黄河口湿地柽柳灌丛土壤盐渍化特征

许 婕,刘加珍,张天举,马笑丹,付 丽,张亚茹,李 苗,马玉芹,陈永金,*

1 聊城大学地理与环境学院,聊城 252059 2 长春理工大学化学与环境工程学院,长春 130022 3 中国科学院新疆生态与地理研究所,荒漠与绿洲生态国家重点实验室,乌鲁木齐 830011 4 中国科学院大学,北京 100049

土壤盐渍化问题在世界普遍存在,主要表现为易溶性盐分不断积聚在土壤表层,并且盐渍化面积在不断增加,严重制约着农业生产和经济的发展[1—2]。我国盐碱地多分布于我国西北干旱、半干旱区,东北、华北平原及沿海地区[3],占全国可利用土地面积的4.88%[4],盐碱地的改良开发可在一定程度上缓解我国的人地紧张及粮食安全问题。目前,盐碱地的治理主要有物理、化学和生物改良三种方法,其中生物改良方法生态环保且最具可持续性。环境对植物具有决定性影响,但植物并非完全被动受制于环境,盐生植物的生理特征对土壤理化性质的空间分布也会产生影响[5],从而具有改良盐碱地效果。不少学者对植物改良盐碱地的效应进行了研究,荆为民等研究证实新疆盐碱地9种盐生植物具有较好的脱盐效果,且土壤表层脱盐率较高[6]；景宇鹏等研究了内蒙古河套灌区5种植物均能有效降低土壤的碱化度、全盐和pH[7]；黄丽萍等发现种植盐生植物可有效抑制天津盐渍土地区土壤盐分,但土壤pH值有所升高[8]；何玉惠等证实黄土高原西部荒漠草原区土壤盐分富集于红砂(Reaumuriasoongorica)灌丛下[9]；张立华等对黄河三角洲盐碱地柽柳灌丛下土壤盐分分布及迁移特征也做过分析研究[10]。但多数研究以内陆干旱、半干旱地区为对象,对滨海湿地土壤盐渍化的研究相对较少。

黄河三角洲湿地是我国最年轻且最广阔的湿地,位于农业大省山东省境内,作为重要的后备土地资源具有较大的开发利用潜力。受沉积环境、成土母质、水文气候等因素的影响,盐渍土广布,次生盐渍土面积约占30%[11]。柽柳(Tamarixchinensis)作为泌盐盐生植物,能在盐胁迫环境下生长且广布于此。为了探究湿地土壤盐渍化特征以及植物对土壤盐渍化的改良适应机制,本文以柽柳灌丛下土壤为对象,用克里金插值法对土壤剖面理化性质进行空间插值,利用冗余分析法分析距柽柳基茎不同距离的盐碱化参数与盐分离子的关系,以期为黄河三角洲湿地资源开发利用与生态保护提供科学参考。

1 研究区概况

黄河三角洲湿地位于北纬37°35′—38°12′,东经118°33′—119°20′[12]。研究区在山东省东营市垦利区境内,海拔较低,地势平坦,为典型的河口冲积平原。该区域属于暖温带大陆性季风气候,年均气温为11.7—12.6 ℃,年均降水量为530—630 mm,降水集中在夏季,年均蒸发量为1900—2400 mm。研究地主要有滨海盐土、盐化潮土和潮土3种土壤类型,自西向东潜水埋深较在1.16—1.71 m之间,矿化度由10g/L左右增值30 g/L左右[13],易引起盐渍化。天然植被多为盐地碱蓬(Suaedasalsa(L.)Pall.)、柽柳、芦苇(Phragmitescommunis)、中华补血草(Limoniumsinense(Girard)Kuntze)等盐生植物。

图1 柽柳冠下土壤采样点分布示意图Fig.1 Distribution of soil sampling points under Tamarix canopy

2 研究方法

2.1 样品采集

在黄河三角洲国家级自然保护区黄河入海口附近,根据不同群落柽柳灌丛长势基本一致的原则分别在碱蓬群落、柽柳群落和芦苇群落里各选取3株长势基本一致(株高2m,冠幅3m×3m)且周围5m内无其他大型灌木干扰的柽柳灌丛为代表。以每一柽柳灌丛基茎为中心,在柽柳灌丛根部及距主干0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m处,按东、西、南、北四个方位设置土壤剖面,每个剖面按照0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—50 cm的分层进行取样(图1),共采集土壤样品945个。

2.2 实验分析

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

其中钠吸附比SAR=Na+/[(Ca2++Mg2+)/2]1/2[14]。

2.3 数据处理

3 结果分析

3.1 土壤盐渍化特征

3.1.1土壤全盐量与盐碱化参数

土壤TS和EC是土壤盐化程度的重要指标。研究区域柽柳灌丛土壤TS的平均含量为16.49g/kg,按照我国现行盐渍土分类标准[15](7 g/kg)属盐土。国内外学者研究发现,土壤盐化特征明显时EC通常大于4 ms/cm[16—17],柽柳灌丛土壤EC值为4.15ms/cm,土壤具有盐化趋势。pH、ESP可以表征土壤碱化程度[18]。研究区域土壤pH为7.79,ESP为6.10%介于5%—10%之间为弱碱化土。可见,研究区土壤为弱碱化盐土。

土壤TS与盐碱化参数在不同土层之间存在差异：TS含量随土壤深度增加而递减,在0—10 cm土层显著高于其他土层(P<0.05)；EC在0—10 cm土层显著高于20—50 cm(P<0.05)；pH在0—5 cm土层显著低于其他土层(P<0.05)；ESP在不同土层分布较为均匀,除30—50 cm土层外,其余土层间无显著性差异(P>0.05)(图2)。

图2 不同土层总盐与盐碱化参数Fig.2 Total salt and salinization parameters in different soil layers相同指标、不同土层无相同小写字母表示差异性显著(P<0.05)

3.1.2土壤盐分离子

图3 不同土层盐分离子含量Fig.3 Salt ion content in different soil layers相同指标、不同土层无相同小写字母表示差异性显著(P<0.05)

3.2 土壤盐渍化的剖面空间分布特征

3.2.1土壤全盐量与盐碱化参数的剖面空间分布特征

距灌丛中心的距离为x轴,距地表的距离为y轴,作土壤剖面图(图4)。纵向看,土壤TS、EC 具有表聚性；pH的分布特征与之相反,在土壤表层数值最低；ESP表层较高,但总体分布较为均匀。横向看,柽柳冠下土壤各指标均低于灌丛间裸地,在柽柳基茎周围形成“盐谷”、“碱谷”效应；TS、EC在0—10 cm土层,半径150 cm的范围内形成“盐谷”；pH在0—5 cm,半径50 cm的范围内形成“碱谷”；ESP则在半径50 cm范围内均存在“碱谷”效应,但在0—20 cm土层表现得更为强烈。

图4 土壤总盐与盐碱化参数剖面分布图Fig.4 Distribution profiles of total salt and salinization parameters

3.2.2土壤盐分离子的剖面空间分布特征

图5 土壤盐分离子剖面分布图Fig.5 Profile distribution of soil salt ions

3.3 土壤盐渍化特征的冗余分析

3.3.1RDA分析可信度

3.3.2土壤盐分离子间及其与盐碱化参数的RDA分析

因根部土壤样品数少于环境因子数,故只做距灌丛中心50 cm、100 cm、150 cm、200 cm、250 cm和整个土壤剖面的二维排序图,如图6所示。图中将研究对象用虚线实心箭头表示,环境因子用实线空心箭头表示。箭头连线之间的夹角(余弦值)代表它们之间的相关性,锐角表示二者呈正相关,夹角越小相关性越高,钝角反之；箭头连线长度表示环境因子对研究对象的影响程度,连线越长,影响程度越大[20—21]。

表1 中文冗余分析(RDA)统计结果分析

图6 不同距离土壤盐分的中文冗余分析(RDA)二维排序图Fig.6 Two dimensional ordination diagram of redundancy analysis (RDA) of soil salts at different distances

4 讨论

盐碱土是各种盐土、碱土以及不同程度盐化、碱化土壤的总称[22]。该区域土壤盐分离子中Cl-和Na+含量最高,为TS的主控因子,主要与研究区临近渤海,海水长期侧渗加之人类开采地下水导致地下水位降低海水倒灌有关[23]。在海陆风和太阳辐射双重作用下,地下水中的盐分随毛管水上升到地表并不断积聚,土壤盐分普遍表现为表聚性。应当控制或减少钠盐、氯盐的投入,加强地下水开采的控制管理并采取措施防止海水侵渍加剧[24]。

4.1 盐碱谷机制及适应策略

土壤空间异质性是生物与土壤相互作用的一个特征表现[25—26]。本研究中柽柳冠下土壤TS、EC、pH和ESP均低于灌丛间裸地,形成“盐谷”、“碱谷”效应。在灌丛下形成低盐区,一方面是由于柽柳对土壤盐分的吸收作用,降低土壤盐含量；另一方面柽柳多枝、半球状的形态易于汇集雨水形成树干径流作用,在柽柳发达根系的穿插作用下,有利于柽柳分泌的盐分以及灌丛下土壤盐分淋溶至深层土壤或地下水中,这种形态还可以增强遮蔽作用,植物蒸腾代替水分蒸发,在灌丛下形成低温、湿润的环境,减轻土壤返盐[5,27—28]。 但盐生植物对盐分的吸收转移具有周期性,吸收的盐分除部分转化为有机物被植物利用外,其余贮存在植物体内的盐分以凋落物的形式归还土壤形成生物积盐。在研究区内,地表还生长有真盐盐生植物碱蓬,但其肉质化的叶片易腐烂分解,大量释放贮存于体内的盐分,因此可以对其进行适度收割,实现盐分转移,同时覆盖秸秆缓解地表蒸发积盐和填补养分的转移[29—30]。柽柳灌丛下以及土壤表层形成pH低值区,主要由于柽柳和地表其他小型盐生植物的根系能够分泌有机酸、根系土壤中微生物的呼吸作用以及微生物对植物残体的分解作用产生酸可中和碱性土壤[31]。ESP也表现为在灌丛下形成低值区,说明柽柳能有效的缓解土壤返碱。为适应盐碱化环境,土壤养分也具有空间异质性,表现为柽柳灌丛下土壤养分高于株间裸地,形成“肥岛”效应[32]。柽柳捕获的地上凋落物和根系脱落物在小型动物和微生物的分解作用下,提高了柽柳灌丛下土壤养分含量,改善土壤理化性质[33]。这为灌丛下其他盐生植物生长提供良好的生长环境,从而加强了柽柳灌丛下“肥岛”、“盐谷”的强度和范围,“肥岛”效应与“盐谷”效应相互促进,促使黄河口湿地土壤向高养分、低盐分,低pH 值推进。

4.2 土壤盐分离子的空间分布差异

4.3 展望

冗余分析是一种直接梯度分析方法,能从统计学的角度反映研究对象与环境因子间的相互关系[40],本研究将冗余分析法和克里金插值法相结合,能较好的反映柽柳灌丛下土壤的盐渍化特征,但缺少对植物体盐分与土壤盐分间相互关系的分析。近年来不少学者对土壤-植物-凋落物间的养分及生态化学计量进行了研究[41—42],但对三者间盐分循环过程的研究较为少见,可以从植物不同器官、不同季节动态的角度来分析土壤-植物-凋落物间盐分的生物地球化学循环过程,探讨盐生植物改良盐碱地的机制,为湿地生态系统的保护提供参考依据。

5 结论