北京市通州區(qū)果園土壤鹽堿化特征

王晨晨,孫向陽(yáng),于 雷,李素艷,岳宗偉,查貴超,魏寧嫻

(1.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,北京100083;2.北京市通州區(qū)園林綠化資源調(diào)查和監(jiān)測(cè)中心,北京101100)

土壤鹽漬化造成世界性的土壤退化,是農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的主要問(wèn)題之一[1-2]。鹽漬土作為我國(guó)主要的中低產(chǎn)土壤類型之一,總面積達(dá)到3.60×105hm2,占全國(guó)可利用土地面積的4.88%[3-4],主要集中在濱海地區(qū)[5]、西北干旱地區(qū)[6]、河套地區(qū)等[7]。引起土壤鹽分含量及分布規(guī)律差異的因素,一方面是地形、氣候、母巖及水文地質(zhì)特征的差異[8],另一方面人類活動(dòng)的干擾對(duì)土壤鹽分的空間分布也起一定影響[9]。其中,土地利用方式的改變會(huì)導(dǎo)致耕種、施肥、灌溉等措施不同,改變土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律[10]。

北京市通州區(qū)屬華北平原北隅的一部分,屬海河流域,分北運(yùn)河和潮白河兩個(gè)水系,有大小河流13條,自古有“九河之梢”之稱。該區(qū)域地貌形態(tài)特征獨(dú)特,在河流的交互沉積以及剝蝕沉積的影響下形成了微度起伏的地形,致使降水在地面上重新分配,并聚集于局部洼地,自然形成水鹽匯集區(qū)。土壤鹽堿化已成為該區(qū)域的主要限制因子之一,鹽堿性限制土壤總面積達(dá)到3 517.96 hm2,占耕地總面積的8.82%[11]。自改革開(kāi)放后,京郊土地利用方式發(fā)生巨大變化,種植作物的類型從原來(lái)的糧食作物發(fā)展為以果樹、蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物為主。不同種植結(jié)構(gòu)的養(yǎng)分需求不同[12],肥料投入從品種到用量都在增加。此外,灌溉方式也從溝灌改為穴灌、噴灌,這些措施對(duì)土壤物質(zhì)組成產(chǎn)生巨大影響[13-14]。

土壤鹽分分布規(guī)律的研究多針對(duì)干旱地區(qū)或?yàn)I海地區(qū),而對(duì)于內(nèi)陸河流域土壤和以經(jīng)濟(jì)林木為植被的土壤鹽堿化特征研究較少。通州區(qū)經(jīng)濟(jì)林木以果樹為主,果園沿潮白河、北運(yùn)河周邊分布,該區(qū)土壤鹽分一方面受河流影響[15],另一方面受土壤養(yǎng)分、作物品種及需肥規(guī)律變化的影響,易發(fā)生次生鹽漬化。為了防治土壤鹽漬化,提高土地生產(chǎn)力和果園產(chǎn)量,本文基于通州區(qū)的水文條件,開(kāi)展對(duì)該區(qū)土地鹽分狀況的調(diào)查,對(duì)掌握土壤資源狀況的意義重大。因此,本文以北京市通州區(qū)果園土壤為研究對(duì)象,通過(guò)采樣調(diào)查與分析,研究北京市通州區(qū)果園土壤的全鹽量、離子分布特征及相關(guān)關(guān)系與堿化特征,并綜合分析了土壤鹽堿化的成因,旨在了解北京市通州區(qū)果園土壤的鹽堿化特征、離子空間分布、運(yùn)移規(guī)律,其結(jié)果可為類似地區(qū)土壤鹽漬化的改良利用及果樹經(jīng)濟(jì)效益的提升方面提供依據(jù)。

1 調(diào)查地區(qū)概況

1.1 調(diào)查地區(qū)自然概況

北京市通州區(qū)地處京杭大運(yùn)河北端,自西北向東南傾斜,地勢(shì)低洼,水資源豐富,植被類型以落葉闊葉林為主。選擇北京市通州區(qū)為研究區(qū)(39°36′—40°02′N,116°32′—116°56′E),該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫為13.8℃,年平均太陽(yáng)輻射為554.27 kJ/cm,年平均降水量為620.9 mm,65%的降水集中在7—8月,歷年平均蒸發(fā)量為1 895 mm。共有4個(gè)土類,分別是潮土、褐土、風(fēng)砂土和沼澤土。研究區(qū)域有機(jī)質(zhì)含量20.63 g/kg,堿解氮含量71.50 mg/kg,有效磷含量82.40 mg/kg,速效鉀含量252.43 mg/kg。主要經(jīng)濟(jì)樹種有櫻桃(Prunus pseudocerasus)、蘋果(Maluspumila)、梨(Pyrussp.)、葡萄(Vitisvinifera)、桃(Prunuspersica)等,林下草本主要有蒲公英(Taraxacummongolicum)、苔草(Carexsp.)、諸葛菜(Orychophragmusviolaceus)、狗尾草(Setariaviridis)等。

1.2 樣地調(diào)查

2021年4月上旬,在北京市通州區(qū)選取立地條件相似的果園18個(gè),其中梨園4個(gè),櫻桃園5個(gè),葡萄園、蘋果園和桃園各3個(gè)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 樣品采集與處理

在每個(gè)樣地隨機(jī)選取3個(gè)樣點(diǎn),用土鉆分別取0—20 cm和20—40 cm土層土壤樣品,獲取土壤樣品108個(gè)。將采集所得土壤樣品放入袋中,標(biāo)注采樣時(shí)間和深度,并用數(shù)碼相機(jī)記錄周圍環(huán)境信息。土壤風(fēng)干后,去除植物殘根、大塊顆粒物等,過(guò)1 mm土壤篩。

2.2 分析項(xiàng)目與方法

按水土質(zhì)量比5∶1混合,震蕩3 min過(guò)濾,過(guò)濾后的清液用于測(cè)定土壤可溶性鹽離子含量:Ca2+,Mg2+和SO2-4用EDTA絡(luò)合滴定法測(cè)定;K+和Na+采用火焰光度法測(cè)定;Cl-用硝酸銀(莫爾法)滴定法測(cè)定;HCO-3和CO2-3用雙指示劑中和滴定法測(cè)定;土壤全鹽量粗略計(jì)為陽(yáng)離子和陰離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和;土壤p H值、電導(dǎo)率的測(cè)定采用水土質(zhì)量比5∶1的土壤懸濁液,p H采用通用型p H計(jì)(OHAUS Starter 3C,USA)測(cè)定;電導(dǎo)率采用MP521型電導(dǎo)率儀測(cè)定。

殘余堿度(RA,cmol/L)計(jì)算公式為

鈉吸附比(SAR)是評(píng)價(jià)土壤鹽堿化程度的重要指標(biāo),計(jì)算公式為

堿化度(ESP,%)采用經(jīng)驗(yàn)公式[16]進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式為

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2018軟件進(jìn)行作圖和制表分析。用Pearson相關(guān)系數(shù)表征全鹽量、離子間的相關(guān)性。采用IBM SPSS 18.0進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析和處理,并建立回歸方程,通過(guò)比較方程的精度判別方程適用性。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤鹽堿化量化特征

由表1—2可知,研究區(qū)果園土壤的鹽分離子組成和含量差異較大。從鹽分離子組成來(lái)看,研究區(qū)果園土壤中陰離子以HCO-3,SO2-4和Cl-為主,CO2-3極少,可忽略不計(jì)。HCO-3含量0.08～1.04 g/kg,Cl-含量0.06～0.48 g/kg,SO2-4含量0.02～1.07 g/kg,土壤中HCO-3含量較高。

表1 研究區(qū)不同土層鹽堿化指標(biāo)分析

表2 典型剖面土壤鹽堿化統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)

本研究測(cè)定陽(yáng)離子主要有Na+,K+,Ca2+和Mg2+。Na+含量0.04～1.87 g/kg,K+含量0.03～0.73 g/kg,Ca2+含量0.01～0.25 g/kg,Mg2+含量0.02～0.15 g/kg。Na+和K+含量較高,Ca2+和Mg2+含量較低。Na+含量最高時(shí)占水溶性陽(yáng)離子總量的44%。p H值、電導(dǎo)率、堿化度受土壤溶液中離子的含量和組成影響,是目前國(guó)內(nèi)外比較公認(rèn)的判斷土壤鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)及鹽堿化趨勢(shì)的重要指標(biāo),它們能很好地反映土壤鹽化和堿化情況。吳剛等[17]將土壤中水溶性鈣含量小于0.09 g/kg的土壤列為低鈣土壤,研究區(qū)除GY7外,均屬低鈣土壤。研究區(qū)土壤p H值在7.45～8.23之間,電導(dǎo)率在0.1～2.37 mS/cm之間,堿化度在1.52%～12.77%之間。由于其他堿化指標(biāo)受離子含量和組成變化影響強(qiáng)烈,以p H值作為研究區(qū)堿化評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)土壤酸堿性[18]分類,7.5＜p H≤8.5為堿性土可知,研究區(qū)土壤總體呈堿性。根據(jù)鹽分?jǐn)?shù)據(jù),對(duì)其土壤鹽漬化類型和程度進(jìn)行評(píng)價(jià),依據(jù)土壤鹽漬化分類和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),研究區(qū)主要為硫酸鹽—氯化物型[3,19],將土壤分為非鹽漬土(含鹽量小于2 g/kg),輕度鹽漬土(含鹽量2～3 g/kg)、中度鹽漬土(含鹽量3～6 g/kg),研究區(qū)土壤全鹽含量0.83～5.39 g/kg,GY8和GY10為輕度鹽漬化,GY7和GY9為中度鹽漬化,其余土壤均為非鹽漬化。GY7的0—20 cm層土壤鹽堿化指標(biāo)最高,全鹽含量達(dá)到5.39 g/kg,這與采樣時(shí)樹株間距較大、地表覆草稀疏,同時(shí)地表有少量結(jié)鹽現(xiàn)象一致。

3.2 土壤鹽堿化空間特征

從土壤剖面垂直方向來(lái)看(圖1),SO2-4,HCO-3和Ca2+在表層積累,K+,Na+,Cl-無(wú)明顯的差異,Mg2+含量較低,無(wú)明顯差異。電導(dǎo)率有隨土層加深而降低的趨勢(shì),堿化度和p H值沒(méi)有顯著變化,說(shuō)明促使土壤呈堿性的主要離子層間變化不明顯。鹽分隨降雨、灌溉水和地下水的運(yùn)動(dòng)上下移動(dòng),研究區(qū)土壤的易溶性鹽分在上行過(guò)程中,硫酸鹽的表聚性強(qiáng)于氯化物,在土壤鹽分淋溶的過(guò)程中,硫酸鹽的淋溶速度小于氯化物。由此可以推斷研究區(qū)內(nèi)的鹽分離子運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)以上行為主。

圖1 不同樹種土壤全鹽量和p H值比較

從種植種類來(lái)看,比較5種果園土壤的全鹽量和p H值發(fā)現(xiàn),不同樹種之間土壤全鹽量和p H值無(wú)顯著差異(p＜0.05)。這表明本研究中果園的不同樹種對(duì)土壤中鹽分離子的吸收無(wú)顯著區(qū)別,最后的富集效果未產(chǎn)生顯著差異。

水平方向的變化特點(diǎn)用變異系數(shù)表征。變異系數(shù)是反映變異離散程度的重要指標(biāo),在一定程度上揭示變量的空間分布特性[20]。整體來(lái)看,研究區(qū)土壤剖面鹽分離子的變異系數(shù)為15.2%～122%,HCO-3,Cl-,Na+,SO2-4,Mg2+,Ca2+,K+和全鹽量在0—20 cm層剖面土壤中的變異系數(shù)分別為49.8%,43.0%,122%,76.2%,67.8%,87.1%,77.9%和62.1%,在20—40 cm層剖面土壤中的變異系數(shù)分別為15.2%,44.9%,100%,67.2%,50.4%,52.4%,77.2%,41.5%。p H值、電導(dǎo)率、堿化度在0—20 cm層剖面土壤中的變異系數(shù)分別為2%,145%和47%,在20—40 cm層剖面土壤中的變異系數(shù)分別為2%,96%,22%。根據(jù)變異系數(shù)的劃分標(biāo)準(zhǔn)[21]:Cv＜10%,弱變異性;Cv=10%～100%,中等變異性,Cv＞100%,強(qiáng)變異性。Na+在0—20 cm,20—40 cm層剖面土壤中均具有強(qiáng)變異性,其他離子在0—20 cm,20—40 cm層剖面土壤中均呈中等強(qiáng)度的空間變異性。Cl-在兩層土壤間變異系數(shù)相近,其他離子20—40 cm層土壤變異系數(shù)均低于0—20 cm層土壤。p H值在0—20 cm和20—40 cm層間變異系數(shù)相同,屬于弱變異。電導(dǎo)率在0—20 cm具有強(qiáng)變異性,在20—40 cm具有中等變異性。堿化度在0—40 cm均呈現(xiàn)中等變異性。堿化度和電導(dǎo)率在0—20 cm的變異系數(shù)呈現(xiàn)大于20—40 cm的趨勢(shì)。

3.3 土壤鹽堿化指標(biāo)的相關(guān)性

土壤電導(dǎo)率因土壤鹽分離子的種類、濃度、組成不同而變化,土壤全鹽含量測(cè)定的難度和誤差較大,通常用土壤電導(dǎo)率來(lái)表示土壤的鹽漬化程度,但是不同地區(qū)、不同類型土壤的電導(dǎo)率和全鹽含量關(guān)系式不同[22-23]。對(duì)研究區(qū)土壤的全鹽量(y)與電導(dǎo)率(x)進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn),全鹽量與電導(dǎo)率間呈極顯著線性相關(guān),關(guān)系式為:y=1.773 4x+0.904(R2=0.864),電導(dǎo)率可代替土壤含鹽量用來(lái)評(píng)價(jià)土壤鹽化情況。了解土壤鹽分離子間的相關(guān)性,是進(jìn)一步認(rèn)識(shí)土壤鹽分組成規(guī)律的基礎(chǔ),可以更有效地指導(dǎo)土壤鹽漬化的預(yù)防和改良[24]。5種果園土壤的全鹽量與Cl-無(wú)顯著相關(guān)性,說(shuō)明在這種土壤條件下Cl-不是影響土壤鹽分變化的主要因素,與其他離子均呈顯著或極顯著相關(guān),陽(yáng)離子中Na+與全鹽量相關(guān)性最高,說(shuō)明Na+是促進(jìn)土壤鹽分變化的主導(dǎo)因素,其次是Ca2+;陰離子中SO2-4與全鹽量相關(guān)性最高,其次是HCO-3,研究區(qū)內(nèi)土壤鹽分主要以蘇打—硫酸鹽為主。在各土層中SO2-4均與全鹽量呈極顯著正相關(guān)(p＜0.01),0—20 cm土層中,SO2-4與全鹽量的相關(guān)系數(shù)為0.917,在20—40 cm土層中,SO2-4與全鹽量的相關(guān)系數(shù)為0.901,相關(guān)系數(shù)隨土層深度的增加而減少,說(shuō)明硫酸鹽在土壤表層積聚強(qiáng)烈,在灌溉和降雨時(shí)鹽分隨水分運(yùn)動(dòng),受到水勢(shì)梯度的影響在剖面垂直方向呈上行運(yùn)動(dòng)。在各層土壤中,Cl-與其他離子的相關(guān)性較小。SO2-4與Na+,Mg2+,Ca2+呈極顯著相關(guān),其中與Na+相關(guān)性較大,相關(guān)系數(shù)為0.812(表3)。

表3 土壤鹽分離子間的相關(guān)性

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

通過(guò)對(duì)通州區(qū)果園土壤鹽堿化特征分析發(fā)現(xiàn),果園土壤0—20 cm深度范圍內(nèi)的全鹽量略高于20—40 cm深度范圍內(nèi)的全鹽量,與楊楚燁等研究結(jié)果相同[25]。出現(xiàn)這種情況的主要原因有兩種:一是水文和氣候條件,通州區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,處于永定河、潮白河沖積洪積平原,且永定河流量變化很大,又時(shí)常干旱,研究區(qū)內(nèi)土壤主要為壤質(zhì)土,表層有機(jī)質(zhì)含量豐富,易形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu),活動(dòng)強(qiáng)度低的養(yǎng)分離子不易向下淋失,在蒸發(fā)作用和凍融交替的影響下,鹽分隨水分借助毛管孔隙的作用力上升并聚集在土壤表層[26-27];二是果園不合理的經(jīng)營(yíng)管理措施,如過(guò)量施用硫酸鹽肥料造成硫酸根的增加,硫酸根在土壤中遷移轉(zhuǎn)化率較低導(dǎo)致其在表層積累[28],不合理灌溉也可能增加土壤次生鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)[29]。研究區(qū)Ca2+含量較低,可能由于農(nóng)作物種植轉(zhuǎn)變?yōu)楣麡浞N植,土壤中根系呼吸強(qiáng)度、土壤表層水熱條件等的變化導(dǎo)致土壤中Ca2+的遷移溶解動(dòng)因發(fā)生顯著變化,李鵬等[30]研究結(jié)果表明,長(zhǎng)期種植果樹將導(dǎo)致土壤水溶性鈣退化。對(duì)不同樹種果園的土壤全鹽量和p H值進(jìn)行顯著性分析,均沒(méi)有顯著差異。這與趙新風(fēng)等[31]的研究結(jié)果不同,一方面是果樹品種的區(qū)別未對(duì)土壤鹽分含量和酸堿性造成影響;另一方面不同果園間的經(jīng)營(yíng)管理措施基本相同,人為活動(dòng)未使土壤鹽堿化性質(zhì)產(chǎn)生顯著差異。

土地利用方式影響土壤鹽堿化特征。土壤平均含鹽量為1.49 g/kg,與景宇鵬等[32]的研究結(jié)果近似。在相關(guān)性分析中,Na+與K+相關(guān)性相對(duì)較低,而與其他鹽分離子均呈極顯著正相關(guān),可能因?yàn)楣麡鋵?duì)土壤溶液中Na+和K+的吸收存在一定的拮抗作用,這與郭全恩等[33]對(duì)果園土壤鹽分離子相關(guān)性的研究有相似之處。陰離子中,SO2-4與全鹽量相關(guān)性最高,但其在土壤中的含量沒(méi)有顯著高于HCO-3,劉洪波等[34]通過(guò)對(duì)耕地土壤的研究,發(fā)現(xiàn)了耕地土壤SO2-4含量顯著高于HCO-3,與本文結(jié)果不一致。本文研究林下土壤,而后者以棉田土壤為主。造成差異的原因,一方面是研究區(qū)的氣候、微地貌和地下水礦化度不同引起的,另一方面是棉田較果園施肥頻繁,果園以有機(jī)無(wú)機(jī)肥料配合施用為主,翻耕次數(shù)較少,土體緊實(shí),無(wú)機(jī)肥料對(duì)表層土壤影響較棉田土壤小。此外,林地的郁閉度和凋落物等顯著高于以農(nóng)作物為主的土壤,減少了地表蒸發(fā)作用,抑制鹽分在表層積累[35]。研究區(qū)內(nèi)Na+在不同層次剖面中均具有強(qiáng)變異性,原因是其分布完全受隨機(jī)因素決定;其他鹽分含量和堿化指標(biāo)具有較強(qiáng)的空間變異性,0—20 cm變異系數(shù)較20—40 cm大,原因是表層土壤灌溉、翻耕以及肥料的施用等措施對(duì)鹽分離子含量影響較大;隨著土層深度的增加,這些因素對(duì)土壤鹽分含量的影響逐漸降低,因此在垂直方向上的變異強(qiáng)度逐漸減弱。

陳兵林等[36]研究指出,土壤可溶性陽(yáng)離子以Na+為主,鈉鹽具有主導(dǎo)作用。本研究亦得出相似結(jié)論,不同之處在于本研究土壤可溶性陰離子中SO2-4與HCO-3占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),Cl-含量相對(duì)較低,這可能是濱海鹽堿土與本研究中的陸域平原鹽堿土不同類型造成的。首先,海水較河水含有更多的Cl-,其在水中的溶解度較大,水分的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鹽分離子向土體遷移。其次,濱海鹽堿土更易受自然因素影響,Cl-與土壤親和性較弱[37],很少參與土壤溶液中的吸附和解離,又難以形成性質(zhì)穩(wěn)定的化合物[38]。海水的浸潤(rùn)側(cè)滲使地下水鹽分與土壤鹽分間頻繁交換,其含量隨之升高或降低。而在本研究中,采樣點(diǎn)雖處于河流附近,但河水較海水流動(dòng)速度低、波及范圍小、沖擊程度輕,因此,對(duì)土壤的擾動(dòng)更小,河水中的Cl-相較于海水不易隨水而來(lái),也不易沉積。

根據(jù)上述研究結(jié)果,北京市通州區(qū)果園土壤鹽化的同時(shí)伴隨著堿化現(xiàn)象。由于地表已有果樹覆蓋,可將果樹的枯枝敗葉收集進(jìn)行園林廢棄物堆肥再返還給土壤,有效增加有機(jī)質(zhì)含量,減少因施用硫酸肥料而產(chǎn)生的鹽分表層聚集現(xiàn)象。另外,可進(jìn)行土壤施鈣、幼果噴鈣等措施防治由于缺鈣引起的果樹生理失調(diào)癥;其次,可在樹木間栽種耐鹽草種(如紫花苜蓿、堿茅等),翻壓入土可提升土壤肥力,增加經(jīng)濟(jì)效益,形成生態(tài)良性循環(huán)。

4.2 結(jié)論

北京市通州區(qū)果園土壤以堿性為主,土壤陽(yáng)離子在0—40 cm的深度范圍內(nèi)均以Na+為主,陰離子均以HCO-3為主,Ca2+含量偏低。土壤鹽化與堿化相互影響,p H值、堿化度、電導(dǎo)率最高依次為8.22,12.77,2.37,基本可以滿足果樹的生長(zhǎng)條件。鹽分空間變異性在0—20 cm強(qiáng)于20—40 cm,有表聚現(xiàn)象,但差異不顯著。5種果園間鹽分含量差異不顯著。相關(guān)性分析表明,與全鹽量相關(guān)性最強(qiáng)的陰離子是SO2-4,相關(guān)系數(shù)為0.910,Cl-無(wú)顯著相關(guān)性;相關(guān)性最強(qiáng)的陽(yáng)離子是Na+,相關(guān)系數(shù)為0.936,可以用于指導(dǎo)果園施肥。全鹽量與電導(dǎo)率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.864)。