黃河三角洲檉柳植株周?chē)寥利}分離子的分布

張立華, 陳沛海, 李 健, 陳小兵, 馮 亞

1 中國(guó)科學(xué)院海岸帶環(huán)境過(guò)程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煙臺(tái)海岸帶研究所),山東省海岸帶環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所, 煙臺(tái) 264003 2 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 煙臺(tái) 264005 3 煙臺(tái)大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院, 煙臺(tái) 264005

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黃河三角洲檉柳植株周?chē)寥利}分離子的分布

張立華1,*, 陳沛海2, 李 健2, 陳小兵1, 馮 亞3

1 中國(guó)科學(xué)院海岸帶環(huán)境過(guò)程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煙臺(tái)海岸帶研究所),山東省海岸帶環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所, 煙臺(tái) 264003 2 煙臺(tái)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 煙臺(tái) 264005 3 煙臺(tái)大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院, 煙臺(tái) 264005

黃河三角洲；鹽堿地；檉柳；鹽島；鹽分離子

土壤空間異質(zhì)性被認(rèn)為是自然生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)普遍特征[1-4],尤其是在以喬灌木為主導(dǎo)的荒漠生態(tài)系統(tǒng)中[5]。有研究表明[6-7],由于生物積鹽的作用,鹽生灌木可以在其植叢下形成“鹽島”[8],而“鹽島”效應(yīng)則是荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤空間異質(zhì)性的一個(gè)典型現(xiàn)象[9]。雖然“鹽島”是土壤小尺度空間異質(zhì)性的表現(xiàn),但對(duì)生態(tài)系統(tǒng)大尺度植被格局具有重要影響[10]。尹傳華等[11]對(duì)塔里木盆地北緣鹽化草甸生境和灌叢生境鹽生灌木的研究表明,多枝檉柳(Tamarixramosissima)、鹽穗木(Halostachyscaspica)和鹽節(jié)木(Halocnemumstrobilaceum)均有不同程度的“鹽島”效應(yīng),且三者產(chǎn)生的鹽島效應(yīng)增強(qiáng)了土壤表層的積鹽速率。Stock等[12]和Dong等[13]的研究顯示,樹(shù)冠下土壤電導(dǎo)率高于樹(shù)冠邊緣及外圍空地。但也有相反的結(jié)論,即土壤在樹(shù)干中心形成了低鹽的環(huán)境[14]。另外,也不乏樹(shù)冠下土壤pH值和電導(dǎo)率與樹(shù)冠外圍土壤并無(wú)差異的報(bào)道[15]。由于不同地區(qū)的生物組成、氣候特點(diǎn)和成土母質(zhì)不同,致使土壤鹽漬化成因存在差異,進(jìn)而導(dǎo)致土壤總體鹽分狀況、鹽分離子組成及離子之間的相關(guān)性不同[16-17]。這可能是造成不同研究結(jié)果存在差異的主要原因之一。

檉柳(Tamarixchinensis)屬檉柳科植物,多為灌木,是典型的泌鹽植物,具有很高的耐鹽能力,喜光,耐潮濕,耐瘠薄,能防風(fēng)固沙、保持水土、調(diào)節(jié)氣候,維護(hù)陸海生態(tài)平衡,且能顯著改良土壤理化性質(zhì)。作為關(guān)鍵的木本植物建群物種,在黃河三角洲濱海沿岸鹽堿地及內(nèi)陸低洼鹽漬區(qū)構(gòu)成大面積天然林帶,形成了黃河三角洲最大的灌木群落和山東最大的天然灌叢[18]。其生存發(fā)育在極大程度上影響著該區(qū)域植物群落的結(jié)構(gòu)和組成,同時(shí)影響土壤鹽分的變化過(guò)程。目前針對(duì)植株對(duì)土壤鹽分分布格局的影響和作用機(jī)制的研究主要集中在內(nèi)陸干旱區(qū),而濱海鹽漬化地區(qū)植株對(duì)周?chē)寥利}分影響的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。張立華和陳小兵[19]對(duì)黃河三角洲檉柳植株影響下不同土層電導(dǎo)率進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,在0—20 cm土層中,土壤電導(dǎo)率隨著離植株距離的增加而降低,表現(xiàn)出明顯的“鹽島”效應(yīng),而該效應(yīng)在其他土層中不顯著,但該研究沒(méi)有涉及“鹽島”效應(yīng)影響下不同鹽分離子的分布特征。由于不同鹽分離子在土壤中的運(yùn)移規(guī)律存在差異,植株周?chē)嬖凇胞}島”效應(yīng)與否是否與土壤中鹽分離子的組成和類(lèi)型有關(guān)？基于此,本文對(duì)黃河三角洲鹽堿地檉柳植株周?chē)煌嚯x范圍內(nèi)不同土層中的鹽分離子組成、含量、離子比及不同離子之間的相關(guān)性進(jìn)行了研究,旨在進(jìn)一步揭示檉柳對(duì)貧瘠鹽堿地生境空間異質(zhì)性的影響及其適應(yīng)機(jī)制,并為黃河三角洲鹽堿地的植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

黃河三角洲位于渤海灣畔,土地總面積約12000余平方公里,是我國(guó)三大河口三角洲之一,也是世界上增長(zhǎng)速度最快和尚未得到大規(guī)模開(kāi)發(fā)的最大三角洲之一[20]。黃河三角洲作為我國(guó)最年輕的河口濕地,有中國(guó)暖溫帶最廣闊、最完整的河口新生濕地生態(tài)系統(tǒng),具有原始的生態(tài)系統(tǒng)特征,是河口生態(tài)演替研究的重要地點(diǎn)。該區(qū)自然資源豐富,但由于形成時(shí)間較晚,是海陸交互作用形成的退海之地,土壤肥力低,加之氣候干旱,地下水礦化度高,極易引起土壤鹽漬化。該區(qū)域?qū)儆跍貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫11.7—12.8 ℃,年均蒸發(fā)量和降水量分別為1900—2400 mm和530—630 mm,70%的降水分布在夏季[21]。土壤以濱海潮土和濱海鹽土為主。該區(qū)域分布的主要植被有檉柳(T.chinensis)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、翅堿蓬(Suaedasalsa)、獐茅(Aeluropuslittoralisvar．sinensis)、狗牙根(Cynodondactylon)和香蒲(Typhaangustifolia)等[22]。研究樣地設(shè)在中國(guó)科學(xué)院黃河三角洲濱海濕地生態(tài)試驗(yàn)站(37°45′50″ N,118°59′24″ E),樣地內(nèi)以檉柳和蘆葦為主。

1.2 樣品采集

圖1 檉柳個(gè)體周?chē)寥啦蓸狱c(diǎn)Fig.1 Sampling points at the individual of T. chinensis.

為確定鹽堿地檉柳個(gè)體周?chē)寥鲤B(yǎng)分和鹽分的空間分布,2013年8月在樣地內(nèi)隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的檉柳(T.chinensis)5株, 基徑、株高和冠幅分別為8 cm、2 m和3 m×3 m左右。在檉柳主干周?chē)霃? m內(nèi),按東、南、西、北4個(gè)方向用土鉆在分別距主干0.5、1.0、1.5 m和2.0 m 4個(gè)點(diǎn)位取樣(圖1),每個(gè)點(diǎn)位取0—20、20—40、40—60、60—80 cm和80—100 cm 5個(gè)土層,每株采集土壤樣品80個(gè)。土樣裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)自然風(fēng)干后去除植物殘?bào)w和石塊,取部分風(fēng)干土樣過(guò)18目孔篩裝袋備用。

1.3 分析方法

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

測(cè)得的數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel 2013軟件統(tǒng)計(jì)、采用SPSS 15.0 for Windows在單因素方差分析(One-Way ANOVA)的基礎(chǔ)上,利用多重比較的方法(S-N-K)對(duì)離檉柳主干不同距離和不同土層間土壤鹽分離子含量和離子比的差異；以距離和深度兩個(gè)因素分別對(duì)以上指標(biāo)的影響進(jìn)行單變量多因素方差分析(univariate analysis of variance)和Tukey HSD多重比較；采用SPSS 15.0 for Windows進(jìn)行相關(guān)分析(包括線性相關(guān)分析和偏相關(guān)分析)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分離子的變化

圖2 檉柳個(gè)體周?chē)煌翆欲}分離子的含量Fig.2 Salt ions contents of different depth around the individual of T. chinensis圖中0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m分別表示取樣點(diǎn)離樹(shù)干的距離

表1 距離和深度及其交互效應(yīng)對(duì)土壤鹽分離子及其比值的方差分析

*P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001;距離：表示取樣點(diǎn)離樹(shù)干的距離；深度：表示不同土層

表2 土壤鹽分離子及其比值與距離和深度的偏相關(guān)關(guān)系

括號(hào)內(nèi)為P值

2.2 土壤鹽分離子比值的變化

土壤陽(yáng)離子之間的比值如圖3所示,隨著離植株距離的增加Na+/Ca2+和Na+/Mg2+降低,而Na+/K+、Ca2+/K+、Mg2+/K+和Ca2+/Mg2+均升高,因而檉柳對(duì)不同陽(yáng)離子的富集程度表現(xiàn)為K+>Na+>Mg2+>Ca2+。Na+/K+隨著土層的加深而升高；Na+/Ca2+和Na+/Mg2+的變化趨勢(shì)相似,在0—60 cm的土層中升高,在60—80 cm土層中顯著降低,之后又呈升高趨勢(shì)；Ca2+/K+與Mg2+/K+具有相似的變化趨勢(shì),均在0—80 cm土層中逐漸升高,而在最底層的80—100 cm處降低；Ca2+/Mg2+則呈逐漸降低的趨勢(shì),因而不同陽(yáng)離子向下遷移的程度表現(xiàn)為Na+>Mg2+>Ca2+>K+。總體而言,除Na+/Ca2+和Ca2+/Mg2+外,距離對(duì)其他陽(yáng)離子比值具有顯著影響(表1),深度則對(duì)所有陽(yáng)離子比值的影響均達(dá)到顯著水平,相反,距離與深度的交互效應(yīng)對(duì)所有陽(yáng)離子比值的影響均不顯著。偏相關(guān)分析的結(jié)果則顯示(表2),隨著離植株距離的增加,Na+/K+、Ca2+/K+和Mg2+/K+顯著升高, Na+/Ca2+和Na+/Mg2+顯著降低；深度與Na+/K+、Na+/Ca2+、Ca2+/K+與Mg2+/K+呈顯著正相關(guān)關(guān)系,即4個(gè)指標(biāo)隨土層的加深而升高,而Ca2+/Mg2+則顯著降低。

圖3 檉柳個(gè)體周?chē)煌翆雨?yáng)離子比的變化Fig.3 Changes in ratios among cations of different soil depth around the individual of T. chinensis

圖4 檉柳個(gè)體周?chē)煌翆雨庪x子比的變化Fig.4 Changes in ratios among anions of different soil depth around the individual of T. chinensis

2.3 土壤鹽分離子之間的相關(guān)性

表3 土壤鹽分離子之間的相關(guān)性分析

*P<0.05;P<0.01

3 討論

同時(shí),檉柳對(duì)鹽分的富集作用可能與其本身的選擇性吸收特性有關(guān),Burke等[27]認(rèn)為,對(duì)灌叢生長(zhǎng)愈重要的土壤元素在沃島中的聚集就愈顯著,空間異質(zhì)性現(xiàn)象就愈明顯。本研究土壤鹽分離子含量組成結(jié)果表明,檉柳冠層下Na+和K+的富集效應(yīng)明顯強(qiáng)于Mg2+和Ca2+,而Na+含量顯著高于K+,表明檉柳冠層下鹽分富集以鈉鹽為主,Na+對(duì)檉柳的生長(zhǎng)較其它幾種元素更為重要。這進(jìn)一步說(shuō)明檉柳植株周?chē)}分的富集主要是由于其對(duì)土壤鹽分選擇性吸收,并通過(guò)凋落物回歸等途徑返還土壤的結(jié)果[7, 28]。另外,除凋落物回歸外,樹(shù)干徑流也是造成灌叢周?chē)}分分布差異的因素之一,李從娟等[14]有關(guān)梭梭“鹽島”效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn),樹(shù)干徑流會(huì)將鹽分帶走,在主根附近形成低鹽的環(huán)境。但本研究總體表現(xiàn)為離植株越近鹽分越高,與梭梭對(duì)鹽分的影響不同,而與尹傳華等[7]對(duì)多枝檉柳、鹽穗木和鹽節(jié)木,以及何玉惠等[29]對(duì)紅砂灌叢的研究結(jié)果相似,這可能是由于檉柳、鹽穗木、鹽節(jié)木和紅砂屬于泌鹽鹽生植物,降水將樹(shù)冠中莖葉分泌的鹽分淋洗下來(lái)后在冠層下被凋落物截留,從而形成“鹽島”,而梭梭屬于稀鹽鹽生植物,降雨不但沒(méi)有從莖葉表面淋洗出鹽分,植株附近,尤其是表層土壤中的鹽分反而在樹(shù)干徑流的影響下向深層土壤和遠(yuǎn)離植株的方向移動(dòng),從而在植株附近形成低鹽的區(qū)域。另外,與內(nèi)陸干旱區(qū)相比,盡管濱海地區(qū)降雨量較大,但由于研究區(qū)地勢(shì)低平,坡度一般在1/10000—20000,因此土壤中的鹽分水平運(yùn)動(dòng)比較滯緩,這可能也在一定程度上消除了降水對(duì)“鹽島”效應(yīng)的破壞,導(dǎo)致在水平方向上濱海地區(qū)與內(nèi)陸地區(qū)具有相似的研究結(jié)果。

結(jié)合不同鹽分離子在土壤剖面中的分布,硫酸鉀和碳酸氫鉀表現(xiàn)為表聚特征,而氯化鈉、氯化鈣和氯化鎂表現(xiàn)為底聚特征。鹽分在土壤表層聚集,在很多情況下被認(rèn)為是由于蒸發(fā)使鹽分隨土壤水分的運(yùn)動(dòng)而向上運(yùn)移,從而使土壤表層產(chǎn)生明顯的積鹽現(xiàn)象[30-31]。另外,如前所述,植物根系吸收鹽分后轉(zhuǎn)運(yùn)到莖葉部位,鹽分又通過(guò)淋洗和凋落物進(jìn)入土壤表層,從而表現(xiàn)出鹽分表聚,如弋良朋等[32]的結(jié)果表明,荒漠鹽生植物根際鹽分的盈虧在吸收鹽分的過(guò)程中起到了鹽泵的作用,促進(jìn)了鹽分向地上部的運(yùn)輸。

因此,植株周?chē)欠裥纬伞胞}島”,“鹽島”的大小,以及鹽分離子在土壤剖面上的分布差異,可能與鹽生植物的耐鹽途徑、根系生物量及分布、氣候條件(如蒸發(fā)強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間、降雨強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間等)、不同離子的遷移速率和采樣時(shí)間等有關(guān),有必要進(jìn)一步開(kāi)展不同類(lèi)型植物干濕交替過(guò)程中不同土層鹽分含量的變化,以揭示不同因素驅(qū)動(dòng)下鹽分在土壤中的水平和垂直運(yùn)移規(guī)律,為鹽堿土的生物改良提供理論指導(dǎo)。

4 結(jié)論

(1)在檉柳植株周?chē)?尤其是表層土壤中,離植株越近鹽分含量越高,表明檉柳存在一定程度的生物積鹽作用,從而表現(xiàn)出明顯的“鹽島”效應(yīng)。這一方面可能是由于冠層下的凋落物分解后其中的鹽分進(jìn)入土壤,另一方面降水將樹(shù)冠中莖葉分泌的鹽分淋洗下來(lái)后在冠層下被凋落物截留,從而在植株周?chē)纬梢粋€(gè)高鹽區(qū)域。

(3)土壤總可溶性鹽隨著土層的加深而升高,可能是土壤鹽分在雨水淋洗作用下向深層遷移的結(jié)果,另外,淺層土壤檉柳根系生物量高于深度土壤,可能也是導(dǎo)致土壤中的鹽分淺層少深層多的原因。

(4)各離子之間相關(guān)性分析結(jié)果說(shuō)明研究區(qū)土壤鹽分由氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、硫酸鉀和碳酸氫鉀組成。其中,硫酸鉀和碳酸氫鉀表現(xiàn)為表聚特征,而氯化鈉、氯化鈣和氯化鎂表現(xiàn)為底聚特征。

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Distribution of soil salt ions around Tamarix chinensis individuals in the Yellow River Delta

ZHANG Lihua1,*, CHEN Peihai2, LI Jian2, CHEN Xiaobing1, FENG Ya3

1 Key Laboratory of Coastal Environmental Processes and Ecological Remediation, Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences; Shandong Provincial Key Laboratory of Coastal Environmental Processes, Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China 2CollegeofChemistryandChemicalEngineering,YantaiUniversity,Yantai264005,China3SchoolofEnvironmentandMaterialsEngineering,YantaiUniversity,Yantai264005,China

the Yellow River Delta; saline-alkali land;Tamarixchinensis; salt island; salt ions

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41201293)；海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201105020)

2015-04-23;

日期:2016-01-05

10.5846/stxb201504230839

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lhzhang@yic.ac.cn

張立華, 陳沛海, 李健, 陳小兵, 馮亞.黃河三角洲檉柳植株周?chē)寥利}分離子的分布.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(18):5741-5749.

Zhang L H, Chen P H, Li J, Chen X B, Feng Y.Distribution of soil salt ions aroundTamarixchinensisindividuals in the Yellow River Delta.Acta Ecologica Sinica,2016,36(18):5741-5749.