天津中东部平原区土壤盐分空间分布特征

贾娇，何萍∗，徐杰，任颖，侯利萍

1.环境基准与风险评估国家重点实验室,中国环境科学研究院

2.国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室,中国环境科学研究院

土壤盐渍化是指易溶性盐分在土壤表层积累的现象或过程,主要发生在干旱、半干旱和半湿润地区[1]。 盐渍土的可溶性盐主要包括Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋等的硫酸盐、氯化物、碳酸盐和重碳酸盐。硫酸盐和氯化物一般为中性盐,碳酸盐和重碳酸盐为碱性盐。盐渍土的形成及其盐分组成是成土母质、地下水位、地形、气候、生物等因素综合作用的结果[2-3],因此土壤盐渍化具有明显的区域特征[4-5]。调查盐渍化土壤的空间差异规律,对于农业生产的适应性布局、生态修复中的植物物种配置等都具有重要的支撑作用[4,6]。

华北平原区是我国盐渍土的重点分布区[1,6]。天津中东部平原区属海退与古黄河泛滥之地,地势低洼,地表排水不畅、含盐量高,且地下水矿化度高、埋深浅,并长期遭受海潮侵袭,盐渍土分布广泛；在季风性气候的影响下,区内旱季蒸发积盐与雨季淋溶脱盐交替发生。此外,天津中东部平原区处海河水系下游,由海水上溯倒灌形成的河水渗漏补给,增加了河道两侧地下水矿化度,加剧了表层土的盐渍化[7]。

历史上天津市盐渍土调查共开展了4次,结果显示盐渍土面积呈先减小后扩大的趋势。第1次土壤普查(1958—1960年)是根据农民经验对耕地开展的一次盐渍土调查。第2次土壤普查(1979—1982年)结果显示,天津市盐渍土总面积达4 930 km2,占全市土地总面积的42.3%[8-9]。此时盐渍土面积、盐渍化程度比1956年时减小,这与第2次普查时地下水淡化及地下水位的下降变化是一致的[10]。第3次是20世纪80年代末开展的农业后备资源调查(1987—1992年),结果显示天津市盐渍土总面积达2 427 km2,占全市土地总面积的20.8%。此时盐渍土面积、盐渍化程度比第2次土壤普查时减小,这与多年来兴修水利、改土治碱、种稻淋盐以及后期降水量增多有关[11]。第4次是2004年的滨海地区土壤质量状况分析,结果显示天津市盐渍土面积达7 830 km2,占全市土地总面积的65.7%[12-13]。此时盐渍土面积比第3次调查时有所扩大,这与当时气候干燥、缺水严重等环境条件的变化,以及地下水位下降、地面沉降导致海水入侵、地下水咸化有关。近年来,许多学者基于局地尺度对天津的湿地[14]、工程建设区[15-16]、区县[17-19]、农田[20]、城市绿地[21]等特定区域开展了盐渍土调查,但都难以准确反映天津盐渍土的空间分布格局。

地统计学方法是20世纪60年代发展起来的一种处理地理空间数据的方法,被广泛用于土壤盐分空间分布特征的研究中。如Sylla等[22]利用地统计学研究了西非不同尺度下农业生态系统土壤盐分的空间变异特征；Jordán等[23]通过地统计学探讨了西班牙东南部土壤盐分的空间变异性；Panagopoulos等[24]将地统计学与GIS技术相结合对地中海地区土壤盐分变异特征进行了分析；姚荣江等[25]利用Kriging插值研究了黄河三角洲地区典型地块土壤盐分的空间分布规律；Weindorf等[26]使用地统计学方法揭示了火山区表层土壤盐分的空间变异特征；郭紫伊[15]在中新天津生态城土壤盐渍化特征的研究中发现,地统计方法的插值精度整体上优于确定性方法；杨晓潇等[17]利用经典统计学与地统计学研究土壤水盐分布特征时发现,天津市滨海新区土壤含盐量随着距渤海距离的增大而递减。

土壤是植物生长繁殖的基质,土壤盐渍化是制约植物存活和生长的关键环境因子。近年来,在全球气候变暖引起海洋灾害频发、工业化和城镇化发展加速的背景下,东部沿海城市土壤质量和分布状况加速变化。天津中东部平原区历来是天津市环境保护与经济协调发展需求最为突出的地带。由于近15年天津市土壤盐渍化状况公开数据的缺乏,现阶段对土壤盐渍化的分布状况、演变过程、风险特征及其作用机制认识不清,难以满足天津市以及京津冀一体化重大生态工程的需求。笔者选择沿永定新河、海河干流、独流减河3条入海河流,由海岸线向陆域延伸60 km的范围作为研究区,结合经典统计学、地统计学及GIS技术,分析天津中东部平原地区盐渍土在海陆方向的空间变化规律,旨在确定盐渍土的分布现状及边界范围,为大型生态廊道植被建设和陆海统筹规划提供科学依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于天津平原地区(117°10′E~118°00′E、38°50′N~39°20′N),永定新河、海河干流、独流减河自西北向东南贯穿其中。研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候,年平均降水量为558~697 mm,且降水主要集中在6—9月,年平均蒸发量为1 683~1 912 mm,年蒸发量是降水量的3倍。蒸发是浅层地下水的主要排泄途径,土壤具有明显的季节性积盐或脱盐频繁交替的特点。研究区为古黄河泛滥沉积与海退之地,地貌类型由西北向东南依次为冲海积平原、海积平原区。地势低平且由西北向东南缓慢倾斜[27],坡降约1∕5 000~1∕10 000。 地面河网密布、潟湖洼淀众多,地表排水不畅,土壤质地黏重。受多年海侵作用,浅层地下水咸化,并呈现由西北向东南矿化度增加、埋深变浅、咸水体增厚的态势。

位于天津中部的冲海积平原由海陆交互沉积形成,海拔小于5 m(洼地海拔小于3 m),浅层地下水埋深2~10 m,自北向南地下水水化学类型由矿化度小于2 g∕kg的HCO·3Cl-Na·Ca(Na·Mg)型转变为矿化度3~5 g∕kg的Cl·SO4-Na型[27]。 冲海积平原以东是海积平原,分布在自海边向内陆延伸5~10 km的狭长地带上,其土壤母质以盐质黏土为主,海拔1~3 m,浅层地下水埋深小于2 m,咸水矿化度大于3 g∕kg,以Cl-Na型为主[27]。海积平原现今仍受海水影响,多盐滩、沼泽和低湿地。受长期超采深层地下水的影响,近郊区沿永定新河以南、独流减河以北与滨海新区形成降落漏斗[28-29]。永定新河、海河干流、独流减河是陆源水体的主要入海通道,河口均建有挡潮闸以阻止海水入侵,永定新河、海河干流河口水质淡化,独流减河河口水体与海水化学特征相近,盐度较高。挡潮闸修建后,河口区形成了闸上闸下“咸淡分家”、感潮河段消失的局面。在塘沽、大港东部,海河干流以南与独流减河以北的滨海地区有大面积的海水养殖区、盐田区。

1.2 材料与方法

1.2.1 布点调查与样品测试

以永定新河、海河干流、独流减河走向设置3条样线,每条样线由海岸线向陆域设置6个采样点(图1)。采用10 km网格法室内布点,实际采样点位置依支流入汇情况、地形、土壤质地、植被类型等综合确定。采样点均布设在河堤堤顶外部,避开河流洪泛区以及耕地等受人类活动干扰的区域。采样时间为2018年5—6月,为旱季末期。为避开区域降水差异对土壤的影响,获得相对稳定的区域土壤盐分差异数据,采集10~20 cm(亚表土层)土壤。采样沿计划路线按等量、随机和多点混匀的原则进行,先用GPS标记中心位置,并在半径10 m内用荷兰钻取5点土样,混匀后取500 g迅速装入自封袋密封带回实验室。样品经自然风干,压碎,剔除砾石、草根等杂质,研磨并过1 mm土壤筛后按水土质量比为5∶1提取土壤浸出液,用便携式盐度仪测定浸出液盐度、pH,并依水土质量比将浸出液盐度转为土壤水溶性盐含量。称取6.0 g土壤于50 mL离心管中加入30 mL超纯水,剧烈振荡3 min,以4 000 r∕min速度离心,取上清液,用0.45μm滤膜过滤,以离子色谱法测定K＋、Na＋、Mg2＋、Ca2＋浓度,以硝酸银滴定法测定Cl－浓度,以EDTA间接络合滴定法测定浓度,以酸碱中和滴定法测定、浓度。

图1 研究区采样点分布Fig.1 Distribution map of soil sample sites in the study area

1.2.2 数据处理与分析方法

首先,利用SPSS 20.0软件对土壤盐分及其组成、碱化度进行描述性统计、正态分布检验；然后,利用GS＋7.0进行半方差计算和理论模型选择；再根据半方差函数模型,利用ArcGIS 10.2地统计分析模块中克里格插值绘制土壤水溶性盐含量(Salt)和碱化度(ESP)的空间分布图。在SPSS 20.0软件中完成数据的相关性分析。使用Origin软件绘制土壤阳离子三元图。

根据国家滨海地区盐碱土分级标准[30]划分土壤盐渍化程度等级。碱化度是衡量土壤是否发生碱化的定量指标,以土壤胶体上吸附的交换性Na＋占阳离子交换量的比例反映Na＋的交换能力[31]。变异系数(Cv)能反映随机变量离散程度,可分为弱变异型(Cv<0.1),中等变异型(0.1≤Cv<1.0),强变异型(Cv≥1.0)。土壤盐渍化类型根据土壤水溶性盐中各种阴离子的当量浓度占比划分[10]。土壤盐渍化程度、碱化度和盐渍化类型的分类情况见表1。

表1 盐渍土分类体系Table 1 Classification system of saline soil

ESP计算公式[32]:

式中:[Na＋]、[Ca2＋]、[Mg2＋]分别为Na＋、Ca2＋、Mg2＋浓度,cmol∕kg。

半方差函数能描述土壤盐分的空间变异结构,反映不同距离观测值之间的变化,是进行精确克里格插值的基础[33]。其主要参数如下:1)块金值(C0)。反映随机变异影响因素,即人为活动因素,如灌溉、施肥、土地利用类型等。2)基底效应。块金值(C0)占变异总和(C0＋C)的比值〔C0∕(C0＋C)〕,其越小,系统受结构性因素影响越大。C0∕(C0＋C)<25%时,变量的空间相关性强；25%≤C0∕(C0＋C)≤75%时,变量的空间相关性中等；C0∕(C0＋C)>75%时,变量的空间相关性弱；C0∕(C0＋C)接近1时,变量在整个尺度上具有恒定的变异[34]。3)变程。反映变量间空间相关性的最大距离。4)决定系数。与残差、变程、块金值共同反映实验变差函数拟合程度的高低[35]。决定系数越大,残差越小,变程越大,块金值越小,变异函数拟合效果越好[35]。5)各向异性比。反映区域化变量在该方向上的变异性。各向异性比越大,则区域化变量在该方向上的变异性越明显[33]。数据满足正态分布是空间统计分析的基础,数据非正态分布会使半方差函数产生比例效应,从而使实验变差函数产生畸变。故半方差函数分析前,对数据进行正态分布分析,并对不满足正态分布的数据进行对数转换使其呈正态分布。

2 结果与分析

2.1 土壤盐分和碱化度的总体分布状况

研究区土壤水溶性盐含量为0.10~13.10 g∕kg,碱化度为2.55%~34.03%(表2),从非盐渍化土到盐土均有分布。各项目的变异系数偏大,为52.2%~157.9%,反映了天津中东部平原区土壤条件的高度异质性。Ca2＋、Mg2＋、碱化度的变异系数为102.6%~145.9%,属强变异性；水溶性盐、K＋、Na＋、Cl－、＋、的变异系数为52.2%~100.0%,属中等程度变异。Cl－的变异系数最小,为52.2%。说明各项目空间分布不均匀,空间异质性较强；Cl－稳定性相对较强,空间分布较均匀。造成这种现象的原因在于海水、土壤母质等因素。柴寿喜等[7,13-14,17,19]的研究显示,天津土壤含盐量随距渤海距离的增加而降低。研究区土壤直接发育于海相沉积物,成陆过程中受海水强烈浸渍侧渗,氯化物浓度较高、分布较稳定[14]。

表2 土壤项目的描述性统计Table 2 Descriptive statistics of soil items

2.2 土壤盐分和碱化度空间变异特征

均值和变异系数能概括研究区土壤盐分的总体状况,但不能反映其局部的变化特征。为了解土壤盐分及相关项目的空间结构特征,采用地统计学分析土壤盐分及相关项目的空间变异结构。根据半方差函数理论,得到土壤盐分及其他项目半方差函数的最优拟合模型和模型参数如表3、表4所示。由表3可见,除Cl－、＋、外,其他项目模型的决定系数较高,模型拟合效果较好,即半方差函数模型能很好地反映其空间分布特征；各项目的块金值较小,说明采样误差引起的变异不大,采样合理；各项目的基底效应为0.04%~6.72%,呈强烈的空间自相关,说明其空间分布是由结构性因素(如地形、气候、成土母质、地下水环境等)引起的。从各向异性比来看(表4),土壤水溶性盐、Na＋、Ca2＋、ESP的空间变异主要沿东南—西北方向,阴离子Cl－、＋、与阳离子Mg2＋、K＋的空间变异主要沿正东—西方向。这是由于该区受海水浸渍侧渗作用的影响。此外,气候、西北高东南低的地形[27]、西北深东南浅的地下水埋深[36]等条件作用,引起了地下水盐分与土壤盐分间的频繁交换,使土壤盐分组成与含量在很大程度上受地下水性质[27]的影响。

表3 半方差函数理论模型及参数Table 3 Theoretical model and parameters of semivariogram

表4 各向异性下半方差函数理论模型及参数Table 4 Theoretical model and parameters of semivariogram under anisotropic

2.3 盐渍土的空间分布特征

为准确直观地描述土壤盐分的空间分布,根据半方差函数理论模型及相关参数,对土壤水溶性盐含量及碱化度进行普通克里格插值,并划分盐化、碱化度等级,获得其空间分布如图2所示。由图2可见,土壤水溶性盐含量和碱化度的分布格局较为相似,除部分区域呈斑块状外,其含量由东南向西北逐渐减小,即沿着海岸线向腹地延伸,呈显著下降趋势。这与以往沿海地区土壤盐分含量由近岸到陆地递减的特征一致[7,37],其主要与地下水环境、微地形以及海侵等因素有关[1,36]。天津北部、西北部地势较高,地下水矿化度较低、水位埋藏深,土壤盐分较低；东部滨海平原处滨海地带,地势较西北低洼,地下水矿化度较高、水位埋藏浅,高矿化度的毛细水垂直渗流的距离短,加上距海越近受海水浸渍、倒灌的影响越大,土壤盐分较高[7]。此外,研究区地下水径流几乎停滞,垂向蒸发作用强烈[18],促进了地下水中可渗盐的表聚[1,36],加剧了土壤盐渍化。

图2 研究区土壤水溶性盐含量与碱化度的空间分布Fig.2 Spatial distribution of soil water-soluble salt content and soil alkalization in the study area

研究区重度及以上盐渍化土(Salt>4 g∕kg)主要分布于海岸线向陆地纵深15 km的滨海新区,其中盐土(Salt>6 g∕kg)主要分布在大港距海10 km内,重度碱化土(ESP>20%)分布在大港距海10 km、塘沽与汉沽距海5 km内,与滨海新区盐田、盐土的分布区大体一致,较张征云等[13]研究结果的范围(海岸线往内陆纵深7~8 km的区域)扩大；中度盐渍化土(Salt为2~4 g∕kg)主要分布在独流减河沿线距海15~60 km内,包括西青区南部、静海区、津南区南部以及滨海新区西部；轻度盐渍化土(Salt为1~2 g∕kg)主要分布在海河干流沿线距海10~60 km内,包括东丽区南部和津南区北部,较张征云等[13]研究结果(蓟州区南部、武清北部)南移；非盐渍化土(Salt<1 g∕kg)主要分布在永定新河沿线距海10~60 km内,包括东丽西北部、北辰东北部及宁河南部、宝坻南部。说明独流减河沿线盐渍化范围大,海河干流、永定新河沿线盐渍化范围小,并且近年来天津中东部平原区盐渍土呈程度加重、面积减小的趋势。相关性分析显示,土壤水溶性盐含量与河水含盐量呈极显著正相关(R为0.779),表明土壤盐渍化除与地下水环境、微地形以及海侵影响有关外,还受河流渗漏、补给排泄的影响。独流减河河口地势较低平,受咸潮影响较大,河水含盐量比其他河流高。就海河干流而言,由于降水、上游来水量减少,河流入海径流减少,挡潮闸几近常年关闭,以致纳潮量减少、河口水质淡化。就永定新河而言,除受挡潮闸影响外,河道承泄西北及北部来水,入汇河流处高地势区且汇入口距海岸带近,入汇后的河段源短流直,河口区受陆源淡水排泄的影响,河水呈淡化趋势。

天津土壤主要阳离子、阴离子组成及盐渍土类型空间分布见图3。由图3可见,各采样点间阳离子占比差异不明显,均以Na＋为主,Ca2＋占比由东向西逐渐增加,且海河干流Ca2＋占比较高。从阴离子组成来看,由海岸线到陆地从以Cl－、为主过渡到以、＋为主。 距海岸线10 km内占比由南向北逐渐增加,Cl－占比逐渐降低,这可能与离子的迁移转化能力、成土母质[38]有关。Cl－在土中移动性较强而易淋失,迁移性较慢[14],加上成土母质不同,独流减河堤外表土为海相沉积物,受人类活动影响少,海河干流与永定新河堤外表土为景观用土,致使独流减河堤外表土Cl－浓度相对较高。

图3 研究区土壤主要阳离子、阴离子及盐渍土类型空间分布Fig.3 Spatial distribution of main cations,anions and types of saline soil in the study area

从盐渍化类型来看,独流减河一线土壤矿化度高,团泊洼以东为硫酸盐-氯化物,团泊洼以西为氯化物-硫酸盐,北大港周围有低盐渍化苏打土分布。这与浅层(第Ⅰ含水组)地下水化学类型[27]具有一致性。北大港周围为低盐渍化苏打土,这与王卫星等[19]调查结果(硫酸盐-氯化物)存在差异,可能受人类活动影响。海河干流中部平原区土壤呈轻度盐渍化,以硫酸盐-苏打为主,这与该区深层地下水类型[27]、农田盐分类型[20]一致；同时该区土壤pH在脱盐、脱碱过程中明显升高,这可能受深层地下水开采、不当的灌溉方式[27]的影响。海河干流中部平原区主要开采富含苏打的深层地下水灌溉[27],加上季风气候的影响,土壤积盐、脱盐频繁地交替进行,导致了该区土壤碱化现象,这也是华北平原瓦碱土的形成因素[39]。永定新河汉沽区至宁河区西南部段土壤盐渍化程度较高,以硫酸盐-氯化物为主；蓟州区南部段土壤呈非盐渍化,以苏打-硫酸盐为主。其中,北塘水库、黄港水库周围土壤属硫酸盐-氯化物,这与周围浅层地下水类型(Cl·SO4-Na型)[27]具有一致性。

3 结论

(1)土壤水溶性盐及碱化度呈整体条带状、局部斑块状分布,其含量由东南向西北逐渐减小。重度及以上盐渍化土(Salt>4 g∕kg)多分布于海岸线向陆地纵深15 km的滨海新区,其中盐土(Salt>6 g∕kg)、重度及以上碱化土(ESP>20%)主要分布在大港距海10 km内、塘沽与汉沽距海5 km内；中度盐渍化土(Salt为2~4 g∕kg)主要分布在独流减河沿线距海15~60 km内,包括西青区南部、静海区、津南区南部以及滨海新区西部；轻度盐渍化土(Salt为1~2 g∕kg)主要分布在海河干流沿线距海10~60 km内,包括东丽区南部和津南区北部；非盐渍化土(Salt<1 g∕kg)主要分布在永定新河沿线距海10~60 km内,包括东丽西北部、北辰东北部及宁河南部、宝坻南部。这主要受地形、地下水埋深以及海水的影响,局部区域受土壤母质和人类活动的影响。

(2)受地形、成土母质、地下水环境等结构性因素作用,各盐分项目的空间变异性方向与强弱不同。从各向异性比来看,水溶性盐、Na＋、Ca2＋、碱化度的空间变异主要沿东南—西北方向分布,变异性由强到弱为Na＋>碱化度>Ca2＋>土壤水溶性盐；Cl－、＋、的空间变异主要沿正东—西方向分布,变异性由强到弱为>＋>Cl－。

(3)独流减河、海河干流、永定新河3条样线土壤化学组成具有差异性。从阳离子来看,3条样线均以Na＋为主,海河干流一线Ca2＋占比较其他样线高；从阴离子来看,由海岸线到陆地独流减河一线从以Cl－为主过渡到以为主,海河干流一线从以为主过渡到以＋为主,永定新河一线受人类活动和古海岸线影响从以为主到以Cl－为主再到以为主；从盐渍土类型来看,独流减河一线以硫酸盐-氯化物和氯化物-硫酸盐为主,海河干流中部平原区以硫酸盐-苏打为主,永定新河一线以硫酸盐-氯化物和苏打-硫酸盐为主。

(4)受采样尺度、采样次数、采样随机性等因素的限制,本研究调查结果只反映了天津中东部平原区盐渍土的趋势性特征,更为详细全面的盐渍土分布状况尚需进一步调查研究。建议在典型区域开展试点研究,建立统一的土壤调查和监测方法体系,借助现有资料成果(农业后备资源成果、第三次全国国土调查成果等),从国家层面分区、分期、分批开展土壤调查,尽快形成全面、详尽的全国土壤质量数据库,作为多部门资源调查及制度政策的空间基础,支撑大型生态廊道植被建设、陆海统筹空间规划等工作。