于洪军、付腾飞

自然资源部第一海洋研究所

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futengfei@fio.org.cn

 

 

    陆海相互作用区是陆地和海洋两种不同生态系统物质和能量交汇、存储、运输的区域，该区域的生物多样、地球化学活跃，是全球碳循环和营养盐循环的活跃地区（图1）。同时世界上约40%的人口居住在距离海岸线100公里之内的区域，创造着每年25万亿美元的经济价值，因此该区域对于地球系统循环和人类生计都具有重要的意义。

 

图1 陆海相互作用区生态系统一般特征（引自 Ward N D et al., Nature Communications,  2020）

 

    但随着全球气候变化导致的海平面上升和人类向沿海地区移民扩张压力的增大，该区域的生态系统也变得愈发脆弱。根据《IPCC 第五次评估报告》，1901-2010，全球海平面上升了0.19 m，1880-2012，全球温度上升了0.85℃。1975-2017，百年升温了1.5-1.8 ℃，2017海平面平均值比1993高出77mm。按照此现有速度，预计到2100年将会有多达6.3亿人将生活在年洪水水位以下的土地上。而根据《2017年中国海平面公报》, 2017年中国沿海气温较常年均值高0.90 ℃,海平面较常年平均值高58mm,高于全球平均水平，因此中国的海岸带地质灾害发展趋势将面临更为严峻的考验。海平面的上升,会加剧海岸带灾害、破坏海岸生态系统,产生一系列严重的生态和社会经济影响，这是因为海岸带地区在全球可持续发展中占有极为重要的地位,陆海相互作用区的生态脆弱性及其复杂性致使该区域环境对全球气候变化和人类活动的响应十分迅速。

 

图2 陆海相互作用区水文、水动力示意图（引自A. R. Costall et al., Scientific Reports,  2020）

 

    陆海相互作用界面之间的能量和物质动态交换主要受到水文和水动力过程的驱动。地下水流动是海岸带生态系统的重要组成部分，在自然条件下，该过程处于动态平衡之中，如图2所示。然而当海平面上升或人类过量抽取地下水时，海滨地区含水层中的淡水与海水(咸水)之间的平衡状态遭到破坏，导致海水或咸水沿含水层向陆地方向侵入或混染，使淡水资源遭到破坏，形成海水入侵灾害。海水入侵过程中，地下水位也会发生变动，地下水位高度的时空变化会改变沉积物的饱和状态及氧化还原状态，进而影响该区域的生产力，同时地下水流动也会控制沉积物的盐度。当海水入侵发生后地下水中的盐分在毛管及蒸发作用下，向土壤表层迁移富集，这便是海水入侵诱发的土壤盐渍化。这两种地质灾害在时间上有先后、空间上彼此相依、成因上相互关联，形成陆海相互作用区的链式灾害。

 

    灾害链发生过程具有放大效应,致灾强度具有累加效应,而且灾害链形成机理复杂、预报难度大、防范要求高、造成损失严重,因此灾害链发生与治理机制是目前灾害研究的国际前沿问题。相关研究学者将灾害链分类归纳为基于灾种的灾害链分类、基于时空结构的灾害链分类、基于灾害系统要素的灾害链分类三种，其中按照诱发因素,把地质灾害链分为内动力地质灾害链、外动力地质灾害链、人类工程活动地质灾害链、内外地质作用耦合地质灾害链和复合型地质灾害链。海水入侵-土壤盐渍化链式灾害实质为盐分在水土系统中的迁移和富集,了解地下咸淡水混合和水盐运移动态变化过程,是掌握链式灾害实时动态变化过程的关键。因此综合分析海水入侵与土壤盐渍化之间的灾变关系和时空分布特征可知海水入侵-土壤盐渍化灾害链属于典型的时空灾害链,是由自然因素和人类活动联合作用诱发的复合型地质灾害链，其链式结构如图3所示。

 

图3 海水入侵-土壤盐渍化灾害链式结构（改编自徐兴永等，海洋科学进展，2020）

 

    海水入侵是人为活动强烈干扰自然生态系统而诱发的缓慢发生而又长期危害的自然灾害,具有隐蔽、多变、难治理的特点。目前,全世界已经有几十个国家和地区的几百个地方发现了海水入侵问题,流入海洋的淡水、地下水的任何减少都可能导致海水入侵，它不仅影响到沿海地区的饮用水安全，使得人畜饮用水咸化,并导致多种疾病,影响健康灌溉用水质量，造成工业产品质量下降、生产设备腐蚀等问题,而且还能影响敏感的依赖于陆地海底地下水排放的营养物质的近海生态系统，给各国沿海地区带来严重危害,造成巨大经济损失,严重阻碍社会经济的持续发展（图4）。

 

图4 海水入侵灾害危害（引用自百度图片）

 

    海水入侵的形成必须具备两个条件：其一是水动力条件，即咸淡水之间存在一定的水头差；其二是水文地质条件，即咸淡水之间有相同含水层相连。当二者同时出现，才会发生海水入侵。人类各种经济活动，如大量开采地下水，河流上游兴修水利工程（水库）等，这些活动虽然给人类带来一定的利益，但这些活动都改变了地下水的天然动力条件，破坏了地下水天然平衡状态，从而使原本就有的海水入侵进一步加剧。自然界也不是一成不变的，如遇干旱年份甚至连续数年干旱，大气降水的减少，这将影响地表水体水位下降，影响大气降水对地下水的入渗补给量，造成地下水位下降，这也可影响到海水入侵的加剧和范围的扩大。

 

    海水入侵类型的划分应同时考虑海水入侵的入侵通道与入侵物源的类型。海水入侵的通道主要有以下几种方式:（1）含水层浸染：即顺层海水入侵，主要发生在入海河流的冲（洪）积平原区，这些冲（洪）积平原的含水层呈层状分布，海水顺着含水层向内陆渗透，形成顺层浸染，有些地区地层呈多元结构，同时有几个含水层存在，在地下水位大幅度下降的情况下，海水也可能同时顺两个或多个含水层浸染；（2）古河道、断裂带浸染: 古河道和断裂带一般透水性较强，若地下水位下降，海水也往往沿这些构造带内侵；（3）现代河口浸染:沿现代河床浸染主要指涨大潮时，海水沿低洼的现代河床上溯入侵；（4）沿基岩风化层和半风化层浸染: 在第四系厚度较小及下覆基岩为变质岩、碎石岩、片麻岩等易风化岩地区，海水沿着基岩的风化层和半风化层浸染；（5）越流入侵：第四纪以来，由于新构造运动及古气候变化，在沿海某些地段多次发生海水入侵。每次海水入侵都沉积了大量海相地层，其层内保留了原来的咸水，形成了天然海水入侵层。按照海水入侵的物质来源对海水入侵进行分类，可以分为海水入侵、咸水入侵与混合入侵。

 

图5 海水入侵水循环过程示意图（引自Adrian D. Werner et al., Advances in Water Resources,  2013）

 

    土壤盐渍化是指土壤蒸发量大且地下水位相对高的地区，由于可溶性盐分聚集而产生盐分不断升高的现象。根据联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization）统计数据，中国盐渍土面积约为36，000，000ha,其中滨海盐渍土的面积就达到2，520，000ha,约占中国盐渍土面积的7%。

 

    滨海盐渍土分布于沿海，积盐过程的盐分补给方式主要是海水浸渍和溯河倒灌。沿海地区入海河流携带大量泥沙在近海沉积，当其还处于水下堆积阶段时，就为高矿化海水所浸渍而成盐渍淤泥。在堆积物出水成陆、其上有高等植物生长之前，盐分的累积属地质过程，高等植被着生后，则开始土壤盐化过程。因此滨海盐渍土的盐分主要来自于海水，且基本是从盐渍淤泥发育而来，其积盐过程一般都早于成土过程。滨海盐渍土是我国重要的土地后备资源，近期具备农业开发潜力的滨海盐碱地约1500万亩，分布在滨海的长江下游、黄河三角洲、海河流域、辽东湾和华南地区。然而滨海盐渍土的盐分会降低植物的水分利用效率，且对植物具有毒害性，破坏土壤结构，阻碍根系生长，造成陆海相互作用区的土地荒芜，生态退化，水土资源的流失，因此不利于陆海相互作用区的可持续发展。

 

图6 盐渍土水盐运移示意图

 

    目前，国内外对海水入侵、滨海地区土壤盐渍主要开展了单灾种研究与防治，然而链式灾害发生过程具有放大效应，致灾强度具有累加效应，而且灾害链形成机理复杂、预报难度大、防范要求高、造成损失严重。因此未来研究需以海水入侵-土壤盐渍化灾害链为整体，掌握链式灾害水盐链条的实时动态变化过程，提高定量评估链式灾害的精细化程度，清晰刻画灾害链结构特征，实现灾害链的精准断链减灾。

 

图7 陆海相互作用区海水入侵-土壤盐渍化灾害链示意图（改编自徐兴永等，海洋科学进展，2020）

 

    自然资源部第一海洋研究所海水入侵-土壤盐渍化研究团队自30多年前便开始从事这两种灾害的相关研究。近年来课题组的研究多集中在一个关键区域（陆海相互作用区）的两个关键过程（海平面上升、人类活动）对于海水入侵-土壤盐渍化灾害链的影响过程（图7）。先后牵头完成了国家自然基金、国家重点研发专项、国家科技发展计划项目、863专项、973专项、908专项、国家海洋公益性行业专项和国家海洋局专项等多项国家项目，对海水入侵-土壤盐渍化灾害链从发生机理、监测预警、设备研发、灾害防治、灾害区修复全链条进行了系统的研究，组建完成了海水入侵-土壤盐渍化灾害链专业研究队伍，掌握了全国海水入侵-土壤盐渍化灾害链的相关历史资料并构建相应海水入侵-土壤盐渍化监测网络及数据库，指导相关业务化队伍的建设和运行并定制了相应的2项行业标准。

 

    未来团队将继续追踪海水入侵-土壤盐渍化灾害链的前沿热点，揭示不同类型海岸带海水入侵-土壤盐渍化灾害链触发关系、集聚效应与耦合机制；定量辨析自然因素和区域人类活动对海水入侵-土壤盐渍化灾害链的影响；明晰海水入侵-土壤盐渍化灾害链治理机制，针对性提出不同类型海岸带灾害链协同防控技术方案，提供防控范式，并进一步完善研究链条，为国家防灾减灾、水土资源保护提供支撑。