不同耐鹽堿灌草群落對(duì)崇明東灘圍墾區(qū)土壤改良效果的研究

仲啟鋮

(上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院，上海城市困難立地綠化工程技術(shù)研究中心，上海 200232)

過(guò)去幾十年，由于人口迅速增長(zhǎng)及城市化快速推進(jìn)，我國(guó)東部沿海大量濱海濕地被圍墾造陸 。這些新圍墾土地的土壤往往養(yǎng)分含量低、物理結(jié)構(gòu)差、表層鹽分積累。土壤質(zhì)量低下大大限制了對(duì)濱海圍墾區(qū)土地的開發(fā)利用[1，2]。長(zhǎng)期以來(lái)，多種水利工程和物理化學(xué)措施已被用于鹽堿土壤改良[3-6]。但是這些措施往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本較高，且對(duì)土壤肥力改善效果欠佳，還可能會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成次生負(fù)面影響[7]。目前，通過(guò)栽植耐鹽堿植物進(jìn)行生物修復(fù) (Bioremediation) 被認(rèn)為是一項(xiàng)可經(jīng)濟(jì)有效地改良鹽堿土壤的措施[8-10]。耐鹽堿植物群落不僅可增強(qiáng)植被蒸騰，降低地下水位，減少積鹽返鹽；還能夠積累有機(jī)質(zhì)，增加土壤養(yǎng)分，改善土壤結(jié)構(gòu)[11-14]。

20世紀(jì)90年代，對(duì)長(zhǎng)江口崇明東灘團(tuán)結(jié)沙、東旺沙的圍墾造陸產(chǎn)生了近百平方公里圍墾區(qū)土地。為對(duì)這些新生土地資源進(jìn)行可持續(xù)利用和低碳管理，上實(shí)集團(tuán)自2003年起在其中約20 km2土地上營(yíng)建了崇明東灘國(guó)際濕地公園。公園建設(shè)過(guò)程中篩選了大量耐鹽堿灌草品種用于園區(qū)綠化和土壤改良。與喬木相比，灌草植物對(duì)鹽堿環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)[15，16]，生長(zhǎng)更快，因此常被作為中、重度鹽堿土植被修復(fù)的先鋒物種[14，17]。前期已有一些研究關(guān)注了這些灌草植物的光合生長(zhǎng)特性，土壤養(yǎng)分、鹽分動(dòng)態(tài)等[1，18，19]。但目前尚缺乏對(duì)不同耐鹽堿灌草群落改良鹽堿土壤效果的定量化綜合評(píng)價(jià)。

鑒于此，本研究以崇明東灘1998年圍墾區(qū)內(nèi)6種人工栽植8年以上的耐鹽堿灌草群落為對(duì)象，以無(wú)植被覆蓋裸地為對(duì)照，采用主成分分析法對(duì)灌草群落改良鹽堿土壤性質(zhì)的效果進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。本研究可為我國(guó)長(zhǎng)江口濱海圍墾區(qū)鹽堿土壤性質(zhì)的生物改良及綠化植被帶建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于長(zhǎng)江口崇明島東灘 (31°38′ N， 121°58′ E)，屬北亞熱帶海洋性氣候，氣候溫和濕潤(rùn)，四季分明，年平均氣溫15.3 ℃，年平均降水1 117 mm。日照充足，年平均日照時(shí)數(shù)2 138 h，太陽(yáng)總輻射量為4 300～4 600 MJm-2，無(wú)霜期229 d。冬季盛行偏西北風(fēng)，夏季盛行偏西南風(fēng)。崇明東灘由長(zhǎng)江攜帶大量泥沙沉積而成，是長(zhǎng)江口地區(qū)規(guī)模最大、發(fā)育最完善的河口型潮汐灘涂濕地。土壤成土年代晚，鹽分含量較高，有機(jī)質(zhì)含量較低。

研究樣地設(shè)在崇明東灘國(guó)際濕地公園內(nèi)。公園位于崇明東灘1998年圍墾區(qū)內(nèi)，東面毗鄰崇明東灘鳥類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，園區(qū)土地均來(lái)自于對(duì)天然潮灘的圍墾造陸。公園始建于2003年，目前擁有多種耐鹽堿植物群落類型。

1.2 土壤樣品采集與分析

2012年11月，選取地面高程較一致、土壤本底較均一的6種典型耐鹽堿灌草群落為對(duì)象。植物年限均超過(guò)8年，且表現(xiàn)較為良好。包括3種非豆科灌木+豆科草本群落〔A:夾竹桃 (Neriumindicum)+野豌豆 (Viciasepium),B:慈孝竹 (Bambusamultiplex)+南苜蓿 (Medicagopolymorpha),C:海濱木槿 (Hibiscushamabo)+野豌豆 (Viciasepium)〕，1種豆科草本群落 〔D:三葉草 (Trifoliumrepens)〕 和2種豆科灌木群落〔E:傘房決明 (Sennacorymbosa),F:紫穗槐 (Amorphafruticosa)〕。并以未種植植物的裸地為對(duì)照 (CK)(表1)。

在上述植物群落和裸地中各建立3個(gè)樣地，在每個(gè)樣地中各劃定1個(gè)5 m × 5 m的樣方。在每個(gè)樣方內(nèi)按W形取5個(gè)樣點(diǎn)，在每個(gè)樣點(diǎn)開挖1個(gè)40 cm 深的剖面，分0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 用100 cm3環(huán)刀在每層各取1個(gè)土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤密度、田間持水量、孔隙度等物理性質(zhì)。另外在每層隨機(jī)采集3個(gè)土壤樣品并混勻，將采集土樣帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干備用。采用四分法取1份土樣，研磨后過(guò)2 mm篩 (10目)，用于測(cè)定土壤粒度、pH值、含鹽量；取部分土樣繼續(xù)過(guò)0.25 mm篩 (60目)，用于測(cè)定土壤總有機(jī)碳、全氮、全磷、速效氮 (銨態(tài)氮和硝態(tài)氮) 及有效磷含量。

表1 濱海圍墾區(qū)不同灌草群落基本情況

1.3 土壤性質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

采用模糊線性隸屬函數(shù)確定土壤性質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的等級(jí)指標(biāo)。首先建立各評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度函數(shù)進(jìn)行歸一化處理，并計(jì)算隸屬度值f(x)，以此表示各項(xiàng)指標(biāo)狀態(tài)值。根據(jù)植物生長(zhǎng)效應(yīng)和濱海圍墾區(qū)土壤實(shí)際情況，本研究采用3種方法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)。

(1)戒上型隸屬函數(shù) ( S形曲線)，即在一定范圍內(nèi)，評(píng)價(jià)指標(biāo)值與植物生長(zhǎng)呈正相關(guān)。本研究中屬于該類型的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括總有機(jī)碳、全氮、全磷、速效氮、有效磷、總孔隙度和毛管孔隙度 (表2)。這些指標(biāo)隸屬函數(shù)解析式為：

(1)

表2 戒上型隸屬度函數(shù)曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值

(2) 戒下型隸屬函數(shù) (反“S”形曲線)，即在一定范圍內(nèi)，評(píng)價(jià)指標(biāo)值與植物生長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)。本研究中屬于該類型的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括含鹽量、土壤密度、碳氮比和非毛管孔隙度 (表3)。這些指標(biāo)隸屬函數(shù)解析式為：

(2)

表3 戒下形隸屬函數(shù)曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值

(3) 拋物線形隸屬函數(shù) (梯形曲線)，即評(píng)價(jià)指標(biāo)值對(duì)植物生長(zhǎng)有一個(gè)最佳范圍，在此范圍之外，偏離程度越大，對(duì)植物影響越不利。屬于該類型評(píng)價(jià)指標(biāo)包括pH、田間持水量、質(zhì)量含水量、物理性黏粒含量和粉/黏粒比，需要確定評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)植物生長(zhǎng)最佳適宜區(qū)間及其臨界值 (表4)。這些指標(biāo)隸屬函數(shù)解析式為：

(3)

表4 拋物線形隸屬函數(shù)曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值

以上隸屬函數(shù)中，x為土壤評(píng)價(jià)指標(biāo)，a1～a4為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。本研究結(jié)合已有相關(guān)文獻(xiàn)和濱海圍墾區(qū)土壤實(shí)際情況及植物生長(zhǎng)狀況，分別確定以上隸屬函數(shù)中轉(zhuǎn)折點(diǎn)相應(yīng)取值，如表2～表4所示。根據(jù)相應(yīng)隸屬函數(shù)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值，計(jì)算各項(xiàng)土壤指標(biāo)隸屬度值，這些值介于0.1～1.0 之間。

在通過(guò)隸屬函數(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化后，采用主成分分析獲得不同土壤理化指標(biāo)公因子方差和權(quán)重系數(shù)[20,21]。應(yīng)用加權(quán)求和法計(jì)算7個(gè)樣地土壤性質(zhì)的綜合指標(biāo)值(SSI)。計(jì)算公式如下：

(4)

式中，n表示所有參評(píng)指標(biāo)，Ni和Wi分別表示第i種參評(píng)指標(biāo)隸屬度值和權(quán)重系數(shù)。SSI綜合反映了某一樣地的土壤性質(zhì)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

不同樣地土壤理化指標(biāo)的差異采用單因素方差分析及鄧肯氏多重比較進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)分析主要采用SPSS18.0進(jìn)行，統(tǒng)計(jì)顯著水平設(shè)定為P= 0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌草群落對(duì)圍墾區(qū)土壤理化性質(zhì)的影響

與裸地相比，各灌草群落在整個(gè)土壤剖面上對(duì)總有機(jī)碳、全氮、有效磷、pH和含鹽量改良作用較為明顯。在0～10 cm 土層，各灌草群落對(duì)有效磷改良作用不明顯；在10～20 cm 和 20～40 cm土層，各灌草群落對(duì)總有機(jī)碳改良作用不明顯。與裸地相比，各灌草群落在整個(gè)土壤剖面上對(duì)土壤密度、孔隙度、田間持水量和質(zhì)地改良作用均較為明顯。與裸地相比，傘房決明群落在改善土壤總有機(jī)碳、有效磷和質(zhì)地方面較為突出；紫穗槐群落在改善土壤密度方面較為突出；三葉草在改善全氮含量、含鹽量、pH值方面較為突出；海濱木槿+野豌豆群落則在改善孔隙度和田間持水量方面較為突出。這反映了不同植物耐受鹽堿脅迫、利用水分、養(yǎng)分能力以及生長(zhǎng)策略等方面的差異。

本研究中耐鹽堿灌草群落對(duì)土壤全磷的影響不顯著，而Wu等 (2012)[7]在利用蓖麻 (Ricinuscommunis) 改良濱海鹽土?xí)r卻發(fā)現(xiàn)土壤全磷含量顯著增加，這可能是由于該項(xiàng)研究試驗(yàn)初期施肥和磷溶解細(xì)菌增加導(dǎo)致。另一方面，灌草群落顯著增加了土壤有效磷含量，這可能是因?yàn)槲⑸锂a(chǎn)生的磷酸酶增加[22]；同時(shí)土壤pH值降低也會(huì)增強(qiáng)磷的溶解性，使更多活性磷得以釋放[14]。本研究中灌草群落土壤的物理性黏粒含量與裸地相比略有增加，而質(zhì)量含水量有小幅降低，這與范亞文[23]的研究結(jié)果有所區(qū)別，這可能是因?yàn)閮蓚€(gè)研究地點(diǎn) (分別為內(nèi)陸地區(qū)和濱海地區(qū)) 鹽堿土壤的粒徑結(jié)構(gòu)存在一定差異[24]。

參考全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) (全國(guó)土壤普查辦公室，1992)，圍墾區(qū)土壤仍有幾項(xiàng)指標(biāo)并未得到顯著改善。6種灌草群落0～40 cm土壤總有機(jī)碳、全磷含量及田間持水量的平均值分別為6.28 gkg-1、0.17 gkg-1及24.6%，仍相對(duì)偏低；pH值為8.39，堿性仍然相對(duì)較強(qiáng)；速效氮含量?jī)H為1.91 mg kg-1，表現(xiàn)出嚴(yán)重虧缺。這可能是因?yàn)闉I海圍墾區(qū)土壤中無(wú)機(jī)態(tài)氮淋溶/脫氮速度相對(duì)較快[14]。因此，今后在利用耐鹽堿灌草進(jìn)行濱海圍墾區(qū)鹽堿土壤改良時(shí)，需要采用一些相關(guān)配套技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)以上幾項(xiàng)指標(biāo)的不足，從而增強(qiáng)整體改良效果。

2.2 灌草群落對(duì)圍墾區(qū)土壤的綜合改良效果

采用主成分分析獲得了16項(xiàng)指標(biāo)的公因子方差和權(quán)重系數(shù) (表5)，應(yīng)用加權(quán)求和法計(jì)算得到了7個(gè)樣地不同層次土壤性質(zhì)的綜合指標(biāo)值 (SSI)。SSI數(shù)值范圍為0.1～1.0，數(shù)值越高代表土壤性質(zhì)越好。主成分分析結(jié)果表明，在各個(gè)土層上，特征值 ≥ 1 的主成分 (PC) 一般為3～4個(gè)，本研究中參與評(píng)價(jià)的指標(biāo)對(duì)土壤性質(zhì)累積貢獻(xiàn)率均超過(guò)90%。

表5 基于主成分分析的土壤理化指標(biāo) 公因子方差(CFA)和權(quán)重系數(shù)(WVI)

由表6可知，在整個(gè)土壤剖面上，各灌草群落SSI均明顯高于CK，表明種植耐鹽堿灌草對(duì)圍墾區(qū)土壤均具不同程度的綜合改良效果。在垂直梯度上，6種灌草群落的SSI在 0～10 cm土層均為最高；夾竹桃+野豌豆、慈孝竹+南苜蓿、海濱木槿+野豌豆和三葉草群落的SSI隨著土層加深而降低，而傘房決明、紫穗槐群落的SSI在20～40 cm土層反而高于10～20 cm土層。

表6 圍墾區(qū)不同灌草群落土壤性質(zhì)綜合評(píng)價(jià)值

與CK的SSI相比，各灌草群落對(duì)崇明東灘圍墾區(qū)0～40 cm土壤平均改良效果達(dá)59.5%。在整個(gè)土壤剖面上，6種灌草群落改良土壤效果從強(qiáng)至弱依次為：傘房決明 (+63.2%) > 紫穗槐 (+62.9%) > 三葉草 (+60.3%) > 海濱木槿+野豌豆 (+60.0%) > 夾竹桃+野豌豆 (+58.6%) > 慈孝竹+南苜蓿 (+51.9%)。

在垂直梯度上，夾竹桃+野豌豆、慈孝竹+南苜蓿、海濱木槿+野豌豆及三葉草群落在10～20 cm土層改良效果較好，而傘房決明和紫穗槐群落對(duì)20～40 cm土層改良效果更佳。這可能是因?yàn)椋?1) 豆科灌木 (傘房決明、紫穗槐) 單獨(dú)成群，無(wú)種間競(jìng)爭(zhēng)，且固氮能力強(qiáng)、生長(zhǎng)速度快，因此對(duì)土壤性質(zhì)改良效果相對(duì)最強(qiáng)；同時(shí)其根系在整個(gè)土壤剖面上均較發(fā)達(dá)，所以在較深土層改良效果尤為突出。Mishra 和 Sharma[26]同樣發(fā)現(xiàn)豆科灌木牧豆樹 (Prosopisjuliflora) 能有效改善印度Sultanpur地區(qū)的堿性土壤。(2) 豆科草本 (三葉草) 蓋度最高，具有一定固氮能力；非生長(zhǎng)季地上部分枯死后全部返還土壤，有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的酸性物質(zhì)可以中和堿性物質(zhì)。因此豆科草本對(duì)土壤性質(zhì)改良效果僅次于豆科灌木[27]。但由于草本植物根系分布較淺，其效果在土壤上層較好。(3) 對(duì)于非豆科灌木+豆科草本群落，一方面非豆科灌木本身不具固氮能力，需要大量利用土壤養(yǎng)分來(lái)維系生長(zhǎng)；另一方面，在相對(duì)貧瘠土壤環(huán)境中，豆科草本在利用養(yǎng)分、水分和陽(yáng)光時(shí)會(huì)受到這些灌木的限制。(4) 夾竹桃+野豌豆、慈孝竹+南苜蓿和海濱木槿+野豌豆群落對(duì)10～20 cm土層改良效果較好是因?yàn)槎箍撇荼驹谠撏翆影l(fā)揮作用更強(qiáng)。

3 結(jié)論

在崇明東灘圍墾區(qū)，6種栽植8年以上的耐鹽堿灌草群落較為明顯改善了土壤總有機(jī)碳、全氮、有效磷、pH值、含鹽量、土壤密度、孔隙度、田間持水量和質(zhì)地等理化指標(biāo)。6種灌草群落對(duì)圍墾區(qū)土壤性質(zhì)均具有顯著的綜合改良效果，對(duì)0～40 cm土層平均改良效果達(dá)59.5%?？傮w上看，傘房決明和紫穗槐群落改良鹽堿土壤性質(zhì)效果更為顯著，可優(yōu)先用于長(zhǎng)江口濱海圍墾區(qū)土壤性質(zhì)改良。

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