氣候因子和地表覆蓋對(duì)沿海灘涂土壤鹽分動(dòng)態(tài)的影響*

張 蛟, 崔士友, 馮芝祥, 王奎山, 翟彩嬌

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氣候因子和地表覆蓋對(duì)沿海灘涂土壤鹽分動(dòng)態(tài)的影響*

張 蛟1, 崔士友1, 馮芝祥2, 王奎山1, 翟彩嬌1

(1. 江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所 南通 226541; 2. 江蘇省如東縣氣象局 如東 226400)

為探明氣候因子對(duì)沿海灘涂表層土壤鹽分季節(jié)性變化規(guī)律的影響, 并探討植被和秸稈覆蓋對(duì)灘涂土壤脫鹽效果及控鹽的作用。2014年5月—2015年5月, 在江蘇沿海灘涂鹽堿地(中重度鹽分), 設(shè)置4種處理進(jìn)行田間試驗(yàn), 分別為對(duì)照(裸地, CK)、秸稈覆蓋(覆蓋量為15 t?hm-2, SM)、植被覆蓋(PC)和植被+秸稈覆蓋(覆蓋量為7.5 t?hm-2, PC+1/2SM), 監(jiān)測(cè)了氣候因子和表層土壤鹽分的季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明: 1)在沿海灘涂裸地中, 土壤鹽分具有一定程度的季節(jié)性規(guī)律, 表現(xiàn)為在10—12月具有明顯的積鹽效果, 且在10月EC1︰5達(dá)到最大值為3.90 dS·m-1。2)相關(guān)分析表明: 采樣前7 d降雨累積量與土壤鹽分變化有著極密切負(fù)相關(guān)關(guān)系; 氣候因子的多因子及互作逐步分析表明: 降雨量增加可以促進(jìn)土壤脫鹽作用, 大氣溫度升高可加劇土壤鹽分表聚, 降雨量和大氣溫度的互作效應(yīng)增加會(huì)對(duì)土壤鹽分累積產(chǎn)生正效應(yīng)。3)地表覆蓋(包括PC和SM)顯著地改變了氣候因子對(duì)土壤鹽分動(dòng)態(tài)變化的影響, 累積降雨量和大氣平均溫度與土壤鹽分無(wú)顯著相關(guān)性, 且大量秸稈覆蓋對(duì)灘涂表層土壤脫鹽具有更明顯的效果。因此, 在沿海氣候向暖濕方向發(fā)展的趨勢(shì)下, 綜合考慮脫鹽及控鹽作用, 選擇適量秸稈覆蓋(如覆蓋量15 t?hm-2)或適量秸稈覆蓋結(jié)合植被種植覆蓋, 同時(shí)充分利用沿海地區(qū)降雨量集中的特點(diǎn), 可能是未來灘涂鹽堿鹽漬土快速脫鹽和土壤改良的重要措施。

氣候變化; 秸稈覆蓋; 植被覆蓋; 鹽分積累; 脫鹽率; 沿海灘涂

全球氣候變暖是人類迄今面臨的最大環(huán)境問題, 也是21世紀(jì)人類面臨的最復(fù)雜的挑戰(zhàn)之一[1-3]。IPCC(2007)報(bào)告指出[2], 近100 a全球平均地表溫度上升了0.7 ℃, 且過去50 a升溫率幾乎是過去100 a的2倍。同時(shí), 根據(jù)氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告對(duì)21世紀(jì)氣候變化趨勢(shì)做出的預(yù)測(cè)表明: 到21世紀(jì)末, 中國(guó)氣溫將會(huì)升高3.9~6.0 ℃, 降水量有望增加9%~11%[4]。氣候因子變化, 特別是降雨和氣溫變化, 是鹽堿荒地土壤鹽分運(yùn)移變化的重要驅(qū)動(dòng)因素[5-8], 氣溫上升加劇土壤水分蒸發(fā), 帶動(dòng)土壤鹽分向上移動(dòng), 引起表層土壤鹽分增加[9-10]; 降雨對(duì)鹽堿地土壤鹽分具有淋洗脫鹽作用, 而脫鹽程度及深度不僅受降雨量大小的影響, 還受到降雨強(qiáng)度的影響[11]。目前, 有關(guān)氣候因子對(duì)土壤鹽分的影響研究主要集中在典型荒漠區(qū)[6]、西北干旱區(qū)[8-9]、新疆干旱區(qū)或綠洲[7,12]的鹽堿地, 而關(guān)于氣候因子對(duì)沿海灘涂鹽漬土報(bào)道還比較少見[5]; 此外, 這些研究大多是單獨(dú)研究降雨量或者氣溫變化對(duì)鹽堿土土壤鹽分的影響, 而降雨量和氣溫變化的交互效應(yīng)或共同作用還鮮有報(bào)道。地面覆蓋, 包括秸稈覆蓋、生草覆蓋、有機(jī)肥覆蓋、鹽生或耐鹽植物直接種植覆蓋以及兩種或多種措施結(jié)合的方法, 對(duì)鹽漬土的鹽分調(diào)控及改良具有明顯的作用[13-19]。大量研究表明, 通過地面覆蓋特別是秸稈覆蓋可以增加土壤表面覆蓋面積, 覆蓋物可以充當(dāng)水汽蒸發(fā)的屏障, 減少水分蒸發(fā)和地表徑流, 同時(shí)增加水分滲透, 進(jìn)而降低耕層土壤鹽分含量及影響脫鹽效果[13,18,20]; 通過生物措施覆蓋, 可以改變土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分以及微生物群落特征, 進(jìn)而影響鹽分的運(yùn)動(dòng)特征來改良鹽堿土[16,21]。雖然, 地面覆蓋對(duì)鹽漬土鹽分變化及改良效果有不少報(bào)道, 其主要集中在已進(jìn)行農(nóng)業(yè)利用的地區(qū)[16,20], 但沿海灘涂新圍墾地區(qū), 特別是針對(duì)中度和重度鹽漬土, 地面覆蓋對(duì)土壤鹽分的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的影響還不多見。

據(jù)統(tǒng)計(jì), 全球約40%受重度鹽漬化影響的灘涂濕地未來將被圍墾并作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行利用[22-23]。在我國(guó), 灘涂圍墾開發(fā)已經(jīng)成為濱海地區(qū)獲得土地資源的重要手段, 濱海鹽土作為重要的后備資源, 具有高鹽堿、鹽分分布空間不均衡性、時(shí)間分布的變異性、低養(yǎng)分、高礦化度地下水和地表淡水資源缺乏等特點(diǎn)[21,24-26]。因此, 在開發(fā)利用沿海灘涂土地資源之前, 明確灘涂土壤鹽分的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律, 對(duì)于今后如何合理與高效開發(fā)利用灘涂資源非常必要。江蘇地區(qū)灘涂資源豐富, 約占全國(guó)灘涂總面積的1/4, 為65.3萬(wàn)hm2, 其圍墾利用歷史悠久[27]。綜上, 本研究擬以江蘇沿海灘涂荒地土壤(鹽分含量約5~9 g×kg-1)作為研究對(duì)象, 利用野外定位試驗(yàn), 研究裸地和不同地表覆蓋條件下灘涂土壤鹽分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及脫鹽效果; 利用相關(guān)分析和多因子及互作逐步分析等方法, 分析討論降雨量和大氣溫度變化及兩者之間交互效應(yīng)對(duì)灘涂土壤鹽分動(dòng)態(tài)變化的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于江蘇省如東縣灘涂地區(qū)森茂生態(tài)園區(qū)(32?20′33″N, 121?25′7″E), 該地區(qū)屬暖溫帶南部邊緣, 冬季受到季風(fēng)環(huán)流影響, 以寒冷、少雨天氣為主, 夏季受東南季風(fēng)影響, 炎熱、多雨, 春秋季處于南北季風(fēng)交替期, 形成四季分明, 干、濕、冷、暖天氣多變的氣候特征。降水充沛, 年均雨量1 042 mm, 汛期(6—9月)雨量相對(duì)集中, 約占年總降雨量的55%~80%。年平均氣溫15.1 ℃, 全年無(wú)霜期225 d, 年平均日照2 136 h。試驗(yàn)進(jìn)行期間日降雨量和日平均溫度如圖1所示。該園區(qū)為2007年新圍墾潮上帶, 地下水位1.2~1.5 m。土質(zhì)為中壤土, 土壤類型為濱海鹽土, 鹽分離子組成主要以Na+、K+、SO42-和Cl-為主。2014年3—4月, 通過調(diào)查選擇園區(qū)內(nèi)新圍墾未人工利用地形比較一致, 中等鹽分水平的田塊作為試驗(yàn)樣地, 對(duì)樣地土壤進(jìn)行取樣并測(cè)定基本理化性質(zhì)。試驗(yàn)處理前(4月中旬), 樣地土壤的基本理化性狀如下: pH1︰5為8.71, EC1︰5為1.81dS·m-1, 有機(jī)質(zhì)和全氮含量5.81 g?kg-1和0.50 g?kg-1, 堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為31.02 mg?kg-1、9.66 mg?kg-1和207.0 mg?kg-1, 容重為1.38 g?cm-3, 總孔隙度為48.97%, 砂粒、粉粒及黏粒含量分別為19.68%、59.20%和23.32%, Na+和K+含量分別為4.00 g?kg-1和1.78 g?kg-1, SO42-和Cl-含量分別為0.399 g?kg-1和0.429 g?kg-1。試驗(yàn)樣地初始生長(zhǎng)著少量雜草、野生田菁(Retz.Poir.)、野生芥菜(LCzern. et Coss.)、蘆葦(Trin.)、堿蓬[(Bunge) Bunge]等耐鹽或鹽生植物。

圖1 試驗(yàn)期間試驗(yàn)區(qū)日降水量和日平均溫度

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與采樣

2014年4月底, 在如東灘涂森茂生態(tài)園區(qū)內(nèi)選擇地形平整、雜草作物、鹽分含量基本一致的區(qū)域作為試驗(yàn)樣地, 進(jìn)行野外試驗(yàn)布置。本試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理: 1)對(duì)照(裸地, CK); 2)秸稈覆蓋(秸稈覆蓋量為15 t?hm-2, SM); 3)植被覆蓋[田菁(Pers.)-野生芥菜(L.), PC]; 4)植被+秸稈覆蓋(田菁-野生芥菜+秸稈覆蓋量為7.5 t?hm-2, PC+1/2SM)。試驗(yàn)小區(qū)面積為50 m2(5 m×10 m), 5次重復(fù), 采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。為有利于排水, 每相鄰兩個(gè)小區(qū)之間挖溝隔開, 溝寬大約為30 cm, 溝深約為45 cm。秸稈覆蓋小區(qū)5月1日進(jìn)行秸稈覆蓋處理, 秸稈為小麥自然風(fēng)干全株秸稈。植被覆蓋的小區(qū), 在5月1日到5月3日期間, 進(jìn)行田菁播種(條播, 行距50 cm, 播種量75 kg?hm-2, 等田菁苗生長(zhǎng)到10~15 cm高, 間苗保證株距25 cm左右, 灘涂田菁最高可生長(zhǎng)到1.70~1.80 m, 10月用鐮刀去除田菁地上部分), 野生芥菜在10月下旬移栽(行距50 cm, 株距20 cm, 由于受到鹽分障礙的影響, 成活率僅為40%~50%左右)。同時(shí), 植被結(jié)合秸稈覆蓋的小區(qū), 在種植田菁-野生芥菜時(shí), 并在行間進(jìn)行7.5 t?hm-2秸稈覆蓋處理, 均勻覆蓋在土壤表面。其中, 田菁是豆科牧草類一年生草本植物, 常被用作新墾鹽堿荒地改良的先鋒植物, 其耐鹽能力在6 g?kg-1左右, 耐鹽極限為10 g?kg-1左右[28-29]; 野生芥菜也稱野油菜, 為灘涂野生生長(zhǎng)的耐鹽作物, 本項(xiàng)目組前期實(shí)地鑒定研究發(fā)現(xiàn)其耐鹽能力可達(dá)5~6 g?kg-1以上。同時(shí), 由于野生芥菜葉片覆蓋面積大, 可以很好地充當(dāng)水汽蒸發(fā)的屏障。通過田菁-野生芥菜輪作, 基本可保證土壤全年處于植被覆蓋狀態(tài)。試驗(yàn)期間不進(jìn)行人為灌溉、施肥和機(jī)械耕作, 為避免擾動(dòng)土壤, 用小刀或鐮刀去除地面少量雜草, 保證對(duì)照試驗(yàn)小區(qū)地表裸露。本試驗(yàn)從2014年5月到2015年5月采樣, 每月2次(每月1日和15日前后, 均在上午8:00—10:00采樣), 采集土壤表層0~20 cm樣品。種植植被的小區(qū)采集行間土壤。每個(gè)小區(qū)內(nèi)采用多點(diǎn)取樣法進(jìn)行田間采樣, 然后將土壤混合樣品裝入樣品袋帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤水分、pH、鹽分等土壤指標(biāo)測(cè)定, 同時(shí)進(jìn)行大氣溫度和降雨量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)(由如東縣氣象局提供數(shù)據(jù))。本試驗(yàn)田間采樣進(jìn)行1年。

1.3 土壤測(cè)定與方法

土壤測(cè)定方法具體如下: 土壤容重采用環(huán)刀法, 土壤含水量采用烘干法, 土壤含鹽量采用電導(dǎo)率法(土水比1︰5), pH采用pH計(jì)法(土水比1︰5), 顆粒組成采用比重計(jì)法, 有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法, 全氮采用凱氏消煮法, 有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬藍(lán)比色法, 堿解氮采用堿解擴(kuò)散法, 有效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法, 氯離子的測(cè)定采用硝酸銀滴定法, 硫酸根離子的測(cè)定采用容量法, 鈉和鉀離子的測(cè)定采用火焰光度法, 土壤孔隙度采用計(jì)算法。以上測(cè)定方法均參照土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[30]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本文中所有土壤指標(biāo)數(shù)據(jù)均為5次重復(fù)的平均值。利用Microsoft Excel 2003和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與作圖, 采取隨機(jī)區(qū)組單因素方差分析(one-way ANOVA), 采用LSD法進(jìn)行數(shù)值的多重比較(<0.05)。用Pearson相關(guān)分析法分析土壤電導(dǎo)率(EC1︰5)和氣候因子[包括采樣前1 d、3 d、7 d和15 d的累積降雨量(mm)和大氣平均溫度(℃)]之間的簡(jiǎn)單相關(guān)性; 同時(shí), 為分析氣候因子間交互效應(yīng)對(duì)灘涂土壤鹽分變化的綜合影響, 利用多因子及互作項(xiàng)逐步回歸分析、偏相關(guān)分析和通徑分析等方法, 分析了氣候因子以及氣候因子間交互效應(yīng)對(duì)土壤鹽分(電導(dǎo)率)之間的影響關(guān)系。此外, 灘涂土壤脫鹽速率的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律與處理時(shí)間(d)之間的關(guān)系進(jìn)行非線性回歸擬合, 在單獨(dú)秸稈覆蓋條件下, 用二次曲線函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)及Logistic函數(shù)進(jìn)行擬合, 并采用非線性最小二乘法進(jìn)行回歸分析選擇最優(yōu)擬合方程; 而植被覆蓋條件下, 用一元二次多項(xiàng)式方程=a2+b+c進(jìn)行擬合, 其中代表土壤脫鹽率(%),代表處理后的時(shí)間天數(shù)(d)。為比較不同處理的脫鹽效果, 使用土壤脫鹽率, 計(jì)算公式如下: 土壤脫鹽率(%)=[(對(duì)照鹽分-覆蓋處理鹽分)/對(duì)照鹽分]×100。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地表覆蓋下沿海灘涂土壤鹽分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

如圖2所示, 在沿海灘涂裸地(對(duì)照), 表層土壤鹽分具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律, 表現(xiàn)為在10—12月具有明顯的積鹽作用, 并在10月土壤鹽分達(dá)到最大值(EC1:5為3.90 dS·m-1); 單獨(dú)植被覆蓋(PC)和植被結(jié)合半量秸稈覆蓋(PC+1/2SM, 覆蓋量為7.5 t?hm-2)條件下, 表層土壤鹽分變化與裸地土壤具有相似的積鹽返鹽的季節(jié)性變化趨勢(shì), 但相比裸地而言, 地表覆蓋處理后全年各時(shí)期表層土壤鹽分均有明顯的脫鹽特征; 秸稈覆蓋處理后(SM, 秸稈覆蓋量為15 t?hm-2), 經(jīng)過雨季(6—7月)研究區(qū)內(nèi)灘涂土壤鹽分實(shí)現(xiàn)快速脫鹽, 從初始電導(dǎo)率1.90dS·m-1左右到7月中旬降到0.15 dS·m-1左右, 之后鹽分含量一直在0.10~0.20 dS·m-1波動(dòng)。

圖2 不同地表覆蓋措施下沿海灘涂表層土壤鹽分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

CK: 裸地; SM: 秸稈覆蓋; PC: 植被覆蓋; PC+1/2SM: 植被+秸稈覆蓋。CK: bare land; SM: straw mulching (straw amount is 15 t?hm-2); PC: vegetation cover; PC+1/2SM: vegetation cover combined with 7.5 t?hm-2straw mulching.

2.2 氣候變化對(duì)沿海灘涂土壤鹽分(電導(dǎo)率)動(dòng)態(tài)變化的影響

2.2.1 灘涂土壤電導(dǎo)率與氣候因子的相關(guān)性

本研究針對(duì)采樣前1 d、前3 d、前7 d和前15 d的累積降雨量和大氣平均溫度, 與灘涂裸地(對(duì)照)條件下土壤鹽分(電導(dǎo)率)進(jìn)行簡(jiǎn)單相關(guān)性分析, 由表1可知, 土壤表層土壤電導(dǎo)率與采樣前1 d、前3 d的累積降雨量均沒有顯著相關(guān)性, 而與采樣前7 d以上[即前7 d(<0.01)和前15 d(<0.05)]的累積降雨量具有顯著的負(fù)相關(guān); 然而, 灘涂表層土壤電導(dǎo)率與采樣前1 d、前3 d、前7 d和前15 d的大氣平均溫度均沒有顯著的相關(guān)性。

表1 沿海灘涂地區(qū)采樣前不同時(shí)間累積降雨量(X1)和大氣平均溫度(X2)與表層土壤鹽分含量(Y)之間的相關(guān)性

**: 在=0.01水平上顯著; *: 在=0.05水平上顯著。**: significant at= 0.01; *: significant at= 0.05.

2.2.2 灘涂土壤電導(dǎo)率與氣候因子的多因子及互作逐步分析

考慮到累積降雨量和大氣溫度等氣候因子對(duì)灘涂土壤鹽分的影響存在一定的互作效應(yīng), 利用多因子及互作項(xiàng)逐步回歸分析方法對(duì)灘涂土壤電導(dǎo)率()與累積降雨量(1)和大氣溫度(2)進(jìn)行分析(鑒于相關(guān)分析的結(jié)果, 此處的累積降雨量和大氣溫度分別為采樣前7 d的累積降雨量和大氣平均溫度, 下同), 建立氣候因子與土壤電導(dǎo)率模型:=-108.398 3-2.361 71+26.187 72+0.132 312, 其中模型決定系數(shù)為0.974 0, 剩余通徑系數(shù)為0.161 2, 達(dá)到較高的精度。從模型可知,1與呈負(fù)相關(guān)(<0.01),2與呈正相關(guān)(<0.01),1與2之間的互作效應(yīng)與呈正相關(guān)(<0.01)。

2.2.3 灘涂土壤電導(dǎo)率與氣候因子的偏相關(guān)分析

由表2可知, 土壤電導(dǎo)率與氣候因子的偏相關(guān)分析: 累積降雨量(1)與土壤電導(dǎo)率()的偏相關(guān)系數(shù)為-0.365 3, 有弱相關(guān)性但未達(dá)到顯著水平; 大氣溫度(2)與土壤電導(dǎo)率()的偏相關(guān)系數(shù)為0.958 4, 達(dá)到極顯著水平; 累積降雨量(1)與大氣溫度(2)互作效應(yīng)偏相關(guān)系數(shù)為0.436 0, 達(dá)到顯著水平。

2.2.4 灘涂土壤電導(dǎo)率與氣候因子的通徑分析

由表3可知, 灘涂土壤電導(dǎo)率()與累積降雨量(1)和大氣溫度(2)的直接通徑系數(shù)為:1(-0.269 0)、2(0.872 8)、12(0.379 5), 說明累積降雨量(1)對(duì)灘涂土壤電導(dǎo)率值增加的直接作用是負(fù)面的效應(yīng), 大氣溫度(2)、累積降雨量(1)與大氣溫度(2)互作效應(yīng)均對(duì)灘涂土壤電導(dǎo)率值增加的直接作用是正面的效應(yīng)。而間接作用: 累積降雨量(1)主要通過2(0.506 1)、12(0.365 3)間接正效應(yīng)表達(dá); 大氣溫度(2)主要通過1(-0.156)間接負(fù)效應(yīng)以及12(0.266 1)間接正效應(yīng)綜合表達(dá);12主要通過1(-0.258 9)間接負(fù)效應(yīng)以及2(0.612 1)間接正效應(yīng)綜合表達(dá)。

表2 灘涂表層土壤鹽分含量(Y)與采樣前7 d累積降雨量(X1)和大氣平均溫度(X2)之間的偏相關(guān)分析

表3 灘涂表層土壤鹽分含量(Y)與采樣前7 d累積降雨量(X1)和大氣平均溫度(X2)之間的通徑分析

2.3 地表覆蓋對(duì)沿海灘涂土壤鹽分變化規(guī)律的影響

2.3.1 地表覆蓋條件下氣候因子與灘涂土壤電導(dǎo)率 變化的關(guān)系

由表4可見, 地表覆蓋條件下, 灘涂土壤電導(dǎo)率與采樣前1 d、前3 d、前7 d和前15 d的累積降雨量和大氣平均溫度均沒有顯著相關(guān)性(>0.05)。結(jié)合表1可知, 地表覆蓋改變了降雨量對(duì)灘涂土壤鹽分(電導(dǎo)率)變化的影響。

表4 地表覆蓋條件下取樣前不同時(shí)間氣候因子與灘涂表層土壤鹽分的相關(guān)關(guān)系(R2值)

CK: 裸地; SM: 秸稈覆蓋; PC: 植被覆蓋; PC+1/2SM: 植被+秸稈覆蓋。CK: bare land; SM: straw mulching (straw amount is 15 t?hm-2); PC: vegetation cover; PC+1/2SM: vegetation cover combined with 7.5 t?hm-2straw mulching.

2.3.2 地表覆蓋條件下灘涂土壤脫鹽率與覆蓋時(shí)間的關(guān)系

地表覆蓋條件下, 灘涂土壤脫鹽率()與覆蓋處理時(shí)間()之間(圖3)具有非線性回歸關(guān)系。在植被覆蓋(PC)和秸稈+植被覆蓋(PC+1/2SM)條件下符合二次函數(shù)方程(表5), 分別為:PC=0.0012-0.345+54.41 (2=0.456,<0.01)和PC+1/2SM=0.0012-0.293+57.121 (2=0.526,<0.01); 而秸稈覆蓋(SM)條件下, 土壤脫鹽率()與秸稈覆蓋時(shí)間()初步判斷可滿足常用的二次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)和邏輯函數(shù)等擬合回歸方程, 分別進(jìn)行檢驗(yàn)后, 結(jié)合比較2和值, 進(jìn)行最優(yōu)擬合回歸方程可得出, Logistic曲線方程SM=94.912/ (1+e1.482-0.052X),2=0.980,<0.001(圖3和表5)為最優(yōu)擬合回歸方程。結(jié)合實(shí)際可知, 秸稈覆蓋條件下, Logistic回歸方程中參數(shù)b1為灘涂土壤脫鹽率的上限值, 估計(jì)值為(94.912±0.596)%, 其95%置信區(qū)間為93.668%~96.156%; 參數(shù)b3為增加速率, 估計(jì)值為(-0.052±0.004)%·d-1, 其95%置信區(qū)間為(-0.060~-0.044)%·d-1; 當(dāng)土壤脫鹽率達(dá)到上限值一半時(shí)(即SM=94.912/2%), 增加速率最快, 這時(shí)=29 d, 表明秸稈覆蓋29 d后, 土壤脫鹽率會(huì)迅速增加(即6—8月), 并在秸稈覆蓋處理后70~80 d土壤脫鹽率趨于穩(wěn)定。

圖3 秸稈和植被覆蓋對(duì)灘涂土壤脫鹽率動(dòng)態(tài)變化的影響

SM: 秸稈覆蓋; PC: 植被覆蓋; PC+1/2SM: 植被+秸稈覆蓋。SM: straw mulching (straw amount is 15 t?hm-2); PC: vegetation cover; PC+1/2SM: vegetation cover combined with 7.5 t?hm-2straw mulching.

表5 灘涂土壤脫鹽率(Y)和秸稈覆蓋處理時(shí)間(X)之間擬合方程與參數(shù)估計(jì)值

2.3.3 地表覆蓋對(duì)灘涂土壤電導(dǎo)率、pH和土壤水分的影響

由表6可知, 與裸地對(duì)照相比, 無(wú)論是植被覆蓋還是秸稈覆蓋均顯著降低了土壤EC1︰5值, 且秸稈覆蓋效果最顯著; 但同時(shí)也均顯著增加了土壤pH1︰5值, 且EC1︰5越大, pH1︰5越小?？梢姷乇砀采w雖然降低了灘涂土壤的鹽分, 但也增加了土壤pH; 另外, 秸稈覆蓋處理可以顯著增加土壤水分含量, 單獨(dú)植被覆蓋對(duì)土壤含水量沒有明顯的影響。

表6 不同措施處理下灘涂表層土壤的年平均鹽分、pH和水分含量

CK: 裸地; SM: 秸稈覆蓋; PC: 植被覆蓋; PC+1/2SM: 植被+秸稈覆蓋。同列數(shù)據(jù)不同字母表示差異顯著(<0.05)。CK: bare land; SM: straw mulching (straw amount is 15 t?hm-2); PC: vegetation cover; PC+1/2SM: vegetation cover combined with 7.5 t?hm-2straw mulching. Different letters in the same column mean significant difference at< 0.05 level.

3 討論

3.1 氣候因子變化對(duì)沿海灘涂土壤鹽分動(dòng)態(tài)變化的影響

氣候變化, 特別是降雨量和氣溫變化, 是鹽堿荒地土壤鹽分運(yùn)移變化的重要驅(qū)動(dòng)因素[5-8]。本研究中, 在沿海灘涂裸地中, 表層土壤鹽分具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律, 表現(xiàn)為在秋冬季(10—12月)具有明顯的積鹽作用, 并在10月期間土壤鹽分達(dá)最大值, 這與趙秀芳等[31]的研究結(jié)果有一定相似, 他們研究表明, 蘇北灘涂區(qū)土壤表層鹽分隨季節(jié)波動(dòng)劇烈, 鹽分在夏季呈下降趨勢(shì), 秋冬季呈上升趨勢(shì)。在天津?yàn)I海地區(qū)的研究也發(fā)現(xiàn)[5], 自然狀態(tài)下土壤鹽分含量具有春季強(qiáng)烈積鹽、雨季脫鹽、秋季緩慢積鹽和冬季穩(wěn)定的明顯季節(jié)性變化特征, 這與本研究的土壤鹽分變化規(guī)律既有相似又有一定差異。這可能是由于江蘇沿海灘涂和天津?yàn)I海地區(qū)降雨量時(shí)間分布和氣溫變化的差異造成的。本研究中, 在未開發(fā)利用的沿海灘涂荒地, 降雨是唯一的水分來源, 在6—8月降雨集中的雨季, 土壤表層鹽分經(jīng)過降雨淋洗, 鹽分濃度下降達(dá)到最低值, 而在9、10月, 江蘇沿海灘涂降雨較少, 在高蒸發(fā)力的作用下, 伴隨著雨季儲(chǔ)存在土壤中水分劇烈蒸發(fā), 土壤中鹽分在表層聚積而鹽分濃度增加達(dá)到最大值[8]。

同時(shí), 本研究發(fā)現(xiàn), 灘涂裸地(中度鹽分)表層土壤鹽分變化與采樣前1 d和前3 d的累積降雨量均沒有顯著相關(guān)性, 而與采樣前7 d以上的累積降雨量具有顯著負(fù)相關(guān); 而表層土壤鹽分與采樣前1 d、3 d、7 d和15 d的大氣平均溫度均沒有顯著的相關(guān)性?？紤]灘涂鹽堿荒地鹽分變化是降雨量和大氣溫度變化共同作用的影響, 兩者之間具有一定的互作效應(yīng)[6]。我們利用多因子及互作逐步分析、偏相關(guān)分析及通徑分析方法對(duì)灘涂土壤電導(dǎo)率與采樣前7 d的累積降雨量和大氣溫度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn), 累積降雨量對(duì)江蘇沿海灘涂土壤電導(dǎo)率值(鹽分)增加的作用具有直接負(fù)效應(yīng), 大氣溫度、累積降雨量與大氣溫度互作效應(yīng)均對(duì)灘涂土壤電導(dǎo)率值的增加作用是直接正效應(yīng)。可以得出: 在江蘇沿海灘涂鹽堿裸地(荒地)中, 降雨量增加對(duì)表層土壤鹽分累積具有顯著的消極作用, 大氣溫度升高對(duì)表層土壤鹽分累積具有顯著的積極作用, 而兩者的交互效應(yīng)對(duì)表層土壤鹽分累積具有明顯的正效應(yīng)。因此, 在全球氣候不斷變暖的背景下, 沿海灘涂氣候有逐漸向暖濕方向發(fā)展的趨勢(shì), 這有可能會(huì)加劇沿海灘涂荒地土壤的鹽漬化程度。

3.2 地表覆蓋對(duì)沿海灘涂土壤鹽分動(dòng)態(tài)變化的影響

本試驗(yàn)觀察期間, 秸稈覆蓋(覆蓋量為15 t?hm-2)措施下, 經(jīng)過雨季(6—8月), 沿海灘涂地區(qū)表層土壤鹽分實(shí)現(xiàn)快速脫鹽, 之后鹽分一直維持較低水平上下波動(dòng); 同時(shí), 種植田菁-野生芥菜及種植田菁-野生芥菜結(jié)合少量秸稈覆蓋措施下, 表層土壤鹽分變化與裸地土壤具有相似的積鹽返鹽的變化趨勢(shì), 但相比裸地而言, 植被覆蓋期間表層土壤具有明顯的脫鹽特征, 特別是野生芥菜具有葉大覆蓋面積大的特點(diǎn), 野生芥菜生長(zhǎng)到現(xiàn)蕾后(即2—5月)土壤脫鹽更為明顯。這些結(jié)果說明, 在江蘇沿海灘涂地區(qū), 秸稈覆蓋(覆蓋量為15 t?hm-2)對(duì)土壤鹽分具有相當(dāng)好的脫鹽和控鹽作用, 選擇種植合適的耐鹽植物也會(huì)對(duì)土壤鹽分有明顯脫鹽和控鹽效果, 但少量秸稈覆蓋對(duì)鹽分變化的影響不明顯, 這與前人有關(guān)秸稈覆蓋對(duì)濱海鹽土鹽分的研究結(jié)論有一定的相似之處[5,32-33]。秸稈覆蓋和植被覆蓋改變了表層土壤鹽分的季節(jié)性變化規(guī)律, 可能是因?yàn)榈乇砀采w改變了降雨量和大氣溫度對(duì)表層土壤鹽分的影響, 地表覆蓋不僅可以增加土壤的淋鹽洗鹽作用, 而且地表覆蓋可以很好地充當(dāng)水汽蒸發(fā)的屏障, 最終達(dá)到灘涂土壤脫鹽及控鹽的效果。但需要注意的是, 地表覆蓋降低了灘涂土壤的鹽分, 也增加了土壤的堿化程度。

此外, 我們對(duì)土壤脫鹽率()和覆蓋處理時(shí)間()進(jìn)行了回歸擬合, 并比較得出最優(yōu)擬合回歸方程。我們分析得出: 1)種植耐鹽植物(植被覆蓋)條件下, 土壤脫鹽率動(dòng)態(tài)變化與覆蓋處理時(shí)間符合二次函數(shù)關(guān)系PC=0.0012-0.345+54.41(<0.01), 說明土壤脫鹽率與耐鹽植物的生長(zhǎng)狀況緊密相關(guān), 當(dāng)田菁或野生芥菜生長(zhǎng)到枝葉茂盛時(shí)(即田菁生長(zhǎng)時(shí)6月中旬至8月中旬和野生芥菜生長(zhǎng)時(shí)期的2—5月)表層土壤脫鹽效果最好, 而在9、10月時(shí)表層土壤脫鹽效果比較差; 2)秸稈覆蓋(SM)條件下, 土壤脫鹽率動(dòng)態(tài)變化與覆蓋處理時(shí)間關(guān)系最優(yōu)方程符合Logistic曲線方程SM=94.912/(1+e1.482-0.052X) (<0.001), 說明在江蘇沿海灘涂中重度鹽漬土上, 在雨季來臨之前(5月初)進(jìn)行秸稈覆蓋(覆蓋量為15 t?hm-2), 在覆蓋處理1月后, 充分利用江蘇沿海地區(qū)降雨量集中(6—8月)的特點(diǎn), 土壤脫鹽率會(huì)迅速增加, 處理70~80 d后表層土壤鹽分趨于穩(wěn)定, 土壤脫鹽率可達(dá)94.91%, 土壤脫鹽效果極其顯著(<0.001), 而之后維持土壤表面秸稈覆蓋處理, 可起到很好的控制土壤返鹽的效果。

總之, 在江蘇沿海灘涂地區(qū), 針對(duì)中重度鹽漬土進(jìn)行植被覆蓋或秸稈覆蓋措施, 均對(duì)灘涂表層土壤脫鹽具有明顯的效果, 相比單獨(dú)植被覆蓋及植被結(jié)合半量秸稈覆蓋措施, 大量秸稈覆蓋對(duì)灘涂土壤快速脫鹽和控制返鹽效果更為顯著, 而且實(shí)際操作更為方便。但同時(shí), 研究表明田菁等植被種植可以改善土壤養(yǎng)分和結(jié)構(gòu)狀況[28]。因此, 綜合考慮脫鹽及控鹽問題, 選擇適量秸稈覆蓋(如覆蓋量為15 t?hm-2)或秸稈覆蓋(15 t?hm-2)結(jié)合耐鹽植被種植措施, 并充分利用江蘇沿海降雨量集中的特點(diǎn), 可能是未來進(jìn)行灘涂中重度鹽漬土改良和快速脫鹽的重要措施。

4 結(jié)論

通過對(duì)江蘇沿海灘涂中度鹽漬土1年野外定位試驗(yàn), 我們得出以下結(jié)論: 1)在江蘇沿海灘涂鹽堿荒地中, 表層土壤鹽分具有顯著的季節(jié)性變化特征, 表現(xiàn)為在秋冬季(10—12月)具有明顯的積鹽作用, 并在10月份期間土壤鹽分達(dá)最大值。2)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn), 采樣前7 d降雨累積量與表層土壤鹽分變化有著密切負(fù)相關(guān)關(guān)系; 考慮降雨和大氣溫度變化對(duì)土壤鹽分變化影響的共同作用得出, 降雨量增加有利于土壤脫鹽作用, 大氣溫度升高有利于土壤鹽分表聚, 氣候暖濕作用增加會(huì)對(duì)土壤鹽分累積產(chǎn)生正效應(yīng)。3)無(wú)論是植被覆蓋還是秸稈覆蓋顯著地改變了氣候變化(降雨和氣溫變化)對(duì)土壤鹽分季節(jié)性變化特征的影響。因此, 在沿海灘涂氣候向暖濕方向發(fā)展的趨勢(shì)下, 綜合考慮脫鹽及控鹽問題, 選擇適量秸稈覆蓋(如覆蓋量為15 t?hm-2)或秸稈覆蓋(15 t?hm-2)結(jié)合耐鹽植被種植措施, 并充分利用江蘇沿海降雨量集中的特點(diǎn), 可能是未來進(jìn)行灘涂中重度鹽漬土改良和快速脫鹽的重要措施。

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Climatic factors and mulching affect soil salinity dynamics in coastal areas*

ZHANG Jiao1, CUI Shiyou1, FENG Zhixiang2, WANG Kuishan1, ZHAI Caijiao1

(1. Jiangsu Yanjiang Institute of Agricultural Sciences, Nantong 226541, China; 2. Rudong Meteorological Observatory, Rudong 226400, China)

To clarify the impact of climatic factors on seasonal variations in soil salinity and to explore the effects of vegetation cover and straw mulching on soil desalination and salinity control in coastal areas, a field experiment was conducted in the medium-heavy saline coastal area of Rudong, Jiangsu Province. Four treatments were set in the study ― control (bare land, CK), straw mulch (at 15 t?hm-2, SM), vegetation cover (PC) and PC combined with SM (at 7.5 t?hm-2, PC+1/2SM). Climatic factors (rainfall and air temperature) and topsoil salinity dynamics were determined for the period from May 2014 to May 2015. The results showed that: 1) seasonal variations of soil salinity to some extent occurred in bare lands in coastal areas, with obvious salt accumulation during the period from October to December with the highest EC1:5(3.90 dS·m-1) in October. 2) Correlation analysis showed that change in soil salinity under CK treatment was significantly negatively correlated with 7-day cumulative rainfall before sampling (< 0.01) and also with 15-day cumulative rainfall before sampling (< 0.05), but no so obvious significant correlation were found under SM, PC and PC+1/2SM treatments (0.05). Under CK treatment, multi-factor interphase analysis of climatic factors indicated that increase in rainfall promoted soil desalinization (< 0.01) and increase in air temperature exacerbated soil salt accumulation in surface soil (< 0.01). Simultaneously, interaction between rainfall and air temperature had a positive effect on soil salt accumulation (< 0.01). 3) Surface mulching (including PC and SM) significantly altered the effects of climatic factors on seasonal variations in soil salinity. Under PC and PC+1/2SM treatments, the relationship of the change in soil desalinization ratio () with treatment time () followed the quadratic functions ofPC=0.0012-0.345+ 54.41 (2=0.456,< 0.01) andPC+1/2SM=0.0012-0.293+ 57.121 (2=0.526,< 0.01), respectively. Under SM treatment, the relationship was a Logistic curve with an equation ofSM=94.912 / (1+e1.482-0.052X) (2=0.980,< 0.001). In addition, soil desalination rate increased rapidly after 29 days of SM treatment (that is June to August) and the trend stabilized as the rate reached 94.91% in 70–80 days after straw mulching. Moreover, large amount of straw mulch (15 t?hm-2) had a more obvious effect on soil desalination, but also caused more obvious alkalinity problems. To therefore control desalination and salinity, a suitable amount of straw mulching (such as straw cover of 15 t?hm-2) or suitable amount of straw mulching combined with vegetation cover (such asPers. andL.Czern. et Coss.) were recommended in coastal area with seasonal concentrated high rainfall. This promoted soil desalinization and future soil reclamation under warming-wetting climate in coastal areas.

Climate change; Straw mulch; Vegetation cover; Salt accumulation; Desalination rate; Coastal area

, ZHANG Jiao, E-mail: zhangjiao0609@126.com

Jun. 21, 2017;

Sep. 20, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170572

S156.4

A

1671-3990(2018)02-0294-09

2017-06-21

2017-09-20

* This study was supported by the Autonomous Innovation Project of Science and Technology of Jiangsu Province [CX(14)5096]and the 226 People Work of Nantong 5th Training Program (NT201722620).

* 江蘇省自主創(chuàng)新資金探索性項(xiàng)目[CX(14)5096]和南通市第5期226人才培養(yǎng)工程項(xiàng)目(NT201722620)資助

張蛟, 主要研究方向?yàn)檠睾┩客寥栏牧寂c高效利用。E-mail: zhangjiao0609@126.com