1、第24卷第1期2010年2月水土保持學報Journal of Soil and Water ConservationVol.24No.1Feb.,2010黃河三角洲土壤鹽漬化影響因素分析3范曉梅1,劉高煥1,唐志鵬1,束龍倉2(1.中國科學院地理科學與資源研究所,北京100101;2.河海大學水文水資源學院,南京210098摘要:通過野外土壤調查和采樣分析,對黃河三角洲土壤鹽漬化形成的天然環境和影響因素進行了概述,對區域土壤鹽漬化程度、類型和特征等進行了分析和探討。并根據采樣點地下水位、礦化度、高程、植被蓋度、離海遠近等要素,采用灰色關聯度模型,分析了不同鹽漬化類型主導的環境要素。結果表明,原

2、生鹽漬土含鹽量主要受地下水位、礦化度和植被覆蓋的影響;土壤次生鹽漬化主要受離排灌渠遠近、地下水礦化度和埋深的影響。關鍵詞:黃河三角洲;土壤鹽漬化;影響因素;灰色關聯度中圖分類號:S156.4;S151.9文獻標識碼:A文章編號:100922242(20100120139206Analysis on Main Contributors Influencing Soil Salinization of Yellow River Delta FAN Xiao2mei1,L IU Gao2huan1,TAN G Zhi2peng1,SHU Long2cang2(1.I nstitute of Geog

3、 rap hical Scienceces and N atural Resources Research,CA S,B ei j ing100101;2.College of W ater Resources&Envi ronment,Hohai Universit y,N anj ing210098Abstract:Based on field survey and soil sampling data,t he occurring environment and influencing factors of saline soils of Yellow River Delta h

4、as been described,and t he severity,classification and characteristics of soil salinization were discussed.According to t he environmental variables at sampling point s,e.g.groundw2 ater dept h,total dissolved solids(TDS,elevation,vegetation cover,a grey correlatio n model was utilized to indicate t

5、 he main contributors of soil salinization.As a result,t he salinity of primary saline soil was mainly cont rolled by groundwater dept h,TDS and vegetation cover.The secondary saline soil was mainly influenced by distance to drainage dykes,groundwater TDS and dept h.K ey w ords:Yellow River Delta;so

6、il salinization;influcencing factors;grey correlation model國內外大量研究表明,土壤中鹽分積累過程是一系列作用于不同時空尺度上自然和人為因素相互疊加作用的結果。在眾多環境因素中對原生土壤鹽漬化過程影響最為顯著因素包括:氣候、沉積環境、土壤母質、地形、水文地質條件等。造成土壤次生鹽漬化因素主要有:灌溉、砍伐森林、各類蓄水工程等1。分析區域土壤鹽漬化發生的自然條件和主導的環境要素是理解土壤鹽漬化過程的基礎,對于更好地預防和治理土壤鹽漬化具有十分重要的作用。黃河三角洲的沉積環境、氣候條件和土壤母質決定了原生鹽漬化土壤在區域內廣泛分布,超過50

7、%的土地為不同程度的鹽漬化土壤。伴隨著當地農業的發展、平原水庫的修建和重灌輕排的耕作方式,加上區域本身地下水埋深淺且礦化度高,使黃河三角洲土壤次生鹽漬化也日趨加劇。受鹽漬化的影響使得該區原本脆弱的生態系統發生退化,植被生境和多種珍稀的野生動物棲息地遭到威脅。土壤鹽漬化已成為當地生態系統和農業可持續發展最重要的環境問題。此前,已有眾多學者就黃河三角洲土壤鹽漬化相關的生態環境問題做了大量細致的研究工作。其中包括對黃河三角洲形成和沉積環境的詳細闡述2;對區域淺層地下水分布和動態的研究324;對土壤鹽分空間分布規律的研究527;鹽漬化動態遙感監測研究8;以及鹽漬土改良和可持續利用研究9210等。但目前

8、還未見有以野外土壤采樣和生境條件調查數據為基礎,全面綜合地分析區域土壤鹽漬化的影響因素,并采用一定的模型研究各環境因子在鹽漬化過程中所起作用的大小。本研究分析了黃河三角洲土壤鹽漬化發生的自然條件和影響要素,以野外土壤采樣和植被生境調查數據為基礎,結合已有的區域地下水水位和含鹽量數值模擬成果,用灰色關聯度模型分析了各環境因子對土壤鹽漬化過程的影響。3收稿日期:2009209227基金項目:中國科學院方向項目(kzcx2-yw-308;國家自然科學基金項目(40771172作者簡介:范曉梅(1981-,女,江蘇南京人,博士生,從事地下水及土壤鹽漬化研究。E2mail:fanxm041水土保持學報第

9、24卷1黃河三角洲鹽漬土發育的自然條件1.1氣候因素黃河三角洲位于山東省東營市境內的黃河入?？诘貐^(117°31-119°18E,36°55-38°16N,在氣候類型上屬于溫帶季風型大陸性氣候。根據1966-2001年東營市氣象站點實測資料,黃河三角洲多年平均降水量為537.4mm,多年平均蒸發量為1885.0mm(E60120cm,年蒸降比約為3.5:111。蒸發量遠大于降雨量,為土壤剖面中鹽分向上運移提供了有利條件。受季風氣候的影響,降雨量集中在汛期6-9月,約占年降雨量的75.5%,而其它季節干旱少雨。土壤剖面水鹽垂直運動強烈,形成土壤季節性的返鹽

10、和脫鹽12。一年中土壤鹽分季節變化的總體規律為:春季積鹽、夏季脫鹽、秋季回升、冬季潛伏。1.2地形地貌黃河三角洲總體地形平緩,地形比降約為1/80001/12000。受黃河不斷泛濫改道影響,區域內微地貌類型發育較為完整,主要有古河道遺留下來的自然堤、河漫灘地、背河洼地、緩斜平地和濱海低平地等。區域內水鹽受微地貌的影響而發生重新分配:河灘高地、決口扇形地,沉積物顆粒較粗,坡度較陡,有利于鹽分的遷移,土壤含鹽量均值約為3g/kg;河漫灘地受河水側滲的淡化脫鹽作用,土壤含鹽量較低約為2.2g/kg;故道兩側的背河洼地,隨著沉積物顆粒逐漸變細,粘土顆粒吸附元素的能力增強,其離子含量不斷升高,土壤含鹽量

11、平均值達到13.6g/kg;緩平的低地及洼地是鹽分聚集區,往往形成大面積中等或重度鹽漬化土壤,含鹽量平均值約為11.7g/kg;濱海灘涂地區受高礦化度地下水和海水入侵的影響,土壤含鹽量可達到30g/kg以上。1.3水文地質條件黃河三角洲位于華北凹陷的東北部,由于長期以來地面沉降加上河流作用,區域內沉積了巨厚的第四紀地層,厚度可達400500m。區域內水文地質鉆孔資料揭示,河積粉砂和潮汐沉積物是地下水主要的賦存介質。黃河三角洲地下潛水普遍埋深較淺(平均埋深為1.14m,且礦化度較高(含鹽量平均值為14.3g/L。黃河三角洲地下水含鹽量空間分布不均,以黃河河道為軸沿地下徑流排泄的方向,地下水中的含

12、鹽量迅速升高。鹽漬土分布格局受到地下水埋深和礦化度空間變化的影響,地下水埋藏淺且礦化度高的地區,土壤鹽漬化程度也越高。河道間的閉合洼地作為地表、地下徑流的匯集區,各種離子元素不斷升高,加上徑流排泄不暢,成為受鹽漬化危害最為嚴重的地區。1.4海水侵漬黃河三角洲位于濱海濕潤-半濕潤海水浸漬鹽漬區渤海氯化物鹽漬土片,屬于現代積鹽過程。土壤鹽漬過程先于成土過程,是在鹽漬淤泥的基礎上逐漸成陸發育而成。陸地形成以后又受到海水經常性的淹沒和側向侵漬,在強烈的蒸發積鹽作用下形成高礦化度的濱海鹽漬土。隨著陸地形成過程的進一步發展和自然植被的繁衍,土壤形成過程加強,積鹽過程減弱,逐漸演化為各種草甸鹽土13。研究區

13、東部受海水的浸漬側滲作用較強烈,地下水礦化度相對較高,這些部位受地下水返鹽影響更為強烈,導致表土鹽分積聚性明顯高于其它部位7。而近年來沿海地區降雨量減少和河流斷流頻繁,使得海水沿河道或由地下侵入含水層,打破了沿岸地區的咸淡水平衡,進一步加劇了沿海地區鹽漬化的程度。此外,沿海地區還容易受到經常性風暴潮的影響,也是沿海地區土壤中鹽分不斷積聚的重要原因。1.5植被覆蓋黃河三角洲的植被可分為人工植被和天然植被。人工植被主要包括:人工刺槐林、楊樹林、棉花、小麥和冬棗等。黃河三角洲的天然植被大多為耐鹽植被,主要包括:蘆葦、檉柳、翅堿蓬、獐茅、白茅等。黃河三角洲植被與土壤鹽分的關系可謂相依相存、相互影響。一

14、方面植被是天然的土壤鹽分指示劑,通過植被類型、長勢和健康狀況可直觀判定土壤鹽漬化程度。對于黃河三角洲來說,不同植被覆蓋條件下土壤鹽分含量的一般規律為:刺槐林地<蘆葦草甸<檉柳灌叢<翅堿蓬地<裸地。眾多學者采用不同的試驗方法,證實了黃河三角洲的各種鹽生和耐鹽植被具有降低土壤含鹽量,改善土壤的功效。通過栽培試驗得出翅堿蓬、檉柳等6種耐鹽植被對鹽堿地改良的效果明顯。在種植上述耐鹽植被兩年后,土壤含鹽量減少約在54%57.9%之間,而土壤有機質含量則增加了81.7%200%14。由此可見,廣泛種植耐鹽植被、增加土壤覆蓋度,是改善黃河三角洲鹽漬化土壤最重要和有效的生物措施。2土壤

15、鹽漬化調查和鹽漬化類型分析2.1野外考察和樣品處理于2006年5月中旬針對黃河三角洲土壤含鹽狀況及其對植被類型和蓋度的影響等科學問題,組織了黃河三角洲野外實地考察工作:(1按照平均間距為3km的規則網格布設土壤采樣點,共計193個。每個樣點上用土鉆取土,分兩層采集土壤樣品,分別為深度0-30cm 的表層土壤和90-100cm 的底層土壤。(2采樣點用手持GPS 定位并記錄下相應的經緯度坐標,同時記錄采樣點的植被類型、蓋度、高度等要素,以及采樣點周圍環境、人類影響方式與程度、地形特征等。(3采樣點植被蓋度的估算采用樣方實際估算法。草本植被和灌木,采用1m ×1m 樣方,林地采用10m

16、×10m 的樣方,樣方內的植被蓋度由人工目視估計得來。土壤樣品帶回實驗室風干后過2mm 的篩子,研磨后用100目分子篩過篩,并以51的水土比抽濾浸提土壤水溶液。土壤樣品測定項目包括:土壤有機質、主要陽離含量子包括鈣、鎂、鉀、鈉(Ca 2+、Mg 2+、Na +、K +,主要陰離子含量包括重酸根、碳酸根、硫酸根、氯離子(HCO -3、CO 2-3、SO 2-4、-Cl -,全鹽(Salt 和土壤溶液酸堿度(p H 。其中,p H 值(水土比2.51采用P HS -3C 酸度計法測定;有機質采用電熱板加熱-K 2Cr 2O 7容量法測定;CO 2-3和HCO -3采用雙指示劑中和法測定;

17、Cl -采用AgNO 3滴定法測定;SO 2-4-采用ED TA 間接滴定法測定;Ca 2+和Mg 2+采用ED TA 絡合滴定法測定;K +和Na +采用差減法;全鹽含量以土壤中上述8種離子的重量之和計算15。2.2土壤鹽漬化類型2.2.1鹽漬化程度和鹽漬剖面類型根據對研究區193個土壤樣品含鹽量分析的實驗結果,可得黃河三角洲土壤含鹽的基本情況表(表1。從土壤可溶鹽離子的基本組成,可知黃河三角洲土壤鹽分來源主要為海水氯化物和硫酸鹽類。依據我國半濕潤區土壤可溶鹽類以氯化物為主的鹽堿土分級標準(表層土壤,研究區共有非鹽漬化土壤(全鹽量<0.2%樣本13個,約占總數的7%;輕鹽漬化土壤(全鹽

18、量0.2%0.4%樣本29個,約占總數的15%;中度鹽漬化土壤(全鹽量0.4%0.6%樣本27個,約占總數的14%;重鹽漬化土壤(全鹽量0.6%1.0%樣本51個,約占總數的26%;鹽土(全鹽量>1.0%樣本74個,約占總數的38%。由此可見,黃河三角洲大部分面積的土壤屬于鹽漬化土壤的范疇,且鹽漬化程度相當高。表1黃河三角洲土壤含鹽量基本情況(共193個樣點%土層項目Na +,K +Ca 2+Mg 2+HCO -3CO 2-3C1-SO 2-4-含鹽量有機質p H 值均值0.250.040.25000.320.21 1.06 1.057.84表層土壤(0-30cm 最大 1.180.3

19、1.50.060 1.58 1.5 5.02 4.338.5最小000.01000.010.010.10.227.7標準差0.220.040.260.0100.320.200.870.570.13均值0.170.020.130.1600.190.110.60.447.86深層土壤(90-100cm 最大0.550.130.490.0600.620.62 1.77 1.528.5最小0000.0100.0100.10.017.6標準差0.120.010.090.020.140.080.370.250.15黃河三角洲表層土壤含鹽量的極大值(5.02%和均值(1.07%遠高于底層土壤的含鹽量和均值,

20、分別為1.77%和0.60%,且表層土壤和底層土壤含鹽量的差值最大可達到12倍,充分說明黃河三角洲土壤剖面鹽分表聚現象顯著。黃河三角洲土壤有機質含量均值為1.05%,按第二次全國土壤普查有基質分級標準(<0.6%,極缺乏;0.6%1%,缺乏;1%2%,好,土壤有機質含量較高。土壤樣本平均p H 值7.85,呈弱堿性。2.2.2原生鹽漬土和次生鹽漬土根據采樣點土地利用方式和受人類干擾程度的記錄,有73個樣點是在有灌溉和排水系統的耕地中取得,為次生鹽漬化類型土壤。其余樣點中有90個采樣點未受人類干擾而保持其天然狀態,其土壤鹽漬化類型是原生鹽漬化。黃河三角洲原生鹽漬化土壤約占鹽漬土總量的70%

21、,而次生鹽漬化土壤約占30%,可見黃河三角洲以原生土壤鹽漬化為主。在SPSS17.0統計分析軟件的環境下,分別對黃河三角洲原生和次生鹽漬化土壤樣本含鹽量的頻率分布進行分析,并用直方圖和分布曲線的形式表現出來,見圖1。通過對比分析可知,黃河三角洲次生鹽漬化土壤的含鹽量平均值要低于原生鹽漬化土壤?？梢娹r作物的種植和適度的灌溉排水,對降低土壤鹽漬化和改善土壤起到了一定的效果。但是,研究中也發現區域土壤含鹽量的極值(含鹽量>3%大多出現在耕地中(圖1c ,部分農田因為土壤含鹽量過高而逐漸退化為棄耕地。由此可見,次生鹽漬土雖然在數量上并不是黃河三角洲鹽漬土最主要的組成部分,但其鹽漬化程度之高、危害

22、之大,應當予以相當的重視。從不同類型土壤含鹽量分布曲線可以看出天然狀態下土壤含鹽量的分布更接近正態分布,次生鹽漬土土壤鹽分分布曲線的峰度值和偏度值均大幅增加?？梢娪捎谌祟惢顒拥母蓴_使得黃河三角洲土壤含鹽量的分布偏離正態分布。就兩種不同類型鹽漬土鹽分分布差異來說,表層土壤含鹽量分布的差異要遠大于底層土壤,可見土地利用方式的改變主要作用于表層土壤,使其含鹽量分布更加的不均勻。此外,無論是原生鹽漬土還是次141第1期范曉梅等:黃河三角洲土壤鹽漬化影響因素分析生鹽漬土,表層土壤含鹽量的標準差大于底層土壤,可見在區域上表層土壤鹽分的變異較顯著 。圖1黃河三角洲土壤含鹽量頻率分布3鹽漬土影響因素分析3.1

23、影響因子的選取由于原生鹽漬土和次生鹽漬土具有不同的成因和鹽漬化過程,因此根據采樣點的鹽漬化類型(原生鹽漬土和次生鹽漬土,來分別研究各種環境因子在原生土壤鹽堿化和次生土壤鹽堿化過程中所起的作用的大小。在研究中將地下水埋深、地下水礦化度、離海遠近、地表高程、地形指數、土壤有機質含量這6個因素作為公共的影響因子。此外,在原生鹽漬土影響因素的研究中增加植被覆蓋對土壤含鹽量的影響,具體通過植被蓋度這一指標來反映。在次生鹽漬土影響因素的分析過程還需考慮農田中的排灌系統對土壤的改良作用,因此增加采樣點距離排灌水渠遠近這一指標。分析中各個采樣點的地下水埋深和礦化度值,以經過驗證的同期地下水位和礦化度數值模擬結

24、果(采用Visual MODFLOW 程序為依據,根據采樣點的坐標提取(見圖2。離海岸線和排灌渠的空間距離,根據SPO T 影像(2005年6月提取的海岸線和參考研究區已有的排灌渠圖層,在Arc GIS9.2的spatial analyst 模塊中按照點線之間最短距離計算;采樣點植被蓋度采用野外現場的估算值;采樣點地表高程根據區域1:10000DEM 數據確定。采樣點的地形指數根據DEM 數據,通過公式(1計算16。地形指數=ln (5/tan(1式中:5單位等高線長的上坡匯流面積;地形坡度。3.2灰色關聯度模型灰色關聯度是20世紀80年代鄧聚龍教授提出灰色系統理論中的一種基本分析方法。其主要

25、是根據曲線間相似程度來考察系統諸因子之間的關聯程度,是分析系統各因素關聯程度量化的一種方法17。本研究中就采用灰色關聯度的方法來考察土壤含鹽量與各環境因子的關聯程度。參考數列X 0分別為30cm 土壤含鹽量和90cm 土壤含鹽量數列。對原生土壤鹽漬化來說,共有90個采樣點包括7個環境因子。環境因子X 1X 7分別代表地下水埋深、礦化度、土壤有機質含量、高程、地形指數、離海距離和植被蓋度。對次生土壤鹽漬化來說,環境因子X 1X 7分別代表地下水埋深、礦化度、土壤有機質含量、高程、地形指數、離海距離和離排灌水渠距離。3.3原生鹽漬土含鹽量影響因素分析從表2灰色關聯度分析結果來看,各環境因子對黃河三

26、角洲表層土壤含鹽量影響大小的順序為:地下水埋深>地下水礦化度>植被蓋度>離海遠近>地形指數>高程>土壤有機質含量。這一結果符合黃河三角洲鹽漬土發育和演化的天然規律。在黃河口泥沙沉積、陸地不斷向海淤進的條件下,地下水和植被狀況與土壤發育241水土保持學報第24卷圖2黃河三角洲環境要素圖層關系最為密切:在成陸初期地下水埋藏淺、礦化度高、地表無植被覆蓋或僅有稀疏耐鹽植被覆蓋,此時土壤含鹽量也最高;隨著陸地進一步向海延伸、地表逐漸抬高、地下水埋深變大、土壤脫鹽淡化、生境條件逐漸變好,才有高等植物出現。植物養成郁閉群落后可增加地表覆蓋、減少蒸發量,有效地阻止了土壤中鹽

27、分上升,并可保持土壤水分、增加土壤肥力,進一步改善土壤。而其余的環境因素,包括地表高程、離海遠近、地形指數等雖然也是土壤鹽漬化過程中非常重要的影響因素,但并不直接參與鹽漬化土壤的成土過程,而是通過在不同尺度下影響地下水位埋深和礦化度等,間接地影響土壤含鹽量。黃河三角洲底層土壤含鹽量影響因素重要性的關系為:地下水埋深>地下水礦化度>植被蓋度>離海遠近>高程>地形指數>土壤有機質含量。由此可見,1m 以內土壤體中鹽分含量的影響因素基本一致,且表層土壤與底層土壤含鹽量的聯系密切。表2原生鹽漬土含鹽量與環境要素關聯度分析土層項目1234567表層土壤因子地下水埋深地

28、下水礦化度植被蓋度離海遠近地形指數高程土壤有機質關聯度0.710.680.620.600.570.560.52底層土壤因子地下水埋深地下水礦化度植被蓋度離海遠近高程地形指數土壤有機質關聯度0.710.690.650.630.590.550.543.4次生鹽漬土含鹽量影響因素分析從表3的灰色關聯度分析結果來看,各要素對黃河三角洲次生鹽漬土表層土壤含鹽量影響大小的關系為:離排灌渠遠近>地下水礦化度>地下水埋深>地形指數>離海遠近>土壤有機質含量>高程。與原生鹽漬化土壤不同,離排灌渠距離成為影響次生鹽漬土表層土壤含鹽量最為顯著的因素?？梢?次生鹽漬土的含鹽量極大地

29、受到人類活動干擾,農田的排水灌溉系統對降低土壤含鹽量起到了一定作用,離排灌渠的距離越近,土壤改善的效果越顯著。此外,地下水埋深和礦化度仍然是影響表層土壤鹽漬化非常重要的因素。各環境因子對次生鹽漬土深層土壤含鹽量影響大小的順序為:地下水礦化度>地下水埋深>離排灌渠遠近>土壤有機質含量>地形指數>高程>離海遠近。相對于表層土壤來說,排灌系統對降低深層土壤含鹽量的效果略有下降,這主要是因為區域地下水普遍埋藏較淺,深層土壤更易受地下水水化學性質的影響。分析結果表明,地下水礦化度和地下水埋深是控制土壤次生鹽漬化的關鍵因素。因此,發展有效的排水灌溉系統、控制地下水埋深、

30、保證灌溉水質是治理區域土壤次生鹽漬化有效的途徑。表3次生鹽漬土含鹽量與環境要素關聯度分析表土層項目1234567表層土壤因子離排灌渠遠近地下水礦化度地下水埋深地形指數離海遠近土壤有機質高程關聯度0.770.760.7440.620.610.600.59底層土壤因子地下水礦化度地下水埋深離排灌渠遠近土壤有機質離海遠近高程離海遠近關聯度0.770.740.710.660.630.640.63341第1期范曉梅等:黃河三角洲土壤鹽漬化影響因素分析144 水土保持學報 第 24 卷 4 論 結 ( 1 黃河三角洲約有 90 %的土壤屬于不同程度的鹽漬土范疇 。其中 ,原生鹽漬土約占 70 % ,次生鹽

31、漬土約 占 30 % 。次生鹽漬土雖然在數量上不是黃河三角洲鹽漬土的主要組成部分 , 但其鹽漬化程度之高 、 發展之迅 速應當予以足夠的重視 。 ( 2 黃河三角洲土壤剖面鹽分表聚現象嚴重 , 表層含鹽量與底層含鹽量比值約為 1. 8 。且區域上表層 1 土壤鹽分的空間變異較大 ,而底層土壤的含鹽量相對較穩定 。 ( 3 黃河三角洲原生鹽漬土含鹽量影響最重要的 3 個環境因子分別為 : 地下水埋深 、 礦化度和植被覆蓋 。 由此可見 ,控制地下水埋深 、 改善地下水質和增加植被覆蓋等措施 ,是防治黃河三角洲土壤鹽漬化重要手段 。 ( 4 黃河三角洲次生鹽漬土含鹽量影響最顯著的 3 個要素分別為

32、 : 離排灌水渠的距離 、 地下水礦化度和地 下水埋深 ?？梢?,已有的田間灌溉排水設施對改善土壤鹽堿化起到了一定效果 。但同時必須加強對農田灌溉 用水水質和地下水埋深的監測 。要預防黃河三角洲由于過度開墾所致的次生鹽漬化土壤面積和程度不斷增 加 ,必須執行 “農田開墾 ,水利先行” 的方針 ,建立合理高效的灌溉排水設施 ,以確保黃河三角洲地區農業的可持 續發展 。 參考文獻 : 1 Nort hey J E ,Christen E W ,Ayars J E ,et al. Occurrence and measurement of salinity st ratification in sh

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