潮上帶鹽沼地層鹽分分布及形成機(jī)制

詹瀘成　梁嘉穎　何曉冬

摘要：為了探究潮上帶鹽沼系統(tǒng)地層鹽分分布規(guī)律及其形成機(jī)制，本研究以江蘇鹽城近岸鹽沼濕地為例，采用電阻率測(cè)量和土壤樣品分析的方法，得出土壤孔隙水鹽度空間分布，并分析其與生態(tài)地貌類(lèi)型的關(guān)系。結(jié)果表明，鹽沼平臺(tái)10 m深度以下地下水鹽分較高且空間分布均勻，5 m深度以上淺層孔隙水存在顯著淡化，其程度與條帶狀生態(tài)地貌特征相關(guān);近潮溝區(qū)域淺層土壤孔隙水鹽度接近海水，而螃蟹孔洞和互花米草區(qū)域下方地層均存在低鹽區(qū)，且前者規(guī)模更大;短期潮汐過(guò)程僅影響近潮溝區(qū)域的局部地層鹽分，螃蟹孔洞明顯促進(jìn)了降水的下滲和脫鹽作用，并有助于地表蒸發(fā)和鹽分集結(jié)，增大了淺層土壤水鹽度的垂向差異，而植被生長(zhǎng)引起的根系優(yōu)勢(shì)流和蒸發(fā)抑制作用，有效降低了表層土壤的鹽度水平。

關(guān)鍵詞：鹽沼;電阻率;鹽度;潮汐;螃蟹孔洞;互花米草

中圖分類(lèi)號(hào)：P344

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-6791（2023）05-0788-10

濱海鹽沼是位于陸地-海洋過(guò)渡區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)，是濱海濕地系統(tǒng)的重要組成部分，廣泛分布在世界沿海地區(qū)［1］。鹽沼系統(tǒng)在維持生物多樣性、抵御風(fēng)暴潮、固碳等方面發(fā)揮著顯著的作用［1-2］。然而，自20世紀(jì)以來(lái)，世界上超過(guò)50%的原始鹽沼已經(jīng)消失，生態(tài)功能也存在明顯退化，鹽沼的保護(hù)與修復(fù)正受到國(guó)際學(xué)者的廣泛關(guān)注［1，3］。受灘涂圍墾、海平面上升、河口懸沙濃度變化、生物入侵等因素的影響，中國(guó)濱海鹽沼正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［4-5］。土壤水鹽度控制著鹽沼生態(tài)系統(tǒng)的分布格局，是影響鹽沼穩(wěn)定性和功能性的關(guān)鍵因素［2，6］。進(jìn)一步理解濱海鹽沼系統(tǒng)的土壤鹽度分布和變化機(jī)制，對(duì)于濱海濕地保護(hù)和修復(fù)有重要意義，符合現(xiàn)階段中國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的戰(zhàn)略需求。

在水文、水動(dòng)力過(guò)程的綜合作用下，濱海鹽沼土壤含水率、孔隙水鹽度等生境因子在不同高程呈現(xiàn)梯度分布，從而引起生態(tài)系統(tǒng)的帶狀分布［7-8］。目前，國(guó)內(nèi)外的研究主要關(guān)注鹽沼植被群落分布、演替及其影響因素，在地表高程、土壤鹽度和地下水等對(duì)植被群落演替分布的影響方面已有較好的認(rèn)識(shí)［9-10］。近年來(lái)，人們開(kāi)始關(guān)注鹽沼生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水文、水動(dòng)力過(guò)程的反饋?zhàn)饔?，通過(guò)野外采樣分析、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法探究植被對(duì)地表水動(dòng)力過(guò)程和土壤生物地球化學(xué)過(guò)程的影響［11-12］，生物孔隙對(duì)地表水-地下水交換和土壤蒸發(fā)過(guò)程的影響［13-15］等。江蘇沿海擁有中國(guó)重要的濱海鹽沼生態(tài)系統(tǒng)，前人在該地區(qū)地層鹽分分布和鹽沼水鹽運(yùn)移規(guī)律方面開(kāi)展了初步研究工作。例如，Zhan等［16］結(jié)合高密度電法和環(huán)境同位素方法，揭示了鹽城條子泥地區(qū)的地下水鹽度分布和演化規(guī)律;Xu等［17］利用該地區(qū)土壤開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)生物孔隙能夠顯著促進(jìn)鹽沼土壤蒸發(fā)過(guò)程，并改變土壤鹽度分布;Zhou等［18］在江蘇如東鹽沼系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，植被種群演替影響著土壤鹽分含量，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)著土壤微生物分布。最近的研究表明，在受潮汐淹沒(méi)影響小的區(qū)域，濱海濕地植被對(duì)土壤鹽度分布的反作用可能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)格局的演變起著關(guān)鍵作用［19］。潮上帶鹽沼地處潮間帶向陸地系統(tǒng)過(guò)渡帶，地層鹽分受潮汐、降雨、蒸發(fā)等過(guò)程的綜合影響，目前對(duì)于潮上帶鹽沼地層的鹽分分布規(guī)律及其形成機(jī)制，特別是在生態(tài)系統(tǒng)對(duì)地層鹽分的反饋?zhàn)饔梅矫嫒匀蝗狈φJ(rèn)識(shí)。潮上帶鹽沼系統(tǒng)鹽分如何分布，生態(tài)系統(tǒng)反饋?zhàn)饔萌绾斡绊懗鄙蠋}沼的鹽分遷移過(guò)程等問(wèn)題亟需開(kāi)展進(jìn)一步研究。

本文以江蘇鹽城大豐區(qū)的川東港自然鹽沼為例，通過(guò)電阻率層析成像技術(shù)，獲取潮上帶鹽沼系統(tǒng)近潮溝區(qū)、螃蟹孔洞區(qū)、互花米草植被區(qū)地貌單元內(nèi)的地層孔隙水鹽度高分辨率數(shù)據(jù)；同時(shí)結(jié)合土壤剖面水鹽參數(shù)分析，揭示真實(shí)復(fù)雜條件下的地層鹽分空間分布規(guī)律，探究潮上帶鹽沼系統(tǒng)潮汐、大孔隙和植被等因素對(duì)地層鹽分遷移的影響機(jī)制。研究結(jié)果將有助于進(jìn)一步揭示條帶狀鹽沼生態(tài)地貌系統(tǒng)對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的反饋?zhàn)饔?，為鹽沼生態(tài)保護(hù)和修復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于中國(guó)江蘇省鹽城市大豐區(qū)川東港附近的自然鹽沼濕地系統(tǒng)（33°03′N(xiāo)，120°51′E），屬于大豐麋鹿國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，已列入世界自然遺產(chǎn)。本研究關(guān)注的鹽沼-潮溝系統(tǒng)位于潮間帶—潮上帶的過(guò)渡區(qū)域，鹽沼平臺(tái)主要位于潮上帶區(qū)域，幾乎不受潮汐直接淹沒(méi)的影響，但潮汐可通過(guò)地表分布的大量潮溝深入鹽沼平臺(tái)。潮汐為不規(guī)則半日潮，平均潮差為3.6 m，本研究區(qū)退潮后潮溝底部幾乎全部出露。鹽沼平臺(tái)植被以互花米草為主，局部存在堿蓬等高耐鹽植物零星分布，底棲生物豐富，受螃蟹活動(dòng)影響顯著［20］，地表存在大量螃蟹孔洞（圖1）。在垂直于潮溝方向上，地貌呈現(xiàn)明顯分帶現(xiàn)象，主要包括潮溝區(qū)、近潮溝零星植被區(qū)、螃蟹孔洞區(qū)、大范圍互花米草植被區(qū)。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)海洋性氣候，年平均溫度為14.4 ℃，7、8月溫度最高，最低氣溫一般發(fā)生在1月。年平均降水量為1 067 mm，夏季（5—9月）降水量約占全年69%，冬季（12—2月）單月降水量一般小于50 mm［21］。

研究區(qū)域?qū)儆谀宵S海近海海域，海側(cè)動(dòng)力條件復(fù)雜，黃河與長(zhǎng)江攜帶大量泥沙在此沉積，形成了廣袤的淤泥質(zhì)灘岸。地層存在巨厚的松散沉積物，潛水含水層厚度約25 m，以粉砂為主，滲透系數(shù)約6×10-6 m/s，地下水埋深約1 m，潛水含水層下部被黏土層劃分為多個(gè)承壓含水層。潛水含水層鹽度水平與海水相似，而深層承壓含水層鹽度隨深度增加而降低，深部存在淡水含水層［16］。

2 研究方法

2.1 電阻率層析成像及土壤采樣分析

電阻率層析成像（ERT）能夠獲取地下電阻率分布特征，被廣泛用于石油勘探、地層結(jié)構(gòu)檢查、考古等領(lǐng)域［22］。對(duì)于海岸帶系統(tǒng)，電阻率分布能較好地反映地下鹽分水平，目前ERT已被成功應(yīng)用于海水入侵、土地鹽堿化和地層水鹽分布等方面的研究［23］，但在鹽沼系統(tǒng)的研究中鮮有涉及。本研究嘗試通過(guò)ERT方法刻畫(huà)不同空間尺度下潮上帶鹽沼系統(tǒng)地層的鹽分分布規(guī)律，斷面布置位置如圖1所示，測(cè)量時(shí)間為2020年12月。A-A′斷面平行于潮溝、沿螃蟹孔洞區(qū)域布設(shè)，電極間距為5 m，測(cè)線總長(zhǎng)為315 m，測(cè)深約54 m，用于獲取大尺度范圍內(nèi)的地層鹽分空間分布;B-B′是平行于潮溝的小尺度測(cè)量斷面，電極間距為1 m，總長(zhǎng)為63 m，測(cè)深約12 m，在A-A′斷面基礎(chǔ)上進(jìn)一步揭示淺部地層的鹽分情況;C-C′斷面垂直于潮溝方向，電極間距為1 m，總長(zhǎng)63 m，測(cè)深約12 m，覆蓋近潮溝區(qū)、螃蟹孔洞區(qū)和互花米草區(qū)，用于揭示不同地貌單元淺部地層鹽分分布。此外，對(duì)于C-C′斷面，分別在高潮位和低潮位開(kāi)展測(cè)量，以探究漲落潮對(duì)地下鹽分分布的影響。ERT測(cè)量?jī)x器為AGI公司生產(chǎn)的SuperSting R8/IP多通道高密度電法儀，電極排列方式采用Wenner排列，以獲得更高的垂向分辨率，并利用EarthImager 2D軟件進(jìn)行電阻率反演，反演方法為圓滑模型法［19］。

為了進(jìn)一步探究潮汐、螃蟹孔洞和植被覆蓋對(duì)淺層土壤鹽分分布的影響，同時(shí)驗(yàn)證ERT反演結(jié)果的準(zhǔn)確性，同期在各地貌類(lèi)型區(qū)域進(jìn)行土壤剖面采集和分析，采樣位置如圖1所示。利用剖面開(kāi)挖的方法，對(duì)1 m深度以?xún)?nèi)的土壤進(jìn)行分層采樣：在0～20 cm深度內(nèi)采樣深度間隔為5 cm，20～60 cm深度內(nèi)間隔10 cm，60～100 cm深度內(nèi)間隔20 cm，每個(gè)深度均采集2份平行樣品，共獲得100個(gè)土壤樣品。用烘干法測(cè)量土樣的質(zhì)量含水率，將干土樣與去離子水根據(jù)1∶5的比例混合，振蕩混合3 min后靜置，待清濁分層后測(cè)定上層清液鹽度，并結(jié)合質(zhì)量含水率換算為土壤孔隙水鹽度值［19］。

2.2 基于電阻率的土壤孔隙水鹽度估算模型

Archie［24］在1942年建立了巖石中孔隙水電阻率與體電阻率之間的關(guān)系，隨后Winsauer等［25］和Waxman等［26］將這一關(guān)系拓展應(yīng)用至松散介質(zhì)中，得到了優(yōu)化后的Archie公式，具體表示為

ρ_b=a／Φ^mSⁿ_r^ρ_w（1）

式中：ρ_b為體電阻率，Ω·m;ρw為孔隙水電阻率，Ω·m;a為迂曲度;為孔隙度，%;Sr為飽和度，%;m為膠結(jié)系數(shù);n為飽和指數(shù)。

在海岸帶系統(tǒng)中，由于土壤孔隙水鹽度較高（低ρw值），體電阻率主要受孔隙水電阻率（鹽度）控制，飽和度的影響可以忽略，同時(shí)考慮到本研究區(qū)地下水位埋深較淺（約1 m），土體飽和度較高［27］，故本研究中Sr近似取為1。根據(jù)前人在研究區(qū)附近的采樣測(cè)試結(jié)果，土壤孔隙度取40%［15］。研究區(qū)鹽沼系統(tǒng)表層土壤以淤泥質(zhì)砂黏土為主，潛水層主要以粉砂、粉細(xì)砂為主。Oh等［28］和Salem等［29］給出了不同土質(zhì)的迂曲度、膠結(jié)系數(shù)的參考值，結(jié)合研究區(qū)域的土質(zhì)情況，本研究中a取0.88，m取1.6。將上述參數(shù)取值代入式（1）后，本文中孔隙水電阻率與體電阻率之間的關(guān)系即簡(jiǎn)化為

ρ_w=0.262 3ρ_b（2）

Fofonoff等［30］以及Poisson等［31］建立了利用電導(dǎo)率推算鹽度的方法，該方法適用于鹽度范圍為2‰～42‰、溫度范圍為0～30 ℃的溶液，主要包括以下公式：

E_C=1/ρ_w（3）

R=E_C/E_C0（4）

S=27.01^R+22.14R²-39.56R³+49.39R⁴-32.86R⁵+8.88R⁶（5）

式中：E_C為實(shí)際孔隙水電導(dǎo)率，S/m;E_C0為鹽度35‰的標(biāo)準(zhǔn)海水在15 ℃和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的電導(dǎo)率，其數(shù)值約等于4.291 4 S/m；R為孔隙水電導(dǎo)率和E_C0的比值；S為孔隙水鹽度，‰。在本文中忽略了溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響。

本文首先根據(jù)實(shí)測(cè)體電阻率數(shù)據(jù)，利用式（2）計(jì)算孔隙水電阻率，然后利用式（3）—式（5）估算實(shí)際孔隙水鹽度值。為了驗(yàn)證該估算模型的可信度，將實(shí)測(cè)土壤樣品的鹽度數(shù)據(jù)與模型估算結(jié)果（相應(yīng)采樣點(diǎn)附近數(shù)值）進(jìn)行對(duì)比（圖2），結(jié)果顯示該模型的均方誤差（E_RMS）僅為0.933，表明該模型能夠較好地估算實(shí)際孔隙水鹽度。

3 結(jié)果及討論

3.1 鹽沼地層孔隙水鹽度整體分布規(guī)律

根據(jù)A-A′剖面電阻率測(cè)試結(jié)果推算孔隙水鹽度，得出了鹽沼系統(tǒng)較大尺度范圍內(nèi)的地層孔隙水鹽度分布情況，如圖3所示，剖面電阻率反演迭代次數(shù)為3，均方誤差為0.94%。地層孔隙水鹽度空間變化范圍大，為8‰～51‰，整體鹽度水平較高，平均值為27‰，并呈現(xiàn)出明顯的垂向變化。研究區(qū)位于南黃海區(qū)域，近岸海水鹽度在30‰左右［27］，以此為參考值可以將測(cè)量范圍內(nèi)的地層孔隙水鹽度分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3個(gè)區(qū)域（圖3）。

地層孔隙水鹽度在垂向上總體呈先升高后降低的趨勢(shì)。Ⅰ區(qū)深度主要為0～10 m，孔隙水鹽度水平低于海水，主要在15‰～26‰范圍波動(dòng)，這可能與地表淡水下滲有關(guān)。研究區(qū)屬于潮上帶，只有特大潮或風(fēng)暴潮時(shí)才會(huì)被短暫淹沒(méi)，其淺層土壤鹽度在降雨脫鹽作用影響下會(huì)明顯降低［32］。Ⅱ區(qū)深度主要為10～30 m，孔隙水鹽度較高，局部可超過(guò)35‰。這一高鹽度含水層與前人在附近區(qū)域的研究結(jié)果相吻合［19］。研究區(qū)潛水層系統(tǒng)主要由粉砂土組成，滲透性差，加上地勢(shì)平坦，水力梯度較小，水動(dòng)力條件不足，地下水更新流動(dòng)緩慢［33］。相關(guān)研究表明，全新世海侵以來(lái)的古海水仍然大量保留于潛水含水層的中下部區(qū)域［27］，這與此處的高鹽度層相對(duì)應(yīng)。Ⅲ區(qū)的孔隙水鹽度水平較Ⅱ區(qū)明顯降低，鹽度呈現(xiàn)出隨深度增加而降低的趨勢(shì)。結(jié)合水文地質(zhì)資料，這一深度范圍對(duì)應(yīng)于潛水層和第一承壓層之間的弱透水層過(guò)渡區(qū)域，與潛水層相比，研究區(qū)承壓層地下水鹽度明顯降低［27］。

在水平向上，Ⅰ區(qū)與Ⅱ、Ⅲ區(qū)的孔隙水鹽度分布特征有所差異。Ⅰ區(qū)孔隙水鹽度在水平方向上分布不均勻，特別是在5 m深度以上存在大量鹽度低于18‰的不規(guī)則斑塊，這與Zhan等［16］在研究區(qū)南部圍墾區(qū)的結(jié)果相似。這一特征與地表的生態(tài)地貌類(lèi)型有關(guān)，該測(cè)線地表以螃蟹孔洞地貌類(lèi)型為主，存在少量互花米草區(qū)域，螃蟹孔洞區(qū)域下方的淺層孔隙水鹽度明顯更低，下節(jié)將對(duì)此進(jìn)一步分析。Ⅱ、Ⅲ區(qū)的孔隙水鹽度水平分布相對(duì)均勻，表明該深度范圍內(nèi)孔隙水鹽度受外界因素影響較小。研究區(qū)潛水層和弱透水層滲透性較差，地下水流動(dòng)較緩慢［33］，地表過(guò)程對(duì)深處的孔隙水鹽度無(wú)明顯影響。

3.2 不同生態(tài)地貌區(qū)淺層孔隙水鹽度特征

B-B′和C-C′ 2個(gè)ERT測(cè)量剖面從較小空間尺度上進(jìn)一步顯示了潛水層頂部約12 m深度范圍內(nèi)的孔隙水鹽分分布情況。平行于潮溝方向、地表以螃蟹孔洞為主的B-B′剖面電阻率反演迭代次數(shù)為2，均方誤差為1.35%。從剖面上看（圖4（a）），孔隙水鹽度在垂向上隨深度增加呈上升趨勢(shì)。0～2 m深度范圍內(nèi)廣泛分布低鹽層，模型估算的孔隙水鹽度范圍為6‰～26‰，平均值僅為15‰，2～5 m深度范圍孔隙水鹽度梯度變化明顯，而5～12 m深度內(nèi)整體上鹽度較高，接近海水水平。圖4（b）、圖4（c）分別顯示了高、低潮時(shí)期垂直于潮溝方向的12 m深度范圍內(nèi)（C-C′剖面）的鹽度分布情況，2個(gè)時(shí)期剖面的電阻率反演迭代次數(shù)均為1，均方誤差分別為2.70%和2.57%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，地層中孔隙水鹽度在不同潮位條件下未發(fā)生明顯變化，表明短周期的潮汐過(guò)程沒(méi)有對(duì)鹽沼地層鹽分產(chǎn)生顯著影響，地層孔隙水鹽度變化的時(shí)間尺度較大，水鹽輸運(yùn)過(guò)程緩慢。與B-B′剖面相類(lèi)似，孔隙水的淡化現(xiàn)象同樣發(fā)生在5 m以上的深度，因此下文將對(duì)該深度范圍內(nèi)的鹽度特征進(jìn)行重點(diǎn)分析和討論。

以C-C′剖面為例，根據(jù)地貌情況將剖面分為近潮溝區(qū)、螃蟹孔洞區(qū)和互花米草區(qū)3個(gè)區(qū)域，圖5顯示了不同地貌單元區(qū)域5 m深度范圍內(nèi)的淺層孔隙水鹽度平均值及其垂向變化情況。近潮溝區(qū)（測(cè)線水平距離0～5 m）淺層孔隙水鹽度整體上處于較高水平，平均值為26‰，最高鹽度達(dá)30‰。這一單元距離潮溝較近，受潮汐驅(qū)動(dòng)的地表水-地下水交換影響，淺層孔隙水體現(xiàn)出較高比例的海水成分，且整體上垂直方向變化趨勢(shì)不明顯［15］。螃蟹孔洞區(qū)（測(cè)線水平距離10～20 m）淺層孔隙水呈現(xiàn)出明顯的低鹽度特征，平均值為20‰，1.5 m深度內(nèi)鹽度僅為16‰左右，這一結(jié)果與B-B′剖面一致。與其他地貌單元區(qū)域?qū)Ρ?，螃蟹孔洞區(qū)淺層孔隙水鹽度最低，并且呈現(xiàn)出明顯的隨深度增加而增大的趨勢(shì)，具有較大的垂向差異?；セ撞輩^(qū)（測(cè)線水平距離20～64 m）淺層孔隙水平均鹽度為24‰，與其他地貌單元相比處于中間水平，孔隙水鹽度也呈現(xiàn)出隨深度增加而增大的趨勢(shì)。

對(duì)比3個(gè)地貌單元的結(jié)果可以看出，在5 m深度范圍內(nèi)，隨著深度增加，不同地貌單元區(qū)域的孔隙水鹽度從表層的不同低鹽度水平逐漸增大至接近海水水平。這一現(xiàn)象表明，潮上帶鹽沼平臺(tái)地層孔隙水鹽分主要來(lái)自海水，但淺層孔隙水受到了不同程度的淡化作用，其淡化程度和范圍與地表的條帶狀生態(tài)地貌類(lèi)型高度關(guān)聯(lián)。在靠近潮溝岸坡的區(qū)域，淺層孔隙水鹽度接近海水，無(wú)明顯淡化現(xiàn)象;在植被稀少的螃蟹孔洞區(qū)域下方，低鹽度分布范圍較大，且存在向兩側(cè)和深處擴(kuò)展的趨勢(shì)（圖4（b））;在鹽沼平臺(tái)內(nèi)的互花米草生長(zhǎng)區(qū)域，淺層孔隙水也有明顯淡化趨勢(shì)，但其程度和范圍相對(duì)較小。

3.3 潮上帶鹽沼系統(tǒng)淺層土壤鹽分分布的形成機(jī)制

結(jié)合表層1 m深度以?xún)?nèi)的分層土壤含水率、孔隙水鹽度結(jié)果（圖6），可以進(jìn)一步揭示淺層土壤鹽分分布的影響因素和形成機(jī)制。近潮溝區(qū)域表層1 m深度內(nèi)的土壤含水率平均值為37%，處于較高水平;孔隙水鹽度平均值為19‰，含水率、鹽度在垂直方向上無(wú)明顯變化趨勢(shì)。該區(qū)域接近高潮位，在大潮期間可受潮汐淹沒(méi)影響，咸淡水在此混合交互。潮汐驅(qū)動(dòng)的地表水-地下水交換和土壤溶質(zhì)運(yùn)移主要發(fā)生在這一近潮溝區(qū)域［1］，因此維持了該區(qū)域較高的含水率水平和垂向較為均勻的鹽度。由于濱海鹽沼系統(tǒng)往往具有較低的滲透性［1］，在沒(méi)有螃蟹孔洞、植物根系存在的區(qū)域，地表水-孔隙水交換作用極其緩慢，土壤水鹽含量整體上處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。在高潮、低潮期間的ERT測(cè)量結(jié)果無(wú)明顯差異（圖4），同樣表明潮上帶鹽沼系統(tǒng)地層的整體水鹽特征不會(huì)對(duì)潮汐過(guò)程作出迅速響應(yīng)，土壤水鹽狀態(tài)是長(zhǎng)期演化的結(jié)果。

螃蟹孔洞區(qū)表層1 m深度內(nèi)的土壤含水率隨深度增加而增大，但處于相對(duì)較低水平，平均值僅為27%;土壤孔隙水鹽度在12‰～45‰之間，平均值為19‰。表層20 cm深度內(nèi)鹽度呈現(xiàn)出隨深度增加而快速降低的趨勢(shì)，垂向差異接近30‰。深度20 cm以?xún)?nèi)土壤的低含水率、高鹽度特征與前人在濱海鹽堿地的研究結(jié)果吻合［2，14］，這與表層的強(qiáng)烈蒸發(fā)和鹽分集結(jié)作用有關(guān)。該區(qū)域螃蟹孔洞長(zhǎng)度約1～1.5 m［20］，作為連通地下水的優(yōu)先流通道，有利于地下水向上遷移，不斷為地表蒸發(fā)提供水源，導(dǎo)致鹽分在土壤表層積累，形成高于海水的鹽分特征［17］。從本研究結(jié)果上看，蒸發(fā)和鹽分集結(jié)主要發(fā)生在表層20 cm深度范圍內(nèi)。20 cm深度以下土壤鹽度、含水率均明顯低于其他地貌單元。結(jié)合ERT觀測(cè)結(jié)果，這一低鹽度范圍可以延伸到1.5 m深度附近，與該區(qū)域螃蟹孔洞的長(zhǎng)度相當(dāng)［20］。在低滲透性地層條件下，連通地下水的螃蟹孔洞作為優(yōu)先流通道，不僅可促進(jìn)土壤蒸發(fā)，降低土壤含水率，也可顯著促進(jìn)降雨入滲和地下水運(yùn)動(dòng)［15］。在螃蟹孔洞密集分布區(qū)域，大氣降水可通過(guò)這些大孔隙快速進(jìn)入土壤深處并補(bǔ)給地下水系統(tǒng)，進(jìn)而促進(jìn)地層鹽分排泄，長(zhǎng)期作用下逐漸降低地層鹽分含量。從不同尺度的ERT結(jié)果上看，該低鹽度區(qū)域存在較大的空間規(guī)模，在水平和垂直方向上存在擴(kuò)張趨勢(shì)，表明螃蟹孔洞對(duì)鹽沼地層鹽分特征的影響在潮上帶區(qū)域極為顯著。由此可見(jiàn)，螃蟹孔洞在較大程度上改變了潮上帶鹽沼的地表蒸發(fā)和入滲過(guò)程，進(jìn)而顯著影響著土壤水鹽分布。

互花米草區(qū)表層1 m深度內(nèi)的土壤含水率范圍為32%～43%，平均值為39%，隨深度增加呈下降趨勢(shì)，但總體接近飽和水平;孔隙水鹽度平均值為19‰，明顯低于海水水平。20 cm深度以上鹽度較低，約15‰～20‰；20～50 cm深度內(nèi)鹽度相對(duì)較高，主要在20‰左右變化，顯示出了明顯的淡水入滲和鹽分向下輸運(yùn)過(guò)程。土壤表層40 cm深度以?xún)?nèi)的土壤含水率顯著高于其他區(qū)域，而孔隙水鹽度水平明顯低于其他區(qū)域，這與前人的研究結(jié)果相符［34］。植被區(qū)土壤水分消耗主要包括植被蒸騰和土壤蒸發(fā)，而本研究采樣時(shí)間為12月，此時(shí)互花米草處于枯萎階段，蒸騰作用較弱，并且在較高的植被覆蓋率下，土壤蒸發(fā)作用會(huì)顯著削弱，這是土壤含水率高的主要原因［35］。此外，植物根系的提水作用會(huì)進(jìn)一步增加根系周?chē)耐寥篮剩?6］，形成淺層土壤含水率隨深度增加而下降的趨勢(shì)。在上述過(guò)程影響下，土壤表層含水率處于較高水平，這一特征與螃蟹孔洞區(qū)域存在著明顯的差異。另一方面，對(duì)于低滲透性的土壤，植被根系的存在可明顯改善土壤結(jié)構(gòu)，利于地表水分下滲［37］。互花米草發(fā)達(dá)的根系大部分密布于30 cm深度范圍內(nèi)［38］，可作為優(yōu)勢(shì)流通道促進(jìn)降雨入滲，并攜帶鹽分向下遷移，導(dǎo)致鹽分在密集分布的根系區(qū)下方積累，形成根系中上區(qū)域附近鹽度較低、下方鹽度相對(duì)較高的垂向變化特征。此外，耐鹽植物在拒鹽、泌鹽等方面也會(huì)在一定程度上改變淺層土壤水鹽狀態(tài)［19］，但在本研究中不作重點(diǎn)關(guān)注。由此可見(jiàn)，潮上帶鹽沼植被同樣能夠通過(guò)改變蒸發(fā)、入滲等過(guò)程，影響地層水鹽分布，但與螃蟹孔洞相比，其影響深度相對(duì)較小。

鹽沼系統(tǒng)位于陸地-海洋過(guò)渡區(qū)域，其土壤鹽分分布是海洋潮汐淹沒(méi)、陸地淡水輸入、降雨和蒸發(fā)等水文過(guò)程動(dòng)態(tài)作用的結(jié)果［1］。在這些過(guò)程的作用下，垂直于潮溝的不同高程位置形成了不同的土壤水鹽條件，從而引起鹽沼生態(tài)系統(tǒng)的條帶狀分布［7］。根據(jù)上述研究結(jié)果，在潮上帶鹽沼系統(tǒng)內(nèi)，螃蟹孔隙、植物生長(zhǎng)等生態(tài)因素會(huì)進(jìn)一步引起水文過(guò)程變化，對(duì)土壤鹽分遷移和演化產(chǎn)生關(guān)鍵的影響。如圖7所示，潮汐淹沒(méi)過(guò)程維持著潮間帶及其附近區(qū)域的鹽分長(zhǎng)期穩(wěn)定，也是鹽沼深部地層鹽分的主要來(lái)源，但由于地層滲透性低，短時(shí)間內(nèi)潮汐對(duì)地層鹽分的影響可以忽略。在不受潮汐淹沒(méi)影響的潮上帶區(qū)域，螃蟹孔洞和植物根系在較大程度上控制了降雨入滲和地表蒸發(fā)過(guò)程，對(duì)淺層土壤水鹽條件存在明顯的反饋?zhàn)饔?。螃蟹孔洞能有效促進(jìn)降雨快速進(jìn)入地層并向更深處和周?chē)鷿B透，大大降低了淺層地層鹽分，且地表蒸發(fā)鹽分集結(jié)明顯，形成較大的鹽度垂向分布梯度?；セ撞葜脖簧L(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，植物根系引起的優(yōu)勢(shì)流入滲和高覆蓋度引起的蒸發(fā)減弱，明顯降低了植物根圍區(qū)的淺層土壤鹽分水平。由此可見(jiàn)，潮上帶鹽沼系統(tǒng)中螃蟹活動(dòng)、植物生長(zhǎng)等生物因素對(duì)地層鹽分演化的影響極為顯著，在相應(yīng)的物理模型試驗(yàn)或數(shù)值模擬研究中應(yīng)當(dāng)予以充分考慮。

4 結(jié)論

本文以江蘇鹽城的典型自然鹽沼濕地為例，結(jié)合地球物理探測(cè)和樣品分析，揭示了潮上帶鹽沼系統(tǒng)的土壤鹽分空間分布，闡述了鹽沼生態(tài)地貌系統(tǒng)對(duì)土壤水鹽遷移的反饋?zhàn)饔脵C(jī)制。主要結(jié)論如下：

（1） 高密度電阻率層析成像方法能夠有效地揭示潮上帶鹽沼地層鹽分分布特征，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明，研究區(qū)潛水含水層鹽度整體接近海水水平，但10 m深度以上的地下水存在明顯的淡化現(xiàn)象。

（2） 淺層土壤孔隙水淡化在5 m深度內(nèi)較顯著，其程度和規(guī)模與鹽沼地表的條帶狀生態(tài)地貌特征高度關(guān)聯(lián)：近潮溝區(qū)域淺層孔隙水無(wú)明顯淡化現(xiàn)象;螃蟹孔洞區(qū)域孔隙水鹽度最低，低鹽區(qū)分布范圍大;互花米草區(qū)域淺層孔隙水也有明顯淡化趨勢(shì)，但主要發(fā)生在植物根系深度范圍內(nèi)。

（3） 潮上帶鹽沼系統(tǒng)中，螃蟹孔洞和植物生長(zhǎng)對(duì)土壤水鹽條件存在明顯的反饋?zhàn)饔脵C(jī)制：螃蟹孔洞能有效促進(jìn)降雨向土壤深處滲透并淡化鹽分，且有助于地表蒸發(fā)和鹽分集結(jié);植物引起的優(yōu)勢(shì)流入滲和對(duì)蒸發(fā)的削弱作用，顯著降低了植物根系區(qū)的土壤水鹽度。

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Salt distribution and formation mechanism in supratidal saltmarsh stratum

The study is financially supported by the National Key R&D Program of China （No.2022YFC3204302） and the Postdoctoral Research Fund of Jiangsu Province，China （No.2021K350C）.

ZHAN Lucheng，LIANG Jiaying，HE Xiaodong

（College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract：To explore the distribution pattern and formation mechanism of salt in the stratum of supratidal saltmarsh system，the coastal saltmarsh wetland in Yancheng，Jiangsu Province，was considered in this study.The spatial distribution of soil porewater salinity was obtained through resistivity measurement and soil sample analysis，and the corresponding relationship with ecogeomorphology was further revealed.As a result，the groundwater salinity below the depth of 10 m is relatively high and uniformly distributed，while shallow porewater above 5 m depth is significantly desalinated.The degree of porewater desalination is related to the characteristics of zonal ecogeomorphology.Salinity of shallow porewater in the near-creek area is close to that of seawater.However，the shallow stratum underneath the crab hole area and Spartina alterniflora area has much lower salinity，with the former presenting a larger spatial scale.The short period tidal process only affects the localized salinity near the tidal creek.The crab holes significantly promote the infiltration of rainwater and its desalination effect，and contribute to near-surface evaporation and salt accumulation，increasing the vertical difference of shallow soil water salinity.The root preferential flow and evaporation inhibition caused by vegetation growth effectively reduce the salinity level of surface soil.

Key words：saltmarsh;electrical resistivity;salinity;tide;crab hole;Spartina alterniflora