2023, Vol. 55
2. 国家农业环境银川观测实验站, 银川 750002;
3. 宁夏畜牧工作站, 银川 750002;
4. 永宁县李俊镇人民政府农业服务中心, 宁夏永宁 750103
土壤盐碱化严重制约干旱、半干旱地区农业高质量发展，影响当地生态环境。据统计，全球受土壤盐碱化影响的国家和地区超过一百个，面积达9.5亿公顷[1-2]。分布于我国境内的盐渍土面积近1亿公顷，主要分布在西北、东北、华北和滨海地区[3-4]。随着人口不断增长带来的人均耕地面积减少等问题日益突出，盐碱土作为潜在的后备土地资源，其合理改良利用是开辟新土地资源、改善生态环境的重要途径。
宁夏地处我国西北内陆干旱区，北部引黄灌区具有蒸降比大、地下水位高、盐分上移占优势等区域特点，导致土壤盐碱化严重，盐碱化耕地面积为1.5×105 hm2，占耕地总面积的33.54%[5]。受气候、地形的影响，该地区土壤盐分迁移以垂直为主，盐分表聚特征明显。系统认识和掌握水盐分布规律，是改良利用盐碱地的基础[6-8]。灌水洗盐是治理盐渍土的有效途径之一，但西北旱区受水资源短缺的刚性束缚，难以进行大面积漫灌洗盐[9]。土壤盐分时空分布规律与地表覆被类型、地形地貌等环境因素密切相关[10]。“高垄+滴灌”模式能对宁夏低洼盐碱地土壤盐分进行时空调控，使盐分聚集于非种植区，提高苗木成活率[11]。生物措施是改良利用盐渍土最绿色经济的途径之一，种植多年生耐盐植被能充分发挥其生物和非生物功能[12]。宁夏引黄灌区种植耐盐碱植物，在其根系穿插作用下，可提高土壤孔隙度、降低土壤容重[13]。此外，植物根系在土壤中会分泌蛋白质、肽和有机酸等物质，有利于土壤有机质的累积[14]。泌盐植物受盐腺分泌作用的影响，能吸收根际土壤中的部分可溶性盐，种植泌盐类牧草通过刈割能带走土壤盐分[15-16]。宁夏银北盐碱地区种植柽柳、油葵、苇状羊茅3种耐盐植物后土壤含盐量明显降低，土壤肥力提升显著，交换性Na+含量显著降低[6]。与此同时，植被覆盖能有效减少土壤水分蒸发，在一定程度上抑制盐分向地表迁移[17]。
目前，关于盐碱地耐盐植物的研究主要集中在不同植物对土壤水盐的影响方面，针对宁夏银北地区盐碱土种植不同耐盐树木引起的土壤水盐、pH、容重空间分布规律及水盐变异性方面的研究仍显不足。因此，本研究结合区域特色，通过监测不同造林树木对宁夏盐碱土壤水盐空间分布及变异性的影响，揭示不同造林树木下宁夏盐碱土水盐空间分布规律，为盐碱地植被恢复提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况土壤样本采集于宁夏平罗县盐改站(38°51'N，106°31'E)，该地区属于典型的干旱大陆性气候，年平均降水185 mm，主要集中在7—9月；年蒸发量1 841 mm以上，蒸降比为10左右；年平均地下水埋深1.5 m左右，地下水矿化度 < 3 g/L。降水时空分布不均，春季返盐明显。该地区地势平坦低洼，排水不畅，地下水位高，导致土壤盐碱化严重，影响当地农林业发展和生态环境。该地区于2015年4月进行人工造林，包括盐柳(Salix psammophila)、柽柳(Tamarix chinensis)、9901柳(Salix matsudana ‘9901’)、白蜡(Fraxinus chinensis R.)、刺槐(Robinia pseudoacacia L.)等品种，9901柳、盐柳株行距均为3 m × 4 m，柽柳株行距为2 m×3 m。造林前各小区均为盐碱撂荒地，地表有明显的盐斑，土壤全盐为3.92 g/kg，pH为9.17，碱解氮为23.46 mg/kg、有效磷为7.03 mg/kg、速效钾为331.26 mg/kg、有机质为10.43 g/kg。
1.2 调查与采样在搜集资料的基础上，2020年在宁夏平罗县盐改站确定土壤采样点。该试验站自2015年进行人工造林以来部分耐盐碱树种长势较好覆盖度高，一些轻度耐盐碱的树已枯萎，除人造林以外地表植被包括：碱蓬(Suaeda glauca)、芦苇(Phragmites communis)等，人造林由于植被覆盖地表返盐强度弱于未造林的空地。柽柳、盐柳、9901柳3种造林树木长势较好，因此选择这3种树木小区为定位监测样地。每种树木设置3个重复小区。4—10月每月中旬采一次土样，人工挖0 ~ 100 cm土壤剖面，分别距树干20、40、60、80、100 cm以地表为基准取0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80、80 ~ 100 cm土层土样装入自封袋带回室内进行检测，同时用环刀取土以测定土壤容重，每个样品3次重复。未造林的空地同步采集土样。
1.3 土壤样品处理与测定采集的土壤样品带回实验室，剔除土壤样品中的杂物，自然风干、磨碎、过1 mm孔径筛[18]。容重采用环刀法测定；土壤含水率采用烘干法测定；按1︰2.5 m︰V)土水比充分振荡摇匀取上清液，采用Mettler Toledo S220多参数测试仪测定pH[18]；按1︰5 (m︰V)土水比充分振荡摇匀取上清液，采用DDS-307A土壤电导率仪测定，并换算成全盐含量[18-20]。
1.4 数据分析及处理采用SPSS 17.0统计软件进行分析，采用Surfer 10作Contour图、3D Wireframe图。
2 结果与分析 2.1 不同造林树木条件下土壤水分空间分布特征用4—10月平均值进行土壤水分空间分布特征分析，空地0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80、80 ~ 100 cm土层土壤含水率分别为16.01%、21.93%、13.97%、18.51%、21.35%。种植树木影响土壤水分空间分布，0 ~ 40 cm随土层深度增加土壤含水率呈增加趋势，40 cm以下土层土壤水分呈先减小后增加的趋势，土壤剖面40 cm处为土壤水分富集区；表层土壤含水率表现为靠近树干低、远离树干高，80 ~ 100 cm土层土壤含水率随树干距离增加呈增加趋势(图 1)。盐柳小区距树干越远表层土壤含水率越高，60 cm以下土壤水分随土层深度增加呈增加趋势，40 cm土层土壤含水率较高，临近和远离树干的区域更加明显。柽柳小区60 ~ 80 cm土层土壤含水率最低(13%)，40 cm土层处为水分富集区，距树干80 cm处剖面30 ~ 50 cm土壤含水率最高(21%)。9901柳小区60 cm土层土壤含水率最低(12%)，随土层深度增加土壤含水率呈先增加后减小再增加的趋势，距树干40 cm处剖面20 ~ 40 cm土壤含水率最高(22%)。
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图 1 三种树木土壤水分空间分布 Fig. 1 Spatial distributions of soil moisture under three afforestation trees |
用4—10月平均值进行土壤盐分空间分布特征分析，空地0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80、80 ~ 100 cm土层土壤含盐量分别为2.9、1.99、2.26、2.18、2.5 g/kg。与空地相比，种植树木影响土壤盐分空间分布，种植树木小区的土壤盐分明显低于空地(图 2)，空地土壤盐分随土层深度增加呈先减小后缓慢增加的趋势，盐分表聚特征明显。盐柳小区随土层深度增加土壤盐分呈先增加后减小的趋势，0 ~ 40 cm土层土壤盐分随树干距离增加呈降低趋势，随树干距离增加60 cm剖面土壤盐分逐渐增加，盐分迁移累积至40 ~ 60 cm土层。柽柳小区土壤盐分随土层深度增加呈先减小后增加的趋势，距树干20 cm区域土壤剖面盐分呈“V”型分布，40 cm土壤剖面盐分含量最低，随树干距离增加土壤盐分呈波浪型分布。9901柳小区土壤盐分呈先增加后减小的趋势，剖面60 cm处土壤盐分累积明显，表层土壤含盐量随树干距离变化无差异。
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图 2 三种树木土壤盐分空间分布 Fig. 2 Spatial distributions of soil salinity under three afforestation trees |
用4—10月平均值进行土壤pH空间分布特征分析，空地0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80、80 ~ 100 cm土层土壤pH分别为9.25、9.36、9.15、9.27、9.38，盐柳、柽柳小区土壤pH低于空地(图 3)。盐柳小区距树干100 cm处表层和底层土壤pH均高于其他区域，随土层深度增加土壤pH呈先降低后升高的趋势，20 ~ 40 cm土层土壤pH较低，80 ~ 100 cm土层土壤pH较高。柽柳小区随树干距离增加，0 ~ 20 cm土层土壤pH呈升高趋势，20 ~ 60 cm土层土壤pH呈先升高后降低再升高的趋势，60 cm以下土层随树干距离增加土壤pH呈先降低后升高的趋势；距树干20 cm随土层深度增加土壤pH呈递增趋势，但其他区域均随土层深度增加土壤pH呈先升高后降低的趋势。9901柳小区0 ~ 20 cm土层土壤pH较低，均低于8.5，0 ~ 20 cm土壤pH随树干距离增加呈先升高后降低再升高的趋势，20 ~ 60 cm土壤pH随树干距离增加呈先降低后升高的趋势，距树干100 cm处80 ~ 100 cm土层区域土壤pH最高，为9.45。
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图 3 三种树木土壤pH空间分布 Fig. 3 Spatial distributions of soil pH under three afforestation trees |
用4—10月平均值进行土壤容重空间分布特征分析，空地0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80、80 ~ 100 cm土层土壤容重分别为1.53、1.54、1.8、1.73、1.71 g/cm3。种植树木后土壤容重低于空地，空地土壤容重均高于1.5 g/cm3，种植树木后靠近树干区域表层土壤容重较低，均低于1.37 g/cm3(图 4)。盐柳小区树干附近表层土壤容重降低较明显，距树干60 cm范围内0 ~ 20 cm土层土壤容重低于其他土层，随树干距离增加土壤容重呈增加趋势，根系对靠近树干的土壤容重影响较明显；距树干20 cm处表层土壤容重最低，随土层深度增加土壤容重呈增加趋势。盐柳、柽柳、9901柳小区0 ~ 20 cm土层土壤容重比空地分别降低9.8%、15.0%、16.3%。柽柳小区0 ~ 20 cm土层土壤容重为1.3 g/cm3，随树干距离增加，土壤容重呈增加的趋势；距树干20 cm随土层深度增加土壤容重呈增加的趋势，但其他区域均随土层深度增加土壤容重呈先增加后降低的趋势。9901柳小区0 ~ 20 cm土层土壤容重最低，为1.28 g/cm3，60 cm土层以下土壤容重高于其他土层，随土层深度增加土壤容重呈增加的趋势，随树干距离增加0 ~ 20 cm土层土壤容重呈增加的趋势。
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图 4 三种树木土壤容重空间分布 Fig. 4 Spatial distributions of soil bulk density under three afforestation trees |
变异系数能在一定程度上反映变量的空间分布特征，变异系数 < 10%为弱变异，变异系数10% ~ 100%为中等变异，变异系数 > 100%为强变异[21]。对3种树木不同水平距离土样的含水率、含盐量、pH、容重指标进行统计分析(表 1)，土壤4个指标的变异系数均低于100%，无强变异，说明土壤水分、盐分、pH、容重空间分布相对均匀。其中3种树木土壤的pH、容重在不同土层变异系数均低于10%，属弱变异，说明3种树木条件下土壤的酸碱性和容重空间分布较均匀。3种造林树木0 ~ 20 cm土壤水分的变异系数均高于10%，属中等变异，其他土层属弱变异，这是由于表层土壤受蒸发与根系吸水的影响较大，水分变化较剧烈。盐柳、9901柳小区土壤盐分在不同土层深度变异系数介于10% ~ 100%，属中等变异；柽柳小区0 ~ 40 cm土壤盐分属中等变异，40 cm以下土层属弱变异。
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表 1 不同土层土壤盐碱化指标描述性统计特征 Table 1 Descriptive statistics of soil salinization indexes in different layers |
柽柳枝叶繁茂、绿期长、耐盐碱、耐旱，具有泌盐的特性；9901柳树干通直、冠幅窄，顶端优势明显；盐柳冠幅大、枝条自然下垂，覆盖度高。种植3种树木显著影响土壤水盐变化，种植树木的小区土壤盐分明显低于空地。表层土壤受蒸发与根系吸水的影响较大，土壤水盐变化较明显，在本研究中表层土壤水分的变异系数高于10%，属中等变异。盐柳、9901柳小区土壤盐分属中等变异；柽柳小区0 ~ 40 cm土壤盐分属中等变异，40 cm以下土层属弱变异。雷金银等[13]通过研究不同耐盐植物的生物改良效果同样得出相似的规律，同时发现根系较发达的耐盐植物对土壤含水率影响显著，有明显的生物排水作用。在宁夏银北种植柽柳、苇状羊茅、油葵对盐碱土0 ~ 20 cm土层土壤容重降低明显，降幅均超过24%，这是由于树木对根系附近土壤产生穿插作用，使土壤变得相对疏松，土壤容重降低[22]。在本研究中，3种树木对土壤容重的影响也呈现相似规律。3种树木土壤的pH、容重的变异系数均低于10%，属弱变异，3种树木条件下土壤的pH、容重空间分布较均匀，本试验种植树木条件下土壤的酸碱性和容重空间分布较均匀。有研究指出在宁夏盐碱土种植柽柳，可在深度0 ~ 25 cm、树干0 ~ 15 cm范围内形成“低盐、低pH”的优化区域[23]。但在本研究中柽柳小区0 ~ 100 cm深度、树干100 cm范围内土壤pH空间分布较均匀，可能是由于柽柳的树龄不同导致的。3种树木之间的生物生态学特性不同，对土壤水盐空间分布的影响有差异。柽柳根系较浅，主要吸收利用靠近树干区域0 ~ 40 cm土壤水分；9901柳根系较深，主要吸收利用60 cm以下土层土壤水分；9901柳冠幅窄、根系深，株高高于其他2种树木，盐分主要累积于40 ~ 80 cm土层且比较稳定。耐盐植物被喻为“生物脱盐器”，在整个生育期都发挥其生物吸盐作用[23]。柽柳是泌盐型植物，在本试验中0 ~ 100 cm土壤剖面盐分明显低于其他2种树木；盐柳冠幅优势明显，有较高的覆盖度，对地表遮阴效果明显，可抑制地表返盐，但盐分并非3种树木中最低；表明在树木生育期内柽柳泌盐特性对土壤盐分的降低效果优于盐柳冠幅带来的覆盖抑盐效果。值得注意的是，柽柳不同于牧草，耐盐牧草通过刈割能带走土壤盐分，而柽柳通过盐腺的分泌作用，盐分会随叶片凋落或受雨水影响落回地表，在本研究中柽柳小区土壤盐分未增加可能是因为采样期间柽柳的叶片还未整体变黄凋落。
林草根系的活动，能改善土壤结构，影响土壤水盐分布特征；此外，植物覆盖度高，能削弱地表蒸发，进而抑制地表积盐。董利苹等[24]的研究发现，表层土壤脱盐效果明显，土壤剖面脱盐效果与植物根系活动范围有关。肖克飚等[22]通过监测秋季土壤盐分分布特征发现盐分在植物树干区域表现明显的区化特征，土壤盐分在植物冠幅边缘滞留聚集，形成“盐岛”。但在本研究中未发现类似的规律，可能是研究区及采样时间不同造成的。土壤pH降低，主要受根系活动及土壤微生物的影响，植物根系生长过程中分泌有机酸，同时植物残体在土壤微生物分解作用下产生有机酸，可在一定程度上中和土壤碱性[25]。宁夏地处内陆干旱半干旱区，干旱少雨、蒸发强烈导致土壤水盐以垂直方向为主，同时也是土壤积盐的主要驱动力。树木生长过程中改善了土壤理化性质，土壤耗水方式由土壤地表蒸发转变为植物蒸腾，增强了对土壤水的吸收利用，加速了土壤水分向根系所在区域流动；依据“盐随水动”原理，高覆盖植被对地表的遮阴效果好可抑制地表返盐。在本试验中，盐柳冠幅较大，盐柳小区地表土壤含水率高于其他2种树木。3种树木均属于多年生落叶植被，枯落物会在土壤表层持续积累，且种植后地表基本无耕作扰动有利于表层土壤有机质积累，本研究中靠近树干的表层土壤水盐环境较好，土壤容重、pH均有较大的改善。
4 结论1) 造林树木显著影响土壤水盐空间分布，表层土壤受蒸发与根系吸水的影响较大，土壤水盐变化较明显。盐柳小区越靠近树干土壤盐分越低，而柽柳、9901柳小区盐分在60 cm以下土层累积。
2) 3种造林树木条件下表层土壤水分属中等变异，其他土层属弱变异；盐柳、9901柳小区土壤盐分属中等变异，柽柳小区40 cm以下土层属弱变异。
3) 种植树木降低土壤pH、容重，越靠近树干效果越明显，盐柳、柽柳、9901柳3种树木种植下土壤的pH、容重空间分布较均匀。
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