不同土地利用方式對黃河三角洲鹽堿地土壤理化性質(zhì)的影響

丁晨曦，李永強，董智?，尹若波，王雅楣，沈運擴

(1.山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復重點實驗室，山東農(nóng)業(yè)大學林學院，271018，山東泰安;2.山東省土壤肥料重點實驗室，山東農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，271018，山東泰安;3.山東省林業(yè)廳，250014，濟南)

土地是人類賴以生存的基礎(chǔ)性自然資源，土壤質(zhì)量不僅是自然屬性，更是人為因子作用的結(jié)果［1］。大部分研究表明，由于土地利用方式不合理，管理方式不科學，導致土地退化和肥力下降，造成嚴重的水土流失［2-4］。黃河三角洲是我國三大河口三角洲之一，又是世界著名的河口三角洲中目前開發(fā)度很低的三角洲之一，被譽為“金三角”地帶，是我國重點經(jīng)濟開發(fā)區(qū)［5］。鹽堿脅迫成為影響該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土地生產(chǎn)力的最主要脅迫因子，嚴重制約著土地生產(chǎn)力的發(fā)展與可持續(xù)利用。國內(nèi)外許多學者在不同土地利用方式對土壤理化性質(zhì)的影響和植被恢復等方面做了大量的研究［6-8］，但關(guān)于黃河三角洲河口區(qū)典型土地利用方式對土壤理化性質(zhì)方面的研究較少。筆者以黃河三角洲河口區(qū)3種典型的土地利用方式為研究對象，通過探討不同土地利用方式對土壤理化性質(zhì)的影響，研究土壤的理化性質(zhì)及其變化規(guī)律，以期為該地區(qū)鹽堿地的改良和土地可持續(xù)利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河三角洲河口區(qū)孤島鎮(zhèn)，地理坐標 E118°41′03″～ 118°41′41″，N37°56′42″～ 37°56′59″，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)。年平均氣溫12.3℃，極端最高溫度41.9℃，極端最低溫度-23.3℃;年太陽輻射總量5 278 J/m2，年日照時間2 571～2 865 h，平均無霜期210 d;年均降水量692 mm，其中63.9%的降水集中于夏季，年蒸發(fā)量1 962 mm，是降水量的2.8倍。土壤為沖積性黃土母質(zhì)在海浸母質(zhì)上沉積而成，以鹽化潮土和濱海鹽土為主，土壤鹽分組成以氯化物為主。地下水位約1.5 m，地下水礦化度10 ～40 g/L，高者達200 g/L［9-10］。

試驗選用的土地利用方式包括檉柳(Tamarix chinensis Lour.)林地、刺槐(Robina pseudoacacia L．)林地和棉花(Gossypium hirsutum L．)農(nóng)田地。檉柳林為天然次生林，屬于輕度放牧利用的自然林地，林草植被稀疏，覆蓋度為18%左右，林下植被以蘆葦(Phragmites australis(Cav.)Trin.ex Steud.)、翅堿蓬(Suaeda heteroptera Kitog)為主。刺槐是20世紀60年代栽植的人工林(高10.3 m，平均胸徑12.2 cm)，郁閉度為77%，林下草本植物豐富，主要有狗尾草(Setaira viridis)、羊胡子(Carex lanceolata)、蘆葦、茅草(Imperata cylindrical(Linn.)Beauv.)、翅堿蓬、馬唐(Digitaria sanguinalis(L.)Scop.)。棉花地為人工耕作農(nóng)田，蓋度為85%，種植年限10 a以上，每年均施肥。

2 研究方法

取樣時間為2011年7月，每種土地利用方式采用對角線法選取4塊立地條件一致的樣地，每個樣地內(nèi)按S形取樣設5個取樣點。在各取樣點挖取土壤剖面，按0～10 cm、10～20 cm土層測定土壤物理特性，同時在每個剖面分層取土樣，帶回室內(nèi)風干后，利用LS13320激光粒度儀測定土壤機械組成(采用國際制)。與土壤物理性狀測定同步，于每個取樣點，采用規(guī)格為3 cm的土鉆，分層取0～10、10～20、20～30、30～50、50～70、70～100 cm 共6層土樣，帶回室內(nèi)風干，將每塊樣地中5個取樣點同一土層的土樣混合均勻，然后用四分法獲得該層次測試用土樣。每種土地利用方式均為4次重復，取4次數(shù)據(jù)的平均值作為計算結(jié)果。土壤物理性狀中的土壤密度和孔隙度采用環(huán)刀法測定，化學性質(zhì)中的有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)采用重鉻酸鉀容量法，全氮質(zhì)量分數(shù)采用凱氏蒸餾法，速效磷質(zhì)量分數(shù)采用Olsen恒溫水浴震蕩浸提法，速效鉀質(zhì)量分數(shù)采用醋酸銨浸提火焰光度法，pH值用水浸提后，用雷磁pH計測定，土壤含鹽量則用電導率儀測定其電導率值表示［11］。所有數(shù)據(jù)均采用SPSS18.0軟件處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土地利用方式對土壤物理性狀的影響

3.1.1 土壤密度 由表1可知:3種土地利用方式下，0～10 cm土層檉柳林地和刺槐林地間土壤密度差異不顯著(P＜0.05)，棉花地與檉柳林地和刺槐林地差異顯著(P＜0.05);10～20 cm及0～20 cm的平均值均與0～10 cm的差異性變化規(guī)律一致。這是因為檉柳林地和刺槐林地人為干擾活動較少，林下枯落物通過微生物分解后對土壤結(jié)構(gòu)起著較好的改良作用;棉花地由于耕作期間人為的干擾強度較大，從而導致土壤緊實度增加。0～20 cm平均土壤密度為棉花地＞檉柳林地＞刺槐林地。

3.1.2 土壤孔隙度 由表1可知，3種土地利用方式同層次間土壤孔隙度差異不顯著(P＜0.05)，0～20 cm土層的孔隙度均表現(xiàn)為刺槐林地＞檉柳林地＞棉花地。刺槐林由于栽植年限較長，林下的草本植物根系發(fā)達，另外加上枯枝落葉物的分解等因素，對土壤的通透性改良較好;棉花地由于人為干擾活動較劇烈，及施用化肥等管理措施導致土壤板結(jié)，孔隙度減小。

表1 不同土地利用方式土壤物理特性Tab．1 Soil physical properties of different land use types

3.1.3 土壤機械組成 由表1可知:同層次間土壤砂粒質(zhì)量含量均在86%以上，差異不顯著(P＜0.05)，砂粒平均質(zhì)量含量最多的為棉花地，達到了91.42%，其次為檉柳林地(88.23%)和刺槐林地(86.94%);0～10 cm土層檉柳林地和刺槐林地粉粒質(zhì)量含量差異不顯著(P＜0.05)，但均與棉花地差異顯著(P＜0.05);10～20 cm土層3種土地利用方式間差異不顯著(P＜0.05)，粉粒平均質(zhì)量含量表現(xiàn)為刺槐林地(9.08%)＞檉柳林地(8.30%)＞棉花地(5.49%)。3種土地利用方式下，0～10 cm土層間黏粒質(zhì)量含量差異顯著(P＜0.05)，10～20 cm土層間差異不顯著(P＜0.05)，黏粒平均質(zhì)量含量表現(xiàn)為刺槐林地(3.99%)＞檉柳林地(3.48%)＞棉花地(3.09%)。

3.2 不同土地利用方式對土壤含鹽量的影響

由表2可知，不同土地利用方式間電導率差異極顯著，3種不同土地利用方式間土壤同層次電導率和平均電導率變化規(guī)律一致，均表現(xiàn)為檉柳林地＞棉花地＞刺槐林地。

在土壤剖面上，刺槐林地和棉花地電導率隨土壤深度增加而呈增加的趨勢。由于刺槐林地樹冠的郁閉度和林下草本植物覆蓋度較高，有效地減小了林下土壤水分的蒸發(fā)，從而控制了鹽分的向上運動，因而表現(xiàn)為表層電導率較低;同時由于刺槐林的蒸騰作用起到了生物排水功能，降低了地下水位，使得100 cm土層內(nèi)整體含鹽量較低，這也是刺槐林地電導率低于其他2種用地類型的緣故。由于種植棉花時實施了排水壓鹽措施，導致棉花地表層土壤電導率低于次層，加之取樣時棉花蓋度已達85%，抑制了土壤返鹽，因而其電導率整體較低。檉柳林地電導率的變化趨勢比較復雜，其中表層土壤電導率最高，為5 550.42 μs/cm，這是由于檉柳林地植被覆蓋度較低，同時研究區(qū)蒸發(fā)量大于降雨量，導致帶有鹽分的土壤水分沿著毛細管上升到地表，水分被蒸發(fā)后鹽分便留在地面，使土壤表層含鹽量具有表聚性。另外，由于檉柳屬于吸鹽和泌鹽植物［12］，可通過根系從土壤中吸收大量的鹽分離子，然后通過葉片分泌排出體外，調(diào)整自身體內(nèi)的鹽分含量(處于相對較低的水平)，排出體外的鹽分或直接落于土壤表面，或以枯落物的形式在土壤表面聚集，待枯落物分解后導致鹽分又回到表層土壤中，這也是導致檉柳林下表層土壤電導率較高的重要因素。在土壤剖面上，0～30 cm含鹽量呈遞減趨勢，30～100 cm變化不大，這可能與檉柳林的根系分布和地下水位深度有關(guān)，這方面需進一步研究。

表2 不同土地利用方式的土壤電導率Tab．2 Soil electrical conductivity of different land utilization modes μs/cm

3.3 不同土地利用方式對土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)的影響

由圖1可知，不同土地利用方式土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)除20～30 cm土層的有機質(zhì)，20～30 cm、30～50 cm土層的全氮，10～20 cm土層的速效磷，70～100 cm土層的速效鉀外，其他同一土層不同土地利用方式間各養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)均存在顯著(P＜0.05)或極顯著(P＜0.01)差異。可見，土地利用方式對養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)的影響很大。

3種土地利用方式下土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為3～18 g/kg，平均質(zhì)量分數(shù)均不超過6.5 g/kg，質(zhì)量分數(shù)最高的為刺槐林地(表層17.30 g/kg)(圖1)。根據(jù)我國土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)劃分標準，3種土地利用方式的土壤有機質(zhì)都很貧瘠。不同土地利用方式間同層比較，0～10 cm、10～20 cm土層土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)差異極顯著(P＜0.01)，20～30 cm土層差異不明顯，其他層次差異均顯著(P＜0.05)。在土壤剖面上，刺槐林地和檉柳林地有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)隨土層深度逐漸遞減，而棉花地則呈先減后增的趨勢，0～100 cm土層有機質(zhì)平均質(zhì)量分數(shù)為刺槐林地＞檉柳林地＞棉花地。

3種土地利用方式間土壤全氮質(zhì)量分數(shù)同層比較(圖1)，10～20 cm、50～70 cm、70～100 cm 土層全氮質(zhì)量分數(shù)差異極顯著(P＜0.01)，0～10 cm土層差異顯著(P＜0.05)，20～30 cm、30～50 cm 土層差異不明顯。全氮質(zhì)量分數(shù)最高的為刺槐林地(0～10 cm土層為1.04 g/kg)。在土壤剖面上，全氮質(zhì)量分數(shù)隨著土層的加深逐漸遞減，0～100 cm土層全氮平均質(zhì)量分數(shù)為刺槐林地＞檉柳林地＞棉花地。

3種土地利用方式間速效磷質(zhì)量分數(shù)(圖1)除10～20 cm土層差異不顯著外，其他土層間差異顯著或極顯著。速效磷質(zhì)量分數(shù)以棉花地為最高，0～10 cm土層為9.44 mg/kg，0～100 cm土層的平均質(zhì)量分數(shù)差異顯著(P＜0.01)，為棉花地＞檉柳林地＞刺槐林地。在土壤剖面上，3種土地利用方式下土壤速效磷質(zhì)量分數(shù)均表現(xiàn)出先減后增的規(guī)律，0～10 cm土層土壤速效磷質(zhì)量分數(shù)最高。

3種土地利用方式下速效鉀質(zhì)量分數(shù)(圖1)除70～100 cm土層差異不顯著外，其他土層間均表現(xiàn)為差異極顯著(P＜0.01)。速效鉀質(zhì)量分數(shù)最高的為檉柳林地(0～100 cm土層平均為104.47 mg/kg)，0～100 cm土層平均速效鉀質(zhì)量分數(shù)為檉柳林地＞刺槐林地＞棉花地。在土壤剖面上，速效鉀質(zhì)量分數(shù)與有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的變化規(guī)律一致。

刺槐為豆科喬木植物，由于栽植年限較長，林下枯落物和草本植物的根系經(jīng)微生物分解后產(chǎn)生較多的腐殖質(zhì)，加上刺槐根系的固氮作用，使表層有機質(zhì)和全氮質(zhì)量分數(shù)極顯著高于其他2種土地利用方式。土壤速效磷質(zhì)量分數(shù)最高的為棉花地，由于耕作期間人為的施入磷肥導致土壤中速效磷養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)極顯著高于檉柳林地和刺槐林地。另外，由于人為的翻耕、施肥等干擾活動，導致棉花地土壤剖面上耕作層0～30 cm養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)減小的幅度小于其他2種土地利用方式。總體而言，3種土地利用方式比較，除速效磷外，其余2種林地的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)均高于棉花地?？芍?，種植耐鹽植物可以改良鹽堿地，提高土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)，并能得到有效的保持。檉柳林與刺槐林因樹種生物生態(tài)學特性不同，改土保肥功能也有所不同，刺槐林改土保肥能力高于檉柳林。

圖1 不同土地利用方式土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)Fig．1 Soil nutrients quality content of different land utilization modes

3.4 不同土地利用方式對土壤pH值的影響

由表3可知:土壤pH值在不同土地利用方式間0～30 cm土層差異顯著或極顯著，說明不同土地利用方式對鹽堿土壤pH值影響很大。除10～20 cm和30～50 cm土層外，其他土層土壤pH值變化規(guī)律一致(表3)，均表現(xiàn)為棉花地＞刺槐林地＞檉柳林地。3種土地利用方式下土壤pH值都不高，檉柳林地pH值呈弱酸性，刺槐林地和棉花地呈弱堿性，棉花地土壤pH值最高，這可能是因為棉花地耕作時施入大量化肥所致。2種林地土壤pH值的差別較大，這除了與土壤鹽分含量有關(guān)外，可能也與不同樹木的枯枝落葉量以及它們的離子含量不同有關(guān)。

表3 不同土地利用方式土壤pH值Tab．3 Soil pH value of different land utilization modes

4 結(jié)論與討論

1)不同土地利用方式對黃河三角洲河口區(qū)鹽堿地的土壤理化性質(zhì)的作用差異明顯，且在不同的理化性質(zhì)指標上的反映不同。整體上，人工造林或天然造林會增加土壤有機質(zhì)、全氮、土壤黏粒的質(zhì)量分數(shù)，增大孔隙度，降低土壤密度，而人工多年連作種植棉花的土地利用方式會導致土壤肥力降低，不利于黃河三角洲河口區(qū)土地的持續(xù)合理開發(fā)利用。

2)3種土地利用方式中，人工栽植的刺槐林對土壤改良效果較好，林下天然草地植被豐富，形成林草結(jié)合的優(yōu)化模式，可發(fā)揮較強的保水、保土和保肥功能。檉柳林是通過進展演替而自然形成的具有很強耐鹽性的灌木林，通過自身的生理特性來改善土壤結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤的pH值，使土壤理化性質(zhì)向良性方向發(fā)展。

對比3種不同土地利用方式發(fā)現(xiàn)，棉花地的含鹽量高于刺槐林，有機質(zhì)、全氮、速效鉀及土壤密度等指標都低于刺槐林地和檉柳林地，說明單一耕作了10年的棉花地表現(xiàn)出土壤各指標整體上的輕度退化。孫啟祥等［13］的研究也表明，對于黃河三角洲地區(qū)，在入?？谟俜e的新生陸地因營養(yǎng)豐富、適宜耕作而常常被開墾為耕地，但新生陸地進行農(nóng)業(yè)耕作20年后土壤返鹽嚴重，不再適宜繼續(xù)耕種。本研究中棉花地已出現(xiàn)退化趨勢，需要調(diào)整其種植結(jié)構(gòu)與種植方式，以避免其地力的進一步退化。天然更新的檉柳林地是在未利用的荒地上自然繁生的，由于植被蓋度小、降水量少而土壤蒸發(fā)量大，導致深層土壤水分沿毛細管上升，可溶性鹽分離子也隨水上升到表層而聚積，因而其含鹽量最高;但在有機質(zhì)、全氮等養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)方面，檉柳林好于棉花地，說明林木生長可以改良土壤。這一點在刺槐林地表現(xiàn)得更為明顯，其土壤平均密度最小，除速效磷外其他養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)均高于棉花地和檉柳林地。刺槐林種植了50多年，其植被覆蓋率增大，蒸發(fā)量減小，土壤返鹽最輕，加之林內(nèi)的枯枝落葉、殘死細根進入土壤，改善了土壤結(jié)構(gòu)，提高了土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù);因而，通過栽植耐鹽樹木、提高植被覆蓋率來改良鹽堿荒地是一條可行的途徑。

另外，本研究中，檉柳林地對土壤pH值的調(diào)節(jié)效果顯著高于刺槐林地和棉花地。由于檉柳林樹齡比刺槐林樹齡小的多，所以，對土壤其他理化性質(zhì)改良效果低于刺槐林地;但是效果明顯好于人為干擾的棉花地，這與方晰等［14］研究的觀點基本一致。刺槐林地、檉柳林地和棉花地土壤地力均較低，人為干擾下單一的利用方式會導致土壤鹽堿化加劇。建議在宜林地栽植刺槐和檉柳的混交林，在電導率較高的地區(qū)栽植鹽生植物來改善土壤，對于棉花地應采取與苜蓿(Medicago saiva Linn.)地結(jié)合的間作方式或采用耐鹽樹木、林草、林農(nóng)間作的方式，避免棉花地的進一步退化。與其他土地利用方式的土壤相比，濱海鹽堿地土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)相對較小，耕作地可采用免耕和秸稈回田等方式，減少對土壤結(jié)構(gòu)的破壞，并利用秸稈的分解來增加土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)，以提高土壤對鹽堿危害的緩沖。土壤理化性質(zhì)的各項指標是隨著生長季節(jié)改變而動態(tài)變化的，而本文只是針對黃河三角洲河口區(qū)3種不同土地利用方式下植物處于生長旺季時進行的研究;因此，今后的研究應致力于不同生長季節(jié)的時間梯度和不同利用方式對土壤理化性質(zhì)的影響，這對于指導黃河三角洲河口區(qū)鹽堿地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土地可持續(xù)利用意義重大。

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