土壤空间异质性被认为是自然生态系统的一个普遍特征^[1-4], 尤其是在以乔灌木为主导的荒漠生态系统中^[5]。有研究表明^[6-7], 由于生物积盐的作用, 盐生灌木可以在其植丛下形成“盐岛”^[8], 而“盐岛”效应则是荒漠生态系统土壤空间异质性的一个典型现象^[9]。虽然“盐岛”是土壤小尺度空间异质性的表现, 但对生态系统大尺度植被格局具有重要影响^[10]。尹传华等^[11]对塔里木盆地北缘盐化草甸生境和灌丛生境盐生灌木的研究表明, 多枝柽柳(Tamarix ramosissima)、盐穗木(Halostachys caspica)和盐节木(Halocnemum strobilaceum)均有不同程度的“盐岛”效应, 且三者产生的盐岛效应增强了土壤表层的积盐速率。Stock等^[12]和Dong等^[13]的研究显示, 树冠下土壤电导率高于树冠边缘及外围空地。但也有相反的结论, 即土壤在树干中心形成了低盐的环境^[14]。另外, 也不乏树冠下土壤pH值和电导率与树冠外围土壤并无差异的报道^[15]。由于不同地区的生物组成、气候特点和成土母质不同, 致使土壤盐渍化成因存在差异, 进而导致土壤总体盐分状况、盐分离子组成及离子之间的相关性不同^[16-17]。这可能是造成不同研究结果存在差异的主要原因之一。

柽柳(Tamarix chinensis)属柽柳科植物, 多为灌木, 是典型的泌盐植物, 具有很高的耐盐能力, 喜光, 耐潮湿, 耐瘠薄, 能防风固沙、保持水土、调节气候, 维护陆海生态平衡, 且能显著改良土壤理化性质。作为关键的木本植物建群物种, 在黄河三角洲滨海沿岸盐碱地及内陆低洼盐渍区构成大面积天然林带, 形成了黄河三角洲最大的灌木群落和山东最大的天然灌丛^[18]。其生存发育在极大程度上影响着该区域植物群落的结构和组成, 同时影响土壤盐分的变化过程。目前针对植株对土壤盐分分布格局的影响和作用机制的研究主要集中在内陆干旱区, 而滨海盐渍化地区植株对周围土壤盐分影响的研究还鲜见报道。张立华和陈小兵^[19]对黄河三角洲柽柳植株影响下不同土层电导率进行了研究, 结果表明, 在0—20 cm土层中, 土壤电导率随着离植株距离的增加而降低, 表现出明显的“盐岛”效应, 而该效应在其他土层中不显著, 但该研究没有涉及“盐岛”效应影响下不同盐分离子的分布特征。由于不同盐分离子在土壤中的运移规律存在差异, 植株周围存在“盐岛”效应与否是否与土壤中盐分离子的组成和类型有关？基于此, 本文对黄河三角洲盐碱地柽柳植株周围不同距离范围内不同土层中的盐分离子组成、含量、离子比及不同离子之间的相关性进行了研究, 旨在进一步揭示柽柳对贫瘠盐碱地生境空间异质性的影响及其适应机制, 并为黄河三角洲盐碱地的植被恢复提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

黄河三角洲位于渤海湾畔, 土地总面积约12000余平方公里, 是我国三大河口三角洲之一, 也是世界上增长速度最快和尚未得到大规模开发的最大三角洲之一^[20]。黄河三角洲作为我国最年轻的河口湿地, 有中国暖温带最广阔、最完整的河口新生湿地生态系统, 具有原始的生态系统特征, 是河口生态演替研究的重要地点。该区自然资源丰富, 但由于形成时间较晚, 是海陆交互作用形成的退海之地, 土壤肥力低, 加之气候干旱, 地下水矿化度高, 极易引起土壤盐渍化。该区域属于温带半湿润大陆性季风气候, 年均气温11.7—12.8 ℃, 年均蒸发量和降水量分别为1900—2400 mm和530—630 mm, 70%的降水分布在夏季^[21]。土壤以滨海潮土和滨海盐土为主。该区域分布的主要植被有柽柳(T. chinensis)、芦苇(Phragmites australis)、翅碱蓬(Suaeda salsa)、獐茅(Aeluropus littoralis var．sinensis)、狗牙根(Cynodon dactylon)和香蒲(Typha angustifolia)等^[22]。研究样地设在中国科学院黄河三角洲滨海湿地生态试验站(37°45′50″ N, 118°59′24″ E), 样地内以柽柳和芦苇为主。

1.2 样品采集

为确定盐碱地柽柳个体周围土壤养分和盐分的空间分布, 2013年8月在样地内随机选取长势基本一致的柽柳(T. chinensis)5株, 基径、株高和冠幅分别为8 cm、2 m和3 m×3 m左右。在柽柳主干周围半径3 m内, 按东、南、西、北4个方向用土钻在分别距主干0.5、1.0、1.5 m和2.0 m 4个点位取样(图 1), 每个点位取0—20、20—40、40—60、60—80 cm和80—100 cm 5个土层, 每株采集土壤样品80个。土样装入自封袋带回实验室经自然风干后去除植物残体和石块, 取部分风干土样过18目孔筛装袋备用。

1.3 分析方法

采用5：1的水土比对土壤进行浸提, 振荡5min后, 以5000 r/min的转速离心5min, 上清液经0.45 μm针头过滤器过滤后用于测定土壤可溶性盐离子组成。其中CO₃^2-和HCO₃^-采用双指示剂滴定法^[23], K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-和SO₄^2-利用离子色谱仪(美国戴安有限公司, Dionex ICS3000)进行测定。

1.4 统计分析

测得的数据应用Excel 2013软件统计、采用SPSS 15.0 for Windows在单因素方差分析(One-Way ANOVA)的基础上, 利用多重比较的方法(S-N-K)对离柽柳主干不同距离和不同土层间土壤盐分离子含量和离子比的差异；以距离和深度两个因素分别对以上指标的影响进行单变量多因素方差分析(univariate analysis of variance)和Tukey HSD多重比较；采用SPSS 15.0 for Windows进行相关分析(包括线性相关分析和偏相关分析)。

2 结果与分析 2.1 土壤盐分离子的变化

如图 2所示, 在离柽柳植株不同距离的4个点上, 各土层中的阳离子中, 以Na⁺含量最高, 其次是Ca²⁺和Mg²⁺, K⁺含量最低；阴离子中以Cl^-含量最高, 其次是SO₄^2-, HCO₃^-含量最低, 而未检测到CO₃^2-。离柽柳植株距离越远, K⁺含量越低, Na⁺含量也呈降低的趋势, 尤其在0—40 cm的土层中, 在0—80 cm的土层中, Cl^-在距柽柳植株2 m处的含量显著低于其他位置, 在0—20 cm的土层中, Ca²⁺、Mg²⁺和SO₄^2-在0.5 m处的含量则显著高于其他位置, 而0.5 m处的HCO₃^-含量则在各土层中均高于其他位置。阳离子和阴离子总量在离植株最远处最低, 尤其在0—20 cm的土层中, 均表现为0.5 m>1.0 m>1.5 m>2.0 m。在7种离子中, Na⁺、Mg²⁺和Cl^-随着土壤深度的增加而升高, 而K⁺、SO₄^2-和HCO₃^-降低, Ca²⁺则随土层变化没有明显的变化趋势。

多因素方差分析(表 1)和偏相关分析的结果显示(表 2), 距离对K⁺、Na⁺、Cl^-和HCO₃^-的含量具有显著影响, 且离柽柳植株越近含量越高, 尽管距离对Ca²⁺、Mg²⁺和SO₄^2-的影响没有达到显著水平, 但三者在距离柽柳植株0.5 m处0—20 cm土层中的含量高于其他位点, 尤其是SO₄^2-, 表现出柽柳对这些盐分离子明显的富集效应；而深度对7种离子的影响均达到显著水平, 其中, K⁺、SO₄^2-和HCO₃^-随着土层的加深而降低, 其他4种离子显著升高；但距离和深度的交互效应仅对HCO₃^-具有显著影响。

2.2 土壤盐分离子比值的变化

土壤阳离子之间的比值如图 3所示, 随着离植株距离的增加Na⁺/Ca²⁺和Na⁺/Mg²⁺降低, 而Na⁺/K⁺、Ca²⁺/K⁺、Mg²⁺/K⁺和Ca²⁺/Mg²⁺均升高, 因而柽柳对不同阳离子的富集程度表现为K⁺>Na⁺>Mg²⁺>Ca²⁺。Na⁺/K⁺随着土层的加深而升高；Na⁺/Ca²⁺和Na⁺/Mg²⁺的变化趋势相似, 在0—60 cm的土层中升高, 在60—80 cm土层中显著降低, 之后又呈升高趋势；Ca²⁺/K⁺与Mg²⁺/K⁺具有相似的变化趋势, 均在0—80 cm土层中逐渐升高, 而在最底层的80—100 cm处降低；Ca²⁺/Mg²⁺则呈逐渐降低的趋势, 因而不同阳离子向下迁移的程度表现为Na⁺>Mg²⁺>Ca²⁺>K⁺。总体而言, 除Na⁺/Ca²⁺和Ca²⁺/Mg²⁺外, 距离对其他阳离子比值具有显著影响(表 1), 深度则对所有阳离子比值的影响均达到显著水平, 相反, 距离与深度的交互效应对所有阳离子比值的影响均不显著。偏相关分析的结果则显示(表 2), 随着离植株距离的增加, Na⁺/K⁺、Ca²⁺/K⁺和Mg²⁺/K⁺显著升高, Na⁺/Ca²⁺和Na⁺/Mg²⁺显著降低；深度与Na⁺/K⁺、Na⁺/Ca²⁺、Ca²⁺/K⁺与Mg²⁺/K⁺呈显著正相关关系, 即4个指标随土层的加深而升高, 而Ca²⁺/Mg²⁺则显著降低。

由图 4可见, Cl^-/SO₄^2-与Cl^-/HCO₃^-均随着土层的加深而升高, 而SO₄^2-/HCO₃^-随土层的变化趋势不明显, 故阴离子向下迁移的程度表现为Cl^->SO₄^2-≈HCO₃^-。阴离子比在20—40 cm土层中具有显著的变化规律, 其中Cl^-/SO₄^2-随着离植株距离的增加而降低, 而Cl^-/HCO₃^-和SO₄^2-/HCO₃^-升高, 故柽柳对阴离子的富集程度表现为HCO₃^->Cl^->SO₄^2-。而3种阴离子比值在其他土层中随距离的变化趋势不明显。

2.3 土壤盐分离子之间的相关性

土壤盐分离子之间的相关性分析表明(表 3), K⁺与其他3种阳离子之间均具有显著负相关关系, 而Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺两两之间的关系则呈显著正相关。阴离子之间的相关性也均达到显著水平, 不同的是, Cl^-与SO₄^2-和HCO₃^-均呈负相关, 而SO₄^2-和HCO₃^-呈正相关。阴离子与阳离子之间的相关性显示, Cl^-与K⁺具有显著负相关关系, 而与其他3中阳离子呈显著正相关, 相反, HCO₃^-与K⁺呈正相关而与其他3种阳离子呈负相关关系, 且均达到显著水平, SO₄^2-则与K⁺呈显著正相关, 与Mg²⁺呈显著负相关, 而与Na⁺和Ca²⁺的相关性不显著。表明土壤盐分包括氯化钠、氯化钙、氯化镁、硫酸钾和碳酸氢钾。

3 讨论

有研究认为, 生物积盐作用是造成植株周围盐分富集并在其冠层下形成“盐岛”的主要因素^[6], 且耐盐能力越强的植物对盐分的累积效应越明显^[24]。柽柳属于典型的泌盐植物, 能够选择性吸收盐分并将其排出体外, 且柽柳植株低矮, 株型紧凑, 能够有效积累和保护冠层下的凋落物不受损失, 凋落物中的盐分得以最大程度返还土壤, 使得盐分在冠层下土壤中大量富集, 导致柽柳冠层下土壤某些盐分离子含量明显高于冠层外。这与荒漠盐生植物根际Na⁺、Cl^-和SO₄^2-的富集程度较其他离子高的研究结果^[25-26]有所不同, 造成研究结果存在差异的原因可能与盐生植物不同耐盐途径有关。在本研究中, 除了以上3种离子, K⁺、HCO₃^-以及0—20 cm土层中的Ca²⁺和Mg²⁺在根系分布较多的冠层下也表现出明显的富集, 这与尹传华等^[11]对多枝柽柳的研究结果相似。

同时, 柽柳对盐分的富集作用可能与其本身的选择性吸收特性有关, Burke等^[27]认为, 对灌丛生长愈重要的土壤元素在沃岛中的聚集就愈显著, 空间异质性现象就愈明显。本研究土壤盐分离子含量组成结果表明, 柽柳冠层下Na⁺和K⁺的富集效应明显强于Mg²⁺和Ca²⁺, 而Na⁺含量显著高于K⁺, 表明柽柳冠层下盐分富集以钠盐为主, Na⁺对柽柳的生长较其它几种元素更为重要。这进一步说明柽柳植株周围盐分的富集主要是由于其对土壤盐分选择性吸收, 并通过凋落物回归等途径返还土壤的结果^{[7, 28]}。另外, 除凋落物回归外, 树干径流也是造成灌丛周围盐分分布差异的因素之一, 李从娟等^[14]有关梭梭“盐岛”效应的研究发现, 树干径流会将盐分带走, 在主根附近形成低盐的环境。但本研究总体表现为离植株越近盐分越高, 与梭梭对盐分的影响不同, 而与尹传华等^[7]对多枝柽柳、盐穗木和盐节木, 以及何玉惠等^[29]对红砂灌丛的研究结果相似, 这可能是由于柽柳、盐穗木、盐节木和红砂属于泌盐盐生植物, 降水将树冠中茎叶分泌的盐分淋洗下来后在冠层下被凋落物截留, 从而形成“盐岛”, 而梭梭属于稀盐盐生植物, 降雨不但没有从茎叶表面淋洗出盐分, 植株附近, 尤其是表层土壤中的盐分反而在树干径流的影响下向深层土壤和远离植株的方向移动, 从而在植株附近形成低盐的区域。另外, 与内陆干旱区相比, 尽管滨海地区降雨量较大, 但由于研究区地势低平, 坡度一般在1/10000—20000, 因此土壤中的盐分水平运动比较滞缓, 这可能也在一定程度上消除了降水对“盐岛”效应的破坏, 导致在水平方向上滨海地区与内陆地区具有相似的研究结果。

结合不同盐分离子在土壤剖面中的分布, 硫酸钾和碳酸氢钾表现为表聚特征, 而氯化钠、氯化钙和氯化镁表现为底聚特征。盐分在土壤表层聚集, 在很多情况下被认为是由于蒸发使盐分随土壤水分的运动而向上运移, 从而使土壤表层产生明显的积盐现象^[30-31]。另外, 如前所述, 植物根系吸收盐分后转运到茎叶部位, 盐分又通过淋洗和凋落物进入土壤表层, 从而表现出盐分表聚, 如弋良朋等^[32]的结果表明, 荒漠盐生植物根际盐分的盈亏在吸收盐分的过程中起到了盐泵的作用, 促进了盐分向地上部的运输。

本研究中, 总盐含量, 主要是氯化物随着土层的加深而升高, 硫酸钾和碳酸氢钾则降低, 其原因可能有以下两个方面：首先, 本次采样是在雨季之后的八月下旬开展的, 土壤表层某些盐分离子经过雨水的淋洗向土壤深层渗漏, 根据易溶性盐分上行过程中氯化物表聚性较硫酸盐更为强烈的原理^[33], 在淋溶过程中氯化物也比硫酸盐更易向下迁移, 也因此可以推断水分蒸发引起的土壤积盐不是本研究中柽柳植株下K⁺、SO₄^2-和HCO₃^-表聚的驱动因素；其次, 生物积盐与盐生植物根系对盐分的吸收和转运直接相关, 所以, 尽管盐岛的发生主要集中于冠层下的表层土壤, 但根际过程在其中起到了重要的作用^[11], 由于柽柳根系生物量随着土壤深度的增加而显著降低, 使柽柳根系在浅层土壤中比在深层土壤中吸收更多的盐分, 且柽柳对K⁺向茎叶部的选择运输性较高, 而对Na⁺的选择运输性较低^[34-35], 导致土壤中的盐分浅层少深层多。张鸣等^[36]也认为, 盐分在植株周围不同区域内的变化差异主要是由于根系对离子的选择吸收和吸收速率不同造成的。

因此, 植株周围是否形成“盐岛”, “盐岛”的大小, 以及盐分离子在土壤剖面上的分布差异, 可能与盐生植物的耐盐途径、根系生物量及分布、气候条件(如蒸发强度及持续时间、降雨强度及持续时间等)、不同离子的迁移速率和采样时间等有关, 有必要进一步开展不同类型植物干湿交替过程中不同土层盐分含量的变化, 以揭示不同因素驱动下盐分在土壤中的水平和垂直运移规律, 为盐碱土的生物改良提供理论指导。

4 结论

(1) 在柽柳植株周围, 尤其是表层土壤中, 离植株越近盐分含量越高, 表明柽柳存在一定程度的生物积盐作用, 从而表现出明显的“盐岛”效应。这一方面可能是由于冠层下的凋落物分解后其中的盐分进入土壤, 另一方面降水将树冠中茎叶分泌的盐分淋洗下来后在冠层下被凋落物截留, 从而在植株周围形成一个高盐区域。

(2) 浅层土壤阴阳离子比例的变化表明, 柽柳对不同阳离子的富集程度表现为K⁺>Na⁺>Mg²⁺> Ca²⁺, 而对阴离子的富集程度表现为HCO₃^->Cl^-> SO₄^2-。

(3) 土壤总可溶性盐随着土层的加深而升高, 可能是土壤盐分在雨水淋洗作用下向深层迁移的结果, 另外, 浅层土壤柽柳根系生物量高于深度土壤, 可能也是导致土壤中的盐分浅层少深层多的原因。

(4) 各离子之间相关性分析结果说明研究区土壤盐分由氯化钠、氯化钙、氯化镁、硫酸钾和碳酸氢钾组成。其中, 硫酸钾和碳酸氢钾表现为表聚特征, 而氯化钠、氯化钙和氯化镁表现为底聚特征。