山东滨海低平原区盐渍土盐分的时空变异研究

付腾飞，张颖，徐兴永，陈广泉，苏乔

(1.海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室 国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061；2.青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室 青岛 266061)

山东滨海低平原区盐渍土盐分的时空变异研究

付腾飞1,2，张颖1,2，徐兴永1,2，陈广泉1,2，苏乔1,2

(1.海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室 国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061；2.青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室 青岛 266061)

文章运用地统计学的方法对山东滨海盐渍土年际空间变异和分布特征差异进行分析研究，结果表明：黄河三角洲表层土壤的盐渍化程度较高且在年际变化上呈积盐趋势，莱州湾南岸则呈脱盐趋势但盐渍化面积增加；山东滨海低平原区盐渍土受结构因素的影响加剧；表层土壤盐分的分布规律与地形有密切关系，盐渍化类型与盐渍化程度的分布特征基本吻合；莱州湾南岸应注意防止土壤碱化。由此提出因地制宜综合开发、减少土壤盐分输入、加强盐分淋洗、改善土体性质和防止土地碱化等建议，对滨海地区后备土地水土资源的开发利用具有指导作用。

土壤盐渍化；时空变异；黄河三角洲；莱州湾南岸；地统计分析

世界上约有9.5亿hm2各种类型的盐渍土分布在100余个国家和地区，约为全世界耕地面积的10%[1]。根据联合国粮农组织(FAO)统计，中国盐渍土面积为3 600万hm2；其中滨海盐渍土面积为252万hm2，主要位于东部和南部沿海地区，分散在海岸线上，从南至北跨越纬度约24°。滨海盐渍土是我国重要的后备土地资源，对其开发利用是保障我国粮食安全的重要手段[2]。

滨海盐渍土主要是由淡水资源匮乏、潜埋的咸化地下水、强烈的蒸发作用、平缓的地势和不合理的灌溉条件所造成的[3]。山东地区的滨海盐渍土主要集中在黄河三角洲和莱州湾南岸区域，是山东省重要的后备土地资源。基于对粮食增收和耕地红线的需求，李振声[4]院士于2011年提出建设“渤海粮仓”的战略构想，即开发利用渤海低平原区的滨海盐渍土。山东省沿海的土壤盐渍化形成面积广阔的中低产区和盐碱荒地，滨海低平原区盐渍化程度较高，且基于环境要素和人为作用的不同，不同区域盐渍土的时空变异具有差异性。因此，对滨海盐渍土的开发利用须基于其演化的差异从而采取不同的改良措施。

土壤盐渍化作为缓发性自然灾害，其时空特征的改变持续而缓慢。土壤盐分的空间变异是复杂理化过程造成的土壤性质的重要变化过程[5]，空间结构的差异性体现区域盐渍化的程度和状态[6]。作为建立在区域变化量理论基础上的空间统计方法[7]，地统计学近年来常被应用于土壤性质分析领域，成为土壤学科的研究热点之一[8-10]，很多学者对不同国家管理系统下的不同研究尺度的土壤空间变异性进行系统研究[11-12]。如，Safari[13]利用克里金法对伊朗西部的地下水空间分布进行预测；高婷婷[14]应用地空间结构分析方法对渭干河-库车河流域的土壤次生盐渍化变异性进行分析；杨劲松[15]对黄河三角洲表层土壤特征的异质性开展地统计分析，并结合传统的统计学方法对结果进行研究；Eldeiry[16]对美国阿肯色区域的盐渍土进行空间插值，并对土壤盐分进行预测。

目前国内外的盐渍土时空变异研究多集中在内陆平原地区，少有对滨海盐渍土的时空变异分析，尤其是不同区域盐渍土盐分空间变异的差异对比。本研究采用地统计学的方法对山东省不同区域滨海盐渍土的时空变异特征的差异性进行分析，并提出相应的开发利用措施，其结果对“渤海粮仓”的建设以及滨海水土资源的科学管理具有指导作用。

1 研究区和数据

1.1 研究区概况

黄河三角洲位于山东省东北部、莱州湾西岸，由黄河冲积物淤积而成，地势由西南向东北缓慢倾斜；黄河现行河道与废弃的黄河故道形成三角叉状分水岭，将该地区分为3个大的水文地质单元；冬冷夏热、四季分明，蒸降比高达3.6∶1；土壤类型主要是盐化潮土、滨海盐土和潮土。

莱州湾南岸属渤海拗陷区，是由南部鲁中山区河流(潍河和弥河等)入海冲积形成的冲淤型平原，南部山区地势较高、北部沿海地势较低；冬冷夏热、四季分明，蒸降比通常大于3∶1；土壤类型自南向北分布有棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土和盐土。

1.2 数据来源和处理

本研究的分析数据主要包括黄河三角洲和莱州湾南岸不同年份的土壤盐分，其中黄河三角洲2001年的土壤数据来源于国家科技基础条件平台(http://www.geodata.cn)，其他数据由课题组成员多年搜集和积累得到。

数据处理分析采用地统计分析方法，土壤盐分数据经SPSS描述性统计后，通过GS+V9.0择取最优空间分布拟合模型，采用ArcGIS10.0绘制其时空分布特征图，用于对比分析山东滨海低平原区盐渍土盐分空间变异的年际差异性。

2 结果和分析

2.1 盐分离子统计特征年际变化

盐分空间变异的年际变化代表滨海盐渍土的演化趋势，因此将黄河三角洲不同年份(2002年和2011年)和莱州湾南岸不同年份(2010年和2012年)的表层土壤盐分离子数据进行描述性统计(表1和表2)[17]。

表1 黄河三角洲表层土壤盐分离子统计参数

注：TS为全盐量(Total Salt)。

表2 莱州湾南岸表层土壤盐分离子统计参数

注：TS为全盐量(Total Salt)。

由表1和表2可知，虽然黄河三角洲和莱州湾南岸均为冲淤质沉积，但在海水的长期浸渍作用下，其主要的盐分离子均为Cl-、Na+和SO42-，说明山东滨海低平原区的盐渍土受该区域咸化地下水和海水倒灌浸渍的影响较大。从整体而言，莱州湾南岸表层土壤盐分含量远低于黄河三角洲。按照盐渍土标准[2]，黄河三角洲2002年和2011年表层土壤均为盐土，莱州湾南岸2010年属于中度盐渍土、2012年属于轻度盐渍土。

黄河三角洲表层土壤盐分离子含量由大到小依次为Cl-、Na+、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+，主要盐分组成为NaCl和NaSO4；2011年和2002年离子含量排序未发生改变，主要离子的变异系数都偏低，说明黄河三角洲盐渍化的影响因素在年际变化中未发生改变，全盐量呈现积盐状态；除2011年的K+和SO42-属于中等变异，其他离子均属于强变异。

莱州湾南岸表层土壤盐分离子含量从大到小依次由Na+、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+变为SO42-、Ca2+、Cl-、Na+、K+、Mg2+，主要盐分组成由NaCl和NaSO4变为CaSO4，主要离子的变异系数都变高，离散程度更高，全盐量的年际变化呈现脱盐趋势。易淋洗的Cl-和 Na+的含量大幅下降，分析其原因可知，莱州湾南岸盐渍土初始形成时，盐分主要受海水倒灌或海水入侵引起的地下水咸化的影响，具有典型的滨海盐渍土特征，后来由于海岸带水土资源的不合理开发和大量工厂的修建，地下水的过量抽取直接导致地下水水位的大幅下降，将潜水位的埋深降至临界地下水水位之下，进而该区域的土壤受地下水的影响大大降低，咸化地下水中的盐分很难通过毛细作用聚集在土壤表层，同时海岸工程(如防潮堤坝)的修建也有效阻挡了海水倒灌浸渍土壤，当降雨时土壤盐分被雨水淋洗且不易发生返盐。从变异系数来看，除2010年的Cl-、2012年的Ca2+和全盐量属于中等变异外，其他离子均属于强变异。此外，虽然莱州湾南岸表层土壤盐分呈现下降趋势，但其pH值有所升高，加上不完善的排水系统影响，该区域土壤呈现碱化的趋势。

2.2 盐分空间结构特征年际变化

描述性统计只能反映不同年际表层土壤盐分的整体演化状况，而不能分析其结构性、随机性和相关性，因此应对土壤盐分进行空间结构分析，以补充描述性统计得到的趋势变化结果。在分析研究山东滨海低平原区土壤盐分空间结构特征年际变化的过程中，需将数据进行特异值剔除，经对数转换后的数据基本呈正态分布。本研究采用GS+V9.0的指数、球状和高斯等不同模型对表层土壤盐分离子进行拟合，从中选择决定系数近于1和残差平方较小的模型进行模拟。

黄河三角洲不同年份表层土壤全盐量变异函数理论模型参数如表3所示。其中，C0表示块金值；C0+C表示基台值；比值C0/(C0+C)则为块基比，代表随机因素引起的空间变异占总变异的比例[18]。

表3 黄河三角洲表层土壤全盐量变异函数理论模型参数

黄河三角洲2002年表层土壤全盐量数据的理论模型为指数模型，块基比在25%～75%，数据呈现中等相关性，即2002年表层土壤盐分受结构因素(气候和土体母质等)和随机因素(灌溉和耕作等人类活动)的影响作用相当；其变程大于取样距离，表明数据取样合理。而2011年数据经处理转换后对应的理论模型为球状模型，块基比小于25%，数据呈现强相关性，即2011年结构因素对表层土壤盐分的影响更大；其变程同样大于取样距离，表明数据取样合理。但从决定系数和残差的角度分析，2002年的拟合模型要优于2011年。

莱州湾南岸不同年份表层土壤全盐量变异函数理论模型参数如表4所示。2012年的块金值小于2010年，说明在该研究尺度下2010年表层土壤盐分的聚集作用较2012年强烈。由上文盐分离子统计特征年际变化的分析可知，莱州湾南岸表层土壤在不同年份的演变呈脱盐趋势，因此2012年表层土壤盐分的积聚效应相对2010年较小。

表4 莱州湾南岸表层土壤全盐量变异函数理论模型参数

莱州湾南岸2010年表层土壤全盐量数据的理论模型为指数模型，块基比在25%～75%，数据呈现中等相关性，即结构因素和随机因素影响作用相当；2012年的理论模型也为指数模型，但其块基比小于25%，数据呈现强相关性，即结构因素的作用影响增强，主要原因是大规模开发滨海土地资源大幅度减少，随机因素影响减弱。不同年份的变程均大于取样距离，表明数据足以反映该区域表层土壤盐分的自相关关系，取样合理。

2.3 盐分空间分布特征年际变化

在研究盐分空间分布特征年际变化的过程中，空间结构分析GS+V9.0得到的拟合模型需在ArcGIS的地统计模块中进行正太检验和趋势分析，并在数据插值过程中去除趋势效应，最终在ArcGIS的地统计模块中选定最优模型，对山东滨海低平原区表层土壤全盐量基盐分离子进行空间插值[18]。

黄河三角洲表层土壤盐分年际变化的空间分布特征如图1所示。可以看出，黄河三角洲表层土壤盐分的含量和面积都有大幅提高，整个区域的盐渍化演变趋势为不断积盐。2002年低洼地区(北部和东南部)盐渍化程度较高，土壤均为盐土；而河成高地(西南至东北方向)的土壤盐分则呈条带状分布，西南部土壤盐分含量最低。2011年盐分空间分布规律与2002年相似，即西南至东北方向呈条带状分布，但盐土面积大幅增加。

图1 黄河三角洲表层土壤盐分空间分布年际变化

黄河三角洲表层土壤不同盐渍化程度的面积如表5所示，年际变化增加的均为盐土，其他都处于不断缩减的状态，中盐渍化面积缩减的比例最高。

表5 黄河三角洲表层土壤不同盐渍化程度的面积 km2

黄河三角洲表层盐渍土类型空间分布年际变化如图2所示。可以看出，2002年盐渍土类型以硫酸盐-氯化物型为主，主要分布在河成高地；其次的氯化物型盐渍土主要分布在北部和东南沿海的低洼地带，主要由海水浸渍所形成，与盐土的分布区域基本吻合；在盐渍化程度较低的西南方向，主要为硫酸盐型和氯化物-硫酸盐型。2011年盐渍土类型则以氯化物型为主，其分布也与盐渍化程度呈较高的相似性；硫酸盐-氯化物型分布在西南高地区域和东北方向局部斑块区域。

图2 黄河三角洲表层盐渍土类型空间分布年际变化

黄河三角洲表层土壤不同盐渍化类型的面积如表6所示。盐渍化类型和盐渍化程度的空间分布特点一致，年际变化趋势也一致。氯化物型盐渍土的大幅增加说明黄河三角洲盐渍化的演化与海水入侵和倒灌浸渍有密切关联，因此可从控制海水入侵方向着手，减缓盐渍化加重的趋势。

表6黄河三角洲表层土壤不同盐渍化类型的面积km2

盐渍化类型年份20022011硫酸盐型0205氯化物-硫酸盐型384122562硫酸盐-氯化物型465545197563氯化物型281045584672合计785002785002

莱州湾南岸表层土壤盐分空间分布年际变化如图3所示。2010年基本呈现从南部内陆向北部沿海递增的趋势，昌邑地区盐分含量最高；其分布规律与南高北低的地形有直接关系，即北部沿海地势平坦，土壤长期受海水倒灌和咸化地下水浸渍影响，盐分含量较高。2012年有明显改变，主要为昌邑地区的盐渍化程度大幅降低；这是由于该地区大量开采地下卤水导致地下水水位急剧下降，同时人工防潮坝的修建阻止了海水倒灌，2个方面的作用共同切断了土壤盐分的补给来源。此外，莱州湾南岸不同年份表层土壤全盐量与黄河三角洲相比均不高。

图3 莱州湾南岸表层土壤盐分空间分布年际变化

莱州湾南岸表层土壤不同盐渍化程度的面积如表7所示。轻盐渍化的面积有所增加，而中盐渍化和非盐渍土的面积则有所降低，表明莱州湾南岸表层土壤盐分整体呈脱盐趋势，盐渍化程度整体呈下降趋势。

表7 莱州湾南岸表层土壤不同盐渍化程度的面积 km2

莱州湾南岸表层盐渍土类型空间分布年际变化如图4所示。2010年呈现由陆向海的条带状分布，与盐渍化程度的分布规律一致，且与地形具有较高的相关性；氯化物型分布在盐渍化程度最高的昌邑地区，向陆方向依次分布硫酸盐-氯化物型和氯化物-硫酸盐型；硫酸盐型分布在西北和东南方向，主要与该区域海水入侵的范围密切相关。2012年以硫酸盐型和氯化物-硫酸盐型为主，分布规律较2010年有较大变化。

图4 莱州湾南岸表层盐渍土类型空间分布年际变化

莱州湾南岸表层土壤不同盐渍化类型的面积如表8所示。盐渍化类型由氯化物型和硫酸盐-氯化物型向硫酸盐型和氯化物-硫酸盐型转变，表明该区域在加强水利设施建设和采取合理灌溉后，盐渍土受海水入侵的影响逐渐减少。

表8 莱州湾南岸表层土壤不同盐渍化类型的面积 km2

3 结论和建议

本研究对多年野外采样数据进行地统计分析，研究山东滨海低平原区表层土壤盐分的年际变化。通过分析黄河三角洲和莱州湾南岸2个典型地区的表层土壤盐分时空变异的差异，总结山东滨海低平原区盐渍土的演化规律，主要包括4个方面。

(1)黄河三角洲表层土壤的盐渍化程度相对于莱州湾南岸较高，在年际变化上呈积盐趋势；莱州湾南岸则呈脱盐趋势，但盐渍化面积有所增加。

(2)黄河三角洲和莱州湾南岸表层土壤盐分的块基比在年际变化上都呈下降趋势，表明山东滨海低平原区盐渍土受结构因素(天气、地貌和土体母质等)的影响日趋加剧。

(3)黄河三角洲和莱州湾南岸表层土壤盐分的分布规律与其地形有密切关系，低洼地区土壤盐分较高；同时盐渍化类型与盐渍化程度的分布特征也基本吻合。

(4)黄河三角洲的盐渍化类型趋于以氯化物型为主；莱州湾南岸的盐渍化类型趋于以硫酸盐型和氯化物-硫酸盐型为主，因此虽处于脱盐阶段，还应注意防止土壤碱化。

作为农业资源的重要土地资源，滨海盐渍土的合理开发利用应成为“渤海粮仓”建设的重点。滨海盐渍土的盐分多源于其母质，其含量受天气、土体母质和地貌的影响较大，而其变化趋势则与人类活动密切相关，因此提出5个方面的开发利用建议。

(1)依据地形条件，因地制宜综合开发。滨海土壤的盐渍化程度和盐渍化类型与地形具有高度的吻合性，在开发利用时应针对不同地貌单元，从多途径和多结构合理规划。

(2)降低潜水位，防止海水漫灌和高矿化的咸水灌溉，减少土壤盐分输入。应增加人工排水设施，采用喷灌和滴灌等措施节约灌溉水的回归下渗，通过地表水体的防渗工程降低地表水对地下水的补给和潜水位抬升等。

(3)加强盐分的淋洗作用。采用淡水和微咸水合理灌溉，对渗透性较好的区域可采用定期大水漫灌，对渗透性较差的区域可先采用灌水浸泡从而溶解土壤盐分，然后将积水排掉。

(4)改善土体性质，增加包气带的厚度和透水性。通过深耕、松土、施用有机肥和选种耐盐植物等措施，提高滨海土壤肥力，减少土面蒸发量。

(5)在滨海盐渍土防治、脱盐和去盐渍化的过程中，应注意同时改善土壤条件，防止碱化；通过对盐渍土施加石膏等措施中和碱化土壤，降低对农作物的危害。

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Spatio-temporalVariabilityofSalineSoilSalinityinShandongLow-lyingCoastalPlain

FU Tengfei1,2,ZHANG Ying1,2,XU Xingyong1,2,CHEN Guangquan1,2,SU Qiao1,2

(1.Key Laboratory of Marine Sedimentology and Environmental Geology，First Institute of Oceanography，SOA，Qingdao 266061,China；2.Laboratory for Marine Geology,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266061,China)

Statistical methods was adopted to analysis the spatio-temporal variation and spatial distribution difference of Shandong coastal saline soil in this paper.The results showed that the salinization degree of the Yellow River Delta is high and there is a trend of salt deposition on the inter-annual variability.The southern Laizhou Bay showed a trend of desalination while the salinization area is increasing.The influence of the structure factors of saline soil in the low-lying plain of Shandong province is aggravated and the top layer soil salinity distribution has a close relationship with topography,the salinization type is basically in accordance with the distribution characteristics of salinization degree.What’s more,attention should be paid to prevent soil alkalization in the southern Laizhou bay.Suggestions were proposed according to these results,such as the comprehensive exploitation,measures adjustment to local conditions to reduce soil salt input,salt-leaching strengthening,soil properties improvement and soil alkaline prevention,which are of important guiding significance for the development and utilization of water and soil resources in coastal region.

Soil salinization，Spatial and temporal variation，Yellow River Delta，The southern Laizhou Bay，Geostatistical analysis

P76；S156.4

A

1005-9857(2017)12-0038-08

2017-10-09；

2017-11-06

山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室2016年度开放基金项目(201609)；国家重点研发计划项目(2016YFC04028000).

付腾飞，工程师，博士，研究方向为滨海盐渍土水盐运移监测预警

徐兴永，研究员，博士，研究方向为海岸带地质灾害防控