天津大黄堡沼泽湿地土壤盐渍化特征及其对长期开垦的响应

毕 琳 ，郭长城 ，尚云涛 ，张志罡 ，宋莉群 ，朱源山 ，李媛媛 ，陈 清 ，王义东 ，王中良

（1.天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津300387；2.天津师范大学地理与环境科学学院，天津300387）

湿地是自然界生物多样性最为丰富的生态系统和人类最重要的生存环境之一，是一种极为重要的自然资源，与森林、海洋并称为全球三大生态系统，具有巨大的社会经济价值和生态价值[1-2].沼泽湿地是湿地中典型的类型之一，也是研究湿地盐分变化和盐渍化特征的重要组成部分[3].天津湿地分布广泛，是环渤海沿岸湿地的典型代表[4].天津地区湿地面积所占比例远高于全国平均水平，因此研究天津湿地土壤盐渍化特征及其环境响应，对天津的经济社会发展具有重要意义[5-6].土壤盐渍化是造成环境恶化的主要因素之一，对荒漠化的发展具有重要推动作用[7-8].盐渍化土壤会对周围水体产生盐污染，影响地下水的利用，甚至导致地下水质恶化[9-10].盐渍土还限制了农业土地利用和粮食生产[11-14].

随着我国工业技术的发展和城镇化步伐的加快，人口越来越多，导致大面积湿地被开垦[15-16].近几十年来，由于一些不合理开垦，导致盐渍化土壤在耕地中所占的比例越来越大，部分地区土壤盐渍化还有加重趋势，这对我国的粮食安全和国民经济发展造成了严重威胁[17].大黄堡湿地自然保护区是天津滨海湿地自然保护区的重要组成部分，也是天津湿地长期开垦为农田的代表区域.目前已有关于滨海地区土壤碱化特征和盐分含量的研究报道[18-20]，但对于天津大黄堡湿地及开垦的研究较少.本课题组以天津大黄堡沼泽湿地为研究对象，探讨土壤盐渍化特征及其对长期开垦的响应，为天津滨海生态环境保护管理和区域经济社会发展提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大黄堡湿地自然保护区位于天津市武清区，属于天津近海盐碱土典型代表区域，采样区位置如图1所示.

Fig.1 Locations of sampling area图1 采样区位置图

大黄堡湿地自然保护区成立于2004年9月，是由草甸、沼泽、水体和动植物等组成的湿地生态系统.该保护区位于中纬度，在 117°10′33″～117°19′58″E 和39°21′4″～39°30′27″N 之间，总面积约 112 km2，其中耕地面积约6.7 km2.保护区属于典型暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温约为11.6℃，年降水量约为578.3 mm，年平均日照时数约为2 752.2 h，日照率为62%，年平均风速约为3.2 m/s，四季变化明显.4条河渠贯穿该保护区，包括龙凤新河、柳河干渠、黄沙河排水干渠和东粮窝引河.该保护区依托这4条河渠长年积水，水源充足，地势平坦，坡度平缓，适宜草甸、芦苇、苔草等植被生长.

1.2 实验设计与采样

选取天然芦苇湿地和周边开垦农田（约100 a）为样地，采用剖面钻土取样.选用 0～5、5～10、10～20、20～30、30～50、50～70、70～100 cm 共 7 层土壤.按照“S”形线路采样法[21]，选取3个采样小区（即3组重复），在每个小区随机设置2组土壤剖面，把剖面中相同层次的土壤进行混合，装袋、编号并带回，共42个土壤样品.样品在实验室内风干，去除动植物残体、石块和结核，然后粉碎研磨过60目筛子，混匀，密封保存，备用.

1.3 土壤水溶性盐分测定

依据文献[22]测定土壤的水溶性盐分，测定指标包括土壤pH值、电导率、阴离子（Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-）含量（每千克土壤中的离子质量，单位为g/kg，下同）、阳离子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+）含量、土壤水溶性盐分总量（8种离子含量之和）.称取筛分后的土壤10 g，置入25 mL清洁烧杯中，加入超纯水25 mL，震荡5 min，静置20 min，提取上清液，测定pH值（水土质量比为2.5∶1）.采用5∶1的水土比例（质量比），测试土壤电导率，方法同上.研究土壤盐渍化运动规律时，采用5∶1的水土比对土壤水溶性盐分浸提.水土充分混合均匀后，震荡5 min，在4 000 r/min速率下离心，提取上清液，过滤，滤液待上机.利用离子色谱仪（戴安 ICS-2100）测定 Cl-、SO42-的含量，用双指示剂-中和滴定法测定CO32-、HCO3-的含量，利用电感耦合等离子体发射光谱仪（PE Optima 8300）测定 Na+、K+、Ca2+、Mg2+的含量.

将测定的各离子含量转化成物质的量的浓度（cmol/kg），计算钠吸附比（SAR）、碱化度（ESP）和残余碳酸钠（RSC），计算公式[22-23]：

采用Arc GIS Arc Map 10.2软件制作采样区图，采用SPSS Statistics 19（IBM）软件进行相关性分析和统计检验，选用Pearson相关性分析方法对含盐量与各土壤盐分离子以及各离子间的关系进行相关性分析.使用Sigma Plot 10.0软件进行绘图.

2 结果与分析

2.1 土壤酸碱性

大黄堡沼泽湿地土壤的pH值为6.97～8.21，农田土壤的pH值为8.10～8.52.随着土层深度的增加，土壤pH的变化如图2所示.由图2可以看出，样地土壤大体呈微碱性-碱性，仅沼泽湿地在0～5 cm土层的pH值为6.97.湿地和农田土壤pH值都随着土层深度的增加而增大，且0～20 cm土层深度的pH值急剧增加.在同一土层深度，农田土壤的pH值显著高于沼泽湿地（P<0.05），这说明天然沼泽湿地经长期开垦后，土壤碱性增强.

Note： *，P<0.05.

2.2 土壤电导率和含盐量

大黄堡沼泽湿地和农田的土壤电导率如图3所示.

图3 天津大黄堡沼泽湿地和农田土壤的电导率Fig.3 Conductivity of soil in the marsh wetland and farmland of Dahuangpu in Tianjin

由图3可以看出，沼泽湿地电导率在表层土壤（0～5 cm）处最高，为1.77 mS/cm，随着土层深度的增加，电导率在0.74～0.81 mS/cm间波动，这说明沼泽湿地的水盐交换相对活跃区仅位于表层，深层土壤的水盐交换较不活跃.农田土壤的电导率在0～10 cm处最高，随着土层深度的增加，电导率下降，尤其是10～30 cm土层下降幅度较大，这说明湿地经过长期开垦后，水盐交换在0～10 cm土层相对活跃.沼泽湿地土壤在表层土（0～5 cm）和深层土（30～100 cm）的电导率高于农田土壤的数值，中间土层（5～30 cm）的电导率低于后者.

我国盐化土壤的盐渍化程度以含盐量（质量分数，下同）为指标进行分类[23]，可分为非盐化土（含盐量＜0.1%）、轻度盐化土（含盐量为0.1%～0.2%）、中度盐化土（含盐量为0.2%～0.4%）、强度盐化土（含盐量为0.4%～0.6%）和盐土（含盐量＞0.6%）.图4为沼泽湿地和农田土壤的含盐量.由图4可以看出，大黄堡沼泽湿地的土壤含盐量均高于0.1%，0～5cm表层土为0.247%，这表明沼泽湿地表层土为中度盐化土，其他土层均为轻度盐化土.由于该地区降雨量较少，表层蒸发量大，表层易受影响，因此含盐量高.农田土壤仅在0～10 cm土层深度的含盐量高于0.1%，为轻度盐化土，其余土层为非盐化土.农田土壤含盐量随着土层深度的增加而降低，在相同的土层处含盐量均低于沼泽湿地的数值，这表明长期开垦显著降低了土壤的含盐量.

图4 天津大黄堡沼泽湿地和农田土壤含盐量Fig.4 Salt content of soil in the marsh wetland and farmland of Dahuangpu in Tianjin

2.3 土壤盐分组成及其相关关系

土壤盐渍化类型以Cl-和SO42-的当量比值（Theratio of Cl-to SO42-，R）进行划分[24-25]，分为硫酸盐型（R＜0.5）、氯化物-硫酸盐型（0.5≤R＜1.0）、硫酸盐-氯化物型（1.0≤R＜4.0）和氯化物型（R≥4.0）4种类型.如表 1所示，大黄堡湿地0～10 cm土层为硫酸盐型，10～20 cm土层为氯化物-硫酸盐型，20～100 cm土层为硫酸盐-氯化物型.开垦后，0～100 cm深度的土壤主要为硫酸盐-氯化物型，仅在20～30 cm土层为氯化物-硫酸盐型.

表1 天津大黄堡沼泽湿地和农田土壤盐渍化类型Tab.1 Types of soil salinization in the marsh wetland and farmland of the Dahuangpu in Tianjin

大黄堡沼泽湿地和农田土壤的盐分组成如图5所示.由图5（a）可以看出，2种土壤中的阳离子均以Na+为主，占阳离子总量的70%～91%（质量分数，下同）.开垦后，70～100 cm土层的K+质量分数显著增加.总的来看，不论是表层土还是深层土，长期开垦对大黄堡沼泽湿地阳离子所占比例的影响不显著.由图5（b）可以看出，2种土壤的阴离子基本是以Cl-和SO42-为主，Cl-占 30%～50%，SO42-占 37%～50%.沼泽湿地 0～20 cm土层SO42-占64%～85%，开垦改变了该土层的SO42-和Cl-含量，使得Cl-含量增加，SO42-含量降低.

图5 天津大黄堡沼泽湿地和农田土壤盐分组成Fig.5 Salt composition of soil in the marsh wetland and farmland of Dahuangpu in Tianjin

分析沼泽湿地和农田土壤中 Na+、Mg2+、K+、Ca2+4种阳离子随土层深度增加的变化趋势，结果如图6所示.由图6可以看出，沼泽湿地和农田土壤中Na+含量均随着土层深度的增加而增加，30～50 cm土层达到最大值后缓慢降低.0～50 cm土层中，沼泽湿地的Na+含量均低于农田土壤中的数值，深层土壤中的Na+含量则高于后者.沼泽湿地的K+随土层深度增加先快速增加，5～10 cm土层中含量最大，此后降低，50 cm后又随着土层深度的增加略有增加.农田土壤0～30 cm土层中，K+含量随着土层深度的增加缓慢降低，随着土层深度的进一步增加，K+的含量开始增加.Mg2+和Ca2+的变化趋势相同，在2种土壤中均先随着土层深度的增加而降低，土层超过50 cm深后，2种离子的含量呈增加趋势.比较2种土壤中的阳离子的含量，浅层至中层土中（0～50 cm），沼泽湿地Na+的含量低于农田土壤中的数值，其余3种阳离子则高于后者，深层土壤中则相反.

图6 天津大黄堡沼泽湿地和农田土壤阳离子含量Fig.6 Cation content in soil in the marsh wetland and farmland of Dahuangpu in Tianjin

沼泽湿地和农田土壤中的阴离子随土壤深度增加的变化情况如图7所示.由图7可以看出：随着土层深度的增加，沼泽湿地土壤的Cl-含量呈增加趋势；SO42-含量在0～30 cm土层急剧下降，30～100 cm土层呈缓慢下降趋势；CO32-含量呈先增加后降低趋势，在20～30 cm土层达到最大值；SO42-含量则基本保持恒定.农田土壤中，Cl-和CO32-含量呈略微下降趋势，HCO3-和CO32-含量则随着土层深度的增加呈显著上升趋势.2种类型的土壤相比，在浅层土壤中，农田土壤的Cl-含量显著高于沼泽土壤，SO42-含量显著低于沼泽土壤（P<0.05），深层土中二者则相反；农田土壤的HCO3-和CO32-含量始终高于沼泽土壤中的数值.总的来看，长期开垦主要影响土壤0～20 cm土层中的Cl-和SO42-含量，显著增加了土壤CO32-的含量（P<0.05）.

研究土壤盐分离子间的相关性不仅可以反映出离子的存在形态，也可以分析土壤离子的迁移特性.大黄堡沼泽湿地和农田土壤离子间的相关性分析结果如表2所示.

图7 天津大黄堡沼泽湿地和农田土壤阴离子含量Fig.7 Anion content in soil in the marsh wetland and farmland of Dahuangpu in Tianjin

表2 天津大黄堡沼泽湿地和农田土壤盐分离子间的相关性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：在沼泽湿地中，含盐量与Na+、Mg2+、K+、Ca2+、Cl-和 SO42-含量呈显著正相关（P ＜ 0.05），与HCO3-和CO32-含量呈负相关，但相关性不具有统计学意义（P ＞ 0.05）；CO32-含量与 Mg2+、K+、Ca2+、Cl-和SO42-含量呈显著负相关（P<0.05）；SO42-含量与 Mg2+、K+、Ca2+和 Cl-含量呈显著正相关（P ＜ 0.05）；Cl-含量与 Mg2+、K+和 Ca2+含量呈显著正相关（P ＜ 0.05）；Mg2+、K+和 Ca2+3种离子含量互相呈显著正相关（P＜0.05）.农田土壤含盐量与 Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-和 HCO3-含量呈显著正相关（P ＜ 0.05）；HCO3-含量与 Mg2+、Ca2+、Cl-和 SO42-含量呈显著正相关（P ＜ 0.05）；SO42-含量与 Mg2+、K+和Ca2+含量呈显著正相关（P ＜ 0.05）；Cl-含量与 Na+含量呈显著正相关（P ＜0.05）；Mg2+、K+和 Ca2+3种离子含量互相呈显著正相关（P＜0.05）.沼泽湿地经过长期开垦，总体上削弱了盐分离子间的相关性，尤其是显著削弱了CO32-含量与其他离子的相关性，但显著增强了HCO3-与含盐量和其他离子的相关性，也增强了Na+含量与Cl-含量的相关性.这与冯小平等[3]的研究结果一致，即在长期开垦过程中，土壤 Mg2+、K+、Ca2+和 SO42-有相似的迁移特性.

2.4 土壤碱化程度

钠吸附比（SAR）、碱化度（ESP）和残余碳酸钠（RSC）是评价土壤碱化程度的重要指标[3].土壤盐分组成不同，对土壤的危害程度也不同，对土壤危害程度最大的阳离子就是Na+[26].钠吸附比是土壤中Na+占Mg2+和Ca2+之和的相对数量，用于分析Na+的危害程度[27].在盐碱化土壤中，Na+含量过高会抑制作物对其他阳离子的吸收，降低作物对土壤养分的利用，影响作物正常生长发育.碱化度是碱化土壤分级的重要指标，以钠碱化度为例，具体分级标准[28]为：ESP＜5%为非碱化土；5%～10%为轻度碱化土；10%～20%为中度碱化土；20%～40%为重度碱化土；ESP＞40%为碱土.残余碳酸钠常用来表示从重碳酸盐水中沉淀出碳酸钙的趋势和碳酸钠的危害程度[29].大黄堡沼泽湿地和农田土壤的碱化参数如表3所示.

表3 天津大黄堡沼泽湿地和农田土壤的碱化参数Tab.3 The alkalization parameters of soil in the swamp wetland and farmland of Dahuangpu in Tianjin

由表3可以看出，大黄堡沼泽2种土壤的钠吸附比是4.0～8.5，湿地0～20cm土层的钠吸附比小于农田，20～100 cm土层的钠吸附比则高于农田.这说明湿地开垦后，Na+的危害在0～20 cm土层升高，在20～100 cm土层降低.湿地5～10 cm土层和农田70～100 cm土层的碱化度分别为4.60%和3.19%，为非碱化土；其余湿地和农田土层的碱化度为5%～10%，为轻度碱化土.湿地0～20 cm土层的碱化度低于农田，20～100 cm土层的碱化度则高于农田.这表明湿地开垦后，0～20 cm土层的碱化度升高，20～100 cm土层的碱化度降低.长期开垦后，农田土壤中残余碳酸钠含量比天然沼泽湿地中的含量高，70～100 cm土层更是显著增加，但2种土壤类型的残余碳酸钠值总体上都比较低，对土壤危害较小.

3 结论

本研究对天津大黄堡天然沼泽湿地及其周边开垦农田的土壤盐渍化特征进行分析，探讨了湿地土壤盐分对长期开垦的响应，得到以下结论：

（1）大黄堡沼泽湿地和周围农田均为微碱性土壤，长期开垦后，各层土壤的pH值均升高，除了10～20 cm土层的差异较小外，其余土层中，农田土壤的pH值都显著高于沼泽湿地的数值（P＜0.05），这说明开垦后的土壤有碱化趋势，但各碱化参数升高的并不显著.

（2）开垦显著降低了50～100 cm土层的电导率和含盐量.农田土壤含盐量随着土层深度的增加而降低，且低于沼泽湿地相同土层的含盐量，这是由于湿地开垦后易受雨水淋溶、表层蒸发等作用的影响，土壤出现了脱盐现象，即长期开垦降低了整个土层的盐分含量.

（3）湿地 0～10 cm 土层为硫酸盐型，20～100 cm 土层为氯化物-硫酸盐型和硫酸盐-氯化物型.经过开垦后，0～100 cm土壤为氯化物-硫酸盐型和硫酸盐-氯化物型；0～30 cm 土层 Cl-含量增加，SO42-含量降低，10～100 cm土层CO32-含量增加，70～100 cm土层K+含量显著增加.长期开垦显著影响了盐分离子间的相关性，特别是增加了Cl-与Na+和HCO3-的相关性，降低了Cl-与 Mg2+、K+、Ca2+、SO42-、CO32-的相关性，表明 Cl-与 Na+迁移性相似、Mg2+、K+、Ca2+和 SO42-迁移性相似.

（4）开垦后，钠吸附比和碱化度在20～100 cm深度土层有所降低，这表明开垦降低了Na+的危害.虽然农田土壤中残余碳酸钠含量比天然沼泽湿地高，但两种土壤类型的残余碳酸钠值都比较低，对土壤危害影响较小.