上海临港园林绿化吹填土盐基离子分布特征

马 想，伍海兵，蔡永立，何小丽，梁 晶

（1.上海市园林科学规划研究院,上海 200232；2.上海城市困难立地绿化工程技术研究中心,上海 200232；3.上海交通大学,上海 200030）

滨海地区土壤由于受成土母质、地下水和区域气候等的影响，土体内部可溶性盐基离子会随土壤水分的运动逐渐向上层运移，从而形成盐碱土［1］。吹填土是一类特殊的滨海盐碱土，是在整治和疏通江河航道时，用挖泥船和泥浆泵，将江河和港口底部的泥沙通过水力吹填而形成的沉积土，属人为土范畴［2］。土壤盐碱化会影响植物的正常生长，并对滨海地区城市园林绿化的可持续发展形成制约。土壤盐分特征研究是盐碱土开发利用和土壤盐碱化防治的基础［3-4］。吹填造陆是滨海城市开拓发展空间的有效途径，吹填土是社会经济发展重要的国土资源［5］。为提高吹填土的利用潜力，深入研究吹填土盐碱化特征及其空间分布规律，是合理利用盐碱化资源，促进城市绿化可持续发展的重要保障。

近年来，生态环境建设得到高度重视，前人对于滨海盐碱土的发生、发展过程及其治理进行了大量研究。对苏北滨海和黄河三角洲的研究结果表明：滨海盐碱土体中盐分在表层含量大于深层，呈明显的表聚型［6-7］。储冬生等［6］对江苏北部20块滨海盐碱土进行了调查，结果表明：苏北盐碱土中全盐量和pH值之间呈显著正相关关系，土壤含盐量高于0.3%时，杨树的成活率、胸径和树高的生长速度均较低。张天举等［7］对黄河三角洲22块滨海盐碱土进行了调查，结果表明：Cl-和Na+是导致土壤盐渍化的主要成分，土壤全盐量与pH值呈显著负相关关系［8］。为了加速土地面积的增长，通过人为吹填的方式造陆，可有效拓展城市的发展空间。与自然滨海盐碱土性质类似，吹填土的盐分特征也受吹填母质、地下水和气候等的影响。李文峰等［9-10］研究表明：连云港地区吹填土的可溶性盐含量为14.5%，青岛地区吹填土可溶性盐含量仅为0.86%，天津临港吹填土土壤的平均含盐量为2.1%。贾林等［11］对天津地区不同年限吹填土的理化特征进行了分析，研究表明：吹填0～15年的土壤全盐量逐渐降低，但15～20年的土壤含盐量又呈上升趋势，相关结论可为北方滨海盐碱土生态系统土壤恢复和管理提供理论指导。上海是我国东部沿海地区的特大城市，人工吹填给城市发展提供了宝贵的土地资源。然而，目前对于东部滨海盐碱土的研究主要集中于自然土壤，对人工吹填后用于城市绿化建设的吹填土盐基离子分布特征的研究较少。通过对上海市临港地区吹填土盐分状况进行调查、分析，全面掌握了该地区土壤盐基离子的含量和分布状况，可为该地区吹填土的绿化建设和后期的灌溉管理提供理论指导，对于改善区域生态环境具有积极的推动作用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选取上海临港滴水湖东侧受人为扰动较少的吹填土区域为研究对象，研究区土地利用类型为公共绿地和荒地。上海临港滴水湖位于上海东南长江口与杭州湾的交汇处，属亚热带季风性气候，年均温17.7 ℃，年降雨量1407.9mm，年蒸发量1129.6mm，地表蒸发比较强烈［12］。滴水湖区域地势低平，江、河、湖、海水位较高，地下水埋深平均为0.59 m，土地处于高度渍水状态，其成土过程深受海水长期浸渍的影响。土壤质地以粉砂壤土和砂质壤土为主，研究区土壤有机质含量平均为7.97 g/kg。

1.2 样品采集与分析

1.2.1 土壤取样 于2019年8月进行土壤采样，共设置26个采样点，采样点分布见图1。采用土钻进行分层取样，其中表层为0～20 cm、中层为20～40 cm、深层为40～80 cm。各采样点均为混合样，在采样点4 m2范围内，通过棋盘法采集5个样品进行混合，然后通过四分法留取1 kg混合样，最后共取得78个土壤样品。

图1 采样点分布

1.2.2 土壤分析 将野外采集的土壤样品在实验室自然风干、磨碎并过2 mm筛后备用。所有样品均制备1∶5土水比浸提液。样品测试分析依据《土壤农化分析》［13］，CO32-、HCO3-采用双指示剂滴定法测定；Cl-采用AgNO3滴定法测定；SO42-采用EDTA间接滴定法测定；Ca2+、Mg2+采用原子吸收光谱法测定；K+、Na+采用火焰光度法测定。

1.3 数据处理

数据经Excel 2016软件整理后，采用R 4.0.1软件进行统计和主成分分析，采用Sigmaplot 14软件进行绘图。变异系数（CV）反映土壤特性的空间分布离散程度，CV≤10%时属于弱变异性、10%＜CV≤100%为中等变异性、CV＞100%则呈强变异性［14］。

2 结果与分析

2.1 吹填土盐基离子的总体分布情况

2.1.1 吹填土盐基离子描述性统计分析 由图2可知，临港吹填土剖面8种主要盐基离子总量约为14.93 g/kg，标准差为13.10 g/kg，变异系数为88%，属于中等变异性。在Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、CO32-和HCO3-这8种主要盐基离子中，变异系数最大的为CO32-，变异系数达288%，属于强变异性，吹填土CO32-平均含量约为0.008 g/kg，标准差为0.0235 g/kg；其次为Cl-，变异系数达113%，属强变异性，吹填土Cl-平均含量约为8.90 g/kg，标准差为10.06 g/kg。吹填土HCO3-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-含量均为中等变异性，变异系数范围为24%～86%，这些离子根据变异系数大小分为3组：Mg2+和SO42-变 异 系 数 接 近，在24%～29%之间；Ca2+和K+变异系数接近，在46%～51%之间；HCO3-和Na+变异系数接近，在75%～86%之间。吹填土盐基离子含量则表现为：Cl-＞Na+＞SO42-＞K+≈。

图2 吹填土盐基离子的总体分布特征

2.1.2 各盐基离子占比和盐渍化分类 吹填土样品的易溶盐主要是由、Ca2+、Mg2+、K+、Na+组成。本研究区域吹填土土壤中8种主要离子占总盐的比例如图3所示。由图3可知，吹填土土壤阳离子以Na+含量最高，占比达25.2%，其次为K+3.5%、Mg2+1.7%，Ca2+占比最低，仅0.6%。阴离子以Cl-最高，约占56.1%；次 之，为9.5%；再 次 之，为3.3%；最低，仅为0.1%。

图3 吹填土中各盐基离子占比

中国土壤学会盐渍土专业委员会对土属划分的标准［15］：盐渍化类型分为氯化物型、硫酸盐—氯化物型、氯化物—硫酸盐型、硫酸盐型，其Cl-/SO42-当量浓度比分别为＞2.0、1.0～2.0、0.2～1.0、＜0.2。表1为本研究区域吹填土盐渍化类别划分的统计参数。由表1可知，上海临港地区吹填土均属于氯化物型，Cl-/SO42-当量浓度比最小为2.6，最大为98.1；Cl-/SO42-当量浓度比的中位数和平均值随着土壤层次的加深而逐渐变大，且Cl-/SO42-当量浓度比的最大变异系数为40～80 cm土层，约为上层土壤的2倍。

表1 吹填土盐渍化类型统计表

2.2 不同土层盐基离子分布情况

将测定的8种主要盐基离子进行累和，可表征土壤可溶性盐的总量（图4），由图4可知，上海临港地区吹填土可溶性盐总量在垂直空间上随着土壤层次的变深而增加的趋势，但通过多重比较分析表明，各层之间无显著差异。吹填土可溶性盐总量在垂直空间上呈均匀分布。

图4 土壤剖面可溶性盐基离子总量垂直变化

由图5可知，不同深度吹填土中阳离子均以Na+为主，阴离子均以Cl-为主。同一盐基离子含量占比在不同土壤层次间无显著差异。Cl-含量占比与Na+无显著差异，但显著高于其他离子。Na+含量占比与Cl-和SO42-无显著差异，但显著高于其他离子。

图5 不同土层盐基离子占比

2.3 盐基离子相关性和主成分分析

研究表明：HCO3-与Ca2+之间存在着显著负相关，相关系数为-0.41；HCO3-与Mg2+之间存在正相关，相关系数为0.44，表明HCO3-与Mg2+存在一定同源性，且重碳酸盐主要成分为镁盐（表2）。Cl-与K+、Na+之间存在着极显著正相关，相关系数分别为0.56和0.69，说明氯化物的主要成分为钠盐和钾盐，且钠盐占比更大。SO42-与Mg2+之间存在显著正相关关系，相关系数为0.43，说明上海临港地区吹填土中的硫酸盐类物质主要为硫酸镁。K+与Na+之间存在极显著正相关关系，相关系数为0.87。吹填土离子总量与Cl-、K+、Na+含量呈极显著正相关，相关系数分别为0.97、0.71和0.84。土壤pH值与CO32-和HCO3-呈显著或极显著正相关，相关系数分别为0.39和0.78；吹填土pH值与Ca2+呈极显著负相关，相关系数为0.55。

表2 吹填土不同盐基离子的相关性

2.4 盐分离子主成分分析

2.4.1 特征值及贡献率 将吹填土8种主要盐基离 子Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、CO32-和HCO3-在土壤剖面中的含量作为统计分析指标。以主成分特征值大于1为依据，确定保留的因子个数，并计算各盐基离子与主成分的相关系数。由表3可知，特征值大于1的3个主成分，其累计贡献率为75.7%，其中，主成分PC1、PC2、PC3的贡献率分别为36.5%、22.6%、16.6%，第1主成分PC1解释率约为第2主成分PC2和第3主成分PC3之和，表明第1主成分所包含盐基离子分布信息最多，对吹填土盐分含量影响最大。主成分PC1特征值为2.92，可以反映约3个指标的主要信息。主成分PC2特征值为1.81，可以反映约2个指标的主要信息；主成分PC3特征值为1.33，可以反映至少1个指标的信息。

表3 8种主要盐基离子分布特征值及贡献率

2.4.2 主成分因子载荷 因子载荷可以表征各盐基离子在主成分中的相对重要性。PC1轴上Na+、K+和Cl-载荷较大，分别为0.914、0.894和0.718；Mg2+次之，为0.6000。由图6可知，8种主要盐基离子中，Na+、K+和Cl-表现为明显的聚集，分布于PC1轴的正端，表明其与第1主成分呈显著正相关，因此主成分PC1轴可主要表征滨海地区海水中氯化物对吹填土盐基离子分布的影响。PC2轴上Ca2+和HCO3-载荷较大，分别为-0.708和0.703；Mg2+次之，为0.560。PC3轴上SO42-载荷较大，为0.750；Ca2+和CO32-次之，分别为0.547和0.520。根据盐基离子载荷大小，主成分PC2和PC3主要表征了土壤矿物对盐基离子分布的影响。

图6 吹填土盐基离子分布主成分分析

2.4.3 主成分综合得分 主成分综合得分可直观地表达各因子与主成分之间的线性关系，并定量化各盐基离子对主成分的影响。表4为各盐基离子在主成分上的得分系数，根据得分系数可构建主成分得分方程：

表4 各盐基离子得分系数

式 中x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8分 别 表 示 标 准化后的CO32-、HCO3-、Cl-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-含量。以特征值大于1的3个主成分得分F1、F2、F3为变量，以各主成分贡献率占累积贡献率的比例为权重，构建各点位土壤盐基离子指标综合得分模型F，根据综合得分对临港滴水湖周围地区土壤盐基离子分布特征进行综合分析。计算公式如下：

在综合得分模型中，Mg2+和SO42-得分系数较大，分别为0.328和0.287，在综合得分中起关键作用。Cl-和Ca2+得分系数较小，对综合得分的影响不大。通过综合模型计算，研究区域土壤盐分综合得分范围在-2.10～1.41之间，在26个采样点中，12个点位综合得分小于0，综合得分标准差为0.95。对各取样点土壤在不同标准下得分进行排序（表5），受盐渍（中性盐基离子）化影响最大的为8号采样点，18号采样点次之；受盐碱（碱性盐基离子）化影响最大的为14号采样点，17号采样点次之。

表5 各取样点主成分得分

3 讨论

董阳等［16］研究表明：上海临港滴水湖周围地区，10.26%为轻度盐化土壤，3.42%为中度盐化土壤，4.27%为重度盐化土壤，3.42%为盐土。本研究结果表明：上海临港滴水湖周围地区吹填土全盐量平均为14.93 g/kg，标准差为13.10，变异系数为88%，为重盐土类型（全盐量≥4.00 g/kg）。贾林等［11］对滨海吹填土盐分含量进行了跟踪监测，结果表明：吹填2年后土壤全盐量为30.2 g/kg，15年后土壤全盐量降至12.6 g/kg，表明自然状态下滨海吹填土全盐量会受到淋溶和植被等影响而逐渐降低。但经过15年的自然恢复条件下，吹填土全盐量依然高达12.6 g/kg，属于重度盐碱土壤，显著高于《绿化种植土》［17］标准的要求（全盐量≤1.5 g/kg）。因此，在吹填土区域进行园林绿化建设时，需要重点对土壤盐分含量进行检测，若超过相关标准的要求，需采用人工脱盐等改良方式对土壤进行改良，以满足植物健康生长的土壤环境条件。添加有机肥和园林绿化废弃物可显著提高盐碱土的脱盐效率，并有效抑制脱盐碱化，同时还可改善土壤肥力［18-21］，是吹填土改良的有效手段。

李二焕等［22］研究表明：土壤盐分在剖面中的分布状况与距离海口的远近相关，距离海口较近时为表聚型，随着距离的变大逐渐变为震荡型和均匀型。本研究中土壤采样点主要分布于滴水湖东面，靠近海岸，但盐基离子总量在剖面分布上呈均匀型，上层和下层无显著差异，这可能与该区域吹填造陆时间较长，自然恢复过程中地表已有植被覆盖，有效抑制了地表水分蒸发和可溶性盐基离子的地表转移过程有关；也可能与取样点距离水面均较近，土壤水分充足，土体整体处于湿润状态，盐分可以在土体均匀分布有关。滴水湖区域吹填土剖面盐基离子含量最高的为Na+和Cl-，表现为典型的滨海带盐碱土盐基离子地带性分布特征［5，8，23］。同时，吹填土剖面中Na+、Cl-均表现为深层显著高于表层，这与二者为强淋溶元素，在土壤中主要以扩散与淋失2种方式移动有关，一方面是由于土壤的盐分组成与海水一致，氯化物占绝对优势，另一方面与海风刮起的小粒径海水水珠的自然沉降有关，此外，还与海平面上升，海水顺着下水道倒灌导致城市低洼处土壤盐分含量较高有关［24］。

土壤中盐基离子的相关性能在一定程度上反映出盐分在土壤剖面中的存在形态［3］。上海临港吹填土阳离子以Na+含量最高，占比达25.2%；阴离子以Cl-最高，约占56.1%，且Na+和Cl-呈极显著正相关，表明土壤中盐分主要以NaCl形式存在。研究区域土壤盐渍化类型均为氯化物型，与天津滨海新区的吹填土盐基离子分布特征基本一致［23］，这与滨海区域土壤水分与海水进行交换后盐基离子的富集有关。研究区土壤pH值与盐基离子总量无显著相关性，这可能与滴水湖区域土壤盐基离子以Cl-和Na+等中性离子为主，盐基离子总量的增加对土壤pH值的影响不大有关。但土壤pH值与CO32-和HCO3-含量呈显著正相关，这是因为研究区土壤pH值8.72～10.50，属于碱性土壤，而CO32-和HCO3-是土壤中主要的碱性盐基离子，对土壤pH值的升高具有较高的贡献率。值得注意的是土壤pH值与Ca2+呈显著负相关，这是因为Ca2+可以置换Na+和K+，置换下的离子可以通过淋洗排出土体，同时Ca2+可以与CO32-形成碳酸钙沉淀，从而降低土壤碱度［25］。

土壤中各种可溶性离子含量的空间变异性强，难以精确定量描述土壤盐分及各离子含量的分布特征。因此，对土壤中的Cl-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、CO32-和HCO3-含量进行主成分分析，通过降维将多个指标转化为少数几个综合指标，从而获取具有代表性和限制性的土壤盐渍化特征因子［26］。主成分分析的结果表明：前3个主成分可解释吹填土盐基离子分布特征信息的75.7%，其中第1主成分解释率达36.5%。在第1主成分上，Cl-、Na+和K+载荷最大，在研究区土壤中Cl-、Na+和K+是主要的盐基离子，因此在PC1轴上得分较高的取样点，受土壤盐渍化胁迫较大。第2主成分、第3主成分上载荷较大的离子分别为Ca2+、HCO3-和SO42-，主要表征了成土母质对土壤盐基离子分布的影响，同时，滨海吹填土pH值呈碱性，而CO32-和HCO3-是土壤中主要的碱性盐，因此，在PC2轴上得分较高的取样点，主要受土壤碱度的胁迫较高。根据主成分分析结果，可以对土壤盐碱化胁迫进行分类，进而为土壤盐碱治理提供有针对性的指导。

4 结论

上海临港吹填土均为氯化物型盐渍土，土壤可溶性盐基离子以Cl-、Na+和SO42-为主，占盐基离子的总量分别为56.1%、25.2%、9.5%。吹填土盐基离子总量变幅为2.4～55.2 g/kg，在垂直空间上表现为均匀分布。土壤全盐量与Cl-、K+、Na+含量呈显著正相关，土壤pH值与CO32-和HCO3-呈显著正相关，土壤pH值与Ca2+呈显著负相关，吹填土盐基离子主要来源于氯化物和硫酸盐。主成分分析表明，3个特征值大于1的主成分累积解释率为75.7%，Cl-和Na+在PC1（36.5%）因子载荷最大，可作为上海临港吹填土盐分的表征。