽量與Cl-、Na+、K+和Mg2+四種離子及四種離子之間均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。對于鹽堿土區(qū)域，堿性離子對電導(dǎo)率影響較大，重碳酸根離子對pH具有顯著影響。本研究為該地區(qū)開展鹽堿化監(jiān)測和評估工作提供了參考，對該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及鹽堿土的科學(xué)改良和綜合利用具有指導(dǎo)意義。