华北平原低地地区土壤盐度的空间异质性及其驱动因素

《Vadose Zone Journa》：Spatial heterogeneity and driving factors of soil salinity in the lowland area of North China plain

土壤盐渍化低平原区驱动机制及空间异质性研究基于河北沧州98个土壤剖面样本，采用随机森林与地理加权随机森林模型分析表明：土壤盐分呈现沿海至内陆递减趋势，可分为表面盐聚、中间盐聚、底盐聚及均一盐分四类剖面类型。地下水（20.4%）、气候（18.3%）和土壤物理性质（17.9%）为三大主控因子，空间权重模型显示沿海区以景观和水文为主，内陆区以地下水与水文地质因素主导，地理加权随机森林模型相比传统模型预测精度提升27%。

　　
土壤盐碱化作为全球性的环境问题，对农业生产力构成重大威胁。近年来，随着气候变化和人类活动的加剧，盐碱化土地面积持续扩大，其空间异质性和驱动机制的复杂性成为研究的重点。本研究以华北平原沧州地区为对象，通过98个剖面点、882个样本的采集与分析，结合随机森林（RF）与地理加权随机森林（GWRF）模型，系统揭示了土壤盐分的空间分布规律与驱动因素异质性，为精准化治理提供了科学依据。

### 研究背景与意义
土壤盐碱化是由自然过程与人类活动共同作用的结果。全球约7%的陆地面积（约10亿公顷）受盐碱化影响，其中30%的灌溉农田因管理不当导致次生盐渍化。华北平原作为我国重要粮食生产基地，其低平原地区因地下水位波动、地表径流滞留及灌溉制度不合理，土壤盐分动态呈现显著的空间分异特征。传统研究多聚焦单一驱动因子或大尺度趋势，难以揭示区域内部复杂的空间异质性。本研究创新性地引入GWRF模型，结合多维度环境因子，首次系统解析了沧州地区土壤盐分垂直剖面类型及其空间驱动机制。

### 研究方法与技术路线
研究构建了包含气候、水文地质、土壤理化性质及地形地貌的14项综合指标体系。数据来源涵盖气象部门提供的2013-2022年降水与温度数据、自然资源部门数字高程模型（DEM）及海岸线距离（CD），地质部门测量的地下水深度（GD）与总溶解固体（TDS），以及全国土壤信息网格的物理化学参数。通过分层抽样建立98个剖面点数据库，采样深度覆盖0-200cm，实现从表层至深层土壤的连续监测。

在模型构建中，采用改进的Boruta特征筛选算法，通过方差膨胀因子（VIF）控制多重共线性（VIF<10），最终保留14项核心变量。对比传统RF模型与改进的GWRF模型（引入高斯核权重矩阵），验证空间异质性建模效果。评估指标包括决定系数（R2）、平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE），通过K折交叉验证确保模型稳健性。

### 关键研究发现
1. **空间分布规律**
土壤盐分呈现明显的沿海-内陆递减梯度，盐分含量从东海岸（均值1.96g/kg）向西部内陆（均值1.22g/kg）降低。行政边界与盐分空间分异形成三级格局：东部沿海区（Huanghua、Haixing）集中高盐分区域（>5g/kg占32%），中部过渡带（Cangzhou、Wuqiao）盐分含量中等（2-5g/kg占61%），西部内陆区（Renqiu、Hejian）盐分普遍低于2g/kg。

2. **垂直剖面类型学**
基于盐分剖面特征，划分出四大类型：
- **表层富集型**（沿海区）：0-25cm盐分显著高于深层（如Haixing县表层盐分达5.8g/kg，深层仅1.2g/kg）
- **中层富集型**（过渡带）：25-100cm出现盐分峰值（如Cangzhou县中层盐分达3.4g/kg）
- **底层富集型**（内陆区）：200cm深度盐分浓度最高（达8.7g/kg）
- **均匀分布型**：全剖面盐分波动小于15%

3. **驱动因素异质性**
通过空间加权随机森林模型揭示，驱动因素的空间权重分配呈现显著分异：
- **沿海区**（占研究区30%）：地下水因素（GD、TDS）权重达42%，其中浅层地下水（<2.5m）与高TDS（>3g/L）区域盐分超标率高达78%
- **过渡带**（占40%）：地下水（GD权重提升至35%）与气候（TEM、PRE）形成协同驱动，暴雨后盐分表层富集率增加22%
- **内陆区**（占30%）：土壤物理性质（BD、CF）权重占比达41%，深层土壤盐分迁移受黏粒含量（>35%时迁移率降低58%）和砂粒孔隙（>25%时盐分渗透率提升3倍）共同调控

4. **模型性能对比**
GWRF模型较传统RF模型预测精度提升37%，MAE降低37%（0.12 vs 0.19），R2值提高0.16（0.75 vs 0.59）。空间权重分析显示：
- 地下水因素权重在沿海低地达峰值（0.82），向内陆递减（0.35）
- 气候因素（ETc）在过渡带权重最高（0.41），沿海区因蒸发强烈（年ETc达600mm）权重降至0.28
- 土壤物理性质（BD）在内陆区权重达0.48，沿海区仅0.19

### 创新性与应用价值
本研究突破传统研究框架，首次实现三大突破：
1. **空间分辨率提升**：通过高斯核权重矩阵（带宽50km），将预测精度从行政单元（县级行政区）细化至500m×500m网格单元，分辨率较常规GIS分析提升3倍
2. **多尺度驱动解析**：建立"地下水-气候-土壤"三级驱动模型，揭示沿海区地下水动态（潮汐作用导致TDS年波动达±0.8g/L）与地表蒸发（年蒸发量>800mm）的耦合效应
3. **治理策略优化**：识别出过渡带（Cangzhou、Wuqiao）存在地下水超采（年均下降0.5m）与灌溉水盐比失衡（>2.0）的叠加风险，提出分区治理方案：
- 沿海区：实施海水稻种植（耐盐阈值>5g/kg）与地下咸水层截留工程
- 过渡带：推广节水灌溉（ETc控制在350-400mm/季）与生物炭改良（施用量≥2t/ha）
- 内陆区：建设暗管排盐系统（间距50-80m）与有机肥替代化肥（N-P-K配比优化至2-1-1）

### 局限与展望
研究存在三方面局限：①样本时间跨度较短（2024年单一年份数据）；②未考虑深层地下水（>200m）的长期影响；③未建立动态模型预测气候变化情景下的盐碱化演变。未来研究将整合多源遥感数据（Sentinel-1/2时序影像），构建包含咸水入侵（GISI）、土壤结构演变（SSP）的耦合模型，并开展500m×500m网格的精准调控试验。

该研究为我国"南水北调"中线工程配套的沧州调水农业区提供了关键决策支持，特别是揭示了地下水位波动（±0.3m/年）与土壤盐分累积的滞后效应（响应周期3-5年）。通过GWRF模型的空间权重可视化（图9），管理部门可精准识别治理优先区，如将Haixing县表层盐分超标区域（占比27%）列为重点治理对象，其盐分浓度年下降速率需达到0.5g/kg·年才能实现耕地安全阈值（≤4g/kg）。

该成果入选2025年度中国农业环境科学进展十大应用技术，已在河北沧州、山东东营等5个盐碱化治理示范区推广，实施精准调控后土壤盐分年均下降0.3-0.8g/kg，作物产量提升12-18%，为全球同类地区治理提供了中国方案。