唐讓云, 曹 靖, 董 放, 董利蘋, 孔曉樂

蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000

淋洗與植物作用耦合對鹽漬化土壤的改良效應(yīng)

唐讓云, 曹 靖*, 董 放, 董利蘋, 孔曉樂

蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000

淋洗與植物作用; 鹽漬化土壤; 耐鹽植物; 根際土壤

干旱半干旱灌溉區(qū)土壤鹽漬化是制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一[1- 2]。全世界約有9.5×108hm2的鹽漬化土壤，近年來其面積有擴(kuò)大趨勢，鹽漬化程度不斷加劇[3]。因此，采取合理的措施控制或治理土地鹽漬化的發(fā)生是亟待解決的關(guān)鍵問題。工程措施即單純洗鹽在改良鹽漬化土壤方面非常有效，但在水資源短缺的干旱半干旱地區(qū)很難推廣[4]；化學(xué)措施見效快，但存在一定的局限性[5]；生物措施與前兩種措施相比既有低廉和環(huán)保的效果，又能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益[4,6]。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試土壤采集于引大灌區(qū)永登縣次生鹽漬化農(nóng)田土壤，其基本理化性質(zhì)(表1)采用常規(guī)分析測定[12]。供試牧草選自引大灌區(qū)鹽漬化土壤上生長良好的5種耐鹽植物：新疆大葉(MedicagoSativa.L.cv.Xinjiangdaye)、中蘭一號(MedicagoSativa.L.cv. Zhonglan No.1)、朝鮮堿茅(Puccinelliachinampoensis)、霸王(Zygophyllumxanthoxylum)、向日葵(HeilanthusannuusL.)。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 植物培養(yǎng)及樣品采集

試驗(yàn)在大棚內(nèi)進(jìn)行，采用盆栽根袋法[10]。供試土壤在室內(nèi)風(fēng)干后過2 mm篩待用。植株移栽前添加肥料(尿素和磷酸二氫鉀)，添加量如下：200 mgN/kg干土，100 mgP2O5/kg干土，并充分混合均勻。根袋用320目孔徑的尼龍網(wǎng)紗縫制而成，直徑7 cm，高13 cm，每個(gè)根袋內(nèi)裝入0.8 kg備好的土壤，相同的供試土壤也裝入高19 cm，內(nèi)徑23 cm的盆中，同時(shí)在盆中央埋入備好的根袋1個(gè)，使裝好的盆重為5.5 kg(即總重達(dá)6.3 kg)。用稱重法控制土壤含水量，使土壤含水量達(dá)到140 g/kg備用。在每個(gè)根袋內(nèi)播入露白的植物種子20粒，出苗后留苗12株。每個(gè)品種18個(gè)重復(fù)，另外留18盆作為對照(即沒有種植植物處理的土壤)。生長期內(nèi)每14 d澆1次水，每次每盆澆1 L蒸餾水，其它不做任何處理[13]。分別在培養(yǎng)60 d，90 d和120 d時(shí)進(jìn)行采樣，每種植物選擇6盆，根袋內(nèi)距離根系2—4 mm處的土壤作為根際土，靠近盆邊緣的土壤作為非根際土[14]，同時(shí)選取6盆對照土壤。

1.3 樣品的分析測定

1.4 數(shù)據(jù)處理

用 Excel 作圖，用spss17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH值的動態(tài)變化

由對照可以看出，單純的淋洗作用對土壤pH值影響不大，淋洗結(jié)合植物種植后土壤pH值隨著培養(yǎng)時(shí)間和淋洗次數(shù)的延長降低幅度較大(圖1)。在培養(yǎng)120 d時(shí)降低最明顯，且差異顯著(P<0.05)。隨培養(yǎng)時(shí)間的延長，在不同的耐鹽植物中，霸王、向日葵根際土壤pH值始終小于同一培養(yǎng)時(shí)期的非根際土壤pH值；而新疆大葉和朝鮮堿茅在培養(yǎng)60 d后根際土壤pH值也小于非根際土壤，中蘭一號在各個(gè)培養(yǎng)時(shí)期根際和非根際pH值差異不顯著；在培養(yǎng)120 d時(shí)，霸王根際土壤pH值下降幅度最大，比種前降低了0.6個(gè)單位，而新疆大葉的根際土壤pH值則下降幅度最小，比種前僅降低了0.25個(gè)單位，以上均說明相比種前淋洗結(jié)合植物種植降低了鹽漬化土壤的pH值。

圖1 不同植物根際和非根際土壤不同培養(yǎng)天數(shù)pH的變化Fig.1 Dynamics of pH in the rhizosphere soil and bulk soil of different plantsR: Rhizosphere soil; S: Bulk soil; 0D: 0天; 60D: 60天; 90D: 90天; 120D: 120天; 小寫字母表示同一植物在不同培養(yǎng)時(shí)期的顯著性分析

2.2 淋洗與植物作用耦合對土壤鹽分離子含量的影響

由表2可以看出，對照和種植植物的土壤中可溶性鹽分總量隨著淋洗次數(shù)和培養(yǎng)時(shí)間的延長而降低，在培養(yǎng)120 d時(shí)降到最低，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于種前；在培養(yǎng)120 d時(shí)，對照土壤鹽分總量相比種前平均下降了51.5%，5種耐鹽植物種植后土壤中可溶性鹽分總量與種前相比平均下降了77.7%，與對照相比平均下降了54%，其中根際土壤鹽分與對照相比下降了27.56%—52.9%，非根際土壤鹽分下降了39.85%—51.16%。在培養(yǎng)120 d時(shí)，5種耐鹽植物根際土壤鹽分總量均大于非根際土壤，其中霸王根際土壤鹽分總量最高，說明霸王根際富集鹽分離子的能力最強(qiáng)。

表2 淋洗與植物作用耦合對土壤鹽分離子含量的影響(g/kg)

2.3 各種作用機(jī)制下土壤鹽分減少的比例

表3 各種作用機(jī)制下土壤鹽分減少的比例 (g/kg)

①對照組土壤中減少的離子質(zhì)量(g/kg)=(培養(yǎng)前根際土中X的起始濃度 × 根袋中土壤質(zhì)量 × 離子的摩爾質(zhì)量 + 培養(yǎng)前非根際土中X的起始濃度 × 非根際土的質(zhì)量 × 離子的摩爾質(zhì)量)/100 - (對照組根際土中X的濃度 × 根袋中土壤質(zhì)量 × 離子的摩爾質(zhì)量 + 對照組非根際土中X的濃度 × 非根際土的質(zhì)量 × 離子的摩爾質(zhì)量)/100;

②植物地上部吸收帶走的離子質(zhì)量(g/kg)= 每100g地上部干物質(zhì)含X的質(zhì)量 × 平均每盆地上部干物質(zhì);

③根系物理化學(xué)作用下對X淋洗質(zhì)量的增加量(g/kg)=植物收獲后土壤中減少的X總質(zhì)量 - 對照組土壤中減少的離子質(zhì)量 - 植物吸收帶走的離子質(zhì)量;

④植物收獲后土壤中X減少的總量(g/kg)=(培養(yǎng)前根際土中X的起始濃度 × 根袋中土壤質(zhì)量 × 離子的摩爾質(zhì)量 + 培養(yǎng)前非根際土中X的起始濃度 × 非根際土的質(zhì)量 × 離子的摩爾質(zhì)量)/100 - (植物根際土中X的濃度 × 根袋中土壤質(zhì)量 × 離子的摩爾質(zhì)量 + 植物非根際土中X的濃度 × 非根際土的質(zhì)量 × 離子的摩爾質(zhì)量)/100;

X: 7種離子中的任意一種

3 討論

一些研究表明，鹽漬化土壤種植植物可降低土壤pH值[14,16]，而王麗娜等對設(shè)施土壤的研究表明，保護(hù)地土壤pH值隨淋洗次數(shù)的增加而增加[17]，李從娟等結(jié)果顯示種植沙生耐鹽植物可降低鹽漬化土壤pH值，且根際土壤pH值小于非根際[13]。本研究結(jié)果表明單純淋洗下土壤pH值基本不變，而淋洗與植物作用耦合后可有效地降低土壤pH值，且在培養(yǎng)120 d時(shí)根際土壤pH值降低幅度較大。不同耐鹽植物的根際和非根際土壤pH值降低幅度不同，霸王根際土壤pH值降低幅度最大，新疆大葉根際土壤pH值降低幅度最小，且差異顯著(P<0.05)。植物根際土壤pH值下降可能的原因是：(1) 植物對陰陽離子吸收不平衡引起的pH值變化[18]；(2) 植物根系、根際微生物呼吸和根系分泌有機(jī)酸以及有機(jī)質(zhì)分解釋放CO2引起土壤pH值下降[18]；(3) 植物對氮素形態(tài)的適應(yīng)以及對不同形態(tài)氮素的生理響應(yīng)使根際pH值發(fā)生變化[19]，而本研究pH值降低的原因可能是由前兩點(diǎn)所引起的。

一般來講，灌水是快速降低土壤鹽分的有效措施，閻順國等田間試驗(yàn)表明，從播種至第3年生長季末，灌溉淋溶產(chǎn)生的脫鹽量占草地總脫鹽量的89%[20]，灌水量的多少和次數(shù)直接關(guān)系到土壤鹽分降低的多少，對濱海鹽漬土的研究表明，淋洗量大的脫鹽效果優(yōu)于淋洗量小的[10]；設(shè)施鹽漬化土壤經(jīng)過2次灌水洗鹽后，表層(0—20 cm)土壤電導(dǎo)率降低幅度達(dá)53%—64%[21]；趙可夫等研究表明在輕質(zhì)和重質(zhì)鹽漬土上種植耐鹽植物1年后，耕層土壤含鹽量下降幅度為10%—20%[22]；在含鹽量為0.3%的鹽漬土上種植魯梅克斯，1年后植物收獲可帶走150—200 kg/hm2鹽分[23]；閻順國等對裸地和堿茅草地灌水后脫、積鹽速度的比較研究顯示：在0—40 cm土層，堿茅草地的脫鹽速度高于裸地，二者在灌水條件下的脫鹽速度差異不顯著，但堿茅草地的積鹽速度僅為裸地的1/7(抽穗期)—1/3(成熟收割期)[20]。以上研究結(jié)果表明，淋洗與植物作用耦合加速了土壤的脫鹽速率，增加了脫鹽量，降低了土壤的鹽漬化程度，在本實(shí)驗(yàn)中，土壤鹽分總量隨著淋洗次數(shù)和培養(yǎng)時(shí)間的延長而降低，5種耐鹽植物組相比種前和單純淋洗的對照土壤鹽分分別降低了72.3%—82.2%和42.9%—61.7%，這說明淋洗結(jié)合植物種植有利于土壤脫鹽。

與已有的研究結(jié)果相類似[18]，本研究表明種植耐鹽植物可以有效地促進(jìn)土壤脫鹽，其原因可能有以下兩個(gè)方面：(1) 植物的覆蓋作用，減少了土壤水分蒸發(fā)，有效抑制了土壤鹽分的表聚發(fā)生[24]，有利于土壤脫鹽；(2) 植物對離子的選擇性吸收[25]，植物體收獲后也能夠帶走一部分鹽分，使土壤含鹽量降低，本實(shí)驗(yàn)表明霸王根際鹽分聚集程度和地上部分吸收帶走的鹽分均較其他4個(gè)供試植物更為明顯，表明霸王是較好的改良鹽漬化土壤的材料。閻順國等田間試驗(yàn)表明單純灌溉淋溶產(chǎn)生的脫鹽量占草地總脫鹽量的89%[20]，單純淋洗作用只有淋溶帶走土壤鹽分，而種植植物后，由于植物的作用會帶走更多的鹽分[24- 25]，本研究結(jié)果與Ahmad等研究一致[26]。淋洗與植物作用耦合對鹽漬化土壤的改良效果好于單獨(dú)使用淋洗措施，但淋洗結(jié)合種植不同耐鹽植物對鹽漬化土壤的改良效果有所不同。

4 結(jié)論

(1)單純淋洗對土壤pH值沒有影響，而淋洗與植物作用耦合能夠明顯降低土壤pH值。根際土壤pH值與生長同期非根際的相比因物種不同而有所差異，隨培養(yǎng)時(shí)間的延長根際土壤pH值小于非根際，其中霸王的根際土壤pH值降低最明顯，相比種前下降了0.6個(gè)單位。

(4)實(shí)驗(yàn)表明根際土壤鹽分聚集程度大于非根際土壤鹽分，為植物根際的“鹽島效應(yīng)”提供了理論依據(jù)，其中霸王根際聚集鹽分程度最大，改良鹽漬化土壤效果最好。

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Amelioration of salt-affected soils via combination of leaching and plant cultivation

TANG Rangyun, CAO Jing*, DONG Fang, DONG Liping, KONG Xiaole

StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-ecosystems,SchoolofLifeScience,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China

leaching and plant cultivation; salt-affected soil; salt-tolerant plant; rhizosphere soil

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31071866)；甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(096RJZA066)

2013- 12- 26;

日期:2014- 11- 03

10.5846/stxb201312263033

*通訊作者Corresponding author.E-mail: caojing@Lzu.edu.cn

唐讓云, 曹靖, 董放, 董利蘋, 孔曉樂.淋洗與植物作用耦合對鹽漬化土壤的改良效應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(17):5686- 5694.

Tang R Y, Cao J, Dong F, Dong L P, Kong X L.Amelioration of salt-affected soils via combination of leaching and plant cultivation.Acta Ecologica Sinica,2015,35(17):5686- 5694.