付騰飛，張穎，徐興永，陳廣泉，蘇喬

(1.海洋沉積與環(huán)境地質國家海洋局重點實驗室 國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061；2.青島海洋科學與技術國家實驗室海洋地質過程與環(huán)境功能實驗室 青島 266061)

山東濱海低平原區(qū)鹽漬土鹽分的時空變異研究

付騰飛1,2，張穎1,2，徐興永1,2，陳廣泉1,2，蘇喬1,2

(1.海洋沉積與環(huán)境地質國家海洋局重點實驗室 國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061；2.青島海洋科學與技術國家實驗室海洋地質過程與環(huán)境功能實驗室 青島 266061)

文章運用地統(tǒng)計學的方法對山東濱海鹽漬土年際空間變異和分布特征差異進行分析研究，結果表明：黃河三角洲表層土壤的鹽漬化程度較高且在年際變化上呈積鹽趨勢，萊州灣南岸則呈脫鹽趨勢但鹽漬化面積增加；山東濱海低平原區(qū)鹽漬土受結構因素的影響加??；表層土壤鹽分的分布規(guī)律與地形有密切關系，鹽漬化類型與鹽漬化程度的分布特征基本吻合；萊州灣南岸應注意防止土壤堿化。由此提出因地制宜綜合開發(fā)、減少土壤鹽分輸入、加強鹽分淋洗、改善土體性質和防止土地堿化等建議，對濱海地區(qū)后備土地水土資源的開發(fā)利用具有指導作用。

土壤鹽漬化；時空變異；黃河三角洲；萊州灣南岸；地統(tǒng)計分析

世界上約有9.5億hm2各種類型的鹽漬土分布在100余個國家和地區(qū)，約為全世界耕地面積的10%[1]。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計，中國鹽漬土面積為3 600萬hm2；其中濱海鹽漬土面積為252萬hm2，主要位于東部和南部沿海地區(qū)，分散在海岸線上，從南至北跨越緯度約24°。濱海鹽漬土是我國重要的后備土地資源，對其開發(fā)利用是保障我國糧食安全的重要手段[2]。

濱海鹽漬土主要是由淡水資源匱乏、潛埋的咸化地下水、強烈的蒸發(fā)作用、平緩的地勢和不合理的灌溉條件所造成的[3]。山東地區(qū)的濱海鹽漬土主要集中在黃河三角洲和萊州灣南岸區(qū)域，是山東省重要的后備土地資源。基于對糧食增收和耕地紅線的需求，李振聲[4]院士于2011年提出建設“渤海糧倉”的戰(zhàn)略構想，即開發(fā)利用渤海低平原區(qū)的濱海鹽漬土。山東省沿海的土壤鹽漬化形成面積廣闊的中低產(chǎn)區(qū)和鹽堿荒地，濱海低平原區(qū)鹽漬化程度較高，且基于環(huán)境要素和人為作用的不同，不同區(qū)域鹽漬土的時空變異具有差異性。因此，對濱海鹽漬土的開發(fā)利用須基于其演化的差異從而采取不同的改良措施。

土壤鹽漬化作為緩發(fā)性自然災害，其時空特征的改變持續(xù)而緩慢。土壤鹽分的空間變異是復雜理化過程造成的土壤性質的重要變化過程[5]，空間結構的差異性體現(xiàn)區(qū)域鹽漬化的程度和狀態(tài)[6]。作為建立在區(qū)域變化量理論基礎上的空間統(tǒng)計方法[7]，地統(tǒng)計學近年來常被應用于土壤性質分析領域，成為土壤學科的研究熱點之一[8-10]，很多學者對不同國家管理系統(tǒng)下的不同研究尺度的土壤空間變異性進行系統(tǒng)研究[11-12]。如，Safari[13]利用克里金法對伊朗西部的地下水空間分布進行預測；高婷婷[14]應用地空間結構分析方法對渭干河-庫車河流域的土壤次生鹽漬化變異性進行分析；楊勁松[15]對黃河三角洲表層土壤特征的異質性開展地統(tǒng)計分析，并結合傳統(tǒng)的統(tǒng)計學方法對結果進行研究；Eldeiry[16]對美國阿肯色區(qū)域的鹽漬土進行空間插值，并對土壤鹽分進行預測。

目前國內外的鹽漬土時空變異研究多集中在內陸平原地區(qū)，少有對濱海鹽漬土的時空變異分析，尤其是不同區(qū)域鹽漬土鹽分空間變異的差異對比。本研究采用地統(tǒng)計學的方法對山東省不同區(qū)域濱海鹽漬土的時空變異特征的差異性進行分析，并提出相應的開發(fā)利用措施，其結果對“渤海糧倉”的建設以及濱海水土資源的科學管理具有指導作用。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

黃河三角洲位于山東省東北部、萊州灣西岸，由黃河沖積物淤積而成，地勢由西南向東北緩慢傾斜；黃河現(xiàn)行河道與廢棄的黃河故道形成三角叉狀分水嶺，將該地區(qū)分為3個大的水文地質單元；冬冷夏熱、四季分明，蒸降比高達3.6∶1；土壤類型主要是鹽化潮土、濱海鹽土和潮土。

萊州灣南岸屬渤海拗陷區(qū)，是由南部魯中山區(qū)河流(濰河和彌河等)入海沖積形成的沖淤型平原，南部山區(qū)地勢較高、北部沿海地勢較低；冬冷夏熱、四季分明，蒸降比通常大于3∶1；土壤類型自南向北分布有棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土和鹽土。

1.2 數(shù)據(jù)來源和處理

本研究的分析數(shù)據(jù)主要包括黃河三角洲和萊州灣南岸不同年份的土壤鹽分，其中黃河三角洲2001年的土壤數(shù)據(jù)來源于國家科技基礎條件平臺(http://www.geodata.cn)，其他數(shù)據(jù)由課題組成員多年搜集和積累得到。

數(shù)據(jù)處理分析采用地統(tǒng)計分析方法，土壤鹽分數(shù)據(jù)經(jīng)SPSS描述性統(tǒng)計后，通過GS+V9.0擇取最優(yōu)空間分布擬合模型，采用ArcGIS10.0繪制其時空分布特征圖，用于對比分析山東濱海低平原區(qū)鹽漬土鹽分空間變異的年際差異性。

2 結果和分析

2.1 鹽分離子統(tǒng)計特征年際變化

鹽分空間變異的年際變化代表濱海鹽漬土的演化趨勢，因此將黃河三角洲不同年份(2002年和2011年)和萊州灣南岸不同年份(2010年和2012年)的表層土壤鹽分離子數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計(表1和表2)[17]。

表1 黃河三角洲表層土壤鹽分離子統(tǒng)計參數(shù)

注：TS為全鹽量(Total Salt)。

表2 萊州灣南岸表層土壤鹽分離子統(tǒng)計參數(shù)

注：TS為全鹽量(Total Salt)。

由表1和表2可知，雖然黃河三角洲和萊州灣南岸均為沖淤質沉積，但在海水的長期浸漬作用下，其主要的鹽分離子均為Cl-、Na+和SO42-，說明山東濱海低平原區(qū)的鹽漬土受該區(qū)域咸化地下水和海水倒灌浸漬的影響較大。從整體而言，萊州灣南岸表層土壤鹽分含量遠低于黃河三角洲。按照鹽漬土標準[2]，黃河三角洲2002年和2011年表層土壤均為鹽土，萊州灣南岸2010年屬于中度鹽漬土、2012年屬于輕度鹽漬土。

黃河三角洲表層土壤鹽分離子含量由大到小依次為Cl-、Na+、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+，主要鹽分組成為NaCl和NaSO4；2011年和2002年離子含量排序未發(fā)生改變，主要離子的變異系數(shù)都偏低，說明黃河三角洲鹽漬化的影響因素在年際變化中未發(fā)生改變，全鹽量呈現(xiàn)積鹽狀態(tài)；除2011年的K+和SO42-屬于中等變異，其他離子均屬于強變異。

萊州灣南岸表層土壤鹽分離子含量從大到小依次由Na+、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+變?yōu)镾O42-、Ca2+、Cl-、Na+、K+、Mg2+，主要鹽分組成由NaCl和NaSO4變?yōu)镃aSO4，主要離子的變異系數(shù)都變高，離散程度更高，全鹽量的年際變化呈現(xiàn)脫鹽趨勢。易淋洗的Cl-和 Na+的含量大幅下降，分析其原因可知，萊州灣南岸鹽漬土初始形成時，鹽分主要受海水倒灌或海水入侵引起的地下水咸化的影響，具有典型的濱海鹽漬土特征，后來由于海岸帶水土資源的不合理開發(fā)和大量工廠的修建，地下水的過量抽取直接導致地下水水位的大幅下降，將潛水位的埋深降至臨界地下水水位之下，進而該區(qū)域的土壤受地下水的影響大大降低，咸化地下水中的鹽分很難通過毛細作用聚集在土壤表層，同時海岸工程(如防潮堤壩)的修建也有效阻擋了海水倒灌浸漬土壤，當降雨時土壤鹽分被雨水淋洗且不易發(fā)生返鹽。從變異系數(shù)來看，除2010年的Cl-、2012年的Ca2+和全鹽量屬于中等變異外，其他離子均屬于強變異。此外，雖然萊州灣南岸表層土壤鹽分呈現(xiàn)下降趨勢，但其pH值有所升高，加上不完善的排水系統(tǒng)影響，該區(qū)域土壤呈現(xiàn)堿化的趨勢。

2.2 鹽分空間結構特征年際變化

描述性統(tǒng)計只能反映不同年際表層土壤鹽分的整體演化狀況，而不能分析其結構性、隨機性和相關性，因此應對土壤鹽分進行空間結構分析，以補充描述性統(tǒng)計得到的趨勢變化結果。在分析研究山東濱海低平原區(qū)土壤鹽分空間結構特征年際變化的過程中，需將數(shù)據(jù)進行特異值剔除，經(jīng)對數(shù)轉換后的數(shù)據(jù)基本呈正態(tài)分布。本研究采用GS+V9.0的指數(shù)、球狀和高斯等不同模型對表層土壤鹽分離子進行擬合，從中選擇決定系數(shù)近于1和殘差平方較小的模型進行模擬。

黃河三角洲不同年份表層土壤全鹽量變異函數(shù)理論模型參數(shù)如表3所示。其中，C0表示塊金值；C0+C表示基臺值；比值C0/(C0+C)則為塊基比，代表隨機因素引起的空間變異占總變異的比例[18]。

表3 黃河三角洲表層土壤全鹽量變異函數(shù)理論模型參數(shù)

黃河三角洲2002年表層土壤全鹽量數(shù)據(jù)的理論模型為指數(shù)模型，塊基比在25%～75%，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)中等相關性，即2002年表層土壤鹽分受結構因素(氣候和土體母質等)和隨機因素(灌溉和耕作等人類活動)的影響作用相當；其變程大于取樣距離，表明數(shù)據(jù)取樣合理。而2011年數(shù)據(jù)經(jīng)處理轉換后對應的理論模型為球狀模型，塊基比小于25%，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)強相關性，即2011年結構因素對表層土壤鹽分的影響更大；其變程同樣大于取樣距離，表明數(shù)據(jù)取樣合理。但從決定系數(shù)和殘差的角度分析，2002年的擬合模型要優(yōu)于2011年。

萊州灣南岸不同年份表層土壤全鹽量變異函數(shù)理論模型參數(shù)如表4所示。2012年的塊金值小于2010年，說明在該研究尺度下2010年表層土壤鹽分的聚集作用較2012年強烈。由上文鹽分離子統(tǒng)計特征年際變化的分析可知，萊州灣南岸表層土壤在不同年份的演變呈脫鹽趨勢，因此2012年表層土壤鹽分的積聚效應相對2010年較小。

表4 萊州灣南岸表層土壤全鹽量變異函數(shù)理論模型參數(shù)

萊州灣南岸2010年表層土壤全鹽量數(shù)據(jù)的理論模型為指數(shù)模型，塊基比在25%～75%，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)中等相關性，即結構因素和隨機因素影響作用相當；2012年的理論模型也為指數(shù)模型，但其塊基比小于25%，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)強相關性，即結構因素的作用影響增強，主要原因是大規(guī)模開發(fā)濱海土地資源大幅度減少，隨機因素影響減弱。不同年份的變程均大于取樣距離，表明數(shù)據(jù)足以反映該區(qū)域表層土壤鹽分的自相關關系，取樣合理。

2.3 鹽分空間分布特征年際變化

在研究鹽分空間分布特征年際變化的過程中，空間結構分析GS+V9.0得到的擬合模型需在ArcGIS的地統(tǒng)計模塊中進行正太檢驗和趨勢分析，并在數(shù)據(jù)插值過程中去除趨勢效應，最終在ArcGIS的地統(tǒng)計模塊中選定最優(yōu)模型，對山東濱海低平原區(qū)表層土壤全鹽量基鹽分離子進行空間插值[18]。

黃河三角洲表層土壤鹽分年際變化的空間分布特征如圖1所示?？梢钥闯?，黃河三角洲表層土壤鹽分的含量和面積都有大幅提高，整個區(qū)域的鹽漬化演變趨勢為不斷積鹽。2002年低洼地區(qū)(北部和東南部)鹽漬化程度較高，土壤均為鹽土；而河成高地(西南至東北方向)的土壤鹽分則呈條帶狀分布，西南部土壤鹽分含量最低。2011年鹽分空間分布規(guī)律與2002年相似，即西南至東北方向呈條帶狀分布，但鹽土面積大幅增加。

圖1 黃河三角洲表層土壤鹽分空間分布年際變化

黃河三角洲表層土壤不同鹽漬化程度的面積如表5所示，年際變化增加的均為鹽土，其他都處于不斷縮減的狀態(tài)，中鹽漬化面積縮減的比例最高。

表5 黃河三角洲表層土壤不同鹽漬化程度的面積 km2

黃河三角洲表層鹽漬土類型空間分布年際變化如圖2所示。可以看出，2002年鹽漬土類型以硫酸鹽-氯化物型為主，主要分布在河成高地；其次的氯化物型鹽漬土主要分布在北部和東南沿海的低洼地帶，主要由海水浸漬所形成，與鹽土的分布區(qū)域基本吻合；在鹽漬化程度較低的西南方向，主要為硫酸鹽型和氯化物-硫酸鹽型。2011年鹽漬土類型則以氯化物型為主，其分布也與鹽漬化程度呈較高的相似性；硫酸鹽-氯化物型分布在西南高地區(qū)域和東北方向局部斑塊區(qū)域。

圖2 黃河三角洲表層鹽漬土類型空間分布年際變化

黃河三角洲表層土壤不同鹽漬化類型的面積如表6所示。鹽漬化類型和鹽漬化程度的空間分布特點一致，年際變化趨勢也一致。氯化物型鹽漬土的大幅增加說明黃河三角洲鹽漬化的演化與海水入侵和倒灌浸漬有密切關聯(lián)，因此可從控制海水入侵方向著手，減緩鹽漬化加重的趨勢。

表6黃河三角洲表層土壤不同鹽漬化類型的面積km2

鹽漬化類型年份20022011硫酸鹽型0205氯化物-硫酸鹽型384122562硫酸鹽-氯化物型465545197563氯化物型281045584672合計785002785002

萊州灣南岸表層土壤鹽分空間分布年際變化如圖3所示。2010年基本呈現(xiàn)從南部內陸向北部沿海遞增的趨勢，昌邑地區(qū)鹽分含量最高；其分布規(guī)律與南高北低的地形有直接關系，即北部沿海地勢平坦，土壤長期受海水倒灌和咸化地下水浸漬影響，鹽分含量較高。2012年有明顯改變，主要為昌邑地區(qū)的鹽漬化程度大幅降低；這是由于該地區(qū)大量開采地下鹵水導致地下水水位急劇下降，同時人工防潮壩的修建阻止了海水倒灌，2個方面的作用共同切斷了土壤鹽分的補給來源。此外，萊州灣南岸不同年份表層土壤全鹽量與黃河三角洲相比均不高。

圖3 萊州灣南岸表層土壤鹽分空間分布年際變化

萊州灣南岸表層土壤不同鹽漬化程度的面積如表7所示。輕鹽漬化的面積有所增加，而中鹽漬化和非鹽漬土的面積則有所降低，表明萊州灣南岸表層土壤鹽分整體呈脫鹽趨勢，鹽漬化程度整體呈下降趨勢。

表7 萊州灣南岸表層土壤不同鹽漬化程度的面積 km2

萊州灣南岸表層鹽漬土類型空間分布年際變化如圖4所示。2010年呈現(xiàn)由陸向海的條帶狀分布，與鹽漬化程度的分布規(guī)律一致，且與地形具有較高的相關性；氯化物型分布在鹽漬化程度最高的昌邑地區(qū)，向陸方向依次分布硫酸鹽-氯化物型和氯化物-硫酸鹽型；硫酸鹽型分布在西北和東南方向，主要與該區(qū)域海水入侵的范圍密切相關。2012年以硫酸鹽型和氯化物-硫酸鹽型為主，分布規(guī)律較2010年有較大變化。

圖4 萊州灣南岸表層鹽漬土類型空間分布年際變化

萊州灣南岸表層土壤不同鹽漬化類型的面積如表8所示。鹽漬化類型由氯化物型和硫酸鹽-氯化物型向硫酸鹽型和氯化物-硫酸鹽型轉變，表明該區(qū)域在加強水利設施建設和采取合理灌溉后，鹽漬土受海水入侵的影響逐漸減少。

表8 萊州灣南岸表層土壤不同鹽漬化類型的面積 km2

3 結論和建議

本研究對多年野外采樣數(shù)據(jù)進行地統(tǒng)計分析，研究山東濱海低平原區(qū)表層土壤鹽分的年際變化。通過分析黃河三角洲和萊州灣南岸2個典型地區(qū)的表層土壤鹽分時空變異的差異，總結山東濱海低平原區(qū)鹽漬土的演化規(guī)律，主要包括4個方面。

(1)黃河三角洲表層土壤的鹽漬化程度相對于萊州灣南岸較高，在年際變化上呈積鹽趨勢；萊州灣南岸則呈脫鹽趨勢，但鹽漬化面積有所增加。

(2)黃河三角洲和萊州灣南岸表層土壤鹽分的塊基比在年際變化上都呈下降趨勢，表明山東濱海低平原區(qū)鹽漬土受結構因素(天氣、地貌和土體母質等)的影響日趨加劇。

(3)黃河三角洲和萊州灣南岸表層土壤鹽分的分布規(guī)律與其地形有密切關系，低洼地區(qū)土壤鹽分較高；同時鹽漬化類型與鹽漬化程度的分布特征也基本吻合。

(4)黃河三角洲的鹽漬化類型趨于以氯化物型為主；萊州灣南岸的鹽漬化類型趨于以硫酸鹽型和氯化物-硫酸鹽型為主，因此雖處于脫鹽階段，還應注意防止土壤堿化。

作為農(nóng)業(yè)資源的重要土地資源，濱海鹽漬土的合理開發(fā)利用應成為“渤海糧倉”建設的重點。濱海鹽漬土的鹽分多源于其母質，其含量受天氣、土體母質和地貌的影響較大，而其變化趨勢則與人類活動密切相關，因此提出5個方面的開發(fā)利用建議。

(1)依據(jù)地形條件，因地制宜綜合開發(fā)。濱海土壤的鹽漬化程度和鹽漬化類型與地形具有高度的吻合性，在開發(fā)利用時應針對不同地貌單元，從多途徑和多結構合理規(guī)劃。

(2)降低潛水位，防止海水漫灌和高礦化的咸水灌溉，減少土壤鹽分輸入。應增加人工排水設施，采用噴灌和滴灌等措施節(jié)約灌溉水的回歸下滲，通過地表水體的防滲工程降低地表水對地下水的補給和潛水位抬升等。

(3)加強鹽分的淋洗作用。采用淡水和微咸水合理灌溉，對滲透性較好的區(qū)域可采用定期大水漫灌，對滲透性較差的區(qū)域可先采用灌水浸泡從而溶解土壤鹽分，然后將積水排掉。

(4)改善土體性質，增加包氣帶的厚度和透水性。通過深耕、松土、施用有機肥和選種耐鹽植物等措施，提高濱海土壤肥力，減少土面蒸發(fā)量。

(5)在濱海鹽漬土防治、脫鹽和去鹽漬化的過程中，應注意同時改善土壤條件，防止堿化；通過對鹽漬土施加石膏等措施中和堿化土壤，降低對農(nóng)作物的危害。

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Spatio-temporalVariabilityofSalineSoilSalinityinShandongLow-lyingCoastalPlain

FU Tengfei1,2,ZHANG Ying1,2,XU Xingyong1,2,CHEN Guangquan1,2,SU Qiao1,2

(1.Key Laboratory of Marine Sedimentology and Environmental Geology，F(xiàn)irst Institute of Oceanography，SOA，Qingdao 266061,China；2.Laboratory for Marine Geology,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266061,China)

Statistical methods was adopted to analysis the spatio-temporal variation and spatial distribution difference of Shandong coastal saline soil in this paper.The results showed that the salinization degree of the Yellow River Delta is high and there is a trend of salt deposition on the inter-annual variability.The southern Laizhou Bay showed a trend of desalination while the salinization area is increasing.The influence of the structure factors of saline soil in the low-lying plain of Shandong province is aggravated and the top layer soil salinity distribution has a close relationship with topography,the salinization type is basically in accordance with the distribution characteristics of salinization degree.What’s more,attention should be paid to prevent soil alkalization in the southern Laizhou bay.Suggestions were proposed according to these results,such as the comprehensive exploitation,measures adjustment to local conditions to reduce soil salt input,salt-leaching strengthening,soil properties improvement and soil alkaline prevention,which are of important guiding significance for the development and utilization of water and soil resources in coastal region.

Soil salinization，Spatial and temporal variation，Yellow River Delta，The southern Laizhou Bay，Geostatistical analysis

P76；S156.4

A

1005-9857(2017)12-0038-08

2017-10-09；

2017-11-06

山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災減災重點實驗室2016年度開放基金項目(201609)；國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC04028000).

付騰飛，工程師，博士，研究方向為濱海鹽漬土水鹽運移監(jiān)測預警

徐興永，研究員，博士，研究方向為海岸帶地質災害防控