不同盐碱斑覆盖度下草地土壤盐分及磷有效性分析

2020-09-14陈晓鹏王一昊李锦扬董宽虎

山西农业科学 2020年9期

陈晓鹏，王一昊，李锦扬，李锐，赵祥，董宽虎

（山西农业大学草业学院，山西太谷030801）

在降水量少、蒸发量大的干旱和半干旱地区，或者地下水位较高的盆地和低洼地，土壤存在不同程度的盐渍化[1-2]。地下水在毛细作用和蒸散拉力作用下上升至地表，水分蒸发后，溶质在地表聚集，形成松散的盐霜和盐结皮，即为盐碱斑[3]。国内外相关研究成果对于盐碱斑的光谱特征[4]、草地土壤盐分特征[5]、盐碱化程度与植物群落斑块的关系[6]、植物耐盐机制[7-8]以及盐碱土壤水盐分布格局[9]、盐碱地的治理[10-11]与利用[12]等方面已有较为深入的认识，但有关土壤养分有效性对盐碱斑覆盖度变化的响应尚不明确。在盐碱化土壤中，磷素容易受到钙的固定[13]，导致磷有效性成为盐碱化草地植物生长的限制性营养元素[14]。

晋北地区（大同盆地）属半干旱/半湿润气候过渡区，其盐碱地占山西省盐碱地总面积的71.6%[15]。有研究表明，土壤盐碱化是制约晋北地区草地生产力及畜牧业发展的重要因素之一[16]。

本研究对晋北地区不同盐碱斑覆盖度下的草地土壤含水量、pH、盐含量、有效磷含量和磷活化系数进行分析，旨在明确晋北盐碱化草地地表盐碱斑覆盖度变化的决定因素以及地表盐碱斑的覆盖度变化对土壤磷有效性产生的影响，为雁门关农牧交错带盐碱化草地管理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究地概况

研究地点位于山西农业大学右玉草地生态系统野外观测试验站（N112°19′22.1″，E39°59′03.5″）。该区域海拔1 329 m，年均气温4.2℃，年均降水量410 mm，年均蒸发量1 788 mm。草地属盐碱化低地草甸[17]，植被覆盖度在70% 以上，主要植物有赖草（Leymus secalinus）、碱茅（Puccinellia distans）、碱蒿（Artemisia anethifolia）、芦苇（Phragmites communis）、鹅绒委陵菜（Potentilla anserina）等。

1.2 试验方法

研究地点春旱严重，据试验站布设的气象站统计，1—4月累积降水量仅在30 mm左右，该时期地表盐碱斑较为明显。2018年春季（4月中旬），在500m×500m的区域内，以1 m×1 m样方框（10格×10格）对研究区地表白色盐碱斑覆盖度进行调查（盐碱斑＞0.5小格计1% ；否则计0），发现盐碱斑覆盖度在0～20% ，并将盐碱化草地按照5个覆盖度划分，即0（A）、5% （B）、10% （C）、15% （D）和20% （E）5个处理；每个处理随机选取3个样方作为重复，共选取15个样方，随机分布在研究区域。

在每个选定的样方内，按照“梅花五”方式，用直径为5 cm的土钻，分0～10、10～20、20～40 cm采集土壤样品（采样点地表植被覆盖情况随机）；之后将每个层次的5个样品混合均匀，即为该样方该层次的土壤样品。将土壤样品中的细根、砾石剔除，过2 mm筛，后于阴凉处自然风干。由于盐碱土在风干后会板结为块状，在测定前，将板结的土块利用研钵进行破碎。

1.3 测定项目及方法

土壤含水量的测定采用烘干法；土壤pH的测定采用电位法；Ca2+和Mg2+含量用EDTA络合滴定法进行测定，K+（766.5 nm）和Na+（589.3 nm）含量采用火焰光度法进行测定；SO42-含量测定采用EDTA间接络合滴定法，Cl-含量的测定采用硝酸银滴定法[18]，CO32-和HCO3-含量测定使用数字瓶口滴定器（双指示剂-中和滴定法）进行检测；土壤含盐量为8种离子干质量（g/kg）的加和值[19]；土壤全磷含量采用碱熔-钼锑抗比色法进行测定，有效磷含量采用Olsen法进行测定[20]。

1.4 数据统计

文中所有图表呈现的数据均为平均值±标准差；使用Origin 2019软件进行作图。5个盐碱斑覆盖度下草地土壤的8种离子含量、pH、含盐量、含水量、全磷、有效磷和磷活化系数的比较，采用单因素方差分析（LSD，P＜0.05）；8种离子与土壤pH和含盐量的相关关系，采用逐步线性回归进行分析，利用方差膨胀因子来判断输入变量是否存在共线性（0＜VIF＜10则不存在共线性）。以上统计分析均使用SPSS 20.0完成。结构方程模型-路径分析使用IBMSPSS Amos 20软件进行，选用卡方与自由度之比（χ2/df，其在1～3表示拟合良好）、近似误差均方根（RMSEA，其小于0.1表示拟合良好）、拟合优度指数（GFI）和比较拟合参数（CFI）进行拟合优度检验（GFI和CFI越接近1表示拟合越好）；所有路径系数均采用完全标准化解。

2 结果与分析

2.1 土壤主要阳离子和阴离子变化分析

从图1可以看出，随盐碱斑覆盖度增加，0～10、10～20、20～40 cm土壤K+、Ca2+和Mg2+含量变化范围较小，不同盐碱斑覆盖度下这3种阳离子含量间无显著差异，其含量均小于0.20 g/kg；Na+含量随盐碱斑覆盖度增加呈逐渐上升趋势，其变化范围在0.04～1.06 g/kg。其中，在0～10 cm土层，C、D、E处理下Na+含量均显著高于A处理，且C处理下Na+含量显著高于B处理；在10～20 cm土层，B、C、D、E处理下Na+含量显著高于A处理；在20～40 cm土层，C、D、E处理下Na+含量显著高于A处理，且E处理下Na+含量显著高于B和D处理。

从图2可以看出，随盐碱斑覆盖度增加，0～10、10～20、20～40 cm土壤SO42-（变化范围0.94～1.79 g/kg）和HCO3-（变化范围0.33～1.85 g/kg）含量均呈逐渐上升趋势；Cl-和CO32-含量较低（＜0.30 g/kg），且变化范围较小。其中，在0～10 cm土层，E处理下SO42-含量显著高于A处理，C、D、E处理下HCO3-含量显著高于A处理，且D处理下HCO3-含量显著高于B处理；在10～20 cm土层，B、C、D、E处理下HCO3-含量显著高于A处理；在20～40 cm土层，E处理下HCO3-含量显著高于A和B处理。

2.2 土壤含水量、pH和含盐量变化分析

由图3可知，盐碱化草地土壤pH值范围在8.7～10.1。其中，B、C、D、E处理下0～10、10～20、20～40 cm土壤pH值显著高于A处理；而在B、C、D、E处理之间，各层次土壤pH值间均无显著差异。

A、B处理下0～40 cm土层土壤含盐量小于3.0 g/kg，C、D、E处理下土壤含盐量范围在3.0～5.5 g/kg。其中，在0～10 cm土层，C、D、E处理下土壤含盐量显著高于A处理，D和E处理下土壤含盐量显著高于B处理；在10～20 cm土层，C、D、E处理下土壤含盐量显著高于A处理；在20～40 cm土层，C、D、E处理下土壤含盐量显著高于A处理，且E处理下土壤含盐量显著高于B处理。

表1盐碱斑覆盖度对0～40 cm土壤含水量、pH和含盐量的影响

由表1可知，随地表盐碱斑覆盖度增加，土壤含盐量逐渐升高，土壤含水量和pH值呈先升高后趋于稳定的变化趋势，其中，土壤pH值在8.97～9.82，属强碱性。C、D、E处理下土壤含水量显著高于A（CK）处理（增幅为47.85% ～84.48% ），C处理下土壤含水量显著高于B处理（增幅为33.82% ），且B处理土壤含水量显著高于A处理（增幅为37.86% ）；B、C、D、E处理下土壤pH值显著高于A处理，随盐碱斑覆盖度增加pH值增幅范围为8.81% ～9.48% ；D、E处理下土壤含盐量显著高于A、B处理（增幅范围在66.96% ～170.83% ），C处理下土壤含盐量显著高于A处理151.39% 。

2.3 土壤酸碱度、含盐量的控制因素分析

逐步线性回归分析结果显示，Na+和HCO3-含量可解释66% 的pH变化（pH＝0.39 Na+＋0.35 HCO3-＋9.03；R2＝0.66，P＜0.001，VIF＝1.226）；土壤含盐量由Na+、HCO3-和SO42-共同决定（含盐量＝0.95 Na+＋1.19 HCO3-＋1.02 SO42-＋0.12；R2＝0.99，P＜0.001，VIF＝1.757）。

2.4 土壤全磷、有效磷和磷活化系数变化分析

从图4可以看出，研究区土壤全磷含量在0.1～0.3 g/kg，随盐碱斑覆盖度增加，土壤全磷含量并未呈现一定的变化规律。其中，A处理下0～10 cm土壤全磷含量显著高于B、C和D处理；在10～20 cm土层，E处理下土壤全磷含量显著高于B、C处理，D处理显著高于C处理；不同处理下20～40 cm土壤全磷含量间均无显著差异。

随盐碱斑覆盖度增加，土壤有效磷含量呈逐渐降低趋势。其中，在0～10 cm土层，A处理下土壤有效磷含量显著高于B、C、D、E处理，B处理土壤有效磷含量显著高于C、D、E处理；在10～20 cm土层，A处理下土壤有效磷含量显著高于B、C、D、E处理，B处理土壤有效磷含量显著高于D和E处理；不同处理下20～40 cm土壤有效磷含量间均无显著差异。

从图5可以看出，研究区土壤磷活化系数均小于2.0% 。其中，0～10、10～20 cm土壤磷活化系数随盐碱斑覆盖度增加呈先升高（P＞0.05）后降低的变化趋势；A和B处理下0～10 cm土层磷活化系数显著高于C、D、E处理，A、B、C处理下10～20 cm土层磷活化系数显著高于D和E处理，20～40 cm土层磷活化系数随盐碱斑覆盖度增加呈逐渐降低趋势，但不同处理下土壤磷活化系数间均无显著差异。

2.5 磷素有效性对盐碱斑覆盖度变化的响应路径分析

路径分析结果表明（图6），影响土壤有效磷最大的因素为土壤pH值，土壤含盐量及其所引起的土壤盐碱斑覆盖度变化对有效磷含量无显著影响；土壤pH主要受含盐量影响，其次受土壤含水量影响，与盐碱斑覆盖度变化无关；土壤含水量对土壤含盐量具有正效应，但并未影响地表盐碱斑覆盖度变化。

3 讨论

3.1 草地土壤盐碱化特征分析

本研究表明，10% 、15% 和20% 盐碱斑覆盖度下土壤含盐量间无显著差异，表明盐碱斑覆盖度仅仅是衡量草地土壤盐碱化程度的因素之一，还需要结合盐生植物群落[21]和土壤养分[22]等指标才能对草地土壤盐碱化程度进行准确判定。

按照土壤盐化分级标准[23]，0～5% 盐碱斑覆盖度下草地0～40 cm土壤含盐量均小于3.0 g/kg，属非盐渍化土；10% ～20% 盐碱斑覆盖度下草地0～40 cm土壤含盐量可达3.0～4.0 g/kg，属弱盐渍化。本研究中，5个覆盖度下草地0～40 cm土壤pH值均大于8.5，属强碱性土。表明该区域盐碱化草地盐渍化程度较低，植物生长主要受碱害影响。而通过逐步回归分析发现，NaHCO3是导致土壤碱害的主要盐分，强碱弱酸盐水解产生的大量OH-是引起pH值升高的主要原因；Na2SO4和NaHCO3这2种盐分决定了土壤含盐量及地表盐碱斑覆盖度的变化，表明该区土壤属苏打型盐渍化土[24]。

本研究结果表明，随盐碱斑覆盖度增加，土壤含水量呈先增加后趋于稳定的变化趋势，结合路径分析结果显示，土壤含水量对土壤含盐量和pH具有显著正效应，即在春季降水严重不足的情况下，土壤含水量越高，则盐渍化程度越高，表明地下水在毛细管作用下上升到地表导致的土壤返盐是引起盐碱斑覆盖度变化的主要原因[25]。但该区域土壤盐碱化的成因，是否为地下水位较高所导致的次生盐渍化，还需进一步分析地下水的埋深及盐分特征[26]才能确定。

3.2 土壤磷素有效性分析

土壤中的磷迁移性小且容易被固定，这导致磷成为限制植物生长的矿质营养元素之一[27]。土壤pH会影响矿物分解及土壤胶体的带电性[28]，同时，影响土壤微生物活性及其对难溶性磷酸盐的分解[29]，因此，土壤pH对磷的释放、固定及迁移起着重要作用。当pH值＞8时，H2PO4-会与Ca2+形成难溶性的Ca（H2PO4）2·H2O[30]，导致在盐碱化土壤中，磷的有效性较低。本研究中，草地0～40 cm土层磷活化系数均小于2，表明该区域草地土壤磷的有效性很低[31]。回归分析发现，土壤有效磷含量及磷活化系数与Ca2+含量无显著相关关系，这与研究区土壤Ca2+含量（＜0.1 g/kg）较低，且并未随盐碱斑覆盖度增加而增加有关。表明该区域土壤磷有效性低是由于pH值过高抑制了微生物对难溶性磷酸盐的分解，并非由H2PO4-与Ca2+形成难溶性盐所导致。

土壤全磷含量主要与成土母质与风化程度有关[30]，因此，在本研究中全磷的土壤垂直分布中并无明显差异，且其含量也并未随盐碱斑覆盖度变化呈现一定规律。本研究表明，0～20 cm土层土壤有效磷含量随盐碱斑覆盖度增加呈逐渐下降趋势，尽管20～40 cm土层土壤pH及含盐量与0～20 cm土层相当，但20～40 cm土层土壤有效磷含量及磷活化系数对盐碱斑覆盖度变化却无明显响应。表明土壤盐碱化主要影响表层土壤磷的有效性。