长江三角洲地区滩涂土壤盐分空间分布特征研究

曹燕，白玉杰，李金文，陈小华，沈根祥

(上海市环境科学研究院，上海 200233)

0 引 言

土壤盐碱化是全球主要环境问题之一，可导致农作物减产或绝收，影响植被生长并间接造成生态环境恶化，严重制约着农业生产和生态系统的可持续发展。我国是受土壤盐碱化危害最严重的国家之一，约有盐碱地3 670万hm2，主要分布在东北、华北、西北内陆地区及长江以北沿海地带，其中具有农业利用前景的盐碱地1 230万hm2[1]。因地制宜地开发和利用大面积分布的盐碱地对实现土地资源的可持续利用具有重要意义，而对土壤盐碱特征、剖面类型及其空间分布的定量研究是实现盐碱地科学管理及合理利用的必要前提。因此，如何快速、准确及动态地获取农田土壤盐分信息及大面积盐碱化信息，是农业环境监测领域的新主题[2-5]。

盐碱化发生受潮汐、降水、温度和光照等条件影响，存在空间异质性大、时空分布不均匀的特点[6]。传统的土壤盐碱化监测采用野外定点调查方法，土壤样品采集多以采挖、土钻钻孔侵入式等方式为主，该方法因准确性较高而被广泛使用。但存在费时费力、破坏性强、监测点少等问题，尤其是在测定大面积区域土壤盐分时，无法采集到足够的样本量，难以全面反映盐碱地全貌[7]。研究发现：土壤电导率随着土壤中可溶性盐含量的增加而增加，可用来表征土壤盐分，进而评价土壤盐碱化程度[8]。因此，近年来采用电磁感应法测量土壤盐分的空间变化规律成为研究热点[9-12]。电磁感应法通过非接触直读方式直接测量土壤表观电导率，可高效、快速且实时地获取土壤盐碱化信息[13]，具有操作简易、覆盖性广、获取数据量大等优点。该方法同地统计学、GIS等手段相结合，可以很好地克服常规点状化学监测难以反映盐分空间全貌的不足，适用于较大尺度土壤盐碱化的调查、评估和监测工作，可实现田间盐分含量和空间分布的快速评估。

目前常用的电磁感应仪包括加拿大Geonics公司的EM系列、美国Geophex公司的GEM系列和捷克GF Instruments公司的CMD系列等。其中，CMD-1电磁感应仪能够快速地以非接触的方式测量地面标定深度的表观电导率(量程为0～1 000 mS·m-1)和同相率(量程为-80 ppt～80 ppt)。该系列设备具有反应迅速、不易受电磁噪音影响等优点，每个点位的测量时间快，平均在0.1～3 s之间；探测有效深度(对应75%的敏感度积累)为1.5 m(全深)/0.75 m(半深)。由于探头有效深度接近地表，CMD-1适用于耕作层土壤的表观电导率测量。

本研究采用CMD-1频率域电磁感应仪对上海崇明某滩涂农场实施场地全覆盖的土壤电导特性探测，获取场地表观电导率，评估土壤盐分空间分布，初步确定全场盐分潜势分级和空间分布。在此基础上，进行针对性布点、钻孔取样及测试分析，获得土壤表观电导率和土壤盐分含量的相关关系，并通过主要离子分析，剖析出盐碱化类型和形成机理。本研究可从源头上掌握典型土壤盐碱化时空发生规律，进而为科学精准改良及分区、分类和分级农业生产提供有力的技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于上海市崇明区东南部，毗邻长江口咸淡水交汇区，地理位置介于121°54′～121°55′E、31°31′～31°32′N之间，属典型长江下游三角洲地区。该区域属于亚热带季风气候，气候温和湿润，年平均气温16.5 ℃，年平均降水量为1 113.6 mm，日照充足，雨水充沛，四季分明[14]。土壤质地以粉(砂)壤土和粉(砂)质粘壤土为主，因常年受风暴潮、盐雾及种植结构与方式等影响，土壤盐分含量普遍较高，且存在明显时空分布差异[15-16]。

1.2 表观电导率数据的采集与分析

综合考虑研究区土壤质地、盐分分布状况、作物类型以及土地利用方式等因素，选取了某典型地块作为试验区。2021年2月到3月期间，应用捷克GF Instruments公司生产的CMD-1型电磁感应仪进行土壤表观电导率测定，仪器出厂标定探测深度0.75 m。该仪器基于电磁感应原理，通过原生磁场产生的次生磁场与地下介质电导率之间的关系进行表观电导率测定，并直接采用表观电导率测值来表征整个剖面土壤盐分信息，从而反映出整个场地盐分空间分布状况[17-18]。以步行速度携带GPS和CMD-1型电磁感应仪在试验区沿田条方向进行全覆盖扫描探测，对应的平均探测间隔约为1 m，每1 s采集一个土壤电导率与GPS数据。采集到的数据采用Surfer软件进行Kriging插值，绘制全场地表观电导率分布图，与卫星遥感图像进行叠加确定全场地盐分空间分布。

1.3 样品采集与数据分析

采用Excel 2019、IBM SPSS Statistics 26进行数据统计分析，用Origin2018软件作图。

2 结果与讨论

2.1 土壤盐分空间分布格局分析

电磁感应法测定的土壤表观电导率反映的是不同深度电导率与其对电磁感应仪线圈敏感性乘积随土壤深度变化的积分值，因此需确定其与土壤电导率或盐分含量的定量关系，进而实现对土壤盐分的评估。回归分析是研究土壤盐分含量(或电导率)与电磁感应法测定的表观电导率关系的经典方法[20]。

以电磁感应仪定点测量得的58个取样点表观电导率为自变量，实验室测得的每个取样点三层不同深度土壤全盐量、电导率平均值为因变量分别进行相关性分析和单因素方差分析(图1和图2)。由图中可以看出，土壤电导率与电磁感应法获得的表观电导率数据存在线性正相关关系，线性回归模型的相关系数R2为0.927 3，P<0.05。土壤全盐量与电磁感应法获得的表观电导率数据也存在线性正相关关系，回归模型的相关系数R2为0.940 9，P<0.05。这表明在该地区应用电磁感应仪测得的表观电导率来估算土壤含盐量是完全可行的，土壤表观电导率可作为土壤盐碱化的表征指标。

图1 表观电导率与土壤电导率回归分析Fig.1 Regression analysis of apparent electrical conductivity and soil electrical conductivity

图2 表观电导率与土壤全盐量回归分析Fig.2 Regression analysis of apparent electrical conductivity and soil salt content

一般全盐量≤1 g·kg-1的土壤为非盐土，1～2 g·kg-1为轻盐化土，2～4 g·kg-1为中盐土，>4 g·kg-1属于高盐土[21]。基于电磁感应仪全覆盖测量的地块表观电导率数据，通过建立起的表观电导率与土壤盐分相关关系，我们获得了场地土壤盐分含量信息，采用Kriging插值方法评估研究区表观电导率和土壤盐分空间变异特征(图3和图4)。通过图4中土壤盐分空间分布可实现对区域土壤盐碱化程度的科学快速评估，可以看出研究区有近80%区域存在不同程度的盐碱化问题，且以轻中度盐碱土为主。

图3 表观电导率空间分布图Fig.3 Spatial distribution of apparent electrical conductivity

图4 土壤盐分空间分布图Fig.4 Spatial distribution of soil salt content

2.2 不同深度土壤典型指标描述性统计分析

从表1可以看出，研究地块的采样点土壤不同土层pH值范围是8.14～9.04，变异系数分别为2.73%、2.57%和2.63%，属于弱变异，说明调查区域的pH值变化差异不大，土壤呈现稳定的碱性特征。不同土层电导率和全盐量的变异系数差别不大，但是变异系数均比较大，说明调查区域内的盐碱化程度分布不均匀。

表1 不同深度土壤典型指标描述性统计分析Table 1 Descriptive statistical analysis of soil indexes at different depths

由表1的偏度值可以看出，各深度土壤电导率空间分布具有一定的偏态性，即电导率在垂直方向上存在显著的空间变异特征。其中60～100 cm深度层电导率水平空间分布变异程度最强，0～60 cm深度层相对较弱，这可能与地块水文状况、土壤质地及地势地貌等因素有关，且这些影响因素对土壤电导率的影响随着土壤深度的增加而增大。

就土壤电导率来看，各层土壤电导率均值的变化范围在39.5～91.3 mS·m-1之间，对应土壤全盐量变化范围为0.93～2.13 g·kg-1。其中，0～30 cm土壤层电导率和全盐量均值最大，明显高于其他两个深度层，表明研究区土壤盐分分布具有较强的表聚性，且研究区土壤平均电导率在垂直方向上也具有较强的变异性。由变化幅度(最大值与最小值之差)来看，0～30 cm土壤表层电导率的变化幅度最大，为335 mS·m-1，其余两个深度层均低于100 mS·m-1，表明表层土壤电导率分布具有较强的变异性。对不同点位进行剖面分析，可以判定该地块盐碱化类型以表聚型为主，土壤盐分在水平及垂直方向上均具有较强的分异特征。表聚型的盐碱化类型说明该盐碱地土壤盐分的运移处于上升状态，而在平衡状态下，若没有人为因素的强烈干扰或适宜的气候条件(如降雨)不会发生明显的脱盐过程。因此，就成因分析来看，一方面研究区濒临东海，受海水的浸渍侧渗作用较强烈，地下水矿化度相对较高；另一方面研究区是淤涨成陆、滩涂围垦形成的，地势相对较低导致大量地下水入渗，在旱季强烈地表蒸发作用下受地下水返盐影响更为强烈，导致表土层积盐明显高于其它深度层。

2.3 盐碱化类型和成因分析

表2 不同盐碱化区域主要指标含量分析Table 2 Analysis of main index in different saline-alkali regions

对所有采样点土壤盐碱化指标进行相关性分析(表3)，可以看出，电导率和全盐量具有很好的相关性，再次证实了可通过测量表观电导率来反映研究区域的盐碱化程度；同时，电导率和全盐量均与Cl-、Na+、K+和Mg2+含量存在显著的正相关关系(P<0.01)，其中全盐量与Cl-、Na+和Mg2+的相关系数均大于0.93。就离子来看，Cl-、Na+、K+和Mg2+相互之间也存在显著的正相关关系(P<0.01)，相关系数均大于0.9。

表3 土壤盐碱化指标相关性分析Table 3 Correlation analysis of soil salinization indexes

通过对比中高盐碱区域和轻度盐碱区域采样点土壤盐碱化指标(表4和表5)可以看出，轻度盐碱地和中高度盐碱地土壤中主要离子的相关性相对一致。但不同的是，中高度盐碱化区域土壤pH值与电导率存在显著的正相关关系(P<0.01)，与重碳酸根离子存在显著的负相关关系(P<0.05)，且电导率和重碳酸根离子存在显著的负相关关系(P<0.01)；说明该地区盐碱化土壤中起导电作用的主要是碱性离子，重碳酸根离子对盐碱化土壤pH具有显著影响，但其含量越高，土壤导电性越低。

表4 中重度盐碱地土壤盐碱化指标相关性分析Table 4 Correlation analysis of soil salinization indexes in moderate to severe saline-alkali land

表5 轻度盐碱土土壤盐碱化指标相关性分析Table 5 Correlation analysis of soil salinization indexes in slight saline-alkali land

3 结论

(1)研究区的电磁感应表观电导率和实测土壤电导率、实测土壤全盐量之间均呈现显著的相关性(R2>0.9，P<0.05)，表明电磁感应方法可以准确快速地获得土壤电导率信息。对电磁感应法探测结果进行解译分析，可科学准确获取区域内土壤盐分空间分布特征和盐碱化风险分级分区情况。

(2)研究区域不同土层电导率和全盐量的变异系数均比较大，区域内的盐碱化程度分布不均匀。在研究区整个土壤剖面上，土壤盐分含量表聚性趋势明显，且在空间分布上具有明显的水平和垂直方向的变异特征。研究区有近80%区域存在不同程度的盐碱化问题，其中轻中度盐碱土较多，海水浸渍侧渗和地下水返盐影响是该区域盐渍化形成的主要原因，需采取必要的治理措施对土壤盐碱化进行有效改良。

(3)研究区盐碱化类型主要是硫酸盐型，土壤电导率和全盐量与Cl-、Na+、K+和Mg2+四种离子及四种离子之间均存在显著的正相关关系。对于盐碱土区域，碱性离子对电导率影响较大，重碳酸根离子对pH具有显著影响。本研究为该地区开展盐碱化监测和评估工作提供了参考，对该区农业生产及盐碱土的科学改良和综合利用具有指导意义。