半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)土壤鹽分平衡情勢(shì)評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用

王金哲，張光輝，嚴(yán)明疆，聶振龍，劉中培

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊 050061

0 引言

土壤鹽分狀況與地下水和下伏土壤之間通過(guò)降水、蒸發(fā)和下滲等過(guò)程不斷交換、不斷改變（簡(jiǎn)稱情勢(shì)）。在水資源緊缺的環(huán)渤海低平原區(qū)，咸水和微咸水的開發(fā)利用與該平原土壤鹽分情勢(shì)密切相關(guān)［1］。土壤鹽分與各因素之間長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)土壤質(zhì)量和農(nóng)業(yè)生態(tài)安全將產(chǎn)生影響。綜合各方面影響因素，客觀評(píng)價(jià)土壤鹽分情勢(shì)，對(duì)于提高微咸水利用程度和保障農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境安全具有重要意義［2－4］。

土壤鹽分與眾多影響因子之間的關(guān)系研究備受關(guān)注。方生等［5］對(duì)海河平原土壤水鹽動(dòng)態(tài)調(diào)控指標(biāo)進(jìn)行探討，確定了旱季和雨季前防治土壤鹽漬化的地下水埋深臨界深度；毛任釗等［6］對(duì)海河低平原鹽漬區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指征進(jìn)行研究，提出了一套水土質(zhì)量關(guān)鍵指征；毛任釗等［7］又采用通徑分析方法研究海河低平原鹽漬澇洼區(qū)表層土壤積鹽因素的主次關(guān)系，結(jié)果表明，地下水埋深2～3m、表層土壤全鹽量小于50g/kg、地表高差小于66cm地段，表層土壤鹽漬度主要受心土層鹽分狀況和微地形因素支配；姚榮江等［8］運(yùn)用通徑分析法對(duì)黃河下游三角洲鹽漬區(qū)表層土壤積鹽影響因子及其強(qiáng)度進(jìn)行了分析，得到表土積鹽過(guò)程受到鹽源分布、鹽分離子化學(xué)特征、土壤理化性質(zhì)、地下水狀況以及區(qū)域性氣候條件綜合影響的結(jié)論。

筆者在前人評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，從地下水、氣候、土壤和初始鹽源方面綜合考慮，討論了土壤鹽分情勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)行了土壤鹽分情勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的應(yīng)用，并通過(guò)野外調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了效驗(yàn)，以期對(duì)預(yù)警土壤鹽漬化和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)安全利用微咸水灌溉起到一定的指導(dǎo)作用。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 指標(biāo)體系

指標(biāo)體系構(gòu)建是表層土壤鹽分平衡情勢(shì)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。表層土壤鹽分平衡情勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為3級(jí)，即目標(biāo)層、指標(biāo)分類和指標(biāo)層。指標(biāo)層作為評(píng)價(jià)體系的重要基礎(chǔ)，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果能否反映真實(shí)狀況起著決定性作用。單項(xiàng)指標(biāo)篩選時(shí)不完全取決評(píng)價(jià)者的主觀愿望，它是根據(jù)研究區(qū)的具體條件和資料享有情況，遴選和確定的具體指標(biāo)，最終指標(biāo)的數(shù)量和內(nèi)容能夠較好地反映表層土壤鹽分平衡情勢(shì)評(píng)價(jià)的實(shí)際狀況。

多年野外調(diào)查和相關(guān)研究資料表明，土壤鹽分情勢(shì)與地下水、土壤、氣候和初始鹽源狀況4個(gè)方面的多項(xiàng)要素有關(guān)，既要考慮應(yīng)盡可能包含主要影響要素，又要避免出現(xiàn)指標(biāo)繁冗的現(xiàn)象。每類屬性層包含2或3個(gè)指標(biāo)，其中土壤質(zhì)地是狀態(tài)指征，其他指標(biāo)屬趨勢(shì)指標(biāo)，為動(dòng)態(tài)變化量值。不同指標(biāo)和指征在不同尺度和復(fù)雜程度上反映不同的問(wèn)題，具有不同的針對(duì)性，指標(biāo)集合整體可滿足表層土壤鹽分平衡情勢(shì)評(píng)價(jià)目標(biāo)層的要求。最終構(gòu)建的指標(biāo)體系如表1所示。

1.2 指標(biāo)等級(jí)劃分及其依據(jù)

從評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的實(shí)用性角度考慮，土壤鹽分情勢(shì)狀況劃分為“優(yōu)、良、中、差、劣”5個(gè)等級(jí)，各指標(biāo)劃分的依據(jù)如下所述。

1.2.1 地下水特征

對(duì)環(huán)渤海低平原區(qū)土壤鹽分與地下水埋深相關(guān)關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)：地下水水位埋深＜2.5m，兩者之間為直線相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)大于0.9，極強(qiáng)相關(guān)；2.5～10.0m，兩者之間存在一定關(guān)聯(lián)性，其中，2.5～＜4.0m之間的相關(guān)系數(shù)為0.75，4.0～＜6.0m的相關(guān)系數(shù)為0.53，6.0～10.0m 的相關(guān)系數(shù)為0.51；＞10.0m相關(guān)性弱。由此可知，在地下水埋深小于2.5m時(shí)，土壤鹽分受其影響程度大，對(duì)土壤鹽漬化程度加重有潛在隱患，而大于10.0m，土壤鹽分受地下水埋深影響的程度十分微弱。

表1 表層土壤鹽分平衡評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及指標(biāo)等級(jí)劃分Tabel 1 Classification of the surface soil salinity balance evaluation index system and indicaors

依據(jù)文獻(xiàn)［9］，礦化度小于1g/L為淡水，1～3 g/L為微咸水，＞3～10g/L為咸水。由經(jīng)驗(yàn)可知：超過(guò)3g/L的地下水灌溉農(nóng)田時(shí)，土壤普遍有積鹽現(xiàn)象，如河北省臨西縣咸水灌溉試驗(yàn)結(jié)果，土壤耕層積鹽率為54%；利用5g/L的地下水灌溉時(shí)，土壤耕層積鹽率高達(dá)235%，反映了土壤耕層同期含鹽量有增高的趨勢(shì)，土壤含鹽量已超過(guò)作物的耐鹽極限值［10］；土壤水含鹽量超過(guò)5.7g/L時(shí)，棉田出苗率明顯低于90%。所以，大于5g/L的地下水對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉已是不允許的。

鈉吸附比等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)［6］的指標(biāo)，這一指標(biāo)可指示水質(zhì)能否引起土壤堿化。

1.2.2 土壤特性

土壤pH值和土壤質(zhì)地的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)參考毛任釗等［6］的土壤與地下水農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指征的等級(jí)閾值。其中，土壤質(zhì)地的劃分標(biāo)準(zhǔn)為土壤中顆粒的組成，本次評(píng)價(jià)選取黏粒體積分?jǐn)?shù)作為表征土壤質(zhì)地的標(biāo)準(zhǔn)，以反映土壤持水性、黏度和土壤分散性等物理性質(zhì)方面的差異［11］。

Cl－的等級(jí)劃分依據(jù)為以氯化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為標(biāo)準(zhǔn)的土壤鹽漬化劃分標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.3 氣候因子

降水量指標(biāo)等級(jí)確定以研究區(qū)1961－2005年的平均值數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以不同頻率（＜12.5%、12.5%～37.5%、＞37.5%～62.5%、＞62.5%～87.5%和＞87.5%）年降水量劃分標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，即按照劃分豐、偏豐、平、偏枯和枯水年的標(biāo)準(zhǔn)，確定降水量的5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，分別為＞710、710～642、＜642～585、＜585～405、＜405mm。因?yàn)榻邓畬?duì)土壤鹽分的淋濾作用有利于脫鹽、減弱土壤鹽漬化的危害，相對(duì)來(lái)看，豐水年較平水年、枯水年分土壤鹽分更能保證土壤生態(tài)質(zhì)量，所以此5個(gè)等級(jí)即為從優(yōu)到劣等級(jí)的劃分結(jié)果。

根據(jù)降水量豐、偏豐、平、偏枯和枯對(duì)應(yīng)年份劃分蒸發(fā)量指標(biāo)等級(jí)，劃分結(jié)果為＜1 334、1 334～＜1 612、1 612～＜1 793、1 793～1 994、＞1 994mm。因?yàn)檎舭l(fā)作用對(duì)土壤鹽分的上行動(dòng)力促進(jìn)積鹽作用，加重了土壤鹽漬化程度，因此，蒸發(fā)量越大，對(duì)土壤保持鹽分平衡越不利。

1.2.4 土壤初始鹽源狀況

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所提出的鹽堿土壤分級(jí)指標(biāo)，確定土壤因子中土壤含鹽量的指標(biāo)等級(jí)，此土壤鹽化分級(jí)指標(biāo)適用地區(qū)為華北平原濱海、干旱及半干旱地區(qū)，適用的鹽漬類型為＋、Cl－、Cl－－和－Cl－。此項(xiàng)指標(biāo)分級(jí)數(shù)據(jù)不是實(shí)際值，而是基于不同地區(qū)的平均值。

1.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)方法

土壤鹽分平衡情勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果為0.0～1.0的數(shù)值，筆者采用加權(quán)綜合指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到各因子對(duì)表層土壤鹽分平衡影響的綜合指數(shù)（R）。R值的計(jì)算公式為

式中：ai為評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；Xi為評(píng)價(jià)指標(biāo)；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

其中R值為1.0～0.8為優(yōu)，＜0.8～0.6為良，＜0.6～0.4為中，＜0.4～0.2為差，＜0.2～0.0為劣，5種結(jié)果對(duì)應(yīng)的土壤鹽分情勢(shì)如表2所示。

表2 土壤鹽分平衡情勢(shì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grading and significance of the results of the evaluation of surface soil salinity balance

2 數(shù)據(jù)處理

表1中的11個(gè)指標(biāo)全部反映自然因素，運(yùn)用SPSS17軟件對(duì)11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行因子分析。為更好地分析表層土鹽分與各因子之間自然數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，以更客觀地確定各因子在主因子變化中的作用，以旋轉(zhuǎn)前的單項(xiàng)指標(biāo)特征值占總提取特征值的比重作各屬性和各指標(biāo)權(quán)重。結(jié)果顯示：土壤初始鹽源狀況中的3個(gè)指標(biāo)權(quán)值相對(duì)較大，都大于0.1，說(shuō)明土壤初始鹽源狀況對(duì)表層土壤鹽分平衡情勢(shì)的影響作用較大；其次，地下水特征3個(gè)指標(biāo)的權(quán)值徘徊在0.1左右，對(duì)目標(biāo)層的影響次于土壤初始鹽源；土壤理化性質(zhì)和氣候因子對(duì)目標(biāo)層的影響相對(duì)前2項(xiàng)較弱。

獲得各指標(biāo)權(quán)值后，對(duì)照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化量值，確定各指標(biāo)的指數(shù)，然后根據(jù)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)公式，計(jì)算目標(biāo)層的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，進(jìn)而對(duì)照相應(yīng)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，判別具體區(qū)位表層土壤鹽分平衡狀況，然后再根據(jù)分區(qū)的具體狀況分析評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在采用SPSS17軟件對(duì)指標(biāo)進(jìn)行因子分析時(shí)，11個(gè)指標(biāo)變量中地下水埋深和降水量對(duì)表層土壤鹽分的載荷系數(shù)表現(xiàn)為負(fù)值，說(shuō)明地下水埋深和降水量對(duì)表層土壤鹽分含量的作用是逆向的，地下水埋深和降水量數(shù)值越大，表層土壤易溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低。表層土壤鹽分平衡作為目標(biāo)層指標(biāo)，是指表層土壤易溶鹽總量的基本穩(wěn)定，沒(méi)有積鹽現(xiàn)象，從土壤質(zhì)量角度考慮，脫鹽趨勢(shì)也可以歸為平衡情勢(shì)，因此，可以認(rèn)為綜合評(píng)價(jià)目標(biāo)為負(fù)向指標(biāo)。這樣，地下水埋深和降水量數(shù)據(jù)越大，越有利于保持表層土壤鹽分的平衡，而其他9個(gè)指標(biāo)則反映為數(shù)據(jù)越大，越不利于維持表層土壤鹽分的平衡。在具體數(shù)據(jù)處理時(shí)，對(duì)除地下水埋深和降水量以外的9個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化量值取其倒數(shù)，然后再對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

3 應(yīng)用與效驗(yàn)

2010年4 、5月份，在環(huán)渤海低平原區(qū)開展了一次全區(qū)土壤和地下水采樣工作，土壤和地下水配合對(duì)應(yīng)取樣，具體采樣方案是先確定地下水采樣點(diǎn)，實(shí)測(cè)水位埋深，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試水溫、鹽度、氧化－還原電位、pH和溶解氧質(zhì)量濃度，然后采集水樣。選取依賴此井水灌溉但取樣期間還沒(méi)有澆水的田塊采集土壤樣品，并對(duì)井位和土壤采樣點(diǎn)進(jìn)行GIS定位，采樣點(diǎn)間隔20km左右。土壤采樣分8層，總深度60 cm，上部20cm取4層，間隔5cm；下部40cm取4層，間隔10cm。土壤樣品測(cè)試項(xiàng)目為易溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、八大離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH，部分重點(diǎn)區(qū)的土壤還進(jìn)行了顆粒分析，地下水測(cè)試項(xiàng)目為簡(jiǎn)分析。野外工作共計(jì)對(duì)應(yīng)采樣104組，樣品測(cè)試單位具備國(guó)土資源部實(shí)驗(yàn)室甲級(jí)資質(zhì)，數(shù)據(jù)質(zhì)量保證了表層土壤鹽分平衡情勢(shì)評(píng)價(jià)工作的精確度，104組樣品數(shù)據(jù)基本滿足大尺度評(píng)價(jià)要求。

依據(jù)上述評(píng)價(jià)方法對(duì)環(huán)渤海低平原區(qū)表層土壤鹽分平衡情勢(shì)測(cè)評(píng)結(jié)果見(jiàn)表3和圖1。

邯鄲市和廊坊市的零星地區(qū)為“良”級(jí)區(qū)，面積為756.6km2，相對(duì)研究區(qū)9.6×104km2的總面積，僅占0.8%。在這些地區(qū)，淺層地下水埋深變化較大，7.0～30.0m 為主，礦化度為0.66～2.60g/L，即淡水或礦化度低的微咸水，鈉吸附比小于8，開發(fā)利用地下水對(duì)農(nóng)田灌溉不會(huì)對(duì)土壤造成積鹽效果；土壤質(zhì)地以粉質(zhì)中亞黏土為主，pH為6.97～7.85，w（Cl－）小于0.01%，表層、中層和底土層的初始含鹽量為0.040 2～0.079 0g/kg，土壤特性和初始鹽源都顯示為適宜作物生長(zhǎng)的非鹽漬化土壤，容納鹽分的能力較強(qiáng)。地下水和土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)指標(biāo)表明該區(qū)缺少充裕的鹽分來(lái)源，氣候因子在此情況下就發(fā)揮不了作用，土壤鹽漬化的潛在威脅就不存在，維持土壤鹽分平衡能力就較強(qiáng)。

表3 不同等級(jí)分區(qū)指標(biāo)屬性具體狀況Table 3 Differt grades partition indicators attributes specific situation

圖1 環(huán)渤海低平原區(qū)表層土壤鹽分平衡情勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.1 Balance situation evalution results of the surface soil salinity of the low plains area of the Bohai Sea

“中”級(jí)區(qū)的分布面積為25 717.1km2，占研究區(qū)總面積的26.8%，呈條帶狀分布在西部平原區(qū)，在南部濟(jì)南地區(qū)和東北部唐山樂(lè)亭地區(qū)也有分布。淺層地下水埋深為2.1～16.0m，大部分地區(qū)為10 m左右，礦化度為0.95～4.00g/L，以微咸水分布地區(qū)為主，鈉吸附比最大值為14，地下水灌溉對(duì)土壤和作物有影響。土壤質(zhì)地以粉質(zhì)中亞黏土為主，pH為7.01～8.46，偏堿性；w（Cl－）＜0.02%，作物能正常生長(zhǎng)。表層土壤含鹽量為0.051 9%～0.131 9%，中、底土層的初始含鹽量為0.053 4%～0.154 4%，為非鹽漬化土壤。綜合本區(qū)各項(xiàng)指標(biāo)情況，土壤自身含鹽量低，能接納一定的外部鹽分而不表現(xiàn)出鹽漬化特征，作物灌溉抽取的地下水中所含鹽分對(duì)土壤有一定影響，相應(yīng)地影響土壤維持鹽分平衡的能力。

“差”級(jí)區(qū)分布面積為56 592.2km2，占研究區(qū)面積的58.9%，位于研究區(qū)中部地區(qū)，是主體級(jí)別。該區(qū)淺層地下水埋深為2.0～10.0m，大部分地區(qū)為2.0～5.0m，地下水蒸發(fā)的臨界深度為2.5m。地下水礦化度為1.80～8.28g/L，以2.0～4.0g/L分布地區(qū)為主，全區(qū)分布程度不同的微咸水；鈉吸附比最大為78，灌溉后引起土壤堿化，需進(jìn)行水質(zhì)或土壤的預(yù)防性改良。表層、中層和底土層的初始含鹽量變化范圍為0.079 6%～0.411 8%，也就是，部分地區(qū)為中度鹽漬化土壤。本區(qū)以粉質(zhì)中亞黏土和粉質(zhì)重亞黏土為主，平均黏粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)19.0%，對(duì)土壤溶液中的鹽分有較強(qiáng)的吸附能力。在土壤自身表現(xiàn)為偏堿性、部分地區(qū)為鹽漬化特征質(zhì)量不佳的前提下，地下水位埋藏深度較小，使得高礦化度地下水中鹽分到達(dá)土壤的路徑較短，相同的蒸發(fā)動(dòng)力作用下，會(huì)有較多的地下水中鹽分通過(guò)毛細(xì)作用運(yùn)移儲(chǔ)存在土壤中。多種因素疊加的結(jié)果，該區(qū)土壤鹽分平衡情勢(shì)“差”。

“劣”級(jí)區(qū)分布面積為129 34.1km2，占研究區(qū)面積的13.5%，全部分布在研究區(qū)東部濱海平原。該區(qū)淺層地下水埋深0.4～2.6m，地下水礦化度為2.73～10.36g/L，以4.00～6.00g/L分布地區(qū)為主，即全區(qū)分布微咸水、半咸水。地下水鈉吸附比為31～82，灌溉對(duì)土壤的堿化危害程度非常高。土壤質(zhì)地以粉質(zhì)重亞黏土為主，平均黏粒體積分?jǐn)?shù)為22.47%，土壤越黏重，對(duì)鹽分的吸附性越強(qiáng)，土壤鹽分剖面積聚類型以表聚型為主［12］；酸堿度為7.09～8.87，偏 堿 性；Cl－質(zhì) 量 分 數(shù) 較 高，最 大 值 達(dá)0.521 2%，作物在此環(huán)境下開始死亡。567～682 mm的降水對(duì)于保持淺層地下水水位、150 0～202 9 mm的蒸發(fā)量對(duì)于地下水中鹽分向地表的運(yùn)移都起到一定作用。全區(qū)表層、中層和底土層的初始含鹽量較高，為0.114 4%～0.709 5%，表明部分地區(qū)為強(qiáng)鹽漬化土壤。總的來(lái)看，該區(qū)水位埋深淺和礦化度較高的地下水環(huán)境、黏重的土壤質(zhì)地和偏堿性特征、較強(qiáng)的降水和蒸發(fā)量、土壤自身較高的含鹽量因素都不利于土壤鹽分平衡的維持，土壤遭受鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)在全區(qū)占據(jù)首要地位。

4 結(jié)論與討論

從土壤安全和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量角度考慮，以表層土壤鹽分平衡為評(píng)價(jià)目標(biāo)，從地下水、氣候、土壤理化性質(zhì)和初始鹽源4個(gè)方面篩選了11個(gè)與表層土壤鹽分密切相關(guān)的影響因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建了一套評(píng)價(jià)表層土壤鹽分平衡情勢(shì)的指標(biāo)體系。以環(huán)渤海低平原區(qū)為典型區(qū)進(jìn)行的效驗(yàn)結(jié)果證明，評(píng)價(jià)方法具備有效性和適用性。

此評(píng)價(jià)方法可用于表層土壤鹽分平衡情勢(shì)的評(píng)價(jià)工作，評(píng)價(jià)結(jié)果將為土壤鹽漬化地區(qū)微咸水和咸水的灌溉提供有效依據(jù)，例如：評(píng)價(jià)結(jié)果“劣”級(jí)區(qū)，不宜繼續(xù)咸水灌溉；“差”級(jí)區(qū)應(yīng)控制咸水灌溉量，減少咸水?dāng)y帶進(jìn)入土壤中的鹽分；“中”級(jí)區(qū)適當(dāng)進(jìn)行灌溉，以避免土壤鹽分平衡情勢(shì)向不利于土壤安全和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的方向發(fā)展；“良”和“優(yōu)”級(jí)區(qū)可加大咸水灌溉量，但需注意監(jiān)測(cè)土壤鹽分。總之，土壤鹽分平衡情勢(shì)評(píng)價(jià)方法對(duì)于土壤安全和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的保證有指導(dǎo)意義。

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