黃河三角洲濕地土壤鹽離子沿水鹽梯度的變化特征

趙慶慶，白軍紅，高永超，王磊磊，鄭立穩(wěn)，王加寧，張樹巖

（1.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院），山東省科學(xué)院生態(tài)研究所，山東省應(yīng)用微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250103；2.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，水環(huán)境模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100875；3.黃河三角洲國家級自然保護(hù)區(qū)黃河口管理站，山東 東營 257500）

土壤中較高的鹽離子的毒性作用會抑制土壤生物活性和植物正常生長，降低植物生產(chǎn)力，影響土壤中有機(jī)質(zhì)輸入，也會對土壤碳排放過程造成影響[1-2]。逐漸上升的可溶性鹽離子含量，特別是氯離子和硫酸根離子還會改變生源要素（碳、氮、磷、硫等）的生物地球化學(xué)循環(huán)過程[3]。當(dāng)硫酸根含量增加時，硫酸根還原過程將取代產(chǎn)甲烷過程而成為有機(jī)碳厭氧礦化的主要過程，該過程導(dǎo)致二氧化碳排放升高和甲烷排放降低[4]。同時，土壤中鈉離子、鉀離子、鈣離子和鎂離子的含量，也是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[5]，其含量變化可以影響植物生長，又可以作為養(yǎng)分為微生物提供營養(yǎng)基質(zhì)[6]。因此，土壤鹽分含量和組成是影響濕地生物地球化學(xué)過程的重要因素。

在潮汐、地下水和黃河水側(cè)滲的綜合作用下，黃河三角洲濕地呈現(xiàn)出明顯的水鹽梯度特征。水鹽條件決定了黃河三角洲濕地植被的總體分布格局、植物多樣性和濕地土壤的積鹽方式，因此不同植物群落下土壤鹽分空間格局存在差異[7-8]。相比于無植被覆蓋的灘涂鹽漬土，植被覆蓋的土壤表現(xiàn)出控鹽和脫鹽現(xiàn)象[9]。此外，氣候變化也被認(rèn)為是土壤鹽分動態(tài)變化的影響因素[10]。黃河三角洲濕地由于自身成陸時間晚、地理位置獨(dú)特、地下水埋深淺且礦化度高，在海水不斷入侵的影響下，導(dǎo)致土壤鹽漬化嚴(yán)重[11]。濕地鹽漬化導(dǎo)致濕地退化，改變濕地生態(tài)系統(tǒng)過程和景觀動態(tài)，影響濕地生態(tài)服務(wù)功能[3]。因此，研究黃河三角洲濕地土壤鹽分及鹽離子組成沿水鹽梯度的變化特征對于了解濕地鹽漬化程度以及指導(dǎo)濱海濕地植被修復(fù)具有重要的理論意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)（117°31′～119°18′E，36°55′～ 38°16′N）位于山東省東營市境內(nèi)，毗鄰渤海，是重要的濕地類型自然保護(hù)區(qū)，于2013年被列入國際重要濕地名錄。該保護(hù)區(qū)總面積為15.3萬hm2，由核心區(qū)（59 419 hm2）、緩沖區(qū)（11 233 hm2）和實(shí)驗(yàn)區(qū)（82 348 hm2）構(gòu)成[12]。整個保護(hù)區(qū)包括北部的一千二自然保護(hù)區(qū)（1976年改道后黃河故道入海區(qū)域）和南部的黃河口自然保護(hù)區(qū)（現(xiàn)行黃河入海區(qū)域）[13]。保護(hù)區(qū)內(nèi)氣候南北差異不明顯，屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，年均溫度12.1℃，年均降水量551.6 mm，年蒸發(fā)量高達(dá)1962 mm，干旱指數(shù)高達(dá)3.56[14]。

本研究以黃河口保護(hù)區(qū)內(nèi)黃河北岸自然濕地為研究樣區(qū)，沿自黃河向海的方向，選擇假尾拂子茅濕地（S1）、香蒲濕地（S2）、蘆葦濕地（S3）、檉柳和堿蓬混生濕地（S4）和鹽地堿蓬濕地（S5）5類濕地為研究樣地，每種樣地設(shè)置3個重復(fù)（圖1）。S1和S2濕地緊鄰黃河北岸，主要受黃河水影響；S3濕地主要受調(diào)水調(diào)沙帶來的淡水和地下海水影響；S4和S5濕地受潮汐作用明顯，其中S4濕地僅受到大潮的影響，S5濕地的潮汐頻率高于S4濕地。采樣期間，S4和S5濕地未發(fā)生漲潮和退潮現(xiàn)象。

圖1 研究區(qū)域示意圖Figure 1 The location map of sampling sites

1.2 樣品采集與分析

分別于2014年1月（冬季）、4月（春季）、8月（夏季）和10月（秋季）在研究區(qū)每條樣帶上的不同濕地樣區(qū)內(nèi)挖掘50 cm深的土壤剖面，以10 cm為間隔將土壤剖面劃分為5層（0～10、10～20、20～30、30～40 cm和40～50 cm），分層采集土壤樣品，每種濕地類型設(shè)置3個重復(fù)。所有土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除肉眼可見的植物殘?bào)w、石塊后，自然風(fēng)干2～3周，其中一部分樣品用研缽研磨過20目篩后用于測定土壤電導(dǎo)率，另一部分研磨過100目篩后用于測定土壤鹽離子。

土壤電導(dǎo)率（EC）：在土水1∶5（質(zhì)量∶體積）的上清液中使用電導(dǎo)率儀測定；土壤鹽離子：按土水1∶5（質(zhì)量∶體積）水浸提，使用離子色譜[戴安DX 600測定鈉離子（Na+）、鉀離子（K+）、鎂離子（Mg2+）和鈣離子（Ca2+），戴安ICS 2000測定氯離子（Cl-）和硫酸根離子（SO24-），美國]測定。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

利用單因素方差分析對不同樣地0～50 cm土壤的電導(dǎo)率、鈉離子、鉀離子、鎂離子、鈣離子、氯離子和硫酸根離子進(jìn)行顯著性差異分析，當(dāng)P＜0.05時，認(rèn)為具有顯著性差異。在單因素方差分析中，當(dāng)方差齊性時，采用LSD檢驗(yàn)；當(dāng)方差非齊性時，采用Tamhane檢驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)分析均采用SPSS 19.0軟件完成。箱式分布圖使用OriginPro 2016軟件繪制，剖面分布圖使用Surfer軟件進(jìn)行繪制（反向插值法）。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕地土壤電導(dǎo)率沿水鹽梯度的分布特征

土壤溶液的電導(dǎo)率是指示土壤中鹽分含量或鹽分積累總體狀況的一個指標(biāo)，可以用來指示土壤鹽度的變化[15-16]。5類濕地0～50 cm土壤電導(dǎo)率的變化如圖2所示。由圖2可知，S1和S2濕地的土壤電導(dǎo)率之間無顯著性差異（P＞0.05），但顯著低于S3、S4和S5濕地（P＜0.05）。S3濕地的土壤電導(dǎo)率顯著低于S4和S5濕地（P＜0.05），S5濕地0～50 cm土壤電導(dǎo)率的平均值最高。就季節(jié)變化而言，S1濕地土壤電導(dǎo)率在4個季節(jié)之間無顯著性差異（P＞0.05）。S2濕地土壤電導(dǎo)率在春季和夏季具有較高值，其次為冬季，秋季土壤電導(dǎo)率顯著低于其他3個季節(jié)（P＜0.05）。S3濕地土壤電導(dǎo)率在冬季具有最高值（P＜0.05），春季土壤電導(dǎo)率平均值高于夏季和秋季，但3個季節(jié)間無顯著性差異（P＞0.05）。但對于S4和S5濕地而言，冬季和夏季土壤電導(dǎo)率顯著高于春季和秋季（P＜0.05）。王艷等[10]針對自然狀態(tài)下0～60 cm深度濱海鹽漬土的研究發(fā)現(xiàn)，受降雨和氣溫影響，季節(jié)變化對土壤鹽分的影響表現(xiàn)為春季積鹽、夏季脫鹽、秋季緩慢積鹽和冬季穩(wěn)定。付穎[17]對天津?yàn)I海刺槐林鹽堿土壤的研究也發(fā)現(xiàn)，表層土壤含鹽量在春季具有最高值，春季較高的蒸發(fā)量被認(rèn)為是造成這一現(xiàn)象的原因。然而，植被覆蓋可以改變氣候因子對土壤鹽分動態(tài)的影響[9]。本研究中，S1和S2濕地主要受淡水影響，S3濕地受地下海水影響，鹽分均低于鹽漬土壤，未呈現(xiàn)出與鹽漬土一致的季節(jié)變化規(guī)律。由于黃河三角洲夏季潮汐頻率高，冬季多發(fā)大潮，因此S4和S5濕地在植被、潮汐輸入及海水入侵的綜合影響下，土壤鹽分在冬夏季節(jié)具有較高值。在2014年采樣時間內(nèi)，5類濕地中（S1～S5）0～50 cm土壤電導(dǎo)率平均值的變化范圍分別為0.24～0.28、0.27～0.42、1.55～2.40、2.87～5.43 mS·cm-1和3.71～6.17 mS·cm-1。

圖2濕地土壤（0～50 cm）電導(dǎo)率沿水鹽梯度的變化特征Figure 2 Changes in soil EC in top 50 cm wetland soils along water and salinity gradient

2.2 濕地土壤鹽離子沿水鹽梯度的變化特征

圖3 顯示了2014年土壤（0～50 cm）中4種陽離子（鈉、鉀、鈣、鎂離子）含量沿水鹽梯度的變化。由圖3可知，4種陽離子中，鈉離子含量最高，鉀離子含量最低。沿自河向海的水鹽梯度，鈉離子和鉀離子分布趨勢一致，最高值均出現(xiàn)在受潮汐影響的S5濕地，最低值出現(xiàn)在S1或S2濕地。S4濕地土壤的鈣離子顯著高于其他濕地（P＜0.05），具有最高值。S1和S2濕地土壤中4種陽離子含量均顯著低于其他3個濕地（P＜0.05），且S3濕地土壤中的4種陽離子含量顯著低于S4和S5濕地（P＜0.05）（鈣離子除外）。S4濕地土壤鎂離子平均值高于S5濕地土壤，但二者之間在夏秋季節(jié)無顯著性差異（P＞0.05）。

圖3 濕地土壤（0～50 cm）鈉、鉀、鈣、鎂離子沿水鹽梯度的箱式分布圖Figure 3 The box plots of soil Na+，K+，Ca2+and Mg2+along water and salinity gradient

5類濕地土壤（0～50 cm）中氯離子和硫酸根離子含量沿水鹽梯度的變化如圖4所示。5類濕地0～50 cm土壤氯離子含量的平均值均高于硫酸根離子，兩種陰離子平均值的最高值均出現(xiàn)在S5濕地（秋季硫酸根離子的最高值出現(xiàn)在S4）。S1和S2濕地土壤中的兩種陰離子含量均顯著低于其他3類濕地（P＜0.05），且S3濕地土壤中的兩種陰離子顯著低于S4和S5濕地（P＜0.05）。盡管S1和S2濕地土壤的鹽離子之間無顯著性差異（P＞0.05），但離黃河更近的S1濕地土壤中鹽離子平均值總體低于S2濕地。綜上可知，6種鹽離子沿自河向海的水鹽梯度呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，最高值出現(xiàn)在受潮汐影響的檉柳和鹽地堿蓬混生濕地或鹽地堿蓬濕地。

2.3 濕地土壤（0～50 cm）電導(dǎo)率和鹽離子沿水鹽梯度的空間分布特征

濕地土壤（0～50 cm）電導(dǎo)率和鹽離子沿水鹽梯度的空間分布見圖5。在0～50 cm深度范圍內(nèi)，水平方向上，每層土壤的電導(dǎo)率和鹽離子均沿自河向海的水鹽梯度呈上升趨勢。受黃河淡水影響的低鹽度濕地（S1和S2）土壤電導(dǎo)率和鹽離子無明顯剖面變化趨勢。受淡水和地下海水影響的蘆葦濕地（S3）電導(dǎo)率和鹽離子則呈現(xiàn)出隨深度增加而上升的趨勢，最高值出現(xiàn)在40～50 cm土壤，表明海水入侵造成蘆葦濕地土壤鹽分含量升高。由于同時受到潮汐和地下海水的影響，S4和S5濕地土壤的電導(dǎo)率和鹽離子剖面分布趨勢基本一致，總體呈現(xiàn)隨深度增加而下降的趨勢，最高值多出現(xiàn)在0～10 cm土壤。

土壤電導(dǎo)率的大小主要取決于溶解性鹽離子（鈉離子、鈣離子、銨根離子、氯離子和硫酸根離子等）的濃度[18]。翁永玲等[19]研究發(fā)現(xiàn)，黃河三角洲濕地土壤含鹽量較高，鹽分主要成分為氯離子和鈉離子，其次是硫酸根離子。通過對本研究中6種鹽離子的剖析發(fā)現(xiàn)，土壤的鹽基離子分布趨勢與電導(dǎo)率一致，沿自河向海的水鹽梯度總體呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。線性擬合分析表明（表1），土壤電導(dǎo)率與6種鹽離子之間均為顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），電導(dǎo)率與鈉離子、氯離子的線性相關(guān)關(guān)系最強(qiáng)，表明鈉離子和氯離子對電導(dǎo)率的影響最大。

圖4 濕地土壤（0～50 cm）氯離子和硫酸根離子沿水鹽梯度的箱式分布圖Figure 4 The box plots of Cl-and SO2-4along water and salinity gradient

圖5 土壤電導(dǎo)率和鹽離子沿水鹽梯度的空間分布圖Figure 5 Spatial distributions of soil EC and salt ions along water and salinity gradient

土壤的鹽基離子主要來源于成土母質(zhì)[6]。由于成土母質(zhì)的元素組成和土壤形成過程中鈣離子和鎂離子的優(yōu)先固持作用，土壤鹽基離子的含量一般呈現(xiàn)鈣離子＞鎂離子＞鉀離子＞鈉離子的規(guī)律[6，20]。本研究中，5種濕地土壤中4種陽離子的含量均呈現(xiàn)鈉離子＞鈣離子＞鎂離子＞鉀離子的趨勢，與張?zhí)炫e等[21]的研究結(jié)論一致，這可能主要受成土母質(zhì)的影響所致。此外，土壤中有機(jī)質(zhì)含量和土壤顆粒組成會影響土壤鹽基離子的吸附，植被對鹽基離子的吸收也會影響土壤鹽離子的分布格局[22]。

受潮汐和海水入侵輸入大量鹽離子的影響，土壤鹽度和鹽離子含量沿自黃河向海的方向逐漸上升。劉玉斌等[23]結(jié)合遙感影像反演證實(shí)河水、地下水和海水之間的相互作用決定了黃河三角洲濕地鹽分的空間分異規(guī)律。水鹽條件決定了植被的分布格局，因此沿自河向海的水鹽梯度上分布著適應(yīng)不同水鹽條件的濕地植被[3]。不同濕地植被類型對于鹽分脅迫具有不同的適應(yīng)機(jī)制。檉柳具有泌鹽功能，可以在其周圍形成鹽島效應(yīng)；而鹽地堿蓬具有吸收鹽分的功能[22]。因此，張?zhí)炫e等[21]認(rèn)為，檉柳表層濕地的全鹽量、鈉離子、鈣離子、鎂離子和氯離子均較高于鹽地堿蓬濕地是植被對鹽分的適應(yīng)機(jī)制不同及檉柳濕地蒸發(fā)高于鹽地堿蓬濕地造成的。然而，考慮到海水入侵和潮汐可以輸入大量鹽離子，選取的研究樣點(diǎn)的水文條件，特別是潮汐淹水頻率不同也是造成結(jié)果不同的重要原因。此外，安樂生等[24]研究也發(fā)現(xiàn)，水文地質(zhì)條件和地貌條件是控制氯離子遷移富集的重要因素。

2.4 濕地土壤（0～50 cm）電導(dǎo)率和鹽離子的變異特征

標(biāo)準(zhǔn)偏差是反映數(shù)據(jù)離散程度的指標(biāo)，數(shù)值越小，表明數(shù)據(jù)偏離平均值的程度越小。而標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的比值被定義為變異系數(shù)，由于變異系數(shù)可以消除量綱差異的影響，因此可以更好地反映空間上的差異[25]。根據(jù)變異系數(shù)的大小可以將其劃分為3類：弱變異（＜0.1）、中等變異（0.1～0.2）和強(qiáng)變異（＞0.3）[26]。表2展示了5類濕地0～50 cm土壤的電導(dǎo)率和鹽離子在2014年的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)。由表2可知，沿自河向海的水鹽梯度，5類濕地（S1～S5）土壤（0～50 cm）電導(dǎo)率的平均值分別為0.25、0.29、1.80、3.53 mS·cm-1和 4.82 mS·cm-1，鈉離子的平均值分別為 271.42、302.12、1 194.55、2 234.12 mg·kg-1和3 098.60 mg·kg-1，鉀離子的平均值分別為 10.27、10.66、25.20、39.28 mg·kg-1和79.32 mg·kg-1，鎂離子的平均值分別為 97.70、104.25、162.42、288.89 mg·kg-1和251.08 mg·kg-1，鈣離子的平均值分別為183.14、198.88、271.13、364.38 mg·kg-1和263.34 mg·kg-1，氯離子的平均值分別為157.21、190.26、1 979.45、4 355.80 mg·kg-1和5 310.92 mg·kg-1，硫酸根離子的平均值分別為 245.91、363.65、540.40、786.93 mg·kg-1和 971.82 mg·kg-1。5類濕地土壤電導(dǎo)率和鹽離子的變異系數(shù)大都高于0.3，屬于強(qiáng)變異性，這可能是由電導(dǎo)率和鹽離子的季節(jié)變化和土壤深度變化導(dǎo)致的。有研究認(rèn)為，當(dāng)土壤電導(dǎo)率高于4 mS·cm-1時，該土壤被認(rèn)定為鹽土；而且土壤中鈉離子含量較高時，土壤為堿性土的可能性較大[27]。由此可推斷，鹽地堿蓬濕地土壤為鹽土。

表1 土壤電導(dǎo)率與6種鹽離子的線性擬合關(guān)系Table 1 The liner relationships between soil EC and salt ions

表2 土壤電導(dǎo)率和鹽離子的統(tǒng)計(jì)分析Table 2 The statistical analysis of soil EC and salt ions

3 結(jié)論

（1）沿自黃河向海的水鹽梯度，濕地土壤電導(dǎo)率和鹽離子含量逐漸升高，植被分布呈帶狀格局逐漸變化。

（2）沿剖面方向，低鹽度濕地未表現(xiàn)出明顯的分布趨勢，受地下水影響的蘆葦濕地土壤鹽分則呈現(xiàn)隨深度增加而上升的趨勢。

（3）受潮汐影響的鹽地堿蓬濕地土壤電導(dǎo)率平均值均高于4 mS·cm-1，屬于鹽土，土壤電導(dǎo)率和鈉離子、鉀離子、氯離子、硫酸根離子含量的平均值均高于其他濕地土壤。鎂離子和鈣離子含量平均值的最高值均出現(xiàn)在檉柳和鹽地堿蓬混生濕地。

（4）沿自黃河向海的水鹽梯度，5種濕地0～50 cm土壤的電導(dǎo)率和6種鹽離子在2014年均呈現(xiàn)強(qiáng)變異性特征。