苏北滨海盐碱土壤盐碱化特征

王 彤， 封超年， 靳瑞萍， 张焕朝

(1.南京林业大学林学院，江苏南京 210037； 2.南方现代林业协同创新中心，江苏南京 210037)

江苏省位于我国大陆东部沿海中心，地处长江三角洲，长江以北有大面积淤积成陆的滨海冲积平原[1]。随着河流入海口的不断生长以及修筑海堤等活动的不断进行，每年可形成面积可观的海涂[2]。国民经济的快速发展导致土地资源日益紧缺，而江苏沿海地区有丰富的土地资源，但由于受海潮和海水型地下水的双重作用，滨海地区土壤具有盐分含量高、养分含量低、地下水矿化度高、土壤盐碱化严重等特点，致使这些土地资源未能得到有效的利用。土壤盐渍化是影响盐土荒地和滩涂资源开发利用的主要障碍因素[3]。目前，围绕沿海地区生态环境改良和盐碱土利用的研究进行得如火如荼，尤其是如何高效利用盐碱地成为研究热点[4]。改善生态环境和促进农林业生产的前提是对沿海土壤进行改良利用，近年来江苏北部沿海地区要求大面积植树造林，而如何提高造林成活率，保证树木健康生长，除了树种的选择外，弄清土壤盐碱化特征是盐碱地高效利用的前提。通过对大丰沿海林场土壤进行采样分析，研究该地区土壤全盐含量与各离子之间的相关关系，对研究区土壤盐化和碱化之间的关系进行定量分析，并对土壤盐分离子进行主成分分析，得到在滨海盐碱土壤盐渍化过程中具有主导性和限制性的关键指标，综合全面反映土壤盐碱化特征[5]。因此，本研究采用相关性分析和主成分分析方法对江苏省盐城市大丰沿海林场土壤盐碱化特征进行系统分析，以期为该地区的盐碱运移规律、盐碱土改良与利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于江苏省盐城市大丰沿海林场，该区域于1991年开始进行围垦，南部与麋鹿自然保护区一堤之隔，为江苏省沿海重点防护林，其淡水资源较为丰富，可为改良土壤提供比较充足的淡水水源，在1995年修建水利工程，引淡水洗盐。围垦区前期修建鱼池，后期平整为农田，截至2016年初已进行了4～5年的水稻—小麦轮作。研究区范围为 120°47′～120°48′ E，33°03′～33°04′N，总面积为100 hm2。

研究区地处北亚热带季风气候区，气候具有明显的过渡性、海洋性和季风性。年平均降水量为1 058.4 mm，虽然降水丰沛，但季节性分布不均，调蓄空间小[5]，主要集中在6—8月的雨季。多年平均蒸发量为825.5 mm，多年平均气温为14.1 ℃，无霜期为230 d左右。土壤属于典型性的淤质冲积盐土，发育于海相沉积物，其沉积母质为近代泥沙沉积物，全剖面土质均匀，以粉沙为主，土壤容重在1.3～1.6 g/cm3之间，孔隙度为40%～50%。区域内地下水位普遍较高，多为0.8～2.4 m，且矿化度较高[11]。

1.2 样品采集和测试

1.2.1 样品采集 2016年3月22日，根据大丰沿海林场土地利用现状，将研究区大致分为4个区域，即将处于西北方向的区域视为1号区，西南方向的区域视为2号区，东北方向的区域视为3号区，东南方向的区域视为4号区，每个区域按照“S”型布设8个点，共32个。每个样点采集0～10、10～20、20～40、40～60 cm土层的土样，装入塑封袋中并将同一区域不同采样点相同层次的土样充分混合，共得到128个混合土样，取样的同时，用全球定位系统(global positioning system，简称GPS)精确定位每个点，并记录采样点经纬度和高程数据。

1.2.2 土壤样品处理与分析测定 对采集后的样品在室内进行风干处理，挑去植物根茎残渣、瓦砾等，过1 mm筛，装入塑封袋备用。测试土壤溶液是土水质量比为1 ∶5的浸提液，采用电位法测定土壤pH值；采用残渣烘干质量法测定土壤全盐含量；采用电导率测量仪测定土壤电导率；阳离子[钾离子(K+)、钠离子(Na+)、钙离子(Ca2+)、镁离子(Mg2+)]浓度的测定采用等离子发射光谱法；碳酸根离子(CO32-)、碳酸氢根离子(HCO3-)浓度的测定采用中和滴定法；氯离子(Cl-)浓度的测定采用硝酸银滴定法；硫酸根离子(SO42-)浓度的测定采用硫酸钡比浊法。

1.3 数据处理与分析

采用Excel对土壤全盐含量、pH值进行统计分析；采用SPSS 22.0对离子间以及各离子与全盐、土壤pH值之间进行相关性分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 盐分特征

2.1.1 土壤盐分垂直分布特征 土壤的全盐含量是表征土壤含盐量大小及盐渍化程度高低的重要指标[6]。从表1可以看出，整个研究区土壤属于轻度盐渍化(1～2 g/kg)到中度盐渍化(2～4 g/kg)。研究区表层(0～10 cm土层)土壤全盐含量平均值为1.68 g/kg，且土壤全盐含量整体随着土层深度的增加呈降低趋势，由此可见，研究区土壤全盐含量呈现表聚型特征，主要是由于本次样品采集时间为3月下旬，为该区的枯水期，春季强烈的蒸发环境加上植物的蒸腾作用，导致蒸发量大于降水量，含易溶性盐类的地下水不断向地表蒸发聚集，从而增加了表层土壤中可溶性盐分的含量[7]。0～10 cm土层中的土壤全盐含量平均值在2号区最小，3号区最大。土壤全盐含量平均值整体随着平均海拔的升高而降低。

变异系数是反映变量离散程度的重要指标，盐分在土壤剖面各土层中的变异系数在一定程度上揭示了盐分在空间上的分布特征[8]。由表1可知，在4个区域中，1号、2号区域整个垂直面的土壤全盐含量变异系数较大，其变异系数范围分别在38%～48%、45%～63%之间，属于中强度变异性。从土壤剖面垂直分布来看，1号、2号区域土壤全盐含量变异系数随着土层深度的增加呈先增大后减小的变化趋势，主要是由于在采样期间1号、2号区域已经进行了深耕，但随着土层深度的增加，土壤盐分受外界的干扰强度减小，盐分分布均匀，全盐含量的变异系数变小。3号、4号区域整个垂直面上表层的土壤全盐含量变异系数最大。

表1 研究区土壤全盐含量统计特征

2.1.2 土壤电导率和全盐含量关系 土壤含盐量可以反映盐渍化的程度，由于土壤含盐量不易测定，而电导率的测定具有可靠、经济、快速的特点，因此通常用电导率来指示土壤盐渍化程度。不同地区的盐碱土含盐类型存在差异，深入研究本地区土壤全盐含量与其1 ∶5土水质量比浸提液电导率之间的关系对于确定区域盐分状况具有重要的理论及实用价值[9]。建立土壤全盐含量(y)与电导率(x)的回归方程，由图1可知，二者呈极显著正相关关系(r2=0.942 9)，说明该地区可以通过电导率的快速测定来及时了解其土壤的盐分背景，提高野外调查、土地利用规划的效率，大量节省人力、物力和时间，且利于国内外的交流[10]；同时可以通过测定电导率来计算土壤含盐量，进而对土壤的盐渍化程度进行分级。

2.2 不同土层土壤盐分离子特征

由图2可知，土壤盐分中的阳离子主要为Na+，各土层Na+含量占该土层土壤阳离子总量的50%以上，最多可达82%；Ca2+次之，占阳离子总量的10%以上，最多可达32%。在各层土壤中，Mg2+含量最少。随着土层深度的增加，Na+、Ca2+、K+、Mg2+含量整体呈降低趋势，与土壤全盐含量的变化趋势一致。从阴离子组成来看，各层土壤中的SO42-含量明显高于Cl-、CO32-和HCO3-。SO42-在阴离子总量中的占比最大，为71%～79%，Cl-次之，其次是HCO3-。SO42-含量随土层深度的增加而降低，HCO3-含量随深度的增加变化幅度不大，CO32-浓度随深度的增加而增大。0～10、10～20、20～40、40～60 cm土层Cl-/SO42-毫克当量比值分别为0.14、0.16、0.16、0.19，随土层深度的增加，Cl-/SO42-毫克当量比值整体呈增大趋势，根据当土壤Cl-/SO42-离子毫克当量比值小于0.2时为硫酸盐土的分类方法，该地区土壤的主要盐分类型为硫酸盐。0～60 cm土层的盐分由硫酸盐过渡至氯化物-硫酸盐可能是地形因素以及盐分溶解度不同(硫酸盐的溶解度大于氯化物的溶解度)的综合作用结果。CO32-在0～20 cm土层中的浓度非常小，在部分样点20～40 cm 土层中的浓度也很小，一方面可能是因为研究区的土壤呈强碱性，CO32-容易与Ca2+、Mg2+形成碳酸盐沉淀，另一方面可能是因为部分CO32-水解形成了HCO3-[11]。

2.3 土壤盐分离子间的相关性

对各离子间的相关分析可揭示盐分在土体中的存在形态，在一定程度上反映出盐分的运动趋势[12]。由表2可知，0～10 cm 土层全盐含量与Mg2+、Na+、Cl-浓度呈极显著正相关关系(P<0.01)；Mg2+浓度与Ca2+、K+浓度呈极显著正相关关系(P<0.01)，相关系数分别为0.778、0.814；Na+浓度与K+、Mg2+呈极显著正相关关系(P<0.01)，其中Na+浓度与K+浓度相关性较高，相关系数为0.900；K+、Mg2+、Na+浓度与Cl-浓度呈极显著正相关关系(P<0.01)；土壤全盐含量与Mg2+、Na+、Cl-浓度呈极显著正相关关系(P<0.01)，说明全盐含量随着Mg2+、Na+、Cl-等浓度的增大而增加。10～20 cm 土层全盐含量与Mg2+、Na+浓度呈极显著正相关关系(P<0.01)；土壤pH值与Ca2+、K+、Mg2+浓度呈显著或极显著负相关关系；Ca2+、Na+浓度与Mg2+浓度呈极显著正相关关系(P<0.01)，相关系数分别为0.820、0.836。20～40 cm 土层Ca2+、K+浓度与Mg2+浓度呈极显著正相关关系(P<0.01)；K+、Mg2+浓度与Na+浓度呈极显著正相关关系(P<0.01)；土壤pH值与Ca2+、Mg2+浓度呈极显著负相关关系(P<0.01)；土层全盐含量与K+、Mg2+浓度呈显著正相关关系(P<0.05)；CO32-浓度与HCO3-浓度呈极显著正相关关系(P<0.01)。40～60 cm土层土壤pH值同样与Ca2+、Mg2+浓度呈极显著负相关关系(P<0.01)。说明在正常CO32-分压下，CaCO3和MgCO3的溶解度很小，它们在土壤溶液中的浓度很低[12]；40～60 cm土层，pH值与CO32-浓度呈极显著正相关关系(P<0.01)，且土壤pH值变化规律跟CO32-浓度一致，说明土壤的酸碱性主要由CO32-浓度决定。

对比不同土层各盐分离子之间的相关性可知，随着土壤深度的变化，各离子间的相关系数也随着改变，0～10 cm土层全盐含量与Cl-浓度呈极显著正相关关系(P<0.01)，随着土层深度的增加，全盐含量与Cl-相关性整体明显减弱，说明该地区土壤在经历脱盐和积盐过程中主要以硫酸盐的运移为主，而氯化盐在土壤中运移缓慢。0～60 cm土层CO32-浓度与HCO3-浓度的相关系数随着深度增加而增大；K+浓度与Na+浓度的相关系数随着深度的增加减小；Cl-浓度与SO42-浓度的相关系数随着深度的增加而减小。

2.4 土壤盐碱化参数与特征分析

2.4.1 土壤pH值垂直变化特征 土壤pH值是评价土壤盐碱化程度的一个重要指标，对土壤的氧化还原、沉淀溶解、吸附、解吸和配合反应起到支配作用[12]。由表3可知，研究区土壤pH值随土层深度的增加而增大，主要是由于土壤受到海水性地下水的影响，矿化程度高的地下水源受到土壤胶体结合的Na+、Mg2+等阳离子的吸引，使得碱性离子基团富集在下层土壤，表现为深层土壤pH值更为偏高且碱化程度更大、更稳定的特点。由于在盐分的淋失过程中，土壤中的Na+大量置换土壤胶体所吸附的Ca2+和Mg2+并附着在土壤胶体上，导致土壤pH值增大，土壤碱性增强。0～10 cm土层pH值最大值为9.02，最小值为8.21，平均值为8.54，40～60 cm土层pH值最小值为8.57，根据碱化级别划分标准，土壤pH值在8.5～9.5之间为强碱性土，说明研究区土壤为强碱性土壤。从研究区土壤pH值的变异系数来看，各土层的变异系数均较小，在2.10%～2.16%之间，说明土壤的pH值空间分布均匀，受外界干扰小。

2.4.2 盐化和碱化的关系 土壤中的碱性物质主要包括钙、镁、钠的碳酸盐和碳酸氢盐，以及胶体表面吸附的交换性钠。交换性Na+水解呈强碱性反应，是碱化土的重要特征[13]，H+取代了Na+而失去活性，交换的结果是产生了OH-，使土壤的pH值升高。本研究结果显示，研究区的土壤pH值在8.21～9.48范围内，土壤pH值随着土壤含盐量的增加而降低(图3)，说明土壤溶液中较高的盐浓度可抑制碱性钠的水解，从而使土壤碱化程度降低[12]。

2.5 土壤盐分离子主成分分析

通过对Ca2+浓度、K+浓度、Mg2+浓度、Na+浓度、Cl-浓度、pH值、全盐含量等10个变量进行主成分分析，建立具有代表性和限制性的土壤盐渍化特征因子，用于合理评价研究区土壤盐渍化状况，以便为该区域土壤盐渍化改良和利用提供针对性的理论依据[14]。对特征因子进行主成分分析，获得各主成分特征值及贡献率，结果(表4)表明，前3个主因子的特征值大于1，第1、第2、第3主成分的特征值分别为3.88、1.72、1.26，所对应的贡献率分别为38.84%、17.21%、12.64%，累计贡献率为68.69%，表明前3个主成分可以反映原10个变量信息中的绝大部分。

表2 整个剖面盐分离子间的相关性

注：“*”“**”分别表示在0.05、0.01水平上显著相关。

表3 不同层次土壤pH值及其变异系数

主成分因子载荷是主成分因子与原始变量因子之间的相关系数[15]。为了使找到的主因子更易于解释，往往须要对因子载荷矩阵进行旋转，使大的载荷更大，使小的载荷更小[16]。由表5可知，与第1主成分密切相关的是K+、Mg2+、Na+、Cl-浓度及全盐含量，载荷值分别为0.861、0.682、0.906、0.538、0.553，说明第1主成分与K+、Mg2+、Na+、Cl-浓度及全盐含量相关性较高，因此在实际意义上可以代表土壤盐化程度。与第2主成分密切相关的是Ca2+、Mg2+、SO42-浓度，载荷正向负荷值分别为0.784、0.626、0.672，即这3个指标与土壤盐渍化关系密切，进一步说明影响该地区土壤盐渍化的盐分主要是硫酸盐[14]。与第3主成分密切相关的是Cl-、HCO3-、CO32-浓度，它们的载荷值相对较高，分别为0.605、0.883、0.586，其中HCO3-、CO32-2个离子不仅是盐分组成，而且总碱度=CO32-浓度+HCO3-浓度，由此说明第3主成分可代表盐渍化土壤的盐碱状况特征。

表4 土壤盐渍化主成分的特征根与方差贡献率

表5 旋转后主成分因子载荷

3 结论

研究区盐分组成总体以硫酸盐为主。土壤属于轻度盐渍化到中度盐渍化，土壤全盐含量随土层深度的增加而降低，呈现表聚的特征。土壤pH值介于8.21～9.48范围内，为强碱性土壤，且土壤pH值随土壤含盐量的增加而降低。电导率和土壤全盐含量呈极显著的正相关关系，用电导率来表示土壤含盐量具有可行性。

研究区土壤中占主要优势的阳离子、阴离子分别是Na+、SO42-。对各离子之间的相关性分析结果表明，在各土层中Ca2+浓度与Mg2+浓度始终表现为极显著正相关关系，土壤pH值与Ca2+、Mg2+浓度呈极显著负相关关系；在40～60 cm土层，pH值与CO32-浓度呈极显著正相关关系，而土壤pH值变化规律与CO32-浓度一致，说明土壤的酸碱性主要由CO32-浓度决定。K+、Mg2+、Na+、Cl-浓度以及全盐含量是表征苏北滨海土壤盐化程度的主要特征因子。影响土壤碱化特征的主要因子有Cl-、HCO3-、CO32-。