蘇北濱海鹽漬土土壤基本性質及其對中山杉生長的影響

鄭 旭, 趙文靜, 劉興滿, 張 康, 王文成, 秦 波, 唐羅忠

(1.連云港市農業科學院,江蘇 連云港 222000; 2.南京林業大學南方現代林業協同創新中心/南京林業大學林學院,江蘇 南京 210037; 3.江蘇銀寶林業有限公司,江蘇 鹽城 224100)

土壤鹽漬化是一個全球性問題,嚴重威脅著世界各國的土地質量和生態環境[1]。全球鹽漬化土壤面積約為8.31×108hm2[2],中國的鹽漬化土壤面積約3.60×107hm2,主要分布在華北、東北、西北平原以及濱海區域[3-4]。此外,由于氣候變化、不合理的耕作制度等因素,土壤次生鹽漬化現象有日趨加重的趨勢[5-6]。因此,加強鹽漬土的改良對改善區域生態環境、促進區域工農業生產和經濟發展至關重要[7]。

傳統的鹽漬土換土改良方法,投入高,且難以根除鹽漬化問題[8]。灌溉洗鹽亦需要結合一定的工程措施,且對地下水位較高的濱海地區難以實現[9-12]。恢復植被是抑制土壤鹽漬化,改良鹽漬土的有效措施[13-15]。但鹽漬土較高的含鹽量易導致植被光合速率降低,生物量積累減少,生長緩慢[16]。有關鹽漬土耐鹽樹種的選育與篩選、樹種的耐鹽指標等已有一些研究[17-18]。這些研究結果為緩解鹽漬土生態危機,增加林木種質資源,促進生態林業發展提供了較好的基礎。

濱海地區的地理位置往往比較優越,交通比較便利,資源比較豐富,開發利用潛力較大。但濱海鹽漬土受海水的影響較大,鹽分組成與海水鹽分關聯度高,土壤剖面由上而下均勻分布著氯化物鹽類[19]。江蘇北部濱海鹽漬土資源比較豐富,近年來開展了大規模的造林綠化工程,其中,中山杉(Taxodium)的種植面積比較大。但不同地塊種植的中山杉成活率和長勢呈現出較大的差異,其主要原因是地塊間的土壤含鹽量存在較大差異。目前,對自然環境下,土壤含鹽量對中山杉成活率和長勢的影響尚不明確。因此,為明確土壤含鹽量、有機質含量等基本性狀指標與中山杉生長的關系,本研究在江蘇省北部濱海鹽漬地選擇典型地塊調查中山杉成活率、生長量以及土壤基本性質,分析中山杉的耐鹽性,以期為江蘇北部沿海地區和類似區域的鹽漬地造林提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

江蘇省鹽城市大豐區(北緯33°05′,東經120°49′)處于北亞熱帶和暖溫帶的交界地帶,季風氣候明顯,春季盛行東南風和東風,風速較大,夏季多發臺風。年平均氣溫14.1 ℃,1月為最冷月,平均氣溫0.8 ℃,7月為最熱月平均氣溫27.0 ℃。年平均降雨量1 068.0 mm,年平均蒸發量1 361.0 mm。濱海淤泥質土壤,粉砂比例較高,土壤肥力較低。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集與分析 采用標準地調查法。2019年8月中旬,根據中山杉的成活率、生長情況以及林下植被狀況,在鹽城市大豐區沿海林場、上海農場以及江蘇省沿海造林試驗站選擇3年生中山杉造林地設置12塊調查樣地(圖1)。樣地面積為400 m2。在每塊調查樣地內用口徑為4.5 cm的不銹鋼土鉆分別取0～20.0 cm和20.1～50.0 cm兩個土層土樣,按照“Z”形走向取樣9次,每3份土樣合并為1份混合樣品,裝入自封袋保存,共72份土樣。放至陰涼處攤開,自然風干15 d至土樣質量基本穩定,撿出土樣中的雜質,并過2 mm孔徑的土壤篩,稱得各土樣的質量。過篩后的土壤用于測定含鹽量、電導率、有機質含量、全氮含量和全鈉含量。測定方法如下:

含鹽量:精確稱取20 g過篩土樣放入容量為500 ml的玻璃瓶中,加入100 ml的超純水,震蕩5 min,在4 000 r/min的轉速下離心30 min,將上清液進一步過濾后,精確量取50 ml濾液放入已知質量為W1的清潔干燥玻璃瓶中,經水浴處理,待溶液蒸干后(溶液蒸干后為白色,有機質含量忽略不計),再在電熱鼓風烘箱中將玻璃瓶烘干至恒質量(W2),用下式計算土壤鹽分含量:

式中,W1為玻璃瓶質量(g),W2為玻璃瓶加水溶性鹽質量(g)。

電導率:按照水土質量比5∶1的比例,稱取10 g過篩風干土放入100 ml離心管中,加入50 ml的去離子水,震蕩5 min后離心30 min,在25 ℃環境下,使用DDS-307型電導率儀(上海儀電科學儀器股份有限公司產品)測定上清液的電導率。

有機質含量:采用重鉻酸鉀加熱法測定[20]。

全氮和全鈉含量:參照魯如坤[21]和鮑士旦[22]的方法,用濃硫酸和高氯酸混合酸消煮后,采用靛酚藍比色法測定全氮含量,采用原子吸收分光光度法測定全鈉含量。

——:區界;1～12:樣地編號。圖1 鹽城市大豐區中山杉調查樣地分布Fig.1 Distribution of sample plots of Taxodium ‘Zhongshanshan’ in Dafeng District of Yancheng City

1.2.2 樹木生長調查 分別測定每塊樣地內所有存活的中山杉樹高和胸徑,并記錄死亡和存活的株數。中山杉樹齡均為3年。用5 m長的標桿測定樹高;用胸徑尺測定地面以上1.3 m處的樹木胸徑;用存活樹木數量占造林樹木數量的百分比作為樹木成活率。

2 結果與分析

2.1 土壤基本性質

2.1.1 土壤含鹽量 由圖2可知,不同樣地之間的土壤水溶性鹽含量存在較大差異。含鹽量較高的樣地上層土壤的含鹽量往往高于下層土壤,呈現出明顯的土壤表面鹽分聚積現象;而含鹽量較低的樣地上下層之間的土壤含鹽量差異較小。大部分樣地土壤含鹽量低于0.30%,但樣地6、7、8和12的土壤含鹽量較高,其中樣地12的0～20.0 cm、20.1～50.0 cm土層含鹽量分別高達0.92%和0.68%。

2.1.2 土壤電導率 由圖3可知,各樣地土壤電導率分布規律與土壤含鹽量基本一致。上層土壤電導率在1 500 μS/cm以下的樣地,基本上呈現出下層土壤電導率大于上層。電導率較高的樣地(電導率在1 500 μS/cm以上),上層土壤電導率均顯著大于下層。樣地12的0～20.0 cm和20.1～50.0 cm土層電導率最大,分別為2 790.5 μS/cm和2 080.0 μS/cm。

相同土層不同樣地之間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖2 12個樣地不同土層土壤含鹽量Fig.2 Soil salt content in different soil layers of twelve sample plots

2.1.3 土壤有機質含量 由圖4可知,所有樣地的上層土壤有機質含量均大于下層土壤,除了樣地8和樣地10以外,其他樣地的上下層土壤有機質含量差異均達顯著水平。樣地9的上層土壤有機質含量最高,達到17.50 g/kg,其他樣地有機質含量均在12.00 g/kg以下。方差分析結果表明,相同土層不同樣地之間的土壤有機質含量差異較大,上層和下層土壤有機質含量的變異系數分別為35.1%和23.8%。與一般的農業和林業土壤相比,濱海鹽堿地土壤有機質含量較低,這與成土時間較短、土壤含鹽量較高、植被較少等因素有關。

2.1.4 土壤全氮含量 由圖5可知,不同樣地的土壤全氮含量變化規律與土壤有機質含量(圖4)相似,下層土壤全氮含量普遍低于上層土壤,且差異多數達到了顯著水平。各樣地土壤全氮含量均在0.4 g/kg以下。相同土層、不同樣地之間的土壤全氮含量存在較大差異,上層和下層土壤全氮含量的變異系數分別為28.9%和27.6%。

相同土層不同樣地之間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖3 12個樣地不同土層土壤電導率Fig.3 Soil electrical conductivity in different soil layers of twelve sample plots

相同土層不同樣地之間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖4 12個樣地不同土層土壤有機質含量Fig.4 Soil organic matter content in different soil layers of twelve sample plots

相同土層不同樣地之間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖5 12個樣地不同土層土壤全氮含量Fig.5 Soil total nitrogen content in different soil layers of twelve sample plots

2.1.5 土壤全鈉含量 由圖6可知,各樣地土壤全鈉含量變化趨勢與含鹽量(圖2)、電導率(圖3)基本一致。大部分樣地不同土層之間土壤全鈉含量差異顯著;在全鈉含量較高的樣地,上層土壤全鈉含量基本上均高于下層土壤。12個調查樣地中,樣地12的下層土壤全鈉含量最高,為2.63 g/kg。

2.2 不同樣地中山杉生長狀況

由表1可知,不同樣地的中山杉成活率、胸徑和樹高之間存在較大差異。樣地1的中山杉成活率最高,達98%,最低的為樣地12,成活率為0。11號樣地的中山杉平均胸徑和平均樹高最大,分別達6.58 cm、3.68 m,顯著大于其他樣地。中山杉的成活率隨著造林地土壤含鹽量的增高而降低。

相同土層不同樣地之間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖6 12個樣地不同土層土壤全鈉含量Fig.6 Soil total sodium content in different soil layers of twelve sample plots

表1 不同樣地中山杉生長狀況

2.3 土壤含鹽量對中山杉成活率和生長指標的影響

由圖7可知,0～50.0 cm土壤含鹽量與中山杉成活率、平均胸徑以及平均樹高之間均呈負相關關系,即:中山杉成活率、胸徑和樹高均隨著土壤含鹽量的增高而降低,可以用一元二次方程進行定量擬合。根據擬合方程可知,如果土壤含鹽量為0.20%時,中山杉成活率可達到90%左右,胸徑和樹高分別為3.0 cm和2.7 m左右;當含鹽量為0.40%時,中山杉成活率為76%左右,胸徑、樹高分別為2.4 cm和2.1 m左右;當土壤含鹽量為0.60%時,中山杉成活率僅為45%,胸徑、樹高也分別偏小、變矮。如果以樹木成活率達到50%以上,且具有一定生長量作為樹種耐鹽性的基本標準,則中山杉可耐受0.50%左右的土壤含鹽量。當土壤鹽分含量低于0.30%時,中山杉的成活率在80%以上,胸徑和樹高也比較正常。

2.4 土壤性質與中山杉生長指標的相關性分析

12個樣地0～50.0 cm土壤性質指標和中山杉生長指標的相關性如表2所示。從表2可以看出,土壤含鹽量、電導率和全鈉含量相互之間呈極顯著正相關關系,三者與土壤有機質含量和全氮含量均呈負相關關系,其中土壤有機質含量與土壤含鹽量、電導率和全鈉含量之間呈極顯著負相關,土壤全氮含量與土壤含鹽量、電導率和全鈉含量呈顯著負相關,土壤有機質含量與土壤全氮含量呈極顯著正相關。土壤含鹽量、電導率、有機質含量以及全鈉含量與中山杉的成活率和胸徑、樹高等生長指標均具有相關性,其中土壤含鹽量、電導率與中山杉成活率、樹高之間呈極顯著負相關,土壤有機質與中山杉成活率之間呈極顯著正相關,與樹高之間呈顯著正相關,土壤全鈉含量與樹高之間呈極顯著負相關,與成活率、胸徑之間呈顯著負相關。

圖7 0～50.0 cm土壤含鹽量對中山杉成活率、胸徑及樹高的影響Fig.7 Effects of soil salt content (0-50.0 cm) on the survival rate, diameter at breast height and height of Taxodium ‘Zhongshanshan’

表2 0～50.0 cm土壤性質指標與中山杉生長指標的相關性分析

3 討 論

江蘇省沿海灘涂資源十分豐富,面積占全國灘涂總面積的1/4,且每年以1.33×103hm2的速度淤漲[23]。沿海灘涂是重要的后備土地資源,利用中山杉等耐鹽樹種綠化和改良沿海灘涂,對于耕地保護具有重要意義。本研究中12塊調查樣地0～50.0 cm深度范圍的土壤含鹽量為0.04%～0.80%,不同樣地之間的土壤含鹽量差異較大,其主要原因可能是這些樣地的地勢和地下水位不同。含鹽量較高的樣地,呈現出典型的土壤表面鹽分聚積現象;含鹽量較低的樣地,其上層土壤含鹽量往往低于下層土壤。很多研究結果表明,土壤含鹽量與電導率的相關性顯著[24-26],有學者直接用土壤電導率表示土壤含鹽量[27-30]。本文亦發現,各樣地的土壤含鹽量與土壤電導率之間存在極顯著的正相關關系。

有機質能吸附較多的陽離子,改善土壤理化性質,提高土壤保肥能力和緩沖性能。土壤有機質既是土壤氮、磷的重要來源,也是土壤微生物必不可少的碳源和能源[31-32]。本研究中,上層土壤的有機質含量普遍高于下層土壤,表明種植中山杉以及自然草本植被有利于上層土壤積累有機質。但各調查樣地0～50.0 cm深度范圍的土壤有機質含量為4.37～11.52 g/kg,普遍偏低,這可能與該區域土壤形成時間較短、土壤含鹽量較高有關[33-34]。

土壤鹽分會抑制土壤養分積累[16,35],研究結果發現,土壤全氮含量和有機質含量與土壤含鹽量呈顯著負相關,這與王娜娜等[36]和毛思慧等[37]的研究結果一致。各樣地土壤全鈉含量與土壤含鹽量之間存在極顯著正相關關系[38],表明濱海鹽漬土中鈉鹽的比重較高。

成活率和生長量是反映植物耐鹽能力的重要指標,當植物受到鹽脅迫時,生長量會下降,受到嚴重脅迫時會導致死亡[39-40]。本研究中的中山杉成活率和樹高與土壤含鹽量之間均呈極顯著負相關,當土壤含鹽量高于0.60%時,中山杉的成活率和生長量均明顯較低,在此情況下,有必要先進行土壤改良,降低含鹽量,以提高中山杉的成活率和生長量;當土壤含鹽量低于0.30%時,中山杉的成活率和生長量均接近正常。土壤含鹽量為0.30%至0.50%時,中山杉亦具有一定的成活率,說明其具有較高的耐鹽性,能夠在含鹽量為0.50%以下的濱海鹽堿地造林。

4 結 論

江蘇沿海地區中山杉造林地0～50.0 cm深度范圍的土壤含鹽量在0.04%～0.80%,含鹽量較高的樣地呈現出土壤表面鹽分聚積現象。土壤含鹽量與土壤有機質含量之間存在極顯著負相關關系,與土壤電導率和全鈉含量之間存在極顯著正相關關系。土壤含鹽量與中山杉的成活率、胸徑、樹高之間均呈負相關關系。當土壤鹽分含量高于0.60%時,中山杉的成活率、胸徑和樹高均明顯較低,當土壤鹽分含量低于0.3%時,中山杉的表現接近正常。