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        植被恢復(fù)對土壤水溶性陰離子濃度的影響

        2020-07-04 02:54:46董莉麗
        河南科學(xué) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:禮泉縣吳起水溶性

        董莉麗

        (咸陽師范學(xué)院資源環(huán)境與歷史文化學(xué)院,陜西咸陽 712000)

        土壤中水溶性無機(jī)陰離子以F-、Cl-、NO2-、NO3-、HPO42-、SO42-最為常見,其含量與土壤的處境和來源有關(guān),也極度影響著植物的生長,并會滯留于植物體內(nèi)[1]. 水溶性陰離子含量越高,對物種多樣性造成的影響越大[2]. 其中,水溶性硝態(tài)氮是土壤無機(jī)態(tài)氮主要存在形式,是植物氮素供應(yīng)的直接來源;亞硝態(tài)氮是氮素循環(huán)的中間產(chǎn)物,且植物中亞硝酸根離子的積累主要來源于土壤[3];土壤氟是大多數(shù)地方水和食物中氟的主要來源,了解土壤氟含量,尤其是水溶性氟的含量及分布,對研究生態(tài)環(huán)境中的氟、了解地氟病病源及分布區(qū)域等有重要意義[4];氯離子和硫酸根離子濃度與全鹽關(guān)聯(lián)度高[5],是土壤中主要的鹽分離子,而鹽分過多會使大多數(shù)植物造成生理性干旱,導(dǎo)致植物生理紊亂并阻礙植物吸收其他營養(yǎng)元素. 另外,植物主要以水溶性磷酸根和硫酸根離子的形態(tài)分別吸收磷和硫. 可見,土壤水溶性陰離子含量與土壤鹽分和養(yǎng)分有關(guān),而二者是影響植物群落生存和演替的主要因子[6]. 許多學(xué)者利用多種方法測定土壤中的幾種水溶性陰離子含量,例如,楊葵華等[3]和孫好芬等[7]利用分光光度計(jì)法分別測定了土壤中的亞硝酸根離子和硫酸根離子含量;唐靜等[8]利用離子色譜法測定了土遺址中的Cl-、SO42-、NO3-的含量. 其中,離子色譜法操作簡單、可在較短時間內(nèi)同時分析出多種離子濃度值. 且該方法靈敏度高,能滿足土壤中陰離子測定要求[9]. 早在1985年,王永華等[10]就建議將土壤水溶性陰離子的離子色譜分析法作為標(biāo)準(zhǔn)方法之一予以推薦. 邱立萍等[11]采用離子色譜法測定墓葬土壤中五種陰離子,認(rèn)為該方法前處理簡單、測定結(jié)果可靠. 前人研究[12]認(rèn)為試驗(yàn)選擇1∶10的土水比,既能保證土壤樣品中的陰離子能被有效提取,又能保證測定結(jié)果的準(zhǔn)確性.

        為了有效防治水土流失、減少自然災(zāi)害、固碳增匯和應(yīng)對氣候變化,我國各級政府長期以來一直致力于退耕還林還草等生態(tài)建設(shè)工作,該工作在很大程度上改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境,也改變了動植物群落的類型. 有學(xué)者研究了退耕還林還草對地面節(jié)肢動物群落結(jié)構(gòu)[13]、土壤保持功能[14]的影響,并有學(xué)者[15]評估了退耕還林的生態(tài)效益. 有關(guān)退耕還林還草工程對土壤屬性的影響主要集中在土壤水分[16]、養(yǎng)分[17]、團(tuán)聚體水穩(wěn)性[18]、碳固定[19]等方面,而對土壤水溶性陰離子影響研究鮮見報(bào)道. 本文以陜西省吳起縣和禮泉縣為例,選擇不同退耕年限,不同造林樹種以及不同地形條件下的退耕樣地為研究對象,并以農(nóng)地作為對照,通過野外采樣和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方法,結(jié)合相關(guān)分析和多元統(tǒng)計(jì)分析,研究了經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向、植被類型、退耕年限和土壤酸堿度對土壤水溶性陰離子含量的影響,本項(xiàng)研究將有利于評價(jià)干旱和半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)產(chǎn)生的效益.

        1 材料與方法

        1.1 儀器

        利用瑞士萬通公司生產(chǎn)的離子色譜儀(Metrohm-792 Basic)測定六種土壤水溶性陰離子濃度. 實(shí)驗(yàn)中所用試劑均為分析純,溶液均用電阻率大于18 MΩ 超純水配制.

        標(biāo)準(zhǔn)溶液的配置:分別稱取105 ℃烘干2 h,并在干燥器中冷卻后的2.210 g NaF、1.646 g NaCl、1.288 g NaBr、1.479 g Na2SO4、1.500 g NaNO2、1.433 g KH2PO4和1.631 g KNO3,定溶于1 L 去離子水中,即可生成1 mg/mL 的儲備液,采用逐步稀釋的方法配置一系列混合標(biāo)準(zhǔn)樣品,各離子濃度梯度均為2、4、8、10、20 mg/L,圖1 為20 mg/L標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜圖. 由圖1可以看出,基線平穩(wěn),各離子峰形呈正態(tài)分布,無雜峰,分離度較大.

        圖1 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜圖Fig.1 Chromatography of mixed standard solution

        淋洗液的配置:分別稱取190.782 mg Na2CO3和142.817 mg NaHCO3定溶于1 L 超純水中,即可得到1.8 mmol/L Na2CO3和1.7 mmol/L NaHCO3混合溶液.

        再生液:50 mmol/L 硫酸溶液.

        色譜柱條件:Metrosep A Supp 4 250 型陰離子分析柱(250 mm×4 mm),Metrosep A Supp 4/5 Guard 保護(hù)柱(50 mm×4 mm).

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        吳起縣和禮泉縣樣地基本情況分別見表1 和表2. 每個樣地按“S”型布設(shè)5 個樣點(diǎn),每個樣點(diǎn)取表層(0~5 cm)土壤樣品,將采集的5 個樣點(diǎn)土壤樣品混合均勻,按四分法分3 袋裝,帶回實(shí)驗(yàn)室,自然風(fēng)干后過1 mm篩.

        表1 吳起縣樣地概況Tab.1 General situation of sample plots in Wuqi County

        稱取過1 mm篩的風(fēng)干土樣5.000 g,并置于250 mL燒杯中,用移液管加入50 mL淋洗液,并在25 ℃恒溫振蕩器上振蕩30 min,之后用中速定量濾紙進(jìn)行過濾,并用5 mL注射器吸取上清液3~5 mL,緩慢注射樣品,使樣品依次通過0.45 um微孔濾膜、保護(hù)柱和分析柱. 通過建立不同濃度系列標(biāo)準(zhǔn)溶液各濃度與色譜峰面積之間的線性函數(shù)關(guān)系,并根據(jù)樣品的各色譜峰面積獲得各相應(yīng)峰對應(yīng)的離子濃度.

        表2 禮泉縣樣地概況Tab.2 General situation of sample plots in Liquan County

        2 研究結(jié)果

        2.1 吳起縣土壤水溶性陰離子濃度

        水溶性Cl-、NO2-、NO3-、SO42-、F-濃度值在吳起縣各樣地的范圍分別在10.38~43.37 mg/kg、4.17~22.12 mg/kg、17.03~231.67 mg/kg、50.82~244.20 mg/kg、10.66~13.16 mg/kg 之間(表3). 僅在檸條林地和小葉楊林地檢測出了PO43-,而在其他樣地未檢測出PO43-,這與土壤對磷酸根的吸附性強(qiáng)有關(guān).

        單位:mg/kg

        表3 陜西省吳起縣退耕還林還草樣地和農(nóng)地土壤水溶性陰離子含量Tab.3 Contents of water soluble anions in soil of woodland,grassland and farmland in Wuqi County,Shaanxi Province

        從平均值來看,土壤陰離子含量高低順序依次為SO42->NO3->Cl->F->NO2-. 五種陰離子在各樣地大小順序不一致:NO2-和NO3-在檸條林地最大;Cl-和SO42-則分別在荒地和油松林地最大;而F-在各樣地之間的差異小,最大值僅比最小值高出2.50 mg/kg.

        2.2 禮泉縣土壤水溶性陰離子濃度

        水溶性Cl-、NO2-、NO3-、SO42-、F-濃度值在禮泉縣各樣地的范圍分別在11.53~32.82 mg/kg、10.48~15.03 mg/kg、11.88~257.52 mg/kg、41.43~362.85 mg/kg、8.57~12.68 mg/kg之間(表4). 在麥地土壤中未檢測出PO43-,其他樣地該離子濃度范圍在10.01~17.32 mg/kg之間. 從平均值來看,土壤陰離子含量高低順序依次為SO42->NO3->Cl->NO2->PO43->F-. 五種陰離子在各樣地大小順序不一致:NO2-和PO43-在刺槐地最高,NO3-在油松地③中最高;Cl-和SO42-則分別在油松地③和油松地②中最高.

        表4 陜西省禮泉縣退耕還林還草樣地和農(nóng)地土壤水溶性陰離子含量Tab.4 Contents of water soluble anions in soil of woodland,grassland and farmland in Liquan County,Shaanxi Province 單位:mg/kg

        2.3 兩樣區(qū)各陰離子平均濃度比較

        從所有樣地平均值來看,NO2-、F-和Cl-在兩個樣區(qū)的差異較小,差異僅為23.32%、15.37%和1.73%.NO3-和SO42-濃度較高,在兩個樣區(qū)的差異也較大,禮泉縣的分別高出吳起縣的50.64%和135.06%. 分別計(jì)算禮泉縣和吳起縣農(nóng)地和退耕地離子濃度平均值,見圖2. 由圖2可知,除吳起縣農(nóng)地F-含量略高于退耕地外,其他各離子均表現(xiàn)為退耕地大于農(nóng)地的. 其中,禮泉縣退耕地土壤硝酸根離子的含量高達(dá)農(nóng)地的3.88倍.

        圖2 兩樣區(qū)農(nóng)地和退耕地離子濃度Fig.2 Ion concentrations of farmland and abandoned farmland in the two areas

        2.4 各土壤屬性相關(guān)性分析

        土壤有機(jī)質(zhì)SOM與NO2-、NO3-和PO43-呈極顯著正相關(guān),黏粒Clay含量與F-、NO2-、NO3-和PO43-呈顯著正相關(guān). NO2-與NO3-和PO43-分別呈極顯著和顯著正相關(guān);NO3-和PO43-呈顯著正相關(guān). F-與其他各離子之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但相關(guān)性不顯著,而與黏粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系. Cl-和SO42-與其他離子之間的相關(guān)性不顯著.

        表5 土壤各屬性之間的相關(guān)性Tab.5 Correlation of soil properties

        2.5 基于Canoco的多元統(tǒng)計(jì)分析

        以植被類型(農(nóng)地為1,一年荒地為2,經(jīng)濟(jì)林地為3,多年荒地為4,針葉生態(tài)林為5,闊葉生態(tài)林為6)、經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向(以正北方向?yàn)槠瘘c(diǎn),標(biāo)記為0,正東方向標(biāo)記為90,正南方向?yàn)?80,正西方向?yàn)?70)和土壤酸堿度(pH)為環(huán)境變量,土壤六種水溶性陰離子濃度值為響應(yīng)變量,基于Canoco的多元統(tǒng)計(jì)分析軟件,利用約束性排序方法中的冗余分析方法(RDA)繪制排序圖. RDA 排序特征值及物種—環(huán)境相關(guān)性見表6. 由表6可知,四個排序軸的特征值分別為0.445、0.033、0.001和0.000. RDA 排序的前四個軸保留了響應(yīng)變量總方差的47.5%,其中前兩個排序軸可解釋總方差的47.3%. 因此,只保留前兩軸來解釋土壤水溶性陰離子含量的變化與植被類型等環(huán)境因子之間的關(guān)系,并繪制二維空間RDA 排序圖,見圖3.

        表6 排序前四個軸的特征值及其與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)Tab.6 Eigenvalues and their correlation coefficients with environmental factors for the first four axes

        由圖3可知,從箭頭的長度來看,植被類型和緯度對土壤陰離子濃度影響最大,其次為pH、海拔、經(jīng)度和退耕年限,而坡度和坡向的影響較小. 植被類型與氯離子、亞硝酸根離子、磷酸根和硝酸根離子的夾角較小,表明這幾種陰離子受植被類型的影響顯著. 而氟離子主要受海拔和緯度的影響,硫酸根離子則主要與土壤pH 呈正相關(guān)關(guān)系. 經(jīng)檢驗(yàn),緯度、植被類型、pH和海拔的影響顯著,P值分別為0.008、0.018、0.036 和0.048,而經(jīng)度的P 值接近0.05,為0.074. 圖3 中小圓圈上的數(shù)字代表樣地編號,其中1~9代表禮泉縣9個樣地,10~21代表吳起縣12個樣地,編號的順序與表2和表1中的樣地順序相同.

        圖3 土壤水溶性陰離子濃度與環(huán)境因子的RDA 排序圖Fig.3 RDA sequence map of soil water soluble anion concentrations and environmental factors

        3 討論

        土壤水溶性陰離子含量是生態(tài)系統(tǒng)各圈層之間物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分,既是維持生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力必需的養(yǎng)分條件,其中的氯離子和硫酸根離子又是主要的鹽分離子. 研究發(fā)現(xiàn),表層土壤硫酸根離子濃度遠(yuǎn)大于氯離子濃度,表明土壤鹽分以硫酸鹽為主. 兩個樣區(qū)土壤水溶性磷酸根離子含量較低,且在吳起縣的多個樣地中未檢測出,這主要是由于磷在石灰性土壤中與鈣結(jié)合,形成溶解度低的磷酸鈣沉淀. 亞硝酸根離子含量也較低,主要與該離子是硝化作用的中間產(chǎn)物有關(guān). 吳起縣檸條林地硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮含量顯著高于其他樣地,這主要是由于檸條為豆科錦雞兒屬灌木,豆科植物根部長有根瘤菌能夠固定空氣中的氮,趙娟等[13]也得到相同的研究結(jié)論. 土壤水溶性氟較高的地區(qū),某些作物的整株混合樣含氟量也較高,土壤水溶性氟有可能通過作物—動物轉(zhuǎn)入人體[20]. 土壤水溶性氟濃度在禮泉縣和吳起縣分別為10.02和11.56 mg/kg,在湖北荊州地區(qū)為1.76 mg/kg[21],在杭嘉湖平原為0.5~1.0 mg/kg[22]. 可見,北方石灰性土壤水溶性氟含量高于南方酸性土壤[21]. 袁連新等[21]認(rèn)為我國地氟病區(qū)土壤的水溶性氟含量平均值在0.28~22.16 mg/kg之間,余大富等[20]認(rèn)為齲齒高發(fā)區(qū)土壤水溶性氟含量平均值為3.55 mg/kg,本文測試的土壤水溶性氟含量遠(yuǎn)高于該值,因此,應(yīng)警惕研究區(qū)地氟病的發(fā)生. 土壤水溶性氟在不同植被類型及不同樣區(qū)之間的變異很小,這主要是由于禮泉縣和吳起縣各樣地土壤母質(zhì)均為黃土,而母質(zhì)是影響土壤水溶性氟含量多少的主要因素[4,21]. 除氟離子外,禮泉縣土壤陰離子含量高于吳起縣,根據(jù)禮泉縣和吳起縣人民政府網(wǎng)站公布的氣象資料,禮泉縣和吳起縣近20年平均溫度與降水量分別為12.6 ℃與517.6 mm和7.8 ℃與483 mm. 較高的溫度和降水量有利于植物的生長,進(jìn)而有利于土壤養(yǎng)分在表層的累積.

        F-與土壤有機(jī)質(zhì)和黏粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系. 謝正苗等[22]研究也認(rèn)為水溶性氟離子濃度與土壤有機(jī)質(zhì)和黏粒含量的分布規(guī)律相反. 這主要是由于黏粒具有較大的比表面,能吸附更多的氟,使氟的活性下降,水溶性氟含量降低[23]. RDA 分析表明,硫酸根離子與pH夾角較小,表明硫酸鹽能改變土壤pH[24]. 磷酸根離子濃度與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān),可見,增加有機(jī)質(zhì)可減少磷的固定,這主要是因?yàn)橛袡C(jī)酸等螯合劑與Ca螯合,促使磷的釋放,另外,有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的CO2溶于水形成的碳酸可增加磷酸鈣的溶解度.

        兩個杏林樣地中,杏林①各離子濃度值較低,且亞硝酸根離子和硝酸根離子在杏林①和杏林②兩個樣地的差異性達(dá)顯著水平,這與該樣地坡度較大,且坡向?yàn)殛幤掠嘘P(guān). 這主要是由于陰坡溫度較低,水分蒸發(fā)較慢,養(yǎng)分離子不易在表層積累. 而較大的坡度,則使水分和可溶性養(yǎng)分離子易向坡下運(yùn)移. 吳起縣三個沙棘林樣地中,沙棘林②由于退耕時間較短且坡度較陡,各離子濃度值均較低. 禮泉縣兩個永久性荒地中,荒地②離子含量高于荒地①,且NO2-、NO3-、SO42-和PO43-在兩個樣地的差異達(dá)極顯著水平,這主要是由于荒地②為陽坡,植物的蒸騰作用和土壤水分的蒸發(fā)作用較強(qiáng),且坡度較小,使土壤養(yǎng)分更易在土壤表層累積. 可見,除植被類型外,地形條件也影響土壤陰離子含量.

        本研究認(rèn)為,退耕還林還草樣地表層土壤水溶性陰離子含量高于農(nóng)地. 一方面是由于退耕地與農(nóng)地相比植被蓋度高,大量的枯枝落葉進(jìn)入土壤表層后,可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)一步礦化,產(chǎn)生更多的養(yǎng)分離子;另一方面是由于氯離子和硫酸根離子是土壤的主要陰離子,其遷移主要受土壤水分運(yùn)動的影響[25],退耕地植被茂密,相對農(nóng)地,植物的蒸騰作用強(qiáng)烈,水溶性養(yǎng)分更易隨水分向上遷移,并聚積在表層. 梁東等[26]研究也認(rèn)為植被的密集程度高,則吸水能力強(qiáng),對土壤中鹽分運(yùn)移的影響明顯.

        4 結(jié)論

        陜西省禮泉縣和吳起縣土壤鹽分以硫酸鹽為主,退耕地表層土壤陰離子含量高于農(nóng)地. 干旱和半干旱地區(qū)的植被建設(shè)使土壤養(yǎng)分表聚的同時,也使鹽分在土壤表層積累. 相同植被類型條件下,陽坡且坡度較小樣地,土壤表層水溶性陰離子含量較高. 土壤水溶性氟離子與緯度的關(guān)系較密切,但整體變化較小,表明其主要受母質(zhì)的影響,而受植被類型的影響程度較低. 且水溶性氟含量較高,應(yīng)警惕地氟病的發(fā)生. 除氟離子外,其他各離子在禮泉縣高于吳起縣的,表明禮泉縣較高的溫度和降水有利于土壤養(yǎng)分在表層的積累.

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