连云港徐圩新区盐渍土盐分时空分布特征及其主要影响因素分析

王高祥，苏小四，张 岩，龚绪龙，于 军，苟富刚，吕 航，王永琦

(1.吉林大学水资源与环境研究所，吉林 长春 130021；2.吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130021；3.江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210049；4.自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏 南京 210049;5.吉林大学新能源与环境学院，吉林 长春 130021)

全球盐渍土覆盖面积为932.2×10hm，约占世界陆地总面积的6.3%，土壤盐渍化问题是世界范围内主要的环境问题之一。我国盐渍土广泛分布于西北、华北、东北及沿海地区，总面积约为3 600×10hm,约占全国可利用土地面积的4.88%。土壤盐渍化会严重影响土壤的生态和非生态功能。例如：土壤中盐分含量升高会引起土壤中微生物活性和生物多样性降低，进而导致土地退化；土壤溶液中的盐分浓度过高会导致植物生理性缺水，养分吸收量减少，使农作物产量降低甚至死亡；盐渍化土壤也会对工程建设产生严重威胁，包括破坏地下管线和腐蚀建筑材料等。土壤盐渍化已成为制约区域土地高质量开发利用和工程建设的重要环境问题之一。

土壤盐渍化是气候因素、地形地貌、成土母质、水文及水文地质等自然因素和人为因素共同作用的结果，其时空分布往往具有复杂性和变异性。了解并掌握区域土壤盐分时空分布规律是土壤盐渍化综合防治的重要基础。

徐圩新区位于江苏省连云港市东南部，是国家东中西区域合作示范先导区。区内广泛分布着大面积的滨海盐渍土，土壤中盐分含量高，生态环境脆弱，属典型的滨海盐渍区。土壤盐渍化问题已成为制约徐圩新区区域综合发展的重要环境问题。但目前针对该区域土壤盐渍化方面的研究多集中于服务农业种植的1 m以浅土壤盐渍化程度评价，盐渍土的水盐运移规律尚不明确，难以支撑区域土地整治和工程建设。基于此，本文根据徐圩新区盐渍土盐分野外调查结果，采用地统计学与GIS相结合的方法，分析研究区3 m以浅范围内土壤盐分空间分布规律，同时基于典型点位处土壤水分和盐分的原位监测数据，揭示区内土壤水盐的动态运移规律，并对影响研究区土壤盐分时空分布特征的主要环境因素进行探讨，旨在为徐圩新区生态环境建设和土地规划提供参考依据。

1 研究区概况

研究区位于江苏省连云港市东南部，地理位置位于东经119°17′～119°38′,北纬34°29′～34°40′，东临黄海，西至东辛农场，南以古泊善河为界，北接云台山，区域面积为418.45 km。该地区属暖温带湿润性季风海洋气候，年平均气温为14.1℃，四季分明，夏季多雨、冬寒干燥。研究区年平均降水量为901.4 mm，降水主要集中于5至9月份，约占全年总降水量的76.83%；年平均蒸发量为1 474.5 mm，蒸降比为1.64。

研究区第四纪沉积物较发育，其成土母质主要来源于黄淮冲积物，受沉积环境的影响，区内土壤质地黏重，以粉质黏土和淤泥质黏土为主。研究区属滨海平原区，区内地形平缓，地下水水力坡度小，含水介质较细且分布不连续，水平方向上潜水径流不畅，水循环以垂向为主，地下水水化学类型为Cl-Na型水，地下水中溶解性固体(TDS)值一般大于10 g/L，且自西向东逐渐增加。研究区内东西两侧区域土地利用类型的差异性较大，其中西侧区域土地利用类型为农业用地和城镇居民用地，农业种植方式以水稻、小麦轮作为主；东侧近海区域土地利用类型以工业用地为主，主体为盐业用地，现规划为石化工业园区和产业配套区用地。

2 研究方法

2.1 土壤和地下水样品的采集与测试方法

2015年12月系统采集了研究区内土壤和地下水样品。

区内土壤采样点布设时综合考虑了区域地形地貌、土地利用方式等因素，在研究区内共布设了30处土壤采样点，其位置详见表1。利用土钻在各采样点以0.5～1 m为采样间隔进行垂向分层采样，采样深度为3 m，共采集土壤样品136份。所得土壤样品经室内风干、除去可见植物残渣后磨碎，过2 mm标准筛，以水土比5∶1的比例进行混合浸提。参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)对浸提液中可溶盐组分进行测试分析，并采用离子浓度加和法计算土壤全盐量，最后通过深度加权计算获得0～1 m、1～2 m、2～3 m 3个深度范围内的土壤盐分含量数据。

表1 研究区土壤样品采样点位置Table 1 Location of soil sample sampling points in the study area

区内共布设9口潜水环境监测井，用于采集地下水样品,各监测井位置表2。各监测井成井时钻进深度为5 m，采集土壤样品时同期测定各监测井潜水的埋深和TDS值。潜水的TDS值利用DDSJ-308A电导率仪测定。

表2 研究区地下水监测点位置Table 2 Location of groundwater monitoring pointsin the study area

2.2 土壤盐分空间分布特征分析方法

本文采用SPSS 24.0软件对土壤盐分含量数据进行描述性统计分析。利用地统计学方法中的普通克里金(Ordinary Kriging)插值法对研究区不同深度土壤盐分含量的空间分布规律进行分析，并通过半方差函数来定量描述区域化变量的空间结构性和随机性。土壤盐分半方差函数拟合及克里金插值过程基于ArcGIS 10.4软件中的地统计分析模块(Geostatistical Analyst)实现。土壤盐分空间变异结构模型的精度预测和模型合理性检验利用交叉验证的方法进行检验，检验指标包括：平均误差(ME)、均方根预测误差(RMSE)、平均标准误差(ASDE)、标准化均方根预测误差(RMSDE)。根据最小误差选择最优模型进行表征。

2.3 土壤水盐原位在线监测方法

根据研究区土壤整体盐渍化发育情况，在烧香河东侧一工区内布设了土壤原位监测系统，监测点位坐标为东经119.490°，北纬34.580°。土壤原位监测系统由CR300数据采集器和Hydra传感器构成(美国Stevens公司)，传感器布设深度分别为5 cm、25 cm、45 cm，监测指标包括：土壤温度

T

、土壤体积含水率

θ

、土壤体积电导率

EC

。Hydra传感器为频域类传感器(FDR)，其在连续监测土壤体积含水率

θ

的同时，输出土壤体积电导率

EC

。由于土壤体积电导率受土壤的盐分含量和含水率共同影响，因此需将测定的土壤体积电导率

EC

换算为土壤饱和溶液电导率

EC

,并将其作为土壤盐分含量的反应性指标，即土壤饱和溶液电导率

EC

越高，土壤含盐量越高。土壤体积电导率

EC

与土壤溶液电导率

EC

可采用下式进行转换15：

(1)

式中

:EC

为土壤溶液电导率(s/m)；

ε

为土壤孔隙水介电常数的实部；

EC

为土壤体积电导率

(

s/m

)

；

ε

为土壤体积介电常数的实部；

ε

0为土壤体积电导率等于0时的土壤体积介电常数实部。其中，土壤孔隙水介电常数的实部

ε

可表示为

ε

=

80.3-0.37

(T

-20

)

(2)

式中

:T

为土壤温度

(

℃

)

。土壤溶液电导率

EC

与土壤饱和溶液电导率

EC

可采用下式进行换算16：

(3)

式中

:θ

为土壤体积含水率；

ω

为土壤孔隙度。

3 结果与分析

3.1 土壤盐渍化特征分析

研究区土壤盐分中各离子的相对含量(各盐分离子含量与盐分总量之比)与土壤盐分含量的相关关系见图1和图2。

图1 研究区土壤盐分中阳离子相对含量与土壤盐分 含量的相关关系图Fig.1 Relationship between relative content of cations and soil salt content in the study area

图2 研究区土壤盐分中阴离子相对含量与土壤盐分 含量的相关关系图Fig.2 Relationship between relative content of anions and soil salt content in the study area

3.2 土壤盐分空间分布特征分析

3.2.1 土壤盐分含量数据统计特征

研究区各层位土壤盐分含量数据描述性统计分析结果，见表3。

由表3可以看出：

表3 研究区各层位土壤样品盐分含量数据描述性统计分析结果Table 3 Descriptive statistical analysis result of the salt content of soil samples at each layer in the study area

(1) 研究区0～1 m、1～2 m、2～3 m深度的土壤盐分含量平均值分别为1.309%、1.365%、1.663%，各层位土壤盐分含量平均值均高于重度盐化土壤阈值0.6%，总体属盐土范畴，故研究区内土壤盐渍化程度较为严重。

(2) 变异系数(CV)是变量离散程度的统计指标，当CV≤0.1时，表示弱变异性；当0.1(3) K-S正态性检验结果表明：研究区仅2～3 m深度土壤盐分含量数据符合正态分布(

p

>0.05)，其他深度土壤盐分含量数据均表现出一定的偏态性(

p

≤0.05)，但对 0～1、1～2 m深度土壤盐分含量数据进行对数转换后，数据满足地统计分析要求。

3.2.2 土壤盐分空间变异性特性

研究区各层位土壤盐分的半方差函数理论模型参数及模型交叉验证结果，见表4。

表4 研究区各层位土壤盐分半方差函数模型参数及模型交叉验证结果Table 4 Semivariance function model parameters and model cross-validation results of salt content ofsoil samples at each layer in the study area

由表4可以看出：

(1) 研究区各层位土壤盐分半方差函数理论模型的平均误差ME接近0，标准均方根预测误差RMSDE接近1，均方根预测误差RMSE与平均标准误差ASDE相近，表明各预测模型参数设置合理且具有较高的准确性。

(2) 研究区内各层位土壤盐分半方差函数理论模型均符合高斯模型，变程范围为12.87～18.22 km，自相关距离随深度的增加而增加。

(3) 基台值的大小可以反映出区域化变量的变化幅度大小，基台值参数结果表明：0～1 m、1～2 m深度土壤盐分数据的变异强度相近且大于2～3 m深度土壤。

(4) 块金值与基台值之比是区域化变量空间自相关程度的反映性指标，当块金值/基台值<0.25时，区域化变量具有强空间自相关性；当0.25≤块金值/基台值≤0.75时，区域化变量具有中等程度空间自相关性；当块金值/基台值>0.75时，区域化变量空间自相关性较弱，其中块金值代表的随机性因素占主导地位。研究区各层位土壤盐分半方差函数理论模型的块金值/基台值范围在0.29～0.42之间，不同层位间差异性较小，均表现出中等程度的空间自相关性，表明研究区土壤盐分空间分布特征受随机性因素和结构性因素共同影响。

3.2.3 土壤盐分空间分布格局

基于上述研究区各层位土壤盐分半方差函数模型参数，利用克里金插值(OK)可得到研究区土壤盐分三维空间分布图，见图3。

图3 研究区土壤盐分三维空间分布图Fig.3 Three-dimensional spatial distribution map of soil salinity in the study area

由图3可见，从土壤盐分水平向空间分布来看，研究区各层位土壤盐分空间分布规律相似，具有与海岸线相平行的带状分布特征，由海岸向陆地内部延伸，土壤盐渍化程度不断减弱，总体表现出“东高西低”的土壤盐分空间分布格局，土壤盐分含量高值区分布于烧香河东侧近海区，低值区分布于研究区西侧东辛农场一带；从土壤盐分空间变异性来看，0～1 m深度土壤盐分含量在研究区东西两侧差异性显著，整体变异程度较高，但随着土层深度的增加，研究区西侧整体盐渍化程度不断增大，而研究区东侧盐渍化程度逐渐减弱，东西两侧土壤盐分含量差异性减小,研究区内土壤盐分含量整体变异程度降低，该结果与区域土壤盐分含量数据描述性统计分析结果相符。

为了查明研究区土壤盐分含量的垂向分布特征，根据不同深度土壤盐分空间变异结构模型，利用径向基函数(RBF)法可得到研究区土壤盐分含量在近东西向

AA

′剖面上的分布情况，见图4。

图4 研究区在A-A′剖面上的土壤盐分含量分布情况Fig.4 Vertical distribution of soil salinity in profile A-A′ of the study area

由图4可见，研究区大致以烧香河为分界，烧香河东西两侧区域土壤盐分含量呈现出差异性的剖面分布特征。其中，烧香河以西地区，土壤盐分含量随土壤深度增加而增加，表层0～1 m土壤盐分含量平均值为0.08%～0.43%，底层2～3 m土壤盐分含量平均值大于1%，各层位间土壤盐分含量差异性较大，表层土壤已处于脱盐状态并形成较为显著的土壤淡化层，但底层土壤盐分含量仍较高，土壤盐分剖面呈现出底聚型盐分剖面特点，且由于底部土壤盐渍化程度仍较为严重，因此该区域在人为不合理的管理措施下，上部土壤仍具有发生次生盐渍化的风险；而烧香河以东地区，土壤盐分在表层聚集，随着土壤深度的增加土壤盐分含量有所降低，但剖面整体土壤盐渍化程度较高，土壤盐分剖面呈现出表聚型盐分剖面特点，土壤盐分表聚现象显著，反映出该区域土壤盐分处于上升状态或平衡状态，脱盐作用不明显。

3.3 土壤盐分动态变化规律分析

在2019年7月28日至2020年7月28日间，研究区土壤原位监测点位处气象要素(降水量、蒸发量)和0～45 cm深度土壤饱和溶液电导率(

EC

)的动态情况，见图5。

图5 研究区土壤原位监测点位处气象要素和0～45 cm深度土壤饱和溶液电导率(ECSAT)动态情况 (2019-07-28—2020-07-28)Fig.5 Dynamics of meteorological elements and soil ECSAT at the depth of 0-45 cm at the in situ soil monitoring points (2019-07-28-2020-07-28) in the study area

由图5可见，受季风气候的影响，研究区降水量在年内分配不均，主要集中于4～8月份，其他月份降雨稀少且降雨强度较低；与之相对应地，研究区表层土壤盐分也呈现出明显的季节性变化特征，其总体表现为一年内土壤脱盐-积盐交替发生，可将监测期内2019年8月至2020年4月划分为积盐期，2020年4月至8月划分为脱盐期。其中，2019年8月—2020年4月积盐期期间，研究区降雨稀少，降雨强度低，受蒸发的影响程度较高，土壤盐分逐渐向地表运移，表层土壤盐渍化程度加重，但从整体来看，土壤盐分变化带主要位于25～45 cm深度土壤，0～25 cm深度的土壤盐分含量变化幅度较小；2020年4月至8月脱盐期期间，研究区进入多雨期，受频繁降雨的影响，土壤呈现出脱盐态势，表层土壤盐渍化程度减弱。

4 讨 论

上述研究结果表明：研究区土壤盐分时空分布特征具有显著的变异性，该变异性具体表现为在水平方向上平行于海岸带的土壤盐分带状分布格局，在垂向分布上烧香河东西两侧土壤盐分剖面特征表现出表聚型和底聚型两种类型以及表层土壤盐分在年内呈现出明显的季节性变化特征。该研究结果与梅芹芹等、王卓然等和姚荣江等针对江苏南通、大丰和黄河三角洲地区土壤盐分空间分布特征的研究结果相类似，土壤盐分含量均表现出由内陆向海岸逐渐增高的趋势，但相较于上述地区，研究区土壤盐分在垂向上的空间分布特征更为复杂多变，研究区土壤盐分的时空变异性反映出驱动研究区土壤盐渍化过程的环境影响因素的差异性，而进一步探讨并分析影响研究区土壤盐分时空分布特征的环境影响因素对于认识该地区土壤盐渍化形成过程和土壤盐渍化危害防治具有重要的意义。已有研究表明，土壤盐渍化的形成过程与气候因素、地形地貌、成土母质、沉积环境、地下水环境等自然因素以及人为因素密切相关。研究区地处海成平原区，土壤质地以粉质黏土和淤泥质黏土为主，区内土壤质地均一、无显著性差异，同时区内地形平坦，起伏变化较小，影响区域土壤盐分空间分布的主要控制性因素包括海岸线变迁、地下水埋深与TDS值、土地利用方式和气象因素等。

4.1 海岸线变迁

研究区土壤的形成主要受1194—1855年黄河夺淮影响，黄河夺淮为苏北地区带来的大量泥沙在海岸边形成水下堆积体而逐渐出海成陆，而海水的周期性浸渍为滨海地区土壤和地下水带来了大量的盐分。根据连云港市志记载，1128—1578年连云港海岸线每年向东延伸10～20 m，海岸线由板浦一带推进到东辛处(现东辛农场处)，而1578—1855年黄河水全部由淮入海期间，海岸线每年向东推进100 m以上，烧香河以东地区土壤多形成于该时间段内。研究区土壤成陆时间的差异使得区域土壤和地下水淡化程度亦不相同，由研究区东侧近海处至内陆地区，距海越远，成陆时间越久，土壤和地下水淡化程度越高，土壤盐分含量越低。

4.2 地下水埋深与TDS值

基于地下水环境监测井实测数据,得到研究区地下水埋深和TDS值的空间分布图，见图6。

由图6可见，研究区东侧区域距离海水较近，其受到海水的侧渗和溯河流倒灌作用显著，同时该区域分布大面积的晒盐池和虾塘，所蓄咸卤水进一步补给区域地下水，使得该区域地下水相较于研究区西侧地下水埋深较浅，矿化度较高。

图6 研究区地下水埋深和TDS值空间分布图Fig.6 Distribution of TDS content and burial depth of regional groundwater in the study area

研究区地下水埋深和TDS值空间分布的差异性势必会对区域土壤盐分分布造成影响。研究区表层土壤盐分含量与地下水埋深和TDS值的关系图，见图7。

图7 研究区表层土壤盐分含量与地下水埋深和TDS值的关系图Fig.7 Relationship between salt content of topsoil and TDS content and burial depth of groundwater in the study area

由图7可见，研究区内表层土壤盐分含量与区域地下水埋深和TDS值之间呈现出显著的指数关系，这可能是由于在毛细作用影响下地下水中的盐分会随水分的迁移而向上运移，造成表层土壤盐分的积聚，故地下水埋深越浅，TDS值越高，对土壤盐分含量的影响越为明显。地下水波动范围内的土层和下部最低潜水位以下的土层，因受到地下水的直接浸渍，使其易溶盐的含量与地下水中TDS值密切相关，因此区域地下水埋深与TDS值空间分布的差异性也是影响研究区土壤盐分空间分布的另一重要的环境因素。

4.3 土地利用方式

除自然因素影响外，研究区东西两侧土地利用类型的差异也对区域土壤盐分空间分布格局产生重要的影响。研究区西侧主要为东辛农场所在地，区域土地利用类型以农业用地为主，在农业灌溉和稻田蓄水的过程中，下渗的水分会淋洗土壤中的盐分，使表层土壤中的盐分随水分下渗并向深层土壤迁移，从而使表层土壤及浅部地下水逐渐淡化脱盐，故土壤盐分含量垂向分布特征表现出随深度的增加土壤盐分逐渐增加的变化趋势；而研究区东侧土地主要为徐圩盐场的晒盐用地及配套的输水河道，从1840年起该区域即建有刘圩盐滩，在常年引海水晒盐的过程中，伴随着海水的蒸发浓缩作用，表层土壤积聚了大量盐分，从而造成该地区表层土壤盐渍化程度严重，并表现出土壤盐分表聚的剖面特征。由此可见，区域土壤盐分空间分布除受到自然影响因素的驱动作用外，人类活动也是不可忽视的重要影响因素之一。

4.4 气象因素

气象因素是影响研究区土壤盐分年内动态变化的最直接环境因素，其中以降水、蒸发两要素影响最为明显，从研究区土壤原位监测点位处土壤水盐动态来看(见图5)，土壤盐分动态与区内降水、蒸发变化情况密切相关，其主要原因在于研究区属湿润性季风海洋气候，降雨量大但年内分布不均，多集中于4～8月份，雨季期间受频繁降雨的影响表层土壤盐分随水分向下迁移，以淋盐作用为主，土壤盐分呈现出脱盐趋势，而非雨季期间降雨稀少，受蒸发作用的影响，高矿化度的地下水以及底层土壤中的盐分随毛细水向地表迁移，使得表层土壤呈现出积盐趋势，故受研究区气象因素季节性变化的影响，研究区土壤盐分形成了脱盐-积盐过程交替发生的动态变化特征。

5 结 论

(2) 研究区各层位土壤盐分均表现出中等程度的空间自相关性，其空间分布受随机因素和结构性因素的共同影响；土壤盐分总体呈现出“东高西低”的水平向分布格局，在垂向分布上土壤盐分剖面特征表现出底聚型和表聚型两种主要类型。

(3) 土壤水盐动态监测结果显示，表层土壤脱盐-积盐过程交替发生，监测期内2019年8月至2020年4月属积盐期，2020年4月至8月属脱盐期。

(4) 海岸线变迁、地下水埋深与TDS值、土地利用方式的差异是影响研究区土壤盐分空间分布特征的主要环境因素，气象因素是影响研究区表层土壤盐分年内动态变化的直接环境因素。