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，王志春，楊　帆，安豐華（.中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長春3002；2.中國科學院大學，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.中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長春130102；2.中國科學院大學，北京100039)

以松嫩平原蘇打鹽漬土為對象，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測值在時間為110min內(nèi)時基本吻合。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342萬hm2［1］，是我國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的影響，松嫩平原土壤鹽堿化嚴重［2－3］，對植被生長和生態(tài)恢復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，僅有一些對蘇打鹽堿逆境適應能力較強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期演替和進化過程中，逐漸形成了對蘇打鹽漬土不良物理性質(zhì)的適應能力。另一方面，植物群落覆蓋，根系生長以及植物殘體等的有機質(zhì)積累也對土壤物理性質(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)，對建立有利于植物種子發(fā)芽，根系生長和鹽堿地植被恢復的理論和技術(shù)，具有重要指導意義。

研究擬在已有研究工作的基礎上，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)的適應關(guān)系。

1　材料與方法

1.1試驗地點

試驗地點為中國科學院大安堿地生態(tài)試驗站 （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區(qū)，亦屬于半濕潤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137天，日照時數(shù)達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定

試驗設置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，以堿斑裸地作為對照。6種處理分別進行土壤容重及土壤水分入滲速率測定。樣品的采集與入滲速率的測定在2013年8月27日至2013年9月3日天氣條件較為穩(wěn)定的初秋進行。在采樣與測試期間，天氣晴朗，溫度在20℃～30℃。

采樣與測試點選擇單一或較單一的植物群落進行，每種植物群落斑塊只取樣或測定一次，即每個指標的重復測定是在不同斑塊上進行，并避免采樣或測試時人為因素的干擾，同時取樣點盡量避開植物，特別是容重土壤樣品的采集，選擇植被株間進行；水分入滲速率測定時注意雙環(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)刀進行0～20cm及20cm ～40cm的土壤原狀土樣品采集，三次重復，并在實驗室測定土壤的容重，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)測定，每個處理重復測定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定時，計數(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數(shù)頻率為10min·次－1。測試采用大安站區(qū)淺層地下水，入滲試驗用水各指標及不同地表植被土壤背景值如表1和表2所示。表2中土壤化學指標采用土水比為1∶5的浸提液測定。

表1　入滲試驗用水化學指標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，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，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種試驗處理中，蘆葦條件下的土壤容重最高，可達到1.55g·cm－3～1.59g· cm－3，而羊草條件下的土壤容重最低，達到1.33g·cm－3；堿蓬和堿斑裸地條件下時，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的容重值則達到1.53g·cm－3，呈顯著升高趨勢；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。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；測試結(jié)束時 （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試開始30min后趨于穩(wěn)定，測試時間為30min～100min時基本穩(wěn)定，且穩(wěn)定時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試開始 （t=10min)到結(jié)束時 （t=110min)的變化不明顯。

表3　不同植被條件下土壤容重 （平均值±標準偏差)（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

當土壤水分入滲速率趨于穩(wěn)定時 （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，運用SPSS 20.0進行方程擬合后，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測值基本吻合。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)式的對數(shù)函數(shù)，方程中常數(shù)項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影響外，還受到土壤化學指標如EC與SAR等的影響?，F(xiàn)有研究表明，一價陽離子可以使增加土壤的分散性，二價或三價［23］陽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，會分散至無結(jié)構(gòu)，導致土壤容重增加，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，對于可以影響土壤容重的因素，同時也可以對土壤水分入滲產(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，植物根系除容重對入滲的影響外，對于入滲速率也會有重要影響。

不同植被的根系對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體可以使土壤中有機質(zhì)含量增加，而有機質(zhì)可使土壤容重降低及增加土壤水分入滲速率。

試驗的5種植被中，蘆葦根系在土層中可垂直伸展最深，可達到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，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，且能形成強大的根系網(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)象可能的原因是因為蘆葦與羊草的根系在0～20cm及20cm～40cm范圍內(nèi)的分布特點存在很大差異造成的。根系分布的特點影響土壤中的有機質(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，導致容重與穩(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。

試驗主要對蘇打鹽漬土容重和入滲速率進行了初步的分析，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)對于土壤容重與入滲速率是否有影響等還需要進一步研究。

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為根系分布與活動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.

中國科學院西部行動計劃重大項目 （KZCX3－XB3－16)；國家自然科學基金項目 （41071022)（41101034)；國家科技支撐項目（2009BADA3B04)資助.

楊洪濤 （1989－)，男，黑龍江綏化人，碩士研究生，主要研究方向為蘇打鹽漬土改良.

王志春 （1963－)，男，吉林長春人，博士，研究員，主要研究方向為鹽堿土生態(tài).