造林树种对宁夏盐碱土水盐运移及养分的影响研究

王 旭，李 磊，樊丽琴，张永宏，肖爱萍，赵瑞娟

（1.宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，银川 750002；2.国家农业环境银川观测试验站，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）

土壤盐碱化是制约我国干旱、半干旱地区农业可持续发展的主要因素之一。我国境内盐碱地面积近1 亿hm2[1]，主要分布在东北、西北、华北和滨海地区[2,3]。盐碱地作为我国重要的后备耕地资源[4,5]，其高效利用对保障国家粮食安全、坚守耕地红线具有重要意义。

宁夏位于我国西北内陆干旱区，全境属于黄河流域，银北灌区农业产业发达，但长期大水漫灌及灌排设施不完善等问题导致出现了大面积盐碱地，盐碱化耕地面积为15 万hm2，占耕地总面积的1/3[6]。宁夏引黄灌区盐碱地生态恢复是黄河流域生态保护和高质量发展先行区建设的重要组成部分。该地区土壤盐分在气候的影响下，以水为介质和载体进行迁移，呈“春返、夏脱、秋积、冬储”的季节特点[7-9]。盐碱地治理方法包括：水利改良、化学改良、农艺改良和生物改良等技术[3]，水利改良、化学改良偏重于工程措施，效果快但存在投入大、效果难以持久的弊端。盐碱地治理中，防蒸覆盖是抑制返盐的有效途径，种植耐盐植物有利于提高土壤肥力、改良土壤结构、改善田间小气候；同时还可增加地表覆盖度，以植物蒸腾代替地表蒸发，延缓或防止地表蒸发返盐[10]。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[11]。耐盐植物生长过程中，根系对土壤有穿插作用，能提高土壤孔隙度，根系分泌的有机酸、蛋白质、肽等物质，有利于土壤有机质的累积[12]。种植耐盐碱植被能增加土壤通透性，改善土壤孔隙度，利于土壤盐分向下迁移，同时植被的覆盖可减少土壤水分蒸发，抑制地表返盐[13,14]。盐生植物能吸收根际土壤中的部分可溶性盐，且累积于植株体内，收获期刈割，降低土壤盐分的同时改善土壤物理性质[15]。有研究表明[16]：种植柽柳能显著降低土壤含盐量，柽柳的叶片泌盐达23.25%。宁夏银北盐碱地区种植柽柳、油葵、苇状羊茅三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[17]。

综上所述，关于耐盐碱植物的研究主要集中在不同地区各种植物对土壤水盐的影响方面，针对宁夏银北地区不同造林树种对土壤水盐时空运移、土壤养分的影响及其与植物生长的响应研究仍显不足。因此，本研究结合区域特色，在宁夏银北盐碱地区监测不同造林树种对土壤水盐时空运移、土壤养分的影响，揭示不同造林树种条件下土壤水盐时空运移规律，为同类地区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小兴墩（38°51′N，106°31′E），该地区属干旱大陆性气候，年平均降水和蒸发量分别为185 mm、1 841 mm，降水少且时空分布不均[18]。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（Black Locust）等品种，每个小区规格为10 m×10 m，各小区筑有50 cm 埂，小区间隔50 cm，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，0～100 cm 土层土壤全盐为2.45～5.38 g/kg，pH 为8.96～9.77，碱解氮为17.0～46.2 mg/kg、速效磷为2.06～16.05 mg/kg、速效钾为300.6～370.7 mg/kg、有机质为7.52～17.12 g/kg，土壤质地为砂壤土。

1.2 调查与采样

在搜集资料和调查的基础上，2020-2021年在宁夏平罗县小兴墩采集土壤样品，自2015年进行人工造林以来部分轻度耐盐碱的树已枯萎，仅柽柳、盐柳、9901 柳3 种树种长势较好，因此选择这3 种树种的小区为定位监测样地。4-10月每月中旬采1 次土样，距树干40 cm 处以地表为基准采集0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5 个不同土层土样装入自封袋带回室内进行检测，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

采集的土样剔除杂物，风干、碾磨、过筛（孔径1 mm）。土壤含水率采用烘干法测定；按1∶2.5 土水比充分震荡摇匀取上清液，采用Mettler Toledo S220 多参数测试仪测定pH；按1∶5 土水比充分震荡摇匀取上清液，采用DDS-307A 土壤电导率仪测定，并换算成全盐含量[19]。有机质采用重铬酸钾法，碱解氮采用碱解扩散，速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾采用乙酸铵浸提火焰光度法[20]。苗木基径采用游标卡尺测量，树木株高、冠幅采用卷尺测量。

1.4 数据分析及处理

采用SPSS 17.0 统计软件进行数据分析，采用Surfer 10 做Contour图、3D Wireframe图。

2 研究结果

2.1 不同造林树种条件下土壤水分时空运动规律

种植树木影响土壤水分时空分布，在0～40 cm 随土层深度增加土壤含水率呈增加趋势，6-8月份表层土壤含水率最低（图1）。空地40 cm以下土层土壤水分呈先减小后增加的趋势，随时间推移0～40 cm 土层土壤水分呈降低趋势，5月份土壤剖面40 cm 处含水量较高，随时间推移水分迁移至80 cm 以下土层。盐柳小区0～40 cm 土层土壤水分随时间推移呈降低趋势，土壤水分逐渐迁移至60～80 cm 土层，土壤含水率高于18%，6-9月0～20 cm 土层土壤含水率最低，均低于13%。柽柳小区6、7月份土壤剖面60 cm 处含水量较高，土壤含水率高于20%，8月份气温较高地表蒸发强烈，土壤水分向上迁移，60 cm 以下土层随时间推移土壤水分呈降低趋势。9901 柳小区4月份土壤剖面60 cm 处土壤含水量较高，土壤含水率高于19%，随时间推移土壤水分迁移累积于60～80 cm 层。4月份柽柳、9901 柳小区的0～40 cm 土层土壤含水率低于盐柳小区，6-8月份盐柳小区表层土壤含水率低于12%，为所有处理中最低。结果表明：种植树木后表层土壤水分受蒸发与根系吸水的影响较大，6～8月份表层土壤含水率最低，0～40 cm 随土层深度增加土壤含水率呈增加趋势；盐柳和9901 柳小区土壤水分随时间推移向下迁移累积于60 cm 以下土层，柽柳小区随时间推移土壤水分由60 cm 土层向上迁移。

图1 3种树种土壤水分时空分布Fig.1 Time and space distribution of soil moisture in three tree species

2.2 不同造林树种条件下土壤盐分时空迁移规律

种植树木的小区表层土壤含盐量随时间推移呈先减少后增加的趋势，空地表层土壤含盐量随时间推移呈逐步增加的趋势，0～40 cm 随土层深度增加土壤盐分呈降低趋势，10月份表层土壤含盐量最高（图2）。4月份春季返盐较为明显，盐分表聚特征明显，种植树木的小区表层土壤含盐量均低于2 g/kg，其中柽柳小区表层土壤含盐量最低（1.5 g/kg），空地土壤含盐量高于2 g/kg，表明在春季返盐较为明显的季节，种植树木有助于抑制地表返盐。盐柳小区随时间推移土壤盐分累积在土壤剖面40～80 cm 区域，9、10月份盐分迁移累积于地表，20～40 cm 土壤盐分变化较缓慢，土壤盐分较为稳定。柽柳小区随时间推移土壤盐分累积在土壤剖面60～100 cm区域，10月份盐分迁移累积于地表，20～40 cm 土壤盐分变化较缓慢。9901 柳小区土壤剖面盐分变化呈“荷叶”型变化，春季表层盐分高，随时间推移10月份土壤盐分迁移累积于地表处。空地土壤剖面盐分变化规律与种植树木的小区不同，表层土壤盐分随时间推移呈递增趋势，20 cm 以下土层土壤盐分随时间推移呈先增加后减小的趋势。结果表明：与空白地相比，种植树木影响土壤盐分时空分布，盐柳、柽柳、9901 柳小区土壤剖面盐分由波浪型变化为“V”形分布，种植树木的小区20～40 cm 土壤盐分变化较小，土壤盐分低于空地，其中柽柳小区土壤盐分最低。

图2 3种树种土壤盐分时空分布Fig.2 Time and space distribution of soil salinity in three tree species

2.3 不同造林树种条件下土壤pH时空分布规律

种植树木影响土壤pH 时空分布，种植3 种树木0～20 cm土壤pH 均低于9，4月份各处理0～20 cm 土壤pH 高于其他月份、其他土层；盐柳、柽柳、9901 柳小区4月份0～20 cm 土壤pH 比空地分别低6.4%、7.9%、6.7%（图3）。盐柳小区4月份土壤pH呈“W”形分布，其中60～80 cm土壤pH最低（8.65）；不同土层土壤pH 随时间推移呈折线变化规律，4月份不同土层土壤pH 高于其他月份。柽柳小区4月份土壤pH 随土层深度增加呈折线变化规律，20～40 cm 土壤pH 最低（8.63）；0～20 cm 土层土壤pH 随时间推移呈降低趋势，8月和10月60～80 cm土层土壤pH高于其他土层。9901柳小区0～20 cm土壤pH随土层深度呈“V”形变化规律，随时间推移呈“W” 形变化规律；除4月份外的其他月份土壤剖面pH 随土层深度增加呈增加趋势，与4月份变化规律不同，可能是夏季气温较高，土壤剖面水分运动较为剧烈，影响盐分及可溶性盐分离子的分布所致。空地0～20 cm 土壤pH 值为9.61，高于造林小区，4月份随土层深度增加土壤pH 呈折线变化规律，即先降低后增加再降低；7月份空地20～100 cm 土壤剖面pH 明显高于其他月份，可能是夏季高温导致土壤剖面水分运动较为剧烈所致。试验结果表明：种植树木后的土壤pH 低于空地，4月份表层土壤pH最高，柽柳小区土壤剖面pH最低。

图3 3种树种土壤pH时空分布Fig.3 Time and space distribution of soil pH in three tree species

2.4 不同造林树种对土壤养分的影响

土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量均为土壤表层最高，除速效钾外其他土壤养分含量均表现为80～100 cm 最低（表1）。0～20 cm、20～40 cm 土层9901 柳小区土壤有机质、碱解氮含量最高，20～40 cm 土层土壤有机质、碱解氮含量比盐柳小区分别高32.6%、34.8%，差异显著（P＜0.05）；40～60 cm、60～80 cm 土层柽柳小区的土壤有机质、碱解氮含量最高，显著高于盐柳小区（P＜0.05）；80～100 cm 土层土壤有机质、碱解氮含量4 个处理之间无显著性差异（P＞0.05）。土壤速效磷、速效钾均表现为空地最高，0～20 cm、20～40 cm 土层土壤速效磷含量最低，盐柳小区40 cm 以下土层土壤速效磷、速效钾均显著低于其他处理（P＜0.05），4 个处理在20～40 cm 土壤速效钾含量之间无显著性差异（P＞0.05）。结果表明：与空地相比，种植9901 柳可提高0～40 cm 土壤有机质、碱解氮含量；但造林树种会导致土壤速效磷、速效钾含量降低，盐柳对40 cm以下土层土壤速效磷、速效钾影响明显。

表1 土壤养分指标Tab.1 Index of soil nutrient

2.5 树木生长指标

9901 柳属于乔木，树干通直、顶端优势较明显，株高显著高于其他树种（P＜0.05）；柽柳属于灌木，其株高、基径和冠幅指标均低于其他两个乔木树种，9901 柳的基径为225.3 mm，高于其他树种（表2）。盐柳的基径、冠幅与9901柳相比无显著性差异（P＞0.05），盐柳、9901 柳的基径、冠幅显著高于柽柳（P＜0.05）；3 种树种的株高两两之间均存在显著差异（P＜0.05）。

表2 树木生长指标Tab.2 Index of tree growth

3 讨 论

耐盐植物生长周期内，在植物生理功能及根系生长、地上增加覆盖等影响下，对土壤结构改善、盐分淋洗及抑制返盐等方面起到积极作用，促进土壤理化性质向良性循环方向发展[21]。柽柳属于泌盐型植物，枝叶繁茂、绿期较长、耐干旱及盐碱；9901 柳树干通直，冠幅窄，顶端优势较为明显；盐柳适应性强，耐干旱及耐盐碱、枝条自然下垂，具有一定的冠幅优势。3种树木影响土壤水盐时空运移，种植树木的小区土壤含水率高于空地、土壤含盐量低于空地；表层土壤受植物根系吸水与地表蒸发的影响，水盐变化较为明显，6-8月份表层土壤含水率、含盐量均较低、8月份以后表层土壤含盐量逐渐升高，这与Yu 等[22]的研究发现植被覆盖能减小深层土壤水分向地表迁移从而抑制地表返盐的结果相似。柽柳的泌盐特性导致土壤剖面盐分低于其他2 种树种（图2），9901 柳、盐柳冠幅大遮阴效果好能抑制地表返盐，但盐分并非3种树种中最低，表明柽柳泌盐特性对土壤盐分的降低效果优于植被冠幅带来的覆盖抑盐效果。雷金银等[23]通过研究耐盐植物的生物改良作用也得到了相似的水盐规律，同时发现植物根系对土壤的穿插作用，能促进盐分向深层运移，在生物排水的作用下影响土壤剖面水分分布；0～20 cm 土层土壤的理化性质改善最为明显，容重降幅超过20%。

植物根系的生理活动能改善土壤结构，影响土壤水盐时空运移过程；此外，夏季植物生长旺盛覆盖度高，可削弱地表蒸发，抑制返盐。该结论与董利苹等[24]的研究结果相同，地表土壤盐分降低显著，植物根系活动影响土壤剖面水盐分布。土壤pH 降低受植物根系生长及土壤微生物活动的影响，因为根系生理活动可分泌有机酸，此外土壤微生物对植物残体有分解作用产生有机酸，可在一定程度上中和土壤碱性[25]。3 种树种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pH 均有较大的改善效果。

4 结 论

表层土壤受蒸发与植物根系的影响较大，6～8月份表层土壤含水率最低；盐柳和9901 柳小区土壤水分随时间推移向下迁移累积于60 cm 以下土层，柽柳小区随时间推移土壤水分由60 cm 土层向上迁移。盐柳、柽柳、9901柳小区土壤剖面盐分由波浪型变化为“V”形分布，种植树木的小区20～40 cm土壤盐分较稳定，柽柳小区土壤盐分最低。种植树木后土壤pH 低于空地，4月份表层土壤pH 最高，柽柳小区土壤剖面pH 最低。种植9901 柳可提高0～40 cm 土壤有机质、速效磷含量；但造林会导致土壤速效磷、速效钾含量降低，盐柳对40 cm 以下土层土壤速效磷、速效钾影响明显。