黄三角濒海区土壤盐渍化的空间多尺度变异规律、驱动机制与预测预警

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黄河三角洲是我国濒海区土壤盐渍化典型地区,土壤盐渍化影响农业生产与土地资源的有效利用,是制约该地区可持续发展的主要因素。探明黄河三角洲土壤盐渍化的变异特征与驱动机制,进而实现盐渍化的预测预防与预警治理,是土壤资源合理利用的前提,对保障黄河三角洲粮食安全和农业可持续发展具有重要意义。本研究以黄河三角洲典型地区垦利区为研究区,分区域、地类、剖面三个尺度进行研究。区域尺度对应整个研究区,地类尺度分耕地、荒地代表类型,剖面尺度以土体构型为主要对象。区域和地类尺度通过野外采样,运用空间插值分析土壤盐渍化空间变异特征,提取气候、高程等因素空间分布数据,筛选确定主要影响因子,采用回归分析和地理探测器方法进行驱动力分析,探明其驱动机制,利用随机森林实现驱动模型构建。剖面尺度利用室内土柱试验方法,摸清垂直方向盐分分布规律,探明土体构型、地下水矿化度、地下水位、覆盖度对剖面水盐运移的驱动机制,利用多元线性回归实现剖面尺度盐渍化驱动模型构建。基于各尺度下驱动模型和历史数据预测秋季土壤盐渍化空间分布,以区域土地生态利用和作物产量作为预警等级划分依据,实现多尺度盐渍化预警,为盐渍化预防和治理提供理论依据和技术支持。主要研究结果如下:(1)多尺度盐分空间变异规律区域尺度上,盐分空间分布为东高西低、北高南低的格局,自西南内陆至东北临海区土壤盐分含量逐渐升高,土壤盐渍化逐渐加重,黄河径流附近有明显差异,局部降低。地类尺度上,耕地土壤盐渍化水平较低,多数面积土壤含盐量在1.5–5.0 g·kg-1范围,整体分布为自西部至黄河口镇为轻、中度盐渍化区,东部平行海岸线分布条带状重度盐渍化区;荒地自西向东、自北向南土壤盐分等级不断提升,其盐分空间分布与区域尺度一致。剖面尺度上,矿化地下水对水位以上土体盐分影响厚度为130 cm,随地下水位抬升近地面最大可达140 cm;供水初期盐分自表层至模拟地下水位不断升高,土壤含盐量与剖面深度呈线性正相关,随观测时间增加表层积盐显著,盐分含量表层高,中部低,靠近供水位置再次升高。夹粘土体构型表层含盐量低于均质壤土构型,同一深度夹粘层上方盐分含量相对均质壤土构型降低。(2)多尺度盐渍化驱动机制区域尺度上,各因子对盐渍化驱动力强度为:海岸距离(0.7623)>地下水埋深(0.7266)>累计降水量(0.7241)>地下水矿化度(0.6974);多因子综合驱动力大于单因子驱动力,其中海岸距离减小、地下水埋深变浅、矿化度增加和累计降水量减少是区域盐渍化加重的重要驱动力;利用随机森林建立的盐渍化驱动模型精度最高,R~2达到0.9541。地类尺度上,不同地类盐渍化驱动力发生显著变化,各区域因子对耕地盐渍化驱动力强度为:黄河径流距离(0.6323)>海岸距离(0.6277)>累计降水量(0.5933)>地下水埋深(0.5776),特征因子中灌排设施有效抑制耕地盐渍化水平;各区域因子对荒地盐渍化驱动力强度为:累计降水量(0.8286)>地下水埋深(0.8216)>海岸距离(0.7895)>地下水矿化度(0.7625),特征因子中,微地形对荒地盐渍化影响最大;针对不同地类构建的驱动模型精度较高,耕地盐渍化驱动模型R~2为0.8792,荒地盐渍化驱动模型R~2为0.5266。剖面尺度上,各因子对剖面盐分分布驱动力强度为:地下水矿化度(0.6809)>地下水水位(0.3924)>夹粘层厚度(0.3268)>夹粘层深度(0.2925)。地下水矿化度、夹粘层深度与剖面电导率呈线性正相关,地下水埋深、夹粘层厚度与剖面电导率呈线性负相关。表层干草覆盖度与蒸发量呈线性负相关,通过蒸发量影响土体积盐。利用多元线性回归建立剖面尺度盐渍化驱动模型精度较高,R~2为0.9517。(3)盐渍化预测预警利用多尺度驱动模型实现了研究区不同尺度下秋季盐渍化的预测,区域盐渍化预测结果表明,秋季区域盐渍化水平增加,其中非盐渍化、轻度盐渍化面积共减少17.3%,中度和重度盐渍化土壤分别增加10.3%和3.45%;耕地盐渍化预测结果表明,东部盐渍化明显加重,面积呈南北条带状增加;剖面预测结果显示土壤含盐量随地下水位波动上升,在9月达到峰值。基于预测结果,针对区域土地生态和作物产量实现预警,区域预警结果表明:东北部土壤盐渍化预警级别较高,各预警等级分布范围自东向西平移且扩大;作物产量影响预警结果显示,棉花在秋季返盐时红色预警面积较小,小麦红色预警面积中等,玉米红色预警面积最广。本文通过对黄河三角洲濒海区土壤盐渍化的系统性、一体化研究,较好摸清了土壤盐渍化的多尺度变异特征及驱动机制,完成了剖面尺度土壤水盐运移过程的细致刻画,较好揭示了土体内不同驱动力影响下土壤水盐动态的控制机理,为濒海盐渍区水盐调控以及盐渍土利用管理提供了科学依据。
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