灌溉制度塑造滨海盐碱农田土壤盐分垂直分布：直接离子输入与理化途径的PLS-SEM分析

《Agronomy》：Irrigation Regimes Shape Vertical Salt Distribution in Coastal Saline–Alkali Farmlands: A PLS-SEM Analysis of Direct Ion Input and Physicochemical Pathways

　　

土壤盐渍化制约着滨海低平原地区农业的可持续发展，然而，在不同水分管理模式下调控土壤盐分空间异质性的机制尚不明确。本研究以华北平原为研究区域，在淡水灌溉（freshwater irrigation, FWI）、微咸水灌溉（brackish water irrigation, BWI）和非灌溉（non-irrigation, NOI）条件下，调查了0–200 cm剖面（n = 78）土壤可溶性离子分布及其影响因素。研究人员提出假设：灌溉通过两条途径影响土壤盐渍化，即直接离子输入和间接改变土壤理化性质，并采用偏最小二乘结构方程模型（partial least squares structural equation modeling, PLS-SEM）量化这些效应。结果表明，灌溉是重要的关联因素，对盐分累积产生显著的直接负效应（?0.117），并通过土壤理化性质产生间接正效应（0.218）。三种灌溉模式导致土壤可溶性离子组成和盐分垂直分布显著不同。FWI表现为盐分在底层累积的分布类型；BWI以50–100 cm土层Na⁺和Cl^?显著富集为特征，尽管表层暂时脱盐，但呈现剖面中部累积模式；NOI表现出最严重的土壤碱化，并呈表层累积型剖面。这些发现揭示了滨海水分管理中的权衡关系：微咸水可部分缓解淡水短缺，但长期可持续性需要针对深度的盐分监测，以减轻亚表层盐分累积风险。

论文解读：灌溉制度对滨海盐碱农田土壤盐分垂直分布的影响及机制

1. 研究背景、问题与意义
土壤盐渍化是全球性的生态环境挑战，严重制约农业可持续发展和生态系统稳定。全球超过13.8亿公顷土地受土壤盐渍化影响，其中中国约3600万公顷，主要分布于西北、北部、东北及沿海地区，约影响中国20%的耕地。土壤盐渍化是多因素耦合过程，受气候、地形、土壤质地、地下水动态和灌溉措施等自然与人为因素共同调控。其中，不可持续的灌溉管理被认为是农业土壤盐渍化的主要人为诱因。因此，刻画土壤盐分空间格局并定量区分自然与人为因素的影响路径，是解释土壤盐分异质性的基础。

华北平原东部低平原区是我国重要粮食产区，但农业水资源严重匮乏，浅层微咸水和咸水资源丰富，其中57.3%和22.4%的地下水资源矿化度分别为1–3 g L^?1和3–5 g L^?1。利用微咸水资源成为缓解淡水供应与粮食生产矛盾的重要策略。受水资源短缺制约，该区域形成了淡水灌溉（FWI）、微咸水灌溉（BWI）和非灌溉（NOI）三种主导灌溉模式。三种模式在灌溉水离子组成和总盐度方面差异显著，导致土壤盐分离子分布的显著空间分化。然而，在半湿润低洼地区，针对不同灌溉模式下土壤盐分离子垂直分布、离子响应模式及其驱动机制的系统研究仍有限。

基于此，研究人员提出假设：不同灌溉模式对土壤可溶性离子垂直分布产生显著影响，且该效应通过直接盐分输入路径和改变土壤理化性质的间接路径共同介导。研究目标包括：（i）量化自然和人为因素对土壤盐分及可溶性离子变异的相对贡献；（ii）比较FWI、BWI和NOI下土壤盐分和离子分布特征；（iii）明确各灌溉模式对土壤可溶性离子垂直分布格局的调控作用。研究成果旨在为区域盐碱农田精准改良和灌溉水资源高效利用提供科学支撑。

2. 主要技术方法
研究区位于河北省沧州市（115°42′–117°58′ E，37°28′–38°57′ N），属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均气温12.2 °C，年均降水550 mm，潜在蒸散发1595 mm。研究采用空间代替时间的方法，于2024年3–4月采集灌溉水样33个（淡水10个，微咸水23个）；2024年6月采用网格采样法采集78个土壤剖面，其中FWI 28个、BWI 24个、NOI 26个，每个剖面按10、25、50、75、100、125、150、175、200 cm分层，共702个土壤样品。测定指标包括土壤质量含水量、pH、电导率（EC_1:5）、主要可溶性阳离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）和阴离子（Cl^?、SO₄^2?、NO₃^?、CO₃^2?、HCO₃^?），计算钠吸附比（SAR）。使用偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）量化环境因子和灌溉对土壤可溶性离子的直接与间接效应，并结合Pearson相关分析、主成分分析（PCA）等统计方法。气象数据来自中国气象数据网，地下水数据为野外实测，土壤理化属性数据来源于中国高分辨率国家土壤网格基本属性数据集。

3. 研究结果
3.1 土壤盐分主导控制因素分析
PLS-SEM模型拟合优度（GoF）为0.628，对土壤盐分的解释度R²为0.753。路径分析显示，地形因子通过改变土壤物理性质间接调控可溶性离子（β = 0.181，p < 0.05）；气候因子对土壤物理和化学性质均有极显著负效应（β = ?0.164和?0.237，均p < 0.001）；地下水条件对土壤物理性质直接效应微弱（β = ?0.002）。土壤物理性质对可溶性离子有极显著直接负效应（β = ?0.218，p < 0.001），而化学性质直接效应不显著。灌溉模式对土壤物理性质（β = 0.218，p < 0.01）和化学性质（β = 0.324，p < 0.01）均有显著正效应，并对可溶性离子有显著直接负效应（β = ?0.117，p < 0.01）。可溶性离子与土壤盐分呈强烈正相关（β = 0.868，p < 0.001）。标准化总效应显示，灌溉水对可溶性离子的直接效应最大（21.5%），其次为地下水（19.3%）、土壤物理性质（18.1%）、气候（16.6%）、地形（14.1%）、土壤化学性质（10.4%）；间接效应中，土壤化学性质最高（23.2%），其次为地形（19.0%）、地下水（16.6%）、气候（16.2%）、土壤物理性质（14.4%）、灌溉水（10.6%）。

3.2 土壤可溶性离子垂直分布格局
不同灌溉模式下，0–200 cm剖面内可溶性离子和盐碱指标的垂直分布差异显著。FWI下，土壤可溶性盐浓度随深度逐渐增加，形成底层累积型剖面；BWI下呈现剖面中部累积模式，50–100 cm土层盐分显著富集；NOI下除HCO₃^?外，几乎所有可溶性离子均在表层累积，形成典型表层累积型剖面。基于剖面均值的相关分析表明，FWI下土壤盐分与SO₄^2?（r = 0.91）、Na⁺（r = 0.89）、Mg²⁺（r = 0.89）、Cl^?（r = 0.85）强相关（q < 0.001）；BWI下Na⁺与盐分相关性最强（r = 0.92，q < 0.001），Cl^?次之（r = 0.88，q < 0.001）；NOI下盐分与Cl^?（r = 0.97）、Na⁺（r = 0.94）强相关，Na⁺与Cl^?相关性达最大值（r = 0.97，q < 0.001）。

3.3 土壤可溶性离子浓度差异
总体上，土壤盐分和SAR遵循FWI < BWI < NOI的梯度。NOI具有最高的剖面均值和可溶性盐浓度（2.33 g kg^?1）、pH（7.63）和SAR（6.34），同时土壤含水量最低（23.18%）；BWI次之（盐分1.63 g kg^?1，SAR 4.18，pH 7.60）；FWI最低（盐分1.37 g kg^?1，pH 7.80，SAR 2.92）。离子组成方面，Na⁺在所有处理中均为相对丰度最高的阳离子，顺序为NOI（27%）> BWI（20%）> FWI（18%）。阴离子组成差异显著：FWI以HCO₃^?（28%）和SO₄^2?（18%）为主，属重碳酸盐—硫酸盐型；BWI中HCO₃^?和SO₄^2?比例均衡，属过渡混合盐型；NOI表层以Cl^?（24%）为主，SO₄^2?含量较低（8%），符合典型氯化物—钠盐渍化类型。

3.4 灌溉对土壤可溶性离子的影响
PCA显示，FWI、BWI和NOI前两个主成分累计方差贡献率分别为57.0%、63.7%和63.6%。FWI下，表层和根区样品位于PC1高值区，指向Na⁺、Cl^?和盐分向量的反方向，而根区以下土层位于PC1低值区，表明底层盐分累积强度较高。NOI下，表层样品在PC1高值区聚集，根区和亚根层分化明显，支持表层盐分富集特征。BWI下，Na⁺、Mg²⁺、Cl^?和SO₄^2?为主要正载荷离子，表层和根区样品沿PC1正轴分散，表明这些离子在表层和根层协同累积。

4. 讨论与结论
讨论部分指出，灌溉水水化学特征与土壤离子分异和盐分累积密切相关。PLS-SEM证据显示，灌溉对土壤可溶性离子浓度既有直接效应（21.5%），也通过重塑土壤理化条件发挥间接效应。淡水与微咸水的离子差异对应0–200 cm剖面盐分组合的空间异质性。FWI下土壤趋向重碳酸盐—硫酸盐型，BWI下趋向氯化物—钠型。机制上，微咸水带入的外源Na⁺置换土壤胶体上的交换性Ca²⁺和Mg²⁺，提高SAR并恶化土壤结构；过量Na⁺与碱性阴离子反应形成NaHCO₃等碱性盐，可能升高pH。不同灌溉模式通过改变土壤水盐运移调控盐分垂直分布：FWI减少Na⁺和Cl^?输入并将可溶性离子淋洗至深层，形成底层累积；BWI虽可暂时缓解表层盐胁迫，但长期应用导致Na⁺和Cl^?在亚表层渐进富集，存在亚表层盐渍化和碱化风险；NOI区域无灌溉，强烈蒸发促使浅层高盐地下水（埋深<2.5 m，TDS > 5 g L^?1）上升至根区，蒸发浓缩加剧表层盐分累积。

关于微咸水利用，优化管理可部分弥补淡水短缺，但需密切监测50 cm以下盐分累积，以防亚表层盐渍化发展。研究局限性包括：空间代替时间方法存在固有限制，三种灌溉模式的空间分布与水文地质背景共变（FWI位于西部内陆深层淡水区，NOI位于东部沿海浅层咸水区，BWI居中间）；敏感性分析表明灌溉效应存在空间异质性，常规统计调整无法完全排除空间共变水文地质因素的干扰，因此结果应视为统计关联而非确定性因果效应；且仅在春季采样的单一时段快照无法反映季节和年际变化。未来研究需采用因子控制实验或配对比较观测，结合高频长期监测，以区分灌溉管理与自然水文地质背景的独立贡献。

研究结论：在华北平原滨海盐碱农田，FWI、BWI和NOI下0–200 cm剖面土壤可溶性离子的空间分布、组成和影响因素存在系统差异。灌溉模式与土壤盐渍化格局之间存在统计关联，并通过直接外源离子输入和间接改变土壤理化性质两条路径发挥作用。淡水灌溉有利于缓解土壤盐渍化，表现为盐分底层累积；微咸水灌溉出现剖面中部盐分累积，同时伴随亚表层盐分累积风险；非灌溉条件下土壤碱化最严重，呈表层累积型盐分剖面。这些发现揭示了滨海农业水分管理中的关键权衡：微咸水可作为淡水短缺时的补充资源，但其长期可持续性依赖于盐分输入与自然淋洗能力的综合调控，以避免亚表层盐分富集。研究强调了深度特异性盐分监测和适应性灌溉调度对滨海盐碱农田可持续利用的必要性。