不同改良措施對(duì)松嫩平原重度鹽堿地土壤結(jié)構(gòu)與元素組成、楊樹(shù)葉片光合及生長(zhǎng)狀況影響差異研究

李占君 張厚良 郭 興 范瑞紅 馬 珂 劉繼云 楊逢建

(1.黑龍江省伊春林業(yè)科學(xué)院，伊春 153000； 2.東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040)

重度鹽堿土多為可溶性鹽長(zhǎng)時(shí)間浸泡土壤而形成，其內(nèi)部所含鹽量為0.6%～1.0%或以上，pH>9，且土壤中的代換性鈉離子占陽(yáng)離子代換量的百分率(ESP)>20%[1～4]?，F(xiàn)階段土壤的重度鹽堿化問(wèn)題已經(jīng)廣泛存在于全球各部，重度鹽堿土因其鹽分礦化程度高，毒害性以及透水性較差等特點(diǎn)，對(duì)動(dòng)、植物體的正常生長(zhǎng)與發(fā)育，具有較高的危害性，甚至?xí){其生命[5～6]。重度鹽堿土地面積每年會(huì)以1.4%的速率進(jìn)行擴(kuò)展，且該種環(huán)境下的土壤會(huì)因氣候溫度變化、過(guò)度失水而發(fā)生嚴(yán)重性土壤板結(jié)，致使重度鹽堿化土地面積擴(kuò)展趨勢(shì)不斷加劇[7]。

肇東地區(qū)鹽堿化草地面積約占黑龍江省草地總面積的60%以上，多以非耕地、廢棄地的重度鹽堿形式存在；同時(shí)這也是一種嚴(yán)重性的資源缺失，對(duì)該地區(qū)范圍內(nèi)的農(nóng)、林、牧、漁，甚至對(duì)國(guó)家整體的發(fā)展已經(jīng)造成了嚴(yán)重的干擾與影響[8～9]?，F(xiàn)階段對(duì)重度鹽堿地改良過(guò)程中，楊樹(shù)扮演了重要的角色，楊樹(shù)因其具有極強(qiáng)的抗旱、抗寒、耐土壤瘠薄、耐鹽堿、抗風(fēng)沙等積極性改良作用特點(diǎn)，成為鹽堿地和低溫、高寒荒漠、半荒漠地區(qū)荒漠化治理、營(yíng)建防風(fēng)固沙林和農(nóng)田防護(hù)林等逆境條件的最佳選擇樹(shù)種[10～12]。

但重度鹽堿地野外實(shí)際改良長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)仍然較少，所得結(jié)論也存在矛盾，急需針對(duì)松嫩平原內(nèi)陸鹽堿地開(kāi)展相關(guān)研究?；诖耍卷?xiàng)研究對(duì)研究地區(qū)重度鹽堿地進(jìn)行不同形式的穴狀整地性改良，針對(duì)改良后的重度鹽堿地土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)、元素含量以及立地楊樹(shù)的生長(zhǎng)狀況予以分析和研究。

1 研究方法與儀器設(shè)備

1.1 研究方法與地點(diǎn)

研究方法：2009年對(duì)鹽堿地改良方式予以設(shè)計(jì)，栽植前，先將供試鹽堿地進(jìn)行穴狀整地，然后依次分層鋪墊玉米秸稈碎、牛糞、玉米秸稈于穴底部，再把由玉米秸稈和牛糞熟化后的人工生物基質(zhì)與淋溶土混合而成的人工改良土施于穴內(nèi)，并在上方澆灌降鹽堿劑，將3年生2 m定干后的楊樹(shù)苗定植于穴內(nèi)并澆水，最后以栽植的楊樹(shù)苗為中心，以所設(shè)計(jì)的改良方式，分別呈錐形(一字溝)、臺(tái)形(十字溝)、壇形(井字溝)3種不同方式實(shí)施；同時(shí)2013、2014年分別對(duì)該重度鹽堿地改良實(shí)驗(yàn)后的土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)、元素變化進(jìn)行以掃描電鏡、能譜掃描，對(duì)栽種的楊樹(shù)生長(zhǎng)狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)定，以達(dá)到整體分析、研究的目的。

研究地點(diǎn)：黑龍江省肇東市境內(nèi)工業(yè)園區(qū)重度鹽堿地，地理坐標(biāo)125°22′～126°22′E，45°10′～46°20′N。

1.2 掃描電鏡觀察及能譜分析的前期土樣處理

2014年10月將改良前后待測(cè)干燥土壤樣品處理為粒徑1～2 mm的樣品，以導(dǎo)電雙面膠將該樣品固定于金屬載物臺(tái)，繼續(xù)真空干燥24 h，對(duì)真空干燥后的樣品進(jìn)行噴金處理(5～10 nm,25 mA,3 min)，為掃描電鏡(Quanta 200,FEI,USA)和X射線能量色散譜分析(EDS)檢測(cè)做必要前期準(zhǔn)備，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中圖片均為土壤樣品放大1 000倍[13]。

1.3 楊樹(shù)生長(zhǎng)情況的測(cè)定

對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)重度鹽堿地區(qū)栽培楊樹(shù)的生長(zhǎng)情況予以測(cè)定，對(duì)照區(qū)為未經(jīng)治理鹽堿地，在3個(gè)土壤改良樣地和未經(jīng)治理鹽堿地對(duì)照區(qū)內(nèi)，分別隨機(jī)性選取銀中楊15株，對(duì)其光合呼吸能力予以測(cè)定，測(cè)定頻率為15 d，每次測(cè)定至少重復(fù)3次[14]。

對(duì)3個(gè)土壤改良樣地和未經(jīng)治理鹽堿地對(duì)照區(qū)，分別隨機(jī)性選取銀中楊50株，對(duì)其整株植株的株高、胸徑、冠幅、分枝、根長(zhǎng)等多項(xiàng)指標(biāo)予以測(cè)量，最終取其平均值，后期以Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理[15]。

1.4 儀器設(shè)備

LI-6400便攜式光合作用測(cè)量?jī)x，卷尺、千分尺、游標(biāo)卡尺等。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

所測(cè)數(shù)據(jù)在Excel 2007處理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用SPSS13.0軟件進(jìn)行方差分析，SSR法檢驗(yàn)平均數(shù)的差異顯著性(P<0.05)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 重度鹽堿地土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化

經(jīng)掃描電鏡鏡下觀察得知，治理前鹽堿地土壤結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)片狀形態(tài)，其基質(zhì)致密，緊實(shí)粘重，隙少，有裂隙，且土壤容重大；具體表現(xiàn)為土壤結(jié)構(gòu)不良，通氣透水性差，這種情況不利于植物根系的伸展呼吸等方面的進(jìn)行，地塊地表植物生長(zhǎng)狀況不良，生存較為困難。改良后，該地塊重度鹽堿地土壤結(jié)構(gòu)與元素離子構(gòu)成均發(fā)生不同程度的變化，土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)比掃描電鏡如圖1所示。

經(jīng)過(guò)改良后，掃描電鏡下觀察得知，2013年改良土壤中塊狀結(jié)構(gòu)增加，且在這些顆粒團(tuán)聚體之間出現(xiàn)植物根系或殘?bào)w，說(shuō)明其土壤腐殖物質(zhì)豐富，土壤肥力增強(qiáng)。

2014年，改良后的土壤經(jīng)觀察得知，該重度鹽堿地土壤內(nèi)部團(tuán)粒結(jié)構(gòu)在含有植物殘?bào)w的基礎(chǔ)上，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布更趨于均勻化，土壤疏松壘結(jié)、空隙度、通氣、透水能力、土壤比表面積均得不同程度的提升，為土壤養(yǎng)分及離子的交換創(chuàng)造了有利的條件，這將利于土壤中的水、氣、熱等的交換及微生物的活動(dòng)，利于改善重度鹽堿地較差的土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利于其地表植物更好的生存與生長(zhǎng)，說(shuō)明改良具有一定的成效。

2.2 重度鹽堿地土壤元素的變化

對(duì)所研究治理的重度鹽堿地土壤進(jìn)行能譜分析，如圖2土壤能譜所示，Si、O、C、N、Fe、Ca、Al等元素在土壤中的百分含量較高，而K、Na、Mg元素含量相對(duì)較少。

經(jīng)過(guò)治理后的重度鹽堿土壤中各元素含量按照改良方式以及年份上的差異而表現(xiàn)為不同程度上的變化(表1)。

圖2 土壤能譜圖Fig.2 Energy spectrum of soil

表1 譜分析表

分別對(duì)圖1、表1分析可知，改良后土壤中的C元素的重量百分比增加(平均增加29.7%)，Na元素含量顯著減少(平均減少82.4%)，2014年土壤中Fe元素的重量百分比較鹽堿裸地有所增加(平均增加13.9%)，陽(yáng)離子凝聚力增強(qiáng)，這使得土壤膠粒凝聚，利于形成土壤團(tuán)聚體，且與Na+發(fā)生離子交換，使土壤中的鈉鹽含量減少，土壤鹽堿化程度減弱，說(shuō)明重度鹽堿土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)與元素均得到良好的改善。

2.3 重度鹽堿地改良條件下楊樹(shù)的生長(zhǎng)狀況

2.3.1 楊樹(shù)光合速率及呼吸速率的變化

2014年對(duì)重度鹽堿地條件下生長(zhǎng)的楊樹(shù)，在接受3種不同方式的土壤改良措施的情況下，其光合速率與呼吸速率均得到不同程度的改善(圖3)。

對(duì)圖3分析可知，3種措施改良后楊樹(shù)的光合速率及呼吸速率均發(fā)生明顯的變化，重度鹽堿裸地上楊樹(shù)的平均光合速率為0.21 μmol·m-2·s-1，而改良后楊樹(shù)的平均光合速率則在0.9～1.01 μmol·m-2·s-1，增長(zhǎng)率為328%～381%；對(duì)照區(qū)楊樹(shù)的平均呼吸速率為0.45 μmol·m-2·s-1，改良后楊樹(shù)的平均光合速率在0.89～1.14 μmol·m-2·s-1，增長(zhǎng)率為98%～153%。改良后的數(shù)據(jù)結(jié)果表明重度鹽堿地改良方式選取得當(dāng)，改良土壤的效果較好，楊樹(shù)的光合速率及呼吸速率均強(qiáng)于對(duì)照區(qū)，說(shuō)明楊樹(shù)的吸收和代謝狀態(tài)良好。

2.3.2 楊樹(shù)生長(zhǎng)情況的變化

通過(guò)測(cè)量對(duì)照區(qū)及3種改良方式后重度鹽堿地條件下所生長(zhǎng)的銀中楊樹(shù)高、胸徑、分枝數(shù)、分枝長(zhǎng)、冠幅以及根系等方面予以數(shù)據(jù)性統(tǒng)計(jì)和分析(圖4)。

圖3 3種不同方式的土壤改良后楊樹(shù)光合速率及呼吸速率的變化情況Fig.3 Changes of photosynthetic rate and respiration rate of poplars after three different ways of soil improvement

圖4 楊樹(shù)生長(zhǎng)量變化Fig.4 Changes in poplar growth(2009-2014)

在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上(2009～2012)，2014年對(duì)這5年改良后重度鹽堿地環(huán)境條件下楊樹(shù)生長(zhǎng)狀況各項(xiàng)指標(biāo)予以測(cè)定。由圖4可知，楊樹(shù)樹(shù)高、胸徑、分枝數(shù)、分枝長(zhǎng)、冠幅直徑、以及根系長(zhǎng)度參數(shù)均得到顯著性的提高。

其中，重度鹽堿地土壤經(jīng)過(guò)(井字溝)方式改良后的楊樹(shù)的高度可以達(dá)到8.41 m，與空白裸地情況下的楊樹(shù)高度相比，該種境況下楊樹(shù)樹(shù)高的平均增長(zhǎng)率為23.8%；胸徑方面，3種不同土壤治理方式效果差異不明顯，其胸徑平均增長(zhǎng)率為35.3%；分枝數(shù)較對(duì)照區(qū)增加率近160%；平均分枝長(zhǎng)度均達(dá)到2 m以上，增長(zhǎng)率近100%；楊樹(shù)冠幅直徑增加率為73.5%；楊樹(shù)根系也因重度鹽堿地改良方式的不同而有所差異性表現(xiàn)：丘式一字溝中樹(shù)木根系較長(zhǎng)，但生長(zhǎng)方向較為單一，主要根系多向添加人工改良基質(zhì)的方向伸展；臺(tái)式十字溝中的楊樹(shù)根系生長(zhǎng)形態(tài)則介于這兩種改良方式之間；而壇式井字溝中的楊樹(shù)根系則較短，且呈發(fā)散生長(zhǎng)，可均勻吸收根系周圍養(yǎng)分，對(duì)3種改良方式情況下根系長(zhǎng)度進(jìn)行比較得出：丘式“一”字溝(4.1 m)>臺(tái)式“十”字溝(2.6 m)>壇式“井”字溝(2.0 m)>鹽堿裸地(0.87 m)，得出重度鹽堿地經(jīng)改良后地表?xiàng)顦?shù)的生長(zhǎng)狀況良好。

3 討論

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)重度鹽堿地進(jìn)行小穴一字溝覓食丘式、十字溝覓食臺(tái)式以及井字溝覓食壇式3種方式的修復(fù)，并對(duì)3種不同方式的土壤結(jié)構(gòu)、元素的改良，周期性的對(duì)改良后土壤環(huán)境中楊樹(shù)的生長(zhǎng)狀況予以對(duì)比、分析。得出重度鹽堿地在接受改良的情況下，其土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)與元素均得到不同程度上的改進(jìn)。土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面：重度鹽堿地土壤內(nèi)部團(tuán)粒結(jié)構(gòu)在含有植物殘?bào)w原有礎(chǔ)上，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布更趨于均勻化，土壤疏松壘結(jié)、空隙度、通氣、透水能力、土壤比表面積均得不同程度的提升，為土壤養(yǎng)分及離子的交換創(chuàng)造了有利的條件。

土壤內(nèi)部元素方面：土壤中Na元素含量顯著減少(平均減少82.4%)，土壤中Fe元素的含量百分比較鹽堿裸地有所增加(平均增加13.9%)，陽(yáng)離子凝聚力增強(qiáng)，使土壤膠粒凝聚，利于形成土壤團(tuán)聚體，且與Na+發(fā)生離子交換，減少土壤中的鈉鹽，使土壤鹽堿化程度減弱。改良后楊樹(shù)的平均光合速增長(zhǎng)率為328%～381%；改良后楊樹(shù)的平均光合速率增長(zhǎng)率為98%～153%。最終綜合改良結(jié)果表現(xiàn)為：重度鹽堿地土壤結(jié)構(gòu)中團(tuán)聚體增多，土壤肥力增強(qiáng)，土壤鹽堿化減緩；同時(shí)土壤中碳水化合物及有機(jī)化合物覺(jué)得到不同程度的增加，這使地表?xiàng)顦?shù)生長(zhǎng)狀況因所需土壤環(huán)境條件得到有效的改善而表現(xiàn)旺盛，該種結(jié)果與后期改良后鹽堿地地表?xiàng)顦?shù)的生長(zhǎng)狀況實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)形成鮮明呼應(yīng)。

4 結(jié)論

土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)、元素種類及含量與重度鹽堿地鹽堿程度、地表?xiàng)顦?shù)的生長(zhǎng)狀況之間具有密切的聯(lián)系。重度鹽堿地土壤環(huán)境中的水、氣、熱等的交換及微生物的活動(dòng)，土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)、元素在接受3種不同方式的重度鹽堿地改良的情況下，其地表?xiàng)顦?shù)的生存與生長(zhǎng)均積極促進(jìn)的改善作用，這與史文娟等[16]，旱區(qū)鹽堿地鹽生植物改良研究動(dòng)態(tài)與分析中的研究結(jié)果趨于一致，具有一定積極意義。實(shí)際操作的過(guò)程中考慮到生產(chǎn)成本及工作量等多方面因素的制約，建議多采用小穴一字溝改良措施，這為重度鹽堿地的改良及可持續(xù)發(fā)展提供現(xiàn)實(shí)可靠的理論依據(jù)。