造林樹種對(duì)寧夏鹽堿土水鹽運(yùn)移及養(yǎng)分的影響研究

王 旭，李 磊，樊麗琴，張永宏，肖愛萍，趙瑞娟

（1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，銀川 750002；2.國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境銀川觀測(cè)試驗(yàn)站，銀川 750002；3.寧夏畜牧工作站，銀川 750002；4.永寧縣李俊鎮(zhèn)人民政府農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，寧夏永寧 750103）

土壤鹽堿化是制約我國(guó)干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一。我國(guó)境內(nèi)鹽堿地面積近1 億hm2[1]，主要分布在東北、西北、華北和濱海地區(qū)[2,3]。鹽堿地作為我國(guó)重要的后備耕地資源[4,5]，其高效利用對(duì)保障國(guó)家糧食安全、堅(jiān)守耕地紅線具有重要意義。

寧夏位于我國(guó)西北內(nèi)陸干旱區(qū)，全境屬于黃河流域，銀北灌區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，但長(zhǎng)期大水漫灌及灌排設(shè)施不完善等問題導(dǎo)致出現(xiàn)了大面積鹽堿地，鹽堿化耕地面積為15 萬hm2，占耕地總面積的1/3[6]。寧夏引黃灌區(qū)鹽堿地生態(tài)恢復(fù)是黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)建設(shè)的重要組成部分。該地區(qū)土壤鹽分在氣候的影響下，以水為介質(zhì)和載體進(jìn)行遷移，呈“春返、夏脫、秋積、冬儲(chǔ)”的季節(jié)特點(diǎn)[7-9]。鹽堿地治理方法包括：水利改良、化學(xué)改良、農(nóng)藝改良和生物改良等技術(shù)[3]，水利改良、化學(xué)改良偏重于工程措施，效果快但存在投入大、效果難以持久的弊端。鹽堿地治理中，防蒸覆蓋是抑制返鹽的有效途徑，種植耐鹽植物有利于提高土壤肥力、改良土壤結(jié)構(gòu)、改善田間小氣候；同時(shí)還可增加地表覆蓋度，以植物蒸騰代替地表蒸發(fā)，延緩或防止地表蒸發(fā)返鹽[10]。土壤鹽分時(shí)空分布規(guī)律與地表覆被類型、地形地貌等環(huán)境因素密切相關(guān)[11]。耐鹽植物生長(zhǎng)過程中，根系對(duì)土壤有穿插作用，能提高土壤孔隙度，根系分泌的有機(jī)酸、蛋白質(zhì)、肽等物質(zhì)，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的累積[12]。種植耐鹽堿植被能增加土壤通透性，改善土壤孔隙度，利于土壤鹽分向下遷移，同時(shí)植被的覆蓋可減少土壤水分蒸發(fā)，抑制地表返鹽[13,14]。鹽生植物能吸收根際土壤中的部分可溶性鹽，且累積于植株體內(nèi)，收獲期刈割，降低土壤鹽分的同時(shí)改善土壤物理性質(zhì)[15]。有研究表明[16]：種植檉柳能顯著降低土壤含鹽量，檉柳的葉片泌鹽達(dá)23.25%。寧夏銀北鹽堿地區(qū)種植檉柳、油葵、葦狀羊茅三種耐鹽植物后土壤含鹽量明顯降低，土壤肥力提升顯著，交換性Na+含量顯著降低[17]。

綜上所述，關(guān)于耐鹽堿植物的研究主要集中在不同地區(qū)各種植物對(duì)土壤水鹽的影響方面，針對(duì)寧夏銀北地區(qū)不同造林樹種對(duì)土壤水鹽時(shí)空運(yùn)移、土壤養(yǎng)分的影響及其與植物生長(zhǎng)的響應(yīng)研究仍顯不足。因此，本研究結(jié)合區(qū)域特色，在寧夏銀北鹽堿地區(qū)監(jiān)測(cè)不同造林樹種對(duì)土壤水鹽時(shí)空運(yùn)移、土壤養(yǎng)分的影響，揭示不同造林樹種條件下土壤水鹽時(shí)空運(yùn)移規(guī)律，為同類地區(qū)鹽堿地植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

土壤樣本采集于寧夏平羅縣小興墩（38°51′N，106°31′E），該地區(qū)屬干旱大陸性氣候，年平均降水和蒸發(fā)量分別為185 mm、1 841 mm，降水少且時(shí)空分布不均[18]。該地區(qū)于2015年4月進(jìn)行人工造林，包括鹽柳（Salix psammophila）、檉柳（Tamarix chinensis）、9901 柳（Salix matsudana‘9901’）、白蠟（Fraxinus chinensis R.）、刺槐（Black Locust）等品種，每個(gè)小區(qū)規(guī)格為10 m×10 m，各小區(qū)筑有50 cm 埂，小區(qū)間隔50 cm，9901 柳、鹽柳株行距均為3 m×4 m，檉柳株行距為2 m×3 m。造林前各小區(qū)均為鹽堿撂荒地，地表有明顯的鹽斑，0～100 cm 土層土壤全鹽為2.45～5.38 g/kg，pH 為8.96～9.77，堿解氮為17.0～46.2 mg/kg、速效磷為2.06～16.05 mg/kg、速效鉀為300.6～370.7 mg/kg、有機(jī)質(zhì)為7.52～17.12 g/kg，土壤質(zhì)地為砂壤土。

1.2 調(diào)查與采樣

在搜集資料和調(diào)查的基礎(chǔ)上，2020-2021年在寧夏平羅縣小興墩采集土壤樣品，自2015年進(jìn)行人工造林以來部分輕度耐鹽堿的樹已枯萎，僅檉柳、鹽柳、9901 柳3 種樹種長(zhǎng)勢(shì)較好，因此選擇這3 種樹種的小區(qū)為定位監(jiān)測(cè)樣地。4-10月每月中旬采1 次土樣，距樹干40 cm 處以地表為基準(zhǔn)采集0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5 個(gè)不同土層土樣裝入自封袋帶回室內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)樣品3次重復(fù)。未造林的空地同步采集土樣。

1.3 土壤樣品處理與測(cè)定

采集的土樣剔除雜物，風(fēng)干、碾磨、過篩（孔徑1 mm）。土壤含水率采用烘干法測(cè)定；按1∶2.5 土水比充分震蕩搖勻取上清液，采用Mettler Toledo S220 多參數(shù)測(cè)試儀測(cè)定pH；按1∶5 土水比充分震蕩搖勻取上清液，采用DDS-307A 土壤電導(dǎo)率儀測(cè)定，并換算成全鹽含量[19]。有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散，速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用乙酸銨浸提火焰光度法[20]。苗木基徑采用游標(biāo)卡尺測(cè)量，樹木株高、冠幅采用卷尺測(cè)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析及處理

采用SPSS 17.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Surfer 10 做Contour圖、3D Wireframe圖。

2 研究結(jié)果

2.1 不同造林樹種條件下土壤水分時(shí)空運(yùn)動(dòng)規(guī)律

種植樹木影響土壤水分時(shí)空分布，在0～40 cm 隨土層深度增加土壤含水率呈增加趨勢(shì)，6-8月份表層土壤含水率最低（圖1）?？盏?0 cm以下土層土壤水分呈先減小后增加的趨勢(shì)，隨時(shí)間推移0～40 cm 土層土壤水分呈降低趨勢(shì)，5月份土壤剖面40 cm 處含水量較高，隨時(shí)間推移水分遷移至80 cm 以下土層。鹽柳小區(qū)0～40 cm 土層土壤水分隨時(shí)間推移呈降低趨勢(shì)，土壤水分逐漸遷移至60～80 cm 土層，土壤含水率高于18%，6-9月0～20 cm 土層土壤含水率最低，均低于13%。檉柳小區(qū)6、7月份土壤剖面60 cm 處含水量較高，土壤含水率高于20%，8月份氣溫較高地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤水分向上遷移，60 cm 以下土層隨時(shí)間推移土壤水分呈降低趨勢(shì)。9901 柳小區(qū)4月份土壤剖面60 cm 處土壤含水量較高，土壤含水率高于19%，隨時(shí)間推移土壤水分遷移累積于60～80 cm 層。4月份檉柳、9901 柳小區(qū)的0～40 cm 土層土壤含水率低于鹽柳小區(qū)，6-8月份鹽柳小區(qū)表層土壤含水率低于12%，為所有處理中最低。結(jié)果表明：種植樹木后表層土壤水分受蒸發(fā)與根系吸水的影響較大，6～8月份表層土壤含水率最低，0～40 cm 隨土層深度增加土壤含水率呈增加趨勢(shì)；鹽柳和9901 柳小區(qū)土壤水分隨時(shí)間推移向下遷移累積于60 cm 以下土層，檉柳小區(qū)隨時(shí)間推移土壤水分由60 cm 土層向上遷移。

圖1 3種樹種土壤水分時(shí)空分布Fig.1 Time and space distribution of soil moisture in three tree species

2.2 不同造林樹種條件下土壤鹽分時(shí)空遷移規(guī)律

種植樹木的小區(qū)表層土壤含鹽量隨時(shí)間推移呈先減少后增加的趨勢(shì)，空地表層土壤含鹽量隨時(shí)間推移呈逐步增加的趨勢(shì)，0～40 cm 隨土層深度增加土壤鹽分呈降低趨勢(shì)，10月份表層土壤含鹽量最高（圖2）。4月份春季返鹽較為明顯，鹽分表聚特征明顯，種植樹木的小區(qū)表層土壤含鹽量均低于2 g/kg，其中檉柳小區(qū)表層土壤含鹽量最低（1.5 g/kg），空地土壤含鹽量高于2 g/kg，表明在春季返鹽較為明顯的季節(jié)，種植樹木有助于抑制地表返鹽。鹽柳小區(qū)隨時(shí)間推移土壤鹽分累積在土壤剖面40～80 cm 區(qū)域，9、10月份鹽分遷移累積于地表，20～40 cm 土壤鹽分變化較緩慢，土壤鹽分較為穩(wěn)定。檉柳小區(qū)隨時(shí)間推移土壤鹽分累積在土壤剖面60～100 cm區(qū)域，10月份鹽分遷移累積于地表，20～40 cm 土壤鹽分變化較緩慢。9901 柳小區(qū)土壤剖面鹽分變化呈“荷葉”型變化，春季表層鹽分高，隨時(shí)間推移10月份土壤鹽分遷移累積于地表處?？盏赝寥榔拭纣}分變化規(guī)律與種植樹木的小區(qū)不同，表層土壤鹽分隨時(shí)間推移呈遞增趨勢(shì)，20 cm 以下土層土壤鹽分隨時(shí)間推移呈先增加后減小的趨勢(shì)。結(jié)果表明：與空白地相比，種植樹木影響土壤鹽分時(shí)空分布，鹽柳、檉柳、9901 柳小區(qū)土壤剖面鹽分由波浪型變化為“V”形分布，種植樹木的小區(qū)20～40 cm 土壤鹽分變化較小，土壤鹽分低于空地，其中檉柳小區(qū)土壤鹽分最低。

圖2 3種樹種土壤鹽分時(shí)空分布Fig.2 Time and space distribution of soil salinity in three tree species

2.3 不同造林樹種條件下土壤pH時(shí)空分布規(guī)律

種植樹木影響土壤pH 時(shí)空分布，種植3 種樹木0～20 cm土壤pH 均低于9，4月份各處理0～20 cm 土壤pH 高于其他月份、其他土層；鹽柳、檉柳、9901 柳小區(qū)4月份0～20 cm 土壤pH 比空地分別低6.4%、7.9%、6.7%（圖3）。鹽柳小區(qū)4月份土壤pH呈“W”形分布，其中60～80 cm土壤pH最低（8.65）；不同土層土壤pH 隨時(shí)間推移呈折線變化規(guī)律，4月份不同土層土壤pH 高于其他月份。檉柳小區(qū)4月份土壤pH 隨土層深度增加呈折線變化規(guī)律，20～40 cm 土壤pH 最低（8.63）；0～20 cm 土層土壤pH 隨時(shí)間推移呈降低趨勢(shì)，8月和10月60～80 cm土層土壤pH高于其他土層。9901柳小區(qū)0～20 cm土壤pH隨土層深度呈“V”形變化規(guī)律，隨時(shí)間推移呈“W” 形變化規(guī)律；除4月份外的其他月份土壤剖面pH 隨土層深度增加呈增加趨勢(shì)，與4月份變化規(guī)律不同，可能是夏季氣溫較高，土壤剖面水分運(yùn)動(dòng)較為劇烈，影響鹽分及可溶性鹽分離子的分布所致?？盏?～20 cm 土壤pH 值為9.61，高于造林小區(qū)，4月份隨土層深度增加土壤pH 呈折線變化規(guī)律，即先降低后增加再降低；7月份空地20～100 cm 土壤剖面pH 明顯高于其他月份，可能是夏季高溫導(dǎo)致土壤剖面水分運(yùn)動(dòng)較為劇烈所致。試驗(yàn)結(jié)果表明：種植樹木后的土壤pH 低于空地，4月份表層土壤pH最高，檉柳小區(qū)土壤剖面pH最低。

圖3 3種樹種土壤pH時(shí)空分布Fig.3 Time and space distribution of soil pH in three tree species

2.4 不同造林樹種對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀含量均為土壤表層最高，除速效鉀外其他土壤養(yǎng)分含量均表現(xiàn)為80～100 cm 最低（表1）。0～20 cm、20～40 cm 土層9901 柳小區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量最高，20～40 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量比鹽柳小區(qū)分別高32.6%、34.8%，差異顯著（P＜0.05）；40～60 cm、60～80 cm 土層檉柳小區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量最高，顯著高于鹽柳小區(qū)（P＜0.05）；80～100 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量4 個(gè)處理之間無顯著性差異（P＞0.05）。土壤速效磷、速效鉀均表現(xiàn)為空地最高，0～20 cm、20～40 cm 土層土壤速效磷含量最低，鹽柳小區(qū)40 cm 以下土層土壤速效磷、速效鉀均顯著低于其他處理（P＜0.05），4 個(gè)處理在20～40 cm 土壤速效鉀含量之間無顯著性差異（P＞0.05）。結(jié)果表明：與空地相比，種植9901 柳可提高0～40 cm 土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量；但造林樹種會(huì)導(dǎo)致土壤速效磷、速效鉀含量降低，鹽柳對(duì)40 cm以下土層土壤速效磷、速效鉀影響明顯。

表1 土壤養(yǎng)分指標(biāo)Tab.1 Index of soil nutrient

2.5 樹木生長(zhǎng)指標(biāo)

9901 柳屬于喬木，樹干通直、頂端優(yōu)勢(shì)較明顯，株高顯著高于其他樹種（P＜0.05）；檉柳屬于灌木，其株高、基徑和冠幅指標(biāo)均低于其他兩個(gè)喬木樹種，9901 柳的基徑為225.3 mm，高于其他樹種（表2）。鹽柳的基徑、冠幅與9901柳相比無顯著性差異（P＞0.05），鹽柳、9901 柳的基徑、冠幅顯著高于檉柳（P＜0.05）；3 種樹種的株高兩兩之間均存在顯著差異（P＜0.05）。

表2 樹木生長(zhǎng)指標(biāo)Tab.2 Index of tree growth

3 討 論

耐鹽植物生長(zhǎng)周期內(nèi)，在植物生理功能及根系生長(zhǎng)、地上增加覆蓋等影響下，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)改善、鹽分淋洗及抑制返鹽等方面起到積極作用，促進(jìn)土壤理化性質(zhì)向良性循環(huán)方向發(fā)展[21]。檉柳屬于泌鹽型植物，枝葉繁茂、綠期較長(zhǎng)、耐干旱及鹽堿；9901 柳樹干通直，冠幅窄，頂端優(yōu)勢(shì)較為明顯；鹽柳適應(yīng)性強(qiáng)，耐干旱及耐鹽堿、枝條自然下垂，具有一定的冠幅優(yōu)勢(shì)。3種樹木影響土壤水鹽時(shí)空運(yùn)移，種植樹木的小區(qū)土壤含水率高于空地、土壤含鹽量低于空地；表層土壤受植物根系吸水與地表蒸發(fā)的影響，水鹽變化較為明顯，6-8月份表層土壤含水率、含鹽量均較低、8月份以后表層土壤含鹽量逐漸升高，這與Yu 等[22]的研究發(fā)現(xiàn)植被覆蓋能減小深層土壤水分向地表遷移從而抑制地表返鹽的結(jié)果相似。檉柳的泌鹽特性導(dǎo)致土壤剖面鹽分低于其他2 種樹種（圖2），9901 柳、鹽柳冠幅大遮陰效果好能抑制地表返鹽，但鹽分并非3種樹種中最低，表明檉柳泌鹽特性對(duì)土壤鹽分的降低效果優(yōu)于植被冠幅帶來的覆蓋抑鹽效果。雷金銀等[23]通過研究耐鹽植物的生物改良作用也得到了相似的水鹽規(guī)律，同時(shí)發(fā)現(xiàn)植物根系對(duì)土壤的穿插作用，能促進(jìn)鹽分向深層運(yùn)移，在生物排水的作用下影響土壤剖面水分分布；0～20 cm 土層土壤的理化性質(zhì)改善最為明顯，容重降幅超過20%。

植物根系的生理活動(dòng)能改善土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤水鹽時(shí)空運(yùn)移過程；此外，夏季植物生長(zhǎng)旺盛覆蓋度高，可削弱地表蒸發(fā)，抑制返鹽。該結(jié)論與董利蘋等[24]的研究結(jié)果相同，地表土壤鹽分降低顯著，植物根系活動(dòng)影響土壤剖面水鹽分布。土壤pH 降低受植物根系生長(zhǎng)及土壤微生物活動(dòng)的影響，因?yàn)楦瞪砘顒?dòng)可分泌有機(jī)酸，此外土壤微生物對(duì)植物殘?bào)w有分解作用產(chǎn)生有機(jī)酸，可在一定程度上中和土壤堿性[25]。3 種樹種均屬于多年生落葉植被，枯落物會(huì)在土壤表層持續(xù)積累，且種植后地表基本無耕作擾動(dòng)有利于表層土壤有機(jī)質(zhì)積累，本研究中靠近樹干的表層土壤水鹽環(huán)境較好，土壤pH 均有較大的改善效果。

4 結(jié) 論

表層土壤受蒸發(fā)與植物根系的影響較大，6～8月份表層土壤含水率最低；鹽柳和9901 柳小區(qū)土壤水分隨時(shí)間推移向下遷移累積于60 cm 以下土層，檉柳小區(qū)隨時(shí)間推移土壤水分由60 cm 土層向上遷移。鹽柳、檉柳、9901柳小區(qū)土壤剖面鹽分由波浪型變化為“V”形分布，種植樹木的小區(qū)20～40 cm土壤鹽分較穩(wěn)定，檉柳小區(qū)土壤鹽分最低。種植樹木后土壤pH 低于空地，4月份表層土壤pH 最高，檉柳小區(qū)土壤剖面pH 最低。種植9901 柳可提高0～40 cm 土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷含量；但造林會(huì)導(dǎo)致土壤速效磷、速效鉀含量降低，鹽柳對(duì)40 cm 以下土層土壤速效磷、速效鉀影響明顯。