楊洪濤，王志春，楊　帆，安豐華（.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長(zhǎng)春3002；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京00039)

不同植被條件下蘇打鹽漬土容重與水分入滲速率差異

楊洪濤1，2，王志春1，楊帆1，安豐華1
（1.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長(zhǎng)春130102；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100039)

以松嫩平原蘇打鹽漬土為對(duì)象，研究了不同植被條件下松嫩平原蘇打鹽漬土土壤容重、入滲速率變化及它們之間的差異。結(jié)果表明，不同植被條件下土壤容重差異顯著，在采樣深度0～20cm及20cm～40cm范圍內(nèi)，蘆葦條件下蘇打鹽漬土土壤容重值最高，且隨著采樣深度增加而增加；羊草條件下蘇打鹽漬土土壤容重值最小，且隨著采樣深度增加而減小。植被覆蓋可以增加蘇打鹽漬土土壤水分入滲速率。入滲速率擬合的方程與實(shí)測(cè)值在時(shí)間為110min內(nèi)時(shí)基本吻合。圖1，表4，參32。

蘇打鹽漬土；土壤容重；土壤水分入滲速率

0　引言

松嫩平原蘇打鹽漬土面積達(dá)342萬hm2［1］，是我國(guó)蘇打鹽漬土的集中分布區(qū)之一。歷史上，松嫩平原以草甸草原景觀為主，蘇打鹽漬土類型主要有草甸鹽土，草甸堿土和不同鹽堿化程度的草甸土。近年來，受氣候變化和人類活動(dòng)的影響，松嫩平原土壤鹽堿化嚴(yán)重［2－3］，對(duì)植被生長(zhǎng)和生態(tài)恢復(fù)的限制作用日漸凸顯［4－5］。

松嫩平原蘇打鹽漬土由于含有高量的交換性鈉離子，土壤顆粒呈高度分散性［5－6］，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)極差，不適宜大多數(shù)種類植物生長(zhǎng)，僅有一些對(duì)蘇打鹽堿逆境適應(yīng)能力較強(qiáng)的植物種類可以生存，例如朝鮮堿茅［7］（Puccinellia chinampoensis)、角堿蓬 （Suaeda corniculata)和翅堿蓬 （S.heteropterra)等。這些耐鹽堿植物在長(zhǎng)期演替和進(jìn)化過程中，逐漸形成了對(duì)蘇打鹽漬土不良物理性質(zhì)的適應(yīng)能力。另一方面，植物群落覆蓋，根系生長(zhǎng)以及植物殘?bào)w等的有機(jī)質(zhì)積累也對(duì)土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生影響［8－12］。雖然不同耐鹽堿植物和土壤鹽分化學(xué)性質(zhì)已有很多研究［13－20，7］，但是關(guān)于不同植物種類下蘇打鹽漬土物理性質(zhì)報(bào)道卻很少且不深入［21］。深入了解自然植被條件下蘇打鹽漬土的物理性質(zhì)，對(duì)建立有利于植物種子發(fā)芽，根系生長(zhǎng)和鹽堿地植被恢復(fù)的理論和技術(shù)，具有重要指導(dǎo)意義。

研究擬在已有研究工作的基礎(chǔ)上，開展松嫩平原不同植被條件下蘇打鹽漬土容重與水分入滲速率研究，以期揭示不同植物種類與蘇打鹽漬土土壤物理性質(zhì)的適應(yīng)關(guān)系。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)為中國(guó)科學(xué)院大安堿地生態(tài)試驗(yàn)站 （N45°35'58″～N45°36'28″，E123°50'27″～123°51'31″)，位于松嫩平原西南的大安市，是松嫩平原沉降中心，也是中重度蘇打鹽漬土的典型代表區(qū)域。

大安市地處中溫帶大陸性季風(fēng)區(qū)，亦屬于半濕潤(rùn)向半干旱氣候過渡地帶。年均降水量413.7mm。春季少雨，降水多集中在夏季，7月份－8月份降水量占全年的56％；年均蒸發(fā)量1756.9mm。年平均氣溫4.3℃。全年光照充足，無霜期達(dá)137天，日照時(shí)數(shù)達(dá)3014h，≧10℃的有效積溫為2935℃。大安市鹽漬土面積占全市總面積的59％，其中堿土面積占鹽漬土面積的77％，且堿土以土壤理化指標(biāo)最惡劣的白蓋蘇打草甸堿土為主［22］。

1.2土壤樣品采集及水分入滲速率測(cè)定

試驗(yàn)設(shè)置6種處理，包括5種不同植被類型，分別為堿蓬、堿茅、虎尾草、蘆葦及羊草，以堿斑裸地作為對(duì)照。6種處理分別進(jìn)行土壤容重及土壤水分入滲速率測(cè)定。樣品的采集與入滲速率的測(cè)定在2013年8月27日至2013年9月3日天氣條件較為穩(wěn)定的初秋進(jìn)行。在采樣與測(cè)試期間，天氣晴朗，溫度在20℃～30℃。

采樣與測(cè)試點(diǎn)選擇單一或較單一的植物群落進(jìn)行，每種植物群落斑塊只取樣或測(cè)定一次，即每個(gè)指標(biāo)的重復(fù)測(cè)定是在不同斑塊上進(jìn)行，并避免采樣或測(cè)試時(shí)人為因素的干擾，同時(shí)取樣點(diǎn)盡量避開植物，特別是容重土壤樣品的采集，選擇植被株間進(jìn)行；水分入滲速率測(cè)定時(shí)注意雙環(huán)要避開地表的植被。

土壤容重，指干容重，是干土壤基質(zhì)的質(zhì)量與總體積之比。采用Φ200的環(huán)刀進(jìn)行0～20cm及20cm ～40cm的土壤原狀土樣品采集，三次重復(fù)，并在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤的容重，用ρb表示：

式中：ρb—土壤容重 （g·cm－3)；m1—烘干后環(huán)刀+土質(zhì)量 （g)；m2—環(huán)刀質(zhì)量 （g)；V—環(huán)刀體積（cm3)。

土壤水分入滲速率采用雙環(huán)入滲儀 （Turf-Tec International，1471Capital Circle NW，Suit#13)測(cè)定，每個(gè)處理重復(fù)測(cè)定3次。雙環(huán)入滲儀的直徑分別為，外環(huán)D=30cm，內(nèi)環(huán)d=15cm。其中，堿斑裸地條件下土壤水分入滲速率測(cè)定時(shí)，計(jì)數(shù)頻率為20min·次－1，而有地表植被覆蓋條件下的土壤水分入滲速率的計(jì)數(shù)頻率為10min·次－1。測(cè)試采用大安站區(qū)淺層地下水，入滲試驗(yàn)用水各指標(biāo)及不同地表植被土壤背景值如表1和表2所示。表2中土壤化學(xué)指標(biāo)采用土水比為1∶5的浸提液測(cè)定。

表1　入滲試驗(yàn)用水化學(xué)指標(biāo)Tab.1　Chemical parameters of infiltrate water

從表1中可以看出，入滲所用的水源為微咸水，水中以碳酸鹽和碳酸氫鹽為主要成分。

表2　不同地表植被土壤背景值Tab.2　Backgrounds of different vegetation conditions

數(shù)據(jù)采用SPSS20.0及Excel 2010分析與制圖并模擬方程。

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1不同植被條件下蘇打鹽漬土土壤容重

在采樣深度為0～20cm時(shí)，不同植被條件下土壤容重從高到低分別為蘆葦＞堿茅＞堿斑裸地＞虎尾草＞堿蓬＞羊草，在土層深度為20cm～40cm范圍時(shí)，不同植被條件下土壤容重從高到低分別為蘆葦＞虎尾草＞堿茅＞堿斑裸地＞堿蓬＞羊草；6種試驗(yàn)處理中，蘆葦條件下的土壤容重最高，可達(dá)到1.55g·cm－3～1.59g· cm－3，而羊草條件下的土壤容重最低，達(dá)到1.33g·cm－3；堿蓬和堿斑裸地條件下時(shí)，0～20cm土壤容重與20cm～40cm土壤容重差異不顯著；堿茅條件下的土壤容重值在采樣測(cè)試深度范圍內(nèi)均為1.48g·cm－3；虎尾草條件下的土壤容重在0～20cm為1.38g·cm－3，而20cm～40cm的容重值則達(dá)到1.53g·cm－3，呈顯著升高趨勢(shì)；而羊草條件下的土壤容重在0～20cm到20cm～40cm內(nèi)則呈下降趨勢(shì)。見表3。

2.2不同植被條件下土壤水分入滲速率

5種地表有植被覆蓋的試驗(yàn)處理的土壤水分入滲速率的入滲速率顯著高于無植被覆蓋的堿斑裸地，不同植被間初始水分入滲速率存在顯著差異，但穩(wěn)定入滲速率差異不顯著。見圖1。

堿斑裸地條件下土壤水分入滲速率在測(cè)定初始階段 （t=20min)，入滲速率僅為150mm·h－1，顯著低于有植被覆蓋條件下的任一階段的土壤水分入滲速率；在測(cè)試開始40min后，堿斑裸地條件下土壤的水分入滲速率逐漸降低，并基本穩(wěn)定在60mm·h－1；測(cè)試結(jié)束時(shí) （t=160min)的入滲速率為30mm·h－1。

植被覆蓋條件下的土壤水分入滲速率在測(cè)試開始30min后趨于穩(wěn)定，測(cè)試時(shí)間為30min～100min時(shí)基本穩(wěn)定，且穩(wěn)定時(shí)的入滲速率要明顯大于堿斑裸地條件下的穩(wěn)定水分入滲速率；蘆葦與虎尾草條件下的土壤水分入滲速率在開始30min前明顯高于羊草、堿茅與堿蓬條件下的水分入滲速率；此外，羊草、堿茅與堿蓬條件下的土壤水分入滲速率從測(cè)試開始 （t=10min)到結(jié)束時(shí) （t=110min)的變化不明顯。

表3　不同植被條件下土壤容重 （平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差)（g·cm－3)Tab.3　The soil bulk density of different plants conditions（mean±Standard Deviation)

圖1　不同植被條件下土壤水分入滲速率 （mm·h－1)Fig.1　The water infiltration rate of different plants conditions

當(dāng)土壤水分入滲速率趨于穩(wěn)定時(shí) （t=30min～100min)，入滲速率從高到低依次為蘆葦＞虎尾草＞堿茅＞羊草＞堿蓬＞堿斑裸地；穩(wěn)定入滲速率最高的是蘆葦，可達(dá)到300mm·h－1（t=100min)；堿蓬與羊草穩(wěn)定入滲值很接近，分別為146mm·h－1和150mm·h－1（t=100min)；虎尾草與堿茅條件下的穩(wěn)定入滲速率相同，為200mm·h－1，這高于堿蓬與羊草但低于蘆葦條件下的穩(wěn)定入滲速率。

為了比較0～110min內(nèi)不同地表植被下水分入滲速率的變化特點(diǎn)，運(yùn)用SPSS 20.0進(jìn)行方程擬合后，土壤水分入滲速率分別可以得到如下方程。見表4。

通過SPSS 20.0擬合方程可以看出，在時(shí)間0＜x≤110min的范圍內(nèi)，模擬方程得到土壤水分入滲速率與實(shí)測(cè)值基本吻合。6種植被條件下，堿斑裸地、堿蓬、堿茅與羊草條件下土壤水分入滲速率擬合方程為y=α±β log（x)式的對(duì)數(shù)函數(shù)，方程中常數(shù)項(xiàng)α為初始入滲速率，可以看出α值越大則初始水分入滲速率越高，而自變量系數(shù)β則表示了入滲速率隨時(shí)間變化的速率；虎尾草條件下土壤水分入滲速率擬合方程為y=α±βx－1式的反函數(shù)；蘆葦條件下土壤水分入滲速率擬合方程為y=α x－0.878式的冪函數(shù)，其中變量系數(shù)α值越大則入滲速率越大。

表4　不同植被條件下土壤水分入滲速率擬合方程Tab.4　Curve－fitting equation of the water infiltration rate under the conditions of different vegetations

3　討論

土壤容重是一個(gè)多因素影響的土壤物理參數(shù)，如植被根系、土壤孔隙度和土壤顆粒組成等。不同植被條件下，蘇打鹽漬土土壤容重除了受物理指標(biāo)影響外，還受到土壤化學(xué)指標(biāo)如EC與SAR等的影響?，F(xiàn)有研究表明，一價(jià)陽(yáng)離子可以使增加土壤的分散性，二價(jià)或三價(jià)［23］陽(yáng)離子可以降低土壤的分散性，而分散性高的土壤容重大于分散性弱的土壤容重。松嫩平原土壤礦物組成中，蒙脫石占很大的比例，而蒙脫石在Na+濃度高時(shí)，會(huì)分散至無結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤容重增加，入滲速率降低等一系列物理性質(zhì)的惡化。

關(guān)于容重與土壤入滲速率已有許多學(xué)者做了大量的研究，普遍的結(jié)論是，容重變大則入滲速率變?。?4－30］。因此，對(duì)于可以影響土壤容重的因素，同時(shí)也可以對(duì)土壤水分入滲產(chǎn)生影響。本研究中，除蘆葦與堿茅條件下水分入滲速率，容重值高的水分入滲速率小。此外，植物根系除容重對(duì)入滲的影響外，對(duì)于入滲速率也會(huì)有重要影響。

不同植被的根系對(duì)水分入滲速率存在一定的影響，植物根系可以增加土壤的孔隙度，且根系分泌物及植物殘?bào)w可以使土壤中有機(jī)質(zhì)含量增加，而有機(jī)質(zhì)可使土壤容重降低及增加土壤水分入滲速率。

試驗(yàn)的5種植被中，蘆葦根系在土層中可垂直伸展最深，可達(dá)到2.5m［31］，虎尾草根系與羊草根系次之，堿茅與堿蓬的根系遠(yuǎn)低于虎尾草、羊草與蘆葦。因此，在水分入滲速率趨于穩(wěn)定時(shí)，蘆葦條件下的土壤水分入滲速率最高，堿斑裸地條件下的土壤水分入滲速率最低。羊草具有非常發(fā)達(dá)的地下橫走根莖，主要分布在20cm以上的土層中，根莖穿透侵占能力很強(qiáng)，且能形成強(qiáng)大的根系網(wǎng)［32］，盤結(jié)固持土壤作用很大，是很好的水土保持植物。因此，羊草條件下土壤容重值最小。容重值最高的是蘆葦，但其水分穩(wěn)定入滲速率值最大；而羊草條件下的容重值最小，但穩(wěn)定入滲速率卻不是最高；出現(xiàn)這些現(xiàn)象可能的原因是因?yàn)樘J葦與羊草的根系在0～20cm及20cm～40cm范圍內(nèi)的分布特點(diǎn)存在很大差異造成的。根系分布的特點(diǎn)影響土壤中的有機(jī)質(zhì)含量、含水量、孔隙狀態(tài)及SAR等，且蘇打鹽漬土的空間變異性極強(qiáng)，導(dǎo)致容重與穩(wěn)定入滲速率之間存在這種現(xiàn)象。堿蓬、虎尾草與羊草容重值在采樣深度與水分穩(wěn)定入滲速率的結(jié)果與已有的研究結(jié)果吻合，即容重值升高則入滲速率下降。

綜上所述，土壤容重與土壤水分入滲速率受土壤含水量、pH、SAR以及植被根系的影響，并影響土壤含水量、pH、SAR和植被的根系。

試驗(yàn)主要對(duì)蘇打鹽漬土容重和入滲速率進(jìn)行了初步的分析，以揭示自然條件下不同植被條件下蘇打鹽漬土的容重和入滲速率的一般性規(guī)律。蘇打鹽漬土的土壤容重與入滲均是受多因素影響的參數(shù)，并且與生物因素和土壤化學(xué)因素相互影響，如容重與植物根系狀態(tài)之間的關(guān)系、容重與土壤中陽(yáng)離子之間的相關(guān)性以及植被根系 （密度、主要分布深度、直徑等)對(duì)于土壤容重與入滲速率是否有影響等還需要進(jìn)一步研究。

4　結(jié)論

不同植被條件下土壤容重存在很大差異，在0～20cm和20cm～40cm層，蘆葦條件下的土壤容重值最高，且隨著采樣深度增加而增加；羊草條件下土壤容重值最小且隨著采樣深度增加而減小；而蘆葦與堿茅條件下土壤容重值高于堿斑裸地條件下的土壤容重，主要的原因可能是因?yàn)楦捣植寂c活動(dòng)及地形高度差造成的。

不同自然條件下土壤水分入滲速率明顯不同。堿斑裸地條件下土壤水分穩(wěn)定入滲速率顯著低于有植被覆蓋條件下的土壤水分穩(wěn)定入滲速率。不同植被條件下土壤入滲速率表現(xiàn)為，蘆葦與虎尾草條件下的土壤初始水分入滲速率明顯高于羊草、堿茅與堿蓬條件下的水分入滲速率；羊草、虎尾草、堿茅與堿蓬條件下土壤水分穩(wěn)定速率無明顯差異，但均小于蘆葦條件下土壤穩(wěn)定水分入滲速率。

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Soil Bulk Density and Water Infiltration Rate under Different Vegetations in Saline-sodic Soils

YANG Hong-tao1，2，WANG Zhi-chun1，YANG Fan1，AN Feng-hua1
（1.Northeast Institute of Geography and Agroecology，CAS，Changchun 130102，China；
2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China)

Soil bulk density and water infiltration rate were determined under different plant communities in saline-sodic soils in the Songnen Plain.The bulk density measurements showed that there was a significant difference among different vegetation covers.The largest soil bulk density was found under Phragmites australis（Cav.)Trin.ex Steud.and was increased with the increase of sampling depth in soil.On the contrast，the lowest soil bulk density was observed under Leymus chinensis，which was decreased with the increase of sampling depth in soil.The result of water infiltration rate indicated that vegetation covers could increase water infiltration rate.The estimates of water infiltration rate showed a consistent agreement with the actual measured values from 0minute to 110minutes.

Saline-sodic soil；soil bulk density；water infiltrate rate

S152.5

A

10.11689/j.issn.2095－2961.2015.01.002

2095－2961（2015)01－012－07

2014－12－03；

2014－12－23.

中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃重大項(xiàng)目 （KZCX3－XB3－16)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （41071022)（41101034)；國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2009BADA3B04)資助.

楊洪濤 （1989－)，男，黑龍江綏化人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘K打鹽漬土改良.

王志春 （1963－)，男，吉林長(zhǎng)春人，博士，研究員，主要研究方向?yàn)辂}堿土生態(tài).