蘇北濱海鹽漬土土壤基本性質(zhì)及其對中山杉生長的影響

鄭 旭, 趙文靜, 劉興滿, 張 康, 王文成, 秦 波, 唐羅忠

(1.連云港市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,江蘇 連云港 222000; 2.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心/南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,江蘇 南京 210037; 3.江蘇銀寶林業(yè)有限公司,江蘇 鹽城 224100)

土壤鹽漬化是一個(gè)全球性問題,嚴(yán)重威脅著世界各國的土地質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境[1]。全球鹽漬化土壤面積約為8.31×108hm2[2],中國的鹽漬化土壤面積約3.60×107hm2,主要分布在華北、東北、西北平原以及濱海區(qū)域[3-4]。此外,由于氣候變化、不合理的耕作制度等因素,土壤次生鹽漬化現(xiàn)象有日趨加重的趨勢[5-6]。因此,加強(qiáng)鹽漬土的改良對改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要[7]。

傳統(tǒng)的鹽漬土換土改良方法,投入高,且難以根除鹽漬化問題[8]。灌溉洗鹽亦需要結(jié)合一定的工程措施,且對地下水位較高的濱海地區(qū)難以實(shí)現(xiàn)[9-12]?；謴?fù)植被是抑制土壤鹽漬化,改良鹽漬土的有效措施[13-15]。但鹽漬土較高的含鹽量易導(dǎo)致植被光合速率降低,生物量積累減少,生長緩慢[16]。有關(guān)鹽漬土耐鹽樹種的選育與篩選、樹種的耐鹽指標(biāo)等已有一些研究[17-18]。這些研究結(jié)果為緩解鹽漬土生態(tài)危機(jī),增加林木種質(zhì)資源,促進(jìn)生態(tài)林業(yè)發(fā)展提供了較好的基礎(chǔ)。

濱海地區(qū)的地理位置往往比較優(yōu)越,交通比較便利,資源比較豐富,開發(fā)利用潛力較大。但濱海鹽漬土受海水的影響較大,鹽分組成與海水鹽分關(guān)聯(lián)度高,土壤剖面由上而下均勻分布著氯化物鹽類[19]。江蘇北部濱海鹽漬土資源比較豐富,近年來開展了大規(guī)模的造林綠化工程,其中,中山杉(Taxodium)的種植面積比較大。但不同地塊種植的中山杉成活率和長勢呈現(xiàn)出較大的差異,其主要原因是地塊間的土壤含鹽量存在較大差異。目前,對自然環(huán)境下,土壤含鹽量對中山杉成活率和長勢的影響尚不明確。因此,為明確土壤含鹽量、有機(jī)質(zhì)含量等基本性狀指標(biāo)與中山杉生長的關(guān)系,本研究在江蘇省北部濱海鹽漬地選擇典型地塊調(diào)查中山杉成活率、生長量以及土壤基本性質(zhì),分析中山杉的耐鹽性,以期為江蘇北部沿海地區(qū)和類似區(qū)域的鹽漬地造林提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

江蘇省鹽城市大豐區(qū)(北緯33°05′,東經(jīng)120°49′)處于北亞熱帶和暖溫帶的交界地帶,季風(fēng)氣候明顯,春季盛行東南風(fēng)和東風(fēng),風(fēng)速較大,夏季多發(fā)臺(tái)風(fēng)。年平均氣溫14.1 ℃,1月為最冷月,平均氣溫0.8 ℃,7月為最熱月平均氣溫27.0 ℃。年平均降雨量1 068.0 mm,年平均蒸發(fā)量1 361.0 mm。濱海淤泥質(zhì)土壤,粉砂比例較高,土壤肥力較低。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集與分析 采用標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查法。2019年8月中旬,根據(jù)中山杉的成活率、生長情況以及林下植被狀況,在鹽城市大豐區(qū)沿海林場、上海農(nóng)場以及江蘇省沿海造林試驗(yàn)站選擇3年生中山杉造林地設(shè)置12塊調(diào)查樣地(圖1)。樣地面積為400 m2。在每塊調(diào)查樣地內(nèi)用口徑為4.5 cm的不銹鋼土鉆分別取0～20.0 cm和20.1～50.0 cm兩個(gè)土層土樣,按照“Z”形走向取樣9次,每3份土樣合并為1份混合樣品,裝入自封袋保存,共72份土樣。放至陰涼處攤開,自然風(fēng)干15 d至土樣質(zhì)量基本穩(wěn)定,撿出土樣中的雜質(zhì),并過2 mm孔徑的土壤篩,稱得各土樣的質(zhì)量。過篩后的土壤用于測定含鹽量、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量和全鈉含量。測定方法如下:

含鹽量:精確稱取20 g過篩土樣放入容量為500 ml的玻璃瓶中,加入100 ml的超純水,震蕩5 min,在4 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心30 min,將上清液進(jìn)一步過濾后,精確量取50 ml濾液放入已知質(zhì)量為W1的清潔干燥玻璃瓶中,經(jīng)水浴處理,待溶液蒸干后(溶液蒸干后為白色,有機(jī)質(zhì)含量忽略不計(jì)),再在電熱鼓風(fēng)烘箱中將玻璃瓶烘干至恒質(zhì)量(W2),用下式計(jì)算土壤鹽分含量:

式中,W1為玻璃瓶質(zhì)量(g),W2為玻璃瓶加水溶性鹽質(zhì)量(g)。

電導(dǎo)率:按照水土質(zhì)量比5∶1的比例,稱取10 g過篩風(fēng)干土放入100 ml離心管中,加入50 ml的去離子水,震蕩5 min后離心30 min,在25 ℃環(huán)境下,使用DDS-307型電導(dǎo)率儀(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司產(chǎn)品)測定上清液的電導(dǎo)率。

有機(jī)質(zhì)含量:采用重鉻酸鉀加熱法測定[20]。

全氮和全鈉含量:參照魯如坤[21]和鮑士旦[22]的方法,用濃硫酸和高氯酸混合酸消煮后,采用靛酚藍(lán)比色法測定全氮含量,采用原子吸收分光光度法測定全鈉含量。

——:區(qū)界;1～12:樣地編號(hào)。圖1 鹽城市大豐區(qū)中山杉調(diào)查樣地分布Fig.1 Distribution of sample plots of Taxodium ‘Zhongshanshan’ in Dafeng District of Yancheng City

1.2.2 樹木生長調(diào)查 分別測定每塊樣地內(nèi)所有存活的中山杉樹高和胸徑,并記錄死亡和存活的株數(shù)。中山杉樹齡均為3年。用5 m長的標(biāo)桿測定樹高;用胸徑尺測定地面以上1.3 m處的樹木胸徑;用存活樹木數(shù)量占造林樹木數(shù)量的百分比作為樹木成活率。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本性質(zhì)

2.1.1 土壤含鹽量 由圖2可知,不同樣地之間的土壤水溶性鹽含量存在較大差異。含鹽量較高的樣地上層土壤的含鹽量往往高于下層土壤,呈現(xiàn)出明顯的土壤表面鹽分聚積現(xiàn)象;而含鹽量較低的樣地上下層之間的土壤含鹽量差異較小。大部分樣地土壤含鹽量低于0.30%,但樣地6、7、8和12的土壤含鹽量較高,其中樣地12的0～20.0 cm、20.1～50.0 cm土層含鹽量分別高達(dá)0.92%和0.68%。

2.1.2 土壤電導(dǎo)率 由圖3可知,各樣地土壤電導(dǎo)率分布規(guī)律與土壤含鹽量基本一致。上層土壤電導(dǎo)率在1 500 μS/cm以下的樣地,基本上呈現(xiàn)出下層土壤電導(dǎo)率大于上層。電導(dǎo)率較高的樣地(電導(dǎo)率在1 500 μS/cm以上),上層土壤電導(dǎo)率均顯著大于下層。樣地12的0～20.0 cm和20.1～50.0 cm土層電導(dǎo)率最大,分別為2 790.5 μS/cm和2 080.0 μS/cm。

相同土層不同樣地之間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖2 12個(gè)樣地不同土層土壤含鹽量Fig.2 Soil salt content in different soil layers of twelve sample plots

2.1.3 土壤有機(jī)質(zhì)含量 由圖4可知,所有樣地的上層土壤有機(jī)質(zhì)含量均大于下層土壤,除了樣地8和樣地10以外,其他樣地的上下層土壤有機(jī)質(zhì)含量差異均達(dá)顯著水平。樣地9的上層土壤有機(jī)質(zhì)含量最高,達(dá)到17.50 g/kg,其他樣地有機(jī)質(zhì)含量均在12.00 g/kg以下。方差分析結(jié)果表明,相同土層不同樣地之間的土壤有機(jī)質(zhì)含量差異較大,上層和下層土壤有機(jī)質(zhì)含量的變異系數(shù)分別為35.1%和23.8%。與一般的農(nóng)業(yè)和林業(yè)土壤相比,濱海鹽堿地土壤有機(jī)質(zhì)含量較低,這與成土?xí)r間較短、土壤含鹽量較高、植被較少等因素有關(guān)。

2.1.4 土壤全氮含量 由圖5可知,不同樣地的土壤全氮含量變化規(guī)律與土壤有機(jī)質(zhì)含量(圖4)相似,下層土壤全氮含量普遍低于上層土壤,且差異多數(shù)達(dá)到了顯著水平。各樣地土壤全氮含量均在0.4 g/kg以下。相同土層、不同樣地之間的土壤全氮含量存在較大差異,上層和下層土壤全氮含量的變異系數(shù)分別為28.9%和27.6%。

相同土層不同樣地之間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖3 12個(gè)樣地不同土層土壤電導(dǎo)率Fig.3 Soil electrical conductivity in different soil layers of twelve sample plots

相同土層不同樣地之間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖4 12個(gè)樣地不同土層土壤有機(jī)質(zhì)含量Fig.4 Soil organic matter content in different soil layers of twelve sample plots

相同土層不同樣地之間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖5 12個(gè)樣地不同土層土壤全氮含量Fig.5 Soil total nitrogen content in different soil layers of twelve sample plots

2.1.5 土壤全鈉含量 由圖6可知,各樣地土壤全鈉含量變化趨勢與含鹽量(圖2)、電導(dǎo)率(圖3)基本一致。大部分樣地不同土層之間土壤全鈉含量差異顯著;在全鈉含量較高的樣地,上層土壤全鈉含量基本上均高于下層土壤。12個(gè)調(diào)查樣地中,樣地12的下層土壤全鈉含量最高,為2.63 g/kg。

2.2 不同樣地中山杉生長狀況

由表1可知,不同樣地的中山杉成活率、胸徑和樹高之間存在較大差異。樣地1的中山杉成活率最高,達(dá)98%,最低的為樣地12,成活率為0。11號(hào)樣地的中山杉平均胸徑和平均樹高最大,分別達(dá)6.58 cm、3.68 m,顯著大于其他樣地。中山杉的成活率隨著造林地土壤含鹽量的增高而降低。

相同土層不同樣地之間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖6 12個(gè)樣地不同土層土壤全鈉含量Fig.6 Soil total sodium content in different soil layers of twelve sample plots

表1 不同樣地中山杉生長狀況

2.3 土壤含鹽量對中山杉成活率和生長指標(biāo)的影響

由圖7可知,0～50.0 cm土壤含鹽量與中山杉成活率、平均胸徑以及平均樹高之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,即:中山杉成活率、胸徑和樹高均隨著土壤含鹽量的增高而降低,可以用一元二次方程進(jìn)行定量擬合。根據(jù)擬合方程可知,如果土壤含鹽量為0.20%時(shí),中山杉成活率可達(dá)到90%左右,胸徑和樹高分別為3.0 cm和2.7 m左右;當(dāng)含鹽量為0.40%時(shí),中山杉成活率為76%左右,胸徑、樹高分別為2.4 cm和2.1 m左右;當(dāng)土壤含鹽量為0.60%時(shí),中山杉成活率僅為45%,胸徑、樹高也分別偏小、變矮。如果以樹木成活率達(dá)到50%以上,且具有一定生長量作為樹種耐鹽性的基本標(biāo)準(zhǔn),則中山杉可耐受0.50%左右的土壤含鹽量。當(dāng)土壤鹽分含量低于0.30%時(shí),中山杉的成活率在80%以上,胸徑和樹高也比較正常。

2.4 土壤性質(zhì)與中山杉生長指標(biāo)的相關(guān)性分析

12個(gè)樣地0～50.0 cm土壤性質(zhì)指標(biāo)和中山杉生長指標(biāo)的相關(guān)性如表2所示。從表2可以看出,土壤含鹽量、電導(dǎo)率和全鈉含量相互之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,三者與土壤有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤含鹽量、電導(dǎo)率和全鈉含量之間呈極顯著負(fù)相關(guān),土壤全氮含量與土壤含鹽量、電導(dǎo)率和全鈉含量呈顯著負(fù)相關(guān),土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤全氮含量呈極顯著正相關(guān)。土壤含鹽量、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)含量以及全鈉含量與中山杉的成活率和胸徑、樹高等生長指標(biāo)均具有相關(guān)性,其中土壤含鹽量、電導(dǎo)率與中山杉成活率、樹高之間呈極顯著負(fù)相關(guān),土壤有機(jī)質(zhì)與中山杉成活率之間呈極顯著正相關(guān),與樹高之間呈顯著正相關(guān),土壤全鈉含量與樹高之間呈極顯著負(fù)相關(guān),與成活率、胸徑之間呈顯著負(fù)相關(guān)。

圖7 0～50.0 cm土壤含鹽量對中山杉成活率、胸徑及樹高的影響Fig.7 Effects of soil salt content (0-50.0 cm) on the survival rate, diameter at breast height and height of Taxodium ‘Zhongshanshan’

表2 0～50.0 cm土壤性質(zhì)指標(biāo)與中山杉生長指標(biāo)的相關(guān)性分析

3 討 論

江蘇省沿海灘涂資源十分豐富,面積占全國灘涂總面積的1/4,且每年以1.33×103hm2的速度淤漲[23]。沿海灘涂是重要的后備土地資源,利用中山杉等耐鹽樹種綠化和改良沿海灘涂,對于耕地保護(hù)具有重要意義。本研究中12塊調(diào)查樣地0～50.0 cm深度范圍的土壤含鹽量為0.04%～0.80%,不同樣地之間的土壤含鹽量差異較大,其主要原因可能是這些樣地的地勢和地下水位不同。含鹽量較高的樣地,呈現(xiàn)出典型的土壤表面鹽分聚積現(xiàn)象;含鹽量較低的樣地,其上層土壤含鹽量往往低于下層土壤。很多研究結(jié)果表明,土壤含鹽量與電導(dǎo)率的相關(guān)性顯著[24-26],有學(xué)者直接用土壤電導(dǎo)率表示土壤含鹽量[27-30]。本文亦發(fā)現(xiàn),各樣地的土壤含鹽量與土壤電導(dǎo)率之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。

有機(jī)質(zhì)能吸附較多的陽離子,改善土壤理化性質(zhì),提高土壤保肥能力和緩沖性能。土壤有機(jī)質(zhì)既是土壤氮、磷的重要來源,也是土壤微生物必不可少的碳源和能源[31-32]。本研究中,上層土壤的有機(jī)質(zhì)含量普遍高于下層土壤,表明種植中山杉以及自然草本植被有利于上層土壤積累有機(jī)質(zhì)。但各調(diào)查樣地0～50.0 cm深度范圍的土壤有機(jī)質(zhì)含量為4.37～11.52 g/kg,普遍偏低,這可能與該區(qū)域土壤形成時(shí)間較短、土壤含鹽量較高有關(guān)[33-34]。

土壤鹽分會(huì)抑制土壤養(yǎng)分積累[16,35],研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),土壤全氮含量和有機(jī)質(zhì)含量與土壤含鹽量呈顯著負(fù)相關(guān),這與王娜娜等[36]和毛思慧等[37]的研究結(jié)果一致。各樣地土壤全鈉含量與土壤含鹽量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系[38],表明濱海鹽漬土中鈉鹽的比重較高。

成活率和生長量是反映植物耐鹽能力的重要指標(biāo),當(dāng)植物受到鹽脅迫時(shí),生長量會(huì)下降,受到嚴(yán)重脅迫時(shí)會(huì)導(dǎo)致死亡[39-40]。本研究中的中山杉成活率和樹高與土壤含鹽量之間均呈極顯著負(fù)相關(guān),當(dāng)土壤含鹽量高于0.60%時(shí),中山杉的成活率和生長量均明顯較低,在此情況下,有必要先進(jìn)行土壤改良,降低含鹽量,以提高中山杉的成活率和生長量;當(dāng)土壤含鹽量低于0.30%時(shí),中山杉的成活率和生長量均接近正常。土壤含鹽量為0.30%至0.50%時(shí),中山杉亦具有一定的成活率,說明其具有較高的耐鹽性,能夠在含鹽量為0.50%以下的濱海鹽堿地造林。

4 結(jié) 論

江蘇沿海地區(qū)中山杉造林地0～50.0 cm深度范圍的土壤含鹽量在0.04%～0.80%,含鹽量較高的樣地呈現(xiàn)出土壤表面鹽分聚積現(xiàn)象。土壤含鹽量與土壤有機(jī)質(zhì)含量之間存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與土壤電導(dǎo)率和全鈉含量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤含鹽量與中山杉的成活率、胸徑、樹高之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)土壤鹽分含量高于0.60%時(shí),中山杉的成活率、胸徑和樹高均明顯較低,當(dāng)土壤鹽分含量低于0.3%時(shí),中山杉的表現(xiàn)接近正常。