蘇北濱海鹽堿土壤鹽堿化特征

王 彤， 封超年， 靳瑞萍， 張煥朝

(1.南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，江蘇南京 210037； 2.南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210037)

江蘇省位于我國大陸東部沿海中心，地處長江三角洲，長江以北有大面積淤積成陸的濱海沖積平原[1]。隨著河流入海口的不斷生長以及修筑海堤等活動的不斷進(jìn)行，每年可形成面積可觀的海涂[2]。國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致土地資源日益緊缺，而江蘇沿海地區(qū)有豐富的土地資源，但由于受海潮和海水型地下水的雙重作用，濱海地區(qū)土壤具有鹽分含量高、養(yǎng)分含量低、地下水礦化度高、土壤鹽堿化嚴(yán)重等特點，致使這些土地資源未能得到有效的利用。土壤鹽漬化是影響鹽土荒地和灘涂資源開發(fā)利用的主要障礙因素[3]。目前，圍繞沿海地區(qū)生態(tài)環(huán)境改良和鹽堿土利用的研究進(jìn)行得如火如荼，尤其是如何高效利用鹽堿地成為研究熱點[4]。改善生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的前提是對沿海土壤進(jìn)行改良利用，近年來江蘇北部沿海地區(qū)要求大面積植樹造林，而如何提高造林成活率，保證樹木健康生長，除了樹種的選擇外，弄清土壤鹽堿化特征是鹽堿地高效利用的前提。通過對大豐沿海林場土壤進(jìn)行采樣分析，研究該地區(qū)土壤全鹽含量與各離子之間的相關(guān)關(guān)系，對研究區(qū)土壤鹽化和堿化之間的關(guān)系進(jìn)行定量分析，并對土壤鹽分離子進(jìn)行主成分分析，得到在濱海鹽堿土壤鹽漬化過程中具有主導(dǎo)性和限制性的關(guān)鍵指標(biāo)，綜合全面反映土壤鹽堿化特征[5]。因此，本研究采用相關(guān)性分析和主成分分析方法對江蘇省鹽城市大豐沿海林場土壤鹽堿化特征進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期為該地區(qū)的鹽堿運移規(guī)律、鹽堿土改良與利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于江蘇省鹽城市大豐沿海林場，該區(qū)域于1991年開始進(jìn)行圍墾，南部與麋鹿自然保護(hù)區(qū)一堤之隔，為江蘇省沿海重點防護(hù)林，其淡水資源較為豐富，可為改良土壤提供比較充足的淡水水源，在1995年修建水利工程，引淡水洗鹽。圍墾區(qū)前期修建魚池，后期平整為農(nóng)田，截至2016年初已進(jìn)行了4～5年的水稻—小麥輪作。研究區(qū)范圍為 120°47′～120°48′ E，33°03′～33°04′N，總面積為100 hm2。

研究區(qū)地處北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候具有明顯的過渡性、海洋性和季風(fēng)性。年平均降水量為1 058.4 mm，雖然降水豐沛，但季節(jié)性分布不均，調(diào)蓄空間小[5]，主要集中在6—8月的雨季。多年平均蒸發(fā)量為825.5 mm，多年平均氣溫為14.1 ℃，無霜期為230 d左右。土壤屬于典型性的淤質(zhì)沖積鹽土，發(fā)育于海相沉積物，其沉積母質(zhì)為近代泥沙沉積物，全剖面土質(zhì)均勻，以粉沙為主，土壤容重在1.3～1.6 g/cm3之間，孔隙度為40%～50%。區(qū)域內(nèi)地下水位普遍較高，多為0.8～2.4 m，且礦化度較高[11]。

1.2 樣品采集和測試

1.2.1 樣品采集 2016年3月22日，根據(jù)大豐沿海林場土地利用現(xiàn)狀，將研究區(qū)大致分為4個區(qū)域，即將處于西北方向的區(qū)域視為1號區(qū)，西南方向的區(qū)域視為2號區(qū)，東北方向的區(qū)域視為3號區(qū)，東南方向的區(qū)域視為4號區(qū)，每個區(qū)域按照“S”型布設(shè)8個點，共32個。每個樣點采集0～10、10～20、20～40、40～60 cm土層的土樣，裝入塑封袋中并將同一區(qū)域不同采樣點相同層次的土樣充分混合，共得到128個混合土樣，取樣的同時，用全球定位系統(tǒng)(global positioning system，簡稱GPS)精確定位每個點，并記錄采樣點經(jīng)緯度和高程數(shù)據(jù)。

1.2.2 土壤樣品處理與分析測定 對采集后的樣品在室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)干處理，挑去植物根莖殘渣、瓦礫等，過1 mm篩，裝入塑封袋備用。測試土壤溶液是土水質(zhì)量比為1 ∶5的浸提液，采用電位法測定土壤pH值；采用殘渣烘干質(zhì)量法測定土壤全鹽含量；采用電導(dǎo)率測量儀測定土壤電導(dǎo)率；陽離子[鉀離子(K+)、鈉離子(Na+)、鈣離子(Ca2+)、鎂離子(Mg2+)]濃度的測定采用等離子發(fā)射光譜法；碳酸根離子(CO32-)、碳酸氫根離子(HCO3-)濃度的測定采用中和滴定法；氯離子(Cl-)濃度的測定采用硝酸銀滴定法；硫酸根離子(SO42-)濃度的測定采用硫酸鋇比濁法。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel對土壤全鹽含量、pH值進(jìn)行統(tǒng)計分析；采用SPSS 22.0對離子間以及各離子與全鹽、土壤pH值之間進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽分特征

2.1.1 土壤鹽分垂直分布特征 土壤的全鹽含量是表征土壤含鹽量大小及鹽漬化程度高低的重要指標(biāo)[6]。從表1可以看出，整個研究區(qū)土壤屬于輕度鹽漬化(1～2 g/kg)到中度鹽漬化(2～4 g/kg)。研究區(qū)表層(0～10 cm土層)土壤全鹽含量平均值為1.68 g/kg，且土壤全鹽含量整體隨著土層深度的增加呈降低趨勢，由此可見，研究區(qū)土壤全鹽含量呈現(xiàn)表聚型特征，主要是由于本次樣品采集時間為3月下旬，為該區(qū)的枯水期，春季強(qiáng)烈的蒸發(fā)環(huán)境加上植物的蒸騰作用，導(dǎo)致蒸發(fā)量大于降水量，含易溶性鹽類的地下水不斷向地表蒸發(fā)聚集，從而增加了表層土壤中可溶性鹽分的含量[7]。0～10 cm土層中的土壤全鹽含量平均值在2號區(qū)最小，3號區(qū)最大。土壤全鹽含量平均值整體隨著平均海拔的升高而降低。

變異系數(shù)是反映變量離散程度的重要指標(biāo)，鹽分在土壤剖面各土層中的變異系數(shù)在一定程度上揭示了鹽分在空間上的分布特征[8]。由表1可知，在4個區(qū)域中，1號、2號區(qū)域整個垂直面的土壤全鹽含量變異系數(shù)較大，其變異系數(shù)范圍分別在38%～48%、45%～63%之間，屬于中強(qiáng)度變異性。從土壤剖面垂直分布來看，1號、2號區(qū)域土壤全鹽含量變異系數(shù)隨著土層深度的增加呈先增大后減小的變化趨勢，主要是由于在采樣期間1號、2號區(qū)域已經(jīng)進(jìn)行了深耕，但隨著土層深度的增加，土壤鹽分受外界的干擾強(qiáng)度減小，鹽分分布均勻，全鹽含量的變異系數(shù)變小。3號、4號區(qū)域整個垂直面上表層的土壤全鹽含量變異系數(shù)最大。

表1 研究區(qū)土壤全鹽含量統(tǒng)計特征

2.1.2 土壤電導(dǎo)率和全鹽含量關(guān)系 土壤含鹽量可以反映鹽漬化的程度，由于土壤含鹽量不易測定，而電導(dǎo)率的測定具有可靠、經(jīng)濟(jì)、快速的特點，因此通常用電導(dǎo)率來指示土壤鹽漬化程度。不同地區(qū)的鹽堿土含鹽類型存在差異，深入研究本地區(qū)土壤全鹽含量與其1 ∶5土水質(zhì)量比浸提液電導(dǎo)率之間的關(guān)系對于確定區(qū)域鹽分狀況具有重要的理論及實用價值[9]。建立土壤全鹽含量(y)與電導(dǎo)率(x)的回歸方程，由圖1可知，二者呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(r2=0.942 9)，說明該地區(qū)可以通過電導(dǎo)率的快速測定來及時了解其土壤的鹽分背景，提高野外調(diào)查、土地利用規(guī)劃的效率，大量節(jié)省人力、物力和時間，且利于國內(nèi)外的交流[10]；同時可以通過測定電導(dǎo)率來計算土壤含鹽量，進(jìn)而對土壤的鹽漬化程度進(jìn)行分級。

2.2 不同土層土壤鹽分離子特征

由圖2可知，土壤鹽分中的陽離子主要為Na+，各土層Na+含量占該土層土壤陽離子總量的50%以上，最多可達(dá)82%；Ca2+次之，占陽離子總量的10%以上，最多可達(dá)32%。在各層土壤中，Mg2+含量最少。隨著土層深度的增加，Na+、Ca2+、K+、Mg2+含量整體呈降低趨勢，與土壤全鹽含量的變化趨勢一致。從陰離子組成來看，各層土壤中的SO42-含量明顯高于Cl-、CO32-和HCO3-。SO42-在陰離子總量中的占比最大，為71%～79%，Cl-次之，其次是HCO3-。SO42-含量隨土層深度的增加而降低，HCO3-含量隨深度的增加變化幅度不大，CO32-濃度隨深度的增加而增大。0～10、10～20、20～40、40～60 cm土層Cl-/SO42-毫克當(dāng)量比值分別為0.14、0.16、0.16、0.19，隨土層深度的增加，Cl-/SO42-毫克當(dāng)量比值整體呈增大趨勢，根據(jù)當(dāng)土壤Cl-/SO42-離子毫克當(dāng)量比值小于0.2時為硫酸鹽土的分類方法，該地區(qū)土壤的主要鹽分類型為硫酸鹽。0～60 cm土層的鹽分由硫酸鹽過渡至氯化物-硫酸鹽可能是地形因素以及鹽分溶解度不同(硫酸鹽的溶解度大于氯化物的溶解度)的綜合作用結(jié)果。CO32-在0～20 cm土層中的濃度非常小，在部分樣點20～40 cm 土層中的濃度也很小，一方面可能是因為研究區(qū)的土壤呈強(qiáng)堿性，CO32-容易與Ca2+、Mg2+形成碳酸鹽沉淀，另一方面可能是因為部分CO32-水解形成了HCO3-[11]。

2.3 土壤鹽分離子間的相關(guān)性

對各離子間的相關(guān)分析可揭示鹽分在土體中的存在形態(tài)，在一定程度上反映出鹽分的運動趨勢[12]。由表2可知，0～10 cm 土層全鹽含量與Mg2+、Na+、Cl-濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；Mg2+濃度與Ca2+、K+濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.778、0.814；Na+濃度與K+、Mg2+呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，其中Na+濃度與K+濃度相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)為0.900；K+、Mg2+、Na+濃度與Cl-濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；土壤全鹽含量與Mg2+、Na+、Cl-濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，說明全鹽含量隨著Mg2+、Na+、Cl-等濃度的增大而增加。10～20 cm 土層全鹽含量與Mg2+、Na+濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；土壤pH值與Ca2+、K+、Mg2+濃度呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；Ca2+、Na+濃度與Mg2+濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.820、0.836。20～40 cm 土層Ca2+、K+濃度與Mg2+濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；K+、Mg2+濃度與Na+濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；土壤pH值與Ca2+、Mg2+濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；土層全鹽含量與K+、Mg2+濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；CO32-濃度與HCO3-濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。40～60 cm土層土壤pH值同樣與Ca2+、Mg2+濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。說明在正常CO32-分壓下，CaCO3和MgCO3的溶解度很小，它們在土壤溶液中的濃度很低[12]；40～60 cm土層，pH值與CO32-濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，且土壤pH值變化規(guī)律跟CO32-濃度一致，說明土壤的酸堿性主要由CO32-濃度決定。

對比不同土層各鹽分離子之間的相關(guān)性可知，隨著土壤深度的變化，各離子間的相關(guān)系數(shù)也隨著改變，0～10 cm土層全鹽含量與Cl-濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，隨著土層深度的增加，全鹽含量與Cl-相關(guān)性整體明顯減弱，說明該地區(qū)土壤在經(jīng)歷脫鹽和積鹽過程中主要以硫酸鹽的運移為主，而氯化鹽在土壤中運移緩慢。0～60 cm土層CO32-濃度與HCO3-濃度的相關(guān)系數(shù)隨著深度增加而增大；K+濃度與Na+濃度的相關(guān)系數(shù)隨著深度的增加減小；Cl-濃度與SO42-濃度的相關(guān)系數(shù)隨著深度的增加而減小。

2.4 土壤鹽堿化參數(shù)與特征分析

2.4.1 土壤pH值垂直變化特征 土壤pH值是評價土壤鹽堿化程度的一個重要指標(biāo)，對土壤的氧化還原、沉淀溶解、吸附、解吸和配合反應(yīng)起到支配作用[12]。由表3可知，研究區(qū)土壤pH值隨土層深度的增加而增大，主要是由于土壤受到海水性地下水的影響，礦化程度高的地下水源受到土壤膠體結(jié)合的Na+、Mg2+等陽離子的吸引，使得堿性離子基團(tuán)富集在下層土壤，表現(xiàn)為深層土壤pH值更為偏高且堿化程度更大、更穩(wěn)定的特點。由于在鹽分的淋失過程中，土壤中的Na+大量置換土壤膠體所吸附的Ca2+和Mg2+并附著在土壤膠體上，導(dǎo)致土壤pH值增大，土壤堿性增強(qiáng)。0～10 cm土層pH值最大值為9.02，最小值為8.21，平均值為8.54，40～60 cm土層pH值最小值為8.57，根據(jù)堿化級別劃分標(biāo)準(zhǔn)，土壤pH值在8.5～9.5之間為強(qiáng)堿性土，說明研究區(qū)土壤為強(qiáng)堿性土壤。從研究區(qū)土壤pH值的變異系數(shù)來看，各土層的變異系數(shù)均較小，在2.10%～2.16%之間，說明土壤的pH值空間分布均勻，受外界干擾小。

2.4.2 鹽化和堿化的關(guān)系 土壤中的堿性物質(zhì)主要包括鈣、鎂、鈉的碳酸鹽和碳酸氫鹽，以及膠體表面吸附的交換性鈉。交換性Na+水解呈強(qiáng)堿性反應(yīng)，是堿化土的重要特征[13]，H+取代了Na+而失去活性，交換的結(jié)果是產(chǎn)生了OH-，使土壤的pH值升高。本研究結(jié)果顯示，研究區(qū)的土壤pH值在8.21～9.48范圍內(nèi)，土壤pH值隨著土壤含鹽量的增加而降低(圖3)，說明土壤溶液中較高的鹽濃度可抑制堿性鈉的水解，從而使土壤堿化程度降低[12]。

2.5 土壤鹽分離子主成分分析

通過對Ca2+濃度、K+濃度、Mg2+濃度、Na+濃度、Cl-濃度、pH值、全鹽含量等10個變量進(jìn)行主成分分析，建立具有代表性和限制性的土壤鹽漬化特征因子，用于合理評價研究區(qū)土壤鹽漬化狀況，以便為該區(qū)域土壤鹽漬化改良和利用提供針對性的理論依據(jù)[14]。對特征因子進(jìn)行主成分分析，獲得各主成分特征值及貢獻(xiàn)率，結(jié)果(表4)表明，前3個主因子的特征值大于1，第1、第2、第3主成分的特征值分別為3.88、1.72、1.26，所對應(yīng)的貢獻(xiàn)率分別為38.84%、17.21%、12.64%，累計貢獻(xiàn)率為68.69%，表明前3個主成分可以反映原10個變量信息中的絕大部分。

表2 整個剖面鹽分離子間的相關(guān)性

注：“*”“**”分別表示在0.05、0.01水平上顯著相關(guān)。

表3 不同層次土壤pH值及其變異系數(shù)

主成分因子載荷是主成分因子與原始變量因子之間的相關(guān)系數(shù)[15]。為了使找到的主因子更易于解釋，往往須要對因子載荷矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使大的載荷更大，使小的載荷更小[16]。由表5可知，與第1主成分密切相關(guān)的是K+、Mg2+、Na+、Cl-濃度及全鹽含量，載荷值分別為0.861、0.682、0.906、0.538、0.553，說明第1主成分與K+、Mg2+、Na+、Cl-濃度及全鹽含量相關(guān)性較高，因此在實際意義上可以代表土壤鹽化程度。與第2主成分密切相關(guān)的是Ca2+、Mg2+、SO42-濃度，載荷正向負(fù)荷值分別為0.784、0.626、0.672，即這3個指標(biāo)與土壤鹽漬化關(guān)系密切，進(jìn)一步說明影響該地區(qū)土壤鹽漬化的鹽分主要是硫酸鹽[14]。與第3主成分密切相關(guān)的是Cl-、HCO3-、CO32-濃度，它們的載荷值相對較高，分別為0.605、0.883、0.586，其中HCO3-、CO32-2個離子不僅是鹽分組成，而且總堿度=CO32-濃度+HCO3-濃度，由此說明第3主成分可代表鹽漬化土壤的鹽堿狀況特征。

表4 土壤鹽漬化主成分的特征根與方差貢獻(xiàn)率

表5 旋轉(zhuǎn)后主成分因子載荷

3 結(jié)論

研究區(qū)鹽分組成總體以硫酸鹽為主。土壤屬于輕度鹽漬化到中度鹽漬化，土壤全鹽含量隨土層深度的增加而降低，呈現(xiàn)表聚的特征。土壤pH值介于8.21～9.48范圍內(nèi)，為強(qiáng)堿性土壤，且土壤pH值隨土壤含鹽量的增加而降低。電導(dǎo)率和土壤全鹽含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，用電導(dǎo)率來表示土壤含鹽量具有可行性。

研究區(qū)土壤中占主要優(yōu)勢的陽離子、陰離子分別是Na+、SO42-。對各離子之間的相關(guān)性分析結(jié)果表明，在各土層中Ca2+濃度與Mg2+濃度始終表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤pH值與Ca2+、Mg2+濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；在40～60 cm土層，pH值與CO32-濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，而土壤pH值變化規(guī)律與CO32-濃度一致，說明土壤的酸堿性主要由CO32-濃度決定。K+、Mg2+、Na+、Cl-濃度以及全鹽含量是表征蘇北濱海土壤鹽化程度的主要特征因子。影響土壤堿化特征的主要因子有Cl-、HCO3-、CO32-。