黃河口濕地檉柳灌叢土壤鹽漬化特征

許 婕,劉加珍,張天舉,馬笑丹,付 麗,張亞茹,李 苗,馬玉芹,陳永金,*

1 聊城大學地理與環境學院,聊城 252059 2 長春理工大學化學與環境工程學院,長春 130022 3 中國科學院新疆生態與地理研究所,荒漠與綠洲生態國家重點實驗室,烏魯木齊 830011 4 中國科學院大學,北京 100049

土壤鹽漬化問題在世界普遍存在,主要表現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,嚴重制約著農業生產和經濟的發展[1—2]。我國鹽堿地多分布于我國西北干旱、半干旱區,東北、華北平原及沿海地區[3],占全國可利用土地面積的4.88%[4],鹽堿地的改良開發可在一定程度上緩解我國的人地緊張及糧食安全問題。目前,鹽堿地的治理主要有物理、化學和生物改良三種方法,其中生物改良方法生態環保且最具可持續性。環境對植物具有決定性影響,但植物并非完全被動受制于環境,鹽生植物的生理特征對土壤理化性質的空間分布也會產生影響[5],從而具有改良鹽堿地效果。不少學者對植物改良鹽堿地的效應進行了研究,荊為民等研究證實新疆鹽堿地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]；景宇鵬等研究了內蒙古河套灌區5種植物均能有效降低土壤的堿化度、全鹽和pH[7]；黃麗萍等發現種植鹽生植物可有效抑制天津鹽漬土地區土壤鹽分,但土壤pH值有所升高[8]；何玉惠等證實黃土高原西部荒漠草原區土壤鹽分富集于紅砂(Reaumuriasoongorica)灌叢下[9]；張立華等對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分析研究[10]。但多數研究以內陸干旱、半干旱地區為對象,對濱海濕地土壤鹽漬化的研究相對較少。

黃河三角洲濕地是我國最年輕且最廣闊的濕地,位于農業大省山東省境內,作為重要的后備土地資源具有較大的開發利用潛力。受沉積環境、成土母質、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,能在鹽脅迫環境下生長且廣布于此。為了探究濕地土壤鹽漬化特征以及植物對土壤鹽漬化的改良適應機制,本文以檉柳灌叢下土壤為對象,用克里金插值法對土壤剖面理化性質進行空間插值,利用冗余分析法分析距檉柳基莖不同距離的鹽堿化參數與鹽分離子的關系,以期為黃河三角洲濕地資源開發利用與生態保護提供科學參考。

1 研究區概況

黃河三角洲濕地位于北緯37°35′—38°12′,東經118°33′—119°20′[12]。研究區在山東省東營市墾利區境內,海拔較低,地勢平坦,為典型的河口沖積平原。該區域屬于暖溫帶大陸性季風氣候,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)、中華補血草(Limoniumsinense(Girard)Kuntze)等鹽生植物。

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

2 研究方法

2.1 樣品采集

在黃河三角洲國家級自然保護區黃河入海口附近,根據不同群落檉柳灌叢長勢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株長勢基本一致(株高2m,冠幅3m×3m)且周圍5m內無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、北四個方位設置土壤剖面,每個剖面按照0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—50 cm的分層進行取樣(圖1),共采集土壤樣品945個。

2.2 實驗分析

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 數據處理

3 結果分析

3.1 土壤鹽漬化特征

3.1.1土壤全鹽量與鹽堿化參數

土壤TS和EC是土壤鹽化程度的重要指標。研究區域檉柳灌叢土壤TS的平均含量為16.49g/kg,按照我國現行鹽漬土分類標準[15](7 g/kg)屬鹽土。國內外學者研究發現,土壤鹽化特征明顯時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。pH、ESP可以表征土壤堿化程度[18]。研究區域土壤pH為7.79,ESP為6.10%介于5%—10%之間為弱堿化土。可見,研究區土壤為弱堿化鹽土。

土壤TS與鹽堿化參數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,其余土層間無顯著性差異(P>0.05)(圖2)。

圖2 不同土層總鹽與鹽堿化參數Fig.2 Total salt and salinization parameters in different soil layers相同指標、不同土層無相同小寫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、不同土層無相同小寫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均低于灌叢間裸地,在檉柳基莖周圍形成“鹽谷”、“堿谷”效應；TS、EC在0—10 cm土層,半徑150 cm的范圍內形成“鹽谷”；pH在0—5 cm,半徑50 cm的范圍內形成“堿谷”；ESP則在半徑50 cm范圍內均存在“堿谷”效應,但在0—20 cm土層表現得更為強烈。

圖4 土壤總鹽與鹽堿化參數剖面分布圖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的RDA分析

因根部土壤樣品數少于環境因子數,故只做距灌叢中心50 cm、100 cm、150 cm、200 cm、250 cm和整個土壤剖面的二維排序圖,如圖6所示。圖中將研究對象用虛線實心箭頭表示,環境因子用實線空心箭頭表示。箭頭連線之間的夾角(余弦值)代表它們之間的相關性,銳角表示二者呈正相關,夾角越小相關性越高,鈍角反之；箭頭連線長度表示環境因子對研究對象的影響程度,連線越長,影響程度越大[20—21]。

表1 中文冗余分析(RDA)統計結果分析

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[22]。該區域土壤鹽分離子中Cl-和Na+含量最高,為TS的主控因子,主要與研究區臨近渤海,海水長期側滲加之人類開采地下水導致地下水位降低海水倒灌有關[23]。在海陸風和太陽輻射雙重作用下,地下水中的鹽分隨毛管水上升到地表并不斷積聚,土壤鹽分普遍表現為表聚性。應當控制或減少鈉鹽、氯鹽的投入,加強地下水開采的控制管理并采取措施防止海水侵漬加劇[24]。

4.1 鹽堿谷機制及適應策略

土壤空間異質性是生物與土壤相互作用的一個特征表現[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。在灌叢下形成低鹽區,一方面是由于檉柳對土壤鹽分的吸收作用,降低土壤鹽含量；另一方面檉柳多枝、半球狀的形態易于匯集雨水形成樹干徑流作用,在檉柳發達根系的穿插作用下,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,這種形態還可以增強遮蔽作用,植物蒸騰代替水分蒸發,在灌叢下形成低溫、濕潤的環境,減輕土壤返鹽[5,27—28]。 但鹽生植物對鹽分的吸收轉移具有周期性,吸收的鹽分除部分轉化為有機物被植物利用外,其余貯存在植物體內的鹽分以凋落物的形式歸還土壤形成生物積鹽。在研究區內,地表還生長有真鹽鹽生植物堿蓬,但其肉質化的葉片易腐爛分解,大量釋放貯存于體內的鹽分,因此可以對其進行適度收割,實現鹽分轉移,同時覆蓋秸稈緩解地表蒸發積鹽和填補養分的轉移[29—30]。檉柳灌叢下以及土壤表層形成pH低值區,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酸、根系土壤中微生物的呼吸作用以及微生物對植物殘體的分解作用產生酸可中和堿性土壤[31]。ESP也表現為在灌叢下形成低值區,說明檉柳能有效的緩解土壤返堿。為適應鹽堿化環境,土壤養分也具有空間異質性,表現為檉柳灌叢下土壤養分高于株間裸地,形成“肥島”效應[32]。檉柳捕獲的地上凋落物和根系脫落物在小型動物和微生物的分解作用下,提高了檉柳灌叢下土壤養分含量,改善土壤理化性質[33]。這為灌叢下其他鹽生植物生長提供良好的生長環境,從而加強了檉柳灌叢下“肥島”、“鹽谷”的強度和范圍,“肥島”效應與“鹽谷”效應相互促進,促使黃河口濕地土壤向高養分、低鹽分,低pH 值推進。

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,能從統計學的角度反映研究對象與環境因子間的相互關系[40],本研究將冗余分析法和克里金插值法相結合,能較好的反映檉柳灌叢下土壤的鹽漬化特征,但缺少對植物體鹽分與土壤鹽分間相互關系的分析。近年來不少學者對土壤-植物-凋落物間的養分及生態化學計量進行了研究[41—42],但對三者間鹽分循環過程的研究較為少見,可以從植物不同器官、不同季節動態的角度來分析土壤-植物-凋落物間鹽分的生物地球化學循環過程,探討鹽生植物改良鹽堿地的機制,為濕地生態系統的保護提供參考依據。

5 結論