松嫩鹽堿退化草地土壤理化性質(zhì)及離子變化規(guī)律分析

摘要：為了解不同鹽堿退化狀態(tài)下土壤理化性質(zhì)和土壤離子的變化，本研究以松嫩溫性草甸草地為研究對象，比較了未退化、輕度、中度和重度鹽堿退化草地下土壤離子和土壤理化性質(zhì)，分析鹽堿退化過程中土壤理化性質(zhì)、離子變化規(guī)律及其相互關(guān)系。結(jié)果表明：土壤K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、HCO-3、SO2-4、CO2-3隨鹽堿程度加重顯著增加，陽離子交換量顯著下降（Plt;0.05）。隨著鹽堿程度變化，土壤電導(dǎo)率、pH、全鉀顯著增加，土壤全氮、堿解氮顯著下降（Plt;0.05）。與未退化土壤相比，輕度和中度鹽堿草地土壤含水量顯著上升（Plt;0.05），速效磷含量顯著降低（Plt;0.05）；重度退化鹽堿草地速效磷含量顯著上升（Plt;0.05）。土壤TN、AN、AP、K+與鹽堿化程度之間存在顯著的相關(guān)性。未退化草地土壤AN、TN含量較高，而重度退化草地AP、K+含量較高。本研究為松嫩鹽堿退化草地修復(fù)措施的合理選擇提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：松嫩草地；鹽堿化；土壤理化性質(zhì)；土壤離子

中圖分類號：S156.4+4""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"""" 文章編號：1007-0435（2024）06-1702-08

Analysis of Soil Physical and Chemical Properties and Ion Variation Rule of

Saline-alkali Degraded Grassland in Songnen

WEI Yin-zhu1， LI Jia-hong1， SUN Xue-tong1， LIU Jie-lin2， XIAO Hui-chuan1， LI Hao-tian1，

FU Chu-han1， SONG Xue1， ZHANG Qiang2， QIN Li-gang1*

（1. College of Animal Science， Northeast Agricultural University， Harbin， Heilongjiang Province 150000， China; 2. Institute of

Forage and Grassland Science， Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences， Harbin， Heilongjiang Province 150000， China）

Abstract：In order to understand the changes of soil physicochemical properties and soil ions under different saline degradation states，this study took the grassland of Songnen temperate meadow as the research object，compared the soil ions and soil physicochemical properties under the non-saline-alkali，light，moderate and heavy saline degradation grassland，and analyzed the changing rules of soil physicochemical properties and ions and their interrelationships in the process of saline degradation.The results shows that soil K+，Na+，Mg2+，Ca2+，Cl-，HCO-3，SO2-4，CO2-3 increased significantly with the increase of salinity （Plt;0.05），and cation exchange capacity decreased significantly （Plt;0.05）. With the change of salinity， soil conductivity， pH and total potassium increased significantly， while soil total nitrogen and alkali-hydrolyzable nitrogen decreased significantly（Plt;0.05）. Compared with non-degraded grassland soil，the soil water content of light and moderate saline-alkali grassland increased significantly （Plt;0.05），and the available phosphorus content decreased significantly. The content of available phosphorus in heavily degraded saline-alkali grassland increased significantly （Plt;0.05），Soil TN，AN，AP，K+ showed a significant correlation with the degree of salinization. Soil AN and TN contents were higher in non-degraded grassland，while AP and K+ contents were higher in heavily degraded grassland. This study provides a basis for the rational selection of restoration measures for saline degraded grassland in Songnen Plain.

Key words：Songnen grassland;Salinization and alkalization;Soil physical and chemical properties;Soil ions

松嫩草地位于干旱-半干旱氣候區(qū)，是重要的生態(tài)屏障和草牧業(yè)基地。它在調(diào)控氣候、防風(fēng)固沙、生物多樣性保持、水土保持等方面發(fā)揮著十分重要的生態(tài)作用［1］。近年來，全球氣候變化和人類活動加劇，松嫩草地面積不斷減少，退化、沙化和鹽堿化問題日益嚴(yán)重，其中鹽堿化現(xiàn)象尤為突出。松嫩草地是世界上三大片蘇打鹽堿地集中分布區(qū)域之一，現(xiàn)有鹽堿化土地373萬hm2，占該平原面積的21%。其中，重度鹽堿化土地面積仍在以每年1.4%的速度擴(kuò)展［2］。鹽堿化土地面積不斷增長，鹽堿化程度也不斷加劇，導(dǎo)致大面積草原退化，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，對該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了極大的阻礙［3］。

土壤是草地生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其有機(jī)質(zhì)含量、氮和磷等元素是評價土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，是影響草地生產(chǎn)力和生物多樣性的關(guān)鍵因素［4-5］。草地退化是人類活動和氣候變化導(dǎo)致的草地植被退化、土壤肥力下降、生態(tài)功能減退的過程。土壤水分、電導(dǎo)率和pH值是反映土壤肥力和環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)［6］。土壤水分和養(yǎng)分是影響草原生態(tài)系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素，它們影響植物生長、植物群落演替和微生物代謝［7-10］。草地退化會改變土壤結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致土壤肥力下降，進(jìn)而導(dǎo)致草地植被退化［11］。鉀（K）、鈣（Ca）、鎂（Mg） 是土壤中重要的養(yǎng)分元素，也是土壤交換性鹽基離子的主要成分，鹽基離子之間的交換量以及與氮、磷等營養(yǎng)元素的交互作用，是維持陸地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)［12］。土壤鹽分積累是導(dǎo)致草地退化和鹽堿化現(xiàn)象的主要原因之一，土壤中鹽分的積累會破壞土壤-植物間的營養(yǎng)平衡，同時，鹽堿退化會導(dǎo)致土壤微生物多樣性和特定微生物功能基因多樣性降低，進(jìn)而對草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響［13-14］。此外，鹽分還會影響土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，加劇土壤退化［15］。近年來，松嫩草地土壤鹽堿化問題日益嚴(yán)重，研究松嫩鹽堿退化草地土壤理化性質(zhì)及離子的變化規(guī)律，對于指導(dǎo)土壤鹽堿化治理具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于國家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系綏化綜合試驗(yàn)站（125°28′24″ E，46°32′17″ N，海拔高度為160 m），屬于松嫩平原東南部，大陸性季風(fēng)氣候，年降雨量469.7 mm，年均氣溫2.9℃，年積溫≥10℃，活動積溫2 760℃，年均日照時數(shù)2 713 h；無霜期為130 d，全年結(jié)凍期為183 d。土壤以淡黑鈣土、鹽堿化草甸土為主。植被類型以中生或旱生禾本科植物為主，優(yōu)勢種為羊草（Leymus chinensis （Trin.） Tzvel.），伴生種有五脈山黧豆（Lathyrus quinquenervius （Miq.） Litv.）、虎尾草（Chloris virgata Sw）、堿茅（Puccinellia distans （L.） Parl.）、牛鞭草（Hemarthria sibirica （Gandoger） Ohwi）、寸草苔（Carex duriuscula C.A.Mey.）、蘆葦（Phragmites communis （Cav.） Trin. ex Steud.）、堿蓬（Suaeda glauca （Bunge） Bunge）等。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

根據(jù)植被群落特征，進(jìn)行不同鹽堿化程度草地的劃分，并在不同鹽堿程度的羊草草地上選擇實(shí)驗(yàn)樣地，其典型特征是土壤的鹽堿化漸漸加重，羊草的種群密度降低，次生的植物群落出現(xiàn)［16］。本研究共設(shè)置4個試驗(yàn)樣地，每個樣地的面積5 m×5 m，設(shè)置3個重復(fù)（表1）。于2019年7月中旬在四個樣地分別進(jìn)行土壤實(shí)驗(yàn)樣品采集，每個樣地分別設(shè)置4個1 m×1 m的樣方，在每個樣方中以“s”形5點(diǎn)法取樣，使用土鉆分別采取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層土壤，每層取3鉆后混合，四分法收集樣品。帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后待測。

1.3 指標(biāo)測定方法

土壤含水量（Soil water content，SWC）用重量法測定，電導(dǎo)率（Electrical conductivity，EC）用電導(dǎo)率儀測定，pH值用pH計測定（土水比為1∶5），全氮（Total nitrogen，TN）用凱氏定氮法測定，全鉀（Total potassium，TK）用火焰光度法測定，速效磷（Available phosphorus，AP）用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，堿解氮（Alkali-hydrolyzable nitrogen，AN）用堿解擴(kuò)散法測定，土壤陽離子交換量（Cation exchange capacity，CEC）用乙酸鈉-火焰光度法測定，鉀離子（Potassium ion，K+）和鈉離子（Sodium ion，Na+）用火焰光度法測定、鎂離子（Magnesium ion，Mg2+）和鈣離子（Calcium ion，Ca2+）用EDTA絡(luò)合滴定法測定，氯離子（Chloride ion，Cl-）用硝酸銀滴定法測定，碳酸根離子（Carbonate ion，CO2-3）和碳酸氫根離子（Bicarbonate ion，HCO-3）用雙指示劑中和滴定法測定，硫酸根（Sulphate ion，SO2-4）用EDTA間接絡(luò)合滴定法測定［17］。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用IBM SPSS Statistics 23.0進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA）比較不同鹽堿程度土層深度土壤理化性質(zhì)及離子變化，選取最小顯著性差異法（Least Significant difference，LSD）檢驗(yàn)差異顯著性；采用Origin 2021軟件進(jìn)行主成分分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)分析

如圖1所示，SWC總體表現(xiàn)為MSgt;LSgt;NSgt;HS。與NS相比，MS各土層土壤SWC顯著增加（Plt;0.05）。同一處理，HS的20～30 cm土層土壤SWC顯著高于0～10 cm（Plt;0.05），其他土層之間無顯著變化。土壤EC和pH隨鹽堿程度和土層深度的增加呈上升趨勢。與NS相比，MS的pH顯著上升，HS的pH和EC均顯著上升（Plt;0.05）。同一處理下，HS、MS的20～30 cm土層EC顯著高于0～10 cm土層（Plt;0.05）。NS、LS的20～30 cm土層pH顯著高于0～10 cm土層（Plt;0.05），而MS土壤則相反，0～10 cm土層pH顯著高于20～30 cm土層（Plt;0.05）。

由圖2可知，隨鹽堿程度的加劇，TK含量呈顯著上升趨勢，AP含量呈先下降后上升趨勢，TN和AN含量則呈顯著下降趨勢（Plt;0.05）。TK含量僅在LS的0～10 cm土層顯著高于其他土層（Plt;0.05），其他草地不存在土層差異。與NS相比，不同鹽堿退化草地土壤TK含量顯著上升；AP含量在LS、MS顯著下降，HS顯著增加（Plt;0.05）。同一處理，AP含量隨著土層深度增加顯著下降（Plt;0.05）。土壤TN含量在不同草地、不同土層之間均存在顯著差異（Plt;0.05）。與NS相比，MS和HS土壤TN和AN含量均顯著下降（Plt;0.05）。同一處理，AN在不同土層深度之間差異顯著（Plt;0.05），隨著鹽堿程度的增加，AN含量在不同土層的分布狀況發(fā)生了變化，由表層（0～10 cm）含量最高轉(zhuǎn)變?yōu)楸韺雍孔畹?、底層?0～30 cm）最高。

2.2 土壤離子含量分析

由圖3可知，隨鹽堿程度和土層深度的增加，CEC呈顯著下降趨勢（Plt;0.05）。研究區(qū)域CEC介于23.65～53.78 cmol·kg-1，與NS相比，MS和HS的CEC顯著降低Plt;0.05）。同一處理，20～30 cm土層CEC均顯著低于0～10 cm土層（Plt;0.05），尤其是HS，顯著降低了43%（Plt;0.05）。

如圖4所示，土壤陽離子含量隨鹽堿程度和土層深度的增加呈顯著增加趨勢。該研究區(qū)域土壤陽離子主要以Na+和Mg2+為主，同土層離子含量的順序?yàn)镹a+gt;Mg2+gt;K+gt;Ca2+，K+含量對鹽堿退化的響應(yīng)最敏感。與NS相比，LS、MS和HS土壤K+、Mg2+、Ca2+含量均顯著增加（Plt;0.05），土壤Na+含量僅在HS顯著高于NS（Plt;0.05）。同一處理，土壤K+、Na+、Mg2+、Ca2+含量隨土層深度增加呈上升趨勢，只有個別草地和土層差異顯著。對于K+離子，20～30 cm土層顯著高于其他土層（Plt;0.05）。對于Na+含量，MS和HS的20～30 cm顯著高于0～10 cm土層（Plt;0.05）。對于Mg2+含量，LS、HS的20～30 cm土層顯著高于0～10 cm土層（Plt;0.05）。對于Ca2+含量，NS、HS的20～30 cm土層顯著高于0～10 cm土層（Plt;0.05）。

土壤陰離子含量隨鹽堿程度和土層深度的增加呈上升趨勢（圖5）。該研究區(qū)域土壤陰離子主要以SO2-4和HCO-3為主，同土層離子含量的順序?yàn)镾O2-4gt;HCO-3gt;Cl-gt;CO2-3。土壤Cl-和CO2-3含量對鹽堿退化和土層變化的響應(yīng)普遍不顯著，僅個別草地和土層出現(xiàn)顯著差異。例如，對于Cl-含量，與NS相比，HS的0～10 cm和20～30 cm土層顯著上升（Plt;0.05）；同一處理，MG和HS 20～30 cm土層顯著高于10～20 cm土層（Plt;0.05）。對HCO2-3含量，MS和HS含量顯著上升。對于CO2-3含量，與NS相比，HS的10～20 cm、20～30 cm土層顯著高于其他草地（Plt;0.05）。對于SO2-4含量，與NS相比，僅HS的SO2-4含量顯著升高（Plt;0.05）；同一處理，土壤SO2-4含量在20～30 cm土層顯著高于其他土層（Plt;0.05）。

2.3 相關(guān)性分析和主成分分析

如圖6所示，土壤SWC與AP顯著負(fù)相關(guān)；土壤EC與TN、AN顯著負(fù)相關(guān)，與TK和pH顯著正相關(guān)；土壤pH與TN、AN顯著負(fù)相關(guān)，與TK、EC顯著正相關(guān)；土壤TN與TK顯著負(fù)相關(guān)，與AN顯著正相關(guān)；土壤SO2-4與Na+、HCO-3、CO2-3、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-顯著正相關(guān)；土壤Na+與HCO-3、CO2-3、K+、Ca2+、Mg2+顯著正相關(guān)；土壤HCO-3與CO2-3、K+、Ca2+、Mg2+之間顯著正相關(guān)；土壤CO2-3與K+、Ca2+、Mg2+顯著正相關(guān)；土壤K+與Ca2+、Mg2+顯著正相關(guān)；土壤Mg2+與Ca2+之間顯著正相關(guān)，與AN顯著負(fù)相關(guān)。通過主成分分析得出草地退化影響著土壤理化性質(zhì)與土壤離子含量（圖7），所選環(huán)境因子顯著解釋84.89%的變化差異，排序軸PC1和PC2分別解釋58.56%和25.89%的變化差異。

3 討論

不同程度鹽堿退化草地土壤理化性狀差異。研究結(jié)果表明，不同程度鹽堿退化草地土壤含水量隨土層深度增加而升高。這與胡娟等［18］對松嫩平原土壤水分時空變化特征的研究結(jié)果一致，0～30 cm深度范圍內(nèi)，隨土層深度增加，平均土壤含水量從8.18%增加至11.0%。電導(dǎo)率和pH是反映土壤鹽漬化程度的重要指示因子，而土壤鹽漬化是造成草地退化的主要因素之一［19］。本研究結(jié)果表明，電導(dǎo)率和pH均隨草地退化程度的加劇而升高。土壤電導(dǎo)率和pH在重度鹽堿退化草地處于最高水平，表明重度鹽堿土壤的離子組成對土壤的堿度有較大的貢獻(xiàn)［20］。電導(dǎo)率反映了土壤溶液中離子濃度的大小，在一定濃度范圍內(nèi)，溶液的電導(dǎo)率與鹽分含量的增加呈正相關(guān)，即隨鹽分的增加，電導(dǎo)率也隨之增大［21］。因此，電導(dǎo)率可以用來指示土壤的含鹽量水平。土壤中速效磷和堿解氮是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)［22］。本研究中，土壤養(yǎng)分隨鹽堿退化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。土壤TN，AN含量隨鹽堿程度的加深整體呈現(xiàn)下降趨勢，這與前人研究結(jié)果一致［22-23］，分析其原因可能是鹽堿退化影響土壤碳、氮、磷等元素循環(huán)過程，進(jìn)而會導(dǎo)致土壤肥力下降［24-25］。土壤陽離子交換量是指土壤膠體所能吸附各種陽離子的總量，反映土壤保持養(yǎng)分能力的大小，即土壤陽離子交換量越高，土壤的保肥能力越強(qiáng)［26］。本研究中，土壤陽離子交換量隨鹽堿程度和土層深度的加深而降低，可能與草地退化引起有機(jī)質(zhì)含量降低有關(guān)［27］。土壤陽離子交換量與土壤有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)［28-29］，而隨著鹽堿程度的加深和土層深度，土壤有機(jī)質(zhì)含量降低［30］，導(dǎo)致土壤的緩沖能力下降，保肥性減弱，因而土壤陽離子交換量含量也隨之降低。

研究發(fā)現(xiàn)松嫩草地土壤中陽離子以Na+、Mg2+為主，陰離子以SO2-4、HCO-3為主。此外，主成分分析表明在未鹽堿退化草地土壤AN、TN含量較高，而重度鹽堿草地AP、K+含量較高。其原因是土壤陰離子和陽離子含量不僅能反映土壤養(yǎng)分含量和鹽堿程度，而且對植物的生長也有一定的影響［31］，Na+可溶性大、流動性強(qiáng)、對植物的傷害最大，當(dāng)土壤中Na+過多時，高濃度的Na+抑制了植物對其他離子，如K+的吸收，導(dǎo)致土壤中K+累積［32-33］。土壤K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、HCO-3、SO2-4、CO2-3含量隨鹽堿程度的加深均呈現(xiàn)上升趨勢，這與前人研究結(jié)果一致［［34］。土壤K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、HCO-3、SO2-4、CO2-3等水溶性鹽基離子是可以被植物直接吸收和利用的營養(yǎng)元素［31］，其濃度隨鹽堿退化程度增加的原因是鹽堿化嚴(yán)重，土壤養(yǎng)分減少，植物多樣性、生物量、蓋度和密度下降［35-37］，植物可吸收的可溶性鹽類離子也相應(yīng)減少，這就造成了退化草地土壤中鹽離子濃度高于為未退化草地。另有大量研究表明鹽基離子含量與土壤電導(dǎo)率呈線性正相關(guān)［21，38-39］，退化草地土壤電導(dǎo)率增加會促進(jìn)可溶性鹽基離子的積累。

4 結(jié)論

本研究探討了草地鹽堿退化過程中土壤理化性質(zhì)與土壤離子的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著鹽堿程度的增強(qiáng)，土壤陽離子和陰離子（K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、HCO-3、SO2-4、CO2-3）均顯著增加，土壤TN、AN和CEC顯著下降。此外，通過主成分分析發(fā)現(xiàn)，土壤TN、AN、AP、K+與鹽堿化程度呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性，在未鹽堿退化草地土壤AN、TN含量較高，而重度鹽堿草地AP、K+含量較高。因此，在鹽堿草地的修復(fù)過程中，可根據(jù)土壤離子動態(tài)變化選擇合適的修復(fù)措施，以恢復(fù)土壤肥力、提高草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而為維護(hù)草地資源、推動草地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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（責(zé)任編輯 彭露茜）