灘涂區不同圍墾年限土壤總鹽及鹽基離子含量變化規律

張 明，高 超，尹愛經，鮑征宇，陳國光，梁曉紅，雍太健，朱意萍，周 墨

（1. 中國地質大學（武漢），地球科學學院，武漢 430074；2. 中國地質調查局南京地質調查中心，南京 210016；3. 南京大學地理與海洋學院，南京 210023；4. 江蘇省農業科學院，南京 210014）

0 引 言

中國海岸線長，灘涂面積較大，是重要后備土地資源之一[1-3]。自古以來中國就有圍海造田的歷史，尤其是建國以來，人口眾多土地資源緊張的背景下，大面積的灘涂圍墾作為一種緩解土地資源緊張的開發方式尤為重要[2]，江蘇沿海灘涂資源豐富，是中國沿海灘涂面積最大省份，約占中國灘涂 1/4的面積[4]，但是蘇北灘涂鹽漬化問題仍然是制約其開發利用主要障礙因子之一[5]。因此查明灘涂圍墾區鹽堿現狀和鹽基離子組成對于圍海造田和提高土地質量有著重要意義[6-7]。前人對于土壤鹽基離子的研究多聚焦在人類活動影響下的土壤鹽基離子空間分布特征[8-18]、土壤鹽基離子對植物生長的影響[19-20]、不同植被條件下的土壤鹽基離子的變化[21]、土壤鹽堿化的生態風險[5,22]、土壤含鹽量與其蒸發量[23]和地下水的關系[24]、鹽堿地改良的方法[25-27]、不同時期灘涂圍墾區鹽基離子垂向變化[28]等方面。而對圍墾過程中土壤理化性質變化對土壤鹽基離子影響研究較少，本文從圍墾過程不同圍墾時期土壤理化性質特征和鹽基離子特征入手，重點分析土壤理化性質變化與鹽基離子關系。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于 30°00′～33°30′N 和 120°30′～121°00″E（圖 1）。該區南至川東河，西至老海堤公路西側，呈規則的條帶狀，長軸沿南北方向展布。研究區中部現為大豐港區，北部有中國著名的丹頂鶴自然保護區，南部有麋鹿自然保護區。屬海積沖積平原海岸，為淤泥質平原海岸的典型代表。研究區內地形寬闊平坦，總體呈現南高北低，東高西低，中部老斗龍港兩側為槽型洼地，寬3～6 km，從西南向東北縱貫全市。區內河流發育，溝河縱橫，眾多港汊。

1.2 采樣方案

本次研究以《大豐縣志》、《大豐市志》記錄的圍墾變遷為基礎，結合遙感解譯和實地調查課題組取得了大豐工作區近100 a來海堤修筑圍墾的主要時段，根據圍墾時間將研究區劃分為5個子區，由老至新分別為：Ⅴ區為圍墾90 a左右區域，即1917年公司堤以西地區，土地利用方式為農田；Ⅳ區為圍墾60 a左右，即公司堤以東和二線海堤以西所圍地區，土地利用方式為農田；Ⅲ區為圍墾30～60 a左右，即二線海堤以東和一線海堤以西所圍地區，土地利用方式有農田、魚塘和荒地；Ⅱ區為圍墾10 a左右的地區，即一線海堤以東和新筑海堤以西所圍地區，土地利用方式有魚塘、荒地；Ⅰ區為潮間帶未圍墾區，即新筑海堤以東地區。

圖1 研究區位置和樣點分布圖Fig.1 Location of study area and sample sites

綜合考慮 5個分區面積、土地利用方式等因素基礎上布設采樣點共計241個，其中Ⅰ區27個，Ⅱ區19個，Ⅲ區45個，Ⅳ區45個，Ⅴ區60個。按照規范要求[29]樣品采集用GPS定位，用采樣器均勻采集0～20 cm表層灘涂沉積物（土壤），同時去除石塊、貝殼等雜物，樣品濕質量大于3 000 kg[30]。

1.3 分析測試

土壤含鹽量及無機離子測定時，采用1∶5土水比混合，振蕩 5 min后過濾得到上層清液，隨之測定待測液pH及電導率。用烘干法測定總土壤含鹽量質量分數，Na+、K+用火焰光度法測定，CO32–，HCO3–用標準 HCl滴定法測定，Mg2+、Ca2+及 SO42–用 EDTA 絡合滴定法測定，Cl–用標準AgNO3滴定法測定[31]，共分析了120件，其中Ⅰ區15件，Ⅱ區18件，Ⅲ區23件，Ⅳ區26件，Ⅴ區38件。

土壤及沉積物粒度的測定采用比重計法[31]。該方法采用的原理是：對于大于0.25 mm的砂粒，利用過篩法分離，小于0.25 mm的土壤樣品經物理、化學方法處理成懸浮液后，放入1 L量筒定容，根據司篤克斯定律，土壤顆粒沉降不同時間后，利用比重計直接讀出每升懸液中不同粒徑顆粒的含量，經溫度、分散劑矯正后得出結果，并且計算出其百分含量，從而確定土壤質地。本次試驗設置1 min、5 min、27 min、1 h 55 min和8 h共5個時間點進行比重計讀數，對應的粒徑分別為0.05、0.02、0.01、0.005和0.002 mm。試驗過程保持恒溫19 ℃。分析測試241件。

有機質樣品在自然條件下風干，每件樣品過0.841 mm尼龍篩[29]，樣品分析采用多目標區域地球化學規定的分析方法及質量監控方案[32]。分析測試241件。

土壤含鹽量、鹽基離子和粒度由南京大學地理與海洋科學學院水土動力實驗室完成，有機質由國土資源部合肥礦產資源監督檢測中心完成。

1.4 數據處理與分析

全部數據處理借助軟件 Excel2010和 SPSS19.0。運用了描述性統計對鹽分含量、鹽基離子、有機質、粒度等含量變化特征進行了評價，運用相關性分析、因子分析等方法對鹽機離子的變化及其與土壤理化指標之間關系進行了分析。

2 結果與討論

2.1 土壤含鹽量及鹽基離子含量變化特征

表 1顯示Ⅰ區至Ⅴ區隨著圍墾年限增加，土壤含鹽量明顯降低。Ⅰ區未圍墾灘涂區土壤含鹽量范圍 0.51～13.10 g/kg，平均質量分數為7.57 g/kg，Ⅱ區圍墾10 a左右灘涂區土壤含鹽量范圍1.15～29.31 g/kg，平均質量分數為6.96 g/kg，Ⅲ區圍墾30 a左右灘涂區土壤含鹽量范圍0.23～8.31 g/kg，平均質量分數為1.46 g/kg，Ⅳ區圍墾60 a左右灘涂區土壤含鹽量范圍0.15～1.48 g/kg，平均質量分數為0.61 g/kg，Ⅴ區圍墾90 a左右灘涂區土壤含鹽量范圍0.12～1.98 g/kg，平均質量分數為0.12g /kg。從土壤含鹽量變化可以看出在Ⅲ區（圍墾30 a左右）含量明顯降低，到Ⅳ～Ⅴ區平均含鹽量小于1 g/kg[33]，基本完成了脫鹽。

表1顯示隨著土壤含鹽量的逐漸減少，各類鹽基離子含量也逐漸減小，其所占的比例也發生變化。在陰離子中Cl–所占比例逐漸減少，SO42–和 HCO3–所占比例逐漸增加，在Ⅰ～Ⅲ區 Cl–＞SO42–＞HCO3–，在Ⅳ區 SO42–＞Cl–＞ HCO3–，在Ⅴ區 SO42–＞HCO3–＞Cl–。在陽離子中 Na+所占比例逐漸減少，Ca2+、Mg2+所占比例逐漸增加。陰離子含量陽離子含量在Ⅰ～Ⅱ區 Na+＞Mg2+＞Ca2+＞K+，在Ⅲ區 Na+＞Ca2+＞Mg2+＞K+，在Ⅳ～Ⅴ區 Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K+。除在Ⅱ區由于其圍墾后利用方式造成了 Ca2+、Mg2+含量有所增加[34]鹽基離子含量總體趨勢是隨著脫鹽過程含量逐漸變小，該結果與陳巍等[35]得出的在脫鹽過程中 HCO3–有所升高和含鹽量小于1 g/kg后K+、Mg2+、Ca2+有所增加趨勢略有不同。

表1 不同圍墾年限灘涂區土壤含鹽量統計分析Table 1 Statistical analysis of soil salinity in different coastal flats inning

2.2 鹽漬化變化特征

依據土壤鹽漬化和土壤鹽漬化類型劃分標準[33,36]對研究區采樣點進行了鹽漬化分類，結果顯示研究區70件樣品為非鹽化土，17件樣品輕度鹽化土，8件樣品中度鹽化土，20件樣品重度鹽化土，5件樣品為鹽土；其中24件樣品為氯化物型鹽漬化，31件樣品為硫酸鹽-氯化物型鹽漬化，25件樣品氯化物-硫酸鹽型鹽漬化，40件為硫酸鹽型鹽漬化。

Ⅰ區15件樣品中有11件為重度鹽化土、3件為鹽土，只有 1件位于河口濕地內樣品為非鹽化土，其 Cl–/SO42–比值都大于1，其中14件比重大于4，鹽漬化類型以氯化物型為主。Ⅱ區18件樣品中有2件為鹽土，8件為重度鹽化土，6件為中度鹽化土，2件為輕度鹽化土，其Cl–/SO42–比值大于1的有13件，其中9件比值大于4，比值小于1有6件，鹽漬化類型以氯化物型和硫酸鹽-氯化物型為主。Ⅲ區23件樣品中1件為重度鹽化土，2件為中度鹽化土，9件為輕度鹽化土，11件為非鹽化土，其Cl–/SO42–比值大于1的有13件，其中只有1件比值大于4，比值小于1有10件，鹽漬化類型以硫酸鹽-氯化物型為主。Ⅳ區26件樣品中只有4件為輕度鹽化土，22件為非鹽化土，其Cl–/SO42–比值大于1的有7件，小于19件，鹽漬化類型以硫酸鹽型為主。Ⅴ區38件樣品中只有2件為輕度鹽化土，36件為非鹽化土，其中其Cl–/SO42–比值大于1的有8件，小于1的有30件，鹽漬化類型以硫酸鹽型為主。

從上述分析可以看出隨著圍墾年限的增加，土壤鹽漬化的程度在降低，鹽漬化類型也發生了改變，即以氯化物型為主→硫酸鹽-氯化物型為主→硫酸鹽為主。

2.3 鹽基離子相互關系及組合變化特征

研究區土壤含鹽量與鹽基離子相關性分析顯示(表2)在研究區土壤含鹽量與鹽基離子中Cl–、Na+、K+、Mg2+、SO42–達到顯著正相關（P＜0.01），而與 HCO3–、Ca2+呈現正相關但不顯著，說明研究區土壤含鹽量變化主要與Cl–、Na+、K+、Mg2+等鹽基離子含量高低有密切關系，特別是土壤含鹽量與Cl–、Na+呈現良好線性關系（圖2a、圖2b）。鹽基離子之間存在不同相關性其中Cl–與Na+、K+、Mg2+、SO42–達到顯著相關（P＜0.01）；SO42–與 Ca2+、Mg2+、Cl-、Na+、K+都呈現顯著相關性（P＜0.01）；HCO3–只與 K+呈現（P＜0.05）顯著相關，與其他鹽基離子相關較弱。

表2 土壤含鹽量與鹽基離子相關性Table 2 Correlation between soil salinity and salt ions

不同圍墾年限土壤含鹽量與鹽基離子相關分析顯示（表 3）Ⅰ區土壤含鹽量與 Cl–、Na+、K+、Mg2+、SO42–達到顯著正相關（P＜0.01），而與 HCO3–、Ca2+呈現較弱正相關，結合各鹽基離子在Ⅰ區含量，得出在Ⅰ區土壤含鹽量含量是由Cl-、Na+等鹽基離子含量起主導作用，其他鹽基離子作用相對較弱。Ⅱ區土壤含鹽量與 Cl–、Na+、K+、Mg2+達到顯著正相關（P＜0.01），而與 HCO3–、Ca2+呈現負相關，與 SO42–呈現較弱正相關，結合各鹽基離子在Ⅱ區含量，得出在Ⅱ區土壤含鹽量含量是由 Cl–、Na+等鹽基離子含量起主導作用。Ⅲ區土壤含鹽量與Cl–、Na+、K+、Mg2+、SO42–達到顯著正相關（P＜0.01），而與 HCO3–、呈現較弱負相關，Ca2+呈現較正負相關，結合各鹽基離子在Ⅲ區含量，得出在Ⅲ區土壤含鹽量含量是由 Cl–、Na+等鹽基離子含量起主導作用。Ⅳ區土壤含鹽量與Cl–、Na+、K+達到顯著正相關（P＜0.01），而與 HCO3–、SO42–、Ca2+、Mg2+呈現負相關，結合各鹽基離子在Ⅳ區含量，得出在Ⅳ區土壤含鹽量含量是由 Cl–、Na+等鹽基離子含量起主要作用，SO42–、Ca2+作用明顯加強。Ⅴ區土壤含鹽量與Cl–、Na+、Ca2+達到顯著正相關（P＜0.01），與 SO42–、Mg2+達到顯著正相關（P＜0.05），而與 HCO3–、K+呈現較弱正相關，結合各鹽基離子在Ⅴ區含量，得出在Ⅴ區土壤含鹽量含量是由 SO42–、Ca2+、Mg2+、Cl–、Na+等鹽基離子含量起主要作用，其中SO42–、Ca2+等其主導作用。

圖2 土壤含鹽量與Cl–、Na+含量關系Fig.2 Correlations between soil salinity and concentrations of Cl– and Na+

表3 不同圍墾年限灘涂區土壤含鹽量與鹽基離子相關性Table 3 Correlation between soil salinity and salt ions in different coastal flats inning

通過主成分分析和方差極大正交旋轉，獲得研究區不同分區鹽基離子3個主因子上載荷（表4），前3～5個主因子已大于變量相關性總信息的 90%。得到變量因子組合特征如下（以因子載荷絕對值大于0.5的入選，由大到小排列）。

Ⅰ區土壤鹽離子F1因子貢獻率占總貢獻率52.944%，遠遠高于其他因子，因此該因子對Ⅰ區土壤含鹽量多少和類型具有決定作用；Ⅱ區、Ⅲ區土壤鹽離子F1因子貢獻率分別占總貢獻率49.265%、48.003%，仍然遠遠高于其他因子，對Ⅱ區、Ⅲ區土壤含鹽量多少和類型具有決定作用，但是其他因子貢獻率在逐漸增加，對土壤含量多少和類型影響加大。Ⅳ區土壤鹽離子F1因子貢獻率雖然大于其他因子貢獻率，但已經沒有明顯優勢，其他因子貢獻率大小相差不大，這說明Ⅳ區土壤含鹽量多少和類型已不是F1因子起決定作用，而是所有因子共同作用結果。Ⅴ區土壤鹽離子F1因子與F2因子貢獻率基本一致，其他3個因子貢獻率也基本一致，這進一步說明在Ⅴ區F1因子作用進一步弱化，其他因子貢獻率進一步提高。

表4 鹽基離子因子載荷Table 4 Factor loading of salt ions

因子分析可以看出從Ⅰ區～Ⅴ區隨著圍墾年限增加因子組合特征發生著變化，其中Na+、Cl-為代表的F1因子貢獻率逐漸降低，而其他鹽基離子貢獻率在逐漸增加，特別是SO42–、Ca2+貢獻率明顯增加。

相關分析和因子分析揭示在脫鹽過程中土壤含鹽量類型也在發生變化[37]，從在Ⅰ區潮灘沉積物土壤含鹽量類型為Cl–Na型。Ⅱ區土壤含鹽量主要類型為Cl-Na型，還有部分為SO4–（Ca、Mg）型，其中SO4-Ca型多為魚塘沉積物，含鹽量較低。Ⅲ區土壤含鹽量類型有 Cl-Na型、SO4–（Ca、Mg）型及多種離子混合型。Ⅳ區主要土壤含鹽量類型為（SO4、HCO3、Cl）-Ca型，Ⅴ區主要土壤含鹽量類型有（SO4、HCO3）-Ca型，還有部分Cl–Ca型、（HCO3、Cl）-Ca型[34]，這與陳巍等[35]研究脫鹽過程中鹽基離子組成變化規律相一致。

2.4 土壤電導率、酸堿度與鹽基離子相關關系

表5顯示研究區土壤電導率與土壤含鹽量、Cl–、Na+、K+、Mg2+都呈現顯著正相關（P＜0.01），特別是電導率與土壤含鹽量、Cl–、Na+相關系數都大于0.99，呈現出明顯線性關系（圖3a、圖3b），這與前人關于土壤電導率和鹽分、鹽基離子結果相一致[38-39]。

表5 土壤電導率、pH與鹽分相關性Table 5 Correlation between soil salinity and electrical conductivity、pH

圖3 土壤電導率與鹽分、Cl–含量關系Fig.3 Correlation between electrical conductivity and concentration of salinity and Cl–

表5顯示研究區土壤pH與土壤含鹽量、Cl–、Na+、K+、Mg2+都呈現顯著正相關（P＜0.01），與 HCO3–呈現顯著正相關（P＜0.05），與 Ca2+都呈現顯著負相關（P＜0.01），與Mg2+、SO42–相關性不顯著。從上述分析得出研究區pH降低與圍墾過程中土壤含鹽量和 Cl–、Na+、K+、Mg2+、HCO3–等鹽基離子減少有著密切關系[40]，這與前人得出的圍墾初期由于 Ca2+、Na+、Cl–離子含量降低，HCO3–、Mg2+離子增加引起現短暫pH值上升[35,41]結論略有不同，在本次研究中未發現圍墾初期短暫pH值上升現象。圍墾后土壤pH值明顯小于潮灘的pH值，這是與人類活動和土壤改良也使的離子含量及組成發生變化有關[42-43]，這與因子分析中隨著圍墾年限增加鹽基離子和組合特征發生變化結論一致。

2.5 土壤含鹽量變化的影響因素分析

表 6呈現出了研究區不同圍墾年限土壤有機質和土壤機械組成變化規律，圍墾后的區域土壤有機質含量明顯高于潮間帶灘涂區沉積物有機質的含量，并隨著圍墾年限的增加，有機質含量逐漸增加，這與前人研究的結論相一致[44-47]，這主要因為圍墾后土地利用方式發生了變化，大量研究表明土地利用方式變化對有機質變化有著顯著影響[48-49]，工業、農業、林地用地有機質含量明顯高于濕地[49]，耕作土有機質含量高于光灘[50]。

表 6呈現出研究區土壤機械組成也隨著圍墾年限不同發生變化，圍墾后土地利用方式及利用年限對土壤粒度有顯著的影響[51-52]，風化作用粒徑減小，土壤平均粒徑度相應減小[53]，總體呈現出細粒級含量增加，粗粒級含量減少。表 7顯示研究區黏粒與土壤含鹽量、Cl–、HCO3–、Na+、K+呈現顯著正相關（P＜0.01），與其他鹽基離子相關性不顯著；粉砂粒與土壤含鹽量、Cl–、Mg2+、Na+、K+呈現顯著負相關（P＜0.01），與其他鹽基離子相關性不顯著；砂粒與土壤含鹽量總量、Cl–、Mg2+、Na+、K+呈現顯著正相關（P＜0.01），與其他鹽基離子相關性不顯著。研究區粒度呈現出砂粒含量逐漸減少，粉砂粒含量逐漸增加，而黏粒含量呈現出先減少后增加現象，這也促進了研究區土壤在圍墾后脫鹽進程。

表6 不同圍墾區土壤理化指標統計分析Table 6 Statistical analysis of soil physicochemical indices in different coastal flats inning

表7顯示研究區有機質與土壤含鹽量總量、Cl–、Na+、K+呈現顯著負相關（P＜0.01），與 HCO3–、Mg2+呈現顯著負相關（P＜0.005），與Ca2+、SO42–相關性不顯著。這也說明隨著圍墾年限增加和人為干預土地利用活動增強，有機質含量增加有利于圍墾區域土壤脫鹽進程加快。

表7 土壤有機質、粒度與鹽分相關性Table 7 Correlation between soil salinity and Organic matter, granularity

3 結 論

1）隨著圍墾年限增加土壤含鹽量及鹽基離子含量逐漸降低，圍墾到60 a左右土壤含量平均值低于1 g/kg，基本完成脫鹽過程，并且鹽漬化類型由氯化物型為主轉變成硫酸鹽型為主。

2）隨著脫鹽過程進行，鹽基離子之間相關關系和組合特征發生了明顯變化，從初期以 Cl–、Na+作為主控因子，到圍墾后期以SO42–、Ca2+為主控因子。

3）圍墾過程鹽基離子減少與土壤pH值降低有這良好相關性，說明圍墾過程中鹽基離子變化是影響土壤酸堿度變化原因之一。

4）土壤電導率與含鹽量間存在極顯著正相關關系，說明在沿海地區可以通過測定土壤電導率來估算土壤含鹽量。

5）圍墾年限增加和土地利用人為干預增強，使土壤有機質增加、土壤粒徑減小，從而加速了土壤脫鹽進程。

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