秦王川土壤酸碱度及盐离子对不同植物的响应

2021-09-09段凯祥赵保卫张松林赵成章

兰州交通大学学报 2021年4期

段凯祥，赵保卫*，张松林，赵成章

(1. 兰州交通大学环境与市政工程学院，兰州 730070；2. 西北师范大学地理与环境科学学院，兰州 730070)

土壤盐分含量对植物的分布、生长和结构稳定性有着较大的影响[1]，并且可以反映区域内土壤盐渍化的程度.当前，全球性的土壤盐渍化形势比较严峻，其中有10%的陆地受到盐渍化的影响，具有面积大、分布广和类型多的特点[2].而我国约有9913万公顷的盐碱化土壤，受盐渍化影响最为严重，主要分布在华北平原、东北平原、西北内陆及滨海地区，尤其是在西北的甘肃、新疆和宁夏等干旱半干旱地区广泛存在不同程度的土壤盐渍化现象[3].干旱半干旱地区由于其强烈的土壤水分蒸发，造成表层土壤盐碱化程度较高[4]，较高的盐分含量会造成植物生理性缺水，抑制养分吸收，一定程度上毒害植物细胞，导致植物发育不良甚至死亡[5]，并从大尺度上加剧土壤沙化和荒漠化程度[6].例如，Na+、Mg2+的增加会造成植物细胞结构损伤，阻碍光合作用，减少叶绿素的产生[7]；同时，土壤盐分会导致植物在氮素代谢过程中产生有毒中间体，从而削弱植物的代谢功能[8]；Kinraide报道了K+对植物根系的毒性较高，而Na+对茎的发育毒性更明显[9].土壤盐分类型不同对盐碱地植被类型和选择适应性有很大影响，研究土壤盐分类型和可溶性盐离子的含量，有助于判断土壤盐渍化状况，明确土壤盐离子对植被类型的响应.

土壤酸碱性对土壤结构、有害物质的形成、微生物的活动等都有影响[10]，其在土壤研究中占有非常重要的地位，过酸和过碱土壤均会影响植物的生长发育[11].另外，酸碱性也会影响土壤中离子的沉淀、溶解和解吸，进而影响土壤盐分特征，是评价土壤盐渍化程度的重要指标[12].所以，研究土壤酸碱度对植物生长的影响具有重要意义.

秦王川湿地是兰州市典型的盐沼湿地，由秦王川盆地地下水渗出汇集而形成，植物物种比较丰富，以耐盐和泌盐植物为主，其中以柽柳、盐角草和碱蓬为优势种的群落主要生长在低水位高盐分区域，以芦苇为优势种的群落主要生长在高水位低盐分地区.湿地植被的存在对于任何盐沼的长期存在都是至关重要的，因为它可稳定土壤表面，减少土壤侵蚀[13].有研究表明柽柳能有效提高盐碱地土壤碱解氮、速效磷的含量[14]；盐角草、冰草和碱蓬由于其独特的生理生态特征，具有不同程度的脱盐作用[15].当前已有很多学者对秦王川湿地进行研究，包括植物种群分布格局[16-17]、枝-叶形状特征及其影响因素[18-19]，但缺乏对不同植被类型下土壤的盐分类型的研究.基于此，以秦王川盐沼湿地典型植物生长的土壤为研究对象，通过分析土壤pH值、全盐量和可溶性盐离子浓度，研究该区域土壤的主要盐分类型及不同植被下土壤盐离子的变化特征，以期为秦王川湿地的保护和管理提供理论支撑.

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

秦王川位于兰州新区，是兰州市最大的冲积高原盆地，整体地势北高南低，海拔在1 800～2 300 m之间，周边多为海拔较低的黄土丘陵，水资源主要来源于大通河的引入.上千年的冲洪沉积在秦王川形成了一条山谷，随着地下水的不断渗出，汇成了千亩湿地.秦王川湿地属于典型的内陆盐沼湿地，东经103°36′28″～103°40′13″，北纬36°24′52″～36°28′44″，处于干旱荒漠—腾格里沙漠的过渡带，属温带半干旱大陆气候，年降水量较小(250 mm)，年蒸发量较大(1 800～2 100 mm)，整体生态环境较脆弱.

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集

于2018年10月在秦王川盐沼湿地选择典型的6种植物即碱蓬(SuaedaglaucaBunge)、盐角草(SalicorniaeuropaeaL.)、紫菀(AstertataricusL.f.)、柽柳(TamarixchinensisLour)、冰草(Agropyroncristatum(L.)Gaertn.)和早熟禾(PoaannuaL.)，运用5点混合法分别采集其生长的表层土壤(0～20 cm)约1 kg，并充分混合，采集过程中去除石块、杂草、植物根茎和人为垃圾等杂物，放入聚乙烯自封袋中，带回实验室，经风干、研磨和过筛(200目尼龙筛)后进行分析和测试.

1.2.2 样品测定与分析

1.2.3 仪器与试剂

测定用主要仪器有：AR124CN电子天平、TDL-4离心机、双联万用电炉和AANALYST400原子吸收光谱仪.主要试剂有：H2O2(GR)、浓H2SO4(AR)、酚酞指示剂(0.5% m/v)、甲基橙指示剂(0.1% m/v)、AgNO3(ACS，≥99.0%)、EDTA二钠盐(GR，99%)和阳离子标准溶液(K+、Na+、Ca2+和Mg2+)等.

1.2.4 统计

采用Excel2016、SPSS22.0、Origin2018和Aquachem软件，进行数据统计分析和图表的绘制软件.

2 结果与分析

2.1 土壤pH值

pH值大小是评价土壤盐渍化程度的重要指标，影响土壤中物质的氧化、沉淀溶解、吸附和解吸[11]，以及土壤微生物活性、酶活性和植株矿质元素吸收等[21].根据第二次全国土壤普查中的分级标准，将土壤pH分为6个等级[22]，分别为强酸性(<4.5)、酸性(4.5～5.5)、弱酸性(5.5～6.5)、中性(6.5～7.5)、弱碱性(7.5～8.5)和碱性(>8.5).不同植物下土壤的pH值如图1所示，早熟禾、紫菀和盐角草三者土壤pH值存在显著的差异，此外，紫菀和柽柳、碱蓬和盐角草，它们之间土壤pH值差异性也较显著，表明这些植物生长下的土壤pH值差别较大，可能与植物性质有关，其他植物生长下的土壤pH值差异性均不显著，差别较小，生长的酸碱环境类似.研究区土壤pH值介于6.79和7.74之间，平均值为7.30，总体表现为中性，其中紫菀和早熟禾生长的土壤呈弱碱性，这可能和土壤电导率有关，有研究表明土壤pH值和电导率呈负相关关系[23].

图1 不同植物生长的土壤pH值和全盐量Fig.1 Soil pH values and salt concentrations of different vegetation grow

2.2 土壤全盐量

由图1可知，不同植被生长下土壤的盐分质量分数依次为盐角草(32.60 g·kg-1)>碱蓬(23.85 g·kg-1)>柽柳(7.60 g·kg-1)>冰草(3.06 g·kg-1)>早熟禾(2.88 g·kg-1)>紫菀(1.09 g·kg-1)，紫菀和早熟禾群落土壤盐分浓度较低，而电导率与盐分呈显著的正相关，这也进一步证实了由于pH值和电导率呈负相关而导致的该植物下土壤呈弱碱性的特点.另外冰草、早熟禾和紫菀生长的土壤中盐分含量差异性不显著，其它植物生长的土壤中盐分均具有显著的差异，这说明在秦王川湿地公园植被类型和土壤盐渍化程度关系密切.

根据土壤盐分含量，土壤盐渍化程度可分为6个标准，分别为非盐渍化土(<4 g·kg-1)、盐渍化土(4～20 g·kg-1)、轻盐土(20～40 g·kg-1)、中盐土(40～80 g·kg-1)、重盐土(60～120 g·kg-1)、特重盐土(>160 g·kg-1).据此可以看出，盐角草和碱蓬生长的土壤中盐分含量较高，属于轻盐土；柽柳生长的土壤属于盐渍化土；冰草、早熟禾和紫菀生长的土壤属于非盐渍化土.造成这种现象的原因是因为盐角草和碱蓬属于一年生植物，并且盐角草属于超积累型盐生植物[24]，碱蓬对土壤中的Na+和Cl-的吸收能力较强[25]，吸收的盐分伴随着枝叶的连年凋落返回到土壤表层，使得该植物周围土壤产生“盐岛效应”.柽柳群落密度较小，湿地的地下水位较高，强烈的蒸发作用使土壤表面盐分浓度较高[26]，另外由于其是多年生泌盐植物，茎叶分泌的盐分通过降水淋洗后被凋落物截留也会造成土壤表层盐分积累现象[27].冰草、早熟禾和紫菀主要生长在近水区域，较高的水含量大大稀释了土壤盐分浓度.

2.3 土壤主要离子组成

图2 土壤主要离子浓度Piper图Fig.2 The Piper plot of main soil ion concentration

2.4 土壤可溶性离子及全盐相关性分析

图3 不同植被类型下土壤可溶性盐离子浓度Fig.3 Concentrations of soluble salt ions in soil under different vegetation types

2.5 土壤可溶性盐离子与植物类型的响应

不同植被类型下土壤可溶性盐离子浓度的特征如图3所示，各阴阳离子的分布特征存在差异，说明土壤盐离子类型受到植被类型的影响.

表1 土壤可溶性离子浓度和全盐量之间的相关系数

*表示在置信度为0.05时，相关性显著；**表示在置信度为0.01时，相关性显著.

所有阳离子均在盐角草生长的土壤中浓度最高，碱蓬次之，其中以Ca2+为主，表明盐角草和碱蓬的耐盐能力最强，主要因为盐角草和碱蓬为真盐性植物，其在吸收盐分的同时也在不断的使茎和叶肉质化，以便吸收更多的水分来稀释体内的盐分，从而也导致了较强的盐分富集能力[33]；另外有研究表明盐生植物的耐盐能力越强，其根际对盐分的富集能力也越大，这也导致了植物吸收盐分过程中的“盐泵”作用[34]，大量的盐分富集导致了该植被类型下土壤阳离子浓度的增加；并且钙能稳定生物膜结构，保持细胞膜对离子的选择性吸收功能，在土壤盐分较高的生境中适量的Ca2+能降低质膜透性，阻止胞内K+的外渗和Na+的进入，从而提高盐沼湿地植物的耐盐性[35].