高彥花 張華新 楊秀艷 劉 濤
(中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所,北京,100091)
在鹽堿地中,土壤鹽分是影響土壤微生物和土壤養(yǎng)分的主要限制因子,而土壤微生物和土壤養(yǎng)分是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分,也是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)[1]。所以,研究濱海鹽堿地的土壤微生物和土壤養(yǎng)分的分布狀況及其與土壤鹽分的關(guān)系,對于合理利用濱海和改善生態(tài)環(huán)境具有重大意義。天津地處華北平原東北部,該地區(qū)鹽堿地分布廣泛,據(jù)第二次天津土壤普查資料統(tǒng)計(jì),天津鹽堿地面積達(dá)49.3萬hm2,占全市土地總面積的42.3%[2],對于該地區(qū)鹽堿地的改良與利用一直備受重視。近年來,有學(xué)者對該地區(qū)鹽堿土做了相關(guān)研究[3-4],然而,對于如何有效地改良該地區(qū)鹽堿地的研究鮮有報(bào)道。
種植耐鹽堿植物是改良鹽堿地的最佳措施之一,如張麗珍等[5]在大同盆地鹽堿灘地上進(jìn)行檸條的種植試驗(yàn)。結(jié)果表明,種植檸條的試驗(yàn)地同原生鹽堿灘地相比,土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯減少,土壤養(yǎng)分含量增加。林學(xué)政等[6]通過比較種植鹽地堿蓬土壤和對照土壤的電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)和微生物差異,電導(dǎo)率與對照相比下降13%,有機(jī)質(zhì)和總氮與對照土壤相比分別增加43%和18%,微生物數(shù)量明顯增加,表明種植鹽地堿蓬對改善濱海鹽堿地的生態(tài)環(huán)境有明顯效果。系統(tǒng)、深入地研究不同耐鹽堿植物對土壤肥力狀況的影響,選擇適宜的樹種對鹽堿土進(jìn)行改良,對開發(fā)濱海地區(qū)鹽堿化土地,改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。
白刺(Nitraria tangutorum)、杜梨(Pyrus betulaefolia)和銀水牛果(Shepherdia argentea)是重要的耐鹽堿植物。筆者以在天津?yàn)I海鹽堿地栽植這3種植物4 a后的林地土壤為研究對象,對林地土壤微生物、養(yǎng)分、鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析,研究不同耐鹽堿植物對該地區(qū)鹽堿地的改良情況,旨在為濱海鹽堿地的開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境植物修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。
試驗(yàn)地位于天津?yàn)I海新區(qū)耐鹽堿植物科技園內(nèi)(38°76'N,117°22'E)。地勢平坦,平均海拔為3 m,屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,冬季寒冷干燥,夏季高溫高濕。年平均氣溫12.1℃,年平均無霜期為211 d,年平均降水量593.6mm,約75%的降水量集中于7—9月份,年蒸發(fā)量為1 800 mm,是降水量的3倍。該區(qū)屬于華北平原濱海沉積區(qū),地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單。土壤屬于濱海鹽土,土質(zhì)黏重,滲透性很差。土壤pH=7.5~8.5,偏堿性,肥力較低,天然地被植物主要有油蒿(Artemisia ordosica)、稗草(Echinochloa crusgalli)、芨芨草(Achnatherum splendens)等雜草。
樣地設(shè)置與土壤樣品采集:2006年春,在耐鹽堿植物科技園內(nèi)布設(shè)相鄰的3塊30 m×30 m試驗(yàn)林地,各林地間隔5 m,分別栽植1年生苗木白刺、杜梨、銀水牛果3種耐鹽堿植物,株行距分別為:白刺0.5 m×0.5 m、杜梨 2 m×2 m、銀水牛果2 m×2 m。2010年8月份在3塊林分中分別隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行土樣采集,因?yàn)樵?塊林地中植物根系主要分布在0~30 cm土層中,所以采樣深度(h)為0<h≤10 cm、10 cm<h≤20 cm、20 cm<h≤30 cm,取適量土壤裝入無菌袋,每個(gè)樣裝2份。1份保存在4℃冰箱中,用于微生物的測定;另一份風(fēng)干后測定土壤養(yǎng)分和鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。另取林地間隔地帶中間處土壤作為對照,取樣方法同上。
土壤微生物數(shù)量測定:細(xì)菌、放線菌、真菌利用稀釋平板法測定[7]。細(xì)菌:采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基,土壤稀釋質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-3、10-4、10-5;放線菌:采用改良高氏一號培養(yǎng)基,土壤稀釋質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-3、10-4、10-5;真菌:采用馬丁氏培養(yǎng)基,土壤稀釋質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-1、10-2、10-3,每一質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別做3次重復(fù)。細(xì)菌在35℃溫度下恒溫培養(yǎng)24 h,真菌和放線菌在28℃條件下恒溫培養(yǎng)72 h,然后選取每皿菌落數(shù)量為15~150個(gè)的一個(gè)稀釋質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)量,按如下公式計(jì)算微生物數(shù)量。
土壤養(yǎng)分和鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定:土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用常規(guī)的殘?jiān)娓煞ㄟM(jìn)行測定;有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定;全N用半微量凱氏法;全P用H2SO4-HClO4消煮,鉬藍(lán)比色法測定;有效N用堿解擴(kuò)散法測定;有效P利用0.15 mol/L的碳酸氫鈉提取樣品后,用鉬藍(lán)比色法測定;有效K用1 mol/L的醋酸鈉提取土壤樣品后,用火焰光度計(jì)測定[8]。
數(shù)據(jù)處理與分析:用Excel進(jìn)行圖表處理,SPSS16.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
白刺、杜梨和銀水牛果林地土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于對照土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(表1)。3種耐鹽堿植物林地不同土層土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.426~1.900 g·kg-1,在空間分布上比較均勻,基本沒有變化。對照土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度增加鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低,在0<h≤10 cm、10 cm<h≤20 cm、2 0cm<h≤30cm土層鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.143、4.286、5.717 g·kg-1,顯著高于同層耐鹽堿植物林地土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。白刺、杜梨和銀水牛果林地土壤鹽分在0~30 cm土層分布均勻,原因可能是由于植物根系對礦質(zhì)離子的吸收作用,使得礦質(zhì)離子均勻分布在植物根系周圍。而在對照土壤中沒有植物根系的作用,在夏季雨水較多的情況下土壤中的鹽分隨雨水入滲向下層土壤移動(dòng),出現(xiàn)下層土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于上層土壤??梢?,種植耐鹽堿植物可以有效降低鹽堿土鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
表1 各林地土壤鹽分的空間分布
3.2.1 土壤微生物在不同土層深度的分布
對試驗(yàn)樣地土壤細(xì)菌、放線菌和真菌的數(shù)量進(jìn)行測定。結(jié)果表明,3大類土壤微生物數(shù)量隨深度增加而減少,微生物主要分布在0<h≤20 cm土壤深度范圍內(nèi),其中0<h≤10 cm微生物數(shù)量要略高于10 cm<h≤20 cm土層微生物數(shù)量,20 cm<h≤30 cm土壤微生物數(shù)量明顯低于10 cm<h≤20 cm微生物數(shù)量(表1)。土壤微生物的這種垂直變化規(guī)律主要受兩方面影響:一是土壤養(yǎng)分的供應(yīng),植物的枯枝落葉使得土壤表層有機(jī)質(zhì)含量豐富[9],而且植物根系基本分布于0<h≤20 cm土層范圍內(nèi),根系分泌物和脫落物也為微生物的生長繁殖提供了有機(jī)養(yǎng)料;二是土壤的通氣狀況,土壤通氣性良好可以為促進(jìn)好氣性微生物生長繁殖創(chuàng)造有利條件[10]。試驗(yàn)樣地中3大類土壤微生物數(shù)量排序?yàn)椋杭?xì)菌>放線菌>真菌,放線菌數(shù)量和細(xì)菌相差1個(gè)數(shù)量級,數(shù)量相差不是很大,真菌和細(xì)菌相差3個(gè)數(shù)量級,真菌數(shù)量最少。這是因?yàn)榧?xì)菌和放線菌適宜在pH為中性或微堿性的環(huán)境中生長,而真菌只有在酸性環(huán)境中才能生長良好[11],實(shí)驗(yàn)地區(qū)為濱海鹽堿地,pH=7.5~8.5,土壤呈堿性,所以真菌數(shù)量很少。
表2 林地不同土層深度土壤微生物分布
3.2.2 土壤微生物在不同林地的分布
由表3可知,3種林地與對照土壤中細(xì)菌和放線菌數(shù)量呈現(xiàn)出一致的規(guī)律性,數(shù)量大小排序?yàn)椋喊状蹋径爬妫緦φ眨俱y水牛果,其中白刺和杜梨林地土壤中的細(xì)菌數(shù)量為對照土壤的2.29和1.92倍,放線菌數(shù)量為對照土壤的4.05和3.89倍,差異都達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。銀水牛果林地和對照土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量較少,且無顯著差異(P>0.05)。土壤中真菌數(shù)量排序?yàn)椋恒y水牛果>白刺>杜梨>對照,銀水牛果、白刺和杜梨林地土壤中真菌數(shù)量為對照的4.65、4.21和3.06倍,達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)。
表3 不同林地土壤微生物數(shù)量分布
從微生物總量來看,白刺林下土壤微生物數(shù)量最多,杜梨林下土壤微生物數(shù)量次之,銀水牛果林地和對照土壤微生物數(shù)量相當(dāng),數(shù)量較少。銀水牛果林地土壤真菌數(shù)量較多,可能是其特有的植物殘?bào)w分解致使林下土壤環(huán)境適宜真菌的生長繁殖。
3.3.1 土壤養(yǎng)分在不同土層深度的分布
有機(jī)質(zhì)是土壤養(yǎng)分的主要來源,可以促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)形成,改善土壤物理性質(zhì),提高土壤的保肥能力和緩沖性。白刺、杜梨林地土壤在0<h≤20 cm土層有機(jī)質(zhì)較多,20 cm<h≤30 cm土層有機(jī)質(zhì)明顯減少;銀水牛果林地土壤有機(jī)質(zhì)主要分布在0<h≤10 cm土層,10 cm<h≤30 cm 土層有機(jī)質(zhì)較少;對照土壤有機(jī)質(zhì)在各土層中都較少,且隨深度增加呈逐漸下降的趨勢。N、P、K是植物生長所必需的大量營養(yǎng)元素,在3種耐鹽堿植物林地和對照土壤中都呈現(xiàn)隨土層深度加深而減少的趨勢。由于植物的枯枝落葉和根系分泌物是土壤養(yǎng)分的重要來源,這些植物殘?bào)w處于土壤表層,所以上層土壤養(yǎng)分高于下層。3.3.2 土壤養(yǎng)分在不同林地的分布
表4 4種植被類型下土壤養(yǎng)分
由表5可以看出,土壤中有機(jī)質(zhì)、全N和堿解N質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3種林地和對照土壤的排序都為:白刺>杜梨>銀水牛果>對照,且有機(jī)質(zhì)和堿解N質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3林地和對照土壤中均達(dá)到顯著差異(P<0.05);在土壤全N質(zhì)量分?jǐn)?shù)方面,白刺、杜梨和銀水牛果林地之間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05),銀水牛果林地和對照差異不顯著(P>0.05)。全P和速效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)排序都為:銀水牛果>杜梨>白刺>對照,對照土壤全P和速效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于另外3種林地土壤,均達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)。速效K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)排序?yàn)椋喊状蹋俱y水牛果>杜梨>對照,白刺林地土壤速效K質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于另外3種林地土壤,杜梨和銀水牛果林地土壤速效K質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著(P>0.05),對照土壤速效K質(zhì)量分?jǐn)?shù)均明顯低于另外3種林地土壤。
表5 不同林地土壤養(yǎng)分分布
華北地區(qū)不同肥力等級土壤的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為:高肥力地>15.0 g·kg-1;中等肥力地 10.0~14.0 g·kg-1;低等肥力地 5.0~10.0 g·kg-1[8]。本研究中白刺、杜梨、銀水牛果和對照土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:24.65、18.87、14.25、8.51 g·kg-1。因此可知白刺和杜梨林地土壤達(dá)到高肥力水平,銀水牛果林地土壤為中等肥力水平,對照土壤屬低等肥力。總體來看,對照土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于另外3種林地,土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)排序?yàn)椋喊状蹋径爬妫俱y水牛果>對照。所以,白刺、杜梨和銀水牛果具有改良濱海鹽堿土的效果,其中白刺對鹽堿地的改良效果最好,杜梨次之,銀水牛果較差。
3種耐鹽堿植物林地土壤微生物、土壤養(yǎng)分和鹽分相關(guān)性分析結(jié)果表明(表6),細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量與有機(jī)質(zhì)、全N、堿解N、速效K呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),真菌與全P、速效P呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01);放線菌和真菌與土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);速效P與土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),有機(jī)質(zhì)和全P與土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)??芍寥牢⑸锱c土壤養(yǎng)分及土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān),微生物數(shù)量和土壤養(yǎng)分隨鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而減少,微生物數(shù)量隨土壤養(yǎng)分的增加而增加。因此,在濱海鹽堿地區(qū)種植耐鹽堿植物可以有效降低土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù),增加土壤養(yǎng)分和微生物數(shù)量,對鹽堿地的改良效果顯著。
表6 土壤微生物與土壤養(yǎng)分、鹽分?jǐn)?shù)之間的相關(guān)分析
對天津?yàn)I海鹽堿地白刺、杜梨、銀水牛果造林地進(jìn)行了土壤微生物、土壤養(yǎng)分和鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分析測定,結(jié)果表明:土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0~30 cm土層中基本沒有變化,都較低;土壤微生物和土壤養(yǎng)分在0~30 cm深度土層范圍內(nèi)隨深度加深而減少,這可能是因?yàn)榭葜β淙~和根系分泌物集中在上層土壤,土壤養(yǎng)分高,加之表層土壤的水熱條件和通氣狀況良好,為微生物生長創(chuàng)造了有利環(huán)境。本研究結(jié)果與大多數(shù)學(xué)者研究結(jié)果一致[9,12-15]。
土壤微生物和土壤養(yǎng)分密切相關(guān)[16],土壤養(yǎng)分主要是來源于植物的枯枝落葉,枯枝落葉轉(zhuǎn)化為植物能吸收利用的土壤養(yǎng)分需要微生物作為推動(dòng)力,土壤微生物參與土壤有機(jī)質(zhì)的分解,腐殖質(zhì)的合成和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化等過程,而土壤中的植物殘?bào)w和根系分泌物為微生物生命活動(dòng)提供所需要的各種元素和多種營養(yǎng)物質(zhì)。
鹽堿土中高的鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)引起土壤物理性質(zhì)的惡化,同時(shí)也對植物產(chǎn)生嚴(yán)重危害[17],從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分匱乏和微生物數(shù)量的降低。所以土壤養(yǎng)分和土壤微生物具有相互依存、相互促進(jìn)的關(guān)系,而土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤養(yǎng)分和土壤微生物數(shù)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。
不同植物由于新陳代謝和土壤中殘留的根、莖、葉的差異,造成土壤中有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量不盡相同[18],同時(shí)也對土壤中微生物數(shù)量和分布狀況產(chǎn)生影響。植被覆蓋度增加可以較少地面水分蒸發(fā),降低土壤毛管水的運(yùn)動(dòng),從而減少鹽分隨水分通過毛管向上層土壤運(yùn)行,降低土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。白刺、杜梨、銀水牛果在造林4a后,同對照土壤相比,其土壤養(yǎng)分和微生物數(shù)量明顯增加,鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低。這表明此3種耐鹽堿植物可以有效地促進(jìn)土壤脫鹽,改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤肥力。總體來看白刺對于鹽堿地的改良效果最好,其次是杜梨,銀水牛果的改良效果較差。
種植耐鹽堿植物是改良濱海鹽堿土的一種有效途徑,為了取得最佳的鹽堿地改良效果,對于耐鹽堿植物的選擇、配置以及采用何種造林方式,還需在以后的實(shí)踐過程中不斷探索。另外,值得注意的是,在本研究中,銀水牛果林地土壤養(yǎng)分和微生物含量明顯低于前兩者,而其土壤中真菌數(shù)量和P質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于白刺和杜梨林地土壤,可能因?yàn)殂y水牛果對其林下土壤狀況的影響同其它植物相比有其特殊性,這一問題有待于今后進(jìn)行深入研究。
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