黄河三角洲土壤盐渍化与地下水特征关系研究*

吕真真 杨劲松 刘广明 李金彪，3 刘洪强 李 兵

（1 江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，南昌 330200）

（2 土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所），南京 210008）

（3 南京林业大学林学院，南京 210037）

黄河三角洲土壤盐渍化与地下水特征关系研究*

吕真真1杨劲松2†刘广明2李金彪2，3刘洪强2李 兵2

（1 江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，南昌 330200）

（2 土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所），南京 210008）

（3 南京林业大学林学院，南京 210037）

为研究黄河三角洲表层土壤盐分含量与地下水特征的关系，对研究区内土壤盐分含量及地下水进行原位监测，分析土壤盐渍化和地下水特征，并运用灰色关联分析法对地下水埋深、电导率、pH和主要离子含量的关系进行定量分析。结果表明：土壤表层盐分含量均值为3.90～6.31 g kg-1，表层以下土壤盐分含量均值为2.54～3.44 g kg-1，属于中度及以上盐渍化程度；地下水埋深平均值为1.16～1.71 m，普遍较浅；地下水阴离子以Cl-为主，阳离子以Na+为主，两者分别占阴、阳离子总量的比例约为65 %。关联分析表明，不同地下水特征指标与土壤表层盐分含量的密切程度不同，同一特征指标与土壤表层盐分含量的密切程度在不同时期间差异显著，总体而言，土壤表层积盐与地下水电导率、Na+、Cl-的关系较为密切，与pH、和H之间的关系较弱。在防治土壤盐渍化中，应当加强对地下水电导率、Na+、Cl-的控制与管理。

黄河三角洲；土壤盐渍化；地下水；灰色关联分析

黄河三角洲是由黄河携带大量泥沙在入海口淤积而成的新生陆地，且每年继续携带大量泥沙入海，使得黄河三角洲向渤海推进，为中国最大的河口三角洲且是世界上土地面积自然增长最快的地区之一，是我国非常重要的后备土地资源［1］。黄河三角洲受河流和海洋等多种动力作用，致使该地区地下水埋深较浅，矿化度较高，土壤质地以粉砂和细砂为主，毛管水作用强烈，地下水盐分易集聚地表，土壤盐渍化普遍存在，土壤盐渍化已成为当地生态系统和农业可持续发展最重要的环境问题［2］。

众多学者对不同地区土壤盐分与地下水的关系曾进行了相关研究，研究方法有通过模型模拟法模拟地下水动态对土壤盐分运移的影响［3-5］；建立经验模型定量分析地下水埋深及矿化度与土壤盐分含量的关系［6-8］；对比地下水埋深、矿化度与土壤盐分含量在空间上的分布特征，分析地下水对土壤盐渍化的相应关系［9-12］；分析土壤盐渍化驱动因素以探讨地下水对土壤盐渍化的影响［2，13-14］；通过模拟实验设置不同地下水条件，研究地下水对土壤盐渍化影响［15-16］。目前关于地下水对土壤盐分的影响研究主要集中于地下水埋深和矿化度与土壤盐分的关系，且主要是针对某一个时期，而对于多个时期地下水埋深及其化学特征共同作用下对土壤盐渍化影响需进一步研究。黄河三角洲地下水季节性动态变化较为剧烈［17］，且土壤盐渍化季节变化特征显著［2］，而地下水特征对土壤盐渍化的影响程度是否具有季节变化特征，此方面的研究鲜有报道。

本研究采用土壤盐分和地下水原位定点观测数据，应用灰色关联分析法，定量分析不同时期土壤盐分与地下水特征的关系，以期为黄河三角洲水土资源可持续合理利用和土壤盐渍化有效防治提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于黄河三角洲，依据县界划定距海岸线约50 km盐碱土广泛分布的区域为研究区（东经118°10′～119°17′和北纬37°09′～38°09′），包括河口区、垦利县及东营区全部，利津县东北部和广饶县北部（图1）。该区属于北温带半湿润季风型气候，季风盛行。平均气温在11.7～12.6 ℃，最高气温多出现在6—7月份，低温出现在1—2月份。年均降水量为530～630 mm，降水较集中，主要在7—8月份，占全年降水量的70%［18］，蒸发量远大于降雨量，年蒸降比约为3.5∶1。土壤类型主要有潮土，盐化潮土和滨海盐潮土。河积粉砂和潮汐沉积物是地下水的赋存介质。沉积物以粉砂、细砂、黏土、亚黏土为主，沿海地带常见有海相贝壳。上部存在巨厚的咸水体，咸水底界面埋深由小清河沿岸100 m过渡到东北沿海大于400 m。浅层地下水矿化度大于5 g L-1，为咸水区。研究区域地势沿黄河走向自西南向东北倾斜，黄河河床不断淤高，从黄河到海岸地表高程缓慢下降，黄河以北三角洲向北和东北方向倾斜，黄河以南三角洲向东南方向倾斜。地下水流向与地表高程变化方向一致，黄河成为天然的地下水分水岭，以现行黄河河道和刁口流路为界，分为北、东北、东南三股主流方向向海排泄。

1.2 试验设计

为获取土壤盐分含量和地下水特征等资料，综合考虑水文地质、盐渍化现状、地势、土地利用与人类活动等因素，在研究区域内布设4条监测断面，共20眼地下水位、水质监测井（图1），并于2013年2月、5月、8月和11月进行地下水埋深测量并采集地下水样品及相应位置处土壤样品，采集深度分别为0～15 cm、15～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm样品。采集的土壤样品带回实验室内自然风干、磨碎、过2 mm筛后备用。所有土壤样品均制备1∶5土水质量比浸提液，参照《土壤农业化学分析方法》［19］测定土壤及地下水Ca2+、Mg2+、K+、Na+、CO23-、HCO3-、Cl-、SO42-含量和地下水EC、pH，离子加和法计算土壤盐分含量。

1.3 灰色关联分析方法

图1 研究区域及监测点位置图Fig. 1 Location map of the study area and monitoring sites

灰色关联度分析的基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密。计算步骤如下：

（1）灰色绝对关联度：

设反映系统行为特征的参考序列为X0=［X0（1），X0（2），…，X0（n）］，影响系统行为的比较序列为Xi=［Xi（1），Xi（2），…，Xi（n）］，（I=1，2，…，m），求序列X0和Xi的始点零化像X0

i，公式为：X0i=（xi（1）-xi（1），xi（2）-xi（1），…，xi（n）-xi（1））=（x0i（1），

x0

i（2），…，x0i（n））

求|S0|，|Si|，|Si-S0|，计算公式为：

最后求X0和Xi的绝对关联度ε0i，（i=1，2，…，m）公式为：

（2）灰色相对关联度：

首先求X0和Xi的初值像（每个序列各分量分别除以其对应的第一分量）X′0和X′i

然后对X′i进行初值零化像X′i0，计算|S′0|，|S′i|，|S′i-S′0|，最后计算X0与Xi相对关联度，记为r0i

（3）灰色综合关联度：

在计算出绝对关联度和相对关联度的基础上，可计算得出X0与Xi的灰色综合关联度，记为ρ0i：

1.4 数据分析方法

采用SPSS19.0软件进行土壤盐分含量和地下水特征的统计分析，采用Excel进行数据标准化处理，灰色综合关联度的计算采用GM软件。

2 结果与讨论

2.1 不同深度土层土壤盐渍化特征

对不同时段下不同深度土层土壤盐分含量进行描述性分析（表1）。研究区2月、5月、8月和11月表层（0～15 cm）土壤盐分含量均值在3.90～6.31 g kg-1，按照滨海盐碱化分级标准［20］，平均处于中、重度盐渍化土及盐土程度，其中5月份最高，2月份次之，8月和11月份相对较小；表层以下土层土壤盐分含量均值均大于2 g kg-1，属于中度及以上程度盐渍化。各月份表层土壤盐分含量平均值均高于其他土层，研究区土壤盐分呈现表聚特征，以2月和5月份尤为突出。不同土层深度土壤盐分含量的变异程度不同，表层（0～15 cm）变异最大，随土层深度的加深，变异系数CV 值呈现下降趋势，说明了水平方向上土壤盐分含量的变异随深度的增加而逐渐变弱；4个月份0～15 cm土层均属于强变异程度。

对不同土层土壤盐分含量进行非参数相关分析，分析结果见表2。不同土层土壤盐分含量间存在极显著相关性，说明各土层土壤盐分含量密切关联，可能与他们具有相同的母质有关。表层（0～15 cm）与亚表层（15～40 cm）的相关性最高，底层（80～100 cm）次之。15～40 cm和40～60 cm两个土层，随土层深度加深，相邻两个土层土壤盐分含量之间的相关性最大，随土层间隔的增大而减小。

2.2 不同时段地下水特征

对不同时段地下水各指标进行描述性统计分析（表3）。由表3可见，地下水电导率极差为0.98～42.3 mS cm-1，波动范围较大，变异系数在81.9 %～97.9 %，属于中等变异性。地下水pH在6.72～8.32范围，属于中性至弱碱性，变异系数均小于0.10，呈现弱变异性，研究区内地下水酸碱度相对稳定。由各时间段地下水埋深平均值可知，研究区地下水埋深普遍较浅，平均值变化范围为1.16～1.71 m，以8月份最浅，地下水埋深均呈现中等变异性。

地下水阳离子中，Na+平均浓度最高，平均在

表1 不同深度土层土壤盐分含量统计分析Table 1 Statistics of soil salt content relative to soil depth

表2 不同深度土层土壤盐分含量间的相关性Table 2 Correlation of soil salt contents in different soil layers（n= 80）

1 687～3 015 mg L-1，约占阳离子总量比例为65 %，11月份地下水Na+浓度最高，5月份最低，除5月呈现强变异性以外，其他时间段均呈现中等变异性；K+的变异系数均大于1.00，呈现强变异性，Ca2+和Mg2+属于中等变异程度，二者变异性随时间变化规律相同，但Mg2+较Ca2+变异性强。地下水阴离子以Cl-为主，占阴离子总量的比例约为65 %，其次为SO42-，约占阴离子总量的15 %，CO32-浓度最低，大部分地下水样品均未能监测出；Cl-变异系数为0.95～1.19，除2月呈现中等变异性以外，其他时间段均呈现强变异性，HCO3-和SO42-的变异系数分别为0.22～0.48和0.57～0.93，均呈现中等变异

性，SO42-较HCO3-变异性强。

表3 地下水特征描述性统计Table 3Statistics of groundwater characteristics

2.3 土壤表层盐分含量与地下水特征综合关联度变化

由于地理现象与问题的复杂性，以及人们认识水平的限制，许多因素之间的关系是灰色的，很难分清哪些因素是主导因素和非主导因素，相关系数在比较精确地度量其相关程度的客观大小方面存在局限性，而灰色关联分析，为解决这类问题提供了一种行之有效的方法。

本文选择各时间段监测的地下水埋深、电导率、pH、CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+浓度11个指标为比较序列，土壤表层盐分含量为参考序列进行灰色关联分析，分析地下水各因素对土壤表层盐分含量的影响程度。由于系统中各因素的量纲不相同，在进行关联分析之前需对原始数据进行消除量纲处理，转换为可比较的数据，本文采用标准化变换的方法，即原始数据减平均值后除标准差，获得标准化序列。

“盐随水来，盐随水去”，在蒸发强烈的条件下，地下水中的盐分随毛管水上升至地表，水分蒸发后盐分滞留在土壤中，因此地下水特征显著影响土壤表层土壤盐分含量。不同时期土壤表层盐分含量与各地下水特征的关联情况见表4。2月，土壤表层盐分含量与地下水特征指标的综合关联度排序为：地下水埋深＞ K+＞Na+＞Cl-＞EC＞Mg2+＞SO42-＞Ca2+＞ HCO3-＞pH＞ CO32-；5月排序为：Na+＞ EC＞地下水埋深＞ Mg2+＞Cl-＞ SO42-＞ HCO3-＞K+＞ Ca2+＞ pH＞ CO32-；8月排序为：Na+＞ K+＞SO42-＞Cl-＞ Ca2+＞ Mg2+＞ EC＞ pH＞地下水埋深＞ CO32-＞ HCO3-；11月排序为：Na+＞Cl-＞ Mg2+＞EC＞ K+＞地下水埋深＞ SO42-＞Ca2+＞ HCO3-＞ pH＞ CO32-。

表4 不同时段土壤表层盐分含量与地下水特征间的综合关联度Table 4 Temporal variation of comprehensive correlativity between surface soil salt content and groundwater characteristics

详细分析土壤表层盐分含量与地下水埋深、电导率、pH、CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+的综合关联度可见，各地下水特征指标在同一时期综合关联度不同，且同一特征指标在不同时期也有较大变化，说明各地下水特征指标与土壤表层盐分含量的密切程度不同，同一特征指标与土壤表层盐分含量的密切程度随时间推移而变化。如地下水埋深在2月的综合关联度最大，5月第4，至8月则排位倒数第3位，11月排位第6，由此可知，地下水埋深与土壤表层盐分含量的关系密切程度在2月和5月较8月和11月高，分析原因可能为，地下水埋深的主要影响因素包括大气降水、蒸发、地表水体补充、人类开采利用等，是土壤发生盐渍化的一个决定性条件，2月至5月期间，降水较少而蒸发量较大，地表水分蒸发强烈，地下水中的盐分随毛管水上升，能否积聚在土壤表层，地下水埋深是决定性因素，故突显了地下水埋深对表层土壤盐分含量的影响程度，而8月是降水较集中的时期，地下水得到补充，地下水埋深普遍较浅，受降雨影响表层土壤盐分被淋洗，致使土壤表层盐分含量与地下水埋深的关系被弱化；地下水电导率与土壤表层盐分含量的综合关联度在5月份最高，关联度为0.94，原因可能是地下水电导率表征地下水盐分含量，在地下水埋深相同的情况下，地下水盐分含量越高，地下水向土壤中补给的盐分越多，土壤积盐越重，而5月份是春灌后，黄河三角洲入海口地区，地下水埋深普遍较浅，地下径流不畅，在大水漫灌后地下水位抬升，加之蒸发强烈，地下水中的盐分随毛管水上升更易积聚地表，故地下水电导率高低显著影响土壤表层盐分含量。

地下水阴离子中，Cl-与土壤盐分含量的关系密切程度最高，其次为，和与土壤盐分含量的关系较弱；地下水阳离子中K+和Na+对土壤盐分含量的贡献一般较Ca2+和Mg2+大，造成地下水各离子含量与表层土壤盐分含量关联度不同的原因可能为，盐分在土体中上下运动以氯化物最为活跃，硫酸盐次之，碳酸盐较稳定，且在黄河入海流路变迁和海水入侵两大关键因素的驱动下，通过混合、蒸发浓缩、溶滤、阳离子交替吸附作用及人类干扰长期作用下，该地区地下水化学成分以Cl-和Na+为主控离子［21］，故Cl-和Na+与土壤表层盐分含量的相关性较强；pH的关联度排序较为靠后，说明与土壤表层盐分含量的关系密切程度较弱，因研究区地下水pH随时间推移较为稳定，且空间变异性弱，对表层土壤盐分含量未构成影响。总体而言，土壤表层盐分含量与EC、Na+、Cl-关系较为密切，与pH、和H之间的关系较弱，由此可见，在防治土壤盐渍化中，应当加强对地下水电导率、Na+、Cl-的控制与管理，加强管理并采取措施防止海水侵染进一步加剧。

3 结 论

研究区土壤盐渍化现象较为严重，盐分表聚现象显著，1 m土体平均处于中度及以上盐渍化程度；地下水埋深普遍较浅，且5月和8月浅于2月和11月；地下水阳离子以Na+为主，阴离子以Cl-为主；各地下水特征指标与土壤表层盐分含量的密切程度不同，同一特征指标与土壤表层盐分含量的密切程度随时间推移而变化，总体而言，地下水电导率、Na+、Cl-及显著影响土壤表层盐分积聚，pH、和H对土壤表层积盐的影响程度相对较小。

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（责任编辑：卢 萍）

Relationship between Soil Salinization and Groundwater Characteristics in the Yellow River Delta

LÜ Zhenzhen1YANG Jingsong2†LIU Guangming2LI Jinbiao2，3LIU Hongqiang2LI Bing2
（1 Institute of Soil Fertilizer and Resource Environment，Jiangxi Academy of Agricultural Sciences，Nanchang 330200，China）
（2 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture，Institute of Soil Science，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，China）
（3 College of Forestry，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）

【Objective】Soil salinization is one of the most important environmental problems that restrict the ecological system and the sustainable development of agriculture in the Yellow River delta.Composed mainly of silt and fine sand the soil is stronger in capillary water action，turning groundwater into the main factor affecting migration，accumulation and release of salt in soil body. To study relationships between soil salinity and groundwater will sure be of important theoretical value and practical significance to amelioration of the saline alkali soil and control of secondary salinization of the soil in the Yellow River Delta.【Method】In order to study the relationship between salt accumulation in topsoil and groundwater characteristics and to monitor in-situ variation of soil salt content and groundwater table in the Yellow River Delta，four sections were laid out and a total of 20 wells set up by taking into full consideration factors like hydrogeological features，soil salinization status，topography，land use and human activities. Groundwater tables in the wells were measured，and water samples from the wells and topsoil（0～15 cm）samples in the locations of the wells were collected in February，May，August and November，2013 for analysis of salt content and characteristics of the groundwater. Groundwater tables were measured，and samples of the groundwater and topsoil（0～15 cm）were collected from the wells and the fields near the wells，separately，in February，May，August，and November 2013，for analysis of soil salt content and characteristics of the groundwater. Grey correlation analysis of the obtained data was performed to quantitatively analyze relationships of groundwater table with EC，pH，and ion content（Ca2+，Mg2+，K+，Na+，，，Cl-and）of the water relative to season.【Result】Results show that soil salt varied in the range of 3.90～6.31 g kg-1in content，in the topsoils and of 2.54～3.44 g kg-1in the subsoil both belonging to the category of medium or higher in salinization degree；Groundwater tables were all rather high，fluctuating in the range of 1.16～1.71 m；and the anion in the groundwater was dominated with Cl-，while the cation with Na+，accounting in total for 65% of the total of ions. Correlation analysis shows that the relationships of the groundwater characteristics with salt content in the topsoil varied from index characteristics and with time as well. On the whole，salt accumulation in the surface soil was closely related to EC，Na+and Cl-in the groundwater，but not so to pH，and.【Conclusion】To control and manage soil salinization in the Yellow River Delta，it is essential to intensify control of EC，Na+and Cl-in the groundwater of the region.

Yellow River Delta；Soil salinization；Groundwater；Grey correlation analysis

S156.4

A

10.11766/trxb201701160401

* 国家重点研发计划项目（2016YFD0200303，2016YFC0501309）、中国科学院科技服务网络计划（STS计划）项目（KFJSW-STS-141-2）和江苏省农业科技自主创新资金项目（CX（15）1005）资助 Supported by the National Key R amp; D Projects of China（Nos. 2016YFD0200303，2016YFC0501309），the Science and Technology Service Network（STS）Projectof the Chinese Academy of Science and Technology（No. KFJ-SW-STS-141-2），the Jiangsu Provincial Agricultural Science and Technology Innovation Fund Project（No. CX（15）1005）

† 通讯作者 Corresponding author，E-mail：jsyang@issas.ac.cn

吕真真（1987—），女，山东菏泽人，博士，助理研究员，主要从事土壤盐渍化防控管理与盐渍土资源利用方面的研究。E-mail：lvzhenzhen808@163.com

2017-01-16；

2017-05-08；优先数字出版日期（www.cnki.net）：2017-06-27