石羊河流域下游鹽堿化退耕地黑果枸杞群落土壤特征分析

張 杰，郭樹江，李得祿

(1. 甘肅民勤連古城國家級自然保護區(qū)管理局，甘肅 民勤 733300；2. 甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070)

黑果枸杞(Lyciumruthenicummurr.)為茄科(Solanaceae)枸杞屬(Lycium)多棘刺灌木，主要分布于我國陜西北部黃土高原、寧夏、甘肅、青海、內(nèi)蒙古、新疆和西藏等地區(qū)，中亞、高加索和歐洲等地區(qū)亦有分布。其中，我國新疆、甘肅分布較多，而甘肅則主要分布于河西走廊地區(qū)、黑河流域沿岸及其濕地地區(qū)[1]。據(jù)測定黑果枸杞含17種氨基酸、13種微量元素，可生食，有滋補、明目作用；黑果枸杞主根發(fā)達(dá)，喜生于鹽堿荒地、鹽化沙地、鹽湖岸邊、路旁等各種鹽漬化土壤中，是寶貴的鹽生植物[2]。

近年來有關(guān)黑果枸杞的研究報道也越來越多，Chen等[3]、何芳蘭等[4]、王桔紅等[5]、韓多紅等[6]、王琴等[7]開展了深入研究，其研究結(jié)果顯示黑果枸杞具有獨特的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，是一種集藥用、綠化和水土保持價值為一體的野生優(yōu)良植物；馬彥軍等[8]通過對民勤、瓜州、金塔、老寺廟4個種源黑果枸杞葉片生理指標(biāo)的變化規(guī)律研究，初步判斷民勤地區(qū)黑果枸杞抗鹽性較其它3個地區(qū)強。呂培霖等[9]對不同區(qū)域黑果枸杞土壤中氮磷鉀進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明青海產(chǎn)區(qū)的黑果枸杞土壤全N含量，速效P、速效K含量較甘肅和內(nèi)蒙兩個產(chǎn)區(qū)都要高，而甘肅產(chǎn)區(qū)有機質(zhì)含量高于青海和內(nèi)蒙的。郭春秀等[10]對民勤黑果枸杞形態(tài)特征與土壤因子的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明鹽堿地有機質(zhì)含量顯著高于覆沙地、礫石地、固定或半固定沙丘。

隨著該物種藥用價值的進(jìn)一步開發(fā)利用，野生資源破壞嚴(yán)重，種群數(shù)量大面積減少，部分地區(qū)甚至出現(xiàn)成片死亡現(xiàn)象，該物種當(dāng)前已被列為重要保護植物[11]。在石羊河流域下游民勤青土湖區(qū)域內(nèi)，由于土地退耕后在漫長的群落演替過程中形成了黑果枸杞植物群落，通過對研究區(qū)黑果枸杞群落的土壤特征分析研究，為開展有效的保護和鹽堿地治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于地處河西走廊的東北部，石羊河流域下游的甘肅省民勤縣青土湖，地理坐標(biāo)為38°48'27"～39°08′51′′ N、103°21′43′′～103°56′15′′ E，海拔高度1280～1347 m。該區(qū)域為典型的溫帶大陸性極干旱氣候類型，年均溫度7.4℃，變化劇烈，極端最高氣溫為38.1℃，極端最低氣溫是-28.8℃。年均降水量110 mm，年均蒸發(fā)量2 644 mm，年日照時數(shù)2 832.1 h。年平均風(fēng)速2.3 m/s，以西北風(fēng)、西北偏西風(fēng)為主，全年平均有59 d為揚沙，27 d有沙塵暴。地帶性土壤主要為灰棕漠土和風(fēng)沙土，還有鹽土和草甸土，風(fēng)沙危害極為嚴(yán)重。土壤類型以鹽堿土為主，隨著強烈的地表蒸發(fā)，可溶性鹽類隨土壤毛細(xì)管上升至地表，導(dǎo)致退耕地土壤鹽漬化程度較高。植被以耐鹽性植物為主，主要有黑果枸杞(Lyciumruthenicummurr.)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、堿蓬(Suaedaglauca)、蘆葦(Phragmitescommunis)等。

2 研究方法

2.1 樣地概況

在民勤縣青土湖區(qū)域分別選擇三種類型的黑果枸杞群落試驗地(樣地概況見表1)，采集土壤樣品，進(jìn)行分析測試，研究土壤水分、鹽分、養(yǎng)分變化特征。

表1 黑果枸杞群落土壤采樣地概況

2.2 土壤水分測定

土壤水分監(jiān)測采用烘干法測定，在觀測樣地內(nèi)利用土壤取土鉆分層進(jìn)行采集。采集深度為200 cm，每隔20 cm采集一層，每層重復(fù)3個樣品。土壤含水量采用烘干法測定，將采集的土壤樣品用鋁盒裝好，用便攜式電子天平(0.01 g)在采樣點稱量濕土重，帶回實驗室烘干、稱重，計算土壤含水率，分析黑果枸杞群落不同采樣地0～200 cm深度范圍內(nèi)土壤含水量垂直變化特征。

2.3 土壤理化性質(zhì)測定

在每個觀測樣地上設(shè)置5個10 m×10 m的小樣方，在樣地內(nèi)小樣方之間設(shè)土壤樣品采集剖面2個，分耕作層0～30 cm和生土層30～60 cm 2個層次，分析測定土壤機械組成、有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀、水溶性鹽、CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+、Na+等指標(biāo)。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法～外加熱法；有效氮采用堿解擴散法；速效磷采用鉬銻抗比色法-0.5 mol/L NaHCO浸提法；速效鉀采用原子吸收光譜法(NH4OAC浸提法)；水溶性鹽總量采用殘渣烘干質(zhì)量法和電導(dǎo)法測定。具體分析方法參見文獻(xiàn)[12]。

3 結(jié)果與分析

3.1 黑果枸杞群落土壤水分變化

土壤水分是土壤的重要組成部分,也是重要的土壤肥力因素，水分是影響荒漠生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)諸多生態(tài)過程的主要制約因子[13]，尤其在干旱半干旱荒漠地區(qū)，水分是限制植物分布的一個極其重要的條件[14]。

圖1 黑果枸杞群落土壤水分變化Fig.1 Soil water change of L. ruthenicum communities

在黑果枸杞群落演替過程中，隨著退耕年限的增長，不同深度土壤水分含量發(fā)生了相應(yīng)的變化。通過對青土湖不同退耕年限的黑果枸杞群落的土壤水分的監(jiān)測分析，結(jié)果表明0～20 cm深度范圍內(nèi)土壤水分表現(xiàn)為20世紀(jì)80年代退耕>60年代退耕>原始群落，且三種類型土壤水分變化不明顯。在土壤0～200 cm深度范圍內(nèi)，土壤水分整體表現(xiàn)為原始群落(15.6%)>60年代退耕(13.9%)>80年代退耕(10.9%)。80年代退耕地黑果枸杞群落土壤含水率比較低，原始群落土壤含水量較高。

3.2 土壤養(yǎng)分空間變化特征

土壤養(yǎng)分是氣候、植被、地形及土壤因素等自然條件的綜合反映[15]。分析結(jié)果顯示，研究區(qū)不同退耕年代黑果枸杞群落土壤有機質(zhì)、全N、速效磷、速效鉀含量存在差異。

3.2.1 土壤有機質(zhì)、全N變異特征

土壤有機質(zhì)作為土壤的重要組成成分,是表征土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要因子,是植物必需營養(yǎng)元素的主要來源，在土壤肥力、環(huán)境保護等方面均起著極其重要的作用。尤其在干旱荒漠化地區(qū)，土壤有機質(zhì)含量直接影響該地區(qū)土壤質(zhì)量的高低，并對荒漠化地區(qū)的生態(tài)演化有直接的影響。沙漠土壤有機質(zhì)含量雖然占土壤總量很小,但它在土壤形成、土壤肥力等方面都有著極其重要的意義。沙漠土壤有機質(zhì)的來源主要包括各類植物的調(diào)落物、死亡的植物體及根系、土壤動物和非土壤動物的殘體及各種動物、植物、微生物的排泄物和分泌物等。

土壤有機質(zhì)的變化，必然會導(dǎo)致土壤微生物數(shù)量和土壤N素的變化。通過對不同類型黑果枸杞群落土壤有機質(zhì)、全N含量分析研究(圖2、圖3)，結(jié)果表明，不同退耕年限的黑果枸杞群落土壤有機質(zhì)、全N含量隨土層深度的不同而表現(xiàn)出差異性，但變化的趨勢基本一致。0～30 cm土壤有機質(zhì)含量隨著退耕后植被演替有機質(zhì)含量呈先減小后趨于穩(wěn)定的趨勢，而30～60 cm深度有機質(zhì)含量則表現(xiàn)為下降趨勢。而全N含量0～30 cm隨著退耕后植被演替，表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，30～60 cm深度表現(xiàn)為持續(xù)、穩(wěn)定下降趨勢。

圖2 黑果枸杞群落土壤有機質(zhì)變化Fig.2 Changes of soil organic matter in L. ruthenicum communities

圖3 黑果枸杞群落土壤全氮變化Fig.3 Changes of soil total nitrogen in L. ruthenicum communities

3.2.2 土壤速效P、K變異特征

速效P、K是衡量土壤近期內(nèi)提供植物生長所需養(yǎng)分能力的重要標(biāo)尺。而土壤速效P指土壤中在短期內(nèi)能為作物吸收利用的磷素，土壤速效磷含量能反映土壤磷素的供應(yīng)水平。鉀是植物必須的三大營養(yǎng)元素之一，在植物體內(nèi)鉀的含量僅次于氮，土壤速效鉀含量是衡量土壤鉀素養(yǎng)分供應(yīng)能力的現(xiàn)實指標(biāo)，它標(biāo)志著目前乃至近期內(nèi)可供植物吸收利用的鉀的數(shù)量。通過對三種不同類型黑果枸杞群落速效磷含量的分析，由圖4、圖5可知，隨著退耕后黑果枸杞群落的演替，速效磷含量呈上升趨勢，這與退耕后草本層短期內(nèi)生長、死亡后根系及調(diào)落物分解轉(zhuǎn)化進(jìn)入土壤有密切關(guān)系，而原始植被速效磷含量較低。速效鉀表現(xiàn)為隨著退耕年限的增加而逐漸減小，原始群落速效鉀含量最小。

圖4 黑果枸杞群落土壤速效磷變化Fig.4 Changes of soil available phosphorus in L. ruthenicum communities

圖5 黑果枸杞群落土壤速效鉀變化Fig.5 Changes of soil available potassium in L. ruthenicum communities

3.3 土壤鹽分含量變化特征

土壤可溶性鹽分主要包括HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+、Na+等，土壤可溶性鹽分含量可作為鹽堿土劃分的重要依據(jù)，可用來判斷土壤鹽漬化狀況和鹽分動態(tài)，并根據(jù)結(jié)果確定土壤中所含鹽分的種類及含鹽量，來制定土壤改良利用的主要措施。

因為研究區(qū)氣候干燥、降水稀少、土壤蒸發(fā)強烈，隨著退耕年限的變化，黑果枸杞群落土壤鹽分也隨之變化。通過對不同類型黑果枸杞群落土壤鹽分的分析，結(jié)果表明，研究區(qū)土壤鹽漬化比較嚴(yán)重，土壤中鹽類主要為硫酸鹽，其次為氯化物。由圖6可知，隨著退耕后植被的演替，土壤鹽分處于累積狀態(tài)，含量不斷增加，且呈現(xiàn)強烈的表聚性。研究結(jié)果顯示，原始植被表層含鹽量最高，80年代退耕地內(nèi)黑果枸杞群落土壤含鹽量較小，且0～30 cm和30～60 cm含鹽量差異很小。原始植被土壤表層土壤鹽分含量達(dá)24.66 g/kg，表層0～30 cm含鹽量可達(dá)30～60 cm的5倍，鹽分表層聚集現(xiàn)象明顯。

圖6 黑果枸杞群落土壤可溶性鹽分含量Fig.6 Soil soluble salt content in L. ruthenicum communities

通過分析表明(圖7)，研究區(qū)內(nèi)離子類型呈現(xiàn)多樣性，水溶性鹽主要包括Cl-、SO42-、HCO3-、 Ca2+、Mg2+、K+、Na+，沒有CO32-存在。從鹽分的八大離子組成中可以看出，80年代退耕黑果枸杞種群HCO3-含量較高，隨著群落演替SO42-、Cl-逐漸增加，原始黑果枸杞群落土壤30～60 cm主要以Cl-為主，其次為Mg+,而K+、Na+含量較小。

4 討論與結(jié)論

20世紀(jì)80年代退耕地黑果枸杞群落表層含水量略高于其它兩種類型，這可能由于退耕年限相對較短，由于前期耕作，表層土壤理化性質(zhì)得到改善，土壤可溶性鹽分含量較低，土壤蓄水量增強，使表層土壤水分略高于其它兩種類型，這一結(jié)果與劉海威等[16]的研究結(jié)果一致。研究區(qū)退耕地黑果枸杞在隨著退耕年限增加，土壤水分隨著土壤深度增加亦逐漸增加，0～200 cm深度整體表現(xiàn)為原始群落(15.6%)>60年代退耕(13.9%)>80年代退耕(10.9%)，主要原因是隨著退耕年限增加，植被演替后草本層植物逐漸退出，灌木植物成為退耕地的優(yōu)勢種，群落結(jié)構(gòu)亦趨于穩(wěn)定，生物殘體逐漸增多，改善土壤作用顯著，使得土壤水分逐步增加，研究結(jié)果與王晶、馬俊梅等[17-18]的研究結(jié)果相似。

圖7 黑果枸杞群落土壤鹽分離子比例結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Soil saltion proportion structure of L. ruthenicum communities

通過對不同類型的黑果枸杞種群的有機質(zhì)、全N含量的對比分析，表明研究區(qū)不同類型黑果枸杞群落土壤有機質(zhì)、全N含量均較低且表現(xiàn)出差異性，0～30 cm土壤有機質(zhì)、全氮含量底于30～60 cm，這一研究結(jié)果與王杰等[19]的研究結(jié)果相似。本研究結(jié)果還表明，民勤退耕地野生黑果枸杞土壤有機質(zhì)平均含量較低，均低于呂培霖等[9]研究的甘肅、青海、內(nèi)蒙三地黑果枸杞群落土壤有機質(zhì)含量，這與他們研究的甘肅產(chǎn)區(qū)有機質(zhì)含量高于青海和內(nèi)蒙的結(jié)果不一致。

研究區(qū)退耕地隨著退耕年限的增加，逐漸演替為黑果枸杞群落后，土壤鹽分含量表現(xiàn)為80年代>60年代>原始植被。其主要原因為土地退耕后在黑果枸杞植物種出現(xiàn)前多生長一年生和多年生草本[20]，此時植被蓋度較大，蒸發(fā)小，土壤空隙度?。坏酵烁?0年代隨著黑果枸杞群落的發(fā)育，草本植物演替為耐鹽灌木，生長稀疏，植被蓋度低，土壤水分蒸發(fā)強烈，土壤中全鹽含量逐漸升高，肥力水平出現(xiàn)降低；而原始植被是由黑果枸杞+鹽爪爪組成的穩(wěn)定頂級群落，此時植物種組成單一，在蒸發(fā)與蒸騰的作用下，可溶性鹽分隨著水分的上移積累在表層土壤中，造成土壤表層積鹽非常嚴(yán)重。

石羊河流域下游鹽堿化退耕地黑果枸杞群落土壤中鹽類主要為硫酸鹽，其次為氯化物。土壤中鹽分含量在退耕后隨著黑果枸杞群落發(fā)育、演替而逐漸升高，并且呈現(xiàn)明顯的表聚現(xiàn)象，造成的土地鹽漬化較為嚴(yán)重。建議在土地退耕初期及時選擇黑果枸杞、鹽爪爪、檉柳等耐鹽植物進(jìn)行造林，使土壤鹽分得到轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移，及時起到生物排堿，生物排鹽的作用，降低土壤鹽堿化程度。