察汗淖爾干涸湖區土壤鹽漬化對地下水位響應

司樂天, 張冰, 馬榮, 陳鵬

(1.中國地質科學院水文地質環境地質研究所, 石家莊 050061; 2.河北地質大學城市地質與工程學院, 石家莊 050031)

有“懸在北京頭上的沙源地”之稱的壩上高原,位于中國北方l1個省區的萬里風沙線上,緊鄰北京外圍,其生態環境的變化直接影響到京津冀協同發展區的生態安全。壩上高原分布眾多湖泊,在20世紀50年代,區域內有湖淖1萬多個,水域面積6萬多hm2,濕地面積26萬hm2,分別占到壩上地區總面積的5%和22%[1]。湖泊總面積雖小,但在區域水循環、生物多樣性、生態屏障建設中具有重要意義。受氣候變化與人類活動的影響,2019年壩上地區常年有水的大小湖淖僅剩200余個,水域面積1.43萬hm2,濕地面積僅剩16.1萬hm2,分別占壩上高原總面積的1.18%和13.4%[2]。湖泊、濕地總體呈萎縮狀態,察汗淖、白淖、哈沙圖諾爾等湖泊已基本干涸,湖區退化為寸草不生的鹽堿灘地[3],成為潛在鹽塵源。

大量研究表明鹽塵暴爆發需有三個必要條件:表層土壤鹽漬化、適宜風力條件、裸露地表,其中土壤表層鹽漬化對鹽塵暴具有重要控制作用[4-5]。

針對表層土壤鹽漬化問題,目前中外學者普遍認為鹽漬化的物質來源于地下水,且地下水位埋深對土壤含鹽量影響較大[6-9]。地下水埋深直接關系到土壤毛細水能否達到地表,使土壤產生積鹽[10-12]。雖然淺層地下水對土壤積鹽的影響較大,并能決定土壤的積鹽程度,但是當地下水位高于臨界深度時,土壤并非都處于積鹽狀態,只有在當地地質、水文、生態處于一定條件下時,才會形成土壤表層積鹽[13]。近年來中外學者進行大量研究[14-18],分析了地下水埋深與土壤鹽分之間的關系,徐存東等[19]利用主成分分析方法對與土壤鹽漬化相關的離子進行分析,但并未找到可有效調控土壤鹽漬化的影響因素,麥麥提吐爾遜·艾則孜等[20]利用地下水位埋深與地下水溶解性總固體(total dissolved solids,TDS)值對新疆伊犁河流域土壤鹽漬化情況進行研究,但對于影響因素的選取并沒有詳細闡明。白玉峰[21]對降雨量、蒸發量對土壤鹽漬化的影響進行了分析;鄭博文等[22]探討了土壤沙粒、黏粒含量對土壤表層含水情況的影響進行了分析。

現以壩上高原察汗淖爾流域湖心平原地區為研究區,利用皮爾遜相關性分析及協方差分析從地下水位埋深、TDS、蒸發量、降雨量、土壤沙粒含量、黏粒含量6項影響因素中選擇最重要的表層土壤含鹽量影響因素,并利用二項高斯函數對地下水位埋深-土壤含鹽量進行擬合回歸。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

察汗淖爾流域位于41°N～42°10′N,113°10′E～114°30′E,處于內蒙古烏蘭察布市、河北省張家口市交界處,內蒙古高原南緣,即壩上高原地區。察汗淖爾流域位于壩上高原最西段,是全區最低點。流域地勢四周高中間低,切割較強烈,溝谷發育;中部為商都盆地,地面較平坦,向東南部微傾斜,海拔約1 274 m,盆地北、南、西南側較高,海拔1 380 m左右,沖溝較為發育。流域內北部、東北部為平緩狀的低山丘陵地區,海拔相對較高;中部為山前崗阜狀坡地與波狀高原地區,最低海拔為1 270 m。察汗淖爾流域土壤鹽漬化問題針對流域中央的平原地區進行研究。圈定鹽漬化研究區總面積為728.05 km2,具體研究區范圍如圖1所示。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

1.2 數據采集

在研究區內,均勻采集860組表層土壤樣品,在實驗室對土壤進行處理,清除土壤內的有機質,以去離子水使土壤樣品呈懸濁液狀態,利用馬爾福激光粒度儀-2000進行粒度測試,通過激光衍射法進行土壤內成分粒度,得到土壤各粒度區間數據,并以此計算含鹽量。利用土壤電導率及鹽分一體測試儀進行實驗,通過土壤電導率測定土壤內鹽分含量;并得到土壤沙粒含量、黏粒含量數據。將兩種儀器測得土壤鹽分含量進行對比分析,并通過地統計學插值計算得到研究區土壤鹽漬化分布情況。在整個流域范圍之內,對現存水井進行調查,測量淺層水井地下水位。并采集水樣,在實驗室內依照國家相關標準:地下水質分析方法(DZ/T0064.49—2021)對地下水TDS值進行測定。收集研究區降雨量、蒸發量數據。

研究區土壤采集點與水樣采集點如圖2所示。

圖2 研究區水樣土樣采樣點Fig.2 Sampling points of water and soil samples in the study area

1.3 分析方法

利用反距離權重法對土壤含鹽量、地下水位埋深、TDS、研究區土壤黏粒含量、沙粒含量進行插值,將收集到的數據進行一一對應,將蒸發量、降雨量柵格數據進行對應,將研究區內對應好的數據提取至表格中。利用皮爾遜相關系數法求各影響因素與土壤含鹽量的相關系數,利用協方差矩陣對各影響土壤鹽漬化程度的因素進行分析,將影響程度最高的幾個要素提取出來,分區繪制各區間的土壤鹽漬化—地下水位埋深回歸曲線。

2 結果與分析

2.1 地下水位埋深與土壤鹽漬化程度的相關性分析

按土壤含鹽量對土壤鹽漬化程度進行分級[23]。具體分級情況如表1所示,土壤鹽漬化空間分布情況如圖3所示。

表1 土壤含鹽量-鹽漬化程度分級表

圖3 土壤鹽漬化空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil salinization

察汗淖爾流域湖區周圍平原區為鹽漬化重點研究區。在該區域內,湖心周圍鹽漬化情況最為嚴重,外圍鹽漬化情況相對較輕。鹽漬化區總面積728.05 km2。其中,非鹽漬土占地面積為243.16 km2,輕度鹽漬土占地面積為117.8 km2,中度鹽漬土占地面積為129.28 km2,重度鹽漬土占地面積為144.85 km2,鹽土占地面積為92.46 km2。

通過過往研究成果及感性認識可知,地下水位埋深與土壤含鹽量之間的關系呈偏正態曲線擬合,即隨地下水位埋深的上升,土壤含鹽量先上升后下降。研究區各地下水位埋深的表層土壤鹽漬化情況如圖4所示。

圖4 研究區地下水位埋深-土壤含鹽量散點圖Fig.4 Scatter diagram of buried groundwater level and soil salt content in the study area

將地下水位埋深在土壤含鹽量峰值進行分區,分別計算土壤含鹽量隨地下水位埋深增加與下降兩段的相關系數:在地下水位埋深為0.5～1.6 m時,土壤含鹽量與地下水位埋深相關系數為0.97,有較強的正相關性。在地下水位埋深為1.6～9.3 m時,二者的相關系數為-0.66,有較強的負相關性。全區間地下水位埋深與土壤含鹽量相關系數為-0.73,整體具有較強的負相關性。

2.2 鹽漬化影響因素分析

通過對地下水位埋深、TDS、研究區蒸發量、降雨量、土壤沙粒、黏粒百分含量的空間分布觀察可知,這6個因素與土壤鹽漬化皆有一定的相關性。土壤樣品取樣點所對應的含鹽量及各影響因素箱型圖如圖5所示。

圖5 土壤含鹽量及其影響因素箱型圖Fig.5 Box diagram of soil salt content and its influencing factors

利用皮爾遜系數法分別求各影響因素與土壤含鹽量的相關系數:設土壤含鹽量為Xi、地下水位埋深為Ai,則地下水位埋深與土壤含鹽量的皮爾遜相關系數為

(1)

式(1)中:ρ(X,A)為地下水埋深和土壤含鹽量的相關性系數;cov(X,A)為地下水埋深與土壤含鹽量的協方差;σX、σA分別為土壤含鹽量與地下水位埋深的標準差。

TDS、研究區蒸發量、降雨量、土壤沙粒、黏粒百分含量與圖讓人含鹽量相關性計算方法與地下水位埋深相同。求得各影響因素與土壤含鹽量相關系數如表2所示。

表2 各影響因素相關系數

可以看出,各影響因素與土壤含鹽量皆相關。考慮到6個影響因素之間同樣存在線性相關關系,互相影響。若只考慮選取與土壤含鹽量相關性最大的影響因素進行分析,可能由于所選取因素間的相關關系影響分析結果。

對6個土壤鹽漬化影響因素進行協方差特征分析[24-25],選取相關性最小且對土壤含鹽量影響較大的影響因素進行擬合分析。

由于各影響因子量綱不同,導致各影響因子在數值上差距較大,各因子方差與因子間協方差在數值上差距較大。因此,利用離差標準化方法對各影響因子進行歸一化處理,即

(2)

式(2)中:xi為原影響因子;xmax為影響因子的最大值;xmin為影響因子的最小值;x′i為標準化后的影響因子,全都分布在[0,1]。

利用歸一化的影響因子求研究區土壤含鹽量各影響因素的協方差,并列出協方差矩陣。協方差公式和矩陣形式分別為

(3)

(4)

利用求得的協方差按式(1)的方法計算各影響因子間的相關性,得到相關系數矩陣,如表3所示,可以看出,在土壤鹽漬化的各影響因子之間,只有地下水位埋深與地下水TDS間幾乎線性無關。其他影響因子間都有一定的相關關系。因此,選取地下水位埋深與地下水TDS進行擬合分析。

表3 相關系數矩陣表Table 3 Correlation coefficient matrix

2.3 地下水位埋深閾值分析

按照TDS值對研究區進行劃分,TDS值空間分布如圖5～圖9所示,按0～1 000 mg/L、1 000～3 000 mg/L、3 000～6 000 mg/L以及大于6 000 mg/L將研究區分為4個分區。分別繪制4個分區的地下水位埋深區間-土壤含鹽量均值散點圖,并進行函數擬合,得出各區間的土壤鹽漬化風險閾值。

2.3.1 地下水TDS在0～1 000 mg/L的區域

該區域主要分布在研究區西部,覆蓋十八頃鎮西北及小海子鎮北部區域。該區域內地下水位埋深最小值為2.66 m,最大值為4.85 m,均值為3.64 m;土壤含鹽量最小值為0.11%,最大值為2.49%,均值為0.40%。研究區土壤鹽漬化-地下水位埋深散點圖與回歸曲線如圖6所示。

圖6 TDS為0～1 000 mg/L地下水水位埋深-土壤含鹽量散點圖Fig.6 Scatter diagram of ground water level buried depth and soil salinity with TDS values of 0～1 000 mg/L

經試驗分析,高斯函數回歸曲線為

(5)

該回歸曲線模型效率系數R2=0.98,擬合效果較好。通過回歸曲線計算得知,在地下水位埋深為2.77 m時,土壤含鹽量最大。地下水位埋深大于2.77 m后,土壤含鹽量隨地下水位埋深的增加而減小。土壤含鹽量隨地下水位變化閾值如表4所示。

表4 TDS為0～1 000 mg/L時地下水位埋深與土壤鹽漬化程度關系

地下水位埋深小于2.92 m時,土壤發生重度鹽漬化;地下水位埋深介于2.92～3.06 m時,土壤發生中度鹽漬化,地下水位埋深介于3.06～4.08 m時,土壤發生輕度鹽漬化,地下水位埋深大于4.08 m時,土壤不發生鹽漬化。

2.3.2 TDS在1 000～3 000 mg/L的區域

該區域主要分布在研究區西部,覆蓋十八頃鎮中部、小海子鎮中部、高勿素鄉北部、鄧油坊鎮、兩面井鄉、大蘇計鄉北部、大營盤鄉東部及大黑沙土鎮東南部區域。該區域內地下水位埋深最小值為0.66 m,最大值為8.30 m,均值為3.40 m;土壤含鹽量最小值為0.03%,最大值為5.12%,均值為0.66%。研究區土壤鹽漬化-地下水位埋深散點圖與回歸曲線如圖7所示。

圖7 TDS為1 000～3 000 mg/L地下水水位埋深-土壤含鹽量散點圖Fig.7 Scatter diagram of groundwater depth and soil salinity with TDS value of 1 000～3 000 mg/L

經試驗分析,高斯函數回歸曲線為

(6)

該回歸曲線模型效率系數R2=0.86,擬合效果較好。通過回歸曲線計算得知,在地下水位埋深為1.67 m時,土壤含鹽量最大。地下水位埋深大于1.67 m后,土壤含鹽量隨地下水位埋深的增加而減小。

土壤含鹽量隨地下水位變化閾值如表5所示。

表5 TDS為1 000～3 000 mg/L時地下水位埋深與土壤鹽漬化程度關系

地下水位埋深小于2.04 m時,土壤發生重度鹽漬化;地下水位埋深介于2.04～3.80 m時,土壤發生中度鹽漬化,地下水位埋深介于3.80～5.47 m時,土壤發生輕度鹽漬化,地下水位埋深大于5.47 m時,土壤不發生鹽漬化。

2.3.3 TDS在3 000～6 000 mg/L的區域

該區域主要分布在研究區西部,覆蓋十八頃鎮東部、小海子鎮東部、高勿素鄉東北部、大蘇計鄉東北部、大營盤鄉中北部及大黑沙土鎮南部區域。該區域內地下水位埋深最小值為0.51 m,最大值為8.64 m,均值為3.09 m;土壤含鹽量最小值為0.04%,最大值為13.63%,均值為1.78%。研究區土壤鹽漬化-地下水位埋深散點圖與回歸曲線如圖8所示。

圖8 TDS為3 000～6 000 mg/L地下水水位埋深-土壤含鹽量散點圖Fig.8 Scatter diagram of groundwater depth and soil salinity with TDS value of 3 000～6 000 mg/L

經試驗分析,高斯函數回歸曲線為

(7)

該回歸曲線模型效率系數R2=0.94,擬合效果較好。通過回歸曲線計算得知,在地下水位埋深為1.47 m時,土壤含鹽量最大。地下水位埋深大于1.47 m后,土壤含鹽量隨地下水位埋深的增加而減小。土壤含鹽量隨地下水位變化閾值如表6所示。

表6 TDS為3 000～6 000 mg/L時地下水位埋深與土壤鹽漬化程度關系

地下水位埋深小于2.05 m時,土壤鹽漬化為鹽土。地下水位埋深介于2.05～3.79 m時,土壤發生重度鹽漬化;地下水位埋深介于3.79～5.78 m時,土壤發生中度鹽漬化,地下水位埋深介于5.78～6.84 m時,土壤發生輕度鹽漬化,地下水位埋深大于6.84 m時,土壤不發生鹽漬化。

2.3.4 TDS在6 000 mg/L以上的區域

該區域主要分布在研究區西部,覆蓋大營盤鄉中部、中北部及大黑沙土鎮中南部區域。該區域內地下水位埋深最小值為1.05 m,最大值為9.23 m,均值為3.70 m;土壤含鹽量最小值為0.11%,最大值為8.15%,均值為1.62%。研究區土壤鹽漬化—地下水位埋深散點圖與回歸曲線如圖9所示。

圖9 TDS值6 000 mg/L以上地下水水位埋深-土壤含鹽量散點圖Fig.9 Scatter diagram of groundwater depth and soil salinity above 6 000 mg/L WITH TDS value

經試驗分析,高斯函數回歸曲線為

(8)

該回歸曲線模型效率系數R2=0.97,擬合效果較好。

通過回歸曲線計算得知,在地下水位埋深為1.70 m時,土壤含鹽量最大。地下水位埋深大于1.70 m后,土壤含鹽量隨地下水位埋深的增加而減小。土壤含鹽量隨地下水位變化閾值如表7所示。

表7 TDS在6 000 mg/L以上時地下水位埋深與土壤鹽漬化程度關系

地下水位埋深小于2.44 m時,土壤鹽漬化為鹽土。地下水位埋深介于2.44～5.44 m時,土壤發生重度鹽漬化;地下水位埋深介于5.44～7.10 m時,土壤發生中度鹽漬化,地下水位埋深介于7.10～7.94 m時,土壤發生輕度鹽漬化,地下水位埋深大于7.94 m時,土壤不發生鹽漬化。

2.3.5 察汗淖爾流域重點鹽漬化研究區域

該區域內地下水位埋深最小值為0.51 m,最大值為9.23 m,均值為3.36 m;土壤含鹽量最小值為0.03%,最大值為13.63%,均值為1.06%。研究區土壤鹽漬化-地下水位埋深散點圖與回歸曲線如圖10所示。

圖10 察汗淖爾流域整體地下水位埋深-土壤含鹽量散點圖Fig.10 Scatter diagram of overall groundwater depth and soil salinity in Chhannur Watershed

經試驗分析,高斯函數回歸曲線為

(9)

該回歸曲線模型效率系數R2=0.96,擬合效果較好。

通過回歸曲線計算得知,在地下水位埋深為1.40 m時,土壤含鹽量最大。地下水位埋深大于1.40 m后,土壤含鹽量隨地下水位埋深的增加而減小。土壤含鹽量隨地下水位變化閾值如表8所示。

地下水位埋深小于1.97 m時,土壤鹽漬化為鹽土。地下水位埋深介于1.97～2.35 m時,土壤發生重度鹽漬化;地下水位埋深介于2.35～5.12 m時,土壤發生中度鹽漬化,地下水位埋深介于5.12～7.37 m時,土壤發生輕度鹽漬化,地下水位埋深大于7.37 m時,土壤不發生鹽漬化。

2.4 結果

進行相關性分析,得到地下水位埋深與土壤含鹽量相關性。二者相關系數在地下水位埋深為0.5～1.6 m與1.6～9.3 m,兩個區間分別為0.97與-0.66,具有較強的相關性。可通過控制地下水位埋深調節研究區土壤鹽漬化程度。

對6項土壤鹽漬化影響因素進行協方差分析與相關分析,選擇相互之間線性相關性較小,且與土壤鹽漬化程度較相關的地下水位埋深與TDS進行分析。二者在影響因素協方差矩陣中的貢獻率為71.35%,較能代表六項影響因素進行分析。

對研究區內重點鹽漬化發生區域地下水位埋深-土壤鹽漬化程度關系進行分析,通過各地下水位區間土壤含鹽量均值繪制高斯函數回歸曲線,探究研究區各TDS區間范圍地下水位埋深與土壤含鹽量之間的關系。研究結果顯示,地下水位埋深與土壤鹽漬化程度有較強的相關性,高斯函數回歸曲線擬合效果較好,與真值吻合程度較高,且具有實際的偏正態分布的物理現實意義。具體研究區各TDS情況及整體地下水位埋深情況下土壤鹽漬化程度如表9所示。

表9 各TDS值下各地下水位鹽漬化程度

隨著TDS的升高,土壤鹽漬化程度的各項地下水埋深閾值逐步加深。在察汗淖爾流域重點土壤鹽漬化研究區內,應合理根據各地區TDS及地下水位埋深情況,對土壤鹽漬化程度進行調控,將土壤鹽漬化控制在合理的程度。盡可能低地減少土壤鹽漬化的發生,進而減少鹽塵暴風險。

3 結論

在察汗淖爾流域開展了大量調查工作,在此基礎上,應用高斯函數對土壤鹽漬化情況與地下水位埋深進行擬合,在使用高斯函數時,將兩項函數式進行疊加,在保證擬正態分布的形狀同時,對函數進行調整,使擬合模型更效果更好,與實際情況更吻合。

在察汗淖爾流域內,地下水位埋深和TDS是影響土壤鹽漬化的重要因素。在進行土壤鹽漬化問題研究時,可按照TDS對研究區進行劃分,并在各分區繪制地下水位埋深-土壤鹽漬化程度回歸曲線進行研究。研究表明,二項高斯函數擬合效果較好,可較為準確地反映察汗淖爾流域土壤鹽漬化研究區的地下水位埋深與土壤鹽漬化程度之間的關系。為后續進行研究提供了一種可供選擇的擬合公式。

提出了察汗淖爾流域鹽漬化重點防控區域的各TDS分區、土壤鹽漬化不同程度地下水位埋深閾值,可針對進行土壤鹽漬化防控工作,綜合考慮當地經濟問題與生態問題,選取適宜的地下水位埋深閾值,保護當地生態環境,減少表層土壤含鹽量,進而減少壩上高原鹽塵暴物質來源,保護京津冀地區空氣質量。