黑龍江省土壤和蘆葦系統(tǒng)中陰陽離子空間變異

高遠　田龍　高卓等

摘要 采用離子色譜分析和原子分光光度計的方法，測出黑龍江省5個樣點6～10月土壤和蘆葦（Phragmites communis）中的Cl-、NO-3、SO2-4、K+、Na+、Mg2+、Ca2+含量，初步分析黑龍江省蘆葦-土壤系統(tǒng)中Cl-、NO-3、SO2-4、K+、Na+、Mg2+、Ca2+空間變異規(guī)律。結(jié)果表明，蘆葦中陰陽離子含量普遍高于土壤。土壤中Cl-、K+和Na+的空間分布具有相似性，都表現(xiàn)為大慶離子含量顯著高于其他樣點。Mg2+和Ca2+空間分布也具有相似性，均表現(xiàn)為牡丹江含量相對較高，同江和大慶含量相對較低。蘆葦中陰陽離子在同江含量最低，可能與氣候條件有關(guān)。

關(guān)鍵詞 黑龍江??；植土系統(tǒng)；陰陽離子；時空變異

中圖分類號 S158.3 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）20-092-06

Abstract This paper got the contents of the chloride（Cl-）， nitrate（NO-3），sulfate（SO2-4）， potassium（K+）， sodium（Na+）， magnesium（Mg2+）， calcium（Ca2+） in soil and Phragmites communis by ion chromatography and elemental analysis of 5 sampling sites in Heilongjiang Province， from June to October in 2011. The objective of this

study was to analyze spatial and temporal variation characteristics of chloride（Cl-）， nitrate（NO-3）， sulfate（SO2-4）， potassium（K+）， sodium（Na+）， magnesium（Mg2+）， calcium（Ca2+） in Phragmites communissoil ecosystem in Heilongjiang Province. The main results were drawn as following： The average contents of chloride， nitrate， sulfate， potassium， sodium， magnesium， calcium in Phragmites communis were higher than in soil. The spatial variation of chloride， potassium， sodium in soil were homogeneous， Daqing reached the highest content during this three kinds of anions. The spatial variation of magnesium and calcium were homogeneous， Mudanjiang reached the highest content during this two kinds of anions. Tongjiang and Daqing reached the lowest content. The spatial variation of chloride， nitrate， sulfate， potassium， sodium， magnesium， calcium in Phragmites communis were lowest in Tongjiang. The influence factor maybe the climatic.

Key words Heilongjiang Province； Phragmites communissoil system； Cation and anion； Spatial and temporal variation

植物中的陰陽離子對植物生長發(fā)育至關(guān)重要。植物SO2-4對植物蛋白質(zhì)的合成、酶的活性、葉綠素的形成等具有重要影響[1]。Cl-可以參加光合作用，維持細胞內(nèi)的電荷平衡，增強植物抗病性等[2]。NO-3對植物生長發(fā)育至關(guān)重要，是植物體內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)、酶等物質(zhì)的主要組成成分，也是植物吸收氮的主要形式之一[3]。Mg2+不僅作為葉綠素的成分，而且參與光合磷酸化和磷酸化作用。K+作為植物體內(nèi)多種酶的活化劑，能夠促進作物光合作用的進行[4]。Na+在葉肉葉綠體的原初反應(yīng)中CO2受體PEP羧化酶的再生中起關(guān)鍵性的作用。在缺少Na+的生境中，其正常的光合作用受到干擾，光合產(chǎn)物減少，從而影響鹽生植物正常的生長發(fā)育。Ca2+是植物必需的一種礦質(zhì)營養(yǎng)元素，對維持細胞壁、細胞膜以及膜結(jié)合蛋白的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)無機離子運輸，且作為細胞內(nèi)生理生化反應(yīng)的第二信使偶聯(lián)外信號，調(diào)控多種酶活性等都具有重要的作用[5]。

植物中的陰陽離子主要來自于對土壤中可溶性離子的吸收。土壤中離子含量可影響植物體內(nèi)離子的含量。土壤中的陰陽離子可促進植物的生長，但過量的離子含量會產(chǎn)生鹽漬化。黑龍江省屬于北溫帶半濕潤大陸季風(fēng)性氣候，降水集中，夏季降水占全年降水量的70%～80%，春季少雨多風(fēng)，十年九春早，使得春季蒸降比遠大于年均蒸降比。由于干燥度較大，土壤水的毛管上升運動超過重力下行水流的運動，土壤、地下水中的可溶鹽類隨上升水流蒸發(fā)、濃縮，不斷累積于地表，因此特殊的自然條件決定該地區(qū)鹽堿化十分嚴(yán)重[6] 。

該地區(qū)鹽堿化程度的不斷加劇會造成大片糧田產(chǎn)量的下降和植被生態(tài)系統(tǒng)的退化，因此該地區(qū)生態(tài)恢復(fù)和環(huán)境建設(shè)尤為重要。研究表明，在鹽堿土中可溶性鹽分的陽離子主要包括K+、Na+、Mg2+、Ca2+等，陰離子主要包括Cl-、SO2-4、NO-3等[7]。筆者通過對黑龍江省5個采樣點（自北向南依次為同江、北安、大慶、哈爾濱、牡丹江）土壤和蘆葦中的K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO2-4、NO-3等離子的時空變化特征分析，探討土植系統(tǒng)中陰陽離子與pH、電導(dǎo)率的關(guān)系，為東北地區(qū)鹽漬化土壤的植被恢復(fù)和環(huán)境建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省跨121°11′～135°5′ E，43°25′～53°23′ N。該區(qū)為溫帶大陸性氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春秋季節(jié)多大風(fēng)，氣候相對干燥。該區(qū)山地包括西北部的大興安嶺、東北部的小興安嶺、東南部的東部山地，呈簸箕狀向南開口。三面環(huán)山，中間為平原地形，自北向南分別為三江平原和松嫩平原。該區(qū)河流主要包括黑龍江、松花江、烏蘇里江，大部分河流為黑龍江流域。該省內(nèi)有較大面積的森林土壤、草原土壤和森林草原土壤，均屬于地帶性土壤[8]。

1.2 試驗方法與設(shè)計

樣品采集選自低洼地區(qū)的蘆葦樣地，來自黑龍江省的5個地區(qū)（自北向南依次為同江、北安、大慶、哈爾濱、牡丹江）。采樣點分布圖見圖1。試驗從2011年6月開始， 2011年 10月結(jié)束。土壤樣品和植被樣品的采集均在6～10月每月15日進行。

1.3 數(shù)據(jù)采集

1.3.1 樣品采集。

分別從黑龍江地區(qū)5個不同生境條件下采集植物樣品和土壤樣品，其中土壤樣品的采集分別來自于0～10、10～20 cm的上下兩層。土壤樣品共計150個，植物樣品共計75個。樣品采集后稱重，自然風(fēng)干，保存。

1.3.2 樣品前處理。

對土壤樣品進行研磨，過20目篩，按水土比例5∶1配制土壤溶液，振蕩3 min，靜置20 min，過濾，按9 000 r/min高速離心15 min，取上清液。植物樣品經(jīng)粉碎機研磨后，按1/20配制溶液，100 ℃水浴2 h，取上清液。

1.3.3 離子濃度的測定。

土壤和植物陰離子Cl-、SO2-4、NO-3的測定用美國戴安公司DX300型離子色譜儀（AS4ASC陰離子色譜柱，CDMII電導(dǎo)檢測器，淋洗液碳酸鈉/碳酸氫鈉溶液1.7/1.8 mol/L，流速2.0 ml/min）。土壤和植物陽離子K+、Na+、Mg2+、Ca2+的測定用北京普析通用有限公司 Super 990F型原子吸收分光光度計。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑龍江省土壤-蘆葦陰陽離子含量 由表1可知，在土壤Cl-、SO2-4、NO-3、K+、Na+、Mg2+、Ca2+ 7種離子中，Cl-、SO2-4、NO-3、K+和Na+含量較高，均大于100 mg/kg，而Mg2+和Ca2+含量相對較低，均小于100 mg/kg。這可能表明在黑龍江省土壤鹽漬化過程中，Cl-、SO2-4、NO-3、K+和Na+為主要鹽漬化離子。蘆葦陰陽離子中Cl-、SO2-4和K+離子含量相對較高，NO-3 、Na+ 和Mg2+次之，Ca2+離子含量最低。黑龍江地區(qū)蘆葦中陰陽離子的含量普遍高于土壤，其中蘆葦中K+、Cl-、SO2-4、Mg2+含量是土壤的10倍之多。

2.2 黑龍江省土壤陰陽離子的時空變異

2.2.1 黑龍江省土壤陰陽離子的空間變異。由圖2可知，6～10月，在同江、北安、大慶、哈爾濱、牡丹江5個樣點中，哈爾濱和大慶土壤SO2-4含量表現(xiàn)為明顯的波峰，表明這2個樣點土壤SO2-4含量相對較高，而其他地區(qū)土壤SO2-4含量相對較低。

由圖3可知，6～10月，在同江、北安、大慶、哈爾濱、牡丹江5個樣點中，大慶土壤Cl-含量表現(xiàn)為明顯的波峰，表明大慶土壤Cl-含量相對較高，而其他地區(qū)土壤Cl-含量相對較低。

由圖4可知，6～10月，在同江、北安、大慶、哈爾濱、牡丹江5個樣點中，大慶和同江土壤NO-3含量表現(xiàn)為明顯的波谷，表明大慶和同江土壤NO-3含量相對較低，而其他地區(qū)土壤NO-3含量相對較高。

由圖5可知，6～10月，在同江、北安、大慶、哈爾濱、牡丹江5個樣點中，大慶和同江土壤Ca2+含量表現(xiàn)為明顯的波谷，牡丹江表現(xiàn)為明顯的波峰，表明大慶和同江土壤Ca2+含量相對較低，而牡丹江土壤Ca2+含量相對較高。

由圖6可知，6～10月，在同江、北安、大慶、哈爾濱、牡丹江5個樣點中，牡丹江土壤Mg2+含量表現(xiàn)為明顯的波峰，同江和大慶表現(xiàn)為明顯的波谷，表明牡丹江土壤Mg2+含量相對較高，同江和大慶土壤Mg2+含量相對較低。

由圖7可知，6～10月，在同江、北安、大慶、哈爾濱、牡丹江5個樣點中，大慶土壤Na+含量表現(xiàn)為明顯的波峰，表明大慶土壤Na+含量相對較高，其他樣點土壤Na+含量相對較低。

由圖8可知，6～10月，在同江、北安、大慶、哈爾濱、牡丹江5個樣點中，大慶土壤K+含量表現(xiàn)為明顯的波峰，表明大慶土壤K+含量相對較高，其他樣點壤K+含量相對較低。

由此可知，黑龍江地區(qū)土壤陰陽離子的空間分布具有規(guī)律性，其中Cl-、K+和Na+的空間分布具有相似性，都表現(xiàn)為大慶離子含量在0.05水平顯著高于其他樣點。而Mg2+和Ca2+空間分布也具有相似性，均表現(xiàn)為牡丹江含量相對較高，同江和大慶含量相對較低。這可能是因為土壤中陰陽離子主要來源于母質(zhì)，并且受氣候、地質(zhì)地貌和水文狀況的影響[9]。由于K+和Na+水合半徑相似，且均是正一價離子，Mg2+和Ca2+水合半徑相似，且均是正二價離子[10]， 所以K+和Na+空間分布具有相似性，Mg2+和Ca2+空間分布具有相似性。

2.2.2 黑龍江省土壤陰陽離子的時間變異。

通過對黑龍江省不同采樣點陰陽離子變差系數(shù)分析，探討土壤陰陽離子在時間上的變化規(guī)律。每月的變差系數(shù)代表土壤陰陽離子在空間上的變化程度。變差系數(shù)隨時間的變化顯示土壤陰陽離子隨時間的變化程度。

由圖9可知，在6～10月，Cl-、SO2-4和Mg2+ 表現(xiàn)出相同的變化趨勢，曲線在6月和8月兩個月表現(xiàn)為峰值，表明這兩個月土壤離子含量空間差異大，而其他月份空間差異?。籆a2+和NO-3的變差系數(shù)在6～10月變化不大，表明土壤中這兩種離子空間差異6～10月變化不大；K+和Na+的變差系數(shù)表現(xiàn)為在6、7月較大，表明這兩種離子在6、7月空間差異較大，在8～10月逐漸變小。

2.3 黑龍江省蘆葦陰陽離子的時空變異

2.3.1 黑龍江省蘆葦陰陽離子的空間變異。

由圖10可知，6～10月，在同江、北安、大慶、哈爾濱、牡丹江5個樣點中，同江在蘆葦SO2-4含量表現(xiàn)為明顯的波谷，表明同江蘆葦中SO2-4含量相對較低，而其他地區(qū)蘆葦SO2-4含量相對較高。

由圖11可知，6～10月，在同江、北安、大慶、哈爾濱、牡丹江5個樣點中，同江蘆葦Cl-含量表現(xiàn)為明顯的波谷，表明同江蘆葦中Cl-含量相對較低，而其他地區(qū)蘆葦Cl-含量相對較高，且8～10月蘆葦中Cl-含量空間分布具有相似性。

由圖12可知，6～10月，在同江、北安、大慶、哈爾濱、牡丹江5個樣點中，同江蘆葦NO-3含量表現(xiàn)為明顯的波谷，表明同江蘆葦中NO-3含量相對較低，而其他地區(qū)蘆葦NO-3含量相對較高。

由圖13可知，6～10月，在同江、北安、大慶、哈爾濱、牡丹江5個樣點中，同江蘆葦Ca2+含量表現(xiàn)為明顯的波谷，表明大慶同江蘆葦Ca2+含量相對較低。6、10月蘆葦Ca2+含量空間分布具有相似性，均表現(xiàn)為哈爾濱蘆葦Ca2+含量高于其他采樣點，7月和9月蘆葦Ca2+含量空間分布也具有相似性，均表現(xiàn)為牡丹江和北安蘆葦Ca2+含量高于其他采樣點。

由圖14可知，6～10月，在同江、北安、大慶、哈爾濱、牡丹江5個樣點中，大慶蘆葦Na+含量表現(xiàn)為明顯的波峰，表明大慶蘆葦Na+含量相對較高，其他樣點蘆葦Na+含量相對較低。這與黑龍江省土壤Na+空間分布趨勢相同。

由圖15可知，6～10月，在同江、北安、大慶、哈爾濱、牡丹江5個樣點中，同江蘆葦K+含量表現(xiàn)為明顯的波谷，表明同江蘆葦K+含量相對較低，其他樣點蘆葦K+含量相對較高。6、7月蘆葦K+含量空間分布具有相似性，均表現(xiàn)為牡丹江蘆葦K+含量相對較高，北安和同江含量較低。9、10月蘆葦K+含量空間分布也具有相似性，均表現(xiàn)為哈爾濱和北安蘆葦K+含量相對較高，其他樣點含量較低。

由圖16可知，6～10月，在同江、北安、大慶、哈爾濱、牡丹江5個樣點中，同江蘆葦Mg2+含量表現(xiàn)為明顯的波谷，表明同江蘆葦Mg2+含量相對較低，其他采樣點相對較高。

在黑龍江省6～10月不同采樣點蘆葦陰陽離子的空間分布中，同江的Cl-、SO2-4、NO-3、K+、Na+、Mg2+、Ca2+ 7種離子含量均低于其他采樣點，而同江和土壤陰陽離子含量平均值也低于其他樣點。這可能是由于同江緯度較高，氣溫相對較其他樣點低，土壤風(fēng)化程度差，土壤離子含量低。又因為溫度低，蘆葦生長狀況差，對離子吸收性差，蘆葦中離子濃度也低。

2.3.2 黑龍江省蘆葦陰陽離子的時間變異。每月的變差系數(shù)代表蘆葦陰陽離子在空間上的變化程度。變差系數(shù)隨時間的變化顯示蘆葦陰陽離子隨時間的變化程度。

由圖17可知，在6～10月，Ca2+和Mg2+ 表現(xiàn)出相同的變化趨勢，變差系數(shù)曲線呈“W”型，表明Ca2+和Mg2+在6、8和10月這3個月蘆葦離子含量空間差異大，而其他月份空間差異小。Cl-、K+和SO2-4變差系數(shù)從6～10月逐漸變大，表明蘆葦Cl-、K+和SO2-4含量空間

差異6～10月逐漸變大。NO-3變差系數(shù)8月最大，表明8月蘆葦NO-3的含量空間差異最大。

Na+變差系數(shù)10月最大，表明10月蘆葦Na+的含量空間差異最大。

2.4 黑龍江省土壤-蘆葦系統(tǒng)中陰陽離子的關(guān)系 由表2可知，黑龍江省土壤Mg2+和土壤SO2-4呈0.05水平上的顯著正相關(guān)。這表明在黑龍江省土壤中Mg2+和SO2-4可能是主要的結(jié)合方式。土壤Mg2+和土壤Ca2+呈0.05水平上的顯著正相關(guān)。這可能是因為Mg2+和Ca2+均是正二價離子，所以在土壤中分布具有相似性。

蘆葦Cl-和土壤Na+呈0.01水平上極顯著正相關(guān)，蘆葦NO-3和土壤NO-3呈0.05水平上顯著正相關(guān)；蘆葦Ca2+和土壤K+呈0.05水平上顯著正相關(guān)，和蘆葦NO-3呈0.05水平上顯著正相關(guān)；蘆葦Na+和土壤Na+呈0.01水平上極顯著正相關(guān)，和蘆葦Cl-呈0.01水平上極顯著正相關(guān)；蘆葦Mg2+和蘆葦NO-3呈0.01水平上極顯著正相關(guān)，和蘆葦Ca2+呈0.01水平上極顯著正相關(guān)；蘆葦K+、土壤Na+呈0.01水平上極顯著正相關(guān)，和蘆葦Cl-呈0.01水平上極顯著正相關(guān)，和蘆葦Na+呈0.01水平上極顯著正相關(guān)。

3 結(jié)論

（1）在黑龍江省土壤Cl-、SO2-4、NO-3、K+、Na+、Mg2+、Ca2+ 7種離子中，Cl-、SO2-4、NO-3、K+和Na+離子含量較高，Mg2+和Ca2+離子含量相對較低。蘆葦中Cl-、SO2-4和K+離子含量相對較高，NO-3 、Na+ 和Mg2+次之，Ca2+離子含量最低。蘆葦中陰陽離子含量普遍高于土壤。

（2）黑龍江地區(qū)土壤中Cl-、K+和Na+的空間分布具有相似性，都表現(xiàn)為大慶離子含量顯著高于其他樣點。Mg2+和Ca2+空間分布也具有相似性，均表現(xiàn)為牡丹江含量相對較高，同江和大慶含量相對較低。蘆葦中陰陽離子在同江含量最低，可能與氣候條件有關(guān)。

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