秦王川土壤酸堿度及鹽離子對不同植物的響應

段凱祥，趙保衛*，張松林，趙成章

(1. 蘭州交通大學 環境與市政工程學院，蘭州 730070；2. 西北師范大學 地理與環境科學學院，蘭州 730070)

土壤鹽分含量對植物的分布、生長和結構穩定性有著較大的影響[1]，并且可以反映區域內土壤鹽漬化的程度.當前，全球性的土壤鹽漬化形勢比較嚴峻，其中有10%的陸地受到鹽漬化的影響，具有面積大、分布廣和類型多的特點[2].而我國約有9913萬公頃的鹽堿化土壤，受鹽漬化影響最為嚴重，主要分布在華北平原、東北平原、西北內陸及濱海地區，尤其是在西北的甘肅、新疆和寧夏等干旱半干旱地區廣泛存在不同程度的土壤鹽漬化現象[3].干旱半干旱地區由于其強烈的土壤水分蒸發，造成表層土壤鹽堿化程度較高[4]，較高的鹽分含量會造成植物生理性缺水，抑制養分吸收，一定程度上毒害植物細胞，導致植物發育不良甚至死亡[5]，并從大尺度上加劇土壤沙化和荒漠化程度[6].例如，Na+、Mg2+的增加會造成植物細胞結構損傷，阻礙光合作用，減少葉綠素的產生[7]；同時，土壤鹽分會導致植物在氮素代謝過程中產生有毒中間體，從而削弱植物的代謝功能[8]；Kinraide報道了K+對植物根系的毒性較高，而Na+對莖的發育毒性更明顯[9].土壤鹽分類型不同對鹽堿地植被類型和選擇適應性有很大影響，研究土壤鹽分類型和可溶性鹽離子的含量，有助于判斷土壤鹽漬化狀況，明確土壤鹽離子對植被類型的響應.

土壤酸堿性對土壤結構、有害物質的形成、微生物的活動等都有影響[10]，其在土壤研究中占有非常重要的地位，過酸和過堿土壤均會影響植物的生長發育[11].另外，酸堿性也會影響土壤中離子的沉淀、溶解和解吸，進而影響土壤鹽分特征，是評價土壤鹽漬化程度的重要指標[12].所以，研究土壤酸堿度對植物生長的影響具有重要意義.

秦王川濕地是蘭州市典型的鹽沼濕地，由秦王川盆地地下水滲出匯集而形成，植物物種比較豐富，以耐鹽和泌鹽植物為主，其中以檉柳、鹽角草和堿蓬為優勢種的群落主要生長在低水位高鹽分區域，以蘆葦為優勢種的群落主要生長在高水位低鹽分地區.濕地植被的存在對于任何鹽沼的長期存在都是至關重要的，因為它可穩定土壤表面，減少土壤侵蝕[13].有研究表明檉柳能有效提高鹽堿地土壤堿解氮、速效磷的含量[14]；鹽角草、冰草和堿蓬由于其獨特的生理生態特征，具有不同程度的脫鹽作用[15].當前已有很多學者對秦王川濕地進行研究，包括植物種群分布格局[16-17]、枝-葉形狀特征及其影響因素[18-19]，但缺乏對不同植被類型下土壤的鹽分類型的研究.基于此，以秦王川鹽沼濕地典型植物生長的土壤為研究對象，通過分析土壤pH值、全鹽量和可溶性鹽離子濃度，研究該區域土壤的主要鹽分類型及不同植被下土壤鹽離子的變化特征，以期為秦王川濕地的保護和管理提供理論支撐.

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

秦王川位于蘭州新區，是蘭州市最大的沖積高原盆地，整體地勢北高南低，海拔在1 800～2 300 m之間，周邊多為海拔較低的黃土丘陵，水資源主要來源于大通河的引入.上千年的沖洪沉積在秦王川形成了一條山谷，隨著地下水的不斷滲出，匯成了千畝濕地.秦王川濕地屬于典型的內陸鹽沼濕地，東經103°36′28″～103°40′13″，北緯36°24′52″～36°28′44″，處于干旱荒漠—騰格里沙漠的過渡帶，屬溫帶半干旱大陸氣候，年降水量較小(250 mm)，年蒸發量較大(1 800～2 100 mm)，整體生態環境較脆弱.

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集

于2018年10月在秦王川鹽沼濕地選擇典型的6種植物即堿蓬(SuaedaglaucaBunge)、鹽角草(SalicorniaeuropaeaL.)、紫菀(AstertataricusL.f.)、檉柳(TamarixchinensisLour)、冰草(Agropyroncristatum(L.)Gaertn.)和早熟禾(PoaannuaL.)，運用5點混合法分別采集其生長的表層土壤(0～20 cm)約1 kg，并充分混合，采集過程中去除石塊、雜草、植物根莖和人為垃圾等雜物，放入聚乙烯自封袋中，帶回實驗室，經風干、研磨和過篩(200目尼龍篩)后進行分析和測試.

1.2.2 樣品測定與分析

1.2.3 儀器與試劑

測定用主要儀器有：AR124CN電子天平、TDL-4離心機、雙聯萬用電爐和AANALYST400原子吸收光譜儀.主要試劑有：H2O2(GR)、濃H2SO4(AR)、酚酞指示劑(0.5% m/v)、甲基橙指示劑(0.1% m/v)、AgNO3(ACS，≥99.0%)、EDTA二鈉鹽(GR，99%)和陽離子標準溶液(K+、Na+、Ca2+和Mg2+)等.

1.2.4 統計

采用Excel2016、SPSS22.0、Origin2018和Aquachem軟件，進行數據統計分析和圖表的繪制軟件.

2 結果與分析

2.1 土壤pH值

pH值大小是評價土壤鹽漬化程度的重要指標，影響土壤中物質的氧化、沉淀溶解、吸附和解吸[11]，以及土壤微生物活性、酶活性和植株礦質元素吸收等[21].根據第二次全國土壤普查中的分級標準，將土壤pH分為6個等級[22]，分別為強酸性(<4.5)、酸性(4.5～5.5)、弱酸性(5.5～6.5)、中性(6.5～7.5)、弱堿性(7.5～8.5)和堿性(>8.5).不同植物下土壤的pH值如圖1所示，早熟禾、紫菀和鹽角草三者土壤pH值存在顯著的差異，此外，紫菀和檉柳、堿蓬和鹽角草，它們之間土壤pH值差異性也較顯著，表明這些植物生長下的土壤pH值差別較大，可能與植物性質有關，其他植物生長下的土壤pH值差異性均不顯著，差別較小，生長的酸堿環境類似.研究區土壤pH值介于6.79和7.74之間，平均值為7.30，總體表現為中性，其中紫菀和早熟禾生長的土壤呈弱堿性，這可能和土壤電導率有關，有研究表明土壤pH值和電導率呈負相關關系[23].

圖1 不同植物生長的土壤pH值和全鹽量Fig.1 Soil pH values and salt concentrations of different vegetation grow

2.2 土壤全鹽量

由圖1可知，不同植被生長下土壤的鹽分質量分數依次為鹽角草(32.60 g·kg-1)>堿蓬(23.85 g·kg-1)>檉柳(7.60 g·kg-1)>冰草(3.06 g·kg-1)>早熟禾(2.88 g·kg-1)>紫菀(1.09 g·kg-1)，紫菀和早熟禾群落土壤鹽分濃度較低，而電導率與鹽分呈顯著的正相關，這也進一步證實了由于pH值和電導率呈負相關而導致的該植物下土壤呈弱堿性的特點.另外冰草、早熟禾和紫菀生長的土壤中鹽分含量差異性不顯著，其它植物生長的土壤中鹽分均具有顯著的差異，這說明在秦王川濕地公園植被類型和土壤鹽漬化程度關系密切.

根據土壤鹽分含量，土壤鹽漬化程度可分為6個標準，分別為非鹽漬化土(<4 g·kg-1)、鹽漬化土(4～20 g·kg-1)、輕鹽土(20～40 g·kg-1)、中鹽土(40～80 g·kg-1)、重鹽土(60～120 g·kg-1)、特重鹽土(>160 g·kg-1).據此可以看出，鹽角草和堿蓬生長的土壤中鹽分含量較高，屬于輕鹽土；檉柳生長的土壤屬于鹽漬化土；冰草、早熟禾和紫菀生長的土壤屬于非鹽漬化土.造成這種現象的原因是因為鹽角草和堿蓬屬于一年生植物，并且鹽角草屬于超積累型鹽生植物[24]，堿蓬對土壤中的Na+和Cl-的吸收能力較強[25]，吸收的鹽分伴隨著枝葉的連年凋落返回到土壤表層，使得該植物周圍土壤產生“鹽島效應”.檉柳群落密度較小，濕地的地下水位較高，強烈的蒸發作用使土壤表面鹽分濃度較高[26]，另外由于其是多年生泌鹽植物，莖葉分泌的鹽分通過降水淋洗后被凋落物截留也會造成土壤表層鹽分積累現象[27].冰草、早熟禾和紫菀主要生長在近水區域，較高的水含量大大稀釋了土壤鹽分濃度.

2.3 土壤主要離子組成

圖2 土壤主要離子濃度Piper圖Fig.2 The Piper plot of main soil ion concentration

2.4 土壤可溶性離子及全鹽相關性分析

圖3 不同植被類型下土壤可溶性鹽離子濃度Fig.3 Concentrations of soluble salt ions in soil under different vegetation types

2.5 土壤可溶性鹽離子與植物類型的響應

不同植被類型下土壤可溶性鹽離子濃度的特征如圖3所示，各陰陽離子的分布特征存在差異，說明土壤鹽離子類型受到植被類型的影響.

表1 土壤可溶性離子濃度和全鹽量之間的相關系數

*表示在置信度為0.05時，相關性顯著；**表示在置信度為0.01時，相關性顯著.

所有陽離子均在鹽角草生長的土壤中濃度最高，堿蓬次之，其中以Ca2+為主，表明鹽角草和堿蓬的耐鹽能力最強，主要因為鹽角草和堿蓬為真鹽性植物，其在吸收鹽分的同時也在不斷的使莖和葉肉質化，以便吸收更多的水分來稀釋體內的鹽分，從而也導致了較強的鹽分富集能力[33]；另外有研究表明鹽生植物的耐鹽能力越強，其根際對鹽分的富集能力也越大，這也導致了植物吸收鹽分過程中的“鹽泵”作用[34]，大量的鹽分富集導致了該植被類型下土壤陽離子濃度的增加；并且鈣能穩定生物膜結構，保持細胞膜對離子的選擇性吸收功能，在土壤鹽分較高的生境中適量的Ca2+能降低質膜透性，阻止胞內K+的外滲和Na+的進入，從而提高鹽沼濕地植物的耐鹽性[35].

3 結論

1) 通過土壤酸堿度分析發現秦王川濕地土壤總體表現為中性，其中紫菀和早熟禾生長的土壤呈弱堿性.

2) 土壤鹽分含量分析表明鹽角草和堿蓬生長的土壤屬于輕鹽土，檉柳生長的土壤屬于鹽漬化土，冰草、早熟禾和紫菀生長的土壤屬于非鹽漬化土；