滩涂区不同围垦年限土壤总盐及盐基离子含量变化规律

张 明，高 超，尹爱经，鲍征宇，陈国光，梁晓红，雍太健，朱意萍，周 墨

（1. 中国地质大学（武汉），地球科学学院，武汉 430074；2. 中国地质调查局南京地质调查中心，南京 210016；3. 南京大学地理与海洋学院，南京 210023；4. 江苏省农业科学院，南京 210014）

0 引 言

中国海岸线长，滩涂面积较大，是重要后备土地资源之一[1-3]。自古以来中国就有围海造田的历史，尤其是建国以来，人口众多土地资源紧张的背景下，大面积的滩涂围垦作为一种缓解土地资源紧张的开发方式尤为重要[2]，江苏沿海滩涂资源丰富，是中国沿海滩涂面积最大省份，约占中国滩涂 1/4的面积[4]，但是苏北滩涂盐渍化问题仍然是制约其开发利用主要障碍因子之一[5]。因此查明滩涂围垦区盐碱现状和盐基离子组成对于围海造田和提高土地质量有着重要意义[6-7]。前人对于土壤盐基离子的研究多聚焦在人类活动影响下的土壤盐基离子空间分布特征[8-18]、土壤盐基离子对植物生长的影响[19-20]、不同植被条件下的土壤盐基离子的变化[21]、土壤盐碱化的生态风险[5,22]、土壤含盐量与其蒸发量[23]和地下水的关系[24]、盐碱地改良的方法[25-27]、不同时期滩涂围垦区盐基离子垂向变化[28]等方面。而对围垦过程中土壤理化性质变化对土壤盐基离子影响研究较少，本文从围垦过程不同围垦时期土壤理化性质特征和盐基离子特征入手，重点分析土壤理化性质变化与盐基离子关系。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于 30°00′～33°30′N 和 120°30′～121°00″E（图 1）。该区南至川东河，西至老海堤公路西侧，呈规则的条带状，长轴沿南北方向展布。研究区中部现为大丰港区，北部有中国著名的丹顶鹤自然保护区，南部有麋鹿自然保护区。属海积冲积平原海岸，为淤泥质平原海岸的典型代表。研究区内地形宽阔平坦，总体呈现南高北低，东高西低，中部老斗龙港两侧为槽型洼地，宽3～6 km，从西南向东北纵贯全市。区内河流发育，沟河纵横，众多港汊。

1.2 采样方案

本次研究以《大丰县志》、《大丰市志》记录的围垦变迁为基础，结合遥感解译和实地调查课题组取得了大丰工作区近100 a来海堤修筑围垦的主要时段，根据围垦时间将研究区划分为5个子区，由老至新分别为：Ⅴ区为围垦90 a左右区域，即1917年公司堤以西地区，土地利用方式为农田；Ⅳ区为围垦60 a左右，即公司堤以东和二线海堤以西所围地区，土地利用方式为农田；Ⅲ区为围垦30～60 a左右，即二线海堤以东和一线海堤以西所围地区，土地利用方式有农田、鱼塘和荒地；Ⅱ区为围垦10 a左右的地区，即一线海堤以东和新筑海堤以西所围地区，土地利用方式有鱼塘、荒地；Ⅰ区为潮间带未围垦区，即新筑海堤以东地区。

图1 研究区位置和样点分布图Fig.1 Location of study area and sample sites

综合考虑 5个分区面积、土地利用方式等因素基础上布设采样点共计241个，其中Ⅰ区27个，Ⅱ区19个，Ⅲ区45个，Ⅳ区45个，Ⅴ区60个。按照规范要求[29]样品采集用GPS定位，用采样器均匀采集0～20 cm表层滩涂沉积物（土壤），同时去除石块、贝壳等杂物，样品湿质量大于3 000 kg[30]。

1.3 分析测试

土壤含盐量及无机离子测定时，采用1∶5土水比混合，振荡 5 min后过滤得到上层清液，随之测定待测液pH及电导率。用烘干法测定总土壤含盐量质量分数，Na+、K+用火焰光度法测定，CO32–，HCO3–用标准 HCl滴定法测定，Mg2+、Ca2+及 SO42–用 EDTA 络合滴定法测定，Cl–用标准AgNO3滴定法测定[31]，共分析了120件，其中Ⅰ区15件，Ⅱ区18件，Ⅲ区23件，Ⅳ区26件，Ⅴ区38件。

土壤及沉积物粒度的测定采用比重计法[31]。该方法采用的原理是：对于大于0.25 mm的砂粒，利用过筛法分离，小于0.25 mm的土壤样品经物理、化学方法处理成悬浮液后，放入1 L量筒定容，根据司笃克斯定律，土壤颗粒沉降不同时间后，利用比重计直接读出每升悬液中不同粒径颗粒的含量，经温度、分散剂矫正后得出结果，并且计算出其百分含量，从而确定土壤质地。本次试验设置1 min、5 min、27 min、1 h 55 min和8 h共5个时间点进行比重计读数，对应的粒径分别为0.05、0.02、0.01、0.005和0.002 mm。试验过程保持恒温19 ℃。分析测试241件。

有机质样品在自然条件下风干，每件样品过0.841 mm尼龙筛[29]，样品分析采用多目标区域地球化学规定的分析方法及质量监控方案[32]。分析测试241件。

土壤含盐量、盐基离子和粒度由南京大学地理与海洋科学学院水土动力实验室完成，有机质由国土资源部合肥矿产资源监督检测中心完成。

1.4 数据处理与分析

全部数据处理借助软件 Excel2010和 SPSS19.0。运用了描述性统计对盐分含量、盐基离子、有机质、粒度等含量变化特征进行了评价，运用相关性分析、因子分析等方法对盐机离子的变化及其与土壤理化指标之间关系进行了分析。

2 结果与讨论

2.1 土壤含盐量及盐基离子含量变化特征

表 1显示Ⅰ区至Ⅴ区随着围垦年限增加，土壤含盐量明显降低。Ⅰ区未围垦滩涂区土壤含盐量范围 0.51～13.10 g/kg，平均质量分数为7.57 g/kg，Ⅱ区围垦10 a左右滩涂区土壤含盐量范围1.15～29.31 g/kg，平均质量分数为6.96 g/kg，Ⅲ区围垦30 a左右滩涂区土壤含盐量范围0.23～8.31 g/kg，平均质量分数为1.46 g/kg，Ⅳ区围垦60 a左右滩涂区土壤含盐量范围0.15～1.48 g/kg，平均质量分数为0.61 g/kg，Ⅴ区围垦90 a左右滩涂区土壤含盐量范围0.12～1.98 g/kg，平均质量分数为0.12g /kg。从土壤含盐量变化可以看出在Ⅲ区（围垦30 a左右）含量明显降低，到Ⅳ～Ⅴ区平均含盐量小于1 g/kg[33]，基本完成了脱盐。

表1显示随着土壤含盐量的逐渐减少，各类盐基离子含量也逐渐减小，其所占的比例也发生变化。在阴离子中Cl–所占比例逐渐减少，SO42–和 HCO3–所占比例逐渐增加，在Ⅰ～Ⅲ区 Cl–＞SO42–＞HCO3–，在Ⅳ区 SO42–＞Cl–＞ HCO3–，在Ⅴ区 SO42–＞HCO3–＞Cl–。在阳离子中 Na+所占比例逐渐减少，Ca2+、Mg2+所占比例逐渐增加。阴离子含量阳离子含量在Ⅰ～Ⅱ区 Na+＞Mg2+＞Ca2+＞K+，在Ⅲ区 Na+＞Ca2+＞Mg2+＞K+，在Ⅳ～Ⅴ区 Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K+。除在Ⅱ区由于其围垦后利用方式造成了 Ca2+、Mg2+含量有所增加[34]盐基离子含量总体趋势是随着脱盐过程含量逐渐变小，该结果与陈巍等[35]得出的在脱盐过程中 HCO3–有所升高和含盐量小于1 g/kg后K+、Mg2+、Ca2+有所增加趋势略有不同。

表1 不同围垦年限滩涂区土壤含盐量统计分析Table 1 Statistical analysis of soil salinity in different coastal flats inning

2.2 盐渍化变化特征

依据土壤盐渍化和土壤盐渍化类型划分标准[33,36]对研究区采样点进行了盐渍化分类，结果显示研究区70件样品为非盐化土，17件样品轻度盐化土，8件样品中度盐化土，20件样品重度盐化土，5件样品为盐土；其中24件样品为氯化物型盐渍化，31件样品为硫酸盐-氯化物型盐渍化，25件样品氯化物-硫酸盐型盐渍化，40件为硫酸盐型盐渍化。

Ⅰ区15件样品中有11件为重度盐化土、3件为盐土，只有 1件位于河口湿地内样品为非盐化土，其 Cl–/SO42–比值都大于1，其中14件比重大于4，盐渍化类型以氯化物型为主。Ⅱ区18件样品中有2件为盐土，8件为重度盐化土，6件为中度盐化土，2件为轻度盐化土，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，盐渍化类型以氯化物型和硫酸盐-氯化物型为主。Ⅲ区23件样品中1件为重度盐化土，2件为中度盐化土，9件为轻度盐化土，11件为非盐化土，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，盐渍化类型以硫酸盐-氯化物型为主。Ⅳ区26件样品中只有4件为轻度盐化土，22件为非盐化土，其Cl–/SO42–比值大于1的有7件，小于19件，盐渍化类型以硫酸盐型为主。Ⅴ区38件样品中只有2件为轻度盐化土，36件为非盐化土，其中其Cl–/SO42–比值大于1的有8件，小于1的有30件，盐渍化类型以硫酸盐型为主。

从上述分析可以看出随着围垦年限的增加，土壤盐渍化的程度在降低，盐渍化类型也发生了改变，即以氯化物型为主→硫酸盐-氯化物型为主→硫酸盐为主。

2.3 盐基离子相互关系及组合变化特征

研究区土壤含盐量与盐基离子相关性分析显示(表2)在研究区土壤含盐量与盐基离子中Cl–、Na+、K+、Mg2+、SO42–达到显著正相关（P＜0.01），而与 HCO3–、Ca2+呈现正相关但不显著，说明研究区土壤含盐量变化主要与Cl–、Na+、K+、Mg2+等盐基离子含量高低有密切关系，特别是土壤含盐量与Cl–、Na+呈现良好线性关系（图2a、图2b）。盐基离子之间存在不同相关性其中Cl–与Na+、K+、Mg2+、SO42–达到显著相关（P＜0.01）；SO42–与 Ca2+、Mg2+、Cl-、Na+、K+都呈现显著相关性（P＜0.01）；HCO3–只与 K+呈现（P＜0.05）显著相关，与其他盐基离子相关较弱。

表2 土壤含盐量与盐基离子相关性Table 2 Correlation between soil salinity and salt ions

不同围垦年限土壤含盐量与盐基离子相关分析显示（表 3）Ⅰ区土壤含盐量与 Cl–、Na+、K+、Mg2+、SO42–达到显著正相关（P＜0.01），而与 HCO3–、Ca2+呈现较弱正相关，结合各盐基离子在Ⅰ区含量，得出在Ⅰ区土壤含盐量含量是由Cl-、Na+等盐基离子含量起主导作用，其他盐基离子作用相对较弱。Ⅱ区土壤含盐量与 Cl–、Na+、K+、Mg2+达到显著正相关（P＜0.01），而与 HCO3–、Ca2+呈现负相关，与 SO42–呈现较弱正相关，结合各盐基离子在Ⅱ区含量，得出在Ⅱ区土壤含盐量含量是由 Cl–、Na+等盐基离子含量起主导作用。Ⅲ区土壤含盐量与Cl–、Na+、K+、Mg2+、SO42–达到显著正相关（P＜0.01），而与 HCO3–、呈现较弱负相关，Ca2+呈现较正负相关，结合各盐基离子在Ⅲ区含量，得出在Ⅲ区土壤含盐量含量是由 Cl–、Na+等盐基离子含量起主导作用。Ⅳ区土壤含盐量与Cl–、Na+、K+达到显著正相关（P＜0.01），而与 HCO3–、SO42–、Ca2+、Mg2+呈现负相关，结合各盐基离子在Ⅳ区含量，得出在Ⅳ区土壤含盐量含量是由 Cl–、Na+等盐基离子含量起主要作用，SO42–、Ca2+作用明显加强。Ⅴ区土壤含盐量与Cl–、Na+、Ca2+达到显著正相关（P＜0.01），与 SO42–、Mg2+达到显著正相关（P＜0.05），而与 HCO3–、K+呈现较弱正相关，结合各盐基离子在Ⅴ区含量，得出在Ⅴ区土壤含盐量含量是由 SO42–、Ca2+、Mg2+、Cl–、Na+等盐基离子含量起主要作用，其中SO42–、Ca2+等其主导作用。

图2 土壤含盐量与Cl–、Na+含量关系Fig.2 Correlations between soil salinity and concentrations of Cl– and Na+

表3 不同围垦年限滩涂区土壤含盐量与盐基离子相关性Table 3 Correlation between soil salinity and salt ions in different coastal flats inning

通过主成分分析和方差极大正交旋转，获得研究区不同分区盐基离子3个主因子上载荷（表4），前3～5个主因子已大于变量相关性总信息的 90%。得到变量因子组合特征如下（以因子载荷绝对值大于0.5的入选，由大到小排列）。

Ⅰ区土壤盐离子F1因子贡献率占总贡献率52.944%，远远高于其他因子，因此该因子对Ⅰ区土壤含盐量多少和类型具有决定作用；Ⅱ区、Ⅲ区土壤盐离子F1因子贡献率分别占总贡献率49.265%、48.003%，仍然远远高于其他因子，对Ⅱ区、Ⅲ区土壤含盐量多少和类型具有决定作用，但是其他因子贡献率在逐渐增加，对土壤含量多少和类型影响加大。Ⅳ区土壤盐离子F1因子贡献率虽然大于其他因子贡献率，但已经没有明显优势，其他因子贡献率大小相差不大，这说明Ⅳ区土壤含盐量多少和类型已不是F1因子起决定作用，而是所有因子共同作用结果。Ⅴ区土壤盐离子F1因子与F2因子贡献率基本一致，其他3个因子贡献率也基本一致，这进一步说明在Ⅴ区F1因子作用进一步弱化，其他因子贡献率进一步提高。

表4 盐基离子因子载荷Table 4 Factor loading of salt ions

因子分析可以看出从Ⅰ区～Ⅴ区随着围垦年限增加因子组合特征发生着变化，其中Na+、Cl-为代表的F1因子贡献率逐渐降低，而其他盐基离子贡献率在逐渐增加，特别是SO42–、Ca2+贡献率明显增加。

相关分析和因子分析揭示在脱盐过程中土壤含盐量类型也在发生变化[37]，从在Ⅰ区潮滩沉积物土壤含盐量类型为Cl–Na型。Ⅱ区土壤含盐量主要类型为Cl-Na型，还有部分为SO4–（Ca、Mg）型，其中SO4-Ca型多为鱼塘沉积物，含盐量较低。Ⅲ区土壤含盐量类型有 Cl-Na型、SO4–（Ca、Mg）型及多种离子混合型。Ⅳ区主要土壤含盐量类型为（SO4、HCO3、Cl）-Ca型，Ⅴ区主要土壤含盐量类型有（SO4、HCO3）-Ca型，还有部分Cl–Ca型、（HCO3、Cl）-Ca型[34]，这与陈巍等[35]研究脱盐过程中盐基离子组成变化规律相一致。

2.4 土壤电导率、酸碱度与盐基离子相关关系

表5显示研究区土壤电导率与土壤含盐量、Cl–、Na+、K+、Mg2+都呈现显著正相关（P＜0.01），特别是电导率与土壤含盐量、Cl–、Na+相关系数都大于0.99，呈现出明显线性关系（图3a、图3b），这与前人关于土壤电导率和盐分、盐基离子结果相一致[38-39]。

表5 土壤电导率、pH与盐分相关性Table 5 Correlation between soil salinity and electrical conductivity、pH

图3 土壤电导率与盐分、Cl–含量关系Fig.3 Correlation between electrical conductivity and concentration of salinity and Cl–

表5显示研究区土壤pH与土壤含盐量、Cl–、Na+、K+、Mg2+都呈现显著正相关（P＜0.01），与 HCO3–呈现显著正相关（P＜0.05），与 Ca2+都呈现显著负相关（P＜0.01），与Mg2+、SO42–相关性不显著。从上述分析得出研究区pH降低与围垦过程中土壤含盐量和 Cl–、Na+、K+、Mg2+、HCO3–等盐基离子减少有着密切关系[40]，这与前人得出的围垦初期由于 Ca2+、Na+、Cl–离子含量降低，HCO3–、Mg2+离子增加引起现短暂pH值上升[35,41]结论略有不同，在本次研究中未发现围垦初期短暂pH值上升现象。围垦后土壤pH值明显小于潮滩的pH值，这是与人类活动和土壤改良也使的离子含量及组成发生变化有关[42-43]，这与因子分析中随着围垦年限增加盐基离子和组合特征发生变化结论一致。

2.5 土壤含盐量变化的影响因素分析

表 6呈现出了研究区不同围垦年限土壤有机质和土壤机械组成变化规律，围垦后的区域土壤有机质含量明显高于潮间带滩涂区沉积物有机质的含量，并随着围垦年限的增加，有机质含量逐渐增加，这与前人研究的结论相一致[44-47]，这主要因为围垦后土地利用方式发生了变化，大量研究表明土地利用方式变化对有机质变化有着显著影响[48-49]，工业、农业、林地用地有机质含量明显高于湿地[49]，耕作土有机质含量高于光滩[50]。

表 6呈现出研究区土壤机械组成也随着围垦年限不同发生变化，围垦后土地利用方式及利用年限对土壤粒度有显著的影响[51-52]，风化作用粒径减小，土壤平均粒径度相应减小[53]，总体呈现出细粒级含量增加，粗粒级含量减少。表 7显示研究区黏粒与土壤含盐量、Cl–、HCO3–、Na+、K+呈现显著正相关（P＜0.01），与其他盐基离子相关性不显著；粉砂粒与土壤含盐量、Cl–、Mg2+、Na+、K+呈现显著负相关（P＜0.01），与其他盐基离子相关性不显著；砂粒与土壤含盐量总量、Cl–、Mg2+、Na+、K+呈现显著正相关（P＜0.01），与其他盐基离子相关性不显著。研究区粒度呈现出砂粒含量逐渐减少，粉砂粒含量逐渐增加，而黏粒含量呈现出先减少后增加现象，这也促进了研究区土壤在围垦后脱盐进程。

表6 不同围垦区土壤理化指标统计分析Table 6 Statistical analysis of soil physicochemical indices in different coastal flats inning

表7显示研究区有机质与土壤含盐量总量、Cl–、Na+、K+呈现显著负相关（P＜0.01），与 HCO3–、Mg2+呈现显著负相关（P＜0.005），与Ca2+、SO42–相关性不显著。这也说明随着围垦年限增加和人为干预土地利用活动增强，有机质含量增加有利于围垦区域土壤脱盐进程加快。

表7 土壤有机质、粒度与盐分相关性Table 7 Correlation between soil salinity and Organic matter, granularity

3 结 论

1）随着围垦年限增加土壤含盐量及盐基离子含量逐渐降低，围垦到60 a左右土壤含量平均值低于1 g/kg，基本完成脱盐过程，并且盐渍化类型由氯化物型为主转变成硫酸盐型为主。

2）随着脱盐过程进行，盐基离子之间相关关系和组合特征发生了明显变化，从初期以 Cl–、Na+作为主控因子，到围垦后期以SO42–、Ca2+为主控因子。

3）围垦过程盐基离子减少与土壤pH值降低有这良好相关性，说明围垦过程中盐基离子变化是影响土壤酸碱度变化原因之一。

4）土壤电导率与含盐量间存在极显著正相关关系，说明在沿海地区可以通过测定土壤电导率来估算土壤含盐量。

5）围垦年限增加和土地利用人为干预增强，使土壤有机质增加、土壤粒径减小，从而加速了土壤脱盐进程。

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