檉柳對鹽堿地生態(tài)環(huán)境的影響

何秀平, 王保棟, 謝琳萍

(國家海洋局 第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

檉柳對鹽堿地生態(tài)環(huán)境的影響

Effects ofTamarixon ecological environment of saline-alkali soils

何秀平, 王保棟, 謝琳萍

(國家海洋局 第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

檉柳是一種鹽生植物, 具有很強的耐鹽、抗旱、耐淹的生物學特征, 廣泛分布在內(nèi)陸鹽堿地和我國北方濱海濕地、灘涂, 有“南有紅樹, 北有檉柳”之說。檉柳是典型泌鹽鹽生植物, 在鹽堿地(含濱海濕地)種植形成檉柳林, 不僅可以顯著提高其物質(zhì)生產(chǎn)、能量轉(zhuǎn)換、氣候與水分調(diào)節(jié)、水質(zhì)凈化、生物多樣性保育、防風固沙/護堤等生態(tài)與環(huán)境功能[1-2],而且也是生物改良鹽漬土的一種有效措施。種植檉柳后會對鹽堿地生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定影響, 很多學者對此進行了多方面的研究。本文擬從物理、化學等方面就檉柳對鹽漬土生態(tài)環(huán)境要素的影響進行總結(jié)評述, 以期為今后檉柳林生態(tài)環(huán)境研究及檉柳在鹽堿地的進一步推廣與合理利用提供參考。

1 檉柳對鹽漬土理化性質(zhì)的影響

1.1 檉柳對土壤鹽分的影響

過量的鹽分能引起土壤物理和化學性質(zhì)的改變,高鹽度會抑制植物生長, 影響其對氮、磷等養(yǎng)分的吸收[3]。部分植物在長期進化過程中, 對鹽分脅迫有了一定的適應, 并逐漸發(fā)展為耐鹽植物[4], 檉柳就是其中的一種。檉柳的耐鹽能力較強[5-6], 其耐鹽極限可達25 g/kg[7]。檉柳對鹽漬土鹽分的影響, 主要存在兩種觀點: 一種觀點認為檉柳能夠降低土壤鹽分; 另一種認為檉柳對土壤鹽分有積聚作用。

檉柳對土壤的降鹽途徑主要有 3種。一是土壤鹽分由根部到葉部的轉(zhuǎn)移。檉柳是泌鹽植物[8], 能通過根系吸收和積累土壤中的鹽分作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),將鹽分運輸?shù)饺~和細枝通過泌鹽腺以鹽粒結(jié)晶的方式將其排出體外, 進而調(diào)節(jié)體內(nèi)鹽分平衡, 維持滲透壓, 實現(xiàn)在高鹽度環(huán)境下生存生長[9-10]。因此可以通過對檉柳枝葉的收獲, 實現(xiàn)土壤鹽分轉(zhuǎn)移[7,11]; 二是種植檉柳后植被蓋度增加, 植物的蒸騰作用減輕了鹽堿地的地面蒸發(fā), 減少地表返鹽[12]; 三是土壤的淋溶作用。由于檉柳蒸騰作用降低了地下水位, 減少了鹽分在地表的積累, 其枯枝落葉等增加了地表粗糙度, 更多的截留降雨, 加強土壤淋溶作用, 將地表和土體間的積鹽淋溶下去[13]。此外, 檉柳對土壤鹽分的影響表現(xiàn)出一定的區(qū)化特征: 在平面分布上,離檉柳灌叢越近, 土壤含鹽量越低, 并在離檉柳0～15 cm范圍內(nèi)形成低鹽區(qū); 在垂直分布上, 土壤的含鹽量隨檉柳根深度的增加而明顯降低[14]。

但是, 也有不少研究認為檉柳對土壤鹽分有積聚作用即所謂的“鹽島效應”。其“增鹽”機制包括生物積鹽作用和非生物環(huán)境作用。生物積鹽作用主要通過檉柳根系吸收土壤中的鹽分, 運輸?shù)街θ~,最后以凋落物的形式回落到表層土壤中, 由于檉柳的泌鹽作用使得葉片中含有較高的鹽分, 因此落入土壤表層的凋落物便增加了檉柳灌叢下土壤的含鹽量, 產(chǎn)生鹽島效應[15]。也有研究認為“鹽島”的形成主要是由于多年生鹽生植物根系的驅(qū)動力作用[16]。非生物環(huán)境作用主要由于地下水蒸發(fā)聚鹽和風沙的侵蝕[17-18]。當檉柳地上生物積鹽量超過背景地下水活動造成的地表聚鹽時會導致“鹽島”形成。環(huán)境中鹽分過重或者過于干旱都會降低鹽島效應, 而在水鹽條件適宜檉柳生長的環(huán)境中, 鹽島效應最強[19]。

以上兩種觀點看似相反, 但實際上并不矛盾。第一種觀點所謂的檉柳降鹽作用, 指的是檉柳林土壤鹽分總量的變化; 第二種觀點所謂的“鹽島效應”,指的是檉柳林土壤鹽分空間分布的變化。也就是說檉柳林地土壤鹽分總量在逐漸減少。然而, 對于產(chǎn)生鹽分區(qū)化特征以及鹽島效應兩種不同觀點的原因尚待進一步研究。

1.2 檉柳對土壤水分的影響

土壤中的水分含量是影響植物生長的重要環(huán)境因子。檉柳自身的多種優(yōu)點使目前很多鹽堿地區(qū)將其引種用于防風固沙及土壤改造, 因此其對土壤水分含量的影響與相互關系成為目前研究的重要課題。

現(xiàn)階段關于種植檉柳對土壤水分的影響有兩種不同的觀點。一種認為檉柳的生長會降低土壤含水量, 可能與檉柳過高的耗水量有關[19-20]。此外,干旱鹽堿地土壤中的水分含量會隨植被樹齡的增加而降低[21]。

另一種觀點認為檉柳種植后可以提高土壤水分含量。在一定的土壤厚度條件下, 土壤的貯水特性取決于土壤孔隙的大小, 或者說取決于植被對土壤孔隙狀況改善作用的大小[22]。研究發(fā)現(xiàn)檉柳根系土壤的貯水能力明顯高于空白土壤, 且從表層到深層,土壤貯水能力呈降低趨勢, 認為是由于檉柳根系的穿插作用與其發(fā)達的根系形成根間連生現(xiàn)象提高了土壤的貯水能力[23]。此外, 檉柳種植后土壤物理性質(zhì)發(fā)生相應改變, 粘粒減少、孔隙狀況改善, 水分入滲率升高, 這也是水分在改良后的土壤中積聚起來的一個原因[24]。

筆者認為, 之所以存在以上兩種截然相反的觀點, 可能是不同研究者所研究區(qū)域的氣候及水文條件的不同所致。由于干旱和極干旱地區(qū)降水很少, 此時檉柳的耗水是控制土壤中水量平衡的控制因子,因而土壤含水量會逐漸降低; 相反, 在降水較豐沛或有橫向水輸入的區(qū)域(如濱海濕地), 檉柳根系的貯水能力及土壤物理性質(zhì)成為控制土壤含水量的關鍵因子, 并因此而提高土壤水分含量。

1.3 檉柳對土壤pH值的影響

土壤 pH值影響土壤溶液中各種離子的濃度和存在形式, 從而影響植物對養(yǎng)分的吸收[25-26]。利用不同pH值的土壤對檉柳進行栽植實驗, 結(jié)果表明檉柳具有較高的耐鹽堿能力, 其對土壤 pH 值的極限值是pH<11[27]。

關于檉柳對土壤pH影響方面的結(jié)論有不少爭議。一種觀點認為, 種植檉柳能夠降低土壤pH值[13,28]。其機理包括吸收導致土壤堿性的離子以及根際周圍產(chǎn)生中和堿性的物質(zhì)。檉柳生長過程中在攝取土壤中的養(yǎng)料與水分的同時還能吸收大量導致土壤堿性的堿金屬及堿土金屬的碳酸鹽和碳酸氫鹽等離子。莖、葉的肉質(zhì)化使其能吸收和儲存大量水分, 稀釋體內(nèi)的鹽離子避免本身受到其傷害[23]。檉柳根際周圍中和堿性物質(zhì)的產(chǎn)生則是檉柳根系與土壤微生物共同作用的結(jié)果。檉柳的根系會分泌有機酸; 根際在吸收養(yǎng)分離子時會釋放 H+/根際微生物呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳; 植物殘體經(jīng)微生物分解會產(chǎn)生有機酸[30], 這些都會中和土壤中的堿性物質(zhì), 使土壤的pH值下降。

另一種觀點認為, 鹽堿地種植檉柳會使土壤 pH值升高[31-32]。原因可能與灌木種類和凋落物的酸堿度有關[31], 同時檉柳同化枝鹽腺與空氣中的 CO2結(jié)合會形成, 落入土壤后, 會增加土壤堿性,另外, 由于和在根際內(nèi)會有少量富集也會對土壤堿性有一定影響[34]。

還有觀點認為, 檉柳對土壤pH的影響并不是單純的升高與降低, 還受土壤深度、植物生長期等影響。種植檉柳后pH值隨土壤深度和離檉柳樹干距離的增加而增加[14]。同時對不同生長期檉柳林研究發(fā)現(xiàn), 在檉柳幼林期, 土壤 pH升幅最大, 隨樹木生長期增長, 表層pH呈降低趨勢[35]。

2 檉柳對鹽漬土物質(zhì)循環(huán)的影響

2.1 檉柳對土壤有機質(zhì)的影響

土壤有機質(zhì)含量的高低是衡量土壤肥力的重要指標, 鹽堿地由于其特殊的性質(zhì), 一般有機質(zhì)的含量較少, 土壤肥力低, 因此了解鹽堿地種植檉柳對土壤有機質(zhì)的影響非常重要。對種植檉柳區(qū)土壤的研究表明栽植檉柳可使土壤有機質(zhì)含量增加, 有利于提高土壤肥力和其他植物的存活, 從而可以改良濱海鹽漬土壤[23]。

將不同類型濱海鹽堿地和內(nèi)陸鹽堿地檉柳林區(qū)土壤有機質(zhì)含量進行對比, 發(fā)現(xiàn)種植檉柳后土壤有機質(zhì)含量提高了12%～500%[7,14,30,35-36], 證實種植檉柳確實能夠顯著提高土壤肥力。對其土壤剖面的調(diào)查發(fā)現(xiàn)不同深度有機質(zhì)的增加量表現(xiàn)出一定的分布趨勢, 即表層大于深層。這主要是由于檉柳生長達一定蓋度后, 截留于土壤中的枯枝落葉, 被微生物分解, 造成表層土壤有機質(zhì)含量增加[13], 同時殘留根系的腐爛也會相應的增加深層土壤中的有機質(zhì)和無機養(yǎng)分[37]。有研究表明, 檉柳對土壤有機質(zhì)的影響表現(xiàn)出一定的區(qū)化特征, 種植檉柳后, 土壤有機質(zhì)隨土壤深度和離樹干距離的增加呈下降趨勢[14]。另外,也有人認為檉柳對有機質(zhì)有富集作用, 在檉柳灌叢下形成“肥島效應”, 并將原因歸結(jié)為植物根系的動力學作用, 即檉柳根系將地下水和深層土壤中的養(yǎng)分吸收到地上部, 而后以凋落物的形式返還到地面,造成有機質(zhì)在表層土壤的積累[34,36,38]。

2.2 檉柳對土壤營養(yǎng)鹽循環(huán)的影響

2.2.1 檉柳對土壤N循環(huán)的影響

氮是植物從土壤中吸收最大的礦質(zhì)元素[39], 其生物地球化學循環(huán)過程是氮素在土壤-植物-大氣之間進行的各種遷移轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)換過程[40]。

檉柳對土壤中N循環(huán)的影響主要是通過微生物作用實現(xiàn)的。其主要的生物地球化學過程如圖 1所示。檉柳的枯枝落葉等含氮有機物進入土壤后在土壤中微生物的作用下發(fā)生氨化作用轉(zhuǎn)化成簡單含 N化合物, 經(jīng)過脫氨基作用生成在硝化細菌的作用下逐步將轉(zhuǎn)化為可溶性的無機態(tài)和, 檉柳通過吸收這些無機態(tài)的氮將其同化為有機氮, 形成一種良性循環(huán)[41]。但是, 在厭氧條件下反硝化細菌會還原硝酸鹽, 釋放出分子態(tài)氮(N2或N2O); 另外, 由于鹽堿地土壤偏堿性,易轉(zhuǎn)化成NH3, 加上對檉柳的收割等這些因素都會導致鹽堿地氮的流失[42]。

圖1 檉柳對鹽堿地氮循環(huán)的影響過程[39]

大量研究表明, 檉柳能夠提高鹽堿地N含量[7,28,30],主要原因是由于植物蒸騰作用引起水分及養(yǎng)分向根表轉(zhuǎn)移; 植物自身對養(yǎng)分的需求也會使養(yǎng)分向根際轉(zhuǎn)移速率的增加, 當其大于植物自身對養(yǎng)分的吸收速率時, 會導致這種養(yǎng)分在根際發(fā)生積累[26]; 微生物和植物根系的相互作用也可以加速有機態(tài)氮向植物可利用態(tài)氮轉(zhuǎn)化的速率[43]。

2.2.2 檉柳對土壤P循環(huán)的影響

磷是生態(tài)系統(tǒng)中一種重要的限制性養(yǎng)分和礦物元素[44], 磷在鹽堿地中以可溶態(tài)和不可溶態(tài)的形式存在, 能被植物利用的部分稱為“活性磷酸鹽”又稱有效磷[45]。

磷在鹽堿地的循環(huán)過程可以概括為: 檉柳吸收土壤中的無機磷及吸附在黏土表面而沉積的磷, 同時其又可以將吸收的無機磷合成復雜的有機磷儲存在土壤中, 經(jīng)過土壤微生物的作用把有機磷進一步降解為可溶性有效磷[46]。由于檉柳所攝取的土壤中的磷大多數(shù)是正磷酸鹽離子, 鹽堿地土壤的堿性環(huán)境使磷多形成水合金屬磷酸鹽共沉淀于土壤中[45],這種沉淀是不能被植物直接吸收的。而檉柳根際微生物代謝會產(chǎn)生酸性物質(zhì), 使根際pH值降低, 促進水合金屬磷酸鹽的溶解[29,47-48], 增加了植物根際土壤中可溶性磷酸鹽的含量[49]。

2.2.3 檉柳對土壤Si循環(huán)的影響

檉柳在硅的生物地球化學循環(huán)中起著重要作用。首先, 硅是檉柳生長所需要的一種重要元素, 能夠促進檉柳生長[50], 增加其細胞壁的延展性[51], 增強檉柳對鹽脅迫的抵抗力[52]; 其次, 檉柳在生長過程中不斷的以溶解態(tài)H4SiO4的形式吸收硅, 以生物硅的形式貯存, 生長季節(jié)結(jié)束后, 檉柳殘體逐漸被微生物分解, 其體內(nèi)的生物硅逐漸被釋放到土壤中,其中大部分被植物再吸收, 少量保留在土壤中[53-54]。檉柳對硅的這種作用為土壤溶液提供大量可溶解的硅[55]。通過植物-土壤之間的循環(huán), 減少了硅向河流、海洋的輸入, 使其大量貯存在土壤中, 成為硅循環(huán)的一個重要組成部分[56]。

2.3 檉柳對鹽堿地固碳能力的影響

土壤有機碳庫的庫容巨大, 其微小的變化就將影響大氣CO2濃度, 在全球碳循環(huán)中起著重要作用[57],研究檉柳對土壤固碳能力的影響對鹽漬土在全球碳循環(huán)中的作用有重要的理論意義。

檉柳對鹽堿地固碳能力的影響主要通過兩方面進行: (1) 檉柳自身的同化作用; (2) 有機碳的沉積埋藏作用。檉柳本身可以直接吸收大氣中的CO2, 在光能的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)樘?、氧氣和有機物為其生長提供基本的物質(zhì)和能量保障[58]。這一過程受到光照強度、溫度和大氣中CO2濃度等的影響。在只考慮光照因素下, 可將光合速率的大小作為固碳能力的主要指標, 對新疆地區(qū)檉柳固碳能力的研究顯示其最大光合速率為21.6 mol/(m2·s), 固碳能力較強[59], 因此增加檉柳的種植面積可以增加鹽堿地的固碳能力。檉柳是落葉植物, 凋落物沉積可將生物碳轉(zhuǎn)化為土壤碳, 成為鹽堿地固碳的又一途徑。檉柳冠下凋落物的沉積作用是土壤有機碳的重要來源[60], 同時, 生長在干旱鹽堿地的檉柳, 為了充分吸收水分, 常有龐大的植物根系, 為地下有機碳庫提供了重要來源。部分灌木檉柳其內(nèi)部構(gòu)造使其冠下土壤具有最典型意義的碳蓄積和碳埋藏作用, 可使有機碳得以長期保存[61-63]。鹽堿地對地球表層系統(tǒng)中碳的收支起到重要作用。一方面吸收大氣的溫室氣體, 能減緩全球氣候變暖。另一方面土壤有機質(zhì)經(jīng)微生物礦化分解產(chǎn)生CO2、CH4、N2O等溫室氣體, 能促進全球變暖[58]。兩者的平衡關系, 決定其是溫室氣體的源或匯。

3 結(jié)論與展望

檉柳屬于泌鹽鹽生植物, 具有很強的耐鹽堿能力, 是鹽堿地種植的首選灌木。檉柳的種植可以在一定程度上改變鹽堿地的土壤性狀, 增加土壤的植被蓋度, 使鹽分發(fā)生轉(zhuǎn)移, 增加土壤有機質(zhì)的含量, 改善土壤肥力, 對鹽堿地起到改良作用, 并顯著提高鹽堿地的生態(tài)與環(huán)境功能。

目前關于檉柳種植對鹽堿地生態(tài)環(huán)境影響方面已經(jīng)開展了一些研究, 也取得了很多可喜的成果,但是隨著研究的深入也產(chǎn)生了一些亟需解決的問題: (1) 檉柳的種植對鹽堿地鹽分分布的影響究竟是產(chǎn)生鹽島效應還是區(qū)化特征？產(chǎn)生這種分布規(guī)律的影響因素是什么？以上問題尚需更深入的探究。(2)鹽堿地種植檉柳后土壤pH值是升高還是降低, 還存在很大的爭議, 造成土壤pH值不同變化的原因尚需進一步研究。(3) 檉柳的固碳能力評估及其影響因素以及與氮的耦合關系如何？(4) 檉柳種植對鹽堿地排放溫室氣體(如甲烷, 氧化亞氮等)的影響。

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(本文編輯: 康亦兼)

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A

1000-3096(2014)01-0096-06

10.11759/hykx20130717001

2013-03-17;

2013-05-25

海洋公益專項(201205008)

何秀平(1987-), 女, 碩士研究生, 研究方向為海洋生物地球化學, 電話: 0532-88962016, E-mail: 217718286@qq.com; 王保棟,

, E-mail: wangbd@fio.org.cn