天津大黃堡沼澤濕地土壤鹽漬化特征及其對長期開墾的響應

畢 琳 ，郭長城 ，尚云濤 ，張志罡 ，宋莉群 ，朱源山 ，李媛媛 ，陳 清 ，王義東 ，王中良

（1.天津師范大學天津市水資源與水環境重點實驗室，天津300387；2.天津師范大學地理與環境科學學院，天津300387）

濕地是自然界生物多樣性最為豐富的生態系統和人類最重要的生存環境之一，是一種極為重要的自然資源，與森林、海洋并稱為全球三大生態系統，具有巨大的社會經濟價值和生態價值[1-2].沼澤濕地是濕地中典型的類型之一，也是研究濕地鹽分變化和鹽漬化特征的重要組成部分[3].天津濕地分布廣泛，是環渤海沿岸濕地的典型代表[4].天津地區濕地面積所占比例遠高于全國平均水平，因此研究天津濕地土壤鹽漬化特征及其環境響應，對天津的經濟社會發展具有重要意義[5-6].土壤鹽漬化是造成環境惡化的主要因素之一，對荒漠化的發展具有重要推動作用[7-8].鹽漬化土壤會對周圍水體產生鹽污染，影響地下水的利用，甚至導致地下水質惡化[9-10].鹽漬土還限制了農業土地利用和糧食生產[11-14].

隨著我國工業技術的發展和城鎮化步伐的加快，人口越來越多，導致大面積濕地被開墾[15-16].近幾十年來，由于一些不合理開墾，導致鹽漬化土壤在耕地中所占的比例越來越大，部分地區土壤鹽漬化還有加重趨勢，這對我國的糧食安全和國民經濟發展造成了嚴重威脅[17].大黃堡濕地自然保護區是天津濱海濕地自然保護區的重要組成部分，也是天津濕地長期開墾為農田的代表區域.目前已有關于濱海地區土壤堿化特征和鹽分含量的研究報道[18-20]，但對于天津大黃堡濕地及開墾的研究較少.本課題組以天津大黃堡沼澤濕地為研究對象，探討土壤鹽漬化特征及其對長期開墾的響應，為天津濱海生態環境保護管理和區域經濟社會發展提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

大黃堡濕地自然保護區位于天津市武清區，屬于天津近海鹽堿土典型代表區域，采樣區位置如圖1所示.

Fig.1 Locations of sampling area圖1 采樣區位置圖

大黃堡濕地自然保護區成立于2004年9月，是由草甸、沼澤、水體和動植物等組成的濕地生態系統.該保護區位于中緯度，在 117°10′33″～117°19′58″E 和39°21′4″～39°30′27″N 之間，總面積約 112 km2，其中耕地面積約6.7 km2.保護區屬于典型暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫約為11.6℃，年降水量約為578.3 mm，年平均日照時數約為2 752.2 h，日照率為62%，年平均風速約為3.2 m/s，四季變化明顯.4條河渠貫穿該保護區，包括龍鳳新河、柳河干渠、黃沙河排水干渠和東糧窩引河.該保護區依托這4條河渠長年積水，水源充足，地勢平坦，坡度平緩，適宜草甸、蘆葦、苔草等植被生長.

1.2 實驗設計與采樣

選取天然蘆葦濕地和周邊開墾農田（約100 a）為樣地，采用剖面鉆土取樣.選用 0～5、5～10、10～20、20～30、30～50、50～70、70～100 cm 共 7 層土壤.按照“S”形線路采樣法[21]，選取3個采樣小區（即3組重復），在每個小區隨機設置2組土壤剖面，把剖面中相同層次的土壤進行混合，裝袋、編號并帶回，共42個土壤樣品.樣品在實驗室內風干，去除動植物殘體、石塊和結核，然后粉碎研磨過60目篩子，混勻，密封保存，備用.

1.3 土壤水溶性鹽分測定

依據文獻[22]測定土壤的水溶性鹽分，測定指標包括土壤pH值、電導率、陰離子（Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-）含量（每千克土壤中的離子質量，單位為g/kg，下同）、陽離子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+）含量、土壤水溶性鹽分總量（8種離子含量之和）.稱取篩分后的土壤10 g，置入25 mL清潔燒杯中，加入超純水25 mL，震蕩5 min，靜置20 min，提取上清液，測定pH值（水土質量比為2.5∶1）.采用5∶1的水土比例（質量比），測試土壤電導率，方法同上.研究土壤鹽漬化運動規律時，采用5∶1的水土比對土壤水溶性鹽分浸提.水土充分混合均勻后，震蕩5 min，在4 000 r/min速率下離心，提取上清液，過濾，濾液待上機.利用離子色譜儀（戴安 ICS-2100）測定 Cl-、SO42-的含量，用雙指示劑-中和滴定法測定CO32-、HCO3-的含量，利用電感耦合等離子體發射光譜儀（PE Optima 8300）測定 Na+、K+、Ca2+、Mg2+的含量.

將測定的各離子含量轉化成物質的量的濃度（cmol/kg），計算鈉吸附比（SAR）、堿化度（ESP）和殘余碳酸鈉（RSC），計算公式[22-23]：

采用Arc GIS Arc Map 10.2軟件制作采樣區圖，采用SPSS Statistics 19（IBM）軟件進行相關性分析和統計檢驗，選用Pearson相關性分析方法對含鹽量與各土壤鹽分離子以及各離子間的關系進行相關性分析.使用Sigma Plot 10.0軟件進行繪圖.

2 結果與分析

2.1 土壤酸堿性

大黃堡沼澤濕地土壤的pH值為6.97～8.21，農田土壤的pH值為8.10～8.52.隨著土層深度的增加，土壤pH的變化如圖2所示.由圖2可以看出，樣地土壤大體呈微堿性-堿性，僅沼澤濕地在0～5 cm土層的pH值為6.97.濕地和農田土壤pH值都隨著土層深度的增加而增大，且0～20 cm土層深度的pH值急劇增加.在同一土層深度，農田土壤的pH值顯著高于沼澤濕地（P<0.05），這說明天然沼澤濕地經長期開墾后，土壤堿性增強.

Note： *，P<0.05.

2.2 土壤電導率和含鹽量

大黃堡沼澤濕地和農田的土壤電導率如圖3所示.

圖3 天津大黃堡沼澤濕地和農田土壤的電導率Fig.3 Conductivity of soil in the marsh wetland and farmland of Dahuangpu in Tianjin

由圖3可以看出，沼澤濕地電導率在表層土壤（0～5 cm）處最高，為1.77 mS/cm，隨著土層深度的增加，電導率在0.74～0.81 mS/cm間波動，這說明沼澤濕地的水鹽交換相對活躍區僅位于表層，深層土壤的水鹽交換較不活躍.農田土壤的電導率在0～10 cm處最高，隨著土層深度的增加，電導率下降，尤其是10～30 cm土層下降幅度較大，這說明濕地經過長期開墾后，水鹽交換在0～10 cm土層相對活躍.沼澤濕地土壤在表層土（0～5 cm）和深層土（30～100 cm）的電導率高于農田土壤的數值，中間土層（5～30 cm）的電導率低于后者.

我國鹽化土壤的鹽漬化程度以含鹽量（質量分數，下同）為指標進行分類[23]，可分為非鹽化土（含鹽量＜0.1%）、輕度鹽化土（含鹽量為0.1%～0.2%）、中度鹽化土（含鹽量為0.2%～0.4%）、強度鹽化土（含鹽量為0.4%～0.6%）和鹽土（含鹽量＞0.6%）.圖4為沼澤濕地和農田土壤的含鹽量.由圖4可以看出，大黃堡沼澤濕地的土壤含鹽量均高于0.1%，0～5cm表層土為0.247%，這表明沼澤濕地表層土為中度鹽化土，其他土層均為輕度鹽化土.由于該地區降雨量較少，表層蒸發量大，表層易受影響，因此含鹽量高.農田土壤僅在0～10 cm土層深度的含鹽量高于0.1%，為輕度鹽化土，其余土層為非鹽化土.農田土壤含鹽量隨著土層深度的增加而降低，在相同的土層處含鹽量均低于沼澤濕地的數值，這表明長期開墾顯著降低了土壤的含鹽量.

圖4 天津大黃堡沼澤濕地和農田土壤含鹽量Fig.4 Salt content of soil in the marsh wetland and farmland of Dahuangpu in Tianjin

2.3 土壤鹽分組成及其相關關系

土壤鹽漬化類型以Cl-和SO42-的當量比值（Theratio of Cl-to SO42-，R）進行劃分[24-25]，分為硫酸鹽型（R＜0.5）、氯化物-硫酸鹽型（0.5≤R＜1.0）、硫酸鹽-氯化物型（1.0≤R＜4.0）和氯化物型（R≥4.0）4種類型.如表 1所示，大黃堡濕地0～10 cm土層為硫酸鹽型，10～20 cm土層為氯化物-硫酸鹽型，20～100 cm土層為硫酸鹽-氯化物型.開墾后，0～100 cm深度的土壤主要為硫酸鹽-氯化物型，僅在20～30 cm土層為氯化物-硫酸鹽型.

表1 天津大黃堡沼澤濕地和農田土壤鹽漬化類型Tab.1 Types of soil salinization in the marsh wetland and farmland of the Dahuangpu in Tianjin

大黃堡沼澤濕地和農田土壤的鹽分組成如圖5所示.由圖5（a）可以看出，2種土壤中的陽離子均以Na+為主，占陽離子總量的70%～91%（質量分數，下同）.開墾后，70～100 cm土層的K+質量分數顯著增加.總的來看，不論是表層土還是深層土，長期開墾對大黃堡沼澤濕地陽離子所占比例的影響不顯著.由圖5（b）可以看出，2種土壤的陰離子基本是以Cl-和SO42-為主，Cl-占 30%～50%，SO42-占 37%～50%.沼澤濕地 0～20 cm土層SO42-占64%～85%，開墾改變了該土層的SO42-和Cl-含量，使得Cl-含量增加，SO42-含量降低.

圖5 天津大黃堡沼澤濕地和農田土壤鹽分組成Fig.5 Salt composition of soil in the marsh wetland and farmland of Dahuangpu in Tianjin

分析沼澤濕地和農田土壤中 Na+、Mg2+、K+、Ca2+4種陽離子隨土層深度增加的變化趨勢，結果如圖6所示.由圖6可以看出，沼澤濕地和農田土壤中Na+含量均隨著土層深度的增加而增加，30～50 cm土層達到最大值后緩慢降低.0～50 cm土層中，沼澤濕地的Na+含量均低于農田土壤中的數值，深層土壤中的Na+含量則高于后者.沼澤濕地的K+隨土層深度增加先快速增加，5～10 cm土層中含量最大，此后降低，50 cm后又隨著土層深度的增加略有增加.農田土壤0～30 cm土層中，K+含量隨著土層深度的增加緩慢降低，隨著土層深度的進一步增加，K+的含量開始增加.Mg2+和Ca2+的變化趨勢相同，在2種土壤中均先隨著土層深度的增加而降低，土層超過50 cm深后，2種離子的含量呈增加趨勢.比較2種土壤中的陽離子的含量，淺層至中層土中（0～50 cm），沼澤濕地Na+的含量低于農田土壤中的數值，其余3種陽離子則高于后者，深層土壤中則相反.

圖6 天津大黃堡沼澤濕地和農田土壤陽離子含量Fig.6 Cation content in soil in the marsh wetland and farmland of Dahuangpu in Tianjin

沼澤濕地和農田土壤中的陰離子隨土壤深度增加的變化情況如圖7所示.由圖7可以看出：隨著土層深度的增加，沼澤濕地土壤的Cl-含量呈增加趨勢；SO42-含量在0～30 cm土層急劇下降，30～100 cm土層呈緩慢下降趨勢；CO32-含量呈先增加后降低趨勢，在20～30 cm土層達到最大值；SO42-含量則基本保持恒定.農田土壤中，Cl-和CO32-含量呈略微下降趨勢，HCO3-和CO32-含量則隨著土層深度的增加呈顯著上升趨勢.2種類型的土壤相比，在淺層土壤中，農田土壤的Cl-含量顯著高于沼澤土壤，SO42-含量顯著低于沼澤土壤（P<0.05），深層土中二者則相反；農田土壤的HCO3-和CO32-含量始終高于沼澤土壤中的數值.總的來看，長期開墾主要影響土壤0～20 cm土層中的Cl-和SO42-含量，顯著增加了土壤CO32-的含量（P<0.05）.

研究土壤鹽分離子間的相關性不僅可以反映出離子的存在形態，也可以分析土壤離子的遷移特性.大黃堡沼澤濕地和農田土壤離子間的相關性分析結果如表2所示.

圖7 天津大黃堡沼澤濕地和農田土壤陰離子含量Fig.7 Anion content in soil in the marsh wetland and farmland of Dahuangpu in Tianjin

表2 天津大黃堡沼澤濕地和農田土壤鹽分離子間的相關性Tab.2 Correlation between salt content and ions of soil in the marsh wetland and farmland of Dahuangpu in Tianjin

由表2可以看出：在沼澤濕地中，含鹽量與Na+、Mg2+、K+、Ca2+、Cl-和 SO42-含量呈顯著正相關（P ＜ 0.05），與HCO3-和CO32-含量呈負相關，但相關性不具有統計學意義（P ＞ 0.05）；CO32-含量與 Mg2+、K+、Ca2+、Cl-和SO42-含量呈顯著負相關（P<0.05）；SO42-含量與 Mg2+、K+、Ca2+和 Cl-含量呈顯著正相關（P ＜ 0.05）；Cl-含量與 Mg2+、K+和 Ca2+含量呈顯著正相關（P ＜ 0.05）；Mg2+、K+和 Ca2+3種離子含量互相呈顯著正相關（P＜0.05）.農田土壤含鹽量與 Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-和 HCO3-含量呈顯著正相關（P ＜ 0.05）；HCO3-含量與 Mg2+、Ca2+、Cl-和 SO42-含量呈顯著正相關（P ＜ 0.05）；SO42-含量與 Mg2+、K+和Ca2+含量呈顯著正相關（P ＜ 0.05）；Cl-含量與 Na+含量呈顯著正相關（P ＜0.05）；Mg2+、K+和 Ca2+3種離子含量互相呈顯著正相關（P＜0.05）.沼澤濕地經過長期開墾，總體上削弱了鹽分離子間的相關性，尤其是顯著削弱了CO32-含量與其他離子的相關性，但顯著增強了HCO3-與含鹽量和其他離子的相關性，也增強了Na+含量與Cl-含量的相關性.這與馮小平等[3]的研究結果一致，即在長期開墾過程中，土壤 Mg2+、K+、Ca2+和 SO42-有相似的遷移特性.

2.4 土壤堿化程度

鈉吸附比（SAR）、堿化度（ESP）和殘余碳酸鈉（RSC）是評價土壤堿化程度的重要指標[3].土壤鹽分組成不同，對土壤的危害程度也不同，對土壤危害程度最大的陽離子就是Na+[26].鈉吸附比是土壤中Na+占Mg2+和Ca2+之和的相對數量，用于分析Na+的危害程度[27].在鹽堿化土壤中，Na+含量過高會抑制作物對其他陽離子的吸收，降低作物對土壤養分的利用，影響作物正常生長發育.堿化度是堿化土壤分級的重要指標，以鈉堿化度為例，具體分級標準[28]為：ESP＜5%為非堿化土；5%～10%為輕度堿化土；10%～20%為中度堿化土；20%～40%為重度堿化土；ESP＞40%為堿土.殘余碳酸鈉常用來表示從重碳酸鹽水中沉淀出碳酸鈣的趨勢和碳酸鈉的危害程度[29].大黃堡沼澤濕地和農田土壤的堿化參數如表3所示.

表3 天津大黃堡沼澤濕地和農田土壤的堿化參數Tab.3 The alkalization parameters of soil in the swamp wetland and farmland of Dahuangpu in Tianjin

由表3可以看出，大黃堡沼澤2種土壤的鈉吸附比是4.0～8.5，濕地0～20cm土層的鈉吸附比小于農田，20～100 cm土層的鈉吸附比則高于農田.這說明濕地開墾后，Na+的危害在0～20 cm土層升高，在20～100 cm土層降低.濕地5～10 cm土層和農田70～100 cm土層的堿化度分別為4.60%和3.19%，為非堿化土；其余濕地和農田土層的堿化度為5%～10%，為輕度堿化土.濕地0～20 cm土層的堿化度低于農田，20～100 cm土層的堿化度則高于農田.這表明濕地開墾后，0～20 cm土層的堿化度升高，20～100 cm土層的堿化度降低.長期開墾后，農田土壤中殘余碳酸鈉含量比天然沼澤濕地中的含量高，70～100 cm土層更是顯著增加，但2種土壤類型的殘余碳酸鈉值總體上都比較低，對土壤危害較小.

3 結論

本研究對天津大黃堡天然沼澤濕地及其周邊開墾農田的土壤鹽漬化特征進行分析，探討了濕地土壤鹽分對長期開墾的響應，得到以下結論：

（1）大黃堡沼澤濕地和周圍農田均為微堿性土壤，長期開墾后，各層土壤的pH值均升高，除了10～20 cm土層的差異較小外，其余土層中，農田土壤的pH值都顯著高于沼澤濕地的數值（P＜0.05），這說明開墾后的土壤有堿化趨勢，但各堿化參數升高的并不顯著.

（2）開墾顯著降低了50～100 cm土層的電導率和含鹽量.農田土壤含鹽量隨著土層深度的增加而降低，且低于沼澤濕地相同土層的含鹽量，這是由于濕地開墾后易受雨水淋溶、表層蒸發等作用的影響，土壤出現了脫鹽現象，即長期開墾降低了整個土層的鹽分含量.

（3）濕地 0～10 cm 土層為硫酸鹽型，20～100 cm 土層為氯化物-硫酸鹽型和硫酸鹽-氯化物型.經過開墾后，0～100 cm土壤為氯化物-硫酸鹽型和硫酸鹽-氯化物型；0～30 cm 土層 Cl-含量增加，SO42-含量降低，10～100 cm土層CO32-含量增加，70～100 cm土層K+含量顯著增加.長期開墾顯著影響了鹽分離子間的相關性，特別是增加了Cl-與Na+和HCO3-的相關性，降低了Cl-與 Mg2+、K+、Ca2+、SO42-、CO32-的相關性，表明 Cl-與 Na+遷移性相似、Mg2+、K+、Ca2+和 SO42-遷移性相似.

（4）開墾后，鈉吸附比和堿化度在20～100 cm深度土層有所降低，這表明開墾降低了Na+的危害.雖然農田土壤中殘余碳酸鈉含量比天然沼澤濕地高，但兩種土壤類型的殘余碳酸鈉值都比較低，對土壤危害影響較小.