黄河三角洲土壤盐渍化影响因素分析

1、第24卷第1期2010年2月水土保持学报Journal of Soil and Water ConservationVol.24No.1Feb.,2010黄河三角洲土壤盐渍化影响因素分析3范晓梅1,刘高焕1,唐志鹏1,束龙仓2(1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;2.河海大学水文水资源学院,南京210098摘要:通过野外土壤调查和采样分析,对黄河三角洲土壤盐渍化形成的天然环境和影响因素进行了概述,对区域土壤盐渍化程度、类型和特征等进行了分析和探讨。并根据采样点地下水位、矿化度、高程、植被盖度、离海远近等要素,采用灰色关联度模型,分析了不同盐渍化类型主导的环境要素。结果表明,原

2、生盐渍土含盐量主要受地下水位、矿化度和植被覆盖的影响;土壤次生盐渍化主要受离排灌渠远近、地下水矿化度和埋深的影响。关键词:黄河三角洲;土壤盐渍化;影响因素;灰色关联度中图分类号:S156.4;S151.9文献标识码:A文章编号:100922242(20100120139206Analysis on Main Contributors Influencing Soil Salinization of Yellow River Delta FAN Xiao2mei1,L IU Gao2huan1,TAN G Zhi2peng1,SHU Long2cang2(1.I nstitute of Geog

3、 rap hical Scienceces and N atural Resources Research,CA S,B ei j ing100101;2.College of W ater Resources&Envi ronment,Hohai Universit y,N anj ing210098Abstract:Based on field survey and soil sampling data,t he occurring environment and influencing factors of saline soils of Yellow River Delta h

4、as been described,and t he severity,classification and characteristics of soil salinization were discussed.According to t he environmental variables at sampling point s,e.g.groundw2 ater dept h,total dissolved solids(TDS,elevation,vegetation cover,a grey correlatio n model was utilized to indicate t

5、 he main contributors of soil salinization.As a result,t he salinity of primary saline soil was mainly cont rolled by groundwater dept h,TDS and vegetation cover.The secondary saline soil was mainly influenced by distance to drainage dykes,groundwater TDS and dept h.K ey w ords:Yellow River Delta;so

6、il salinization;influcencing factors;grey correlation model国内外大量研究表明,土壤中盐分积累过程是一系列作用于不同时空尺度上自然和人为因素相互叠加作用的结果。在众多环境因素中对原生土壤盐渍化过程影响最为显著因素包括:气候、沉积环境、土壤母质、地形、水文地质条件等。造成土壤次生盐渍化因素主要有:灌溉、砍伐森林、各类蓄水工程等1。分析区域土壤盐渍化发生的自然条件和主导的环境要素是理解土壤盐渍化过程的基础,对于更好地预防和治理土壤盐渍化具有十分重要的作用。黄河三角洲的沉积环境、气候条件和土壤母质决定了原生盐渍化土壤在区域内广泛分布,超过50

7、%的土地为不同程度的盐渍化土壤。伴随着当地农业的发展、平原水库的修建和重灌轻排的耕作方式,加上区域本身地下水埋深浅且矿化度高,使黄河三角洲土壤次生盐渍化也日趋加剧。受盐渍化的影响使得该区原本脆弱的生态系统发生退化,植被生境和多种珍稀的野生动物栖息地遭到威胁。土壤盐渍化已成为当地生态系统和农业可持续发展最重要的环境问题。此前,已有众多学者就黄河三角洲土壤盐渍化相关的生态环境问题做了大量细致的研究工作。其中包括对黄河三角洲形成和沉积环境的详细阐述2;对区域浅层地下水分布和动态的研究324;对土壤盐分空间分布规律的研究527;盐渍化动态遥感监测研究8;以及盐渍土改良和可持续利用研究9210等。但目前

8、还未见有以野外土壤采样和生境条件调查数据为基础,全面综合地分析区域土壤盐渍化的影响因素,并采用一定的模型研究各环境因子在盐渍化过程中所起作用的大小。本研究分析了黄河三角洲土壤盐渍化发生的自然条件和影响要素,以野外土壤采样和植被生境调查数据为基础,结合已有的区域地下水水位和含盐量数值模拟成果,用灰色关联度模型分析了各环境因子对土壤盐渍化过程的影响。3收稿日期:2009209227基金项目:中国科学院方向项目(kzcx2-yw-308;国家自然科学基金项目(40771172作者简介:范晓梅(1981-,女,江苏南京人,博士生,从事地下水及土壤盐渍化研究。E2mail:fanxm041水土保持学报第

9、24卷1黄河三角洲盐渍土发育的自然条件1.1气候因素黄河三角洲位于山东省东营市境内的黄河入海口地区(117°31-119°18E,36°55-38°16N,在气候类型上属于温带季风型大陆性气候。根据1966-2001年东营市气象站点实测资料,黄河三角洲多年平均降水量为537.4mm,多年平均蒸发量为1885.0mm(E60120cm,年蒸降比约为3.5:111。蒸发量远大于降雨量,为土壤剖面中盐分向上运移提供了有利条件。受季风气候的影响,降雨量集中在汛期6-9月,约占年降雨量的75.5%,而其它季节干旱少雨。土壤剖面水盐垂直运动强烈,形成土壤季节性的返盐

10、和脱盐12。一年中土壤盐分季节变化的总体规律为:春季积盐、夏季脱盐、秋季回升、冬季潜伏。1.2地形地貌黄河三角洲总体地形平缓,地形比降约为1/80001/12000。受黄河不断泛滥改道影响,区域内微地貌类型发育较为完整,主要有古河道遗留下来的自然堤、河漫滩地、背河洼地、缓斜平地和滨海低平地等。区域内水盐受微地貌的影响而发生重新分配:河滩高地、决口扇形地,沉积物颗粒较粗,坡度较陡,有利于盐分的迁移,土壤含盐量均值约为3g/kg;河漫滩地受河水侧渗的淡化脱盐作用,土壤含盐量较低约为2.2g/kg;故道两侧的背河洼地,随着沉积物颗粒逐渐变细,粘土颗粒吸附元素的能力增强,其离子含量不断升高,土壤含盐量

11、平均值达到13.6g/kg;缓平的低地及洼地是盐分聚集区,往往形成大面积中等或重度盐渍化土壤,含盐量平均值约为11.7g/kg;滨海滩涂地区受高矿化度地下水和海水入侵的影响,土壤含盐量可达到30g/kg以上。1.3水文地质条件黄河三角洲位于华北凹陷的东北部,由于长期以来地面沉降加上河流作用,区域内沉积了巨厚的第四纪地层,厚度可达400500m。区域内水文地质钻孔资料揭示,河积粉砂和潮汐沉积物是地下水主要的赋存介质。黄河三角洲地下潜水普遍埋深较浅(平均埋深为1.14m,且矿化度较高(含盐量平均值为14.3g/L。黄河三角洲地下水含盐量空间分布不均,以黄河河道为轴沿地下径流排泄的方向,地下水中的含

12、盐量迅速升高。盐渍土分布格局受到地下水埋深和矿化度空间变化的影响,地下水埋藏浅且矿化度高的地区,土壤盐渍化程度也越高。河道间的闭合洼地作为地表、地下径流的汇集区,各种离子元素不断升高,加上径流排泄不畅,成为受盐渍化危害最为严重的地区。1.4海水侵渍黄河三角洲位于滨海湿润-半湿润海水浸渍盐渍区渤海氯化物盐渍土片,属于现代积盐过程。土壤盐渍过程先于成土过程,是在盐渍淤泥的基础上逐渐成陆发育而成。陆地形成以后又受到海水经常性的淹没和侧向侵渍,在强烈的蒸发积盐作用下形成高矿化度的滨海盐渍土。随着陆地形成过程的进一步发展和自然植被的繁衍,土壤形成过程加强,积盐过程减弱,逐渐演化为各种草甸盐土13。研究区

13、东部受海水的浸渍侧渗作用较强烈,地下水矿化度相对较高,这些部位受地下水返盐影响更为强烈,导致表土盐分积聚性明显高于其它部位7。而近年来沿海地区降雨量减少和河流断流频繁,使得海水沿河道或由地下侵入含水层,打破了沿岸地区的咸淡水平衡,进一步加剧了沿海地区盐渍化的程度。此外,沿海地区还容易受到经常性风暴潮的影响,也是沿海地区土壤中盐分不断积聚的重要原因。1.5植被覆盖黄河三角洲的植被可分为人工植被和天然植被。人工植被主要包括:人工刺槐林、杨树林、棉花、小麦和冬枣等。黄河三角洲的天然植被大多为耐盐植被,主要包括:芦苇、柽柳、翅碱蓬、獐茅、白茅等。黄河三角洲植被与土壤盐分的关系可谓相依相存、相互影响。一

14、方面植被是天然的土壤盐分指示剂,通过植被类型、长势和健康状况可直观判定土壤盐渍化程度。对于黄河三角洲来说,不同植被覆盖条件下土壤盐分含量的一般规律为:刺槐林地<芦苇草甸<柽柳灌丛<翅碱蓬地<裸地。众多学者采用不同的试验方法,证实了黄河三角洲的各种盐生和耐盐植被具有降低土壤含盐量,改善土壤的功效。通过栽培试验得出翅碱蓬、柽柳等6种耐盐植被对盐碱地改良的效果明显。在种植上述耐盐植被两年后,土壤含盐量减少约在54%57.9%之间,而土壤有机质含量则增加了81.7%200%14。由此可见,广泛种植耐盐植被、增加土壤覆盖度,是改善黄河三角洲盐渍化土壤最重要和有效的生物措施。2土壤

15、盐渍化调查和盐渍化类型分析2.1野外考察和样品处理于2006年5月中旬针对黄河三角洲土壤含盐状况及其对植被类型和盖度的影响等科学问题,组织了黄河三角洲野外实地考察工作:(1按照平均间距为3km的规则网格布设土壤采样点,共计193个。每个样点上用土钻取土,分两层采集土壤样品,分别为深度0-30cm 的表层土壤和90-100cm 的底层土壤。(2采样点用手持GPS 定位并记录下相应的经纬度坐标,同时记录采样点的植被类型、盖度、高度等要素,以及采样点周围环境、人类影响方式与程度、地形特征等。(3采样点植被盖度的估算采用样方实际估算法。草本植被和灌木,采用1m ×1m 样方,林地采用10m

16、×10m 的样方,样方内的植被盖度由人工目视估计得来。土壤样品带回实验室风干后过2mm 的筛子,研磨后用100目分子筛过筛,并以51的水土比抽滤浸提土壤水溶液。土壤样品测定项目包括:土壤有机质、主要阳离含量子包括钙、镁、钾、钠(Ca 2+、Mg 2+、Na +、K +,主要阴离子含量包括重酸根、碳酸根、硫酸根、氯离子(HCO -3、CO 2-3、SO 2-4、-Cl -,全盐(Salt 和土壤溶液酸碱度(p H 。其中,p H 值(水土比2.51采用P HS -3C 酸度计法测定;有机质采用电热板加热-K 2Cr 2O 7容量法测定;CO 2-3和HCO -3采用双指示剂中和法测定;

17、Cl -采用AgNO 3滴定法测定;SO 2-4-采用ED TA 间接滴定法测定;Ca 2+和Mg 2+采用ED TA 络合滴定法测定;K +和Na +采用差减法;全盐含量以土壤中上述8种离子的重量之和计算15。2.2土壤盐渍化类型2.2.1盐渍化程度和盐渍剖面类型根据对研究区193个土壤样品含盐量分析的实验结果,可得黄河三角洲土壤含盐的基本情况表(表1。从土壤可溶盐离子的基本组成,可知黄河三角洲土壤盐分来源主要为海水氯化物和硫酸盐类。依据我国半湿润区土壤可溶盐类以氯化物为主的盐碱土分级标准(表层土壤,研究区共有非盐渍化土壤(全盐量<0.2%样本13个,约占总数的7%;轻盐渍化土壤(全盐

18、量0.2%0.4%样本29个,约占总数的15%;中度盐渍化土壤(全盐量0.4%0.6%样本27个,约占总数的14%;重盐渍化土壤(全盐量0.6%1.0%样本51个,约占总数的26%;盐土(全盐量>1.0%样本74个,约占总数的38%。由此可见,黄河三角洲大部分面积的土壤属于盐渍化土壤的范畴,且盐渍化程度相当高。表1黄河三角洲土壤含盐量基本情况(共193个样点%土层项目Na +,K +Ca 2+Mg 2+HCO -3CO 2-3C1-SO 2-4-含盐量有机质p H 值均值0.250.040.25000.320.21 1.06 1.057.84表层土壤(0-30cm 最大 1.180.3

19、1.50.060 1.58 1.5 5.02 4.338.5最小000.01000.010.010.10.227.7标准差0.220.040.260.0100.320.200.870.570.13均值0.170.020.130.1600.190.110.60.447.86深层土壤(90-100cm 最大0.550.130.490.0600.620.62 1.77 1.528.5最小0000.0100.0100.10.017.6标准差0.120.010.090.020.140.080.370.250.15黄河三角洲表层土壤含盐量的极大值(5.02%和均值(1.07%远高于底层土壤的含盐量和均值,

20、分别为1.77%和0.60%,且表层土壤和底层土壤含盐量的差值最大可达到12倍,充分说明黄河三角洲土壤剖面盐分表聚现象显著。黄河三角洲土壤有机质含量均值为1.05%,按第二次全国土壤普查有基质分级标准(<0.6%,极缺乏;0.6%1%,缺乏;1%2%,好,土壤有机质含量较高。土壤样本平均p H 值7.85,呈弱碱性。2.2.2原生盐渍土和次生盐渍土根据采样点土地利用方式和受人类干扰程度的记录,有73个样点是在有灌溉和排水系统的耕地中取得,为次生盐渍化类型土壤。其余样点中有90个采样点未受人类干扰而保持其天然状态,其土壤盐渍化类型是原生盐渍化。黄河三角洲原生盐渍化土壤约占盐渍土总量的70%

21、,而次生盐渍化土壤约占30%,可见黄河三角洲以原生土壤盐渍化为主。在SPSS17.0统计分析软件的环境下,分别对黄河三角洲原生和次生盐渍化土壤样本含盐量的频率分布进行分析,并用直方图和分布曲线的形式表现出来,见图1。通过对比分析可知,黄河三角洲次生盐渍化土壤的含盐量平均值要低于原生盐渍化土壤。可见农作物的种植和适度的灌溉排水,对降低土壤盐渍化和改善土壤起到了一定的效果。但是,研究中也发现区域土壤含盐量的极值(含盐量>3%大多出现在耕地中(图1c ,部分农田因为土壤含盐量过高而逐渐退化为弃耕地。由此可见,次生盐渍土虽然在数量上并不是黄河三角洲盐渍土最主要的组成部分,但其盐渍化程度之高、危害

22、之大,应当予以相当的重视。从不同类型土壤含盐量分布曲线可以看出天然状态下土壤含盐量的分布更接近正态分布,次生盐渍土土壤盐分分布曲线的峰度值和偏度值均大幅增加。可见由于人类活动的干扰使得黄河三角洲土壤含盐量的分布偏离正态分布。就两种不同类型盐渍土盐分分布差异来说,表层土壤含盐量分布的差异要远大于底层土壤,可见土地利用方式的改变主要作用于表层土壤,使其含盐量分布更加的不均匀。此外,无论是原生盐渍土还是次141第1期范晓梅等:黄河三角洲土壤盐渍化影响因素分析生盐渍土,表层土壤含盐量的标准差大于底层土壤,可见在区域上表层土壤盐分的变异较显著 。图1黄河三角洲土壤含盐量频率分布3盐渍土影响因素分析3.1

23、影响因子的选取由于原生盐渍土和次生盐渍土具有不同的成因和盐渍化过程,因此根据采样点的盐渍化类型(原生盐渍土和次生盐渍土,来分别研究各种环境因子在原生土壤盐碱化和次生土壤盐碱化过程中所起的作用的大小。在研究中将地下水埋深、地下水矿化度、离海远近、地表高程、地形指数、土壤有机质含量这6个因素作为公共的影响因子。此外,在原生盐渍土影响因素的研究中增加植被覆盖对土壤含盐量的影响,具体通过植被盖度这一指标来反映。在次生盐渍土影响因素的分析过程还需考虑农田中的排灌系统对土壤的改良作用,因此增加采样点距离排灌水渠远近这一指标。分析中各个采样点的地下水埋深和矿化度值,以经过验证的同期地下水位和矿化度数值模拟结

24、果(采用Visual MODFLOW 程序为依据,根据采样点的坐标提取(见图2。离海岸线和排灌渠的空间距离,根据SPO T 影像(2005年6月提取的海岸线和参考研究区已有的排灌渠图层,在Arc GIS9.2的spatial analyst 模块中按照点线之间最短距离计算;采样点植被盖度采用野外现场的估算值;采样点地表高程根据区域1:10000DEM 数据确定。采样点的地形指数根据DEM 数据,通过公式(1计算16。地形指数=ln (5/tan(1式中:5单位等高线长的上坡汇流面积;地形坡度。3.2灰色关联度模型灰色关联度是20世纪80年代邓聚龙教授提出灰色系统理论中的一种基本分析方法。其主要

25、是根据曲线间相似程度来考察系统诸因子之间的关联程度,是分析系统各因素关联程度量化的一种方法17。本研究中就采用灰色关联度的方法来考察土壤含盐量与各环境因子的关联程度。参考数列X 0分别为30cm 土壤含盐量和90cm 土壤含盐量数列。对原生土壤盐渍化来说,共有90个采样点包括7个环境因子。环境因子X 1X 7分别代表地下水埋深、矿化度、土壤有机质含量、高程、地形指数、离海距离和植被盖度。对次生土壤盐渍化来说,环境因子X 1X 7分别代表地下水埋深、矿化度、土壤有机质含量、高程、地形指数、离海距离和离排灌水渠距离。3.3原生盐渍土含盐量影响因素分析从表2灰色关联度分析结果来看,各环境因子对黄河三

26、角洲表层土壤含盐量影响大小的顺序为:地下水埋深>地下水矿化度>植被盖度>离海远近>地形指数>高程>土壤有机质含量。这一结果符合黄河三角洲盐渍土发育和演化的天然规律。在黄河口泥沙沉积、陆地不断向海淤进的条件下,地下水和植被状况与土壤发育241水土保持学报第24卷图2黄河三角洲环境要素图层关系最为密切:在成陆初期地下水埋藏浅、矿化度高、地表无植被覆盖或仅有稀疏耐盐植被覆盖,此时土壤含盐量也最高;随着陆地进一步向海延伸、地表逐渐抬高、地下水埋深变大、土壤脱盐淡化、生境条件逐渐变好,才有高等植物出现。植物养成郁闭群落后可增加地表覆盖、减少蒸发量,有效地阻止了土壤中盐

27、分上升,并可保持土壤水分、增加土壤肥力,进一步改善土壤。而其余的环境因素,包括地表高程、离海远近、地形指数等虽然也是土壤盐渍化过程中非常重要的影响因素,但并不直接参与盐渍化土壤的成土过程,而是通过在不同尺度下影响地下水位埋深和矿化度等,间接地影响土壤含盐量。黄河三角洲底层土壤含盐量影响因素重要性的关系为:地下水埋深>地下水矿化度>植被盖度>离海远近>高程>地形指数>土壤有机质含量。由此可见,1m 以内土壤体中盐分含量的影响因素基本一致,且表层土壤与底层土壤含盐量的联系密切。表2原生盐渍土含盐量与环境要素关联度分析土层项目1234567表层土壤因子地下水埋深地

28、下水矿化度植被盖度离海远近地形指数高程土壤有机质关联度0.710.680.620.600.570.560.52底层土壤因子地下水埋深地下水矿化度植被盖度离海远近高程地形指数土壤有机质关联度0.710.690.650.630.590.550.543.4次生盐渍土含盐量影响因素分析从表3的灰色关联度分析结果来看,各要素对黄河三角洲次生盐渍土表层土壤含盐量影响大小的关系为:离排灌渠远近>地下水矿化度>地下水埋深>地形指数>离海远近>土壤有机质含量>高程。与原生盐渍化土壤不同,离排灌渠距离成为影响次生盐渍土表层土壤含盐量最为显著的因素。可见,次生盐渍土的含盐量极大地

29、受到人类活动干扰,农田的排水灌溉系统对降低土壤含盐量起到了一定作用,离排灌渠的距离越近,土壤改善的效果越显著。此外,地下水埋深和矿化度仍然是影响表层土壤盐渍化非常重要的因素。各环境因子对次生盐渍土深层土壤含盐量影响大小的顺序为:地下水矿化度>地下水埋深>离排灌渠远近>土壤有机质含量>地形指数>高程>离海远近。相对于表层土壤来说,排灌系统对降低深层土壤含盐量的效果略有下降,这主要是因为区域地下水普遍埋藏较浅,深层土壤更易受地下水水化学性质的影响。分析结果表明,地下水矿化度和地下水埋深是控制土壤次生盐渍化的关键因素。因此,发展有效的排水灌溉系统、控制地下水埋深、

30、保证灌溉水质是治理区域土壤次生盐渍化有效的途径。表3次生盐渍土含盐量与环境要素关联度分析表土层项目1234567表层土壤因子离排灌渠远近地下水矿化度地下水埋深地形指数离海远近土壤有机质高程关联度0.770.760.7440.620.610.600.59底层土壤因子地下水矿化度地下水埋深离排灌渠远近土壤有机质离海远近高程离海远近关联度0.770.740.710.660.630.640.63341第1期范晓梅等:黄河三角洲土壤盐渍化影响因素分析144 水土保持学报 第 24 卷 4 论 结 ( 1 黄河三角洲约有 90 %的土壤属于不同程度的盐渍土范畴 。其中 ,原生盐渍土约占 70 % ,次生盐

31、渍土约 占 30 % 。次生盐渍土虽然在数量上不是黄河三角洲盐渍土的主要组成部分 , 但其盐渍化程度之高 、 发展之迅 速应当予以足够的重视 。 ( 2 黄河三角洲土壤剖面盐分表聚现象严重 , 表层含盐量与底层含盐量比值约为 1. 8 。且区域上表层 1 土壤盐分的空间变异较大 ,而底层土壤的含盐量相对较稳定 。 ( 3 黄河三角洲原生盐渍土含盐量影响最重要的 3 个环境因子分别为 : 地下水埋深 、 矿化度和植被覆盖 。 由此可见 ,控制地下水埋深 、 改善地下水质和增加植被覆盖等措施 ,是防治黄河三角洲土壤盐渍化重要手段 。 ( 4 黄河三角洲次生盐渍土含盐量影响最显著的 3 个要素分别为

32、 : 离排灌水渠的距离 、 地下水矿化度和地 下水埋深 。可见 ,已有的田间灌溉排水设施对改善土壤盐碱化起到了一定效果 。但同时必须加强对农田灌溉 用水水质和地下水埋深的监测 。要预防黄河三角洲由于过度开垦所致的次生盐渍化土壤面积和程度不断增 加 ,必须执行 “农田开垦 ,水利先行” 的方针 ,建立合理高效的灌溉排水设施 ,以确保黄河三角洲地区农业的可持 续发展 。 参考文献 : 1 Nort hey J E ,Christen E W ,Ayars J E ,et al. Occurrence and measurement of salinity st ratification in sh

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