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(Reaumuria soongorica)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(Tamarix chinensis)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(Suaeda salsa (L.) Pall.)、柽柳、芦苇(Phragmites communis)、中华补血草(Limonium sinense(Girard)Kuntze)等盐生植物。

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

野外采集的土样经自然风干后去除植物残体和石块, 磨细过18目孔筛后进行室内分析。制备5∶1的水土比浸提液, 采用S—2C数字酸度计仪测定土壤pH, 采用DDSJ—308A电导率仪测定土壤溶液电导率(EC)；采用火焰光度法测定土壤溶液K⁺与Na⁺, 采用EDTA络合滴定法测定土壤溶液Mg²⁺和Ca²⁺; 用AgNO₃滴定法测定土壤溶液Cl^-, 使用双指示剂滴定法测定土壤溶液CO₃^2-和HCO₃^-, 用EDTA间接滴定法测定土壤溶液SO₄^2-(参考)。碱化度计算公式为：

其中钠吸附比SAR=Na⁺/[(Ca²⁺+Mg²⁺)/2]^1/2[14]。

2.3 数据处理

数据统计分析采用Excel 2019和SPSS 23.0软件。对不同土层间的土壤盐分含量以及盐碱化参数进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较(LSD)。土壤盐分的剖面分布特征采用Surfer 16.0软件的Kriging模块进行空间插值。以土壤总盐(TS)、电导率(EC)、酸碱度(pH)、交换性钠百分率(ESP)为研究对象, Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、HCO₃^-、SO₄^2-(CO₃^2-在实验中未检测到不考虑)为环境因子, 采用国际通用软件Canoco 5.0先对距柽柳基茎不同距离的研究对象进行去趋势对应分析(DCA), 结果表明各排序轴中梯度最长小于3适合线性模型, 所以选择冗余分析(RDA)进行排序作图, 结果用双序图表示。

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)。

3.1.2 土壤盐分离子

土壤盐分离子的含量如图 3所示。K⁺平均含量为0.07 g/kg；Ca²⁺为0.61 g/kg；Mg²⁺为0.53 g/kg；Na⁺为3.71 g/kg；HCO₃^-为0.21 g/kg；SO₄^2-为0.83 g/kg；Cl^-为6.01 g/kg。各离子含量由大到小依次为Cl^->Na⁺>SO₄^2->Ca²⁺>Mg²⁺>HCO₃^->K⁺。不同土层盐分离子含量不同, Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2-和Cl^-含量在0—5 cm土层均显著高于其他土层(P < 0.05), HCO₃^-含量在30—50 cm土层显著低于其他土层(P < 0.05), 且其他土层间无显著性差异(P>0.05), Na⁺和K⁺均在0—10 cm土层显著高于其他土层(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。

3.2.2 土壤盐分离子的剖面空间分布特征

纵向看, 各盐分离子均聚集在土壤表层。横向看, 不同盐分离子具有不同的区划特征, Na⁺、Mg²⁺、Cl^-在柽柳冠下土壤的含量均低于灌丛外的裸地, 在柽柳基茎周围形成“盐谷”；而K⁺、Ca²⁺、SO₄^2-在基茎周围土壤的含量较高, 形成“盐岛”；HCO₃^-在表层整体较高, 无明显的区划特征；Na⁺在0—20 cm土层、Mg²⁺在0—10 cm土层, 半径150 cm内存在“盐谷”效应；Cl^-的“盐谷”效应表现在0—5 cm土层, 半径100 cm范围内；K⁺则在0—10 cm土层, 半径70 cm范围内表现为“盐岛”效应；Ca²⁺在0—10 cm土层、0—50 cm半径范围, SO₄^2-在0—20 cm土层、半径100 cm范围内存在“盐岛”效应(图 5)。

3.3 土壤盐渍化特征的冗余分析 3.3.1 RDA分析可信度

为了更直观的反映土壤盐碱化参数与盐分离子之间的关系, 将TS、EC、pH和ESP作为研究对象, K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、HCO₃^-、SO₄^2-和Cl^-作为环境因子, 对距柽柳灌丛中心不同距离土壤的盐渍化特征进行了RDA分析, 分析结果如表 1所示。不同距离环境因子前两个排序轴的相关系数均为0, 研究对象前两个排序轴的相关系数绝对值在0.01—0.05之间, 表明这两个排序轴近乎完全垂直^[19]。前两个排序轴共解释了67%—87%的土壤盐渍化特征和81.9%—95.6%的盐碱化参数与盐分离子的关系, 并且研究对象、环境因子与第一、第二排序轴的相关性分别在0.94和0.87以上, 说明能够很好的反映出研究对象与环境因子之间的线性关系, RDA排序结果是可信的。

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]。

从研究对象与盐分离子之间的关联程度来看, 在整个土壤剖面中, 在整个土壤剖面中, 所有离子均与TS、EC表现出较好的相关性, 与TS、EC相关性最强的阴阳离子为Mg²⁺、Cl^-。从灌丛中心到灌丛间裸地与TS、EC相关性较强的离子由Ca²⁺、SO₄^2-向Mg²⁺、Cl^-转变。Na⁺和K⁺在不同距离与TS、EC的相关性较稳定。HCO₃^-较其他离子与TS、EC相关性始终较弱。在全剖面中与pH相关性最强的阴阳离子分别为Ca²⁺和SO₄^2-, 且呈负相关, 在50cm处与之呈负相关的还有Cl^-。与ESP相关性最强的离子为HCO₃^-, 在50cm处二者呈负相关, 其余距离表现为正相关, 与之相关性最强的阳离子为Na⁺, K⁺次之, 并且随距基茎距离的增大相关性逐渐增强。

从盐分离子箭头连线之间的关联程度来看, K⁺和Na⁺, Ca²⁺和SO₄^2-、Mg²⁺, Mg²⁺和Cl^-的箭头连线夹角始终较小, 说明该离子间的相关性较强, 其中Mg²⁺和Cl^-的箭头连线夹角随距基茎距离的增加逐渐变小, 相关性逐渐增强。

从不同距离处离子对土壤盐渍化的影响程度来看, Na⁺箭头连线最长, 表明土壤盐渍化主要受控于Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺和K⁺对土壤盐渍化的影响程度都较大, 在不同距离处的变化较小。对盐渍化影响程度最大的阴离子为Cl^-和SO₄^2-, SO₄^2-的箭头长度随与灌丛中心距离的增加而逐渐变短, Cl^-与之相反, 说明从灌丛下到裸地Cl^-对盐渍化程度的影响逐渐增加, SO₄^2-的影响逐渐降低。HCO₃^-的箭头长度始终最短, 表明HCO₃^-对土壤盐渍化的影响程度最小, 这可能与HCO₃^-在土壤中的含量较少有关。

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

土壤盐分的空间分布特征还表现为离子间的差异性, 这与离子的迁移特性和柽柳对离子的选择性吸收有关。由于受海潮周期性涨落的影响, 盐分离子在蒸发表聚的同时, 也伴随潮水冲洗作用, 由于Na⁺和Cl^-在土壤中易随水迁移扩散, 所以在空间分布图中Na⁺和Cl^-相较其他离子的表聚范围可达更深土层。在冗余分析中, 从灌丛下到灌丛间裸地Cl^-对土壤盐渍化程度的影响逐渐增加, SO₄^2-的影响逐渐降低, 这与从灌丛下到裸地Cl^-含量逐渐升高, SO₄^2-含量逐渐降低有关。Cl^-和SO₄^2-区划特征的差异性一方面是因为在盐胁迫影响下柽柳选择性吸收Cl^-, 当根系吸收转移量高于离子向根际的输入量时, 表现为柽柳根部离子亏缺^[34]；另一方面Cl^-较SO₄^2-易迁移, 随蒸发大量聚集在裸露地表, 加之在树干径流强烈的冲洗作用下, 硫酸盐类较氯化物的淋溶速度慢^[35], 所以在基茎周围Cl^-表现为“盐谷”, SO₄^2-表现为“盐岛”。同样在盐胁迫环境下柽柳吸收大量Na⁺, 植物体内Na⁺含量过高会抑制根系对其他阳离子的吸收^[36—37], 当根系吸收速率小于离子运移速率时, Ca²⁺、K⁺在柽柳基茎周围形成“盐岛”, 而Mg²⁺表现为“盐谷”, 这可能与Mg²⁺是叶绿素的重要组成成分, 参与植物的光合作用和多种生理代谢过程, 在植物生长发育过程中发挥重要作用^[38]。为了防止单一离子的毒害, 柽柳通过较强的光合作用吸收Mg²⁺形成“盐谷”, 从而提高柽柳耐盐力。张天举等对黄河三角洲湿地不同季节土壤盐渍化特征进行了分析, 发现Mg²⁺含量在夏季和秋季表现出极强的变异性^[39], 这或许是夏秋两季柽柳枝叶茂密光合作用强的缘故, 该区域柽柳灌丛下Mg²⁺的季节性空间分布特征还有待进一步研究。

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

(1) 研究区土壤TS的平均含量为16.49 g/kg、EC为4.15 ms/cm、pH为7.79、ESP为6.10 %, 为弱碱化盐土, 具有盐化趋势。离子含量由高到低依次为Cl^->Na⁺>SO₄^2- >Ca²⁺>Mg²⁺>HCO₃^->K⁺。土壤盐分与盐碱化参数在不同土层之间存在差异, TS、EC和Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺、SO₄^2-和Cl^-表层含量高于其他土层; pH值与之相反, ESP和HCO₃^-在30—50 cm土层低于其他土层。

(2) 除pH在土壤表层数值最低外, TS、EC、ESP和盐分离子均具有表聚性, 柽柳冠下土壤总盐和盐碱化参数值低于灌丛间裸地, 在柽柳冠下形成“盐谷”、“碱谷”效应, 有效防止灌丛下土壤的次生盐渍化；不同离子具有不同的区划特征, Na⁺、Mg²⁺、Cl^-在柽柳基茎周围形成“盐谷”, K⁺、SO₄^2-、Ca²⁺形成“盐岛”。

(3) RDA排序结果可信, 能较好地反映出研究对象与环境因子之间的线性关系。在整个土壤剖面中, 所有离子均与TS、EC表现出较好的相关性, 与TS、EC的相关性最强的阴阳离子为Mg²⁺、Cl^-。从柽柳冠下到灌丛间裸地与TS、EC相关性较强的离子由Ca²⁺、SO₄^2-向Mg²⁺、Cl^-转变。Na⁺和K⁺在不同距离与TS、EC的相关性较稳定。HCO₃^-较其他离子与TS、EC相关性始终较弱。Ca²⁺和SO₄^2-与pH表现为较强的负相关性；与ESP相关性最强的阴离子为HCO₃^-, 与之相关性最强的阳离子为Na⁺和K⁺, 并且相关性随距基茎距离的增大而增强。盐分离子K⁺和Na⁺, Ca²⁺和SO₄^2-、Mg²⁺, Mg²⁺和Cl^-间的相关性较强。

4) 土壤盐渍化主要受控于Na⁺, 从柽柳冠下到灌丛间裸地Cl^-对盐渍化程度的影响逐渐增加, SO₄^2-的影响逐渐降低；HCO₃^-对土壤盐渍化的影响程度最小。