不同水分對白莖鹽生草(Halogeton arachnoideus)根區土壤水鹽動態及其生長的影響

趙廣興, 李王成,2,3,*, 高海燕, 王潔, 徐天淵, 賈振江

不同水分對白莖鹽生草()根區土壤水鹽動態及其生長的影響

趙廣興1, 李王成1,2,3,*, 高海燕1, 王潔1, 徐天淵1, 賈振江1

1. 寧夏大學土木與水利工程學院, 銀川 750021 2. 旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心, 銀川 750021 3. 省部共建西北土地退化與生態恢復國家重點實驗室，銀川 750021

為研究不同水分條件下白莖鹽生草根區土壤水鹽動態變化及生長規律, 采用桶栽試驗, 以水分和植被生長為控制因素; 探索了白莖鹽生草生長對土壤水鹽動態的影響及土壤水分對白莖鹽生草生長的影響。結果表明: 土壤含水率隨土層深度增加而增大, 呈“反S”型分布, 土壤剖面電導率隨土層深度呈遞減趨勢, 為“S”型分布。與裸土相比, 植被生長條件下的土壤水鹽動態變化更加復雜; 水分不足條件時更容易產生鹽分表聚現象。特枯水年下的白莖鹽生草生長受到嚴重抑制, 但特豐水年和豐水年對植物生長的影響差異并不顯著。因此, 與裸土相比, 白莖鹽生草生長顯著影響其根區土壤水鹽動態。

水鹽動態; 白莖鹽生草; 水文年

0 前言

土壤水分是影響植物生長的關鍵因子, 顯著影響干旱半干旱區的植物群落分布。有植被生長時, 可能會對土壤水鹽動態產生影響, 土壤水鹽動態反過來也影響植物生理生長狀況[1-2]。目前, 土壤鹽堿化已成為全球性問題, 鹽堿脅迫會對植物的生長造成滲透脅迫及離子毒害[3]等影響, 常常采用生物措施進行鹽堿地改良。隨著生態修復越來越被重視, 關于植被生長對土壤水鹽動態的研究也越來越多[4]。前人研究多傾向于對干旱區、濱海地區、灌區等農田土壤水鹽運移、水鹽動態變化[5]及水鹽平衡等[6-7]方面的研究, 鹽生植物對鹽堿地改良和對土壤水鹽的影響也有一些研究[8-9]。鹽生植物作為一種改良土壤鹽堿化的生物措施, 部分學者對多枝檉柳()[10]及梭梭()[11]等植被土壤水鹽動態和土壤化學性質進行了一系列研究; 祁通等[12]選用鹽地堿蓬()和海蓬子()對新疆南北疆鹽堿地做了吸鹽能力的研究; 史海濱等[13]關于河套灌區水鹽平衡做了很多研究, 為灌區土壤水鹽調控提供理論依據。

寧夏中部干旱帶為典型生態環境脆弱區, 降雨稀少, 除農作物外的其余植被依托天然降雨進行生長, 當地由于使用微咸水灌溉枸杞L.),使當地土壤次生鹽堿化問題和生態恢復問題日趨嚴峻, 亟待解決[13]。而白莖鹽生草生境廣泛, 對改善土壤鹽堿化問題具有積極的現實意義。白莖鹽生草()為藜科()鹽生草屬()的鹽生植物, 具有較強的抗旱、抗鹽能力。前人關于白莖鹽生草的研究主要集中于其耐鹽機理[15]、種群分布[16]、萌發特性[17-18]和改良鹽堿地[19-20]等方面。王文發現白莖鹽生草可在全鹽含量0.5%—1.0%的鹽堿地旺盛生長, 通過根、肉質化葉片將鹽分聚集在體內, 植株成熟之后將其拔出, 可將土壤鹽分帶出, 種植4—6年后能使鹽堿化土地達到種植農作物的水平。目前對單株白莖鹽生草周圍土壤水分和鹽分變化分布的研究較少, 針對白莖鹽生草在不同水分條件下的生長規律還不明確的問題, 對白莖鹽生草進行相關研究, 旨在為寧夏中部干旱帶生態環境的改善、生態脆弱區的恢復和鹽堿地利用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

寧夏中部干旱帶為典型的溫帶大陸性氣候, 冬春寒冷干燥, 風大干旱, 降雨主要集中在5—9月, 年均蒸發量在2000 mm以上, 年均降水量遠遠小于年均蒸發量[21]。試驗地點位于寧夏回族自治區中衛市沙坡頭區香山鄉紅圈子村尹東大隊(36°06′N, 105°15′E), 平均海拔為1697.8 m。

不同水分條件采用興仁站50年的5—9月的日降雨量資料進行統計分析, 運用P-Ⅲ型曲線進行水文頻率的計算及水文年型的選擇(表1), 分別為W1—10%(特豐)、W2—25%(豐)、W3—50%(平)、W4—75%(枯)、W5—90%(特枯)對應的年份設置5個降雨量水平; 按照實際日降雨量資料采用燒杯和自制小灑壺模擬降雨量。將裸土(Z0)和有植被生長(Z1)的土壤水鹽動態進行對比, 探討植被生長對土壤水鹽動態的影響。當地土壤為砂壤土, 田間持水量為23%、全鹽量為3.2 g·kg-1、有機質為12.01 g·kg-1、速效磷為6.5 g·kg-1、堿解氮為25.43 mg·kg-1、速效鉀為198.21 mg·kg-1、平均初始電導率為0.823 ds·m-1、平均初始pH為8.23。采用室外桶栽試驗, 試驗桶直徑30 cm, 高45 cm; 按當地土壤0—40 cm的平均容重(γ=1.38 g·cm-3)裝土。

白莖鹽生草種子為前一年當地生長的白莖鹽生草所結的籽, 在2020年5月5日將種子撒在桶中, 每桶30粒, 采用文獻[22]的方法對種子進行挑選和消毒; 待白莖鹽生草幼苗長出2片真葉時進行間苗, 每個處理留幼苗1株。晴天陰天桶栽在自然環境中生長, 雨天時將桶栽移入透光且兩端通風的防雨棚, 遮雨棚的光照條件及溫度與自然環境基本一致。9月15日植株成熟進行收獲, 測定生物量及根長、地徑。模擬降雨采用當地自來水, pH為6.98。以水分和植被生長為控制因素, 研究植物的生長規律及土壤水鹽動態; 試驗為一因素五水平、一因素兩水平的擬水平完全試驗; 試驗共10個處理, 分別為W1Z1、W1Z0……W5Z1、W5Z0, 每個處理3個重復。

表1 代表年模擬降雨量水平

1.2 測定項目與方法

(1)土壤含水率與鹽分的測定 首先在種植植物前5月4日取一次土, 后續的取土日期按照白莖鹽生草的生育期劃分為幼苗期6月18日、生長期7月21日、開花期8月21日、成熟期9月15日, 一共取5次土。通過土鉆法進行取土, 測定土壤含水率、土壤浸提液電導率(EC); 取土深度為0— 10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm。土壤含水率的測定: 稱鋁盒重為0, 用鋁盒盛土壤樣品進行稱重記為1, 在105 ℃下烘8小時, 稱干重記為2。土壤含水率(%)=(1-2)/(1-0)×100%; 電導率的測定[23]: 利用電導率儀測定土水比為1:5的土壤飽和浸提液電導率, 本試驗用電導率來表征土壤鹽分含量的多少。

(2)植被生長相關指標的測定 冠幅和株高采用精度為1 mm的卷尺進行測量, 冠幅為植物的南北和東西方向的寬度的平均值。葉片保水力[24]通常用來表示植物組織的抗脫水能力, 葉片保水力=(24 h重-干重)/(鮮重-干重)。由于前期植物較小, 且白莖鹽生草貼地生長, 生物量、地徑和根長只在最后成熟期收獲之后進行測量。地上、地下生物量的測定: 鮮重直接進行稱重, 干重需在105 ℃下殺青10 min后, 置于85 ℃下烘24 h至恒重、稱量。試驗結束時用清水沖洗植物根部, 根長采用卷尺(精度為1 mm)、地徑采用游標卡尺測量。

1.3 數據處理

采用 Microsoft Excel 2010進行數據分析與繪圖, 采用SPSS 25軟件進行差異顯著性分析, Duncan法進行顯著性分析和Person相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同水分條件下土壤水鹽的變化

2.1.1 不同水分條件下土壤水分的變化

以植物生育期為參考, 按照日降雨量資料進行模擬5.4—9.15的日降雨量, 發現不同水文年對應的降雨量明顯不同(圖1)。W1下5—9月總降雨量最大為219.9 mm, W5總降雨量最小為88.46 mm; W1、W3、W4下8—9月降雨量最多, W5下降雨量分布不均勻, 6月19日—8月16日總降雨量僅為9.6 mm, 會對植物生長和土壤水分產生較大的影響?？傊? 不同降雨量水平下8—9月的降雨量最集中。

裸土和有植被生長條件下, 土壤含水率在土壤垂直剖面總的趨勢均呈“反S型”分布。W1Z1條件下每個土層含水率變化較小, 因為降雨量較多, 有足夠水分滲入到30—40 cm處, 對應的土壤含水率高。土壤含水率最大值為6月18日對應的30—40 cm處為18.01%。植物生長后期, 由于植物消耗水分較多和氣溫較高, 對應土壤含水率減小。W2Z1條件下各土層范圍內: 0—10 cm處土壤含水率因土壤蒸發強烈導致含水率降低; 20—30 cm因白莖鹽生草根部吸水, 供給植物生長, 水分被消耗; 30—40 cm土層因受水分蒸發和植物吸水影響較小, 水分含量保持較高的水平。W3Z1與W4Z1條件下基本變化趨勢為0—10 cm范圍的土壤含水率最小, 10—20 cm增大、20—30 cm減小、30—40 cm又增大的趨勢。W5Z1土壤含水率在0—40 cm都很小, 因為特枯年的降雨量很小, 土壤含水率最高時為5月4日10—20 cm處的8.68%。不同水分條件下各土層的含水量變化差異顯著, W3Z1、W4Z1、W5Z1的10—20 cm與其他土層相比差異較大(表2)。

裸土條件下土壤含水率總的變化趨勢與植被生長條件相似, 土壤表層含水率變化幅度高于底層(圖3)。W1Z0條件下, 5月4日取土測得的含水率與W1Z1相似, 而在植物生長階段測得的0—40 cm的含水率W1Z1均小于W1Z0, 植被覆蓋條件下不僅有棵間土壤蒸發, 更有植物自身消耗, 所以對土壤水分消耗比較大, 相應的土壤含水率低。W2Z1條件下0—10 cm含水率小, 而10—20 cm含水率較大; W2Z0的10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm都較大, 土壤垂直剖面含水率變化較小?？偟内厔轂槁阃翖l件下不同土層對應的土壤含水率總體變化趨勢小于植被覆蓋條件下的, 說明植被生長會影響土壤含水率的大小及分布。

圖1 不同水文年型下5.4—9.15的降雨量

Figure 1 Rainfall of 5.4-9.15 in different hydrological years

2.1.2 不同水分條件下土壤鹽分的變化

不同水分條件下相同深度鹽分的變化如下: 0—10 cm土層時, W1Z1條件下5月4日到9月18日剖面電導率從2.04 ds·m-1變化為2.091 ds·m-1, 鹽分基本保持穩定; W2Z1、W4Z1和W5Z1的鹽分從5月4日到9月15日呈減少趨勢; W3Z1從5月4日到9月15日的鹽分變大; 白莖鹽生草在一定程度上可以影響鹽分積累和減少土壤鹽分含量。同一水分條件下不同深度土壤鹽分的變化如下: W1Z1從5月4日到9月15日的土壤鹽分在0—10 cm和20—30 cm處的含鹽量變化程度較小, 而10—20 cm和30—40 cm電導率增大, 水分對土壤鹽分的影響大于植被生長。W2Z1條件下0—40 cm的土壤鹽分從5月4日到9月15日均降低, 9月15日時0—10 cm與其他土層差異顯著, 與種前相比土壤鹽分降低。W1Z1和W3Z1條件下產生了鹽分表聚現象, W4Z1和W5Z1條件下20—40 cm土層的鹽分變大, 說明不同水分條件對土壤鹽分的分布的影響不同。

表2 白莖鹽生草生長時不同土層之間的土壤含水率的變化

注: 不同小寫字母表示相同處理不同土層間差異顯著(<0.05), 下同。

圖2 白莖鹽生草生長下的土壤含水率的變化

Figure 2 Changes of soil water content under the growth of

圖3 裸土條件下的土壤含水率變化

Figure 3 Changes of soil moisture content under bare soil conditions

不同水分條件下相同深度鹽分的變化如下(圖5): 0—10 cm土層的鹽分只有W2Z0條件下減小, 其余均增大; 10—20 cm土層的鹽分含量各處理均為減小, 但減小程度不明顯; 20—30 cm土層鹽分各處理均減小; 30—40 cm土層對應的含鹽量在W3Z0時呈現增大的變化, 其余處理均為減小。同一水分條件下不同深度土壤鹽分的變化如下: 土壤鹽分變化較為紊亂, 各處理下0—10 cm的鹽分變化幅度大, 受降雨量和土壤蒸發的影響較大。W1Z0中從5月4日到9月15日土壤0—10 cm的總的鹽分變化較小, 10—20 cm、20—30 cm和30—40 cm土壤鹽分減小。W2Z0條件下30—40 cm的土壤鹽分從5月4日到9月15日變化幅度較大, 全部土層的鹽分呈增大的趨勢。W3Z0、W4Z0和W5Z0處理下土壤0—10 cm的土壤含鹽量都增大, 這表明在土壤水分短缺情況時更容易造成土壤表層鹽分表聚現象?？偟膩碚f, 裸土條件下土壤鹽分變化程度較小, 說明白莖鹽生草生長對土壤鹽分產生了一定影響。

圖4 白莖鹽生草生長條件下的土壤剖面電導率變化

Figure 4 Soil section conductivity variation under the growth of

表3 白莖鹽生草生長時不同土層之間的土壤剖面電導率的變化

Figure 5 Conductivity variation of soil profile under bare soil conditions

2.2 不同水分條件對白莖鹽生草的生長特性的影響

2.2.1 不同水分對白莖鹽生草冠幅的影響

由圖6可以得出, W1條件下降雨量最多, 冠幅量也最大, W5條件下條件下降雨量最少冠幅也最小; 6月18日時W1與W2、W3、W4、W5的冠幅差異均不顯著, 6月28日與7月7日的W1與W2、W3、W4、W5差異均顯著。8月16日時W2、W4、W5的冠幅均有不同程度的減小, 這與降雨量和氣溫有密切的聯系。8月26日時不同降雨量水平下的冠幅均為冠幅的最大值?？偟膩碚f, W1在各日期下的冠幅與其他日期的差異最大。

注: 不同小寫字母表示相同指標不同處理間差異顯著(Ｐ<0.05), 下同。

Figure 6 Changes of crown width ofunder different water conditions

2.2.2 不同水分對白莖鹽生草株高的影響

W1條件下降雨量最多, 植物有良好的生長環境, 株高最大; 生長初期水分對株高的影響不顯著, 但從6月28日起, W1條件下的株高有大幅增長, 尤其是6月28日到7月7日株高變化最大, 說明植物在水分充足的情況下會迅速生長。6月28日、7月7日、7月17日對應的株高在W1下變化較大; 6月28日時, W1與W2、W3、W4、W5差異均顯著, 而W2、W3、W4、W5之間變化較小, 差異不顯著。8月26日時W1、W2、W3、W4、W5對應的株高分別為30.33、24.5、20.67、13.5、9.67 cm, W1分別為W2、W3、W4、W5的1.24、1.47、2.25、3.14倍。

2.2.3 不同水分對白莖鹽生草葉片保水力的影響

7月17日對應的葉片保水力最大, 五個降雨量水平下的葉片保水力顯著高于其他日期所對應的葉片保水力, 這可能與植物所處的生育期有關?？偟膩碚f, 只有在植物遭受逆境時, 葉片保水力才會發生顯著變化。

圖7 不同水分條件下白莖鹽生草株高的變化

Figure 7 Variation of plant height ofunder different water conditions

2.2.4 不同水分對白莖鹽生草生物量的影響

地上生物量鮮重在W1下最大, W1與W4、W5差異顯著, 且W1對應的生物量鮮重是W5的4.10倍; 地下生物量鮮重在W1、W2、W3下差異不明顯, W4和W5較接近; 地上生物量干重W1和W2水平下很接近, W1與W2、W3差異不顯著, 與W4、W5差異顯著; 地下生物量干重W1與W2、W3差異不顯著, 與W4、W5差異顯著; 根長W1只與W4、W5差異顯著, W1條件下最大根長為15.57 cm, 最小為9.5 cm, 說明白莖鹽生草根系主要存在于0—20 cm土層范圍內。地徑W1與W2、W3差異不顯著, 與W4、W5差異顯著。綜上, 降雨量在一定程度上決定了植物地上、地下生物量、根長和地徑的大小。W5條件的植物生長指標基本為W1的50%左右, 說明水分顯著影響植物的生長。

2.2.5 水分與白莖鹽生草生長指標的相關分析

為了研究不同水分對白莖鹽生草生長的影響, 將水分與地上生物量鮮重、地下生物量鮮重、地上生物量干重、地下生物量干重、根長、地徑、冠幅、株高、葉片保水力等進行相關分析。結果表明, 只有葉片保水力與降雨量相關關系不明顯, 其余各指標均與降雨量呈極顯著正相關關系。

圖8 不同水分條件下白莖鹽生草葉片保水力的變化

Figure 8 Changes of hydraulic retention ofleaves under different water conditions

表4 不同水分下各測量指標的變化

注: 不同小寫字母表示相同指標不同處理間差異顯著(<0.05)。

表5 水分與白莖鹽生草生長指標的相關分析

注: *.≤0.05; **.≤0.01; ***.≤0.001。

3 討論

土壤水分通過蒸發和入滲影響鹽分的分布, 植物生長也會影響土壤鹽分的分布。本研究中土壤剖面電導率總變化趨勢呈“S”型變化; 鹽分會隨著水分蒸發積累在土壤表層, 產生鹽分表聚現象, 這與雷金銀等[25]的研究一致。白莖鹽生草生長條件下, 整個生育期內0—40 cm土壤剖面的土壤鹽分變化總體呈現減小的趨勢, 這與Yang等[26]對檉柳()對土壤水鹽狀態的影響研究相似, 不同土層深度的土壤電導率差異顯著。相同水分條件下隨土層深度加深鹽分積累減少, 土壤水分與降雨量密切相關, 土壤剖面鹽分高低也與土壤水分有關, 這與于國強等[27]、Zhou等[28]的研究一致。

表層土壤更容易受到外界環境的影響, 如氣溫、太陽輻射、蒸發和入滲、植被生長等條件, 這與孫若鈞等[29]的研究一致。其他土層受環境的影響較小, 鹽分變化較小; 這與孫海燕等[30]、馮棣等[31]的研究一致。裸土與植被生長條件下的水分鹽分均時時處于動態變化之中, 表層鹽分較深層土壤鹽分變化劇烈一些, 這與文獻[32-33]的研究結果相似。水分通過蒸發將深層的土壤鹽分帶到土壤表層, 降雨后又把鹽分淋洗到土壤深層。土壤水分影響鹽分的分布, 即“鹽隨水動”。

植物的生長狀況往往受到土壤水分的影響, 本試驗表明在W5條件下植物雖能正常生長, 但測量指標與W1相比差異顯著; W1與W2條件下植物的生長差異較小。土壤水分少時不利于植物的生長, 植物根系和葉片及植物對水分的利用均會受到影響; 這與楊志孟等[34]、黃國偉等[35]的研究相似。葉片保水力在不同降雨量水平下變化較小, 研究[36-37]發現葉片在遭受嚴重干旱脅迫或鹽脅迫時才會發生大幅改變。本研究中, 葉片保水力與水分相關關系不顯著, 其余指標均與水分呈極顯著正相關關系。本試驗中冠幅、根長、株高等明顯小于王文的研究結果, 這可能與桶栽試驗和土壤初始鹽分含量有關, 在以后的研究中可以綜合考慮土壤水鹽對植物生長的影響。

4 結論

土壤含水率在不同降雨量水平下的分布規律基本呈“反S”型分布, 土壤剖面的鹽分分布在不同降雨量水平下的分布基本呈“S”型分布。白莖鹽生草生長條件下, 整個生育期內0—40 cm土壤剖面的土壤鹽分變化總體呈現減少的趨勢; 土壤剖面水鹽動態變化趨勢較裸土更加復雜。表土的土壤水分和鹽分變化幅度最大, 其受環境影響最大。特豐水年和豐水年對應的水分和鹽分在0—40 cm土壤剖面的變化幅度大于特枯水年; 即水分顯著影響鹽分動態。特枯水年下的白莖鹽生草生長受到嚴重抑制, 但特豐水年和豐水年對植物生長的影響差異并不顯著。

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Effects of water on soil water and salt dynamics and growth ofroot zone

ZHAO Guangxing1, LI Wangcheng1,2,3,*, GAO Haiyan1, WA Jie1, XU Tianyuan1, JIA Zhenjiang1

1. School of Civil and Hydraulic Engineering, Ningxia University, Yinchuan, 750021, China 2. Engineering Research Center for Efficient Utilization of Modern Agricultural Water Resources in Arid Regions, Ministry of Education, Yinchuan, 750021, China 3. Provincial Department of State Key Laboratory of Ecological Restoration and Ecological Restoration, Yinchuan, 750021, China

In order to research the soil water and salt dynamic changes in the root zone ofand growth rules under different precipitation levels, a bucket-planting experiment was performed by taking water and vegetation cover as the controlling factor to explore the influence ofgrowth on soil water and salt dynamics and the influence of soil water ongrowth. The results show that the soil moisture content increases with the increase of soil depth, showing an "inverse S" distribution, and EC decreases with the increase of soil depth, showing a "S" distribution. Compared with bare soil, the dynamic change of soil water and salt under the condition of vegetation growth is more complex. Under the condition of insufficient water, the phenomenon of salt accumulation is more likely to occur. The growth ofwas seriously inhibited in the extremely low-flow year, but there was no significant difference between the extremely high-flow year and high-flow year on plant growth. Therefore, compared with bare soil, the growth ofsignificantly affects soil water and salt dynamics in its root zone.

water and salt dynamics;; hydrological year

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10.14108/j.cnki.1008-8873.2023.01.002

S152.7

A

1008-8873(2023)01-011-10

2020-11-13;

2021-01-08

國家自然科學基金(51869023, 52169010); 寧夏自然科學基金重點項目(2021AAC02008); 國家重點研發項目(2021YFD1900600)

趙廣興(1996—), 女, 甘肅定西人, 碩士在讀, 研究方向為水資源高效利用, E-mail: 1782424006@qq.com.

李王成, 男, 陜西勉縣人, 教授, 博士, 研究方向為水資源高效利用、農業生態系統與評價, E-mail: liwangcheng@126.com