海水入侵对莱州湾东北沿岸农业生态系统健康的地下水质量威胁评估：基于灌溉风险视角

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Assessing groundwater quality threat to agricultural ecosystem health induced by seawater intrusion on the northeastern coast of Laizhou Bay: An irrigation risk perspective

　　

沿海农业系统本质上是地下水依赖生态系统（Groundwater-Dependent Ecosystems, GDEs），其可持续性受到海水入侵的威胁。然而，现有研究大多集中于水化学特征描述，而非提供空间显式的综合评估，将水化学过程与农业GDE健康风险通过客观赋权与机器学习方法联系起来。为填补这一空白，本研究聚焦莱州湾东北沿岸，建立“水化学分析—灌溉质量评价—风险评估”框架，系统研究海水入侵的影响，并对农业GDE开展综合风险评估。研究人员采用熵权法构建复合地下水灌溉风险指数（Composite Groundwater Irrigation Risk Index, CGIRI），并利用随机森林（Random Forest, RF）模型进行区域风险预测。结果表明，地下水主要为Cl-Ca·Mg型。海水入侵不仅增加了Cl^?浓度和海水混合指数（Seawater Mixing Index, SMI），还通过反向阳离子交换等水文地球化学作用协同提高了Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺和SO₄^2?的浓度。灌溉质量评价显示普遍存在盐度危害，基于潜在盐度（Potential Salinity, PS）指标，86%的地下水样本被归类为不适宜灌溉，且海水入侵具有诱发钠危害的潜力。熵权随机森林模型（R2 = 0.97）预测研究区以中风险为主（覆盖77.5%），风险等级向海岸线方向递增，且与海水入侵区（Seawater-intrusion Zone）密切相关。本研究生成的高分辨率风险图为分区地下水管理、耐盐作物种植和长期水质监测提供了直接的科学依据。所建立的综合框架可为全球其他受海水入侵影响的沿海地区评估GDE灌溉风险提供方法学参考。

论文解读：海水入侵胁迫下莱州湾东北沿岸农业地下水依赖生态系统灌溉风险评估

一、研究背景与科学问题

沿海农业生态系统本质上是地下水依赖生态系统（Groundwater-Dependent Ecosystems, GDEs），其可持续性直接取决于地下水资源的质与量。地下水供应了全球约三分之一的人类淡水取用量，在干旱与半干旱地区这一比例甚至超过90%。然而，气候变化与过度开采正不断打破淡水含水层与海水之间的水动力平衡，引发海水入侵这一全球性环境危机。当咸水用于灌溉时，会对作物产生渗透胁迫、特定离子毒性（如Cl^?和Na⁺），并导致土壤结构退化，共同威胁农业生态系统健康。

莱州湾东北沿岸是中国受海水入侵影响最为严重的地区之一。该区域地处暖温带大陆性季风气候区，年均蒸发量（约2000 mm）显著超过年均降水量（658 mm），形成高度水文亏缺，导致农业灌溉高度依赖地下水。2020年土地利用遥感数据和烟台市水资源公报分析表明，农业用地是该区域的主导土地利用类型，地下水为灌溉用水的主要来源，因此该区域农业系统可定义为人为主导的GDE。然而，现有研究多聚焦于水化学特征描述，缺乏将水化学过程与农业GDE健康风险相联系的空间显式综合评估。具体而言，存在以下研究空白：第一，多数研究关注一般灌溉适宜性，而非海水入侵对农业GDE健康的具体威胁；第二，虽有研究将机器学习与水质指数结合，但鲜有将熵权法与随机森林相结合以构建针对沿海农业生态系统的专用风险指数；第三，包括莱州湾东北沿岸在内的许多海水入侵易发区域，仍缺乏将水化学过程与生态系统级风险相联系的空间显式评估。为此，研究人员确立了三个研究目标：（1）分析海水入侵现状及其对农业相关关键地下水水质参数的影响；（2）采用熵权法构建客观反映农业GDE威胁的复合地下水灌溉风险指数（Composite Groundwater Irrigation Risk Index, CGIRI）；（3）运用随机森林（Random Forest, RF）模型预测并绘制整个研究区的CGIRI空间分布，提供综合可视化风险评估。该论文发表于《Ecotoxicology and Environmental Safety》。

二、关键技术方法

本研究采用以下关键技术方法：（1）水化学分析：利用Piper图进行地下水水化学类型分类，采用水化学相演化图（Hydrochemical Facies Evolution Diagram, HFE-D）和海水混合指数（Seawater Mixing Index, SMI）评估海水入侵程度，通过离子比例分析、氯碱指数（Chloro-Alkaline Indices, CAI）和离子偏差计算揭示水文地球化学过程；（2）灌溉风险指标计算：选取电导率（Electrical Conductivity, EC）、潜在盐度（Potential Salinity, PS）、钠百分比（Sodium Percentage, Na%）、钠吸附比（Sodium Absorption Ratio, SAR）和镁吸附比（Magnesium Adsorption Ratio, MAR）等指标，结合海水入侵地下水质量指数（Groundwater Quality Index for Seawater Intrusion, GQISWI）综合评价盐度、钠和镁危害；（3）熵权法确定权重：基于信息熵原理客观确定各参数权重，构建CGIRI；（4）随机森林建模预测：使用H₂O包实现RF建模，通过网格搜索进行超参数优化，10折交叉验证评估模型性能，对研究区90965个网格点（100 m × 100 m分辨率）进行风险预测，并采用蒙特卡洛模拟（100次迭代）评估分类确定性。研究样本为2021年9月采集的43个地下水样品和1个海水样品。

三、研究结果

（一）地下水水化学特征

水化学分析揭示地下水组分富集与变化呈现明显规律。总溶解固体（Total Dissolved Solids, TDS）浓度范围为526.5至2320.5 mg/L，均值1140.39 mg/L，最小值与最大值间呈四倍差异。阳离子浓度顺序为Ca²⁺ > Na⁺ > Mg²⁺ > K⁺，Ca²⁺峰值达431.06 mg/L；阴离子中Cl^?为优势阴离子，最大浓度497.37 mg/L。TDS和Cl^?的标准差均超过100，反映显著的空间异质性。Piper图显示研究区优势水化学类型为Cl-Ca·Mg型，存在从内陆HCO₃-Ca型向沿海Cl-Ca·Mg型的明显空间过渡，验证了海水入侵对地下水化学环境的改造作用。

（二）海水入侵状况及其影响

HFE-D分析显示79.1%的采样点呈现海水入侵特征，SMI计算表明76.7%的采样点SMI值大于1。SMI空间插值显示从内陆向沿海递增趋势。值得注意的是，相当面积区域呈现SMI > 1而Cl^? < 250 mg/L的现象，表明多离子综合响应对海水入侵的响应比单一Cl^?浓度更快速、更广泛。基于此，研究区被划分为三个区域：海水入侵区（Cl^? > 250 mg/L且SMI > 1）、过渡区（Cl^? < 250 mg/L且SMI > 1）和非海水入侵区（Cl^? < 250 mg/L且SMI < 1）。

Cl^?与主要阳离子关系分析表明，Ca²⁺浓度梯度最陡，其次为Mg²⁺，显示其在海水入侵过程中的增强迁移性；Na⁺浓度梯度最平缓，但其跨水化学区域的量级增长为海水来源Na⁺贡献提供了有力证据。离子比例图分析显示，多数地下水样品聚集在y = –x线附近，证实阳离子交换活跃参与水化学演化。CAI值从非海水入侵区经过渡区到海水入侵区呈现从负值向正值（约62.8%样品）的系统性转变，表明海水入侵条件下反向阳离子交换占主导。该过程中含水层粘土矿物释放Ca²⁺并吸附Na⁺，这一机制解释了Ca²⁺浓度的显著增加和Na⁺浓度增长速率相对缓和的观察结果。离子偏差分析进一步证实：mCa²⁺,react从零增加，确认了混合作用之外的额外Ca²⁺来源；mNa⁺,react从零减小，表明Na⁺部分从水相中去除；mMg²⁺,react在各区域均接近零，显示Mg²⁺行为主要受物理混合控制；多数样品mSO₄^2?,react也接近零，表明保守混合为主导过程。

（三）生态系统健康危害评估

GQISWI评价显示地下水样品中淡水与混合水分类比例近乎相等，空间插值呈现明显的内陆向海岸递减梯度，反映海水入侵影响向海岸线方向逐渐增强。然而，部分过渡区仍被GQISWI归类为淡水，提示这些位置可能处于海水入侵初期阶段，多离子敏感的SMI可检测到尚未显著影响GQISWI评价的早期化学变化，这一预警信号对前瞻性生态系统管理至关重要。

盐度危害评估方面，基于EC的盐度危害分类显示37个采样点适宜灌溉，6个采样点（约14%）不适宜。PS评价则显示37个地下水样品（86%）在潜在盐度危害方面被评定为不适宜灌溉。EC和PS均呈现从内陆向沿海递增的空间格局，且海水入侵区与EC指示的高盐度危害近岸区域高度对应，海水入侵区与过渡区的联合区域与PS指示的广泛灌溉不适宜区域空间吻合。值得注意的是，PS所代表的潜在盐度危害（由Cl^?和SO₄^2?构成）覆盖面积更广、严重程度更高。

钠和镁危害评估方面，Na%分类显示35个样品为“良好”，8个样品（18.6%）落入“存疑”类别；SAR评价则显示全部43个样品SAR值均低于10，属于“极好”等级。这表明Na⁺对植物的直接毒性效应可能先于显著的土壤结构退化发生。MAR评价显示全部样品MAR值均低于50，不存在镁危害。空间插值显示MAR在混合水区域值低于淡水区域，与盐化程度呈负相关，这归因于反向阳离子交换提供的额外Ca²⁺来源，使得Ca²⁺浓度相对Mg²⁺更高，从而降低MAR值。

（四）灌溉风险综合评估

基于熵权法的CGIRI计算中，GQISWI获得最高权重，凸显其在评估生态系统健康灌溉风险中的主导作用。CGIRI值与灌溉风险呈反比关系，分为三个等级：0～50（高风险）、50～75（中风险）和75～100（低风险）。结果显示30个地下水样品（69.77%）落入中风险类别，未识别出高风险样品。

（五）随机森林建模与预测

RF模型在测试集上表现优异（R2 = 0.97, MAE = 1.76, RMSE = 2.09），观测值与预测值散点图显示多数采样点紧密聚集在y = x线附近，证实模型具有强预测能力。蒙特卡洛模拟结果显示研究区主导概率值均超过0.95，表明风险分类结果具有高置信度。预测CGIRI值范围为58.39至91.30，对应低和中灌溉风险等级，无高风险区域。CGIRI值呈现从内陆向海岸递减的清晰趋势，中风险占主导，覆盖约77.5%的研究区。将海水入侵分区图叠加至CGIRI图后显示强空间对应关系：低风险区域几乎完全与非海水入侵区重合，过渡区和海水入侵区均落入中风险类别，其中过渡区CGIRI值主要介于70～75之间，海水入侵区多低于70。这一结果不仅证明海水入侵是驱动农业GDE健康所依赖的地下水质量退化的主要因素，也验证了熵权随机森林模型预测与实际入侵模式之间的强相关性。

四、讨论与管理启示

研究结果表明，海水入侵是研究区农业GDE面临的主要生态系统胁迫因子。高分辨率（100 m × 100 m）风险图为实现超越分区管理的场地特定干预提供了可能：过渡区内CGIRI < 65的区域可优先用于耐盐作物试验，CGIRI > 70且靠近淡水透镜体的地块可考虑精准灌溉改造。基于研究结果，研究人员建议以下管理措施：（1）分区地下水管理：在海水入侵区限制地下水开采，过渡区控制开采以防恶化，非海水入侵区实施可持续管理；（2）农业适应策略：中灌溉风险区域建议种植大麦、甜菜和棉花等耐盐作物以增强生态系统韧性，低风险区域仍适宜种植玉米、大豆和水稻；（3）基础设施与监测：推广滴灌或喷灌等节水灌溉技术以减少蒸发损失和降低地下水需求，实施长期地下水水质监测以追踪动态变化、验证管理有效性并提供生态系统进一步退化的早期预警。

五、研究结论

本研究聚焦莱州湾东北沿岸，系统研究了海水入侵对地下水化学的影响并评估了对农业生态系统健康的后续风险。主要发现如下：（1）研究区地下水受海水入侵影响，Cl^?浓度和SMI值自陆向海递增，据此划分为海水入侵区、过渡区和非海水入侵区；入侵过程不仅涉及与海水的直接物理混合，还包括复杂的水文地球化学相互作用，特别是反向阳离子交换，导致地下水中Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺和SO₄^2?浓度升高，优势水化学类型为Cl-Ca·Mg型。（2）水化学分析表明沿海含水层对盐化具有高脆弱性；基于EC的不适宜灌溉区域仅局限于小部分，但PS显示大多数地下水不适宜灌溉，对农业GDE构成广泛盐度危害；海水入侵还具有诱发钠危害的潜力。（3）采用熵权法构建并由随机森林模型预测的CGIRI显示，研究区以中风险为主，该风险格局与海水入侵呈强空间相关性，验证了海水入侵是生态系统风险的主要驱动因素。本研究的关键科学贡献体现在三个方面：方法论上，提供了可转移的“水化学诊断—灌溉危害评价—机器学习空间预测”框架，用于量化数据稀缺沿海GDE的灌溉风险；经验上，首次在莱州湾区域建立了海水入侵诱导的水化学演化与农业GDE健康之间的定量联系；实践上，所生成的100 m分辨率风险图为精准分区管理提供了空间显式的决策支持工具。