葉爾羌河流域胡楊葉片生理特性和對土壤水鹽及pH值的響應

莫治新，王超，王浩，孫夢，韋良煥

（喀什大學 化學與環(huán)境科學學院 &新疆生物類固廢資源化工程技術研究中心，喀什 844006）

位于新疆維吾爾自治區(qū)西南、塔里木盆地西部邊緣，發(fā)源于喀喇昆侖山的葉爾羌河流域全長1097 km［1］.葉爾羌河是塔里木河的源頭之一.該區(qū)以農業(yè)為主導，因其豐富的光、熱資源，從60 年代起，灌溉規(guī)模迅速擴張；由于作物產量的增長，致使塔里木河的下游終端已基本沒有水源流入［2］.葉爾羌河是保證新疆塔里木河生態(tài)環(huán)境安全和促進新疆地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的一個主要來源［3-5］.位于塔里木河上游的葉爾羌河流域，是一個典型的干旱極端區(qū)域，其生態(tài)環(huán)境十分脆弱，容易遭受氣候變遷和人為活動的破壞.近幾年，由于受自然因素和人為因素的影響，造成了流域內河流斷流的頻發(fā)［6-7］，以胡楊林為代表的荒漠河岸林日漸衰落，使其防風固沙、調節(jié)氣候、維持綠洲的可持續(xù)發(fā)展能力受到削弱［8］.

胡楊（Populus euphraticaOliv.）隸屬于楊柳科（Salicaceae）楊屬（PopulusLinn.）是葉爾羌河流域荒漠河岸林中的主要建群種，對維持葉爾羌河流域生態(tài)系統(tǒng)的平衡與生態(tài)功能具有重要作用［9］.葉爾羌河流域胡楊林內植物資源較為豐富［10］，但是近幾年，人為破壞，水資源匱乏，使得胡楊林資源逐年下降［11］，表現(xiàn)為森林面積逐年縮小，動態(tài)度降低，斑塊化傾向，生物多樣性下降，進而破壞荒漠生態(tài)系統(tǒng)的平衡［12-14］.胡楊在維持荒漠生態(tài)系統(tǒng)平衡上起著不可取代的作用［15］.

葉爾羌河流域水資源承載水平到達超載的邊緣［16］.該流域氣候干燥，水土流失嚴重，土壤質地疏松，地表植物稀少，有機質水平偏弱；河灘、低洼地區(qū)存在嚴重的鹽堿地、地表水及地下水利用不合理，排水系統(tǒng)不健全，在強烈的蒸騰作用下，容易發(fā)生次生鹽漬化［17］.

針對以上問題，本文對葉爾羌河的土壤水分、土壤鹽分和pH 值的空間變化特點進行分析，研究土壤水分、鹽分、pH 值與胡楊葉片生理指標之間的相關性，為研究區(qū)胡楊資源的保護，維護生態(tài)平衡具有一定的理論意義.

1 研究方法

1.1 樣地基本情況

在葉爾羌河流域上游、中游、下游的胡楊林典型區(qū)域設置樣地15個，通過樣方調查（表1），每個樣方的面積為50 m×50 m，按人為分層采集土壤樣品，分為5 層：0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm.

表1 樣地基本情況Tab.1 Basic situation in the plots

1.2 土壤樣品室內分析

土壤水分采用烘干法測定，土壤總鹽采用重量法測定，土壤pH 值采用酸度計進行測定［18］.胡楊葉片用丙酮提取-分光光度法檢測葉綠素含量，用蒽酮方法檢測了其可溶性糖含量，用酸三酮顯色分析方法檢測游離脯氨酸含量，用硫代巴比妥酸法檢測丙二醛含量［19］.

1.3 數(shù)據(jù)處理

用 SPSS 20.0及 Excel對數(shù)據(jù)進行分析.

2 結果與分析

2.1 胡楊林下土壤水鹽及pH值空間分布特征

葉爾羌河流域胡楊林下土壤水分、鹽分和pH值存在明顯的空間分布規(guī)律（圖1），結果表明：葉爾羌河流域上游胡楊林下土壤含水量＞中游＞下游；上游胡楊林下土壤含水量隨著土壤深度的增加而增加，各層含水量均大于20%，各層之間含水量最大增幅為13.47%，最小增幅為3.35%；中游胡楊林下的土壤含水量變幅不大，各層含水量在13.43%～18.42%，其中在60～80 cm 土壤含水量達最大值18.42%，20～40 cm 土壤含水量略高于表層（0～20 cm）和第三層（40～60 cm）土壤含水量；下游胡楊林下土壤含水量在20～40 cm 達到最大值7.65%，40 cm 以下含水量變幅較小.上游土壤鹽分＞下游＞中游，各段胡楊林下土壤鹽分含量均是在表層（0～20 cm）達到最大值，由此說明：葉爾羌河流域胡楊林下鹽分表聚作用強烈；隨土壤深度的增加，土壤鹽分呈現(xiàn)下降的趨勢，其中上游胡楊林下的土壤鹽分降幅顯著，降幅在44.58%～65.19%之間；中游胡楊林下的土壤鹽分隨深度增加降幅較小，降幅在8.05%～40.70%；隨著深度的增大，下游胡楊林地的含鹽量下降幅度逐漸減小，降幅從47.7%降至29.0%.胡楊林下在0～80 cm 范圍內，上游土壤pH 值＞中游＞下游，其中上游胡楊林下的土壤pH 值在第二層（20～40 cm）和第四層（60～80 cm）含量較高，在表層（0～10 cm）、第三層（40～60 cm）和第五層（80～100 cm）含量較低，各層變幅較小，在1.49%～2.29%之間.中游和下游胡楊林下的土壤pH值均是在第五層（80～100 cm）含量達到最大值，在表層（0～10 cm）含量最低，中游胡楊林下各層土壤pH值變幅在0.23%～2.45%之間.下游胡楊林下的各層土壤pH值變幅在0.35%～2.86%之間.

圖1 胡楊林下各土層土壤水鹽含量及pH值變化Fig.1 Dynamics of soil water-salt content and pH value under different habitats in Populus euphratica

2.2 胡楊林下土壤水鹽空間變異性分析

葉爾羌河流域上游、中游、下游胡楊林下的土壤水分、鹽分、pH 值的變異系數(shù)存在顯著差異（圖2），結果表明：上游胡楊林下各深度土壤含水率的變異系數(shù)在14.82%～38.79%之間，變異強度較弱；各層土壤鹽分的變異系數(shù)均大于100%，屬強變異性.在中游胡楊林下表層（0～20 cm）土壤含水率的變異系數(shù)為18.03%，變異程度較弱，20～40 cm 土壤含水率的變異系數(shù)為85.01%，40～60 cm 土壤含水率的變異系數(shù)為78.56%，均屬于中等強度變異；60～80 cm、80～100 cm 土壤含水率的變異系數(shù)均大于100%，屬強變異性；土壤鹽分在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 和60～80 cm 的變異系數(shù)在65.16%～77.62%，均屬于中等強度變異，80～100 cm 土壤鹽分的變異系數(shù)為17.81%，變異程度較弱.下游胡楊林下土壤各層含水率的變異系數(shù)45.75%～104.32%，屬中強度變異；土壤各層鹽分的變異系數(shù)在67.54%～102.71%，屬中強度變異.土壤各層pH 值的變異系數(shù)均小于4%，變異程度極小.

圖2 胡楊林下土壤水鹽含量及pH值含量變異系數(shù)Fig.2 Variation coefficients of soil water-salt content and pH value under different habitats in Populus euphratica

圖3 胡楊葉片生理特性Fig.3 Physiological characteristics of leaves of Populus euphratica

2.3 胡楊葉片生理特性分析

受環(huán)境因素影響，葉爾羌河不同區(qū)域胡楊葉片生理特性存在差異（表3），結果表明：上游葉片丙二醛含量＜中游＜下游，丙二醛含量的變異系數(shù)也是上游＜中游＜下游，但變異系數(shù)均小于40%，變異程度較弱.上游葉片可溶性糖含量＞中游＞下游，可溶性糖的變異系數(shù)是上游＜中游＜下游，上游和中游的葉片可溶性糖的變異系數(shù)小于30%，變異程度較弱，下游葉片可溶性糖的變異系數(shù)為50.32%，屬中等強度變異.中游脯氨酸含量＞下游＞上游，葉片脯氨酸的變異系數(shù)是中游＞下游＞上游，變異系數(shù)均小于30%，變異程度較弱.中游葉片葉綠素含量＞上游＞下游，葉片葉綠素含量的變異系數(shù)為中游＞上游＞下游，變異系數(shù)小于40%，變異程度較小.

2.4 土壤的水鹽及pH 與胡楊葉片生理特性相關性分析

土壤含水率、鹽分含量及pH值與胡楊葉片的丙二醛、可溶性糖、脯氨酸和葉綠素含量進行Spearman相關性分析（表2），結果表明：脯氨酸與20～40 cm土壤含鹽量之間有顯著的負相關關系（P＜0.05），脯氨酸與40～60 cm 土壤含鹽量之間有極為顯著的負相關關系（P＜0.01）；丙二醛與0～20 cm 土壤含水率之間有極為顯著的負相關關系（P＜0.01）；脯氨酸與60～80 cm 土壤pH 值之間有顯著的負相關關系（P＜0.05），葉綠素與60～80 cm 土壤pH 值之間有顯著的正相關關系（P＜0.05）.

表2 土壤水鹽含量及pH值與胡楊葉片生理指標相關系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient of soil water-salt content and pH value with physiological indexes of Populus euphratica leaves

3 討論

葉爾羌河流域整體屬于干旱區(qū)，年降水量小于100 mm，近50 年來降水量呈增加趨勢，流域平均溫度從20 世紀90 年代中期開始表現(xiàn)為突變增溫，以暖濕趨勢為主［20］.這造成了流域胡楊林下的土壤鹽漬化程度的面積有所減小，調查的15個樣地中非鹽漬化土壤占60%，輕度鹽漬化土壤占13.33%，中度鹽漬化土壤占20%，鹽土占6.67%.

鹽分和水分是影響胡楊生長發(fā)育的主要因子.而胡楊在極端的干旱環(huán)境中為了增強自身的生存能力，必須進行適應改變［21-23］.土壤水分、鹽分、pH值的脅迫程度的改變會導致植株光合作用的細胞膜受到損傷，使葉綠素含量受到直接或間接的影響，從而導致光合能力下降；植物通過大量的有機、無機元素的累積，增加了細胞的液相含量，減少了滲透勢，增加了細胞的保水性；因此，它能適應土壤中的水分和鹽分的脅迫，同時也能反映出其它的生理指標［24-26］.葉爾羌河流域土壤水分的補給量上游＞中游＞下游，造成該區(qū)域土壤水分變化規(guī)律均是上游＞中游＞下游.由于研究區(qū)蒸發(fā)量大造成土壤鹽分表聚作用強烈，表層土壤鹽分含量均高于下層土壤.研究區(qū)屬于石灰石土壤或鹽堿土壤，因此該區(qū)域的土壤pH 值均在8～9 之間，且變異程度低.在不同區(qū)域土壤水分及土壤鹽分的變異程度差距較大，因此土壤水分及鹽分將是胡楊生長的主要限制因素，不同區(qū)域土壤水分及鹽分條件不同，造成胡楊的抗旱及抗鹽能力存在差異.研究區(qū)土壤水分、鹽分和pH值空間分布存在差異，導致胡楊葉片的脯氨酸、可溶性糖、丙二醛、葉綠素含量在不同區(qū)域分布的差異性，但是胡楊葉片的脯氨酸、可溶性糖、丙二醛、葉綠素含量的變異程度均屬于中低水平，說明胡楊葉片對土壤水分及鹽分的脅迫有較強的抗逆性.

4 結論

葉爾羌河流域胡楊林下0～100 cm 的土壤平均含水率及pH 值的變化規(guī)律為上游＞中游＞下游，胡楊林下0～100 cm 的土壤平均含鹽量的變化規(guī)律為上游＞下游＞中游，葉爾羌河上游、中游、下游胡楊林下的土壤水分、鹽分、pH值含量存在空間差異性，土壤水分和土壤鹽分的變異系數(shù)在不同空間差異較大，但土壤pH 值在不同空間變異程度均較小.在葉爾羌河流域的上游、中游、下游胡楊葉片丙二醛、可溶性糖、脯氨酸和葉綠素含量存在差異性，變異系數(shù)均較小.土壤的含水率、鹽分及pH 值與胡楊葉片的丙二醛、可溶性糖、脯氨酸和葉綠素含量存在一定的相關性.