內(nèi)蒙古高原內(nèi)流區(qū)土壤水溶鹽空間變異特征及其影響因素

袁磊，吳庭雯，韓雙寶，張秋霞,李甫成

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；2.中國地質(zhì)調(diào)查局地下水勘查與開發(fā)工程研究中心，河北 保定 071051)

土壤水鹽狀況是干旱-半干旱區(qū)最重要的生態(tài)環(huán)境限制因子，掌握土壤水鹽空間變異特征與影響因素對于流域土壤鹽漬化防控、半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展和植物多樣性保護均具有重要意義。國外學(xué)者用地統(tǒng)計學(xué)和實測模擬等手段對小尺度干旱區(qū)土壤水鹽在地質(zhì)和環(huán)境因素影響下的變異性進行了分析(李玉義等，2007；葛廣華等，2016)；國內(nèi)學(xué)者在瑪納斯河、黑河、塔里木河、艾比湖等西北干旱區(qū)也進行了較多的研究，內(nèi)容涉及不同條件下土壤水鹽空間異質(zhì)性和影響評價、荒漠區(qū)生態(tài)修復(fù)和水鹽動態(tài)平衡等方面(王化齊等，2019；李小倩等，2017；陳麗娟等，2013；聶浩剛等，2004)。土壤水鹽狀況是具有時空變異特征的狀態(tài)參數(shù)，天然條件下，土壤水鹽狀況由流域地形地質(zhì)與水文氣象條件決定。隨著城市建設(shè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉蓬勃發(fā)展，大規(guī)模抽采地下水和灌溉也顯著影響了土壤水鹽分布(袁磊等，2020；趙望龍等，2016)。現(xiàn)有研究多集中在西北干旱區(qū)水鹽分布特征，針對半干旱-半濕潤過渡區(qū)的水鹽空間變異特征、影響因素及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究相對較少。筆者以內(nèi)蒙古高原東南部邊緣安固里淖小流域為例，對流域內(nèi)水鹽狀況分布和主要影響因素進行了分析，為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與分析方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古高原東南部地處中國地理二三級階梯和半干旱-半濕潤區(qū)的過渡位置，是華北平原和北京的天然綠色屏障，由于氣候、地形、構(gòu)造等原因，形成一系列內(nèi)流湖淖組成的內(nèi)流區(qū)。筆者選取其中具有典型特征的安固里淖流域作為研究區(qū)，其為獨立的地下水內(nèi)流區(qū)，面積約3 500 km2，有“壩上草原”的美譽。

研究區(qū)屬典型的半干旱大陸性氣候，多年平均降水量為377.7 mm，降水主要集中于5～9月份，多年平均氣溫為10.1 ℃，多年平均蒸發(fā)量為1 655.1 mm。研究區(qū)為內(nèi)陸河系，天然條件下地表水最終匯入安固里淖和黃蓋淖蒸發(fā)排泄。研究區(qū)地貌分為構(gòu)造剝蝕熔巖臺地、侵蝕堆積河谷平原、構(gòu)造剝蝕丘陵3種類型。地形上整體為四周高、中北部低，呈湖盆狀。

受巖漿活動與構(gòu)造控制(圖1)，研究區(qū)內(nèi)西南部—中部被中新世漢諾壩組玄武巖覆蓋，厚度多在50～300 m。玄武巖多期噴發(fā)間歇有河湖相沉積形成的古風(fēng)化殼，厚2～5 m，玄武巖產(chǎn)狀近水平，微傾向北東。東南部與北部受新太古界—中元古代巖漿侵入與后期構(gòu)造抬升影響，主要巖性為花崗巖、凝灰?guī)r。研究區(qū)內(nèi)土壤母巖以玄武巖為主，其次為花崗巖與凝灰?guī)r。巖礦鑒定其主要礦物成分為斜長石、單斜輝石、橄欖石、石英等。地下水主要接受降雨入滲補給。

天然條件下，熔巖臺地區(qū)地下水徑流方向主要受地形控制，以散流為主；河谷區(qū)徑流與地表河流流向一致，匯入下游湖淖區(qū)(吳庭雯等，2020；夏含峰等，2018)。而隨著過度開采地下水資源后，人工抽采地下水成為流域主要排泄方式，目前河流僅在補給區(qū)有地表徑流，至中游逐漸入滲消亡，安固里淖已干涸長達十幾年。隨著高耗水蔬菜種植業(yè)的興起，中游徑流區(qū)開始了大規(guī)模的機井抽采地下水+大水漫灌形式的種植結(jié)構(gòu)，加劇了水資源的消耗，同時不合理的灌溉加上排水不良容易引發(fā)堿災(zāi)。

1.2 樣品采集與測試分析方法

本次在安固里淖流域部署的野外調(diào)查與取樣工作包括采集土壤樣、實測取樣點附近地下水水位埋深和礦化度、采樣點附近植物調(diào)查。采樣點布設(shè)原則為沿主要地下水徑流方向，共部署28個取樣點，分布于流域的補給區(qū)、徑流區(qū)、排泄區(qū)和主要人類活動影響區(qū)(圖1)。此外，為對比古風(fēng)化殼與表層土壤水溶鹽狀況，本次取鉆孔古風(fēng)化殼樣品10個。土壤水溶鹽分析和化探分析由野外取樣后送實驗室采用原子吸收分光光度等方法測定，地下水水位埋深和礦化度采用高精度便攜式水位尺和水質(zhì)快速檢測儀現(xiàn)場測定，植物調(diào)查采用樣方法。

圖1 (a)采樣點分布與地質(zhì)簡圖、(b)研究區(qū)位置圖Fig.1 (a)Hydrogeology diagram of study area and (b)the location map of study area

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水溶鹽空間分布特征

表1 描述性統(tǒng)計分析表Tab.1 Descriptive statistics analysis

表2 相關(guān)性矩陣表Tab.2 Correlation matrix

表3 補給區(qū)-徑流區(qū)-排泄區(qū)土壤易溶鹽含量對比表Tab.3 Comparison of soil soluble-salt content in recharge area-runoff area and discharge area

相應(yīng)土壤樣的化探分析結(jié)果表明，Mg、Na、K、Ca、S、Cl含量均呈正態(tài)分布(偏度為-2～3)，其中Mg、K在流域分布上無明顯規(guī)律變化，Na、Ca、S、Cl元素含量表現(xiàn)出由補給區(qū)到排泄區(qū)明顯增多的趨勢。說明Ca、S、Cl相關(guān)礦物是流域地下水循環(huán)的主要參與組分，其伴隨著地下水流動由補給區(qū)向排泄區(qū)遷移，是流域母巖溶濾、陽離子交換、蒸發(fā)濃縮的主要成分，這與水溶性離子的變化規(guī)律大致相同。

2.2 土壤全鹽量與地下水關(guān)系

土壤全鹽量是反應(yīng)土壤鹽分的綜合性指標，對其空間分布變化和影響因素分析可全面掌握流域鹽分變化規(guī)律。對比圖2、圖3可知，安固里淖流域土壤全鹽量分布和地下水礦化度分布具有較強的一致性。土壤全鹽量累計主要沿地下水主徑流帶向排泄區(qū)匯集。

圖2 流域土壤全鹽量分布圖Fig.2 Distribution map of soil total salinity in the basin

圖3 流域地下水礦化度分布圖Fig.3 Distribution map of groundwater salinity in the basin

進一步對比全鹽量與地下水礦化度散點圖(圖4)可知，由補給區(qū)至排泄區(qū)，土壤全鹽量與淺層地下水礦化度呈顯著相關(guān)(P<0.01)，表明土壤積鹽與高地下水礦化度有直接關(guān)系(張楠楠，2018)。但高地下水礦化度并不是土壤積鹽的充分條件，土壤積鹽還受地下水位埋深、地下水水力梯度的控制，通常發(fā)生于水位埋深小和水力梯度小的地下水排泄區(qū)(徐超璇等，2020)。

由圖5可見，全鹽量與低地下水位埋深關(guān)系密切，結(jié)合歷史資料，安固里淖流域未大規(guī)模抽采地下水時，湖淖區(qū)常年接受地表地下水補給，湖淖周邊地下水位埋深多小于1m，地下水礦化度多大于1g/L，地下水水力梯度多小于3×10-4，加上氣候條件，構(gòu)成了安固里淖排泄區(qū)的積鹽條件。

圖4 全鹽量與地下水礦化度關(guān)系圖Fig.4 Relationship between total salinity and groundwater salinity

圖5 全鹽量與地下水位埋深關(guān)系圖Fig.5 Relationship between total salt content and groundwater table depth

2.3 古風(fēng)化殼土壤與表層土壤對比

表4 古風(fēng)化殼土壤與表層土壤對比表Fig.4 Comparison of paleo-weathering crust soil and topsoil

2.4 生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析

近20年來，隨著安固里淖流域城鎮(zhèn)建設(shè)和高耗水蔬菜種植業(yè)的快速發(fā)展，處于徑流區(qū)的縣城水源地和農(nóng)業(yè)灌溉集中開采大幅減少了下游湖淖區(qū)的地下水補給量，人工抽采地下水顯著改變了原始條件下的地下水流動系統(tǒng)，流域內(nèi)土壤水鹽分配發(fā)生變化(王超等，2010；王強民，2016)。如圖6所示，一方面排泄區(qū)來水量的大幅減少引發(fā)了湖淖干涸和土壤鹽漬化；另一方面在徑流區(qū)地勢平坦、排水不暢的區(qū)域，農(nóng)業(yè)灌溉使得地下水位居高不下，地下水流動滯緩，形成了新的土壤積鹽區(qū)，容易形成澇災(zāi)和堿災(zāi)。

圖6 流域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)圖Fig.6 Effect map of watershed ecological environment

此外，土壤水鹽分布特征也顯著影響了植物多樣性和群落結(jié)構(gòu)(Rahul T et al.，2015)，排泄區(qū)湖淖干涸使得生境條件進一步惡化，安固里淖濕地水生-濕生-中生-旱生不同類型混生群落結(jié)構(gòu)已變?yōu)橐喳}爪爪(Kalidiumfoliatum)、堿篷(Suaedaglauca)和披堿草(Elymusdahuricus)群落為主的荒漠旱生群落，濕生-中生植物群落僅呈小斑塊殘存。另外徑流區(qū)中的次生鹽堿化區(qū)也呈現(xiàn)出群落多樣性喪失、披堿草逐漸成為優(yōu)勢種的現(xiàn)象。

3 討論

研究區(qū)土壤水溶鹽受地形、地下水循環(huán)條件差異等影響呈現(xiàn)出沿地下水徑流方向，由補給區(qū)到排泄區(qū)逐漸升高的現(xiàn)象，本次研究未考慮沿地下水徑流方向地貌、氣候、農(nóng)業(yè)施肥等條件差異，對垂向上不同深度土壤積鹽情況未作取樣與分析，進一步探究土壤水溶鹽空間變異性時需再深入研究。

本研究初步確定了安固里淖流域土壤積鹽條件，分析了人類大規(guī)模抽采地下水條件下的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，流域地下水循環(huán)條件相比天然條件下變化較大。近年來，壩上地區(qū)通過關(guān)停部分農(nóng)用井、發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，生態(tài)環(huán)境逐漸向好，地下水位呈現(xiàn)恢復(fù)態(tài)勢，為進一步保護壩上地區(qū)生態(tài)環(huán)境，仍需進一步開展水量開采條件下的土壤水鹽動態(tài)和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究(Forkutsa I et al.，2009)。

4 結(jié)論

(2)安固里淖流域處于土壤積鹽的早期階段，土壤積鹽易發(fā)生于地下水位埋深小于1m、地下水礦化度大于1g·L-1、地下水水力梯度小于3×10-4的區(qū)域。

(3)受流域徑流區(qū)地下水超采與農(nóng)業(yè)灌溉影響，排泄區(qū)出現(xiàn)了地下水位下降、湖淖干涸和生態(tài)環(huán)境退化問題，同時徑流區(qū)排水不暢的區(qū)域有土壤次生鹽漬化的風(fēng)險。