北京市通州區果園土壤鹽堿化特征

王晨晨,孫向陽,于 雷,李素艷,岳宗偉,查貴超,魏寧嫻

(1.北京林業大學 林學院,北京100083;2.北京市通州區園林綠化資源調查和監測中心,北京101100)

土壤鹽漬化造成世界性的土壤退化,是農林業生產的主要問題之一[1-2]。鹽漬土作為我國主要的中低產土壤類型之一,總面積達到3.60×105hm2,占全國可利用土地面積的4.88%[3-4],主要集中在濱海地區[5]、西北干旱地區[6]、河套地區等[7]。引起土壤鹽分含量及分布規律差異的因素,一方面是地形、氣候、母巖及水文地質特征的差異[8],另一方面人類活動的干擾對土壤鹽分的空間分布也起一定影響[9]。其中,土地利用方式的改變會導致耕種、施肥、灌溉等措施不同,改變土壤水鹽運移規律[10]。

北京市通州區屬華北平原北隅的一部分,屬海河流域,分北運河和潮白河兩個水系,有大小河流13條,自古有“九河之梢”之稱。該區域地貌形態特征獨特,在河流的交互沉積以及剝蝕沉積的影響下形成了微度起伏的地形,致使降水在地面上重新分配,并聚集于局部洼地,自然形成水鹽匯集區。土壤鹽堿化已成為該區域的主要限制因子之一,鹽堿性限制土壤總面積達到3 517.96 hm2,占耕地總面積的8.82%[11]。自改革開放后,京郊土地利用方式發生巨大變化,種植作物的類型從原來的糧食作物發展為以果樹、蔬菜等經濟作物為主。不同種植結構的養分需求不同[12],肥料投入從品種到用量都在增加。此外,灌溉方式也從溝灌改為穴灌、噴灌,這些措施對土壤物質組成產生巨大影響[13-14]。

土壤鹽分分布規律的研究多針對干旱地區或濱海地區,而對于內陸河流域土壤和以經濟林木為植被的土壤鹽堿化特征研究較少。通州區經濟林木以果樹為主,果園沿潮白河、北運河周邊分布,該區土壤鹽分一方面受河流影響[15],另一方面受土壤養分、作物品種及需肥規律變化的影響,易發生次生鹽漬化。為了防治土壤鹽漬化,提高土地生產力和果園產量,本文基于通州區的水文條件,開展對該區土地鹽分狀況的調查,對掌握土壤資源狀況的意義重大。因此,本文以北京市通州區果園土壤為研究對象,通過采樣調查與分析,研究北京市通州區果園土壤的全鹽量、離子分布特征及相關關系與堿化特征,并綜合分析了土壤鹽堿化的成因,旨在了解北京市通州區果園土壤的鹽堿化特征、離子空間分布、運移規律,其結果可為類似地區土壤鹽漬化的改良利用及果樹經濟效益的提升方面提供依據。

1 調查地區概況

1.1 調查地區自然概況

北京市通州區地處京杭大運河北端,自西北向東南傾斜,地勢低洼,水資源豐富,植被類型以落葉闊葉林為主。選擇北京市通州區為研究區(39°36′—40°02′N,116°32′—116°56′E),該區屬溫帶大陸性季風氣候區,年平均氣溫為13.8℃,年平均太陽輻射為554.27 kJ/cm,年平均降水量為620.9 mm,65%的降水集中在7—8月,歷年平均蒸發量為1 895 mm。共有4個土類,分別是潮土、褐土、風砂土和沼澤土。研究區域有機質含量20.63 g/kg,堿解氮含量71.50 mg/kg,有效磷含量82.40 mg/kg,速效鉀含量252.43 mg/kg。主要經濟樹種有櫻桃(Prunus pseudocerasus)、蘋果(Maluspumila)、梨(Pyrussp.)、葡萄(Vitisvinifera)、桃(Prunuspersica)等,林下草本主要有蒲公英(Taraxacummongolicum)、苔草(Carexsp.)、諸葛菜(Orychophragmusviolaceus)、狗尾草(Setariaviridis)等。

1.2 樣地調查

2021年4月上旬,在北京市通州區選取立地條件相似的果園18個,其中梨園4個,櫻桃園5個,葡萄園、蘋果園和桃園各3個。

2 數據與方法

2.1 樣品采集與處理

在每個樣地隨機選取3個樣點,用土鉆分別取0—20 cm和20—40 cm土層土壤樣品,獲取土壤樣品108個。將采集所得土壤樣品放入袋中,標注采樣時間和深度,并用數碼相機記錄周圍環境信息。土壤風干后,去除植物殘根、大塊顆粒物等,過1 mm土壤篩。

2.2 分析項目與方法

按水土質量比5∶1混合,震蕩3 min過濾,過濾后的清液用于測定土壤可溶性鹽離子含量:Ca2+,Mg2+和SO2-4用EDTA絡合滴定法測定;K+和Na+采用火焰光度法測定;Cl-用硝酸銀(莫爾法)滴定法測定;HCO-3和CO2-3用雙指示劑中和滴定法測定;土壤全鹽量粗略計為陽離子和陰離子的質量分數之和;土壤p H值、電導率的測定采用水土質量比5∶1的土壤懸濁液,p H采用通用型p H計(OHAUS Starter 3C,USA)測定;電導率采用MP521型電導率儀測定。

殘余堿度(RA,cmol/L)計算公式為

鈉吸附比(SAR)是評價土壤鹽堿化程度的重要指標,計算公式為

堿化度(ESP,%)采用經驗公式[16]進行計算,計算公式為

2.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2018軟件進行作圖和制表分析。用Pearson相關系數表征全鹽量、離子間的相關性。采用IBM SPSS 18.0進行相關數據的分析和處理,并建立回歸方程,通過比較方程的精度判別方程適用性。

3 結果與分析

3.1 土壤鹽堿化量化特征

由表1—2可知,研究區果園土壤的鹽分離子組成和含量差異較大。從鹽分離子組成來看,研究區果園土壤中陰離子以HCO-3,SO2-4和Cl-為主,CO2-3極少,可忽略不計。HCO-3含量0.08～1.04 g/kg,Cl-含量0.06～0.48 g/kg,SO2-4含量0.02～1.07 g/kg,土壤中HCO-3含量較高。

表1 研究區不同土層鹽堿化指標分析

表2 典型剖面土壤鹽堿化統計特征參數

本研究測定陽離子主要有Na+,K+,Ca2+和Mg2+。Na+含量0.04～1.87 g/kg,K+含量0.03～0.73 g/kg,Ca2+含量0.01～0.25 g/kg,Mg2+含量0.02～0.15 g/kg。Na+和K+含量較高,Ca2+和Mg2+含量較低。Na+含量最高時占水溶性陽離子總量的44%。p H值、電導率、堿化度受土壤溶液中離子的含量和組成影響,是目前國內外比較公認的判斷土壤鹽漬化風險及鹽堿化趨勢的重要指標,它們能很好地反映土壤鹽化和堿化情況。吳剛等[17]將土壤中水溶性鈣含量小于0.09 g/kg的土壤列為低鈣土壤,研究區除GY7外,均屬低鈣土壤。研究區土壤p H值在7.45～8.23之間,電導率在0.1～2.37 mS/cm之間,堿化度在1.52%～12.77%之間。由于其他堿化指標受離子含量和組成變化影響強烈,以p H值作為研究區堿化評價指標。根據土壤酸堿性[18]分類,7.5＜p H≤8.5為堿性土可知,研究區土壤總體呈堿性。根據鹽分數據,對其土壤鹽漬化類型和程度進行評價,依據土壤鹽漬化分類和分級標準,研究區主要為硫酸鹽—氯化物型[3,19],將土壤分為非鹽漬土(含鹽量小于2 g/kg),輕度鹽漬土(含鹽量2～3 g/kg)、中度鹽漬土(含鹽量3～6 g/kg),研究區土壤全鹽含量0.83～5.39 g/kg,GY8和GY10為輕度鹽漬化,GY7和GY9為中度鹽漬化,其余土壤均為非鹽漬化。GY7的0—20 cm層土壤鹽堿化指標最高,全鹽含量達到5.39 g/kg,這與采樣時樹株間距較大、地表覆草稀疏,同時地表有少量結鹽現象一致。

3.2 土壤鹽堿化空間特征

從土壤剖面垂直方向來看(圖1),SO2-4,HCO-3和Ca2+在表層積累,K+,Na+,Cl-無明顯的差異,Mg2+含量較低,無明顯差異。電導率有隨土層加深而降低的趨勢,堿化度和p H值沒有顯著變化,說明促使土壤呈堿性的主要離子層間變化不明顯。鹽分隨降雨、灌溉水和地下水的運動上下移動,研究區土壤的易溶性鹽分在上行過程中,硫酸鹽的表聚性強于氯化物,在土壤鹽分淋溶的過程中,硫酸鹽的淋溶速度小于氯化物。由此可以推斷研究區內的鹽分離子運動趨勢以上行為主。

圖1 不同樹種土壤全鹽量和p H值比較

從種植種類來看,比較5種果園土壤的全鹽量和p H值發現,不同樹種之間土壤全鹽量和p H值無顯著差異(p＜0.05)。這表明本研究中果園的不同樹種對土壤中鹽分離子的吸收無顯著區別,最后的富集效果未產生顯著差異。

水平方向的變化特點用變異系數表征。變異系數是反映變異離散程度的重要指標,在一定程度上揭示變量的空間分布特性[20]。整體來看,研究區土壤剖面鹽分離子的變異系數為15.2%～122%,HCO-3,Cl-,Na+,SO2-4,Mg2+,Ca2+,K+和全鹽量在0—20 cm層剖面土壤中的變異系數分別為49.8%,43.0%,122%,76.2%,67.8%,87.1%,77.9%和62.1%,在20—40 cm層剖面土壤中的變異系數分別為15.2%,44.9%,100%,67.2%,50.4%,52.4%,77.2%,41.5%。p H值、電導率、堿化度在0—20 cm層剖面土壤中的變異系數分別為2%,145%和47%,在20—40 cm層剖面土壤中的變異系數分別為2%,96%,22%。根據變異系數的劃分標準[21]:Cv＜10%,弱變異性;Cv=10%～100%,中等變異性,Cv＞100%,強變異性。Na+在0—20 cm,20—40 cm層剖面土壤中均具有強變異性,其他離子在0—20 cm,20—40 cm層剖面土壤中均呈中等強度的空間變異性。Cl-在兩層土壤間變異系數相近,其他離子20—40 cm層土壤變異系數均低于0—20 cm層土壤。p H值在0—20 cm和20—40 cm層間變異系數相同,屬于弱變異。電導率在0—20 cm具有強變異性,在20—40 cm具有中等變異性。堿化度在0—40 cm均呈現中等變異性。堿化度和電導率在0—20 cm的變異系數呈現大于20—40 cm的趨勢。

3.3 土壤鹽堿化指標的相關性

土壤電導率因土壤鹽分離子的種類、濃度、組成不同而變化,土壤全鹽含量測定的難度和誤差較大,通常用土壤電導率來表示土壤的鹽漬化程度,但是不同地區、不同類型土壤的電導率和全鹽含量關系式不同[22-23]。對研究區土壤的全鹽量(y)與電導率(x)進行擬合發現,全鹽量與電導率間呈極顯著線性相關,關系式為:y=1.773 4x+0.904(R2=0.864),電導率可代替土壤含鹽量用來評價土壤鹽化情況。了解土壤鹽分離子間的相關性,是進一步認識土壤鹽分組成規律的基礎,可以更有效地指導土壤鹽漬化的預防和改良[24]。5種果園土壤的全鹽量與Cl-無顯著相關性,說明在這種土壤條件下Cl-不是影響土壤鹽分變化的主要因素,與其他離子均呈顯著或極顯著相關,陽離子中Na+與全鹽量相關性最高,說明Na+是促進土壤鹽分變化的主導因素,其次是Ca2+;陰離子中SO2-4與全鹽量相關性最高,其次是HCO-3,研究區內土壤鹽分主要以蘇打—硫酸鹽為主。在各土層中SO2-4均與全鹽量呈極顯著正相關(p＜0.01),0—20 cm土層中,SO2-4與全鹽量的相關系數為0.917,在20—40 cm土層中,SO2-4與全鹽量的相關系數為0.901,相關系數隨土層深度的增加而減少,說明硫酸鹽在土壤表層積聚強烈,在灌溉和降雨時鹽分隨水分運動,受到水勢梯度的影響在剖面垂直方向呈上行運動。在各層土壤中,Cl-與其他離子的相關性較小。SO2-4與Na+,Mg2+,Ca2+呈極顯著相關,其中與Na+相關性較大,相關系數為0.812(表3)。

表3 土壤鹽分離子間的相關性

4 討論與結論

4.1 討論

通過對通州區果園土壤鹽堿化特征分析發現,果園土壤0—20 cm深度范圍內的全鹽量略高于20—40 cm深度范圍內的全鹽量,與楊楚燁等研究結果相同[25]。出現這種情況的主要原因有兩種:一是水文和氣候條件,通州區屬溫帶大陸性季風氣候,處于永定河、潮白河沖積洪積平原,且永定河流量變化很大,又時常干旱,研究區內土壤主要為壤質土,表層有機質含量豐富,易形成團粒結構,活動強度低的養分離子不易向下淋失,在蒸發作用和凍融交替的影響下,鹽分隨水分借助毛管孔隙的作用力上升并聚集在土壤表層[26-27];二是果園不合理的經營管理措施,如過量施用硫酸鹽肥料造成硫酸根的增加,硫酸根在土壤中遷移轉化率較低導致其在表層積累[28],不合理灌溉也可能增加土壤次生鹽漬化的風險[29]。研究區Ca2+含量較低,可能由于農作物種植轉變為果樹種植,土壤中根系呼吸強度、土壤表層水熱條件等的變化導致土壤中Ca2+的遷移溶解動因發生顯著變化,李鵬等[30]研究結果表明,長期種植果樹將導致土壤水溶性鈣退化。對不同樹種果園的土壤全鹽量和p H值進行顯著性分析,均沒有顯著差異。這與趙新風等[31]的研究結果不同,一方面是果樹品種的區別未對土壤鹽分含量和酸堿性造成影響;另一方面不同果園間的經營管理措施基本相同,人為活動未使土壤鹽堿化性質產生顯著差異。

土地利用方式影響土壤鹽堿化特征。土壤平均含鹽量為1.49 g/kg,與景宇鵬等[32]的研究結果近似。在相關性分析中,Na+與K+相關性相對較低,而與其他鹽分離子均呈極顯著正相關,可能因為果樹對土壤溶液中Na+和K+的吸收存在一定的拮抗作用,這與郭全恩等[33]對果園土壤鹽分離子相關性的研究有相似之處。陰離子中,SO2-4與全鹽量相關性最高,但其在土壤中的含量沒有顯著高于HCO-3,劉洪波等[34]通過對耕地土壤的研究,發現了耕地土壤SO2-4含量顯著高于HCO-3,與本文結果不一致。本文研究林下土壤,而后者以棉田土壤為主。造成差異的原因,一方面是研究區的氣候、微地貌和地下水礦化度不同引起的,另一方面是棉田較果園施肥頻繁,果園以有機無機肥料配合施用為主,翻耕次數較少,土體緊實,無機肥料對表層土壤影響較棉田土壤小。此外,林地的郁閉度和凋落物等顯著高于以農作物為主的土壤,減少了地表蒸發作用,抑制鹽分在表層積累[35]。研究區內Na+在不同層次剖面中均具有強變異性,原因是其分布完全受隨機因素決定;其他鹽分含量和堿化指標具有較強的空間變異性,0—20 cm變異系數較20—40 cm大,原因是表層土壤灌溉、翻耕以及肥料的施用等措施對鹽分離子含量影響較大;隨著土層深度的增加,這些因素對土壤鹽分含量的影響逐漸降低,因此在垂直方向上的變異強度逐漸減弱。

陳兵林等[36]研究指出,土壤可溶性陽離子以Na+為主,鈉鹽具有主導作用。本研究亦得出相似結論,不同之處在于本研究土壤可溶性陰離子中SO2-4與HCO-3占絕對優勢,Cl-含量相對較低,這可能是濱海鹽堿土與本研究中的陸域平原鹽堿土不同類型造成的。首先,海水較河水含有更多的Cl-,其在水中的溶解度較大,水分的運動帶動鹽分離子向土體遷移。其次,濱海鹽堿土更易受自然因素影響,Cl-與土壤親和性較弱[37],很少參與土壤溶液中的吸附和解離,又難以形成性質穩定的化合物[38]。海水的浸潤側滲使地下水鹽分與土壤鹽分間頻繁交換,其含量隨之升高或降低。而在本研究中,采樣點雖處于河流附近,但河水較海水流動速度低、波及范圍小、沖擊程度輕,因此,對土壤的擾動更小,河水中的Cl-相較于海水不易隨水而來,也不易沉積。

根據上述研究結果,北京市通州區果園土壤鹽化的同時伴隨著堿化現象。由于地表已有果樹覆蓋,可將果樹的枯枝敗葉收集進行園林廢棄物堆肥再返還給土壤,有效增加有機質含量,減少因施用硫酸肥料而產生的鹽分表層聚集現象。另外,可進行土壤施鈣、幼果噴鈣等措施防治由于缺鈣引起的果樹生理失調癥;其次,可在樹木間栽種耐鹽草種(如紫花苜蓿、堿茅等),翻壓入土可提升土壤肥力,增加經濟效益,形成生態良性循環。

4.2 結論

北京市通州區果園土壤以堿性為主,土壤陽離子在0—40 cm的深度范圍內均以Na+為主,陰離子均以HCO-3為主,Ca2+含量偏低。土壤鹽化與堿化相互影響,p H值、堿化度、電導率最高依次為8.22,12.77,2.37,基本可以滿足果樹的生長條件。鹽分空間變異性在0—20 cm強于20—40 cm,有表聚現象,但差異不顯著。5種果園間鹽分含量差異不顯著。相關性分析表明,與全鹽量相關性最強的陰離子是SO2-4,相關系數為0.910,Cl-無顯著相關性;相關性最強的陽離子是Na+,相關系數為0.936,可以用于指導果園施肥。全鹽量與電導率呈極顯著正相關關系(R2=0.864)。