七種草本植物對臺州灘涂鹽漬土的改良效果

阮佳萍，杜照奎，b，吳夏杉，戴澤苗，郁 瀾，袁怡琦，李鈞敏，b

（臺州學院，a.生命科學學院；b.浙江省植物進化生態(tài)學與保護重點實驗室，浙江 臺州 318000）

中國18 000 km海岸線上分布著大量的濱海灘涂鹽漬土，總面積約0.99×108hm2，占全世界鹽漬土總面積的10.37%［1］。濱海鹽漬土由鹽漬淤泥淤積成陸，長期受到海水侵蝕，具有鹽分高和養(yǎng)分低的結(jié)構(gòu)差特點。鹽分的累積不僅會影響土壤理化性質(zhì)，還會對植物造成離子毒害，降低對養(yǎng)分的吸收和水分的利用效率，從而危害植物的存活和生長，是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土地生產(chǎn)力的最重要脅迫因子［2］。

國內(nèi)外大量研究表明，采用合理的改良措施可以有效改善鹽漬土的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)。其中，施用石膏［3］、有機肥［4］和秸稈覆蓋［5］等方式能顯著改善土壤理化性質(zhì)、調(diào)控水鹽運動能力，是改良鹽漬土的有效措施［6］。但是，這些措施需要大量資金投入作保障；而生物改良措施則具有成本低廉和高效環(huán)保等優(yōu)點［7］。因此，開展植物改良鹽漬土的研究對環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

已有研究表明，植物種植可以降低鹽漬土土壤容重和含鹽量，提高土壤的孔隙度、有機質(zhì)和肥力，改善土壤的理化性質(zhì)［8-10］。利用草木植物，特別是牧草改良鹽堿地的研究，國內(nèi)主要集中在內(nèi)陸鹽堿地方面［11，12］，而在濱海鹽漬土方面的研究相對較少。本研究以紫花苜蓿等6種牧草和鹽地堿蓬為對象，通過野外試驗綜合考察不同草本植物對臺州濱海灘涂鹽漬土理化性質(zhì)的改良效果，旨在為推動耐鹽植物在鹽漬土地區(qū)種植和改良利用鹽漬土提供理論基礎(chǔ)，也為生物改良技術(shù)在臺州濱海鹽堿地的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 樣地設(shè)置和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省臺州灣循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)南部濱海灘涂圍墾地。臺州地處浙江中部沿海，東瀕東海，北靠紹興市和寧波市，南鄰溫州市，海岸線630.87 km。臺州屬中亞熱帶季風區(qū)，熱量豐富，雨水充沛，四季分明。年均氣溫18.3℃，1月平均氣溫6.1℃，7月平均氣溫27.8℃，無霜期257 d。年均日照時數(shù)2 037 h，年平均降水量1 632 mm。臺州海岸多為淤泥質(zhì)灘涂，植被組成比較簡單，優(yōu)勢種群為互花米草（SpartinaalternifloraLoisel）。區(qū)域內(nèi)尚有大面積未經(jīng)改良、利用的灘涂荒地。

1.2 樣地布局

試驗地為經(jīng)人工筑壩填海后淤積而成的灘涂，含鹽量為4.45‰，pH 7.70。2019年7月初，設(shè)置16 m×2 m樣帶3條，每條樣帶分為8個2 m×2 m的樣方，除空白對照外，其余每個樣方種植一種植物（均勻分布，共8株），植物分別為紫花苜蓿（Medicagosativa）、鹽地堿蓬（Suaedasalsa）、草木樨（Melilotusofficinalis）、甜高粱（Sorghumdochna）、高丹草（Sorghumbicolor×Sorghumsudanense）、黑麥草（Loliumperenne）、田菁（Sesbaniacannabina）。常規(guī)管理，每周拔除雜草一次。試驗持續(xù)3個月。

1.3 土樣采集

2019年8、9、10月初在每個樣方內(nèi)取樣。每個樣方采用S形混合采樣方法設(shè)置5個點取樣，清除地面凋落物，利用環(huán)刀采集土壤樣品（避開植物），自封袋密封后帶回實驗室測定容重。并用土鉆采集距地表0～10 cm處的土壤，去除石塊、植物根系和土壤動物等，將同樣方內(nèi)的土壤進行混合，裝入自封袋后進行編號，迅速帶回實驗室。將取回的鮮土分成2份，1份立即過2 mm篩后儲存在-20℃冰箱內(nèi)，于2周內(nèi)完成土壤酶活性的測定；1份于室內(nèi)自然風干、過篩，分裝用于化學性質(zhì)的測定。

1.4 測定項目及方法

土壤容重采用環(huán)刀法測定［13］，ρ=（m2-m1）/V，式中，ρ為土壤容重（g·cm3）；V為環(huán)刀容積（cm3）；m1為環(huán)刀質(zhì)量（g）；m2為環(huán)刀與烘干土總質(zhì)量（g）。

土壤含鹽量采用烘干殘渣-質(zhì)量法測定［14］。稱取通過2 mm篩孔編號的風干土樣10 g，加入50 mL純凈水進行溶解；將瓶口用橡皮塞塞緊，振蕩3 min，抽氣過濾，得到土水比1∶5的土壤浸提液。吸取一定體積的土水比1∶5土壤浸提液，烘干后得到的殘渣進行稱重，求得土壤全鹽的百分含量。

土壤pH使用pH計進行測定［15］：稱取通過2 mm篩孔的風干土樣10 g于100 mL三角瓶中，加純凈水50 mL。塞緊橡皮塞，振蕩3 min，靜置30 min后，用pH計測定pH。

土壤其他理化性質(zhì)測定參照Xu等［16］方法進行。全氮采用半微量凱氏蒸餾法測定；全磷采用硫酸-高氯酸消煮法測定；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法測定。

土壤微生物采用梯度稀釋法制備土壤懸液，涂抹平板計數(shù)法計數(shù)［17］。細菌和放線菌計數(shù)培養(yǎng)基分別為牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基和高氏1號培養(yǎng)基，兩者數(shù)量計算公式：菌落形成單位（CFU）=菌落平均數(shù)×稀釋倍數(shù)。

土壤硝酸還原酶采用酚二磺酸比色法測定［18］；過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定［19］，酶活性以1 g新鮮土壤消耗的0.02 mol/L高錳酸鉀的毫升數(shù)表示，單位為U/g。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 13.0軟件進行分析，方差分析采用Tukey法進行多重比較，差異性顯著水平為P＜0.05。

參照烏鳳章［20］的方法，運用主成分分析和隸數(shù)函數(shù)法對7種草本植物對土壤改良的效果進行綜合分析。

隸屬函數(shù)值的計算方法如下。

式中，Xj為各品種某一綜合指標值；Xmin為某一綜合指標值中的最小值，Xmax為該綜合指標值中的最大值。

指標權(quán)重的計算方法如下。

式中，Wj表示第j個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度；Pj為各品種第j個綜合指標的貢獻率。

用綜合指標得到改良的綜合評價值。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物種植對灘涂圍墾區(qū)土壤理化性質(zhì)的影響

植物種植30、60、90 d時避開根部采集土壤，理化性質(zhì)如圖1所示。與對照處理相比，7種植物的種植，隨著時間增加均降低了土壤的含鹽量。在90 d時，種植紫花苜蓿、鹽地堿蓬、甜高粱和田菁的土壤含鹽量顯著低于對照，其中，鹽地堿蓬降幅最大，達12.2%（圖1A）。

相比較于對照，7種植物的種植均降低了土壤的pH；除田菁外，其他6種植物在種植60 d時土壤pH即達到顯著水平。在7種植物種植90 d時，土壤的pH從7.7降至7.0左右，其中，種植黑麥草的土壤pH降幅最大，達10.5%（圖1B）。

與對照相比，種植植物逐步降低了土壤的容重，其中，堿蓬和高丹草在種植60 d時的土壤容重即達到顯著水平，分別降低了27.6%和23.0%。在種植7種植物90 d時，其土壤容重均顯著低于對照，田菁降幅最大，達42.5%；黑麥草降幅最低，為28.5%（圖1C）。

相比較于對照，除草木樨外，其余6種植物的種植均增加了土壤有機質(zhì)含量，其中，高丹草和黑麥草在種植60 d時土壤有機質(zhì)含量即達到顯著水平。在種植這6種植物90 d時，其土壤有機質(zhì)含量均顯著高于對照，增幅最小的為黑麥草24.5%，最大的為甜高粱72.3%（圖1D）。

種植甜高粱的土壤全氮含量與對照相比，在60 d即達顯著水平，但隨后下降，與對照無顯著差異。種植高丹草的土壤全氮含量隨時間延長逐步上升，在90 d達顯著水平，增幅為90.8%；種植黑麥草的土壤全氮含量先升后降再上升，也在90 d達顯著水平，增幅為60.7%。種植其余4種草木植物的土壤在3個取樣時間與對照相比，全氮含量均無顯著差異（圖1E）。

與對照相比，除甜高粱外，種植其余6種植物的土壤全磷含量均隨時間增加而增加，其中種植鹽地堿蓬和草木樨60 d時，土壤全磷含量顯著高于對照。在90 d時，種植6種植物（甜高粱除外）的土壤全磷含量與對照相比，均達顯著水平，其中鹽地堿蓬增幅高達181.1%（圖1F）。

圖1 植物種植對灘涂圍墾區(qū)土壤理化性質(zhì)的影響

2.2 植物種植對灘涂圍墾區(qū)土壤微生物數(shù)量的影響

種植7種草本植物的土壤中微生物數(shù)量如圖2所示。隨著時間增加，細菌數(shù)量基本呈先降低再升高的趨勢（黑麥草除外），但與對照相比，均沒有顯著性差異（圖2A）。放線菌數(shù)量則隨時間增加表現(xiàn)出升-降-升的變化趨勢（黑麥草除外），其中，種植甜高粱、高丹草和田菁90 d時土壤微生物數(shù)量顯著高于對照，分別增加179.4%、728.2%和385.0%（圖2B）。

圖2 植物種植對灘涂圍墾區(qū)土壤微生物數(shù)量的影響

2.3 植物種植對灘涂圍墾區(qū)土壤酶活性的影響

種植7種草本植物對土壤酶活性的影響如圖3所示。植物種植30 d時土壤硝酸還原酶活性與對照相比無顯著差異；除草木樨和甜高粱外，其他5種植物種植60 d和90 d時土壤硝酸還原酶活性則顯著增加；所有植物種植90 d時土壤硝酸還原酶活性顯著高于對照（圖3A）。與對照相比，植物種植后土壤過氧化氫酶活性隨時間增加有所升高，但基本沒有顯著性差異；僅甜高粱種植30 d和60 d，土壤以及高丹草種植土壤60 d時，土壤過氧化氫酶活性顯著高于對照（圖3B）。

圖3 植物種植對灘涂圍墾區(qū)土壤酶活性的影響

2.4 種植不同植物對土壤改良的影響

2.4.1 主成分分析 由表1可知，特征值＞1的前5個主成分的累計方差貢獻率達97.32%，說明前5個主成分能夠代表原10個土壤理化指標的絕大部分信息。因此，可將土壤改良的10個耐鹽指標綜合成5個主成分。由各抗鹽指標在5個主成分中的載荷可知，第1主成分的貢獻率為31.71%，主要由含鹽量、pH、容重和硝酸還原酶活力決定；第2主成分的貢獻率為22.22%，主要由有機質(zhì)含量、總磷含量和放線菌數(shù)目決定；第3主成分的貢獻率為17.46%，主要由細菌數(shù)目決定；第4主成分的貢獻率為14.41%，主要由總氮含量決定；第5主成分的貢獻率為11.52%，主要由過氧化氫酶活力決定。

表1 主成分的特征根值、貢獻率和載荷矩陣

2.4.2 土壤改良效果的綜合評價 通過主成分分析，提取出5個主成分，將主成分載荷矩陣中的數(shù)據(jù)用公式Ai=Bi/SQRT（λ）計算特征向量（Ai），式中，Bi為主成分載荷矩陣，λ為特征值；計算得出的特征向量，即為5個主成分的指標系數(shù)，對各單項指標進行Z-score標準化，求出每個品種的5個綜合指標值；再求出種植每種植物的土壤所有綜合指標的隸屬函數(shù)值，根據(jù)綜合指標貢獻率的大小求出5個綜合指標的權(quán)重；接著求出D，對不同植物改良土壤效果進行綜合評價；最后根據(jù)D大小對土壤改良效果進行排序（表2）。D越大表明土壤改良效果越好，由表2可知，7種植物對灘涂土壤改良效果表現(xiàn)為紫花苜蓿＞草木樨＞高丹草＞黑麥草＞甜高粱＞田菁＞鹽地堿蓬。

表2 土壤改良的綜合指標值（Zx）、權(quán)重、隸屬函數(shù)值（Ux）和綜合評價值（D）

3 小結(jié)與討論

多數(shù)濱海灘涂鹽漬土為沖積土壤，地下水礦化度高，土壤含鹽量高，養(yǎng)分利用率差，對植物的生活和生長造成了嚴重影響，限制了農(nóng)林生產(chǎn)的發(fā)展和綠化建設(shè)；因而，改良濱海灘涂鹽漬土對緩解土地資源不足、提升土地生產(chǎn)力、實現(xiàn)農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義［21］。一些植物生長迅速、生物量大，能夠累積大量的鹽，這些植物可以在鹽漬土壤中生長，從而使它們生物積累鹽分并有助于植物修復(fù)［22］。植物修復(fù)直接用于土壤、污泥、沉積物或地下水中的原位吸收、降解或控制污染物，是一種清潔、高效、廉價且對環(huán)境友好的方法［23］。本研究表明，種植紫花苜蓿等7種植物可明顯改善濱海鹽漬土的理化性質(zhì)，主要表現(xiàn)為土壤含鹽量和pH下降、容重減小，這與王立艷等［2，7］、季洪亮等［24］、朱小梅等［25］和楊策等［26］的研究相似。

濱海灘涂鹽漬土鹽分積累主要是由地表失水，地下鹽水沿毛細管遷移至地表，水去鹽留引起的，因此鹽漬化主要發(fā)生在土壤表層［26］。研究表明，種植耐鹽植物可以有效地促進土壤脫鹽，因為植被覆蓋度增加后，植物蒸騰取代了地面蒸發(fā)，避免了蒸發(fā)造成的地表積鹽，使土壤含鹽量降低［7］。李曉敏等［27］發(fā)現(xiàn)紅豆草與枸杞間作能明顯降低0～60 cm土壤的含鹽量。另一方面，植物能夠主動吸收土壤中的鹽分，聚集在地上部，通過種植并收獲地上部可以降低土壤鹽分［26］。本研究中鹽地堿蓬脫鹽效果最佳，可能因其為鹽生植物，本身生物量較大，且吸收累積土壤中的鹽分能力更強。

土壤pH與植物生長和土壤微生物活動等密切相關(guān)。因為植物根系和土壤呼吸均會產(chǎn)生CO2，溶于水中產(chǎn)生碳酸；此外，植物根系生長及其代謝過程中向根外分泌酸性有機物（如氨基酸和脂肪酸等）［28］，以及有機質(zhì)礦化生成的簡單有機酸均能降低pH［29］。本研究中所選植物生長3個月后，均顯著降低了土壤pH，其中，黑麥草效果最佳，可能是其根系分泌的有機酸更多，中和土壤中的部分堿性作用更大。類似的研究也有報道，如種植薄荷、地榆和枸杞5個月后，0～10 cm土層的pH均顯著低于對照［30］；種植田菁和草木樨4個月后，0～20 cm土壤的pH均明顯低于對照［25］。不過也有研究表明，植物種植后，鹽堿地土壤pH上升，因為土壤中的有機質(zhì)以及土壤微生物的數(shù)量都有增大的趨勢，可能導(dǎo)致土壤中離子組成發(fā)生改變而引起土壤pH的升高［31］。

濱海灘涂鹽漬土影響植物生長的一個重要原因就是土壤物理性狀差，表現(xiàn)為土壤板結(jié)、通氣性和透水性差；而人工種植由于根系作用，更有利于形成以大孔道為主的通氣透水性孔隙，可使緊實的土壤變得疏松，土壤容重降低、通透性增加、土壤結(jié)構(gòu)得到改善［26］。本研究中，種植3個月后，種植田菁的土壤容重最低，黑麥草的則最高，這可能與它們根系結(jié)構(gòu)有關(guān)，田菁生物量大，根系發(fā)達；而黑麥草為禾本科植物，為須根系，且下扎較淺。這與王璐等［29］研究相類似，其發(fā)現(xiàn)草本植物根系淺，而灌木根系深，淺層土壤容重改良效果表現(xiàn)為草本植物優(yōu)于灌木，而深層則灌木優(yōu)于草本植物。

有機質(zhì)包括土體中植物殘體和植物分泌物以及土壤微生物和土壤動物及其分泌物，是衡量土壤肥力的重要指標，同時也是影響土壤穩(wěn)定性和生產(chǎn)力的主要因素之一［32］。何海鋒等［9］研究表明，與鹽堿荒地相比，5年生柳枝稷田0～20 cm土層土壤有機質(zhì)較鹽堿荒地分別提高了131.42%。王立艷等［7］報道，田菁、苜蓿、蘇丹草和堿蓬種植后，有機質(zhì)較裸地顯著提高。本研究中，7種植物種植后也均顯著增加了土壤有機質(zhì)含量，其中，種植紫花苜蓿、田菁和草木樨土壤有機質(zhì)含量相對較高，可能因為它們是豆科植物，生長時其根瘤菌能夠進行固氮從而明顯增加了土壤中的有機質(zhì)。

土壤有機質(zhì)是各種營養(yǎng)元素特別是N、P的重要來源［9］，研究發(fā)現(xiàn)種植堿蓬和星星草后，能夠有效增加土壤有機質(zhì)含量，提高土壤中的氮磷鉀含量［33］。一般認為植物在生長發(fā)育過程中需要從土壤中吸收大量的各種養(yǎng)分，從而降低土壤中各種速效養(yǎng)分的含量；而種植綠肥作物可提高土壤有機質(zhì)和全氮的含量［34］。在本試驗中，種植苜蓿顯著提高了土壤中全氮和全磷的含量，可能是豆科植物具有固氮作用，增加了土壤中的氮元素，同時植株死亡后氮素歸還到土壤中，使土壤有機質(zhì)含量升高。本研究表明，有機質(zhì)含量與放線菌數(shù)目成正比，植物種植使土壤微生物生長旺盛，代謝活躍，分泌更多的土壤酶，加速了有機物質(zhì)的分解，促進了土壤無機養(yǎng)分的分解，進而使土壤磷含量顯著提高。

本研究以7種耐鹽植物為研究對象，對臺州當?shù)佧}漬土進行改良，試圖從土壤理化性質(zhì)、微生物數(shù)目和土壤酶活性等方面評價改良效果。用單一指標評判差異很大，主成分分析是考察多個變量間相關(guān)性的一種多元統(tǒng)計方法，通過主成分分析可以從原始變量中導(dǎo)出少數(shù)幾個主成分，使它們盡可能多地保留原始變量的信息，且彼此間互不相關(guān)作為新的綜合指標。本研究表明，臺州當?shù)佧}漬土改良效果表現(xiàn)為紫花苜蓿＞草木樨＞高丹草＞黑麥草＞甜高粱＞田菁＞鹽地堿蓬。