黃河三角洲土壤鹽漬化與地下水特征關系研究*

呂真真 楊勁松 劉廣明 李金彪，3 劉洪強 李 兵

（1 江西省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所，南昌 330200）

（2 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008）

（3 南京林業大學林學院，南京 210037）

黃河三角洲土壤鹽漬化與地下水特征關系研究*

呂真真1楊勁松2?劉廣明2李金彪2，3劉洪強2李 兵2

（1 江西省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所，南昌 330200）

（2 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008）

（3 南京林業大學林學院，南京 210037）

為研究黃河三角洲表層土壤鹽分含量與地下水特征的關系，對研究區內土壤鹽分含量及地下水進行原位監測，分析土壤鹽漬化和地下水特征，并運用灰色關聯分析法對地下水埋深、電導率、pH和主要離子含量的關系進行定量分析。結果表明：土壤表層鹽分含量均值為3.90～6.31 g kg-1，表層以下土壤鹽分含量均值為2.54～3.44 g kg-1，屬于中度及以上鹽漬化程度；地下水埋深平均值為1.16～1.71 m，普遍較淺；地下水陰離子以Cl-為主，陽離子以Na+為主，兩者分別占陰、陽離子總量的比例約為65 %。關聯分析表明，不同地下水特征指標與土壤表層鹽分含量的密切程度不同，同一特征指標與土壤表層鹽分含量的密切程度在不同時期間差異顯著，總體而言，土壤表層積鹽與地下水電導率、Na+、Cl-的關系較為密切，與pH、和H之間的關系較弱。在防治土壤鹽漬化中，應當加強對地下水電導率、Na+、Cl-的控制與管理。

黃河三角洲；土壤鹽漬化；地下水；灰色關聯分析

黃河三角洲是由黃河攜帶大量泥沙在入海口淤積而成的新生陸地，且每年繼續攜帶大量泥沙入海，使得黃河三角洲向渤海推進，為中國最大的河口三角洲且是世界上土地面積自然增長最快的地區之一，是我國非常重要的后備土地資源［1］。黃河三角洲受河流和海洋等多種動力作用，致使該地區地下水埋深較淺，礦化度較高，土壤質地以粉砂和細砂為主，毛管水作用強烈，地下水鹽分易集聚地表，土壤鹽漬化普遍存在，土壤鹽漬化已成為當地生態系統和農業可持續發展最重要的環境問題［2］。

眾多學者對不同地區土壤鹽分與地下水的關系曾進行了相關研究，研究方法有通過模型模擬法模擬地下水動態對土壤鹽分運移的影響［3-5］；建立經驗模型定量分析地下水埋深及礦化度與土壤鹽分含量的關系［6-8］；對比地下水埋深、礦化度與土壤鹽分含量在空間上的分布特征，分析地下水對土壤鹽漬化的相應關系［9-12］；分析土壤鹽漬化驅動因素以探討地下水對土壤鹽漬化的影響［2，13-14］；通過模擬實驗設置不同地下水條件，研究地下水對土壤鹽漬化影響［15-16］。目前關于地下水對土壤鹽分的影響研究主要集中于地下水埋深和礦化度與土壤鹽分的關系，且主要是針對某一個時期，而對于多個時期地下水埋深及其化學特征共同作用下對土壤鹽漬化影響需進一步研究。黃河三角洲地下水季節性動態變化較為劇烈［17］，且土壤鹽漬化季節變化特征顯著［2］，而地下水特征對土壤鹽漬化的影響程度是否具有季節變化特征，此方面的研究鮮有報道。

本研究采用土壤鹽分和地下水原位定點觀測數據，應用灰色關聯分析法，定量分析不同時期土壤鹽分與地下水特征的關系，以期為黃河三角洲水土資源可持續合理利用和土壤鹽漬化有效防治提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于黃河三角洲，依據縣界劃定距海岸線約50 km鹽堿土廣泛分布的區域為研究區（東經118°10′～119°17′和北緯37°09′～38°09′），包括河口區、墾利縣及東營區全部，利津縣東北部和廣饒縣北部（圖1）。該區屬于北溫帶半濕潤季風型氣候，季風盛行。平均氣溫在11.7～12.6 ℃，最高氣溫多出現在6—7月份，低溫出現在1—2月份。年均降水量為530～630 mm，降水較集中，主要在7—8月份，占全年降水量的70%［18］，蒸發量遠大于降雨量，年蒸降比約為3.5∶1。土壤類型主要有潮土，鹽化潮土和濱海鹽潮土。河積粉砂和潮汐沉積物是地下水的賦存介質。沉積物以粉砂、細砂、黏土、亞黏土為主，沿海地帶常見有海相貝殼。上部存在巨厚的咸水體，咸水底界面埋深由小清河沿岸100 m過渡到東北沿海大于400 m。淺層地下水礦化度大于5 g L-1，為咸水區。研究區域地勢沿黃河走向自西南向東北傾斜，黃河河床不斷淤高，從黃河到海岸地表高程緩慢下降，黃河以北三角洲向北和東北方向傾斜，黃河以南三角洲向東南方向傾斜。地下水流向與地表高程變化方向一致，黃河成為天然的地下水分水嶺，以現行黃河河道和刁口流路為界，分為北、東北、東南三股主流方向向海排泄。

1.2 試驗設計

為獲取土壤鹽分含量和地下水特征等資料，綜合考慮水文地質、鹽漬化現狀、地勢、土地利用與人類活動等因素，在研究區域內布設4條監測斷面，共20眼地下水位、水質監測井（圖1），并于2013年2月、5月、8月和11月進行地下水埋深測量并采集地下水樣品及相應位置處土壤樣品，采集深度分別為0～15 cm、15～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm樣品。采集的土壤樣品帶回實驗室內自然風干、磨碎、過2 mm篩后備用。所有土壤樣品均制備1∶5土水質量比浸提液，參照《土壤農業化學分析方法》［19］測定土壤及地下水Ca2+、Mg2+、K+、Na+、CO23-、HCO3-、Cl-、SO42-含量和地下水EC、pH，離子加和法計算土壤鹽分含量。

1.3 灰色關聯分析方法

圖1 研究區域及監測點位置圖Fig. 1 Location map of the study area and monitoring sites

灰色關聯度分析的基本思想是根據序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯系是否緊密。計算步驟如下：

（1）灰色絕對關聯度：

設反映系統行為特征的參考序列為X0=［X0（1），X0（2），…，X0（n）］，影響系統行為的比較序列為Xi=［Xi（1），Xi（2），…，Xi（n）］，（I=1，2，…，m），求序列X0和Xi的始點零化像X0

i，公式為：X0i=（xi（1）-xi（1），xi（2）-xi（1），…，xi（n）-xi（1））=（x0i（1），

x0

i（2），…，x0i（n））

求|S0|，|Si|，|Si-S0|，計算公式為：

最后求X0和Xi的絕對關聯度ε0i，（i=1，2，…，m）公式為：

（2）灰色相對關聯度：

首先求X0和Xi的初值像（每個序列各分量分別除以其對應的第一分量）X′0和X′i

然后對X′i進行初值零化像X′i0，計算|S′0|，|S′i|，|S′i-S′0|，最后計算X0與Xi相對關聯度，記為r0i

（3）灰色綜合關聯度：

在計算出絕對關聯度和相對關聯度的基礎上，可計算得出X0與Xi的灰色綜合關聯度，記為ρ0i：

1.4 數據分析方法

采用SPSS19.0軟件進行土壤鹽分含量和地下水特征的統計分析，采用Excel進行數據標準化處理，灰色綜合關聯度的計算采用GM軟件。

2 結果與討論

2.1 不同深度土層土壤鹽漬化特征

對不同時段下不同深度土層土壤鹽分含量進行描述性分析（表1）。研究區2月、5月、8月和11月表層（0～15 cm）土壤鹽分含量均值在3.90～6.31 g kg-1，按照濱海鹽堿化分級標準［20］，平均處于中、重度鹽漬化土及鹽土程度，其中5月份最高，2月份次之，8月和11月份相對較小；表層以下土層土壤鹽分含量均值均大于2 g kg-1，屬于中度及以上程度鹽漬化。各月份表層土壤鹽分含量平均值均高于其他土層，研究區土壤鹽分呈現表聚特征，以2月和5月份尤為突出。不同土層深度土壤鹽分含量的變異程度不同，表層（0～15 cm）變異最大，隨土層深度的加深，變異系數CV 值呈現下降趨勢，說明了水平方向上土壤鹽分含量的變異隨深度的增加而逐漸變弱；4個月份0～15 cm土層均屬于強變異程度。

對不同土層土壤鹽分含量進行非參數相關分析，分析結果見表2。不同土層土壤鹽分含量間存在極顯著相關性，說明各土層土壤鹽分含量密切關聯，可能與他們具有相同的母質有關。表層（0～15 cm）與亞表層（15～40 cm）的相關性最高，底層（80～100 cm）次之。15～40 cm和40～60 cm兩個土層，隨土層深度加深，相鄰兩個土層土壤鹽分含量之間的相關性最大，隨土層間隔的增大而減小。

2.2 不同時段地下水特征

對不同時段地下水各指標進行描述性統計分析（表3）。由表3可見，地下水電導率極差為0.98～42.3 mS cm-1，波動范圍較大，變異系數在81.9 %～97.9 %，屬于中等變異性。地下水pH在6.72～8.32范圍，屬于中性至弱堿性，變異系數均小于0.10，呈現弱變異性，研究區內地下水酸堿度相對穩定。由各時間段地下水埋深平均值可知，研究區地下水埋深普遍較淺，平均值變化范圍為1.16～1.71 m，以8月份最淺，地下水埋深均呈現中等變異性。

地下水陽離子中，Na+平均濃度最高，平均在

表1 不同深度土層土壤鹽分含量統計分析Table 1 Statistics of soil salt content relative to soil depth

表2 不同深度土層土壤鹽分含量間的相關性Table 2 Correlation of soil salt contents in different soil layers（n= 80）

1 687～3 015 mg L-1，約占陽離子總量比例為65 %，11月份地下水Na+濃度最高，5月份最低，除5月呈現強變異性以外，其他時間段均呈現中等變異性；K+的變異系數均大于1.00，呈現強變異性，Ca2+和Mg2+屬于中等變異程度，二者變異性隨時間變化規律相同，但Mg2+較Ca2+變異性強。地下水陰離子以Cl-為主，占陰離子總量的比例約為65 %，其次為SO42-，約占陰離子總量的15 %，CO32-濃度最低，大部分地下水樣品均未能監測出；Cl-變異系數為0.95～1.19，除2月呈現中等變異性以外，其他時間段均呈現強變異性，HCO3-和SO42-的變異系數分別為0.22～0.48和0.57～0.93，均呈現中等變異

性，SO42-較HCO3-變異性強。

表3 地下水特征描述性統計Table 3Statistics of groundwater characteristics

2.3 土壤表層鹽分含量與地下水特征綜合關聯度變化

由于地理現象與問題的復雜性，以及人們認識水平的限制，許多因素之間的關系是灰色的，很難分清哪些因素是主導因素和非主導因素，相關系數在比較精確地度量其相關程度的客觀大小方面存在局限性，而灰色關聯分析，為解決這類問題提供了一種行之有效的方法。

本文選擇各時間段監測的地下水埋深、電導率、pH、CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+濃度11個指標為比較序列，土壤表層鹽分含量為參考序列進行灰色關聯分析，分析地下水各因素對土壤表層鹽分含量的影響程度。由于系統中各因素的量綱不相同，在進行關聯分析之前需對原始數據進行消除量綱處理，轉換為可比較的數據，本文采用標準化變換的方法，即原始數據減平均值后除標準差，獲得標準化序列。

“鹽隨水來，鹽隨水去”，在蒸發強烈的條件下，地下水中的鹽分隨毛管水上升至地表，水分蒸發后鹽分滯留在土壤中，因此地下水特征顯著影響土壤表層土壤鹽分含量。不同時期土壤表層鹽分含量與各地下水特征的關聯情況見表4。2月，土壤表層鹽分含量與地下水特征指標的綜合關聯度排序為：地下水埋深＞ K+＞Na+＞Cl-＞EC＞Mg2+＞SO42-＞Ca2+＞ HCO3-＞pH＞ CO32-；5月排序為：Na+＞ EC＞地下水埋深＞ Mg2+＞Cl-＞ SO42-＞ HCO3-＞K+＞ Ca2+＞ pH＞ CO32-；8月排序為：Na+＞ K+＞SO42-＞Cl-＞ Ca2+＞ Mg2+＞ EC＞ pH＞地下水埋深＞ CO32-＞ HCO3-；11月排序為：Na+＞Cl-＞ Mg2+＞EC＞ K+＞地下水埋深＞ SO42-＞Ca2+＞ HCO3-＞ pH＞ CO32-。

表4 不同時段土壤表層鹽分含量與地下水特征間的綜合關聯度Table 4 Temporal variation of comprehensive correlativity between surface soil salt content and groundwater characteristics

詳細分析土壤表層鹽分含量與地下水埋深、電導率、pH、CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+的綜合關聯度可見，各地下水特征指標在同一時期綜合關聯度不同，且同一特征指標在不同時期也有較大變化，說明各地下水特征指標與土壤表層鹽分含量的密切程度不同，同一特征指標與土壤表層鹽分含量的密切程度隨時間推移而變化。如地下水埋深在2月的綜合關聯度最大，5月第4，至8月則排位倒數第3位，11月排位第6，由此可知，地下水埋深與土壤表層鹽分含量的關系密切程度在2月和5月較8月和11月高，分析原因可能為，地下水埋深的主要影響因素包括大氣降水、蒸發、地表水體補充、人類開采利用等，是土壤發生鹽漬化的一個決定性條件，2月至5月期間，降水較少而蒸發量較大，地表水分蒸發強烈，地下水中的鹽分隨毛管水上升，能否積聚在土壤表層，地下水埋深是決定性因素，故突顯了地下水埋深對表層土壤鹽分含量的影響程度，而8月是降水較集中的時期，地下水得到補充，地下水埋深普遍較淺，受降雨影響表層土壤鹽分被淋洗，致使土壤表層鹽分含量與地下水埋深的關系被弱化；地下水電導率與土壤表層鹽分含量的綜合關聯度在5月份最高，關聯度為0.94，原因可能是地下水電導率表征地下水鹽分含量，在地下水埋深相同的情況下，地下水鹽分含量越高，地下水向土壤中補給的鹽分越多，土壤積鹽越重，而5月份是春灌后，黃河三角洲入海口地區，地下水埋深普遍較淺，地下徑流不暢，在大水漫灌后地下水位抬升，加之蒸發強烈，地下水中的鹽分隨毛管水上升更易積聚地表，故地下水電導率高低顯著影響土壤表層鹽分含量。

地下水陰離子中，Cl-與土壤鹽分含量的關系密切程度最高，其次為，和與土壤鹽分含量的關系較弱；地下水陽離子中K+和Na+對土壤鹽分含量的貢獻一般較Ca2+和Mg2+大，造成地下水各離子含量與表層土壤鹽分含量關聯度不同的原因可能為，鹽分在土體中上下運動以氯化物最為活躍，硫酸鹽次之，碳酸鹽較穩定，且在黃河入海流路變遷和海水入侵兩大關鍵因素的驅動下，通過混合、蒸發濃縮、溶濾、陽離子交替吸附作用及人類干擾長期作用下，該地區地下水化學成分以Cl-和Na+為主控離子［21］，故Cl-和Na+與土壤表層鹽分含量的相關性較強；pH的關聯度排序較為靠后，說明與土壤表層鹽分含量的關系密切程度較弱，因研究區地下水pH隨時間推移較為穩定，且空間變異性弱，對表層土壤鹽分含量未構成影響。總體而言，土壤表層鹽分含量與EC、Na+、Cl-關系較為密切，與pH、和H之間的關系較弱，由此可見，在防治土壤鹽漬化中，應當加強對地下水電導率、Na+、Cl-的控制與管理，加強管理并采取措施防止海水侵染進一步加劇。

3 結 論

研究區土壤鹽漬化現象較為嚴重，鹽分表聚現象顯著，1 m土體平均處于中度及以上鹽漬化程度；地下水埋深普遍較淺，且5月和8月淺于2月和11月；地下水陽離子以Na+為主，陰離子以Cl-為主；各地下水特征指標與土壤表層鹽分含量的密切程度不同，同一特征指標與土壤表層鹽分含量的密切程度隨時間推移而變化，總體而言，地下水電導率、Na+、Cl-及顯著影響土壤表層鹽分積聚，pH、和H對土壤表層積鹽的影響程度相對較小。

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（責任編輯：盧 萍）

Relationship between Soil Salinization and Groundwater Characteristics in the Yellow River Delta

Lü Zhenzhen1YANG Jingsong2?LIU Guangming2LI Jinbiao2，3LIU Hongqiang2LI Bing2
（1 Institute of Soil Fertilizer and Resource Environment，Jiangxi Academy of Agricultural Sciences，Nanchang 330200，China）
（2 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture，Institute of Soil Science，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，China）
（3 College of Forestry，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）

【Objective】Soil salinization is one of the most important environmental problems that restrict the ecological system and the sustainable development of agriculture in the Yellow River delta.Composed mainly of silt and fine sand the soil is stronger in capillary water action，turning groundwater into the main factor affecting migration，accumulation and release of salt in soil body. To study relationships between soil salinity and groundwater will sure be of important theoretical value and practical significance to amelioration of the saline alkali soil and control of secondary salinization of the soil in the Yellow River Delta.【Method】In order to study the relationship between salt accumulation in topsoil and groundwater characteristics and to monitor in-situ variation of soil salt content and groundwater table in the Yellow River Delta，four sections were laid out and a total of 20 wells set up by taking into full consideration factors like hydrogeological features，soil salinization status，topography，land use and human activities. Groundwater tables in the wells were measured，and water samples from the wells and topsoil（0～15 cm）samples in the locations of the wells were collected in February，May，August and November，2013 for analysis of salt content and characteristics of the groundwater. Groundwater tables were measured，and samples of the groundwater and topsoil（0～15 cm）were collected from the wells and the fields near the wells，separately，in February，May，August，and November 2013，for analysis of soil salt content and characteristics of the groundwater. Grey correlation analysis of the obtained data was performed to quantitatively analyze relationships of groundwater table with EC，pH，and ion content（Ca2+，Mg2+，K+，Na+，，，Cl-and）of the water relative to season.【Result】Results show that soil salt varied in the range of 3.90～6.31 g kg-1in content，in the topsoils and of 2.54～3.44 g kg-1in the subsoil both belonging to the category of medium or higher in salinization degree；Groundwater tables were all rather high，fluctuating in the range of 1.16～1.71 m；and the anion in the groundwater was dominated with Cl-，while the cation with Na+，accounting in total for 65% of the total of ions. Correlation analysis shows that the relationships of the groundwater characteristics with salt content in the topsoil varied from index characteristics and with time as well. On the whole，salt accumulation in the surface soil was closely related to EC，Na+and Cl-in the groundwater，but not so to pH，and.【Conclusion】To control and manage soil salinization in the Yellow River Delta，it is essential to intensify control of EC，Na+and Cl-in the groundwater of the region.

Yellow River Delta；Soil salinization；Groundwater；Grey correlation analysis

S156.4

A

10.11766/trxb201701160401

* 國家重點研發計劃項目（2016YFD0200303，2016YFC0501309）、中國科學院科技服務網絡計劃（STS計劃）項目（KFJSW-STS-141-2）和江蘇省農業科技自主創新資金項目（CX（15）1005）資助 Supported by the National Key R amp; D Projects of China（Nos. 2016YFD0200303，2016YFC0501309），the Science and Technology Service Network（STS）Projectof the Chinese Academy of Science and Technology（No. KFJ-SW-STS-141-2），the Jiangsu Provincial Agricultural Science and Technology Innovation Fund Project（No. CX（15）1005）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：jsyang@issas.ac.cn

呂真真（1987—），女，山東菏澤人，博士，助理研究員，主要從事土壤鹽漬化防控管理與鹽漬土資源利用方面的研究。E-mail：lvzhenzhen808@163.com

2017-01-16；

2017-05-08；優先數字出版日期（www.cnki.net）：2017-06-27