上海臨港園林綠化吹填土鹽基離子分布特征

馬 想，伍海兵，蔡永立，何小麗，梁 晶

（1.上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院,上海 200232；2.上海城市困難立地綠化工程技術(shù)研究中心,上海 200232；3.上海交通大學(xué),上海 200030）

濱海地區(qū)土壤由于受成土母質(zhì)、地下水和區(qū)域氣候等的影響，土體內(nèi)部可溶性鹽基離子會隨土壤水分的運動逐漸向上層運移，從而形成鹽堿土［1］。吹填土是一類特殊的濱海鹽堿土，是在整治和疏通江河航道時，用挖泥船和泥漿泵，將江河和港口底部的泥沙通過水力吹填而形成的沉積土，屬人為土范疇［2］。土壤鹽堿化會影響植物的正常生長，并對濱海地區(qū)城市園林綠化的可持續(xù)發(fā)展形成制約。土壤鹽分特征研究是鹽堿土開發(fā)利用和土壤鹽堿化防治的基礎(chǔ)［3-4］。吹填造陸是濱海城市開拓發(fā)展空間的有效途徑，吹填土是社會經(jīng)濟發(fā)展重要的國土資源［5］。為提高吹填土的利用潛力，深入研究吹填土鹽堿化特征及其空間分布規(guī)律，是合理利用鹽堿化資源，促進城市綠化可持續(xù)發(fā)展的重要保障。

近年來，生態(tài)環(huán)境建設(shè)得到高度重視，前人對于濱海鹽堿土的發(fā)生、發(fā)展過程及其治理進行了大量研究。對蘇北濱海和黃河三角洲的研究結(jié)果表明：濱海鹽堿土體中鹽分在表層含量大于深層，呈明顯的表聚型［6-7］。儲冬生等［6］對江蘇北部20塊濱海鹽堿土進行了調(diào)查，結(jié)果表明：蘇北鹽堿土中全鹽量和pH值之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤含鹽量高于0.3%時，楊樹的成活率、胸徑和樹高的生長速度均較低。張?zhí)炫e等［7］對黃河三角洲22塊濱海鹽堿土進行了調(diào)查，結(jié)果表明：Cl-和Na+是導(dǎo)致土壤鹽漬化的主要成分，土壤全鹽量與pH值呈顯著負相關(guān)關(guān)系［8］。為了加速土地面積的增長，通過人為吹填的方式造陸，可有效拓展城市的發(fā)展空間。與自然濱海鹽堿土性質(zhì)類似，吹填土的鹽分特征也受吹填母質(zhì)、地下水和氣候等的影響。李文峰等［9-10］研究表明：連云港地區(qū)吹填土的可溶性鹽含量為14.5%，青島地區(qū)吹填土可溶性鹽含量僅為0.86%，天津臨港吹填土土壤的平均含鹽量為2.1%。賈林等［11］對天津地區(qū)不同年限吹填土的理化特征進行了分析，研究表明：吹填0～15年的土壤全鹽量逐漸降低，但15～20年的土壤含鹽量又呈上升趨勢，相關(guān)結(jié)論可為北方濱海鹽堿土生態(tài)系統(tǒng)土壤恢復(fù)和管理提供理論指導(dǎo)。上海是我國東部沿海地區(qū)的特大城市，人工吹填給城市發(fā)展提供了寶貴的土地資源。然而，目前對于東部濱海鹽堿土的研究主要集中于自然土壤，對人工吹填后用于城市綠化建設(shè)的吹填土鹽基離子分布特征的研究較少。通過對上海市臨港地區(qū)吹填土鹽分狀況進行調(diào)查、分析，全面掌握了該地區(qū)土壤鹽基離子的含量和分布狀況，可為該地區(qū)吹填土的綠化建設(shè)和后期的灌溉管理提供理論指導(dǎo)，對于改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有積極的推動作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取上海臨港滴水湖東側(cè)受人為擾動較少的吹填土區(qū)域為研究對象，研究區(qū)土地利用類型為公共綠地和荒地。上海臨港滴水湖位于上海東南長江口與杭州灣的交匯處，屬亞熱帶季風性氣候，年均溫17.7 ℃，年降雨量1407.9mm，年蒸發(fā)量1129.6mm，地表蒸發(fā)比較強烈［12］。滴水湖區(qū)域地勢低平，江、河、湖、海水位較高，地下水埋深平均為0.59 m，土地處于高度漬水狀態(tài)，其成土過程深受海水長期浸漬的影響。土壤質(zhì)地以粉砂壤土和砂質(zhì)壤土為主，研究區(qū)土壤有機質(zhì)含量平均為7.97 g/kg。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 土壤取樣 于2019年8月進行土壤采樣，共設(shè)置26個采樣點，采樣點分布見圖1。采用土鉆進行分層取樣，其中表層為0～20 cm、中層為20～40 cm、深層為40～80 cm。各采樣點均為混合樣，在采樣點4 m2范圍內(nèi)，通過棋盤法采集5個樣品進行混合，然后通過四分法留取1 kg混合樣，最后共取得78個土壤樣品。

圖1 采樣點分布

1.2.2 土壤分析 將野外采集的土壤樣品在實驗室自然風干、磨碎并過2 mm篩后備用。所有樣品均制備1∶5土水比浸提液。樣品測試分析依據(jù)《土壤農(nóng)化分析》［13］，CO32-、HCO3-采用雙指示劑滴定法測定；Cl-采用AgNO3滴定法測定；SO42-采用EDTA間接滴定法測定；Ca2+、Mg2+采用原子吸收光譜法測定；K+、Na+采用火焰光度法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2016軟件整理后，采用R 4.0.1軟件進行統(tǒng)計和主成分分析，采用Sigmaplot 14軟件進行繪圖。變異系數(shù)（CV）反映土壤特性的空間分布離散程度，CV≤10%時屬于弱變異性、10%＜CV≤100%為中等變異性、CV＞100%則呈強變異性［14］。

2 結(jié)果與分析

2.1 吹填土鹽基離子的總體分布情況

2.1.1 吹填土鹽基離子描述性統(tǒng)計分析 由圖2可知，臨港吹填土剖面8種主要鹽基離子總量約為14.93 g/kg，標準差為13.10 g/kg，變異系數(shù)為88%，屬于中等變異性。在Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、CO32-和HCO3-這8種主要鹽基離子中，變異系數(shù)最大的為CO32-，變異系數(shù)達288%，屬于強變異性，吹填土CO32-平均含量約為0.008 g/kg，標準差為0.0235 g/kg；其次為Cl-，變異系數(shù)達113%，屬強變異性，吹填土Cl-平均含量約為8.90 g/kg，標準差為10.06 g/kg。吹填土HCO3-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-含量均為中等變異性，變異系數(shù)范圍為24%～86%，這些離子根據(jù)變異系數(shù)大小分為3組：Mg2+和SO42-變 異 系 數(shù) 接 近，在24%～29%之間；Ca2+和K+變異系數(shù)接近，在46%～51%之間；HCO3-和Na+變異系數(shù)接近，在75%～86%之間。吹填土鹽基離子含量則表現(xiàn)為：Cl-＞Na+＞SO42-＞K+≈。

圖2 吹填土鹽基離子的總體分布特征

2.1.2 各鹽基離子占比和鹽漬化分類 吹填土樣品的易溶鹽主要是由、Ca2+、Mg2+、K+、Na+組成。本研究區(qū)域吹填土土壤中8種主要離子占總鹽的比例如圖3所示。由圖3可知，吹填土土壤陽離子以Na+含量最高，占比達25.2%，其次為K+3.5%、Mg2+1.7%，Ca2+占比最低，僅0.6%。陰離子以Cl-最高，約占56.1%；次 之，為9.5%；再 次 之，為3.3%；最低，僅為0.1%。

圖3 吹填土中各鹽基離子占比

中國土壤學(xué)會鹽漬土專業(yè)委員會對土屬劃分的標準［15］：鹽漬化類型分為氯化物型、硫酸鹽—氯化物型、氯化物—硫酸鹽型、硫酸鹽型，其Cl-/SO42-當量濃度比分別為＞2.0、1.0～2.0、0.2～1.0、＜0.2。表1為本研究區(qū)域吹填土鹽漬化類別劃分的統(tǒng)計參數(shù)。由表1可知，上海臨港地區(qū)吹填土均屬于氯化物型，Cl-/SO42-當量濃度比最小為2.6，最大為98.1；Cl-/SO42-當量濃度比的中位數(shù)和平均值隨著土壤層次的加深而逐漸變大，且Cl-/SO42-當量濃度比的最大變異系數(shù)為40～80 cm土層，約為上層土壤的2倍。

表1 吹填土鹽漬化類型統(tǒng)計表

2.2 不同土層鹽基離子分布情況

將測定的8種主要鹽基離子進行累和，可表征土壤可溶性鹽的總量（圖4），由圖4可知，上海臨港地區(qū)吹填土可溶性鹽總量在垂直空間上隨著土壤層次的變深而增加的趨勢，但通過多重比較分析表明，各層之間無顯著差異。吹填土可溶性鹽總量在垂直空間上呈均勻分布。

圖4 土壤剖面可溶性鹽基離子總量垂直變化

由圖5可知，不同深度吹填土中陽離子均以Na+為主，陰離子均以Cl-為主。同一鹽基離子含量占比在不同土壤層次間無顯著差異。Cl-含量占比與Na+無顯著差異，但顯著高于其他離子。Na+含量占比與Cl-和SO42-無顯著差異，但顯著高于其他離子。

圖5 不同土層鹽基離子占比

2.3 鹽基離子相關(guān)性和主成分分析

研究表明：HCO3-與Ca2+之間存在著顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.41；HCO3-與Mg2+之間存在正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.44，表明HCO3-與Mg2+存在一定同源性，且重碳酸鹽主要成分為鎂鹽（表2）。Cl-與K+、Na+之間存在著極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.56和0.69，說明氯化物的主要成分為鈉鹽和鉀鹽，且鈉鹽占比更大。SO42-與Mg2+之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.43，說明上海臨港地區(qū)吹填土中的硫酸鹽類物質(zhì)主要為硫酸鎂。K+與Na+之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.87。吹填土離子總量與Cl-、K+、Na+含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.97、0.71和0.84。土壤pH值與CO32-和HCO3-呈顯著或極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.39和0.78；吹填土pH值與Ca2+呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.55。

表2 吹填土不同鹽基離子的相關(guān)性

2.4 鹽分離子主成分分析

2.4.1 特征值及貢獻率 將吹填土8種主要鹽基離 子Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、CO32-和HCO3-在土壤剖面中的含量作為統(tǒng)計分析指標。以主成分特征值大于1為依據(jù)，確定保留的因子個數(shù)，并計算各鹽基離子與主成分的相關(guān)系數(shù)。由表3可知，特征值大于1的3個主成分，其累計貢獻率為75.7%，其中，主成分PC1、PC2、PC3的貢獻率分別為36.5%、22.6%、16.6%，第1主成分PC1解釋率約為第2主成分PC2和第3主成分PC3之和，表明第1主成分所包含鹽基離子分布信息最多，對吹填土鹽分含量影響最大。主成分PC1特征值為2.92，可以反映約3個指標的主要信息。主成分PC2特征值為1.81，可以反映約2個指標的主要信息；主成分PC3特征值為1.33，可以反映至少1個指標的信息。

表3 8種主要鹽基離子分布特征值及貢獻率

2.4.2 主成分因子載荷 因子載荷可以表征各鹽基離子在主成分中的相對重要性。PC1軸上Na+、K+和Cl-載荷較大，分別為0.914、0.894和0.718；Mg2+次之，為0.6000。由圖6可知，8種主要鹽基離子中，Na+、K+和Cl-表現(xiàn)為明顯的聚集，分布于PC1軸的正端，表明其與第1主成分呈顯著正相關(guān)，因此主成分PC1軸可主要表征濱海地區(qū)海水中氯化物對吹填土鹽基離子分布的影響。PC2軸上Ca2+和HCO3-載荷較大，分別為-0.708和0.703；Mg2+次之，為0.560。PC3軸上SO42-載荷較大，為0.750；Ca2+和CO32-次之，分別為0.547和0.520。根據(jù)鹽基離子載荷大小，主成分PC2和PC3主要表征了土壤礦物對鹽基離子分布的影響。

圖6 吹填土鹽基離子分布主成分分析

2.4.3 主成分綜合得分 主成分綜合得分可直觀地表達各因子與主成分之間的線性關(guān)系，并定量化各鹽基離子對主成分的影響。表4為各鹽基離子在主成分上的得分系數(shù)，根據(jù)得分系數(shù)可構(gòu)建主成分得分方程：

表4 各鹽基離子得分系數(shù)

式 中x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8分 別 表 示 標 準化后的CO32-、HCO3-、Cl-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-含量。以特征值大于1的3個主成分得分F1、F2、F3為變量，以各主成分貢獻率占累積貢獻率的比例為權(quán)重，構(gòu)建各點位土壤鹽基離子指標綜合得分模型F，根據(jù)綜合得分對臨港滴水湖周圍地區(qū)土壤鹽基離子分布特征進行綜合分析。計算公式如下：

在綜合得分模型中，Mg2+和SO42-得分系數(shù)較大，分別為0.328和0.287，在綜合得分中起關(guān)鍵作用。Cl-和Ca2+得分系數(shù)較小，對綜合得分的影響不大。通過綜合模型計算，研究區(qū)域土壤鹽分綜合得分范圍在-2.10～1.41之間，在26個采樣點中，12個點位綜合得分小于0，綜合得分標準差為0.95。對各取樣點土壤在不同標準下得分進行排序（表5），受鹽漬（中性鹽基離子）化影響最大的為8號采樣點，18號采樣點次之；受鹽堿（堿性鹽基離子）化影響最大的為14號采樣點，17號采樣點次之。

表5 各取樣點主成分得分

3 討論

董陽等［16］研究表明：上海臨港滴水湖周圍地區(qū)，10.26%為輕度鹽化土壤，3.42%為中度鹽化土壤，4.27%為重度鹽化土壤，3.42%為鹽土。本研究結(jié)果表明：上海臨港滴水湖周圍地區(qū)吹填土全鹽量平均為14.93 g/kg，標準差為13.10，變異系數(shù)為88%，為重鹽土類型（全鹽量≥4.00 g/kg）。賈林等［11］對濱海吹填土鹽分含量進行了跟蹤監(jiān)測，結(jié)果表明：吹填2年后土壤全鹽量為30.2 g/kg，15年后土壤全鹽量降至12.6 g/kg，表明自然狀態(tài)下濱海吹填土全鹽量會受到淋溶和植被等影響而逐漸降低。但經(jīng)過15年的自然恢復(fù)條件下，吹填土全鹽量依然高達12.6 g/kg，屬于重度鹽堿土壤，顯著高于《綠化種植土》［17］標準的要求（全鹽量≤1.5 g/kg）。因此，在吹填土區(qū)域進行園林綠化建設(shè)時，需要重點對土壤鹽分含量進行檢測，若超過相關(guān)標準的要求，需采用人工脫鹽等改良方式對土壤進行改良，以滿足植物健康生長的土壤環(huán)境條件。添加有機肥和園林綠化廢棄物可顯著提高鹽堿土的脫鹽效率，并有效抑制脫鹽堿化，同時還可改善土壤肥力［18-21］，是吹填土改良的有效手段。

李二煥等［22］研究表明：土壤鹽分在剖面中的分布狀況與距離海口的遠近相關(guān)，距離海口較近時為表聚型，隨著距離的變大逐漸變?yōu)檎鹗幮秃途鶆蛐汀１狙芯恐型寥啦蓸狱c主要分布于滴水湖東面，靠近海岸，但鹽基離子總量在剖面分布上呈均勻型，上層和下層無顯著差異，這可能與該區(qū)域吹填造陸時間較長，自然恢復(fù)過程中地表已有植被覆蓋，有效抑制了地表水分蒸發(fā)和可溶性鹽基離子的地表轉(zhuǎn)移過程有關(guān)；也可能與取樣點距離水面均較近，土壤水分充足，土體整體處于濕潤狀態(tài)，鹽分可以在土體均勻分布有關(guān)。滴水湖區(qū)域吹填土剖面鹽基離子含量最高的為Na+和Cl-，表現(xiàn)為典型的濱海帶鹽堿土鹽基離子地帶性分布特征［5，8，23］。同時，吹填土剖面中Na+、Cl-均表現(xiàn)為深層顯著高于表層，這與二者為強淋溶元素，在土壤中主要以擴散與淋失2種方式移動有關(guān)，一方面是由于土壤的鹽分組成與海水一致，氯化物占絕對優(yōu)勢，另一方面與海風刮起的小粒徑海水水珠的自然沉降有關(guān)，此外，還與海平面上升，海水順著下水道倒灌導(dǎo)致城市低洼處土壤鹽分含量較高有關(guān)［24］。

土壤中鹽基離子的相關(guān)性能在一定程度上反映出鹽分在土壤剖面中的存在形態(tài)［3］。上海臨港吹填土陽離子以Na+含量最高，占比達25.2%；陰離子以Cl-最高，約占56.1%，且Na+和Cl-呈極顯著正相關(guān)，表明土壤中鹽分主要以NaCl形式存在。研究區(qū)域土壤鹽漬化類型均為氯化物型，與天津濱海新區(qū)的吹填土鹽基離子分布特征基本一致［23］，這與濱海區(qū)域土壤水分與海水進行交換后鹽基離子的富集有關(guān)。研究區(qū)土壤pH值與鹽基離子總量無顯著相關(guān)性，這可能與滴水湖區(qū)域土壤鹽基離子以Cl-和Na+等中性離子為主，鹽基離子總量的增加對土壤pH值的影響不大有關(guān)。但土壤pH值與CO32-和HCO3-含量呈顯著正相關(guān)，這是因為研究區(qū)土壤pH值8.72～10.50，屬于堿性土壤，而CO32-和HCO3-是土壤中主要的堿性鹽基離子，對土壤pH值的升高具有較高的貢獻率。值得注意的是土壤pH值與Ca2+呈顯著負相關(guān)，這是因為Ca2+可以置換Na+和K+，置換下的離子可以通過淋洗排出土體，同時Ca2+可以與CO32-形成碳酸鈣沉淀，從而降低土壤堿度［25］。

土壤中各種可溶性離子含量的空間變異性強，難以精確定量描述土壤鹽分及各離子含量的分布特征。因此，對土壤中的Cl-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、CO32-和HCO3-含量進行主成分分析，通過降維將多個指標轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標，從而獲取具有代表性和限制性的土壤鹽漬化特征因子［26］。主成分分析的結(jié)果表明：前3個主成分可解釋吹填土鹽基離子分布特征信息的75.7%，其中第1主成分解釋率達36.5%。在第1主成分上，Cl-、Na+和K+載荷最大，在研究區(qū)土壤中Cl-、Na+和K+是主要的鹽基離子，因此在PC1軸上得分較高的取樣點，受土壤鹽漬化脅迫較大。第2主成分、第3主成分上載荷較大的離子分別為Ca2+、HCO3-和SO42-，主要表征了成土母質(zhì)對土壤鹽基離子分布的影響，同時，濱海吹填土pH值呈堿性，而CO32-和HCO3-是土壤中主要的堿性鹽，因此，在PC2軸上得分較高的取樣點，主要受土壤堿度的脅迫較高。根據(jù)主成分分析結(jié)果，可以對土壤鹽堿化脅迫進行分類，進而為土壤鹽堿治理提供有針對性的指導(dǎo)。

4 結(jié)論

上海臨港吹填土均為氯化物型鹽漬土，土壤可溶性鹽基離子以Cl-、Na+和SO42-為主，占鹽基離子的總量分別為56.1%、25.2%、9.5%。吹填土鹽基離子總量變幅為2.4～55.2 g/kg，在垂直空間上表現(xiàn)為均勻分布。土壤全鹽量與Cl-、K+、Na+含量呈顯著正相關(guān)，土壤pH值與CO32-和HCO3-呈顯著正相關(guān)，土壤pH值與Ca2+呈顯著負相關(guān)，吹填土鹽基離子主要來源于氯化物和硫酸鹽。主成分分析表明，3個特征值大于1的主成分累積解釋率為75.7%，Cl-和Na+在PC1（36.5%）因子載荷最大，可作為上海臨港吹填土鹽分的表征。