種植草本植物狗牙根改良濱海黏性鹽堿地的研究①

邵天韻，燕 瀟，賈秉志，徐聆溪，馬占紅，任瑩飛，隆小華*

種植草本植物狗牙根改良濱海黏性鹽堿地的研究①

邵天韻1，燕 瀟1，賈秉志2，徐聆溪2，馬占紅2，任瑩飛1，隆小華1*

(1 南京農業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，南京 210095；2 江蘇方洋集團有限公司，江蘇連云港 222065)

針對江蘇省連云港市徐圩新區(qū)鹽堿地重度黏性的特點，通過原位田間試驗對比分析了種植1年狗牙根土壤與裸地對照土壤，研究了種植草本植物狗牙根對重度黏性鹽堿土的改良效果和機制。結果表明：在重度黏性鹽堿地種植狗牙根可以降低土壤鹽分、土壤pH及Ca2+、K+、Mg2+、Na+、Cl–含量，增加土壤吸濕水、有機質與有效磷含量，同時還可以增加土壤微生物群落多樣性和豐富度?？傊?，種植草本植物狗牙根對濱海重度黏性鹽堿土壤的鹽堿障礙消除和地力提升效果明顯，改良成效卓著。

鹽堿地；土壤改良；狗牙根；土壤微生物；土壤酶

鹽堿地是指表層積聚了過量鹽堿成分的土壤，具有土壤鹽分含量和pH高、透氣性和透水性差、表層易板結、營養(yǎng)含量低等特點。在第二次國際可持續(xù)發(fā)展會議中，土壤沙漠化、水土流失以及鹽堿化被認為是未來全球農林業(yè)可持續(xù)發(fā)展所面臨的三大問題[1]。目前，全球大約存在9.32×108hm2鹽堿地，約占全球耕地面積的10%，而且至少以1.0×106～ 1.5×106hm2/a的速度持續(xù)增長。據我國第二次土壤普查數據，我國鹽堿地總面積約為3.67×107hm2，主要存在于我國西北、華北、東北以及濱海地帶，涉及17個省份，其中我國西部六省(新疆、內蒙古、青海、甘肅、寧夏、陜西)占全國的69.03%[2]。大面積鹽堿地因鹽分過高而被撂荒，一方面是由于被鹽堿地特殊的水文地質條件所限制，另一方面，次生鹽漬化加重會引發(fā)土地生產力下降[3]。鹽漬土的改良和利用是我國生態(tài)環(huán)境治理的當務之急[4]，同時也是緩解我國人地矛盾、促進區(qū)域經濟持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

濱海鹽漬土的突出障礙在于“高鹽”，因此其改良的關鍵重在“治鹽”[5]。高滲透壓和離子毒性的脅迫效應是鹽分對植物生長和繁殖生理鹽害的主要表現(xiàn)[6]。通常情況下，植物的耐鹽性是指通過生理或代謝過程來適應細胞內的高鹽環(huán)境，主要表現(xiàn)在耐滲透脅迫、營養(yǎng)元素平衡、代謝穩(wěn)定和與鹽結合等。大多耐鹽植被容許鹽分轉運到根系，并且以相應的形式吸收鹽分，對鹽分具有一定的耐受能力而不受其害，從而維持健康的生長發(fā)育活動。這些植物能夠在鹽漬土壤中生長，并不能阻止鹽分進入體內，也不能將鹽分排出體外，而是依賴自身的生理途徑或形態(tài)特征來避免鹽害，以維持其正常的生理活動。這些耐鹽植物抗鹽性高，在修復鹽漬化土壤方面具有良好的應用前景。有學者比較了眾多植物的抗鹽性，認為狗牙根屬植物是一類抗鹽性高的植物[7]。

狗牙根((L.) Pers.)又稱拌根草、鐵線草等，為禾本科狗牙根屬的低矮草本植物。狗牙根屬植物是適于世界各溫暖潮濕和溫暖半干旱地區(qū)的長壽命多年生草本植物，我國也有著非常豐富的狗牙根資源。狗牙根適應的土壤范圍廣，是暖季型草坪草中主要建坪草種之一。因其根系發(fā)達、匍匐莖蔓延性強，容易形成致密的草皮，保水效果極好，是重要的水土保持物種[8]，被廣泛用于運動場草坪建植和園林綠化。此外，狗牙根還極耐熱、耐踐踏和抗旱，耐鹽性也較好[9-10]。Shi等[11]從生理和代謝水平研究狗牙根對堿脅迫的響應，發(fā)現(xiàn)狗牙根在輕度堿脅迫下可能通過減緩代謝來維持其基本生長，而在中度和重度堿脅迫下則是表現(xiàn)為其碳水化合物積累量的顯著增加，說明狗牙根對不同土壤pH的堿脅迫采取了不同的應對策略。同時也有很多研究表明，狗牙根在鹽堿地建植或咸水(包括再生水)灌溉中具有很高的應用潛力[9, 12]。

目前，狗牙根耐鹽性的研究多集中在狗牙根育成品種或品系內及與其他草種間差異比較[12-13]、不同來源狗牙根耐鹽種質的篩選與鑒定[10, 14]等，少有對狗牙根的生態(tài)修復功能方面的研究，對鹽堿地的修復改良效果更是鮮見報道。基于此，本研究以江蘇省連云港市徐圩新區(qū)濱海重度黏性鹽堿地為試驗對象，分析了種植狗牙根對重度黏性鹽堿土改良的效果和機制。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)域與供試材料

研究區(qū)位于江蘇省連云港市連云區(qū)(34°75′N, 119°37′E)。連云區(qū)地處江蘇省東北部，東臨黃海，南接灌云，西連海州，北靠贛榆，是連云港市的主城區(qū)之一，為連云港對外開放的最東段，新亞歐大陸橋東端起點，因境內有連云港港口而得名連云。該區(qū)地處暖溫帶的南緣，屬向亞熱帶過渡的季風海洋性氣候地帶，四季分明，氣候宜人。年平均氣溫為14℃，1月份氣溫最低，均溫1.1℃；8月份氣溫最高，均溫26.8℃；全年有223 d以上日均溫不低于10℃。水資源總量一千余萬立方米，年均降水量900 mm。試驗區(qū)土壤質地較為黏重(屬于黏壤土)，在試驗前土壤基本理化性質為：土壤容重(1.58 ± 0.22) g/cm3，土壤含鹽量(9.31 ± 0.75) g/kg，土壤pH 8.78 ± 0.28，土壤有機質含量(4.40 ± 0.49)g/kg。供試草本植物種子為江蘇常見的包衣脫殼狗牙根種子。

1.2 研究方法

試驗共設置兩個處理：①裸地對照處理(沒有植被生長的空白裸地)，試驗區(qū)面積為20 m × 20 m，記為PCK；②狗牙根種植處理，試驗區(qū)面積為20 m × 100 m，記為HP。狗牙根的播種時間為2021年4月16日，播種量為10 g/m2。兩個處理除種植狗牙根種植與否外，其他條件保持完全一致，即試驗開始前5 d統(tǒng)一進行翻耕處理(翻耕深度為20 cm)和底肥施用(復合肥15-15-15，施用量為30 kg/667 m2)，而后無其他人為干預活動。

于2022年4月20日，在試驗區(qū)采集種植了狗牙根的土壤樣品和裸地對照土樣，采樣深度為 0 ～ 10 cm。將采集到的土壤樣品按照NY/T 1121.1—2006《土壤檢測第1部分：土壤樣品的采集、處理和購存》[15]的要求進行處理，用于后續(xù)土壤理化指標的測定。每個樣點同步采集約10.0 g的新鮮土樣用錫紙包好，標記好后投入液氮罐中轉運至實驗室，而后保存于–80℃冰箱中，用于后續(xù)的土壤DNA提取和分析[16]。

按照NY/T 1121—2006系列標準測定土壤pH(電導法)[17]、有機質(重鉻酸鉀法)[18]、有效磷(酶標儀法)[19]、土壤含鹽量(電位法)[20]、最大吸濕水量(烘干法)[21]、全氮(自動定氮儀法)[22]；按照NY/T 889—2004[23]標準測定土壤速效鉀(火焰光度計法)；按照HJ 632—2011[24]標準測定土壤全磷(NaOH堿熔–鉬銻抗分光光度法)；采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀法測定土壤K、Ca、Na、Mg元素的含量；采用土壤酶活試劑盒測定土壤過氧化氫酶、堿性磷酸酶和脲酶活性。土壤微生物的檢測由諾禾致源(Novogene)公司完成。

1.3 數據處理

本試驗數據使用Excel 2007和SPSS 26進行統(tǒng)計分析。文中所有數據的平均值取自3次重復，并計算標準誤差，即用平均值±標準誤差(Mean ± SE)表示；采用單因素方差分析(ANOVA)法進行處理間差異性比較，顯著水平為<0.05。

2 結果與分析

2.1 種植狗牙根對重度黏性鹽堿地土壤基本理化性質的影響

如圖1所示，裸地土壤最大吸濕水量為29.6 g/kg，種植1年狗牙根后的土壤最大吸濕水量為30.1 g/kg，增加了1.80%，有一定的上升趨勢。這可能是由于種植狗牙根之后雖然一定程度上降低了土壤的容重，但更是顯著提升了土壤中有機質的含量，因此導致了土壤最大吸濕水量的增加。種植1年狗牙根后的土壤有機質含量較裸地土壤顯著增加(<0.05)。裸地土壤的有機質含量為4.02 g/kg，種植狗牙根后土壤有機質上升為6.33 g/kg，增加了57.5%。此外，裸地土壤pH為8.33(偏堿性)，種植1年狗牙根后的土壤pH為7.47(偏中性)，降低了10.3%，呈明顯的下降趨勢，表明種植狗牙根對土壤的堿性環(huán)境有所改善。種植1年狗牙根后的土壤鹽分較裸地土壤鹽分顯著降低(<0.05)，由6.41 g/kg降低至1.75 g/kg，降低了約72.6%。

(PCK：裸地對照土壤；HP：狗牙根種植土壤；圖中不同小寫字母表示不同土樣間差異顯著(P<0.05)；下同)

種植了1年狗牙根后的土壤全氮含量較裸地土壤顯著下降(<0.05)由0.25 g/kg下降為0.18 g/kg，減少了28%；與此同時，裸地土壤全鉀、全磷和速效鉀含量分別為27.7 g/kg、0.73 g/kg和216.2 mg/kg，種植1年狗牙根后土壤中3個指標的含量分別減少了3.97%、1.37% 和0，但差異不顯著(>0.05)，這可能表明狗牙根的生長發(fā)育會消耗較多的氮元素，但對土壤中磷和鉀元素的影響不大。裸地對照土樣有效磷含量為10.6 mg/kg，種植1年狗牙根后的土壤有效磷含量上升為18.8 mg/kg，增加了77.4%，有明顯的上升趨勢(<0.05)，表明種植狗牙根對土壤有效磷含量具有一定的增加效果(圖1)。

2.2 種植狗牙根對重度黏性鹽堿地土壤鹽分離子和酶活性的影響

如圖2所示，種植一年狗牙根后的土壤與裸地土壤中的Cl–含量差異顯著(<0.05)，裸地土壤Cl–含量為0.78 g/kg，種植1年狗牙根后降低為0.12 g/kg，減少了84.6%。裸地土壤Ca2+、K+、Mg2+、Na+含量分別為0.103、0.147、0.094、1.031 g/kg，種植狗牙根1年后分別顯著下降為0.043、0.075、0.022、0.574 g/kg(<0.05)，分別降低了58.3%、49.0%、76.6%、44.3%?？梢?，種植狗牙根對降低鹽堿地土壤鹽基離子含量效果顯著。

圖2 種植狗牙根土壤與裸地對照土壤離子濃度及土壤酶活比較

裸地土壤中堿性磷酸酶活性均值為794 U/g，種植了1年狗牙根后顯著增加為1 677 U/g(<0.05)，是裸地土壤的2.11倍，表明種植狗牙根對土壤中堿性磷酸酶活性有顯著的增強效果。裸地土壤中過氧化氫酶、脲酶活性均值為125、303 U/g，種植1年狗牙根后為129、349 U/g，分別增加了3.20%、15.2%，但影響不顯著(>0.05)(圖2)。

2.3 土壤理化性質與土壤酶活性的相關性

土壤各理化指標的Pearson相關性如表1所示。由表1可知，土壤含鹽量分別與土壤pH、Ca2+、K+、Mg2+、Na+、Cl–含量呈顯著(<0.05)或極顯著(<0.01)正相關關系；土壤pH與Ca2+、K+、Mg2+、Na+、Cl–含量互為顯著正相關關系(<0.05)；土壤有機質與土壤有效磷、全鉀與全磷含量均呈顯著正相關關系(<0.05)。

表1 土壤理化性質與土壤酶的Pearson相關性

注：*、**分別表示在<0.05、<0.01水平(雙尾)顯著相關；下同。

2.4 種植狗牙根對重度黏性鹽堿地土壤微生物多樣性的影響

從表2可以看出，通過16S rDNA檢測，種植狗牙根的土壤可直觀觀測到的物種數目顯著高于裸地土壤(<0.05)。兩土壤間Shannon指數和Simpson指數(微生物多樣性)無顯著性差異(>0.05)，但Chao1指數種植狗牙根土壤顯著高于裸地土壤(<0.05)。說明種植狗牙根后，土壤環(huán)境中的物種豐富度顯著升高。

表2 不同土壤樣品中16S rDNA的Shannon指數、Simpson指數和Chao1指數

注：PCK：裸地土壤；HP：狗牙根種植土壤。表中同行不同小寫字母表示不同土壤間差異顯著(<0.05)。

2.5 土壤理化性質與土壤微生物多樣性的相關性

如表3所示，土壤細菌酸桿菌門(Acidobacteria)相對豐度與土壤Cl–、Na+、全氮和鹽分含量均呈現(xiàn)顯著的負相關關系，而放線菌門(Actinobacteria)相對豐度與土壤全氮含量呈現(xiàn)顯著的正相關關系，變形菌門(Proteobacteria)相對豐度與土壤有機質含量呈現(xiàn)顯著的正相關關系。芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)相對豐度與疣微菌門(Verrucomicrobia)相對豐度呈現(xiàn)顯著的正相關關系。土壤Na+、Cl–含量與土壤鹽分含量間呈現(xiàn)極顯著的正相關關系，因此，各門類細菌與這3個土壤性狀之間呈現(xiàn)相似的相關關系。5個環(huán)境因子中，有機質與各門類細菌表現(xiàn)的相關關系和土壤Na+、Cl–、鹽分以及全氮表現(xiàn)的相關關系相反。厚壁菌門(Firmicutes)與放線菌門表現(xiàn)負相關關系，而與其他門類細菌均表現(xiàn)正相關關系。而綠彎菌門(Chloroflexi)與變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)表現(xiàn)正相關關系，與其余門類細菌均表現(xiàn)負相關關系。放線菌門(Actinobacteria)與泉古菌門(Crenarchaeota)、綠彎菌門(Chloroflexi)呈現(xiàn)正相關關系，與其余門類細菌均表現(xiàn)負相關關系(表3)。

3 討論

3.1 種植狗牙根對土壤理化性質的影響

土壤中的可溶性鹽基離子是阻礙植物生長發(fā)育的重要因素。本試驗中，種植狗牙根使土壤由原本的重度鹽漬土(6.41 g/kg)降低至輕度鹽漬土(1.75 g/kg)，含鹽量降低了約72.6%(圖1)，此外，還顯著降低了試驗區(qū)土壤pH與Ca2+、Na+和Cl–等鹽基離子含量(圖2)，表明種植狗牙根對降低土壤含鹽量有顯著的效果，改善了試驗區(qū)的土壤環(huán)境。土壤有機質含量是反映土壤肥力的一個重要指標。在本次試驗中，裸地對照土壤的有機質含量為4.02 g/kg，種植狗牙根后土壤有機質上升為6.33 g/kg，增加了57.5%(圖1)，表明種植狗牙根顯著地提高了土壤的有機質含量。但土壤的全氮、全磷和全鉀含量有所下降(圖2)。這些結果表明，可能由于試驗地的有機質基礎較低，狗牙根的種植為土壤增加了一定的有機質含量，但同時狗牙根的生長增加了對土壤中養(yǎng)分的消耗，導致土壤中養(yǎng)分含量降低[25]。

表3 土壤基本理化性質與相對豐度前10位菌門的Pearson相關性

3.2 種植狗牙根對土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤組分中較為活躍的成分之一。在根際環(huán)境中，植物根系活動為土壤微生物提供了豐富的物質與能量來源，對其生長、代謝和分布狀況產生重要影響，進而調控土壤酶的釋放[26]。相關研究表明，土壤有機質含量增加，會使得土壤蔗糖酶和脲酶活性水平增強，但會造成過氧化氫酶活性下降[27]。本試驗中，種植狗牙根土壤堿性磷酸酶活性、過氧化氫酶活性和脲酶活性較裸地對照土壤均有所提高，提升幅度分別為1.11倍(<0.05)、3.40% 和15.2%(圖2)。土壤磷酸酶是一類催化土壤有機磷化合物礦化成無機磷的酶，而土壤脲酶能酶促土壤中尿素水解成氨，二者與土壤有效磷、有機質等肥力指標密切相關。通過相關性分析發(fā)現(xiàn)，土壤堿性磷酸酶的活性不僅與土壤有機質含量顯著正相關(<0.05)，與土壤有效磷含量也存在極顯著正相關關系(<0.01)，而脲酶活性除了與Cl–含量呈負相關關系，與其余的土壤理化性質均呈現(xiàn)正相關關系(表1)?？梢姡N植狗牙根能夠通過提高土壤酶活性的方式達到活化土壤中養(yǎng)分的目的，進而提高土壤中養(yǎng)分的有效性，提升土壤肥力。

3.3 種植狗牙根對土壤微生物的影響

土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，土壤微生物多樣性及其變化影響著土壤肥力的高低及其變化[28]。Zhang等[29]研究表明，土壤性質對細菌群落結構有著重要的影響，環(huán)境特性的差異直接影響了土壤中細菌的生物活性與組成，本試驗結果與之相一致。本試驗種植狗牙根的土樣中所觀測到的物種數目和物種豐富度皆顯著高于裸地對照土樣(<0.05)(表2)，說明種植狗牙根顯著提升了土壤中物種豐富度。李麗娟[30]對三峽消落帶不同植被土壤進行微生物檢測，其對于種植狗牙根土樣中真核微生物門類檢測結果與本次種植狗牙根土樣中所檢測出的門類順序大致相同。Jousset等[31]研究發(fā)現(xiàn)，變形菌門中包含和植物共生(根瘤菌屬)以及具有一定降解有機物能力的多種好氧或者兼性細菌；LeFevre等[32]的研究表明，變形菌門在抑制病原微生物和還原難降解有機物中發(fā)揮重要作用。本研究中，變形菌門相對豐度與有機質含量呈現(xiàn)顯著正相關關系(表3)，這與前人的研究結果相一致。且本試驗中，豐度較高的細菌門類中，浮霉菌門和泉古菌門與氨氧化有著密切的關系，芽孢桿菌門對土壤污染物(例如農藥、烴等)和植物凋落物等成分的降解過程發(fā)揮重要的作用，綠彎菌門具有還原亞硝酸鹽的生態(tài)功能[33-35]。說明種植狗牙根使土壤的理化性質發(fā)生改變，鹽分降低，養(yǎng)分含量增加，同時使土壤中的各微生物種群與土壤環(huán)境之間相互循環(huán)促進，以達到改良鹽堿地的效果。

4 結論

1) 種植1年狗牙根后，濱海重度黏性鹽堿地土壤鹽度和pH分別顯著降低(<0.05)了72.6%和10.3%，至1.75 g/kg和pH 7.47。

2) 種植1年狗牙根后，土壤有機質含量由4.02 g/kg顯著提升至6.33 g/kg(<0.05)；土壤有效磷含量增加了77.4%(<0.05)；土壤全氮顯著降低了28%(<0.05)；土壤速效鉀、全鉀和全磷沒有顯著變化。

3) 種植1年狗牙根后，土壤中堿性磷酸酶活性增加了1.11倍(<0.05)，而過氧化氫酶活性與脲酶活性分別增加了3.4% 和15.2%(>0.05)。

4) 種植1年狗牙根后，土壤中物種豐富度顯著提升，且土壤中有機質、全氮、Na+和Cl–含量均對土壤微生物群落結構有顯著影響。

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Cultivation of Herbaceous Plants () is Helpful to Improve Soil Quality of Clayey Coastal Saline-Alkali Land

SHAO Tianyun1, YAN Xiao1, JIA Bingzhi2, XU Lingxi2, MA Zhanhong2, REN Yingfei1, LONG Xiaohua1*

(1 College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2 Jiangsu Fangyang Group Co., Ltd., Lianyungang, Jiangsu 222065, China)

This study is to study the improvement effects of herbaceous plant () planting on the clayey coastal saline-alkali land. The coastal saline-alkali soil with and withoutplanting in Lianyungang City of Jiangsu Province was taken as the experimental object, soil samples ofplanted for one year and the bare land (CK) were collected and determined. The results showed thatplanting reduced soil salinity, pH value, and the concentrations of Ca2+, K+, Mg2+, Na+and Cl–, increased soil moisture, the contents of organic matter, available phosphorus, and the diversity and richness of soil microbial community. In conclusion, the cultivation ofhas the remarkable effects on the removal of saline-alkali barrier and the improvement of soil fertility in the clayey coastal saline-alkali land.

Saline alkali land; Soil improvement;; Soil microorganism; Soil enzyme

X53

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.04.009

邵天韻, 燕瀟, 賈秉志, 等. 種植草本植物狗牙根改良濱海黏性鹽堿地的研究. 土壤, 2023, 55(4): 764–770.

徐圩新區(qū)土壤改良及綠化植物優(yōu)選研究實施項目(001-QT900-ZX017)資助。

(longxiaohua@njau.edu.cn)

邵天韻(1994—)，女，江蘇南京人，博士，主要研究方向為鹽堿地生態(tài)改良與修復。E-mail: t2022065@njau.edu.cn