山东黄河北矿区土壤盐渍化特征分析

郝启勇

（山东省煤田地质规划勘察研究院，山东 济南 250100）

0 引言

黄河北矿区包括阳谷-茌平煤田和黄河北煤田，面积约4 600 km2，煤炭资源总量2.538 6×1010t，为国家规划的鲁西煤炭基地最后一块未大规模开发的后备资源储备基地。矿区位于山东省济南都市圈内，区内煤炭资源丰富，人口密度不大，农业经济发达。受原生地质条件的影响，加之城市化、工业化及农田灌概等多因素叠加影响，区内土壤已经受到盐渍化的威胁[1−3]。作为山东省最后一块整装能源基地，煤田的开发建设在带动区域经济发展的同时，也会对区域水土环境产生不良影响，研究区内土壤盐渍化现状及特征，将对煤田规划开发、区域生态环境管理和土地资源可持续利用具有重要意义。

1 研究区概况

黄河北矿区为温带季风区的海洋-大陆性气候，多年平均气温14 ℃，多年平均降水量579.5 mm，6—8月雨量占全年降水量的70%左右，年平均蒸发量1 648.1 mm。区内地貌属黄河泛滥冲积平原，地形开阔平坦，受黄河频繁决口泛滥影响，微地形复杂，主要以缓平坡地为主。

黄河北矿区含煤地层为石炭二叠系山西组和太原组。阳谷-茌平煤田煤系地层总厚240 m，含煤15 层，其中可采7～8 层，可采煤厚12.15 m，第一层主采煤层为山西组3 煤，厚度平均3.40 m，煤类以气肥煤为主。黄河北煤田煤系地层总厚245 m，含煤14 层，其中可采7 层，可采煤厚5.5 m，第一层主采煤层为太原组7 煤，厚度平均0.83 m，煤类以肥煤为主。

矿区内第四系广泛分布，最上部为全新统平原组地层，底深15～30 m，为近代黄河冲积物，上部黄色砂质黏土、黏土质砂为主，夹富含腐殖质黑色淤泥层，下部浅黄、橙黄色砂质黏土、黏土砂。区内土壤为黄河冲积母质发育而成，土壤类型以潮土为主，盐土和风沙土小面积分布。

2 数据采集及样品分析测试

根据研究区地质条件、地形地貌和土地利用状况等因素，在水盐相对均衡期内，以10 km×10 km 方格划分网格，每个网格按照梅花布点法采集样品，采样深度为0～20 cm（耕作层土壤）。另外，在赋存可采煤层上方地表，垂直于地下水流向，布设2 条剖面，施工10 个水文地质钻孔，对0～20 cm、40～60 cm、80～100 cm 土层分别进行采样，同时采集地下水。共采集土壤样品77 件，地下水样品10 件。对土壤样品进行可溶盐测试[4]，对地下水样品进行全分析测试[5]。

3 土壤盐渍化特征

根据研究区土壤全盐量含量及对农作物的危害，将土壤盐渍化分为非盐渍土（小于1 g/kg）、潜在盐渍土（1～2 g/kg）、轻度盐渍土（2～4 g/kg）、中度盐渍土（4～6 g/kg）和重度盐渍土（大于6 g/kg）五类[6−8]。

3.1 土壤盐分空间分布特征

根据分析测试结果（同时结合了中巴地球资源卫星CBERS02B 遥感影像数据解译成果，见图1），研究区土壤主要以潜在盐渍土和轻度盐渍土为主，其次为非盐渍土，中度和重度盐渍土零星分布。潜在盐渍土区域呈连续面状分布，主要分布在阳谷县西南部、茌平县北部、齐河县部分地区及禹城市南部，占研究区总面积的54.9%，这类土盐渍化程度较低，对作物生长影响不大，但如果得不到有效防控，在适当的条件下土壤中全盐量含量将会增加，转化为轻度盐渍化土。轻度盐渍土分布在中度盐渍土的外围或独立分布，主要分布在阳谷县东部、聊城市东昌府区东部、茌平县西南部、齐河城区以北及齐河潘店镇等地，占研究区总面积的19.6%。中度和重度盐渍土主要分布在阳谷县七级镇、茌平县西部区域和聊城东府昌区等洼地地带，呈零星岛状分布，占研究区面积的3%，该区域大部为洼地，现状主要为抛荒地，无种植农作物，土壤表层可见白色盐霜。值得注意的是，分布于聊城-东阿-阳谷一线的大片轻度盐渍土区域，赋存的煤层厚度相对较厚，埋藏较浅。

图1 黄河北矿区土壤盐渍化空间分布特征Fig.1 Spatial distribution of soil salinization in Huanghebei mining area

3.2 土壤盐分离子含量及相关性特征

土壤盐分离子含量测试结果如表1所示，土壤pH 中位值为7.22，略呈碱性。土壤全盐量含量0.99～4.47 g/kg，中位值为1.47 g/kg。研究区土壤盐分中阳离子主要为钠离子和钙离子，钠离子含量29.9～629 mg/kg，中位值 =为216 mg/kg，钙离子含量31.7～545 mg/kg，中位值为171 mg/kg。阴离子主要为重碳酸根离子和硫酸根离子，重碳酸根离子含量0.17～1.89 g/kg，中位值为0.50 g/kg，硫酸根离子含量0.09～1.57 g/kg，中位值为0.31 g/kg。阴离子中硫酸根离子的变异系数最大，为0.87。阳离子中除钾离子外（钾离子可能受施肥影响），钙离子的变异性较强，变异系数为0.76。从变异系数看，土壤中硫酸根离子、钙离子含量变化较大，可能更易在某处形成高含量的特征。

表1 土壤盐分离子含量统计表Table 1 Statistical table of salt ion content in soil

对土壤盐分中各离子进行相关性分析，结果见表2。土壤全盐量与硫酸根离子、钙、镁离子呈现正相关性，相反的与重碳酸根离子、钾离子呈现负相关，说明土壤中重碳酸根离子、钾离子含量与当地土壤盐渍化危害程度关系不大，而与硫酸根离子、钙镁离子关系明显。表2也显示，土壤全盐量与钠离子含量关系不明显。从阴阳离子相关性来看，硫酸根离子与钙、镁、钠离子呈正相关，氯根离子与镁离子呈正相关，说明土壤中盐分会以硫酸钙、硫酸镁、硫酸钠、氯化镁等形态存在[8]。

表2 土壤盐分各离子相关系数矩阵Table 2 The correlation coefficient matrix of soil salt ion

3.3 土壤盐分垂向分布特征

土壤垂向全盐量测试结果见表3，T5、T21 采样点垂向变化幅度较大，表层土壤（0～20 cm）含盐量高，而40～60 cm、80～100 cm 深层土壤含盐量较低且趋于稳定，土壤存在表层盐分富集现象。局部（T13 号）采样点表层及深层土壤含盐量均较高，可能属原生盐渍化，应与地质条件有关。整体来说，研究区土壤垂向上盐渍化变化较为复杂，表层盐渍化较为严重，深部盐渍化严重程度有所降低。

表3 研究区土壤垂向全盐量测试结果表Table 3 Test results of total salt content in vertical direction (g·kg−1)

3.4 土壤盐渍化与地下水关系特征

研究区浅层地下水化学特征以HCO3-Na·Ca、HCO3-Ca·Na 为主，局部为SO4·HCO3-Na 和HCO3·Cl-Ca·Na 型。地下水TDS 含量为716～2 830 mg/L。土壤全盐量与地下水中TDS 含量相关系数为0.80，可见土壤全盐量与地下水中TDS 的含量密切相关。从水质类型来看，土壤全盐量小于2.5 g/kg 时，地下水水质类型多为重碳酸型，当土壤全盐量较高时，地下水水质类型由重碳酸型逐渐向硫酸根型转化。研究区浅层地下水位埋深2.7～5.7 m，土壤全盐量与地下水位埋深相关系数为−0.60，可见，土壤盐渍化程度与研究区地下水位埋深有关，水位埋深越浅，土壤全盐量含量越高[9]（表4）。

表4 研究区土壤盐渍化与地下水关系表Table 4 Relationship between soil salinization and groundwater in the study area

4 结论

（1）黄河北矿区土壤主要以潜在盐渍土和轻度盐渍土为主，中度和重度盐渍土零星分布。土壤盐分中阴离子主要为重碳酸根离子和硫酸根离子，阳离子主要为钠离子和钙离子。土壤盐分会以硫酸钙、硫酸镁、硫酸钠、氯化镁等形态存在。区内表层盐渍化较为严重，深部盐渍化程度有所降低。

（2）黄河北矿区盐渍土主要分布在农业开发水平较高，引黄灌溉系统较为发达的洼地和缓平坡地内。由于灌溉等人为影响，区域地下水动态波动较大，水位埋深较浅时，在长期持续的蒸发作用下，包气带毛细水上升，把地下水中的可溶性盐类带到土壤表层，使得土壤耕作层盐分积聚。矿区气候、水文、地质条件等基本一致，土壤盐分含量空间分布主要与微地形、土质及结构和地下水性质等自然因素和农田灌溉等人为因素有关。

（3）黄河北矿区盐渍土与浅层地下水存在内在的自然的直接关系。土壤全盐量与地下水中溶解性总固体TDS 含量呈明显正相关关系，而与浅层地下水位埋深呈负相关关系。土壤盐渍化程度与浅层地下水水质类型关系复杂，土壤含盐量低于2.5 g/kg 时，地下水中阴离子以重碳酸根为主，阳离子以钠为主，钙次之；土壤含盐量较高时，地下水中硫酸根和钠离子含量逐渐增大。这是因为土壤盐分积累的硫酸盐溶解度较低，迁移能力较弱，在浅层地下水中硫酸根离子赋存相对较少，但盐渍土中积累的可能相对较多的缘故[9]。

（4）黄河北矿区中阳谷茌平煤田主采3 煤，厚度3.40 m，煤层埋藏深度一般在800～1 000 m，黄河北煤田主采7 煤，厚度0.83 m，煤层埋藏深度一般500～900 m。煤炭的开采，必然引起上覆地层塌陷，随着开采规模不断扩大，原有地面标高出现下沉，地面将形成一定范围的地表沉陷洼地。地表下沉严重到潜水面附近，将会引起地表常年积水或者季节性积水。阳谷茌平煤田因煤层较厚，沉陷程度较大，地下水水位埋深3m 左右，煤炭开采将使得地表形成常年积水和季节性积水区。黄河北煤田煤层较薄，沉陷程度较小，煤炭开采将使得地表形成一定范围的沉陷洼地。在沉陷洼地和受季节性积水影响区域，受地下水水位埋深降低和蒸发作用的双重影响，土壤盐渍化现象将加剧恶化[10−11]。研究区主体功能区位于鲁北平原农业生态功能区内，农业经济发达，土壤肥力较高，土地质量较好，大部分为基本农田。为有效降低该区土壤盐渍化恶化程度，在合理确定地下水水位的同时，需要合理确定地表塌陷的程度，以此来倒逼煤炭的开采开发模式，才能减缓土壤盐渍化程度，保护好基本农田。