黄三角濒海区土壤水盐时空分异特征及耦合关系分析
2022-08-16张术伟王卓然常春艳赵庚星潘敬瑞
张术伟，王卓然，常春艳，赵庚星，陈 悦，潘敬瑞
(山东农业大学资源与环境学院土肥高效利用国家工程研究中心，山东 泰安 271018)
土壤盐渍化作为最具破坏性的环境胁迫之一，对生态系统的稳定构成主要威胁，我国滨海盐碱地约占全国盐碱地面积的40%，严重制约了区域农业生产和经济的可持续发展。在地势低平的黄三角洲地区，土壤盐渍化面积约为44.29万hm，占总面积的50%以上，其中重度盐渍化土壤和盐碱光板地23.63万hm，约占总面积的28.3%，因此，及时掌握该区土壤水盐的时空特征及耦合关系，对于抑制土壤盐渍化的发展、挖掘盐渍化土地的利用潜力具有重要意义。
土壤水盐动态在一定程度上反映了土壤盐渍化的程度和状态，是气候、地形、土壤、植被和水文等多种因素影响的结果，是深入研究盐碱地迁移变化的核心和有效改造盐碱地的基础。国外学者Jacopo等实地测量并分析了Chiascio河上游流域Umbria地区(意大利中部)土壤水分时空变异特征；Naoki等建立土壤盐分预测模型研究了海水影响下荒川河口人工盐沼土壤和水体盐分的时空变化规律；Kaman等利用地理信息系统技术监测土耳其南部Seyhan平原的Akarsu灌区农田地下水水位和盐度的时空变化。我国学者郭勇等研究新疆农田—防护林—荒漠复合生态系统水盐运移规律并构建BP神经网络土壤水盐耦合模型；魏建涛等探寻膜下滴灌条件下犁底层深度对土壤水盐运移的影响规律。在盐碱地区水盐相关性及耦合关系的研究中，吕真真等定量分析了黄河三角洲不同时期土壤表层盐分含量与各地下水特征的关联情况；马贵仁等探明了河套灌区不同深度土壤盐分的空间变化及其与地下水埋深相关性；由国栋等探讨了北疆地区膜下滴灌棉田冻融期间不同土层水热盐的变化和耦合关系。总体看，目前研究较多集中在干旱半干旱地区地下水迁移下的水盐相关性、冰川地区土壤冻融下的水盐耦合及分布特征，而东部滨海地区表层土壤水盐耦合关系的研究相对缺乏。
为此，本文选择黄河三角洲濒海区域，从不同季节、不同植被类型、距渤海远近等方面研究土壤水盐时空变异特征，探求土壤表层水盐耦合关系，为黄三角濒海区因地制宜采取针对性措施，合理规划并有效改造盐渍土壤资源提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
黄河三角洲位于山东省北部即渤海湾南岸和莱州湾西岸，是黄河携带中游泥沙在渤海凹陷处日益沉积形成的冲积平原，主要分布于山东省东营市和滨州市境内，沿黄河走向，地势由西南向东北倾斜。地处暖温带大陆性季风气候区，由于地势低平，地下径流缓慢，排水不畅，土壤含盐量高。本文选取黄河三角洲东部核心区域垦利区和西部核心区域无棣县为研究区，具体地理位置见图1。
图1 研究区地理位置及样点分布
垦利区(37°24′—37°57′N，118°15′—119°19′E)隶属于山东省东营市，地处黄河入海口处，东部受渤海的侵蚀，土壤发育差，土壤盐碱化严重；西部是重要的农耕区，人类活动密集，土壤条件较好，土壤盐碱化程度相对较低。垦利区地处暖温带季风大陆性气候区，春季干旱多风，夏季潮湿酷热，秋季凉爽温和，冬季干燥寒冷，春旱及夏涝灾害频繁。该区地形较为平缓，具有典型的三角洲地貌特征，地貌类型有海滩地、倾斜平地和河滩高地，坡降比仅1/8 000～1/12 000，黄河流经贯穿于海。主要土壤类型为盐化潮土和滨海盐土，耕层质地以砂壤和轻壤为主，毛细管作用强烈，加上地下水埋深浅且矿化度高，受黄河水侧漏和海水浸渍的影响，土壤盐渍化现象较为普遍，给农业生产带来严重影响。
无棣县(37°41′—38°16′N，117°31′—118°04′E)隶属山东省滨州市，位于山东省最北部。该县地处大陆性半干旱半湿润季风气候区，春季多风干燥，夏热多雨，秋季温和凉爽，冬冷寒长。地处华北平原鲁西北黄河冲积平原，自西南向东北依次为黄泛平原、滨海平原和渤海湾平原，以1/1 000的坡降自西南向东北倾斜到渤海湾。该县共有潮土、盐土和褐土三大土类，滨海潮土主要分布在县域西部，土层深厚，土体构型以通体黏和黏体型为主，保水肥性较好，养分含量丰富，多为高产田。境内的农田灌溉主要是引黄灌溉，生态条件脆弱，有不少盐斑分布，影响农业生产。
1.2 野外调查与采样
综合考虑地理位置、土地利用方式、植被类型、土壤地形等因素布设采样点，分别在垦利区、无棣县布设土壤调查点位81，54个，野外调查采用EC110便携式盐分计测定土壤表层(0—15 cm)电导率，采用T系列土壤水分温度速测仪测定0—15 cm土壤表层水分含量。采用单点取样法采集0—15 cm的土壤表层样品，以手持GPS定位仪测定实地坐标。
1.3 试验分析与数据处理
1.3.1 土壤表层含水量 采用烘干法测定土壤表层含水量：将带有土壤样品的铝盒置于(105±2)℃的恒温箱内烘至恒重，称重并计算出各土样的质量含水量；采用环刀法测定土样的容重，进而计算其容积含水量。将室内化验与野外实测得到的2组土壤表层含水量数据进行相关分析，模型为=0.911+0.242，=81，=0.989。式中：为室内试验土壤表层含水量(%)；为野外实测土壤表层含水量(%)，并以此对野外含水量数据进行校正。
1.3.2 土壤表层含盐量 将采集的土壤带回实验室内自然风干，磨碎、过2 mm筛后用于测定含盐量。所有的土样均配制成水土比为5∶1的浸提液，振荡5 min，静置30 min，采用烘干法测定土壤含盐量。同时，采用EC110便携式盐分计测定土壤浸提液的电导率，建立土壤浸提液电导率(,μS/cm)和含盐量(,g/kg)之间的关系方程=0.004×+0.237，=81，=0.974。在此基础上，以土壤浸提液电导率对野外电导率数据进行校正，得到垦利区野外实测土壤电导率(，μS/cm)与含盐量(，g/kg)之间的关系方程=0.00218+0.727，=81，=0.938；无棣县的关系方程=0.00211+0.875，=54，=0.968。将验证土样数据代入该方程，得到的拟合结果与室内化验结果的比较精度均大于0.93，因而以此关系方程对全部野外电导率数据进行转换，得到土壤盐分含量数据。
将两区域的数据分别按不同季节、不同植被类型、距渤海远近等划分为土壤表层含水量和含盐量数据组。参照我国滨海区的土壤盐渍化分级标准，将土壤盐渍化分为5级：非盐渍化土(<1.0 g/kg)、轻度盐渍化土(1.0～2.0 g/kg)、中度盐渍化土(2.0～4.0 g/kg)、重度盐渍化土(4.0～6.0 g/kg)、盐土(>6.0 g/kg)。
1.4 研究方法
1.4.1 土壤水盐时空分异特征分析 采用SPSS和Excel软件进行数据的统计分析，采用统计学方法分析不同季节、不同植被类型、距渤海远近不同情况下土壤表层(0—15 cm)水盐的描述性统计特征，根据变异系数CV<0.1为弱变异，0.1
1.4.2 土壤水盐耦合关系分析
(1)耦合度分析。耦合原本作为物理学概念，是指2个(或2个以上)系统或运动形式通过各种相互作用而彼此影响的现象。耦合度是描述系统或要素相互影响的程度，可以更好地展示“盐随水来、水散盐留”的水盐运动规律。
借鉴物理学中的容量耦合(capacitive coupling)概念及容量耦合系数模型，推广得到多个系统(或要素)相互作用耦合度模型。即：
={(··…·)[∏(+)]}1
(1)
为便于分析，可直接得到土壤表层含水量与含盐量的耦合度函数：
=2{(·)[(+)(+)]}12
(2)
显然，耦合度值∈[0，1]。当=0，耦合度极小，表示水盐处于无关状态，水盐将向无序发展。当=1，耦合度最大，表示水盐之间达到共振耦合。耦合度越大则水盐的有序状态越高，水盐相互影响的程度越大。
本文运用耦合度函数(2)对黄河三角洲地区表层含水量和含盐量进行时空耦合，对野外采集数据进行分析，并用Origin立体三维俯视图进行水分、盐分以及耦合度之间关系的直观展示。
(2)回归分析。分析不同季节、植被类型、距海远近下土壤表层含水量和含盐量之间的回归关系，以样点土壤表层含盐量数据为轴，样点土壤表层含水量数据为轴做回归曲线。若呈正相关关系，即盐分随着土壤水分含量的增加而增加；若呈负相关关系，则随着土壤水分含量的增加而减少。回归方程斜率绝对值()的大小可用以比较随着土壤水分的增加盐分上升或下降的幅度大小。决定系数()是方程拟合优度的度量，数值范围从0～1，数值越大，说明回归方程拟合效果越好，与线性关系越强；数值越小，说明与的线性关系越弱，两者之间的独立性越强。可通过比较大小以比较土壤水盐的相关程度。
2 结果与分析
2.1 土壤水盐状况的时空特征分析
2.1.1 土壤水盐的季节性特征
(1)土壤盐分的季节性特征。从表1可以看出，不同季节土壤表层盐分有较大差异，其含盐量平均值与中位数相比，前者明显大于后者，说明含盐量呈左偏态分布，因此，采用中位数较为适宜。整体来看，研究区土壤盐渍化属于中度盐渍化水平，按含盐量大小的季节顺序为春季>秋季>冬季>夏季，含盐量呈现年内积盐—降盐—积盐—降盐的季节趋势。盐分变异系数为0.83～1.24，接近或为强变异，说明研究区域内盐分数值变化较大。根据多重比较结果，春秋季的土壤含盐量差异不明显，而夏冬季的土壤含盐量均与其他时期存在显著差异。
表1 研究区土壤含盐量季节特征统计
分地区看，垦利区含盐量中位数最高值为3.99 g/kg，最低值为2.09 g/kg，四季均值为3.04 g/kg；无棣县含盐量最高值为2.95 g/kg，最低值为2.39 g/kg，四季均值为2.67 g/kg，说明垦利区含盐量整体高于无棣县。从变异程度来看，两地含盐量最大值与最小值之比分别为1.91，1.23，说明垦利区含盐量季节性差异较为明显。一年四季垦利区土壤含盐量变异系数分别为0.97，1.18，0.83，0.94，无棣县为1.21，1.08，0.99，1.24，说明无棣县各季节土壤含盐量空间变异程度较强。
(2)土壤水分的季节性特征。从表2可以看出，黄三角濒海地区土壤含水量总体较高，不同季节有较大差异，近似呈正态分布。按含水量大小的季节顺序为夏季>春季>秋季>冬季，随季节变化含水量呈现先升高后降低的趋势。水分变异系数为0.13～0.35，为中等变异。根据多重比较结果，春秋季的土壤含水量差异不明显，而夏冬季的土壤含水量均与其他时期存在显著差异。分地区来看，垦利区含水量最高值为43.65%，最低值为28.20%；无棣县含水量最高值为36.92%，最低值为19.80%，垦利区含水量整体高于无棣县。从变异程度看，垦利区夏季含水量均值(43.65%)为冬季(28.20%)的1.46倍，无棣县夏季含水量均值(36.92%)近乎冬季(19.80%)的1.92倍，说明无棣县土壤含水量的季节性变化较为明显。一年四季垦利区变异系数分别为0.23，0.18，0.23，0.31，无棣县变异系数分别为0.35，0.13，0.43，0.31，相较于垦利区，无棣县春秋季土壤含水量的空间变异较强。
表2 研究区土壤含水量季节特征统计
2.1.2 土壤水盐的植被类型分异特征
(1)土壤盐分的植被类型分异。从表3可以看出，土壤表层含盐量平均值明显大于中位数，说明含盐量呈左偏态分布，因此，采用中位数较为适宜。整体看，春季各植被类型的土壤含盐量高于秋季，两季土壤含盐量从大到小的植被类型为光板地>荒草地>耕地>林地。前二者土壤含盐量均属于盐土水平，后二者为中度盐渍化水平。同时光板地、荒草地盐分变异系数较大，说明其土壤含盐量高且分布不均，有较大的空间差异性。根据多重比较结果，耕地、林地的土壤含盐量差异不明显，荒草地和光板地土壤含盐量均与其他植被类型存在显著差异。相较于垦利区，无棣县各植被类型的土壤含盐量较低，春秋季各植被类型之间土壤含盐量差异较为明显。
表3 研究区春、秋季各植被类型土壤含盐量特征统计
(2)土壤水分的植被类型分异。从表4可以看出，研究区不同植被的土壤表层水分含量有较大差异，春季各植被类型的土壤含水量高于秋季，两季土壤含水量从大到小的植被类型为荒草地>光板地>耕地>林地，相较于无棣县，垦利区春秋季各植被类型之间土壤含水量差异较为显著。根据多重比较结果，耕地、林地的土壤含水量差异不明显，荒草地和光板地土壤含水量均与其他植被类型存在显著差异。
表4 研究区春、秋季各植被类型土壤含水量特征统计
2.1.3 土壤水盐距海远近分异特征
(1)土壤盐分距海远近分异特征。从图2和表5可以看出，由近海到内陆，研究区土壤含盐量呈现逐步下降的趋势，盐渍化程度由盐土转为重度盐渍化再转为中度盐渍化。变异系数范围为0.17～0.78，均属于中等变异强度，且近海整体变异强度稍高于内陆地区，说明土壤含盐量处于较高水平，且分布不均。根据多重比较结果，内陆土壤含盐量差异不明显，近海处土壤含盐量存在显著差异。随距离渤海渐远，垦利区土壤含盐量均值由23.51 g/kg减少至3.60 g/kg，在距海40～50 km处有所上升(5.88 g/kg)；无棣县土壤含盐量由22.92 g/kg减少至2.70 g/kg，垦利区土壤表层含盐量整体稍高于无棣县。变异程度由近海到内陆，无棣县呈较为平缓的下降趋势，垦利区在距海40～50 km处变异系数则有所提升。垦利区和无棣县在距海0～10 km处的土壤含盐量(23.51，22.92 g/kg)分别是距海50～60 km处含盐量(3.60，2.70 g/kg)的6.53，8.48倍，无棣县土壤含盐量的距海差异特征更为明显，表明渤海对垦利区土壤的影响距离更远。
图2 距海远近缓冲区及土壤样点
表5 研究区距海不同缓冲区土壤表层含盐量分异特征
(2)土壤水分距海远近分异特征。从表6可以看出，近海区土壤含水量明显高于内陆地区，变异系数变化范围为0.08～0.34，均属于中等变异强度。距离渤海由近到远，垦利区土壤含水量变化范围为32.75%～43.53%，无棣县为23.25%～40.51%，垦利区土壤表层含水量整体高于无棣县。在距海20～30 km处，垦利区土壤含水量由43.53%下降至32.75%，后增至38.24%，呈现先下降后上升的趋势。在距海10～20 km处，无棣县土壤含水量由37.07%增至40.51%，随着深入内陆降至38.24%，含水量呈现先上升后下降的趋势。
表6 研究区距海不同缓冲区土壤表层含水量分异特征
2.2 土壤水盐状况的耦合关系分析
2.2.1 不同季节土壤水盐耦合关系分析 图3、图4分别为垦利区和无棣县不同季节的土壤含水量与土壤含盐量之间的耦合关系。研究区水盐耦合度季节排序为春季>秋季>冬季>夏季。从回归分析结果(表7)可以看出，一年四季水盐关系均呈正相关关系，斜率排序为秋季>春季>冬季>夏季，说明春秋季随着表层土壤含水量的增加盐分上升的幅度较大，夏冬季盐随水增加而上升的幅度较小。决定系数的季节排序为春季>秋季>冬季>夏季，春秋季土壤表层水盐具有较好的相关性，夏冬季土壤表层水盐之间的相关程度较弱。
表7 研究区不同季节水盐关系回归分析
图3 垦利区不同季节水盐耦合关系分析
图4 无棣县不同季节水盐耦合关系分析
垦利区春夏秋冬季的耦合度均值分别为0.69，0.49，0.66，0.60，无棣县的耦合度均值分别为0.66，0.49，0.63，0.57，垦利区水盐耦合度整体高于无棣县。不同季节，垦利区、无棣县水盐回归方程斜率变化范围分别为0.31～0.54，0.28～0.34，垦利区亦高于无棣县，说明在不同季节垦利区土壤盐分随水分增加而上升的幅度更为显著。
2.2.2 不同植被类型土壤水盐耦合关系分析 图5、图6分别为垦利区和无棣县春季不同植被类型的土壤含水量与含盐量之间的耦合关系，表8为春、秋季不同植被类型的水盐回归与相关分析。可以看出，研究区水盐耦合度植被类型排序为光板地>荒草地>耕地>林地，春季不同植被水盐耦合度稍高于秋季。回归及相关分析结果显示，各植被类型的水盐关系均呈正相关关系，春季各植被类型土壤表层盐随水增加而上升的幅度稍高于秋季，斜率()和决定系数()从大到小均为光板地>荒草地>耕地>林地，说明光板地、荒草地土壤表层水盐含量具有较高的相关性，随着表层土壤含水量的增加盐分上升的幅度较大，耕地、林地土壤表层水盐之间的相关程度较弱，盐随水增加上升的幅度较小。
表8 研究区春、秋季不同植被类型水盐回归分析
图5 垦利区春季不同植被类型水盐耦合关系分析
图6 无棣县春季不同植被类型水盐耦合关系分析
垦利区耕地、林地、荒草地、光板地的春季水盐耦合度分别为0.57，0.56，0.86，0.89，秋季分别为0.56，0.55，0.77，0.89，无棣县耕地、林地、荒草地、光板地的春季水盐耦合度分别为0.56，0.55，0.77，0.86，秋季分别为0.55，0.54，0.72，0.84，垦利区各植被类型的水盐耦合度稍高于无棣县。垦利区、无棣县不同植被类型水盐回归方程的斜率变化范围分别为0.05～1.51，0.04～1.39，决定系数变化范围分别为0.24～0.49，0.22～0.46，说明垦利区各类植被土壤表层盐随水增加的幅度及水盐相关性显著于无棣县。
2.2.3 距海远近土壤水盐耦合关系分析 图7、图8为垦利区、无棣县距海不同远近土壤含水量与土壤含盐量之间的耦合关系，表9为其水盐回归分析方程和决定系数。可以看出，由近海到内陆，研究区土壤水盐耦合度总体呈现逐步下降的趋势。各缓冲区土壤水盐含量呈正相关关系，盐随水增加而上升的幅度及水盐决定系数呈下降趋势。随着离海距离的增加，无棣县水盐耦合度依次为0.91，0.75，0.64，0.57，0.56，0.54，总体呈逐渐下降的趋势。而垦利区水盐耦合度依次为0.96，0.88，0.71，0.81，0.64，0.61，在距海30～40 km处稍有提高，呈现先下降后上升再下降的趋势。垦利区、无棣县不同缓冲区水盐回归方程的斜率变化范围分别为0.13～1.81，0.08～0.52，决定系数变化范围分别为0.38～0.61，0.30～0.59，说明垦利区不同缓冲区土壤表层盐随水增加而上升的幅度及水盐相关性显著于无棣县。
表9 研究区距海远近不同情况下水盐回归分析
图7 垦利区距海不同远近水盐耦合关系分析
图8 无棣县距海不同远近水盐耦合关系分析
3 讨 论
研究结果显示，黄三角濒海区土壤盐化程度普遍较高，以中度盐渍化为主且盐化程度差异较大，这与相关研究的成果一致。相较于地处黄三角濒海区中西部的无棣县，渤海对垦利区的影响更为显著，再加上其地势低平，黄河水流贯穿至海，使垦利区土壤水分含量高于无棣县7%～10%，盐分含量高于无棣县0.6～2.0 g/kg，且水盐含量变异性更强，这也与相关研究成果一致。显示二者同为黄河三角洲代表性研究区的地理区位差异性，也说明黄三角濒海区水盐状况的高度复杂性。
(1)进一步探究黄三角濒海区水盐时空分异特征显示，水盐季节特征呈现春秋水盐较多、夏季水多盐少、冬季水少盐较多的特征，土壤水盐分布的地域特征较为明显，远离渤海，随地势抬升和淡水补给，土壤含盐量呈现由东北部沿海逐步向中部、西南部内陆地区递减趋势，这与本地区其他相关研究结果一致，也同其他濒海区的研究结果类似。受黄河淡水影响，垦利邻近河道的内陆缓冲区土壤表层盐分含量相对较低，同前人研究结果，而与我国西部内陆地区的相关研究结果不同，反映了滨海与内陆土壤盐渍化及其地理环境的差异，有待今后研究的细致化比较。
(2)本文研究发现，不同适生植物能够对应不同土壤水盐环境。相对于其他季节，春秋季蒸发旺盛，水盐相关性较强，本文选取该季节探究得出的不同植被类型的水盐变异及耦合特征，与相关研究结论相同。一方面，显示滨海盐渍土地区不同植被类型对土壤盐分含量的较好指示性；另一方面，显示了春秋积盐季节对土壤盐渍化的较高敏感性；这也可能是大量土壤盐渍化的相关研究选择春秋季节的原因。
本研究借助水盐耦合函数较好地分析研究区水盐耦合关系，表明春秋季、近海缓冲区、荒草地及光板地土壤水盐含量均较高情况下，其水盐耦合度较高，而冬季、近内陆缓冲区、耕地土壤水盐含量均较低情况下，其水盐耦合度亦偏高，与水盐回归分析结果总体一致，证明该函数用于量化土壤水盐耦合关系的可行性。但黄三角濒海区独特复杂的自然条件和人为影响，其水盐耦合关系存在较大的时空差异性，需要更为细致和系统的研究，同时从土壤改良利用的角度，如何通过耦合度高低衡量水盐协调程度及进行水盐调控，亦需要进一步探究。
4 结 论
(1)黄三角濒海区土壤含盐量和含水量总体较高，土壤盐渍化属于中度盐渍化水平，垦利区盐化程度总体高于无棣县。盐分变异系数接近或为强变异，差异较大。土壤表层水盐含量呈显著的正相关，水盐耦合度、盐随水增加幅度及水盐决定系数因季节、植被、距海远近不同而存在较大的变异性。
(2)研究区不同季节、植被类型、距海远近的土壤含水量和含盐量具有明显的变化特征。不同季节盐分特征为春季>秋季>冬季>夏季，水分特征为夏季>春季>秋季>冬季；不同植被类型盐分特征为光板地>荒草地>耕地>林地，水分特征为荒草地>光板地>耕地>林地。土壤表层含盐量、含水量随着距离渤海渐远总体呈下降趋势，其中垦利土壤表层水盐含量在距海30～40 km和40～50 km处波动增加。
(3)研究区水盐耦合度季节排序为春>秋>冬>夏，盐随水增加而上升的幅度排序为秋>春>冬>夏，相关性排序为春>秋>冬>夏。水盐耦合度植被类型排序为光板地>荒草地>耕地>林地。盐随水增加而上升的幅度排序为光板地>荒草地>耕地>林地，水盐相关性排序为光板地>荒草地>耕地>林地。由近海到内陆，水盐耦合度、盐随水增加而上升的幅度及水盐相关性呈现逐步下降趋势。垦利在距海30～40 km处，水盐耦合度和相关性波动上升。
