土壤盐渍化是世界性的土地资源与生态环境领域内亟待解决的重要问题之一, 黄河三角洲位于渤海南部的黄河入海口沿岸, 该地区植被覆盖率低, 生态环境脆弱, 盐碱地土壤比重大, 盐渍化是制约黄河三角洲农林业可持续发展的瓶颈因素。滨海盐碱地水盐运动复杂^[1], 地下水埋深和矿化度是影响土壤水盐分布的主要因素^[2], 进而间接影响植被的分布及植物对矿质元素的吸收利用^[3-5]。研究发现, 土壤水分运动和蒸发是导致土壤盐分变化的关键因素, 而土壤水盐运移与潜水埋深密切相关^{[2, 6-9]}, 当地下水位上升至一定范围达到临界深度, 盐分才能随水分通过毛细管作用积聚于地表。但由于土壤性状^{[2, 6, 10]}、地形^[9-10]、植被^[11]及气候环境^[12]等因素的不同, 致使土壤的水盐运移与潜水埋深的相关性差异较大^[2], 黄河三角洲地区地下水位浅, 矿化度高, 蒸降比大, 盐分更容易通过毛管作用向上迁移, 易形成次生盐渍化, 导致植被和土地生产力退化严重, 加剧了当地的水土流失^{[1, 7, 13]}。因此, 从地下水埋深的角度开展土壤-植物水盐分布特征及其动态规律的研究, 对有效防治土壤次生盐渍化、有效利用地下水资源及耐盐碱植物的栽培管理具有重要的科学意义。

目前国内外学者对地下水位(或潜水埋深)与土壤水盐及植被的研究, 多集中在潜水埋深下的灌溉对土壤水盐运移及作物的影响^[14-16], 土壤水分或盐分与地下水位的单一关系的探讨^{[7, 10-11, 14, 17]}, 以及地下水水位与植被格局、群落演替关系^{[1, 5, 13]}、碳氧循环^[18-19]等方面, 缺少在地下水-土壤-植物不同介质中的水分和盐分运移特征方面的探讨, 特别是在垂直深度上不同土壤剖面及植物主要组织器官等的水盐参数对不同潜水埋深的响应规律尚不清晰。柽柳(Tamarix chinensis)是黄河三角洲盐碱地主要水土保持灌木树种, 耐盐能力强, 具有较好的防风固沙、保持水土和改良土壤功能。针对柽柳生长和分布受潜水埋深影响较大这一问题, 本文模拟盐水矿化度设置4个不同的潜水埋深, 以柽柳土柱为研究对象, 重点探讨蒸发条件下潜水埋深对不同土壤剖面以及柽柳主要组织器官水盐分布的影响, 揭示“土壤-柽柳”系统水盐参数对潜水埋深的响应规律, 以期为泥质海岸带地下水浅埋区的盐碱地改良和适宜柽柳栽植的水盐生境提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法 1.1 实验材料

实验于山东省黄河三角洲生态环境重点实验室的智能温室内进行, 土壤类型为潮土, 取自黄河下游滩地, 自然风干后筛分备用。初始pH值为7.54, 土壤容重为1.32 g/cm³, 田间持水量为37.86%, 含盐量达0.01%。植物选择黄河三角洲地区优势种中国柽柳(Tamarix chinensis), 实验模拟地下水为黄河三角洲海盐自行配制, 因黄河三角洲地区地下水矿化度多介于14.3—32.4 g/L^[7], 因此, 本实验模拟设置盐水矿化度(20 g/L), 实测地下水矿化度20.3 g/L, pH值为7.79, 盐度为1.68%, 其地下水离子组成见表 1。

1.2 实验设计

该地区地下潜水埋深较浅, 且受近海距离影响, 差异较大, 平均潜水埋深1.1 m^[1], 因此, 本研究模拟设置潜水埋深分别为0.9、1.2、1.5、1.8 m, 每个潜水埋深设3个重复。

具体实验设计为：在智能化科研温室内, 以高度不同、内径为30 cm的PVC圆管作为栽植柽柳和模拟地下水埋深的实验装置, 将其放入高×上口直径×底部直径为0.70 m×0.57 m×0.45 m的水桶中, 为保证地下水温度的均一性, 挖沟将水桶埋入土壤中。依据设置的潜水埋深进行PVC圆管不同高度的加工, 具体高度=模拟潜水埋深+实际淹水深度0.55 m +顶端0.03 m的留沿口, 因此, 根据模拟0.9、1.2、1.5、1.8 m潜水埋深, 分别加工高度为1.48、1.78、2.08、2.38 m的PVC圆管, 依据设置的取土深度在PVC圆管的四周各打1个2 cm的孔径作为土壤取样口, 并用塞子堵严^[20]。

为保证装置的透水性和防止底部土壤外漏, 实际水位埋深的0.55 m淹水区PVC管每隔10 cm打4个1 cm孔径的进水口, 用透水布堵住, PVC圆管底部用透水布包住后, 铺反滤层以保证水分从淹水区底部和四周的进水口进入土壤柱体。土柱填土量根据土壤容重计算, 以20 cm为一层填充, 层间压实。将长势一致, 大小相当, 根茎平均为1.3 cm的3 a生柽柳苗木统一截干60 cm, 栽植于不同高度的PVC管中, 每个装置先栽植2—3株, 正常栽植管理1月后, 进行模拟水位-矿化度的控制, 成活后留1株苗木^[20]。具体模拟装置见实景图 1。

1.3 样品采集及指标测定

2014年2月准备试验, 3月初完成试验布设, 6月份进行土壤、柽柳新生枝条和叶片水盐参数的测定。结合文献^{[7, 14, 17]}, 土样采集间距设计为：90—120 cm深度内, 20 cm为1层, 含取表土层10 cm；超过120 cm深度, 每30 cm为1层, 含取表土层10 cm处, 为方便描述, 将每土柱的土层从上到下描述为表土层、浅土层、中土层、深土层和底土层。选取长势、采光方位及叶龄大致相同的柽柳新生枝条和叶片, 用于含水量和Na⁺的测定。上述取样及测定均为3个重复。

采用日本HORIBA U-52多参数水质测定仪测定模拟地下水中盐度、电导率和pH值。采用残渣烘干法测定土壤含盐量, 烘干法测定土壤重量含水量, 并根据以下公式计算土壤相对含水量和土壤溶液绝对浓度, 土壤相对含水量(RWC, %)=(土壤重量含水量/田间持水量)× 100。土壤溶液绝对浓度(C_S, %)=土壤含盐量(占干土重%)/土壤含水量(占干土重%)× 100^[20]。柽柳新生枝条和叶片含水量采用烘干法测定, 先于105 ℃杀青15min, 再于80—90 ℃下烘至恒重。植物研磨, 过80目筛, 参照LY/T1270—1999测定柽柳叶片、新生枝条中的全量Na⁺。

1.4 数据处理

采用EXCEL 2003进行数据处理、作图, SAS9.0进行方差分析和差异显著性比较, 其中百分数的方差分析先换算为平方根, 然后求平方根的反正弦, 再进行方差分析。

2 结果与分析 2.1 不同潜水埋深对各土层相对含水量的影响

由图 2可知, 随潜水埋深的增加, 各相同土层的土壤相对含水量(RWC)多表现为逐渐降低, 潜水埋深0.9 m时, 各土层的RWC均最高, 表现为典型的潜水埋深越低, 整个土壤层水分含量越高的变化趋势, 这与魏彬^[11]、李彬^[14]等研究规律相符。其中, 随潜水埋深的增加, 表土层RWC呈快速下降的趋势, 与潜水埋深0.9 m相比, 其它3个潜水埋深下的表土层RWC分别下降了77.50%, 83.30%, 88.02%, 且该3个潜水埋深下表土层的RWC差异不显著(P＞0.05)。这可能因为潜水埋深低时, 表土层RWC主要受大气蒸发力和毛管上升水的影响, 但当潜水埋深大于1.2 m, 由于潜水埋深的增加, 水分传输距离超过毛细管作用的临界, 地下水对表土层的补给减少, 致使表土层水分缺乏, 且变幅降低^[10]。浅土层和中土层的RWC随潜水埋深增加均呈降低趋势, 潜水埋深0.9 m的土壤RWC显著高于其它潜水埋深(P＜0.05), 但超过1.2 m后, 各潜水埋深对这两个土层无显著影响(P＞0.05)。深土层的RWC呈先降低后逐渐平稳的趋势, 超过潜水埋深1.5 m后, 深土层的RWC无显著差异(P＞0.05)。

随土层深度的增加, 潜水埋深为1.2、1.5、1.8 m时, RWC逐渐增加, 潜水埋深为1.2 m时底土层和深土层的土壤含水量分别为69.14%和67.76%, 两者无显著差异(P＞0.05), 这可能由于取土时这两层的土壤间距较小, 土壤通过毛管作用力可以到达深土层, 且保持较高的含水量。而当潜水埋深为0.9 m时, 各土层RWC随土壤深度的增加呈先降低后增加的趋势, 表土层、底土层和深土层三者无显著差异(P＞0.05), 当潜水埋深较浅时, 潜水靠近土壤表层, 地下潜水面形成的毛管水很容易带到表土层, 土壤表层的水分含量较高, 这与Jeevarathinam研究结论类似^[3]。从图 2可以看出, 在潜水埋深达1.2 m时, 表土层RWC开始明显降低, 当潜水埋深增加时, 地下水到土壤表层的距离增加, 水分的传导能力降低, 致使表土层或浅土层土壤含水量下降, 各土层间含水量差异显著(P＜0.05), 实验中也发现表层土湿润的柽柳土柱, 其潜水埋深都不高于1.2 m, 即地下水所能上升且保持土壤表层湿润的最高高度为1.2 m。从整个土柱来看, 四个潜水埋深从低到高平均RWC逐渐降低, 依次为69.85%, 47.99%, 34.86%和34.01%, 变化幅度逐渐变小。

2.2 不同潜水埋深对各土层含盐量的影响

由图 3可知, 随潜水埋深的增加, 各相同土层下土壤含盐量(S_C)均先增加后降低, 呈抛物线型, 潜水埋深1.2 m的S_C均最高, 其中, 潜水埋深0.9 m和1.2 m下表土层的S_C无显著差异(P＞0.05), 但潜水埋深1.5 m和1.8 m下S_C分别比0.9 m潜水埋深下降了0.36%, 74.66%；4个潜水埋深下浅土层和表土层的S_C的变化较大, 而当潜水深超过1.5 m时, 随潜水埋深的增加, 中土层、深土层和底土层的S_C均无显著差异(P＞0.05)。这可能是因为土壤质地、结构、孔隙度和含水量等因素对土壤水盐运移的影响程度差异较大, 致使地下水中盐分进入土壤的动力不一致, 各土壤剖面盐分的积累不同^{[6-8, 13]}。盐分随水分运移^[21], 模拟地下盐水中的盐分随土壤毛管水流向土壤表层, 在无降水和灌水的条件下, 潜水蒸发加剧了浅土层土壤盐分的积累^[10], 使盐分在表层累积, 当潜水埋深较浅时, 潜水埋深小于潜水蒸发临界深度, 盐分随地下水通过毛管作用到达土表, 土壤RWC较高, 表土层聚集的土壤盐分增大了渗透压, 降低了水分蒸发^[22], 致使S_C降低。本研究中4个潜水埋深均出现了盐分表聚现象, 而底土层的盐分受到底层饱和含水量的影响, 盐分在一定的程度上受到外界影响较小。

随土层深度的增加, 4个潜水埋深下S_C均表现为先降低后增加, 表土层与其它土层间差异均显著(P＜0.05), S_C最低均出现中土层, 这可能与柽柳的耐盐特性有关, 研究表明, 栽植柽柳能在一定程度上降低土壤含盐量^{[20, 23]}, 而柽柳为深根系植物, 根系生长速度较快, 从栽植到采样根系集中分布层为50—70 cm, 该范围内由于根系的吸收, 土壤含盐量呈降低趋势。从整个土柱的平均含盐量来看, 随潜水埋深的增加, 土柱剖面平均含盐量也表现为先增加后减少, 潜水埋深1.2 m是盐分变化的分界点, 0.9、15、1.8 m潜水埋深下整个土柱的平均含盐量分别为潜水埋深1.2 m时的75.99%, 26.40%, 20.88%, 下降幅度逐渐变小。这与管孝艳研究结论^[2]相似, 即潜水埋深愈大, 潜水蒸发强度愈小, 盐分累积速度相应减少。

2.3 不同潜水埋深对各土层土壤绝对溶液浓度的影响

由图 4可知, 随潜水埋深的增加, 各土层土壤溶液绝对浓度(C_S)均表现为先增加后降低的趋势, 呈抛物线型, 潜水埋深1.2 m C_S均最高, 与土壤含盐量的趋势一致。其中, 潜水埋深1.2 m时表土层C_S(0.18%)分别是0.9、1.2、1.8 m潜水埋深下的3.24倍, 1.62倍和1.80倍, 4个潜水埋深下表土层和浅土层C_S变化明显, 但超过1.2 m后, 相同土层下C_S趋于稳定, 潜水埋深对其影响较小。这可能因为土壤表层土壤盐分和水分均变化较大, 而底部水分比较稳定, 1.2 m是土壤盐分变化的拐点, 所以C_S表现出和S_C相似的分布规律。

随土层深度的增加, 4个潜水埋深下各土层C_S逐渐降低, 各潜水埋深下C_S随土层深度的增加, 变化趋于稳定, 深土层与底土层均无显著差异(P＞0.05), 而各潜水埋深下表土层C_S变化较大, 表土层C_S与其它土层间差异均达到显著(P＜0.05), 潜水埋深1.2 m下的浅土层、中土层、深土层和底土层C_S分别为表土层的44.60%, 31.86%, 22.92%和23.26%, 这可能由于底层土壤接近地下水, 土壤水分接近饱和, 而盐分又比较稳定, 致使C_S趋于稳定。从整个土柱来看, 各土柱的平均C_S表现先增加后减少, 和土壤平均含盐量在整个土柱的分布规律一致, 即潜水埋深越深, 土层间C_S变化幅度越激烈, 这与潜水埋深越大, 土壤盐分累积速度越小, 水分在整土柱中的分布差异越明显有关。

2.4 不同潜水埋深对柽柳叶片和新生枝条含水量的影响

从图 5可以看出, 随潜水埋深的增加, 柽柳叶片和新生枝条的含水量总体呈先降低后增加的趋势, 叶片含水量在73.60%—74.26%之间, 差异不显著(P＞0.05), 且各潜水埋深间变化幅度很小；柽柳新生枝条含水量比叶片低, 不同潜水埋深下新生枝条含水量无显著差异(P＞0.05), 但随潜水埋深增加其含水量逐渐降低, 不同潜水埋深间的新生枝条含水量变化幅度大于叶片, 当潜水埋深达到1.5 m时, 新生枝条含水量显著小于叶片(P＜0.05), 即潜水埋深对柽柳新生枝条含水量的影响显著大于叶片。从柽柳新生枝条和叶片累积含水量来看, 随潜水埋深的增加, 累积含水量先降低后增加, 各潜水埋深间差异不显著(P＞0.05), 当潜水埋深达1.5 m时, 累积含水量最低。产生这种现象的原因可能与柽柳的生物学习性有关, 柽柳耐干旱又耐水湿, 发达的根系可从深层土壤中吸水^[23], 在新生枝条、叶片中再分布, 模拟实验中地下潜水水源稳定, 栽植装置中的水分及根系所处的土壤水分可满足柽柳的生长, 在植物正常生态水位和耐受范围内, 所以不同潜水埋深对植物同一器官水分含量影响较小。

2.5 不同潜水埋深对柽柳叶片和新生枝条Na⁺含量的影响

从图 6可以看出, 随潜水埋深的增加, 柽柳叶片Na⁺含量呈逐渐增加的趋势, 而新生枝条Na⁺含量先增加后降低。1.2、1.5、1.8 m潜水埋深下叶片Na⁺含量分别比0.9 m最低Na⁺含量(36.72 mg/g)增加3.49%, 19.59%和94.00%, 当潜水埋深小于1.5 m时, 叶片Na⁺含量差异不显著(P＞0.05), 由于柽柳为泌盐植物, 其吸收的盐分最终通过叶片、皮孔等器官释放, 而叶片为主要泌盐器官^[24], 泌盐能力高于新生枝条, 盐分较少保留在叶片内, 因此, 在一定潜水埋深范围内, 柽柳叶片的Na⁺含量差异不大。潘婷婷^[25]研究表明, 土壤含水量较低时, 柽柳泌盐腺的泌盐能力下降, 本研究中浅土层和中土层的土壤含水量随潜水埋深的增加而降低, 因此, 当潜水埋深为1.8 m时, 柽柳叶片的泌盐能力较低, 叶片中的Na⁺含量最高。

随潜水埋深的增加, 柽柳新生枝条的Na⁺含量先增加后降低, 1.2 m潜水埋深是新生枝条Na⁺含量差异变化的拐点, 潜水埋深0.9、1.5、1.8 m时柽柳新生枝条Na⁺含量分别比1.2 m最高Na⁺含量(144.44 mg/g)下降3.80%, 14.19%, 25.26%。新生枝条与叶片Na⁺含量随潜水埋深变化规律有较大差异, 各潜水埋深下新生枝条与叶片的Na⁺含量均差异显著(P＜0.05), 这可能因为新生枝条的泌盐腺较少, 不能满足盐分的大量快速释放, 大量的盐分离子进入鳞叶并通过叶片释放^[24-25], 在新生枝条中分泌的盐分更大程度上与根系集中分布层的土壤含盐量相关, 本研究中柽柳根系集中分布层的土壤含盐量呈现先增加后降低的趋势, 与新生枝条Na⁺含量的规律一致。

3 结论

随潜水埋深的增加, 各土层土壤相对含水量(RWC)总体呈降低趋势, 表土层RWC呈快速下降, 土层间降低幅度有差异, 潜水埋深0.9 m时各土层RWC均最高。随土层深度的增加, 潜水埋深为0.9 m时, 各土层RWC先降低后增加, 而其它潜水埋深RWC逐渐增加。当潜水埋深达1.2 m时, 表土层RWC开始明显降低, 地下水能上升且保持土壤表层湿润的最高高度为1.2 m。

随潜水埋深的增加, 各土层土壤含盐量(S_C)和土壤溶液绝对浓度(C_S)均先增加后降低, 呈抛物线型, 潜水埋深1.2 m时两参数均最高。随土层深度的增加, 各潜水埋深下S_C均先降低后增加, 且随潜水埋深的增加, 变化幅度减缓, 即潜水埋深愈大, 潜水蒸发强度愈小, 盐分累积速度相应减少。同一潜水埋深下, 各土层C_S随土壤深度的增加而逐渐降低, 且潜水埋深越大, 土层间C_S变化幅度越激烈。

不同潜水埋深下, 柽柳叶片含水量高于新生枝条, 潜水埋深对柽柳叶片及新生枝条含水量均无显著影响。随潜水埋深的增加, 柽柳叶片Na⁺含量逐渐增加, 而新生枝条Na⁺含量先升高后降低。

从整个柽柳土柱来看, 潜水埋深可显著影响盐水矿化度下柽柳土柱的水盐参数。随潜水埋深的增加, 整个土柱的RWC均值逐渐降低, 而S_C和C_S均值先增加后降低, 潜水埋深1.2 m是盐分变化的分界水位, 且随潜水埋深的增加, 土壤水盐参数的下降幅度逐渐变小。因此, 根据水盐变化规律, 建议栽植柽柳幼苗的潜水埋深应大于1.2 m, 栽植深度尽量避开表土层的高含盐量。