内蒙古高原内流区土壤水溶盐空间变异特征及其影响因素

袁磊，吴庭雯，韩双宝，张秋霞,李甫成

(1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051；2.中国地质调查局地下水勘查与开发工程研究中心，河北 保定 071051)

土壤水盐状况是干旱-半干旱区最重要的生态环境限制因子，掌握土壤水盐空间变异特征与影响因素对于流域土壤盐渍化防控、半干旱区农业发展和植物多样性保护均具有重要意义。国外学者用地统计学和实测模拟等手段对小尺度干旱区土壤水盐在地质和环境因素影响下的变异性进行了分析(李玉义等，2007；葛广华等，2016)；国内学者在玛纳斯河、黑河、塔里木河、艾比湖等西北干旱区也进行了较多的研究，内容涉及不同条件下土壤水盐空间异质性和影响评价、荒漠区生态修复和水盐动态平衡等方面(王化齐等，2019；李小倩等，2017；陈丽娟等，2013；聂浩刚等，2004)。土壤水盐状况是具有时空变异特征的状态参数，天然条件下，土壤水盐状况由流域地形地质与水文气象条件决定。随着城市建设和现代农业灌溉蓬勃发展，大规模抽采地下水和灌溉也显著影响了土壤水盐分布(袁磊等，2020；赵望龙等，2016)。现有研究多集中在西北干旱区水盐分布特征，针对半干旱-半湿润过渡区的水盐空间变异特征、影响因素及生态环境效应的研究相对较少。笔者以内蒙古高原东南部边缘安固里淖小流域为例，对流域内水盐状况分布和主要影响因素进行了分析，为该地区生态环境保护提供科学依据。

1 研究区概况与分析方法

1.1 研究区概况

内蒙古高原东南部地处中国地理二三级阶梯和半干旱-半湿润区的过渡位置，是华北平原和北京的天然绿色屏障，由于气候、地形、构造等原因，形成一系列内流湖淖组成的内流区。笔者选取其中具有典型特征的安固里淖流域作为研究区，其为独立的地下水内流区，面积约3 500 km2，有“坝上草原”的美誉。

研究区属典型的半干旱大陆性气候，多年平均降水量为377.7 mm，降水主要集中于5～9月份，多年平均气温为10.1 ℃，多年平均蒸发量为1 655.1 mm。研究区为内陆河系，天然条件下地表水最终汇入安固里淖和黄盖淖蒸发排泄。研究区地貌分为构造剥蚀熔岩台地、侵蚀堆积河谷平原、构造剥蚀丘陵3种类型。地形上整体为四周高、中北部低，呈湖盆状。

受岩浆活动与构造控制(图1)，研究区内西南部—中部被中新世汉诺坝组玄武岩覆盖，厚度多在50～300 m。玄武岩多期喷发间歇有河湖相沉积形成的古风化壳，厚2～5 m，玄武岩产状近水平，微倾向北东。东南部与北部受新太古界—中元古代岩浆侵入与后期构造抬升影响，主要岩性为花岗岩、凝灰岩。研究区内土壤母岩以玄武岩为主，其次为花岗岩与凝灰岩。岩矿鉴定其主要矿物成分为斜长石、单斜辉石、橄榄石、石英等。地下水主要接受降雨入渗补给。

天然条件下，熔岩台地区地下水径流方向主要受地形控制，以散流为主；河谷区径流与地表河流流向一致，汇入下游湖淖区(吴庭雯等，2020；夏含峰等，2018)。而随着过度开采地下水资源后，人工抽采地下水成为流域主要排泄方式，目前河流仅在补给区有地表径流，至中游逐渐入渗消亡，安固里淖已干涸长达十几年。随着高耗水蔬菜种植业的兴起，中游径流区开始了大规模的机井抽采地下水+大水漫灌形式的种植结构，加剧了水资源的消耗，同时不合理的灌溉加上排水不良容易引发碱灾。

1.2 样品采集与测试分析方法

本次在安固里淖流域部署的野外调查与取样工作包括采集土壤样、实测取样点附近地下水水位埋深和矿化度、采样点附近植物调查。采样点布设原则为沿主要地下水径流方向，共部署28个取样点，分布于流域的补给区、径流区、排泄区和主要人类活动影响区(图1)。此外，为对比古风化壳与表层土壤水溶盐状况，本次取钻孔古风化壳样品10个。土壤水溶盐分析和化探分析由野外取样后送实验室采用原子吸收分光光度等方法测定，地下水水位埋深和矿化度采用高精度便携式水位尺和水质快速检测仪现场测定，植物调查采用样方法。

图1 (a)采样点分布与地质简图、(b)研究区位置图Fig.1 (a)Hydrogeology diagram of study area and (b)the location map of study area

2 结果与分析

2.1 土壤水溶盐空间分布特征

表1 描述性统计分析表Tab.1 Descriptive statistics analysis

表2 相关性矩阵表Tab.2 Correlation matrix

表3 补给区-径流区-排泄区土壤易溶盐含量对比表Tab.3 Comparison of soil soluble-salt content in recharge area-runoff area and discharge area

相应土壤样的化探分析结果表明，Mg、Na、K、Ca、S、Cl含量均呈正态分布(偏度为-2～3)，其中Mg、K在流域分布上无明显规律变化，Na、Ca、S、Cl元素含量表现出由补给区到排泄区明显增多的趋势。说明Ca、S、Cl相关矿物是流域地下水循环的主要参与组分，其伴随着地下水流动由补给区向排泄区迁移，是流域母岩溶滤、阳离子交换、蒸发浓缩的主要成分，这与水溶性离子的变化规律大致相同。

2.2 土壤全盐量与地下水关系

土壤全盐量是反应土壤盐分的综合性指标，对其空间分布变化和影响因素分析可全面掌握流域盐分变化规律。对比图2、图3可知，安固里淖流域土壤全盐量分布和地下水矿化度分布具有较强的一致性。土壤全盐量累计主要沿地下水主径流带向排泄区汇集。

图2 流域土壤全盐量分布图Fig.2 Distribution map of soil total salinity in the basin

图3 流域地下水矿化度分布图Fig.3 Distribution map of groundwater salinity in the basin

进一步对比全盐量与地下水矿化度散点图(图4)可知，由补给区至排泄区，土壤全盐量与浅层地下水矿化度呈显著相关(P<0.01)，表明土壤积盐与高地下水矿化度有直接关系(张楠楠，2018)。但高地下水矿化度并不是土壤积盐的充分条件，土壤积盐还受地下水位埋深、地下水水力梯度的控制，通常发生于水位埋深小和水力梯度小的地下水排泄区(徐超璇等，2020)。

由图5可见，全盐量与低地下水位埋深关系密切，结合历史资料，安固里淖流域未大规模抽采地下水时，湖淖区常年接受地表地下水补给，湖淖周边地下水位埋深多小于1m，地下水矿化度多大于1g/L，地下水水力梯度多小于3×10-4，加上气候条件，构成了安固里淖排泄区的积盐条件。

图4 全盐量与地下水矿化度关系图Fig.4 Relationship between total salinity and groundwater salinity

图5 全盐量与地下水位埋深关系图Fig.5 Relationship between total salt content and groundwater table depth

2.3 古风化壳土壤与表层土壤对比

表4 古风化壳土壤与表层土壤对比表Fig.4 Comparison of paleo-weathering crust soil and topsoil

2.4 生态环境效应分析

近20年来，随着安固里淖流域城镇建设和高耗水蔬菜种植业的快速发展，处于径流区的县城水源地和农业灌溉集中开采大幅减少了下游湖淖区的地下水补给量，人工抽采地下水显著改变了原始条件下的地下水流动系统，流域内土壤水盐分配发生变化(王超等，2010；王强民，2016)。如图6所示，一方面排泄区来水量的大幅减少引发了湖淖干涸和土壤盐渍化；另一方面在径流区地势平坦、排水不畅的区域，农业灌溉使得地下水位居高不下，地下水流动滞缓，形成了新的土壤积盐区，容易形成涝灾和碱灾。

图6 流域生态环境效应图Fig.6 Effect map of watershed ecological environment

此外，土壤水盐分布特征也显著影响了植物多样性和群落结构(Rahul T et al.，2015)，排泄区湖淖干涸使得生境条件进一步恶化，安固里淖湿地水生-湿生-中生-旱生不同类型混生群落结构已变为以盐爪爪(Kalidiumfoliatum)、碱篷(Suaedaglauca)和披碱草(Elymusdahuricus)群落为主的荒漠旱生群落，湿生-中生植物群落仅呈小斑块残存。另外径流区中的次生盐碱化区也呈现出群落多样性丧失、披碱草逐渐成为优势种的现象。

3 讨论

研究区土壤水溶盐受地形、地下水循环条件差异等影响呈现出沿地下水径流方向，由补给区到排泄区逐渐升高的现象，本次研究未考虑沿地下水径流方向地貌、气候、农业施肥等条件差异，对垂向上不同深度土壤积盐情况未作取样与分析，进一步探究土壤水溶盐空间变异性时需再深入研究。

本研究初步确定了安固里淖流域土壤积盐条件，分析了人类大规模抽采地下水条件下的生态环境效应，流域地下水循环条件相比天然条件下变化较大。近年来，坝上地区通过关停部分农用井、发展节水农业，生态环境逐渐向好，地下水位呈现恢复态势，为进一步保护坝上地区生态环境，仍需进一步开展水量开采条件下的土壤水盐动态和生态环境效应研究(Forkutsa I et al.，2009)。

4 结论

(2)安固里淖流域处于土壤积盐的早期阶段，土壤积盐易发生于地下水位埋深小于1m、地下水矿化度大于1g·L-1、地下水水力梯度小于3×10-4的区域。

(3)受流域径流区地下水超采与农业灌溉影响，排泄区出现了地下水位下降、湖淖干涸和生态环境退化问题，同时径流区排水不畅的区域有土壤次生盐渍化的风险。