造林樹種對寧夏鹽堿土水鹽運移及養分的影響研究

王 旭，李 磊，樊麗琴，張永宏，肖愛萍，趙瑞娟

（1.寧夏農林科學院農業資源與環境研究所，銀川 750002；2.國家農業環境銀川觀測試驗站，銀川 750002；3.寧夏畜牧工作站，銀川 750002；4.永寧縣李俊鎮人民政府農業服務中心，寧夏永寧 750103）

土壤鹽堿化是制約我國干旱、半干旱地區農業可持續發展的主要因素之一。我國境內鹽堿地面積近1 億hm2[1]，主要分布在東北、西北、華北和濱海地區[2,3]。鹽堿地作為我國重要的后備耕地資源[4,5]，其高效利用對保障國家糧食安全、堅守耕地紅線具有重要意義。

寧夏位于我國西北內陸干旱區，全境屬于黃河流域，銀北灌區農業產業發達，但長期大水漫灌及灌排設施不完善等問題導致出現了大面積鹽堿地，鹽堿化耕地面積為15 萬hm2，占耕地總面積的1/3[6]。寧夏引黃灌區鹽堿地生態恢復是黃河流域生態保護和高質量發展先行區建設的重要組成部分。該地區土壤鹽分在氣候的影響下，以水為介質和載體進行遷移，呈“春返、夏脫、秋積、冬儲”的季節特點[7-9]。鹽堿地治理方法包括：水利改良、化學改良、農藝改良和生物改良等技術[3]，水利改良、化學改良偏重于工程措施，效果快但存在投入大、效果難以持久的弊端。鹽堿地治理中，防蒸覆蓋是抑制返鹽的有效途徑，種植耐鹽植物有利于提高土壤肥力、改良土壤結構、改善田間小氣候；同時還可增加地表覆蓋度，以植物蒸騰代替地表蒸發，延緩或防止地表蒸發返鹽[10]。土壤鹽分時空分布規律與地表覆被類型、地形地貌等環境因素密切相關[11]。耐鹽植物生長過程中，根系對土壤有穿插作用，能提高土壤孔隙度，根系分泌的有機酸、蛋白質、肽等物質，有利于土壤有機質的累積[12]。種植耐鹽堿植被能增加土壤通透性，改善土壤孔隙度，利于土壤鹽分向下遷移，同時植被的覆蓋可減少土壤水分蒸發，抑制地表返鹽[13,14]。鹽生植物能吸收根際土壤中的部分可溶性鹽，且累積于植株體內，收獲期刈割，降低土壤鹽分的同時改善土壤物理性質[15]。有研究表明[16]：種植檉柳能顯著降低土壤含鹽量，檉柳的葉片泌鹽達23.25%。寧夏銀北鹽堿地區種植檉柳、油葵、葦狀羊茅三種耐鹽植物后土壤含鹽量明顯降低，土壤肥力提升顯著，交換性Na+含量顯著降低[17]。

綜上所述，關于耐鹽堿植物的研究主要集中在不同地區各種植物對土壤水鹽的影響方面，針對寧夏銀北地區不同造林樹種對土壤水鹽時空運移、土壤養分的影響及其與植物生長的響應研究仍顯不足。因此，本研究結合區域特色，在寧夏銀北鹽堿地區監測不同造林樹種對土壤水鹽時空運移、土壤養分的影響，揭示不同造林樹種條件下土壤水鹽時空運移規律，為同類地區鹽堿地植被恢復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

土壤樣本采集于寧夏平羅縣小興墩（38°51′N，106°31′E），該地區屬干旱大陸性氣候，年平均降水和蒸發量分別為185 mm、1 841 mm，降水少且時空分布不均[18]。該地區于2015年4月進行人工造林，包括鹽柳（Salix psammophila）、檉柳（Tamarix chinensis）、9901 柳（Salix matsudana‘9901’）、白蠟（Fraxinus chinensis R.）、刺槐（Black Locust）等品種，每個小區規格為10 m×10 m，各小區筑有50 cm 埂，小區間隔50 cm，9901 柳、鹽柳株行距均為3 m×4 m，檉柳株行距為2 m×3 m。造林前各小區均為鹽堿撂荒地，地表有明顯的鹽斑，0～100 cm 土層土壤全鹽為2.45～5.38 g/kg，pH 為8.96～9.77，堿解氮為17.0～46.2 mg/kg、速效磷為2.06～16.05 mg/kg、速效鉀為300.6～370.7 mg/kg、有機質為7.52～17.12 g/kg，土壤質地為砂壤土。

1.2 調查與采樣

在搜集資料和調查的基礎上，2020-2021年在寧夏平羅縣小興墩采集土壤樣品，自2015年進行人工造林以來部分輕度耐鹽堿的樹已枯萎，僅檉柳、鹽柳、9901 柳3 種樹種長勢較好，因此選擇這3 種樹種的小區為定位監測樣地。4-10月每月中旬采1 次土樣，距樹干40 cm 處以地表為基準采集0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5 個不同土層土樣裝入自封袋帶回室內進行檢測，每個樣品3次重復。未造林的空地同步采集土樣。

1.3 土壤樣品處理與測定

采集的土樣剔除雜物，風干、碾磨、過篩（孔徑1 mm）。土壤含水率采用烘干法測定；按1∶2.5 土水比充分震蕩搖勻取上清液，采用Mettler Toledo S220 多參數測試儀測定pH；按1∶5 土水比充分震蕩搖勻取上清液，采用DDS-307A 土壤電導率儀測定，并換算成全鹽含量[19]。有機質采用重鉻酸鉀法，堿解氮采用堿解擴散，速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用乙酸銨浸提火焰光度法[20]。苗木基徑采用游標卡尺測量，樹木株高、冠幅采用卷尺測量。

1.4 數據分析及處理

采用SPSS 17.0 統計軟件進行數據分析，采用Surfer 10 做Contour圖、3D Wireframe圖。

2 研究結果

2.1 不同造林樹種條件下土壤水分時空運動規律

種植樹木影響土壤水分時空分布，在0～40 cm 隨土層深度增加土壤含水率呈增加趨勢，6-8月份表層土壤含水率最低（圖1）?？盏?0 cm以下土層土壤水分呈先減小后增加的趨勢，隨時間推移0～40 cm 土層土壤水分呈降低趨勢，5月份土壤剖面40 cm 處含水量較高，隨時間推移水分遷移至80 cm 以下土層。鹽柳小區0～40 cm 土層土壤水分隨時間推移呈降低趨勢，土壤水分逐漸遷移至60～80 cm 土層，土壤含水率高于18%，6-9月0～20 cm 土層土壤含水率最低，均低于13%。檉柳小區6、7月份土壤剖面60 cm 處含水量較高，土壤含水率高于20%，8月份氣溫較高地表蒸發強烈，土壤水分向上遷移，60 cm 以下土層隨時間推移土壤水分呈降低趨勢。9901 柳小區4月份土壤剖面60 cm 處土壤含水量較高，土壤含水率高于19%，隨時間推移土壤水分遷移累積于60～80 cm 層。4月份檉柳、9901 柳小區的0～40 cm 土層土壤含水率低于鹽柳小區，6-8月份鹽柳小區表層土壤含水率低于12%，為所有處理中最低。結果表明：種植樹木后表層土壤水分受蒸發與根系吸水的影響較大，6～8月份表層土壤含水率最低，0～40 cm 隨土層深度增加土壤含水率呈增加趨勢；鹽柳和9901 柳小區土壤水分隨時間推移向下遷移累積于60 cm 以下土層，檉柳小區隨時間推移土壤水分由60 cm 土層向上遷移。

圖1 3種樹種土壤水分時空分布Fig.1 Time and space distribution of soil moisture in three tree species

2.2 不同造林樹種條件下土壤鹽分時空遷移規律

種植樹木的小區表層土壤含鹽量隨時間推移呈先減少后增加的趨勢，空地表層土壤含鹽量隨時間推移呈逐步增加的趨勢，0～40 cm 隨土層深度增加土壤鹽分呈降低趨勢，10月份表層土壤含鹽量最高（圖2）。4月份春季返鹽較為明顯，鹽分表聚特征明顯，種植樹木的小區表層土壤含鹽量均低于2 g/kg，其中檉柳小區表層土壤含鹽量最低（1.5 g/kg），空地土壤含鹽量高于2 g/kg，表明在春季返鹽較為明顯的季節，種植樹木有助于抑制地表返鹽。鹽柳小區隨時間推移土壤鹽分累積在土壤剖面40～80 cm 區域，9、10月份鹽分遷移累積于地表，20～40 cm 土壤鹽分變化較緩慢，土壤鹽分較為穩定。檉柳小區隨時間推移土壤鹽分累積在土壤剖面60～100 cm區域，10月份鹽分遷移累積于地表，20～40 cm 土壤鹽分變化較緩慢。9901 柳小區土壤剖面鹽分變化呈“荷葉”型變化，春季表層鹽分高，隨時間推移10月份土壤鹽分遷移累積于地表處?？盏赝寥榔拭纣}分變化規律與種植樹木的小區不同，表層土壤鹽分隨時間推移呈遞增趨勢，20 cm 以下土層土壤鹽分隨時間推移呈先增加后減小的趨勢。結果表明：與空白地相比，種植樹木影響土壤鹽分時空分布，鹽柳、檉柳、9901 柳小區土壤剖面鹽分由波浪型變化為“V”形分布，種植樹木的小區20～40 cm 土壤鹽分變化較小，土壤鹽分低于空地，其中檉柳小區土壤鹽分最低。

圖2 3種樹種土壤鹽分時空分布Fig.2 Time and space distribution of soil salinity in three tree species

2.3 不同造林樹種條件下土壤pH時空分布規律

種植樹木影響土壤pH 時空分布，種植3 種樹木0～20 cm土壤pH 均低于9，4月份各處理0～20 cm 土壤pH 高于其他月份、其他土層；鹽柳、檉柳、9901 柳小區4月份0～20 cm 土壤pH 比空地分別低6.4%、7.9%、6.7%（圖3）。鹽柳小區4月份土壤pH呈“W”形分布，其中60～80 cm土壤pH最低（8.65）；不同土層土壤pH 隨時間推移呈折線變化規律，4月份不同土層土壤pH 高于其他月份。檉柳小區4月份土壤pH 隨土層深度增加呈折線變化規律，20～40 cm 土壤pH 最低（8.63）；0～20 cm 土層土壤pH 隨時間推移呈降低趨勢，8月和10月60～80 cm土層土壤pH高于其他土層。9901柳小區0～20 cm土壤pH隨土層深度呈“V”形變化規律，隨時間推移呈“W” 形變化規律；除4月份外的其他月份土壤剖面pH 隨土層深度增加呈增加趨勢，與4月份變化規律不同，可能是夏季氣溫較高，土壤剖面水分運動較為劇烈，影響鹽分及可溶性鹽分離子的分布所致?？盏?～20 cm 土壤pH 值為9.61，高于造林小區，4月份隨土層深度增加土壤pH 呈折線變化規律，即先降低后增加再降低；7月份空地20～100 cm 土壤剖面pH 明顯高于其他月份，可能是夏季高溫導致土壤剖面水分運動較為劇烈所致。試驗結果表明：種植樹木后的土壤pH 低于空地，4月份表層土壤pH最高，檉柳小區土壤剖面pH最低。

圖3 3種樹種土壤pH時空分布Fig.3 Time and space distribution of soil pH in three tree species

2.4 不同造林樹種對土壤養分的影響

土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀含量均為土壤表層最高，除速效鉀外其他土壤養分含量均表現為80～100 cm 最低（表1）。0～20 cm、20～40 cm 土層9901 柳小區土壤有機質、堿解氮含量最高，20～40 cm 土層土壤有機質、堿解氮含量比鹽柳小區分別高32.6%、34.8%，差異顯著（P＜0.05）；40～60 cm、60～80 cm 土層檉柳小區的土壤有機質、堿解氮含量最高，顯著高于鹽柳小區（P＜0.05）；80～100 cm 土層土壤有機質、堿解氮含量4 個處理之間無顯著性差異（P＞0.05）。土壤速效磷、速效鉀均表現為空地最高，0～20 cm、20～40 cm 土層土壤速效磷含量最低，鹽柳小區40 cm 以下土層土壤速效磷、速效鉀均顯著低于其他處理（P＜0.05），4 個處理在20～40 cm 土壤速效鉀含量之間無顯著性差異（P＞0.05）。結果表明：與空地相比，種植9901 柳可提高0～40 cm 土壤有機質、堿解氮含量；但造林樹種會導致土壤速效磷、速效鉀含量降低，鹽柳對40 cm以下土層土壤速效磷、速效鉀影響明顯。

表1 土壤養分指標Tab.1 Index of soil nutrient

2.5 樹木生長指標

9901 柳屬于喬木，樹干通直、頂端優勢較明顯，株高顯著高于其他樹種（P＜0.05）；檉柳屬于灌木，其株高、基徑和冠幅指標均低于其他兩個喬木樹種，9901 柳的基徑為225.3 mm，高于其他樹種（表2）。鹽柳的基徑、冠幅與9901柳相比無顯著性差異（P＞0.05），鹽柳、9901 柳的基徑、冠幅顯著高于檉柳（P＜0.05）；3 種樹種的株高兩兩之間均存在顯著差異（P＜0.05）。

表2 樹木生長指標Tab.2 Index of tree growth

3 討 論

耐鹽植物生長周期內，在植物生理功能及根系生長、地上增加覆蓋等影響下，對土壤結構改善、鹽分淋洗及抑制返鹽等方面起到積極作用，促進土壤理化性質向良性循環方向發展[21]。檉柳屬于泌鹽型植物，枝葉繁茂、綠期較長、耐干旱及鹽堿；9901 柳樹干通直，冠幅窄，頂端優勢較為明顯；鹽柳適應性強，耐干旱及耐鹽堿、枝條自然下垂，具有一定的冠幅優勢。3種樹木影響土壤水鹽時空運移，種植樹木的小區土壤含水率高于空地、土壤含鹽量低于空地；表層土壤受植物根系吸水與地表蒸發的影響，水鹽變化較為明顯，6-8月份表層土壤含水率、含鹽量均較低、8月份以后表層土壤含鹽量逐漸升高，這與Yu 等[22]的研究發現植被覆蓋能減小深層土壤水分向地表遷移從而抑制地表返鹽的結果相似。檉柳的泌鹽特性導致土壤剖面鹽分低于其他2 種樹種（圖2），9901 柳、鹽柳冠幅大遮陰效果好能抑制地表返鹽，但鹽分并非3種樹種中最低，表明檉柳泌鹽特性對土壤鹽分的降低效果優于植被冠幅帶來的覆蓋抑鹽效果。雷金銀等[23]通過研究耐鹽植物的生物改良作用也得到了相似的水鹽規律，同時發現植物根系對土壤的穿插作用，能促進鹽分向深層運移，在生物排水的作用下影響土壤剖面水分分布；0～20 cm 土層土壤的理化性質改善最為明顯，容重降幅超過20%。

植物根系的生理活動能改善土壤結構，影響土壤水鹽時空運移過程；此外，夏季植物生長旺盛覆蓋度高，可削弱地表蒸發，抑制返鹽。該結論與董利蘋等[24]的研究結果相同，地表土壤鹽分降低顯著，植物根系活動影響土壤剖面水鹽分布。土壤pH 降低受植物根系生長及土壤微生物活動的影響，因為根系生理活動可分泌有機酸，此外土壤微生物對植物殘體有分解作用產生有機酸，可在一定程度上中和土壤堿性[25]。3 種樹種均屬于多年生落葉植被，枯落物會在土壤表層持續積累，且種植后地表基本無耕作擾動有利于表層土壤有機質積累，本研究中靠近樹干的表層土壤水鹽環境較好，土壤pH 均有較大的改善效果。

4 結 論

表層土壤受蒸發與植物根系的影響較大，6～8月份表層土壤含水率最低；鹽柳和9901 柳小區土壤水分隨時間推移向下遷移累積于60 cm 以下土層，檉柳小區隨時間推移土壤水分由60 cm 土層向上遷移。鹽柳、檉柳、9901柳小區土壤剖面鹽分由波浪型變化為“V”形分布，種植樹木的小區20～40 cm土壤鹽分較穩定，檉柳小區土壤鹽分最低。種植樹木后土壤pH 低于空地，4月份表層土壤pH 最高，檉柳小區土壤剖面pH 最低。種植9901 柳可提高0～40 cm 土壤有機質、速效磷含量；但造林會導致土壤速效磷、速效鉀含量降低，鹽柳對40 cm 以下土層土壤速效磷、速效鉀影響明顯。