不同鹽堿斑覆蓋度下草地土壤鹽分及磷有效性分析

陳曉鵬，王一昊，李錦揚(yáng)，李 銳，趙 祥，董寬虎

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，山西太谷030801）

在降水量少、蒸發(fā)量大的干旱和半干旱地區(qū)，或者地下水位較高的盆地和低洼地，土壤存在不同程度的鹽漬化[1-2]。地下水在毛細(xì)作用和蒸散拉力作用下上升至地表，水分蒸發(fā)后，溶質(zhì)在地表聚集，形成松散的鹽霜和鹽結(jié)皮，即為鹽堿斑[3]。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果對(duì)于鹽堿斑的光譜特征[4]、草地土壤鹽分特征[5]、鹽堿化程度與植物群落斑塊的關(guān)系[6]、植物耐鹽機(jī)制[7-8]以及鹽堿土壤水鹽分布格局[9]、鹽堿地的治理[10-11]與利用[12]等方面已有較為深入的認(rèn)識(shí)，但有關(guān)土壤養(yǎng)分有效性對(duì)鹽堿斑覆蓋度變化的響應(yīng)尚不明確。在鹽堿化土壤中，磷素容易受到鈣的固定[13]，導(dǎo)致磷有效性成為鹽堿化草地植物生長(zhǎng)的限制性營(yíng)養(yǎng)元素[14]。

晉北地區(qū)（大同盆地）屬半干旱/半濕潤(rùn)氣候過(guò)渡區(qū)，其鹽堿地占山西省鹽堿地總面積的71.6%[15]。有研究表明，土壤鹽堿化是制約晉北地區(qū)草地生產(chǎn)力及畜牧業(yè)發(fā)展的重要因素之一[16]。

本研究對(duì)晉北地區(qū)不同鹽堿斑覆蓋度下的草地土壤含水量、pH、鹽含量、有效磷含量和磷活化系數(shù)進(jìn)行分析，旨在明確晉北鹽堿化草地地表鹽堿斑覆蓋度變化的決定因素以及地表鹽堿斑的覆蓋度變化對(duì)土壤磷有效性產(chǎn)生的影響，為雁門(mén)關(guān)農(nóng)牧交錯(cuò)帶鹽堿化草地管理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

研究地點(diǎn)位于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)右玉草地生態(tài)系統(tǒng)野外觀(guān)測(cè)試驗(yàn)站（N112°19′22.1″，E39°59′03.5″）。該區(qū)域海拔1 329 m，年均氣溫4.2℃，年均降水量410 mm，年均蒸發(fā)量1 788 mm。草地屬鹽堿化低地草甸[17]，植被覆蓋度在70% 以上，主要植物有賴(lài)草（Leymus secalinus）、堿茅（Puccinellia distans）、堿蒿（Artemisia anethifolia）、蘆葦（Phragmites communis）、鵝絨委陵菜（Potentilla anserina）等。

1.2 試驗(yàn)方法

研究地點(diǎn)春旱嚴(yán)重，據(jù)試驗(yàn)站布設(shè)的氣象站統(tǒng)計(jì)，1—4月累積降水量?jī)H在30 mm左右，該時(shí)期地表鹽堿斑較為明顯。2018年春季（4月中旬），在500m×500m的區(qū)域內(nèi)，以1 m×1 m樣方框（10格×10格）對(duì)研究區(qū)地表白色鹽堿斑覆蓋度進(jìn)行調(diào)查（鹽堿斑＞0.5小格計(jì)1% ；否則計(jì)0），發(fā)現(xiàn)鹽堿斑覆蓋度在0～20% ，并將鹽堿化草地按照5個(gè)覆蓋度劃分，即0（A）、5% （B）、10% （C）、15% （D）和20% （E）5個(gè)處理；每個(gè)處理隨機(jī)選取3個(gè)樣方作為重復(fù)，共選取15個(gè)樣方，隨機(jī)分布在研究區(qū)域。

在每個(gè)選定的樣方內(nèi)，按照“梅花五”方式，用直徑為5 cm的土鉆，分0～10、10～20、20～40 cm采集土壤樣品（采樣點(diǎn)地表植被覆蓋情況隨機(jī)）；之后將每個(gè)層次的5個(gè)樣品混合均勻，即為該樣方該層次的土壤樣品。將土壤樣品中的細(xì)根、礫石剔除，過(guò)2 mm篩，后于陰涼處自然風(fēng)干。由于鹽堿土在風(fēng)干后會(huì)板結(jié)為塊狀，在測(cè)定前，將板結(jié)的土塊利用研缽進(jìn)行破碎。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤含水量的測(cè)定采用烘干法；土壤pH的測(cè)定采用電位法；Ca2+和Mg2+含量用EDTA絡(luò)合滴定法進(jìn)行測(cè)定，K+（766.5 nm）和Na+（589.3 nm）含量采用火焰光度法進(jìn)行測(cè)定；SO42-含量測(cè)定采用EDTA間接絡(luò)合滴定法，Cl-含量的測(cè)定采用硝酸銀滴定法[18]，CO32-和HCO3-含量測(cè)定使用數(shù)字瓶口滴定器（雙指示劑-中和滴定法）進(jìn)行檢測(cè)；土壤含鹽量為8種離子干質(zhì)量（g/kg）的加和值[19]；土壤全磷含量采用堿熔-鉬銻抗比色法進(jìn)行測(cè)定，有效磷含量采用Olsen法進(jìn)行測(cè)定[20]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

文中所有圖表呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；使用Origin 2019軟件進(jìn)行作圖。5個(gè)鹽堿斑覆蓋度下草地土壤的8種離子含量、pH、含鹽量、含水量、全磷、有效磷和磷活化系數(shù)的比較，采用單因素方差分析（LSD，P＜0.05）；8種離子與土壤pH和含鹽量的相關(guān)關(guān)系，采用逐步線(xiàn)性回歸進(jìn)行分析，利用方差膨脹因子來(lái)判斷輸入變量是否存在共線(xiàn)性（0＜VIF＜10則不存在共線(xiàn)性）。以上統(tǒng)計(jì)分析均使用SPSS 20.0完成。結(jié)構(gòu)方程模型-路徑分析使用IBMSPSS Amos 20軟件進(jìn)行，選用卡方與自由度之比（χ2/df，其在1～3表示擬合良好）、近似誤差均方根（RMSEA，其小于0.1表示擬合良好）、擬合優(yōu)度指數(shù)（GFI）和比較擬合參數(shù)（CFI）進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)（GFI和CFI越接近1表示擬合越好）；所有路徑系數(shù)均采用完全標(biāo)準(zhǔn)化解。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤主要陽(yáng)離子和陰離子變化分析

從圖1可以看出，隨鹽堿斑覆蓋度增加，0～10、10～20、20～40 cm土壤K+、Ca2+和Mg2+含量變化范圍較小，不同鹽堿斑覆蓋度下這3種陽(yáng)離子含量間無(wú)顯著差異，其含量均小于0.20 g/kg；Na+含量隨鹽堿斑覆蓋度增加呈逐漸上升趨勢(shì)，其變化范圍在0.04～1.06 g/kg。其中，在0～10 cm土層，C、D、E處理下Na+含量均顯著高于A處理，且C處理下Na+含量顯著高于B處理；在10～20 cm土層，B、C、D、E處理下Na+含量顯著高于A處理；在20～40 cm土層，C、D、E處理下Na+含量顯著高于A處理，且E處理下Na+含量顯著高于B和D處理。

從圖2可以看出，隨鹽堿斑覆蓋度增加，0～10、10～20、20～40 cm土壤SO42-（變化范圍0.94～1.79 g/kg）和HCO3-（變化范圍0.33～1.85 g/kg）含量均呈逐漸上升趨勢(shì)；Cl-和CO32-含量較低（＜0.30 g/kg），且變化范圍較小。其中，在0～10 cm土層，E處理下SO42-含量顯著高于A處理，C、D、E處理下HCO3-含量顯著高于A處理，且D處理下HCO3-含量顯著高于B處理；在10～20 cm土層，B、C、D、E處理下HCO3-含量顯著高于A處理；在20～40 cm土層，E處理下HCO3-含量顯著高于A和B處理。

2.2 土壤含水量、pH和含鹽量變化分析

由圖3可知，鹽堿化草地土壤pH值范圍在8.7～10.1。其中，B、C、D、E處理下0～10、10～20、20～40 cm土壤pH值顯著高于A處理；而在B、C、D、E處理之間，各層次土壤pH值間均無(wú)顯著差異。

A、B處理下0～40 cm土層土壤含鹽量小于3.0 g/kg，C、D、E處理下土壤含鹽量范圍在3.0～5.5 g/kg。其中，在0～10 cm土層，C、D、E處理下土壤含鹽量顯著高于A處理，D和E處理下土壤含鹽量顯著高于B處理；在10～20 cm土層，C、D、E處理下土壤含鹽量顯著高于A處理；在20～40 cm土層，C、D、E處理下土壤含鹽量顯著高于A處理，且E處理下土壤含鹽量顯著高于B處理。

表1鹽堿斑覆蓋度對(duì)0～40 cm土壤含水量、pH和含鹽量的影響

由表1可知，隨地表鹽堿斑覆蓋度增加，土壤含鹽量逐漸升高，土壤含水量和pH值呈先升高后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，其中，土壤pH值在8.97～9.82，屬?gòu)?qiáng)堿性。C、D、E處理下土壤含水量顯著高于A（CK）處理（增幅為47.85% ～84.48% ），C處理下土壤含水量顯著高于B處理（增幅為33.82% ），且B處理土壤含水量顯著高于A處理（增幅為37.86% ）；B、C、D、E處理下土壤pH值顯著高于A處理，隨鹽堿斑覆蓋度增加pH值增幅范圍為8.81% ～9.48% ；D、E處理下土壤含鹽量顯著高于A、B處理（增幅范圍在66.96% ～170.83% ），C處理下土壤含鹽量顯著高于A處理151.39% 。

2.3 土壤酸堿度、含鹽量的控制因素分析

逐步線(xiàn)性回歸分析結(jié)果顯示，Na+和HCO3-含量可解釋66% 的pH變化（pH＝0.39 Na+＋0.35 HCO3-＋9.03；R2＝0.66，P＜0.001，VIF＝1.226）；土壤含鹽量由Na+、HCO3-和SO42-共同決定（含鹽量＝0.95 Na+＋1.19 HCO3-＋1.02 SO42-＋0.12；R2＝0.99，P＜0.001，VIF＝1.757）。

2.4 土壤全磷、有效磷和磷活化系數(shù)變化分析

從圖4可以看出，研究區(qū)土壤全磷含量在0.1～0.3 g/kg，隨鹽堿斑覆蓋度增加，土壤全磷含量并未呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。其中，A處理下0～10 cm土壤全磷含量顯著高于B、C和D處理；在10～20 cm土層，E處理下土壤全磷含量顯著高于B、C處理，D處理顯著高于C處理；不同處理下20～40 cm土壤全磷含量間均無(wú)顯著差異。

隨鹽堿斑覆蓋度增加，土壤有效磷含量呈逐漸降低趨勢(shì)。其中，在0～10 cm土層，A處理下土壤有效磷含量顯著高于B、C、D、E處理，B處理土壤有效磷含量顯著高于C、D、E處理；在10～20 cm土層，A處理下土壤有效磷含量顯著高于B、C、D、E處理，B處理土壤有效磷含量顯著高于D和E處理；不同處理下20～40 cm土壤有效磷含量間均無(wú)顯著差異。

從圖5可以看出，研究區(qū)土壤磷活化系數(shù)均小 于2.0% 。其中，0～10、10～20 cm土壤磷活化系數(shù)隨鹽堿斑覆蓋度增加呈先升高（P＞0.05）后降低的變化趨勢(shì)；A和B處理下0～10 cm土層磷活化系數(shù)顯著高于C、D、E處理，A、B、C處理下10～20 cm土層磷活化系數(shù)顯著高于D和E處理，20～40 cm土層磷活化系數(shù)隨鹽堿斑覆蓋度增加呈逐漸降低趨勢(shì)，但不同處理下土壤磷活化系數(shù)間均無(wú)顯著差異。

2.5 磷素有效性對(duì)鹽堿斑覆蓋度變化的響應(yīng)路徑分析

路徑分析結(jié)果表明（圖6），影響土壤有效磷最大的因素為土壤pH值，土壤含鹽量及其所引起的土壤鹽堿斑覆蓋度變化對(duì)有效磷含量無(wú)顯著影響；土壤pH主要受含鹽量影響，其次受土壤含水量影響，與鹽堿斑覆蓋度變化無(wú)關(guān)；土壤含水量對(duì)土壤含鹽量具有正效應(yīng)，但并未影響地表鹽堿斑覆蓋度變化。

3 討論

3.1 草地土壤鹽堿化特征分析

本研究表明，10% 、15% 和20% 鹽堿斑覆蓋度下土壤含鹽量間無(wú)顯著差異，表明鹽堿斑覆蓋度僅僅是衡量草地土壤鹽堿化程度的因素之一，還需要結(jié)合鹽生植物群落[21]和土壤養(yǎng)分[22]等指標(biāo)才能對(duì)草地土壤鹽堿化程度進(jìn)行準(zhǔn)確判定。

按照土壤鹽化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[23]，0～5% 鹽堿斑覆蓋度下草地0～40 cm土壤含鹽量均小于3.0 g/kg，屬非鹽漬化土；10% ～20% 鹽堿斑覆蓋度下草地0～40 cm土壤含鹽量可達(dá)3.0～4.0 g/kg，屬弱鹽漬化。本研究中，5個(gè)覆蓋度下草地0～40 cm土壤pH值均大于8.5，屬?gòu)?qiáng)堿性土。表明該區(qū)域鹽堿化草地鹽漬化程度較低，植物生長(zhǎng)主要受堿害影響。而通過(guò)逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)，NaHCO3是導(dǎo)致土壤堿害的主要鹽分，強(qiáng)堿弱酸鹽水解產(chǎn)生的大量OH-是引起pH值升高的主要原因；Na2SO4和NaHCO3這2種鹽分決定了土壤含鹽量及地表鹽堿斑覆蓋度的變化，表明該區(qū)土壤屬蘇打型鹽漬化土[24]。

本研究結(jié)果表明，隨鹽堿斑覆蓋度增加，土壤含水量呈先增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，結(jié)合路徑分析結(jié)果顯示，土壤含水量對(duì)土壤含鹽量和pH具有顯著正效應(yīng)，即在春季降水嚴(yán)重不足的情況下，土壤含水量越高，則鹽漬化程度越高，表明地下水在毛細(xì)管作用下上升到地表導(dǎo)致的土壤返鹽是引起鹽堿斑覆蓋度變化的主要原因[25]。但該區(qū)域土壤鹽堿化的成因，是否為地下水位較高所導(dǎo)致的次生鹽漬化，還需進(jìn)一步分析地下水的埋深及鹽分特征[26]才能確定。

3.2 土壤磷素有效性分析

土壤中的磷遷移性小且容易被固定，這導(dǎo)致磷成為限制植物生長(zhǎng)的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素之一[27]。土壤pH會(huì)影響礦物分解及土壤膠體的帶電性[28]，同時(shí)，影響土壤微生物活性及其對(duì)難溶性磷酸鹽的分解[29]，因此，土壤pH對(duì)磷的釋放、固定及遷移起著重要作用。當(dāng)pH值＞8時(shí)，H2PO4-會(huì)與Ca2+形成難溶性的Ca（H2PO4）2·H2O[30]，導(dǎo)致在鹽堿化土壤中，磷的有效性較低。本研究中，草地0～40 cm土層磷活化系數(shù)均小于2，表明該區(qū)域草地土壤磷的有效性很低[31]?；貧w分析發(fā)現(xiàn)，土壤有效磷含量及磷活化系數(shù)與Ca2+含量無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，這與研究區(qū)土壤Ca2+含量（＜0.1 g/kg）較低，且并未隨鹽堿斑覆蓋度增加而增加有關(guān)。表明該區(qū)域土壤磷有效性低是由于pH值過(guò)高抑制了微生物對(duì)難溶性磷酸鹽的分解，并非由H2PO4-與Ca2+形成難溶性鹽所導(dǎo)致。

土壤全磷含量主要與成土母質(zhì)與風(fēng)化程度有關(guān)[30]，因此，在本研究中全磷的土壤垂直分布中并無(wú)明顯差異，且其含量也并未隨鹽堿斑覆蓋度變化呈現(xiàn)一定規(guī)律。本研究表明，0～20 cm土層土壤有效磷含量隨鹽堿斑覆蓋度增加呈逐漸下降趨勢(shì)，盡管20～40 cm土層土壤pH及含鹽量與0～20 cm土層相當(dāng)，但20～40 cm土層土壤有效磷含量及磷活化系數(shù)對(duì)鹽堿斑覆蓋度變化卻無(wú)明顯響應(yīng)。表明土壤鹽堿化主要影響表層土壤磷的有效性。

4 結(jié)論

本研究表明，晉北鹽堿化草地土壤屬蘇打型鹽漬土，但鹽漬化程度較低，植物生長(zhǎng)主要受堿害影響；而土壤堿害主要與Na+和HCO3-有關(guān)，其地表鹽堿斑覆蓋度和土壤含鹽量主要由Na+、HCO3-和SO42-決定。土壤磷有效性主要受土壤pH影響，與含鹽量及其引起的鹽堿斑覆蓋度變化無(wú)直接關(guān)聯(lián)。