黃河口濕地檉柳灌叢土壤鹽漬化特征

許 婕,劉加珍,張?zhí)炫e,馬笑丹,付 麗,張亞茹,李 苗,馬玉芹,陳永金,*

1 聊城大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院,聊城 252059 2 長(zhǎng)春理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130022 3 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830011 4 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

土壤鹽漬化問(wèn)題在世界普遍存在,主要表現(xiàn)為易溶性鹽分不斷積聚在土壤表層,并且鹽漬化面積在不斷增加,嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1—2]。我國(guó)鹽堿地多分布于我國(guó)西北干旱、半干旱區(qū),東北、華北平原及沿海地區(qū)[3],占全國(guó)可利用土地面積的4.88%[4],鹽堿地的改良開(kāi)發(fā)可在一定程度上緩解我國(guó)的人地緊張及糧食安全問(wèn)題。目前,鹽堿地的治理主要有物理、化學(xué)和生物改良三種方法,其中生物改良方法生態(tài)環(huán)保且最具可持續(xù)性。環(huán)境對(duì)植物具有決定性影響,但植物并非完全被動(dòng)受制于環(huán)境,鹽生植物的生理特征對(duì)土壤理化性質(zhì)的空間分布也會(huì)產(chǎn)生影響[5],從而具有改良鹽堿地效果。不少學(xué)者對(duì)植物改良鹽堿地的效應(yīng)進(jìn)行了研究,荊為民等研究證實(shí)新疆鹽堿地9種鹽生植物具有較好的脫鹽效果,且土壤表層脫鹽率較高[6]；景宇鵬等研究了內(nèi)蒙古河套灌區(qū)5種植物均能有效降低土壤的堿化度、全鹽和pH[7]；黃麗萍等發(fā)現(xiàn)種植鹽生植物可有效抑制天津鹽漬土地區(qū)土壤鹽分,但土壤pH值有所升高[8]；何玉惠等證實(shí)黃土高原西部荒漠草原區(qū)土壤鹽分富集于紅砂(Reaumuriasoongorica)灌叢下[9]；張立華等對(duì)黃河三角洲鹽堿地檉柳灌叢下土壤鹽分分布及遷移特征也做過(guò)分析研究[10]。但多數(shù)研究以?xún)?nèi)陸干旱、半干旱地區(qū)為對(duì)象,對(duì)濱海濕地土壤鹽漬化的研究相對(duì)較少。

黃河三角洲濕地是我國(guó)最年輕且最廣闊的濕地,位于農(nóng)業(yè)大省山東省境內(nèi),作為重要的后備土地資源具有較大的開(kāi)發(fā)利用潛力。受沉積環(huán)境、成土母質(zhì)、水文氣候等因素的影響,鹽漬土廣布,次生鹽漬土面積約占30%[11]。檉柳(Tamarixchinensis)作為泌鹽鹽生植物,能在鹽脅迫環(huán)境下生長(zhǎng)且廣布于此。為了探究濕地土壤鹽漬化特征以及植物對(duì)土壤鹽漬化的改良適應(yīng)機(jī)制,本文以檉柳灌叢下土壤為對(duì)象,用克里金插值法對(duì)土壤剖面理化性質(zhì)進(jìn)行空間插值,利用冗余分析法分析距檉柳基莖不同距離的鹽堿化參數(shù)與鹽分離子的關(guān)系,以期為黃河三角洲濕地資源開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

黃河三角洲濕地位于北緯37°35′—38°12′,東經(jīng)118°33′—119°20′[12]。研究區(qū)在山東省東營(yíng)市墾利區(qū)境內(nèi),海拔較低,地勢(shì)平坦,為典型的河口沖積平原。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,年均氣溫為11.7—12.6 ℃,年均降水量為530—630 mm,降水集中在夏季,年均蒸發(fā)量為1900—2400 mm。研究地主要有濱海鹽土、鹽化潮土和潮土3種土壤類(lèi)型,自西向東潛水埋深較在1.16—1.71 m之間,礦化度由10g/L左右增值30 g/L左右[13],易引起鹽漬化。天然植被多為鹽地堿蓬(Suaedasalsa(L.)Pall.)、檉柳、蘆葦(Phragmitescommunis)、中華補(bǔ)血草(Limoniumsinense(Girard)Kuntze)等鹽生植物。

圖1 檉柳冠下土壤采樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Distribution of soil sampling points under Tamarix canopy

2 研究方法

2.1 樣品采集

在黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)黃河入海口附近,根據(jù)不同群落檉柳灌叢長(zhǎng)勢(shì)基本一致的原則分別在堿蓬群落、檉柳群落和蘆葦群落里各選取3株長(zhǎng)勢(shì)基本一致(株高2m,冠幅3m×3m)且周?chē)?m內(nèi)無(wú)其他大型灌木干擾的檉柳灌叢為代表。以每一檉柳灌叢基莖為中心,在檉柳灌叢根部及距主干0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m處,按東、西、南、北四個(gè)方位設(shè)置土壤剖面,每個(gè)剖面按照0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—50 cm的分層進(jìn)行取樣(圖1),共采集土壤樣品945個(gè)。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

ESP=100(-0.0126+0.01475SAR)/[1+(-0.0126+0.01475SAR)]

其中鈉吸附比SAR=Na+/[(Ca2++Mg2+)/2]1/2[14]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

3 結(jié)果分析

3.1 土壤鹽漬化特征

3.1.1土壤全鹽量與鹽堿化參數(shù)

土壤TS和EC是土壤鹽化程度的重要指標(biāo)。研究區(qū)域檉柳灌叢土壤TS的平均含量為16.49g/kg,按照我國(guó)現(xiàn)行鹽漬土分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[15](7 g/kg)屬鹽土。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),土壤鹽化特征明顯時(shí)EC通常大于4 ms/cm[16—17],檉柳灌叢土壤EC值為4.15ms/cm,土壤具有鹽化趨勢(shì)。pH、ESP可以表征土壤堿化程度[18]。研究區(qū)域土壤pH為7.79,ESP為6.10%介于5%—10%之間為弱堿化土。可見(jiàn),研究區(qū)土壤為弱堿化鹽土。

土壤TS與鹽堿化參數(shù)在不同土層之間存在差異：TS含量隨土壤深度增加而遞減,在0—10 cm土層顯著高于其他土層(P<0.05)；EC在0—10 cm土層顯著高于20—50 cm(P<0.05)；pH在0—5 cm土層顯著低于其他土層(P<0.05)；ESP在不同土層分布較為均勻,除30—50 cm土層外,其余土層間無(wú)顯著性差異(P>0.05)(圖2)。

圖2 不同土層總鹽與鹽堿化參數(shù)Fig.2 Total salt and salinization parameters in different soil layers相同指標(biāo)、不同土層無(wú)相同小寫(xiě)字母表示差異性顯著(P<0.05)

3.1.2土壤鹽分離子

圖3 不同土層鹽分離子含量Fig.3 Salt ion content in different soil layers相同指標(biāo)、不同土層無(wú)相同小寫(xiě)字母表示差異性顯著(P<0.05)

3.2 土壤鹽漬化的剖面空間分布特征

3.2.1土壤全鹽量與鹽堿化參數(shù)的剖面空間分布特征

距灌叢中心的距離為x軸,距地表的距離為y軸,作土壤剖面圖(圖4)。縱向看,土壤TS、EC 具有表聚性；pH的分布特征與之相反,在土壤表層數(shù)值最低；ESP表層較高,但總體分布較為均勻。橫向看,檉柳冠下土壤各指標(biāo)均低于灌叢間裸地,在檉柳基莖周?chē)纬伞胞}谷”、“堿谷”效應(yīng)；TS、EC在0—10 cm土層,半徑150 cm的范圍內(nèi)形成“鹽谷”；pH在0—5 cm,半徑50 cm的范圍內(nèi)形成“堿谷”；ESP則在半徑50 cm范圍內(nèi)均存在“堿谷”效應(yīng),但在0—20 cm土層表現(xiàn)得更為強(qiáng)烈。

圖4 土壤總鹽與鹽堿化參數(shù)剖面分布圖Fig.4 Distribution profiles of total salt and salinization parameters

3.2.2土壤鹽分離子的剖面空間分布特征

圖5 土壤鹽分離子剖面分布圖Fig.5 Profile distribution of soil salt ions

3.3 土壤鹽漬化特征的冗余分析

3.3.1RDA分析可信度

3.3.2土壤鹽分離子間及其與鹽堿化參數(shù)的RDA分析

因根部土壤樣品數(shù)少于環(huán)境因子數(shù),故只做距灌叢中心50 cm、100 cm、150 cm、200 cm、250 cm和整個(gè)土壤剖面的二維排序圖,如圖6所示。圖中將研究對(duì)象用虛線(xiàn)實(shí)心箭頭表示,環(huán)境因子用實(shí)線(xiàn)空心箭頭表示。箭頭連線(xiàn)之間的夾角(余弦值)代表它們之間的相關(guān)性,銳角表示二者呈正相關(guān),夾角越小相關(guān)性越高,鈍角反之；箭頭連線(xiàn)長(zhǎng)度表示環(huán)境因子對(duì)研究對(duì)象的影響程度,連線(xiàn)越長(zhǎng),影響程度越大[20—21]。

表1 中文冗余分析(RDA)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

圖6 不同距離土壤鹽分的中文冗余分析(RDA)二維排序圖Fig.6 Two dimensional ordination diagram of redundancy analysis (RDA) of soil salts at different distances

4 討論

鹽堿土是各種鹽土、堿土以及不同程度鹽化、堿化土壤的總稱(chēng)[22]。該區(qū)域土壤鹽分離子中Cl-和Na+含量最高,為T(mén)S的主控因子,主要與研究區(qū)臨近渤海,海水長(zhǎng)期側(cè)滲加之人類(lèi)開(kāi)采地下水導(dǎo)致地下水位降低海水倒灌有關(guān)[23]。在海陸風(fēng)和太陽(yáng)輻射雙重作用下,地下水中的鹽分隨毛管水上升到地表并不斷積聚,土壤鹽分普遍表現(xiàn)為表聚性。應(yīng)當(dāng)控制或減少鈉鹽、氯鹽的投入,加強(qiáng)地下水開(kāi)采的控制管理并采取措施防止海水侵漬加劇[24]。

4.1 鹽堿谷機(jī)制及適應(yīng)策略

土壤空間異質(zhì)性是生物與土壤相互作用的一個(gè)特征表現(xiàn)[25—26]。本研究中檉柳冠下土壤TS、EC、pH和ESP均低于灌叢間裸地,形成“鹽谷”、“堿谷”效應(yīng)。在灌叢下形成低鹽區(qū),一方面是由于檉柳對(duì)土壤鹽分的吸收作用,降低土壤鹽含量；另一方面檉柳多枝、半球狀的形態(tài)易于匯集雨水形成樹(shù)干徑流作用,在檉柳發(fā)達(dá)根系的穿插作用下,有利于檉柳分泌的鹽分以及灌叢下土壤鹽分淋溶至深層土壤或地下水中,這種形態(tài)還可以增強(qiáng)遮蔽作用,植物蒸騰代替水分蒸發(fā),在灌叢下形成低溫、濕潤(rùn)的環(huán)境,減輕土壤返鹽[5,27—28]。 但鹽生植物對(duì)鹽分的吸收轉(zhuǎn)移具有周期性,吸收的鹽分除部分轉(zhuǎn)化為有機(jī)物被植物利用外,其余貯存在植物體內(nèi)的鹽分以凋落物的形式歸還土壤形成生物積鹽。在研究區(qū)內(nèi),地表還生長(zhǎng)有真鹽鹽生植物堿蓬,但其肉質(zhì)化的葉片易腐爛分解,大量釋放貯存于體內(nèi)的鹽分,因此可以對(duì)其進(jìn)行適度收割,實(shí)現(xiàn)鹽分轉(zhuǎn)移,同時(shí)覆蓋秸稈緩解地表蒸發(fā)積鹽和填補(bǔ)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)移[29—30]。檉柳灌叢下以及土壤表層形成pH低值區(qū),主要由于檉柳和地表其他小型鹽生植物的根系能夠分泌有機(jī)酸、根系土壤中微生物的呼吸作用以及微生物對(duì)植物殘?bào)w的分解作用產(chǎn)生酸可中和堿性土壤[31]。ESP也表現(xiàn)為在灌叢下形成低值區(qū),說(shuō)明檉柳能有效的緩解土壤返堿。為適應(yīng)鹽堿化環(huán)境,土壤養(yǎng)分也具有空間異質(zhì)性,表現(xiàn)為檉柳灌叢下土壤養(yǎng)分高于株間裸地,形成“肥島”效應(yīng)[32]。檉柳捕獲的地上凋落物和根系脫落物在小型動(dòng)物和微生物的分解作用下,提高了檉柳灌叢下土壤養(yǎng)分含量,改善土壤理化性質(zhì)[33]。這為灌叢下其他鹽生植物生長(zhǎng)提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境,從而加強(qiáng)了檉柳灌叢下“肥島”、“鹽谷”的強(qiáng)度和范圍,“肥島”效應(yīng)與“鹽谷”效應(yīng)相互促進(jìn),促使黃河口濕地土壤向高養(yǎng)分、低鹽分,低pH 值推進(jìn)。

4.2 土壤鹽分離子的空間分布差異

4.3 展望

冗余分析是一種直接梯度分析方法,能從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度反映研究對(duì)象與環(huán)境因子間的相互關(guān)系[40],本研究將冗余分析法和克里金插值法相結(jié)合,能較好的反映檉柳灌叢下土壤的鹽漬化特征,但缺少對(duì)植物體鹽分與土壤鹽分間相互關(guān)系的分析。近年來(lái)不少學(xué)者對(duì)土壤-植物-凋落物間的養(yǎng)分及生態(tài)化學(xué)計(jì)量進(jìn)行了研究[41—42],但對(duì)三者間鹽分循環(huán)過(guò)程的研究較為少見(jiàn),可以從植物不同器官、不同季節(jié)動(dòng)態(tài)的角度來(lái)分析土壤-植物-凋落物間鹽分的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程,探討鹽生植物改良鹽堿地的機(jī)制,為濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)提供參考依據(jù)。

5 結(jié)論