三种盐生植物对河西地区盐渍土理化性状的改良作用

Improvement effect of three halophytes on the physical and chemical properties of saline soils in Hexi Corridor

摘要

目的 探讨河西走廊盐渍土的理化性状对不同盐生植物种类的响应，可为该生态区重度盐渍土的植物改良提供理论和技术依据。 方法 本研究通过田间试验，以盐生植物种类为试验因素，设裸地（T₀）、白茎盐生草（T₁）、盐地碱蓬（T₂）、碱茅草（T₃）4个处理，探讨了盐生植物及其种类对土壤理化性状的影响。 结果 和T₀相比，T₁、T₂、T₃的耕层土壤容重降低了9.6%~11.1%，总孔隙度和非毛管孔隙度提升了7.8%~24.1%和41.3%~97.4%，T₂对土壤孔隙度的提升效果最显著；T₁、T₂、T₃处理下0~30 cm及30~60 cm土层的土壤全盐含量较T₀分别降低了23.4%~24.9%和51.1%~63.7%，降低效果呈现T₂>T₁>T₃的趋势；与T₀相比，T₁、T₂、T₃使耕层土壤的Cl^-、SO₄^2-、Na⁺、Mg²⁺和K⁺的含量分别降低了90.2%~95.5%、14.4%~16.6%、88.1%~92.2%、38.8%~52.2%和71.8%~77.8%，也使土壤的pH降低且以T₂的效果最明显；T₁、T₂的植株含盐量较T₃高23.6%~27.2%，地上部盐分积累量是T₃的105.5倍和96.5倍，地下部盐分积累量T₂是T₁和T₃的12.5倍和8.7倍。 结论 供试3种盐生植物的种植均改善了耕层土壤的通透性能，降低了0~60 cm土层土壤的盐渍化程度，以盐地碱蓬的改土效果最明显。

Abstract

Objective Investigating the response of physical and chemical properties of saline soil to halophyte species in Hexi Corridor can provide theoretical and technical basis for plant improvement on highly salinized soils in this ecological area. Method A field experiment was conducted to study the effects of halophytes and their species on soil physical and chemical properties.Four treatments were established: bare soil (T₀)，Halogeton arachnoideus Moq.(T₁)，Suaeda salsa (L.) Pall.(T₂) and Puccinellia distans (Jacq.) Parl.(T₃). Result Compared with T₀，soil bulk density of T₁，T₂ and T₃ decreased by 9.6%~11.1%，and total porosity and non-capillary porosity increased by 7.8%~24.1% and 41.3%~97.4%，respectively.T₂ had the most significant effect on soil porosity.Compared with T₀，the total salt content of 0~30 cm and 30~60 cm soil layers under T₁，T₂ and T₃ treatments decreased by 23.4%~24.9% and 51.1%~63.7%，respectively.The effect of salt reduction showed the trend of T₂>T₁>T₃.Compared with T₀，the contents of Cl^-，SO₄^2-，Na⁺，Mg²⁺ and K⁺ in T₁，T₂ and T₃ treatments decreased by 90.2%~95.5%，14.4%~16.6%，88.1%~92.2%，38.8%~52.2% and 71.8%~77.8%，respectively.T₁，T₂ and T₃ reduced soil pH compared to T₀，and the maximum reduction effect came from T₂.Plant salt content of T₁ and T₂ was 23.6%~27.2% higher than that of T₃，and salt accumulation in the aboveground part was 105.5 times and 96.5 times that of T₃，while salt accumulation in the underground part showed the trend of T₂>T₃>T₁，and T₂ was 12.5 times and 8.7 times that of T₁ and T₃. Conclusion Planting of three halophytes improved topsoil permeability and reduced soil salinization in the 0~60 cm soil layer.The soil improvement effect of S.salsa was the most evident when the three halophytes were planted for 1 year.

Graphical abstract

关键词

盐生植物 / 土壤盐渍化 / 土壤通透性能 / 土壤盐基离子 / 土壤pH / 植物含盐量

Key words

halophyte / soil salinization / soil permeability / soil base ions / soil pH / plant salt content

Author summay

何振邦，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

土壤盐渍化是影响农业生产的重要问题之一。我国盐渍土面积约占世界的1/10^［1-2］；盐碱化耕地占全国耕地面积的6.6%^［3］，盐碱荒地和盐碱障碍耕地中具有农业利用潜力的近1.3×10⁷ hm²，占我国耕地总面积的10%以上^［4-5］，在耕地资源日益紧缺的情况下，盐渍土的治理及开发利用对保障农业的增产增收具有重要意义^［6］。河西走廊是我国盐渍土的主要分布区域，由于水资源匮乏，灌水洗盐普及起来有一定难度^［7］；客土、隔离等物理改良以及施用改良剂的化学改良虽见效快，但前者工程量大、成本高且维持时间有限，后者使用不当易造成二次污染，低廉、环保的改良剂仍需进一步筛选^［8-11］；相对而言，以种植耐盐植物为主的生物改良成本低、不破坏环境且同时能获得一定的收益，是一种持久性强、环保和经济的盐渍土改良措施^［3，12］。但通过耐盐碱植物改良盐渍土受到植物生态适应性的影响，需要因地制宜选择合适的改良植物^［13-15］。

河西轻盐化盐渍土上，油葵、苜蓿、燕麦、辣椒等耐盐植物的种植较为普遍，具有显著的改良土壤和农业增收效果，但这些作物对中度及中度以上盐渍程度的忍耐力较低^［16-18］。目前，河西的盐渍土改良多在轻度—中度盐渍程度上进行，少有针对重度盐渍土及盐土的研究；同时，河西地区的部分改良植物对水分需求量大，选用耐旱和耐盐程度更高的植物进行盐渍土改良是旱区植物改良的一大趋势^［19-20］。盐生植物具有较强的抗盐能力，真盐盐生植物和向内泌盐的盐生植物还具有积累大量盐分的特点^［21-23］，在盐渍化程度较高的土壤及盐土上具有较强的适生能力。西北地区盐生植物资源丰富，这些植物经济价值高，开发利用潜力大^［24］。但目前盐生植物的改良效果研究多集中在滨海地区，星星草^［25］、盐角草^［26］、沙枣^［25］、碱蓬^［27-28］、柽柳^［29］和碱茅草^［30］等盐生植物的改良试验结果表明，此类植物的种植具有显著地降低土壤全盐含量和改善土壤通透性能的作用，且盐角草和盐地碱蓬等对盐基离子的吸收具有选择性^{［26，31-32］}。西北旱区的盐生植物改良效果研究以宁夏地区稍多，河西也有涉及，但几种耐盐能力强的盐生植物对河西地区重度盐渍土及盐土的改良效果的对比研究鲜有报道。而不同盐生植物的改良效果比较研究，不仅有助于完善植物改良的理论与技术，还特别有利于为高盐化土壤及盐土的生物改良提供筛选适宜改良植物的实践依据。

本研究以3种耐旱的盐生植物白茎盐生草（Halogeton arachnoideus Moq.）、盐地碱蓬（Suaeda salsa （L.） Pall.）和碱茅草（Puccinellia distans （Jacq.） Parl.）为研究对象，比较了其对河西地区重度盐渍土理化特性的影响，以期为筛选高盐渍程度土壤上适宜的改良植物及进一步深入探讨其改良机理奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究区位于甘肃省金塔县生地湾农场（E 97°58′~100°20′，N 39°47′~40°59′），试区属温带荒漠气候向暖湿带荒漠气候过渡交替带，具有典型的大陆性气候特征，风沙较多，年平均气温8.3 ℃，年平均日照时数3 321 h，年平均降水量60.3 mm，年平均蒸发量1 552.9 mm，试验地海拔1 229 m。供试土壤为盐渍砂壤土，其耕层土壤含盐量16.5 g/kg（盐渍化程度达到了极重盐土的水平^［33］），电导率2.34 ms/cm，pH 8.11，容重1.42 g/cm³，有机质6.32 g/kg，碱解氮23.68 mg/kg，速效磷0.95 mg/kg，速效钾233 mg/kg。

1.2 试验设计

以植物种类为试验因素，设裸地（T₀—不种任何植物）、白茎盐生草（T₁）、盐地碱蓬（T₂）、碱茅草（T₃）4个水平，共4个处理。试验重复3次。试验小区长6 m、宽为5 m，面积30 m²，小区间隔40 cm，区组间隔50 cm，试验地四周设置宽为1 m的保护行。白茎盐生草种子从甘肃农业大学农学院汪军成老师处获得，盐地碱蓬和碱茅草种子购买于冈仁波齐种业有限公司。3种植物均条播，其中，白茎盐生草和盐地碱蓬的播深均为1~2 cm，行距均为50 cm，二者的种植密度分别为100 万株/hm²和150 万株/hm²；碱茅草的播深0.5~1 cm，行距20 cm，密度450 万株/hm²。三者的播种时间均为2022年5月8日，成熟时收获。

各处理均施N 112.5 kg/hm²、P₂O₅ 100 kg/hm²、K₂O 75 kg/hm²，氮磷钾肥品种分别为尿素、过磷酸钙和硫酸钾，所有肥料均作为基肥，于播种前撒施在各试验小区，翻耕后进行播种，生育期内人工除草和灌溉，总灌水量3 300 m³/hm²。

1.3 样品采集与测定

分别于各供试植物的成熟期，分地上和根系两部分采集代表性的样株（白茎盐生草和盐地碱蓬的采样时间为2022年10月2日；碱茅草的采样时间为2022年9月10日），测定其干物质积累量及含盐量。于播前和植物收获后分0~30 cm和30~60 cm两个层次，用土钻采集土壤样品，测定耕层土壤（0~30 cm）的容重、孔隙度、pH、电导率、含盐量、盐基离子含量，以及30~60 cm土层的电导率、含盐量及pH。

土壤容重、土壤孔隙度：环刀法^［34］；土壤全盐含量：盐基离子加和法^［33］；土壤电导率（EC）：电导率仪法（水∶土=5∶1）^［33］；土壤pH：电位法（水∶土=5∶1）^［33］；土壤盐分的阳离子：K⁺、Na⁺采用火焰光度法，Mg²⁺、Ca²⁺采用原子吸收法^［33］；土壤盐分的阴离子：SO₄^2-采用EDTA容量法，Cl^-采用AgNO₃滴定法；HCO₃^-、CO₃^2-采用5∶1的水土浸提液滴定法^［33］；植物盐分含量：直接灰化法^{［33，35］}；盐分积累量=植物盐分含量×植物干质量。

1.4 数据处理与分析

利用Microsoft Excel 2016以及SPSS 20.0软件进行数据处理、制图和方差分析，多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 种植盐生植物对盐渍土土壤容重及孔隙度的影响

由图1可以看出，土壤容重T₀处理与T₁、T₂、T₃处理之间差异显著（P<0.05），与T₀相比，T₁、T₂和T₃的容重降低了9.6%~11.1%，但三者之间无显著差异。这表明盐生植物根系生长的穿插具有很好地降低土壤容重的作用，但3种盐生植物的一季试验对土壤容重的影响差异不显著。

土壤孔隙度的大小影响盐分的运移^［19］。由图2可知，种植盐生植物后，土壤总孔隙度及非毛管孔隙度均不同程度地提高，T₀处理与T₁、T₂、T₃处理之间差异显著（P<0.05），T₁、T₂、T₃的总孔隙度和非毛管孔隙度分别比T₀提升了7.8%~24.1%和41.3%~97.4%；T₂较T₁、T₃的总孔隙度显著提升了9.3%~15.1%，非毛管孔隙度显著提升了26.6%~39.7%。可见，T₂提高土壤总孔隙及通气孔隙的能力显著强于T₁和T₃。种植盐生植物后，土壤毛管孔隙度呈下降趋势（P<0.05），T₁、T₂、T₃处理比T₀的毛管孔隙度下降了8.8%~14.5%，T₂处理土壤毛管孔隙度显著低于T₁和T₃处理5.1%~6.2%（P<0.05）。上述结果表明，盐生植物的种植明显改善了土壤的通透性能，盐地碱蓬的作用效果显著优于白茎盐生草和碱茅草。3种植物对孔隙度的影响效果，应该与其根系的生长状况密切相关，据测定，白茎盐生草、盐地碱蓬和碱茅草的根量分别为0.59、3.74和0.46 g/株（表2），盐地碱蓬的根系远较白茎盐生草和碱茅草发达，根系越发达，对土壤通透性能的改善效果越明显。

2.2 种植盐生植物对土壤盐渍化特性的影响

2.2.1 种植盐生植物对土壤全盐含量和电导率的影响

如图3和图4所示，盐生植物的种植显著降低了0~60 cm土层土壤的盐渍化程度（P<0.05）。与T₀相比，T₁、T₂、T₃处理0~30 cm和30~60 cm的全盐含量分别降低了23.4%~24.9%和51.1%~63.7%，电导率分别降低了27.8%~32.5%和51.2%~63.8%。T₁、T₂、T₃之间对于0~30 cm土层盐渍化程度的影响差异不显著，但对30~60 cm土层的影响差异显著（P<0.05），T₂的全盐含量和电导率显著低于T₁、T₃处理18.0%~25.7%和18.1%~25.8%（P<0.05），T₁又显著低于T₂处理22.0%和22.1%。这表明3种盐生植物的种植均具有显著地降低土壤盐分的作用，三者之间对耕层的影响差异不显著，但对30~60 cm盐分的降低作用呈现盐地碱蓬>白茎盐生草>碱茅草的趋势。

播种前，0~30 cm及30~60 cm土层的全盐含量分别为1.65%和1.93%，则0~30 cm土层的脱盐率，T₀、T₁、T₂和T₃分别为11.9%、32.5%、32.6%和33.8%；30~60 cm土层的脱盐率，T₀、T₁、T₂和T₃分别为-7.6%、60.9%、52.3%和47.4%。可见，种植盐生植物具有显著的脱盐效果，不仅是耕层土壤，耕层之下的效果亦非常显著，脱盐效果盐地碱蓬>白茎盐生草>碱茅草。

2.2.2 种植盐生植物对耕层土壤盐基离子含量的影响

如表1所示，与T₀相比，T₁、T₂、T₃ 3个处理使耕层土壤的Cl^-、SO₄^2-、Na⁺、Mg²⁺和K⁺的含量分别降低了90.2%~95.5%、14.4%~16.6%、88.1%~92.2%、38.8%~52.2%和71.8%~77.8%（P<0.05），三者之间的差异不显著；仅T₂较T₀显著降低了Ca²⁺的含量7.4%（P<0.05），且T₂与T₁、T₃之间的差异不显著；土壤的HCO₃^-含量，T₀、T₁、T₂、T₃ 4个处理，彼此之间均无显著性差异。这表明3种盐生植物均对耕层土壤的Cl^-、SO₄^2-、Na⁺、Mg²⁺和K⁺含量具有显著的降低效果，仅盐地碱蓬较裸地对照具有降低Ca²⁺含量的效果，3种植物的种植均无显著降低HCO₃^-含量的作用。

与播前土壤的盐基离子含量相比，T₀使Cl^-和K⁺含量显著升高了14.3%和55.3%；而T₁、T₂和T₃的Cl^-和K⁺含量不仅较T₀显著降低了90.2%~95.5%和71.8%~77.8%，而且亦较播前显著降低了88.8%~94.8%和56.2%~65.5%，这更体现了盐生植物种植对土壤含盐量降低的效果。

2.2.3 种植盐生植物对盐渍土0~60 cm土层土壤pH的影响

如图5所示，盐生植物的种植显著降低了0~60 cm土层的土壤pH（P<0.05），T₁、T₂、T₃较T₀处理0~30 cm和30~60 cm土层的土壤pH分别降低了2.6%~4.6%和2.0%~5.6%，且0~30 cm土层的pH呈现T₂<T₃<T₁的趋势（P<0.05）；30~60 cm土层的pH，T₂亦显著低于T₁和T₃处理2.4%和3.7%（P>0.05）。

2.3 盐生植物对土壤盐分的吸收和累积

如表2所示，T₁、T₂处理的地上部含盐量和地上部盐分积累量显著高于T₃处理，分别为T₃的1.5~1.6倍和96.5~105.5倍（P<0.05），T₁、T₂之间无明显差异。T₂、T₃的地下部含盐量分别是T₁的2.0倍和1.9倍（P<0.05），T₂、T₃之间差异不显著；T₂的地下部盐分积累量是T₁、T₃的12.5倍和8.7倍，T₁和T₃之间无明显差异；植株的含盐量表现出T₂、T₁>T₃的趋势，T1和T₂分别高于T₃处理23.6%和27.2%（P<0.05）。这与植物影响下土壤盐渍化程度的降低趋势相符，土壤盐分含量的降低幅度为T₂>T₁>T₃，由此说明植物含盐量越高，对盐渍土的脱盐效果越明显。

3 讨论

3.1 种植盐生植物对盐渍土土壤容重及孔隙度的影响

土壤内盐分的积累会引起土壤物理性状的恶化，导致土壤结构粘滞、通气性变差、容重升高、毛细作用增强^［36］，而植物的种植可以影响盐渍土的容重和孔隙度^［37］，相关研究发现，种植盐地碱蓬^［37-38］和碱茅草^［20］后，土壤容重明显下降3.5%~27.6%，这与本研究中种植盐生植物后土壤容重降低的变化趋势相一致。本研究中，与种植植物前相比，裸地的土壤容重上升了3.0%，种植盐生植物的土壤容重下降了6.8%~8.5%，其中盐地碱蓬的降幅大于白茎盐生草和碱茅草，这进一步表明了盐生植物种类对降低土壤容重的效果差异。

盐渍土的孔隙度也与种植植物密切相关，种植田菁^［39］、碱茅草^［20］和紫花苜蓿^［17］后，土壤总孔隙度明显增加3.4%~4.9%；种植田菁、湖南稷子和高丹草后土壤毛管孔隙度增加了4.2%~7.1%^［39］；本研究也得出了种植盐生植物白茎盐生草、盐地碱蓬和碱茅草后土壤总孔隙度和非毛管孔隙度分别上升了7.8%~24.1%和41.3%~97.4%的类似结论。植物种植后土壤总孔隙度及非毛管孔隙度的升高有利于抑制土壤返盐和促进盐分的向下淋溶^［19］。植物种类对土壤容重及孔隙度的影响效果差异与不同植物的根系分布密切相关，盐分会影响植物根系的分布，进而对土壤孔隙度产生一定的影响^［40］。本研究表明对土壤孔隙度的改善效果盐地碱蓬>白茎盐生草>碱茅草。

3.2 种植盐生植物对土壤盐渍化特性的影响

种植耐盐植物可显著降低土壤的含盐量^{［26，41］}。与种植前相比，种植白茎盐生草一年后土壤盐渍程度下降了28.6%^［41-42］，种植盐地碱蓬2 a和1~3 a后土壤的全盐含量降低了44.5%~62.0%^［25］和12.2%~33.0%^{［26-27，37］}，种植碱茅草1~3 a后0~20 cm土层土壤盐含量下降40.5%~77.0%^{［20，43］}。现有研究缺乏对白茎盐生草、盐地碱蓬和碱茅草3种盐生植物间改良效果的比较分析。本研究表明，与种植前相比，0~30 cm土层的土壤含盐量，种植白茎盐生草、盐地碱蓬和碱茅草后分别下降了32.5%、32.6%和33.8%；30~60 cm土层的土壤含盐量，3种植物下依次下降了52.3%、60.9%和47.4%。这表明盐生植物的种植可显著降低土壤含盐量，降低效果为盐地碱蓬>白茎盐生草>碱茅草。土壤pH和电导率亦受盐生植物的影响，种植羊角豆和决明后土壤电导率明显下降^［44］；种植紫花苜蓿等牧草后土壤电导率和土壤pH值均下降^［45］；本研究的结果与此相类似，种植白茎盐生草、盐地碱蓬和碱茅草后0~60 cm土层的土壤电导率和pH显著下降，盐地碱蓬对土壤电导率和土壤pH的降低效果最明显。

土壤盐基离子的含量与盐生植物的种类密切相关。种植羊角豆和决明后土壤K⁺含量降低了58.1%~93.9%，HCO₃^-含量亦明显下降；羊角豆提升了土壤Na⁺含量，柽麻提高了土壤Ca²⁺含量，羊角豆、决明和柽麻使土壤SO₄^2-含量显著提升了87.5%~220.6%^［44］。随星星草种植年限的增加，土壤CO₃^2-、HCO₃^-、SO₄^2-和Na⁺、K⁺含量逐渐下降，Cl^-含量变化不明显，Ca²⁺和Mg²⁺含量逐渐增加^［46］。上述研究表明，盐生植物对土壤可溶性盐分的降低效果与其对盐分离子的选择性吸收有关，每种盐基离子含量的升降变化取决于植物的种类等因素。本研究也验证了上述观点，白茎盐生草、盐地碱蓬和碱茅草对土壤含盐量的降低效果主要来自于其对Cl^-、SO₄^2-、Na⁺、Mg²⁺和K⁺选择性吸收导致的含量降低作用。

3.3 盐生植物对土壤盐分的吸收和累积

盐生植物可吸收累积大量的盐分，从而降低土壤的含盐量。碱蓬、灰绿黎和苦苣菜含灰分20%以上；碱茅草叶片的灰分含量一般为8%~12%，其根系灰分含量高达20%^［21］；盐角草属植物灰分含量在40%左右，碱蓬属和盐爪爪属植物灰分含量也可达40%，盐节木属植物灰分含量一般在35%~45%^［47］。本研究中，白茎盐生草和盐地碱蓬植株的灰分盐含量分别为24.2%和24.9%，碱茅草的地上部和根系的灰分盐含量分别为15.78%和23.39%，通过地上部分的刈割，前二者单株排除的盐分为碱茅草的百倍之多，这与植物对土壤脱盐效果的趋势相符。

4 结论

3种植物均可以改善土壤的通透性能，降低0~60 cm土层土壤的含盐量、电导率和pH，其对土壤物理性状及盐渍化特性的改良效果均表现为盐地碱蓬>白茎盐生草>碱茅草；3种盐生植物的种植明显降低了0~30 cm土层土壤的Cl^-、SO₄^2-、Na⁺、Mg²⁺和K⁺的含量，对Ca²⁺和HCO₃^-含量的影响较小；种植1 a时对盐渍土的改良效果呈现盐地碱蓬>白茎盐生草>碱茅草的趋势。

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基金资助

甘肃省科技计划项目（科技重大专项）“不同土壤类型耕地质量及产能提升技术研究”(21ZD4NA023-02)