不同地下水矿化度条件下柽柳土柱的水盐分布特征

宋战超,夏江宝,赵西梅,张国典,李常准,毕玉青

(滨州学院资源环境系,山东省黄河三角洲生态环境重点实验室,256603,山东滨州)

不同地下水矿化度条件下柽柳土柱的水盐分布特征

宋战超,夏江宝†,赵西梅,张国典,李常准,毕玉青

(滨州学院资源环境系,山东省黄河三角洲生态环境重点实验室,256603,山东滨州)

通过探讨土壤水盐分布特征对地下水矿化度的响应规律,为泥质海岸带盐碱土的合理利用和水土保持防护林的栽植管理提供科学依据。以栽植3年生柽柳苗木的土壤柱体为研究对象,在1.8m的地下水水位下,分别模拟设置淡水(0 g/L)、微咸水(3 g/L)、咸水(8 g/L)和盐水(20 g/L)4种地下水矿化度,并以不栽植柽柳的土壤柱体为对照,测定分析不同地下水矿化度处理的土壤水分、盐分以及溶液绝对浓度等水盐参数。结果表明:地下水矿化度可显著影响不同剖面的土壤水盐参数。随地下水矿化度的升高,整个土柱的含水量和含盐量均呈现升高趋势,而土壤溶液绝对浓度呈下降趋势。其中:柽柳土柱相对含水量均值在4种矿化度下,分别比对照下降24.4%、20.6%、11.3%和4.7%;微咸水、咸水和盐水矿化度下,柽柳土柱的含盐量均值,分别比对照下降6.7%、5.6%和8.7%。不同地下水矿化度条件下,随土壤深度的增加,土壤水分呈升高趋势,土壤溶液绝对浓度呈下降趋势,土壤盐分则表现为先下降再升高,并在80 cm土壤深度下,盐分达最低值。地下水矿化度的升高,有利于盐分随水分向土壤表层迁移。栽植柽柳可显著降低土柱的含水量、含盐量和土壤溶液绝对浓度,但随地下水矿化度的升高,栽植柽柳对土壤水分的降低作用在减弱,而抑制盐分作用在增强。

地下水矿化度;土壤柱体;土壤水分;土壤盐分;土壤溶液绝对浓度;柽柳

盐碱地治理是目前亟待解决的世界性资源问题和生态问题之一。人类活动对全球环境变化影响的加剧和耕地资源的日趋匮乏,致使土壤盐渍化,严重影响了现代农林业的可持续发展[1-3],特别是盐碱荒地植被覆盖度较低,造林比较困难,水土流失严重;因此,盐碱荒地上水土保持防护林的恢复与重建迫在眉睫,而对土壤水分和盐分运移规律及分布特征的研究,是有效防治浅层地下水位区土壤次生盐渍化、盐碱地改良合理利用和筛选水土保持林适宜栽植区的前提和基础。浅层地下水是影响盐分迁移、积累和释放的主要因素,地下水矿化度的不同,易导致土壤水分和盐分波动性较大,从而影响植被的生长发育及分布状况[4-6]。土壤盐渍化是黄河三角洲生态环境的主要特征之一,植被恢复、改良盐碱地是黄河三角洲泥质海岸带水土保持生态修复的重要措施之一[7-8]。土壤盐分和地下水埋深及其矿化度,也是影响黄河三角洲植物群落分布和农林业发展的主要因子[2,9]。因此,从地下水矿化度的角度,探讨不同深度土壤剖面水盐分布特征,对地下水资源的有效利用及耐盐碱水土保持植物的栽培管理,具有重要的科学意义。

柽柳(Tamarix chinensis Lour)作为黄河三角洲盐碱类湿地的典型优势灌木群落,在黄河三角洲区域分布最广泛,具有较强的降盐改土和保持水土功能,在渤海湾滨海湿地和黄河三角洲盐碱区域,也作为主要的水土保持防护林树种,用于泥质海岸带的生态修复与保护[7,10]。水盐生境是影响黄河三角洲柽柳空间分布格局和林分退化的主要影响因子[11-13],而土壤水分和土壤盐渍化状况,受地下水水位及地下水矿化度的控制和影响最大[14-15]。土壤水是联系地下水与地表径流的纽带,是物质传输和迁移的重要载体,在干旱环境强烈的蒸发作用下,随着地下水不断蒸发,盐分大量聚集于地表,导致土壤盐渍化[2,16-17]。目前,国内外从地下水的角度,开展土壤水盐运移以及与植被关系的研究,主要集中在地下水水位对地表植被生长和空间分布等的影响[18-19],以及地下水水位对水文循环过程[20]、土地利用方式[21]和土壤盐渍化特征[22-23]等方面。对黄河三角洲柽柳与地下水位关系的研究,主要集中在水盐生境对黄河三角洲柽柳空间分布格局[12]、适宜的生态水位[24]以及植被效应[7,13]等方面;但从地下水矿化度的角度,对柽柳生长条件下,不同土壤剖面水盐分布特征的研究相对较少,致使柽柳生长所需的地下水矿化度条件及栽植柽柳对土壤水盐运移的影响尚不清晰,在一定程度上限制了柽柳幼苗栽培中的水盐管理措施。鉴于此,在稳定的地下水水位下,为有效探明不同地下水矿化度条件下,土壤各剖面水盐参数的分布特征,以黄河三角洲建群种柽柳栽植的土壤柱体为研究对象,在科研温室内,模拟设置1.8m地下水水位,4种不同的地下水矿化度,测定分析不同地下水矿化度条件下,各土壤剖面的水分、盐分以及土壤溶液绝对浓度等水盐参数,揭示土壤水盐分布对地下水矿化度的响应规律,以期为黄河三角洲地区土壤盐渍化的发展状况、有效防治及柽柳幼苗的栽植管理提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1实验材料与设计

本研究在山东省黄河三角洲生态环境重点实验室的科研温室内进行,其地处E117°58＇57″,N37°22＇56″。在1.8 m的地下水水位下,模拟设置淡水(A)、微咸水(B)、咸水(C)和盐水(D)4种地下水矿化度,其对应矿化度数值分别为0,3,8和20 g/L。土壤基质为黄河三角洲区域黄河滩地的土壤,土壤质地为粉砂壤土,其初始pH值为7.54,平均含盐量为1‰,田间持水量为37.86%,土壤密度为1.32 g/cm3。黄河三角洲泥质海岸带土壤为氯化物型盐土,NaCl占全盐质量分数的比例达70%,是土壤中最主要的盐分来源[25];因此,地下水以黄河三角洲NaCl为主的海盐自行配置。

2014年3月5日,将3年生柽柳实生苗木栽植于PVC圆管中,柽柳根茎平均为1.40 cm,统一截杆至0.5m苗高。将PVC圆管(直径为0.30 m)放置于水桶中,为使地下水温度一致,将水桶放置于温室的土壤中。PVC管下部实际淹水区为0.55 m,管底部设有纱网,防止土壤渗漏;中间为模拟设计地下水位为1.80m;上部留0.03m空隙层,方便浇水管理, PVC圆管总长度为2.38m(0.55m+1.80m+0.03 m)。为维持地下水矿化度的稳定性,定期监测地下水盐度,依次来补充所需盐分。柽柳苗木正常生长1个月后,对其进行不同地下水矿化度处理,在此期间,从地上部共浇水12.0 L,分4次灌溉,地下水矿化度处理后,不再进行水分灌溉等措施。同时,设置1个对照组不栽植柽柳,每处理下3个重复,共计24个土壤柱体,实景见图1。

1.2测定指标及方法

在地下水矿化度适应处理90 d后,于2014年7月8—12日,进行土壤样品的采集,常规处理土壤样品后,进行各项指标的测定。对模拟土柱按照10, 40,80,120和160 cm分层进行土壤样品采集。用烘干法测定土壤质量含水量,质量法测定土壤全盐质量分数,水土质量比5∶1。土壤溶液绝对浓度(%) =土壤含盐量(占干土质量的比例)/土壤质量含水量(占干土质量的比例)×100%。

图1　地下水-柽柳-土壤柱体实景图Fig.1 Actual picture of soil columns with groundwatersoil-Tamarix chinensis system

1.3数据处理

采用EXCEL、SPSS 13.0进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1柽柳土柱的水分变化特征

不同地下水矿化度下,柽柳土柱的土壤水分变化过程见图2。柽柳土柱和对照组的土壤剖面水分变化均表现为:随土壤深度的增加,土壤含水量逐渐升高。但在垂直深度上,栽植柽柳和对照组的土壤剖面水分变化表现出一定差异,柽柳土柱的土壤剖面水分,随土壤深度的加深,呈显著增加趋势,而对照组土壤水分在土壤深度10～40 cm和120～160 cm时,显著增加,但在40～120 cm时,变化比较平缓。其中,在盐水矿化度D处理下,柽柳土柱40, 80,120和160 cm的土壤含水量,分别是10 cm (19.6%)的1.9,2.2,3.2和3.9倍;对照组对应土层分别是10 cm(20.6%)的2.1,2.3,2.5和4.3倍,可见,栽植柽柳,降低了土壤水分在垂直深度上的增加幅度。在相同土壤深度、不同地下水矿化度下,柽柳土柱和对照组的土壤含水量均表现为:盐水＞咸水＞微咸水＞淡水,即随着地下水矿化度的升高,各土层的土壤水分显著升高,由此可见,地下水矿化度的升高,对土壤水分的运移有促进作用。

由表1可知,随着地下水矿化度的升高,整个土壤柱体的水分均值逐渐升高,其中,微咸水、咸水和盐水矿化度下,柽柳土柱含水量均值,分别比淡水处理均值(25.4%)升高25.4%,57.0%和88.0%,而对照组,对应处理分别比淡水处理(33.6%)升高19.3%,33.8%和49.9%。可见栽植柽柳,加剧了不同地下水矿化度下土壤柱体的水分变化,柽柳生长对土壤水分的提升,有很大的促进作用;而对照条件下,不同地下水矿化度土壤柱体的水分变化,差异相对较小。不同地下水矿化度处理下,柽柳土柱的土壤含水量均值,显著低于对照组;但随着地下水矿化度的升高,柽柳土柱和对照组的水分差值在降低,其中,柽柳土柱土壤水分均值在淡水、微咸水、咸水和盐水矿化度下,分别比对应的对照组下降24.4%,20.6%,11.3%和4.7%。栽植柽柳,可降低1.6m土壤层次的水分总量,分别为634,636,393和184mm。可见栽植柽柳,可显著降低土柱的水分,这可能与柽柳生长耗水和植物蒸腾作用有较大关系,但随着地下水矿化度的升高,栽植柽柳,降低土壤水分的能力在逐渐下降。

图2　不同地下水矿化度下土壤剖面的水分变化Fig.2 Water variations in soil profiles at different groundwatermineralization

表1　不同地下水矿化度下柽柳土柱的水盐参数变化Tab.1 Water and salt variations in soil columns with planting Tamarix chinensis at different groundwatermineralization_

2.2柽柳土柱的盐分变化特征

不同地下水矿化度下,柽柳土柱的盐分变化过程见图3。在淡水条件下,栽植柽柳和对照土柱不同土层含盐量均值在0.10%～0.11%之间,差异不显著(P＞0.05)。而微咸水、咸水和盐水矿化度处理下,土壤剖面盐分随土壤深度的增加,整体呈现先下降后升高的趋势,在土壤深度为80 cm时,降到最低值。柽柳土柱和对照组的土壤剖面盐分变化表现为:在土壤深度低于80 cm时,土壤剖面含盐量随土壤深度的增加而降低,即表层含盐量均最高;在土壤深度为80～160 cm的深土层时,土壤剖面含盐量随土壤深度的增加而升高,表明接近底土层时,土壤含盐量有升高趋势。在土壤深度为10 cm时,不同地下水矿化度处理的柽柳土柱含盐量均最高,可见土壤盐分表聚现象明显。其中,在盐水矿化度下,柽柳土柱10,40,120和160 cm的土壤含盐量,分别比80 cm(0.14%)增加100%,42.9%,35.7%和85.7%;而对照组,对应土层含盐量,分别比80 cm(0.16%)增加106.3%,43.8%,25.0%和62.5%。可见,栽植柽柳,对中土层40 cm以上的盐分增加具有一定的抑制作用,而对深土层120 cm以下的盐分影响不大。在相同土壤深度、不同地下水矿化度下,柽柳土柱和对照组的土壤含盐量均表现为:盐水＞咸水＞微咸水＞淡水,即随着地下水矿化度的升高,各土层的盐分显著升高。

图3　不同地下水矿化度下土壤剖面的盐分变化Fig.3 Salt variations in soil profiles at different groundwatermineralization

由表1可知:随地下水矿化度的升高,整个土壤柱体的含盐量逐渐升高;但不同地下水矿化度下,栽植柽柳的土壤盐分变化幅度小于对照组。其中,微咸水、咸水和盐水矿化度下,柽柳土柱含盐量均值,分别比淡水处理均值(0.10%)升高40%,70%和110%,而对照对应处理,分别比淡水处理的含盐量均值(0.10%)升高50%,80%和130%。可见栽植柽柳,降低了不同地下水矿化度下土柱的盐分差异,对土壤盐分有一定的吸收作用,起到了较好的降盐作用;而对照条件下,不同地下水矿化度处理下,土壤盐分差异较大。栽植柽柳淡水条件下,柽柳土柱的土壤含盐量均值与对照组无显著差异(P＞0.05),微咸水、咸水和盐水矿化度下,柽柳土柱的土壤含盐量均值,均显著低于对照组(P＜0.05);但随地下水矿化度的升高,柽柳土柱和对照的盐分差值呈升高趋势,即栽植柽柳,降低土壤盐分的能力逐渐升高,其中,微咸水、咸水和盐水矿化度下,柽柳土柱的含盐量均值,分别比对照组下降6.7%,5.6%和8.7%。可见栽植柽柳,可显著降低土柱的盐分变化,这可能与柽柳作为泌盐植物有关,可使植物在生长期吸收大量盐分,通过叶片和嫩枝排出体外,从而起到较好的泌盐、降盐作用。

图4　不同地下水矿化度下土壤剖面的土壤溶液绝对浓度变化Fig.4 Variations on absolute concentrations of soil solution in soil profiles at different groundwatermineralization

2.3柽柳土柱的溶液绝对浓度变化特征

不同地下水矿化度下,柽柳土柱溶液绝对浓度的变化过程见图4。栽植柽柳的土柱和对照均表现为:随土壤深度的增加,土壤剖面溶液绝对浓度均表现为下降趋势。其中:在土壤深度低于40 cm时,土壤溶液绝对浓度显著降低;在40～160 cm的深度内,其则缓慢降低。土壤表层溶液绝对浓度最高,主要与该层土壤含盐量较高、土壤水分较低有关,而随土壤深度的增加,土壤水分和盐分波动性较大,两者的交互影响,致使在中土层以下的土壤溶液绝对浓度变化比较稳定。其中,在微咸水矿化度下,柽柳土柱40,80,120和160 cm的溶液绝对浓度,分别比10 cm处(0.057%)降低73.7%,80.7%,86.0%和87.7%;而对照组对应层次,分别比10 cm处(0.071%)降低80.3%,87.3%,88.7%和93.0%。在相同土壤深度、不同地下水矿化度下,柽柳土柱和对照组的表土层10 cm处的溶液绝对浓度均表现为:淡水＞微咸水＞咸水＞盐水,即随着地下水矿化度的升高,各土层的溶液绝对浓度显著降低,而在其他土层,土壤溶液绝对浓度差异不显著(P＞0.05)。

由表1可知,随地下水矿化度的升高,柽柳土柱和对照组的溶液绝对浓度均值均显著降低。其中,微咸水、咸水和盐水矿化度下,柽柳土柱溶液绝对浓度均值,分别比淡水处理均值(0.026%)降低23.1%,38.5%和38.5%;对照组对应土层溶液绝对浓度,分别比淡水处理均值(0.024%)降低12.5%,29.2%和29.2%。可见栽植柽柳,提高了对不同地下水矿化度下的土壤溶液绝对浓度的降低幅度。不同地下水矿化度下,柽柳土柱和对照组的土壤溶液绝对浓度均值变化幅度差异较大,除淡水矿化度柽柳土柱的溶液绝对浓度均值比对照组(0.024%)增加8.3%外,微咸水、咸水和盐水矿化度下,柽柳土柱的溶液绝对浓度均值,分别比对照组减少5.0%,5.8%和5.9%。可见,地下水矿化度的不同,对土壤溶液绝对浓度影响较大,而栽植柽柳,可降低土壤溶液绝对浓度。

3 结论与讨论

1)随土壤深度的增加,各地下水矿化度下,栽植柽柳的土柱和对照组土壤剖面水分均呈现升高趋势,土壤剖面盐分先下降再升高,表土层水分最低,而含盐量最高,土壤盐分表聚现象明显,80 cm深处,土壤盐分达最低值。栽植柽柳,降低了土壤水分在垂直深度上的增加幅度,抑制了中土层40 cm以上的盐分增加,而对深土层120 cm以下的盐分影响不大。

2)随地下水矿化度的升高,整个土柱及各土壤剖面的含水量和含盐量,均呈现升高趋势。栽植柽柳,可显著降低土柱的含水量和含盐量;但随地下水矿化度的升高,其对土壤水分的降低作用在减弱,而抑制盐分作用在增强。栽植柽柳,增强了不同地下水矿化度下的土壤柱体的水分变化幅度,但减弱了土壤柱体盐分之间的差异。

3)不同地下水矿化度下,随土壤深度的增加,土壤各剖面溶液绝对浓度整体表现为下降趋势,其中,表土层10 cm土壤溶液绝对浓度差异显著(P＜0.05),而其他土层无显著差异(P＞0.05)。随地下水矿化度的增加,各土柱溶液绝对浓度总体表现为下降趋势,除淡水外,栽植柽柳,可显著降低不同地下水矿化度下的土壤溶液绝对浓度。

地下水通过“饱和带-包气带-植被”间的垂向联系,由点及面产生极为重要的生态环境效应[9,20,22]。土壤剖面盐分质量分数和水分状况,受地下水埋深及地下水矿化度的控制和影响最大,其中,高矿化度是实现土壤积盐的基本条件[17,26]。本研究表明,栽植柽柳的土柱和对照组,10 cm表土层土壤水分最低,含盐量最高,呈现明显的表聚性,这与内陆盐碱地和模拟土柱实验等的结论类似[3-4,16];但盐分聚集的土层厚度有一定差异。这主要是因为在浅层地下水条件下,土壤水分受植物蒸腾和土壤蒸发作用,而呈现明显的上升运动,易导致地下水通过毛细管上升,将盐分带到浅土层;持续的高蒸发量加剧土壤水分的散失,促进地下水和土壤盐分向上运移,最终导致土壤表层积聚盐分较多。

随着地下水矿化度的升高,柽柳土柱和对照组的土壤水分和盐分质量分数均呈升高趋势,表明地下水矿化度越高,利于盐分随水分在毛管作用下,向上迁移。J.Ceuppens等[27]也发现,浅地下水位条件下,地下水矿化度升高,促进了盐分离子的向上运移。众多研究表明,地下水矿化度越高,土壤含盐量也越高,特别是耕作层或表土层含盐量与地下水矿化度,可呈指数函数关系[17]或线性正相关[2,16]。可见,地下水矿化度的升高,对浅土层物质和能量的运移转化过程起了较大作用,有利于盐分在毛细管作用下,向上迁移[28];但也有研究发现,在野外试验条件下,地下水矿化度与土壤盐分运移的关系不显著[26]。这可能是因为,地下水矿化度仅为众多影响土壤含盐量变化的因素之一,而土壤自身的理化性质和外界微气候条件,对盐分的吸收、滞留和阻隔作用也有较大差异。

不同地下水矿化度条件下,栽植柽柳的土柱和对照组土壤含盐量最低值出现在中间层80 cm处,而底土层含盐量也呈升高趋势。这可能是因为土壤表面水分蒸发和植物蒸腾作用,使地下水通过毛管作用,向土壤表层运移聚集,减弱了地下水与中间层土壤的相互作用,导致中间层土壤积盐受地下水的影响逐渐降低[3];而中间层土壤盐分较低,也可能与柽柳是较强的泌盐植物有关,叶子和嫩枝可以将根系吸收的盐分排出体外。而土壤底土层,因紧邻地下水,毛细管作用强,土壤基本达到饱和状态,所以含盐量也较高。因本研究是阶段性实验结果,缺少从柽柳地上、地下生长状况及外界微气象因子等角度,探讨不同土柱的水盐运移机理,在下一步的研究中,需对不同地下水矿化度条件下,土壤体溶质迁移的动力机制进行深入探讨。

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Distribution characteristics of soilmoisture and salinity in the soil columns w ith planting Tamarix chinensis under different groundwater m ineralization

Song Zhanchao,Xia Jiangbao,Zhao Ximei,Zhang Guodian,Li Changzhun,Bi Yuqing

(Shandong Provincial Key Laboratory of Eco-environmental Science for Yellow River Delta,College of Resources and Environment, Binzhou University,256603,Binzhou,Shandong,China)

[Background]Soil salinization is one of themajor features of the ecological environment in the Yellow River Delta,and groundwater is themain water resource for plant growth and development in this saline soil.This study aims to provide scientific basis for the rational utilization of saline soil in the muddy coast,and management of planting protection forest for soil and water conservation.[M ethods] In order to investigate the response of the distribution characteristics of soilmoisture and salinity under different groundwater salinity,the soil columnswith planting 3-year Tamarix chinensis Lour were selected as experimentalmaterial,and soil columns without planting as control(CK).The parameters of soil moisture and salinity,such as soil water content,soil salt content and absolute concentration of soilsolution,weremeasured and analyzed under simulating groundwater levels of 1.8 m with 4 groundwater salinity gradients of fresh water(0 g/L),brackish water(3 g/L),saline water(8 g/L)and saltwater (20 g/L),respectively.[Results]The groundwater salinity significantly affected the parameters of soil moisture and salinity under different soil profiles.With the increase of groundwater salinity,the content of soilmoisture and salinity in the whole soil columns increased,while the absolute concentration of soil solution decreased.Compared with CK,themean relativewater contents in soil columnswith planting T. chinensis at fresh water,brackish water,saline water and salt water decreased by 24.4%,20.6%, 11.3%and 4.7%,respectively,and themean soil salt contents of brackish water,salinewater and salt water decreased by 6.7%,5.6%and 8.7%,respectively.With the increase of soil depth under different groundwater salinity,the soil moisture rose,and the absolute concentration of soil solution decreased,while soil salinity decreased firstly and then increased,and reached theminimum value at the soil depth of 80 cm.[Conclusions]With the increase of groundwatermineralization,the content of soil moisture and salinity rose rapidly,especially at the top soil,indicating that planting T.chinensis significantly decreased the water content,salt content and absolute concentration of soil solution in soil columns.However,the effect of planting T.chinensis for decreasing soil moisture weakened with groundwatermineralization increasing,while that on salt inhibition enhanced.

groundwatermineralization;soil columns;soilwater;soil salt;absolute concentration of soil solution;Tamarix chinensis Lour

S714.5

A

1672-3007(2016)02-0041-08

10.16843/j.sswc.2016.02.006

2015-06-29

2015-11-09

项目名称:国家自然科学基金“黄河三角洲柽柳对水位-盐分变化的生理生态响应过程与机制”(31370702);国家级大学生创新训练计划项目“柽柳水分传输过程对水盐协同作用的响应特征”(201410449031);山东省重点研发计划项目“黄河三角洲盐碱地农田林网生态工程治理及配套生物修复技术研究与示范”(2015GNC111022)

宋战超(1992—),男,本科生。主要研究方向:植物生态学。E-mail:songzco@163.com

简介:夏江宝(1978—),男,博士,副教授,硕士生导师。主要研究方向:植被恢复与生态重建。E-mail:xiajb@163. com