东北地区芦苇-土壤系统中氯离子、硝酸根和硫酸根空间变异初探

卢美娇，介冬梅，高贵在，高 卓

(东北师范大学地理科学学院，吉林 长春 130024)

东北地区芦苇-土壤系统中氯离子、硝酸根和硫酸根空间变异初探

卢美娇，介冬梅，高贵在，高 卓

(东北师范大学地理科学学院，吉林 长春 130024)

土壤中适量的无机阴离子可促进植物的生长，而过量的无机阴离子则会造成土壤盐渍化，因此探讨土壤中无机阴离子的空间变异规律对盐渍化的治理和生态恢复具有重要意义。本研究用离子色谱分析的方法，测验出东北地区12个样点6-10月土壤和芦苇(Phragmitescommunis)中的Cl-、NO3-和SO42-含量，初步分析了东北地区芦苇-土壤系统中Cl-、NO3-和SO42-空间变异规律及其成因。结果表明，东北地区土壤中Cl-、NO3-和SO42-平均含量分别为292.67、297.14和367.49 mg·kg-1。3种阴离子总量空间分布受海水入侵、土壤理化性质和水热条件的影响，表现为有海水入侵的丹东、盘锦和内陆盐渍区的大庆含量较多。土壤中Cl-含量的空间分异主要受海水入侵、土壤盐渍化程度和人为活动的影响，盘锦、丹东和大庆较高，长春、讷河和长岭次之，受人为活动影响较少的内陆非盐渍区最低；土壤中NO3-含量的空间分异受植物需求量和水热条件的影响，牡丹江、通辽、丹东、龙湾、讷河等生物固氮量多和水热条件偏暖湿的样点NO3-含量偏高；土壤中SO42-含量的空间分异主要受降水量的影响，降水量较少的讷河、大庆等地土壤中SO42-含量较高。芦苇对土壤中3种阴离子的吸收形式以主动运输为主。

东北地区；芦苇-土壤系统；阴离子；空间变异

土壤中阴离子如硫酸根(SO42-)、氯离子(Cl-)和硝酸根(NO3-)的存在对植物的生长具有重要作用，早在1755年，Home用盆栽试验法证明了无机盐和有机物对植物的影响，发现至少有两种阴离子(NO3-和SO42-)无机盐对植物的生长有促进作用[1]。植物体内的Cl-、SO42-与NO3-被认为是植物细胞胞质和液泡中的主要矿质阴离子[2]。植物对矿质元素的吸收，主要是通过兼有主动和被动两种方式的共质体和只有被动方式的质外体两条途径进入根细胞并向木质部运输，其中共质体途径占主导地位[3]。植物对土壤中SO42-、Cl-和NO3-的吸收也是以共质体途径为主的主动运输过程[1]，植物体内的SO42-可以参与蛋白质和脂类合成、光合作用、呼吸作用、氮的固定等过程，并可以增加植物耐受性，提高作物产量及品质[4]。植物体内Cl-可以参与希尔反应、促进膨压形成和电解质平衡、有助于细胞生长、调节细胞渗透压及气孔开放并刺激酶活性等[5]。植物体内NO3-可以促进植物生长和提高植物的抗病性[1]。

岩石风化后形成的各种无机盐溶于水，形成土壤中的可溶性无机盐。土壤中可溶性无机盐随水运动并在土壤中重新分配[6]。影响土壤无机盐离子迁移转化的条件主要有气候条件、地质地貌条件和水文状况等。其中气候是土壤中无机盐离子迁移、聚集、转化的驱动因子；地质条件决定土壤母质的来源，为土壤中阴离子提供了物质基础；地形地貌控制区域内河流和湖泊的分布，进而影响土壤中无机盐离子的迁移转化方向[7]。不同地区土壤水盐运移情况不同，形成土壤中无机盐离子的空间分布差异。土壤中Cl-的含量受气候和地势的影响，一般情况下，降水量低，地势低，土壤淋溶性能差的土壤，Cl-含量高[8]。除此之外，沿海和近盐湖地区以及受人类活动影响较大的地区土壤中Cl-含量较高[5]。土壤中SO42-含量空间变化主要受大气沉降、母质因素、气候条件和作物吸收的影响[9]。土壤中的NO3-的来源主要是将矿化过程的产物NH3形成NO3-的硝化过程，因而矿化和硝化速率也可能对土壤中NO3-的含量产生影响，温度和降水量是影响矿化和硝化速率的主要因素之一。

Cl-、SO42-、NO3-等是东北区土壤中的主要阴离子[10]。目前对Cl-、SO42-和NO3-等阴离子的水盐运移和空间分布的研究主要集中在盐渍化较重的松嫩平原地区[11]，对整个东北地区土壤阴离子的空间变异及其成因的认识还不是很充分。

芦苇(Phragmitescommunis)为禾本科多年生草本植物，广泛分布于东北地区的湿地或浅水中，本研究选择东北地区广泛分布的芦苇土壤群落，探讨东北地区12个样点(自北向南依次为洪河、北安、讷河、大庆、哈尔滨、牡丹江、长岭、长春、龙湾、通辽、盘锦、丹东)土壤中Cl-、SO42-和NO3-的空间变异规律，开展滨海与内陆盐碱区、内陆盐碱区与非盐碱区土壤阴离子时空运移规律的对比，进一步揭示影响土壤中阴离子迁移转化的因素，以期为东北地区盐渍化土壤的植被恢复和生态保护提供基础数据，为东北地区土壤水盐运移规律的解译、盐渍土壤改良与利用等提供参考。

1 材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于我国东北部，地处欧亚大陆东缘，东临日本海，西接内蒙古高原，包括黑、吉、辽三省和内蒙古自治区东部四盟市，介于40°-48° N，横跨12个经度。该区地质构造复杂，中部地区为比较稳定的地块，以43° N一线为界，以北属东北台块，以南属华北台块，东西两侧的山地多属褶皱带。该区地势的总特征为中部平原，东、北、西三面为山环绕。该区域为寒温带湿润、半湿润气候带,冬季寒冷干燥,夏季温暖湿润。无霜期130～170 d，全年降水400～800 mm，其中60%集中在7-9月，全区都在东亚季风的影响和控制之下，从东往西因距海洋愈来愈远，且受季风及山脉走向等因素的影响，使降水自东向西递减。该区土壤的分布有明显的纬度和经度地带性，地带性土壤自北而南，可分为棕色森林土、黑土、沼泽土、草甸土以及滨海氯化物盐土等不同类型[12]。

1.2试验方法与设计

东北地区自然条件复杂，同时考虑温度和湿度两个因素的影响，在整个区域均匀布设样点，样点选取如图1，试验共设置12个样点，分别是讷河、北安、洪河、大庆、哈尔滨、牡丹江、长岭、长春、龙湾、通辽、盘锦、丹东。

图1 采样点分布图Fig.1 Distribution of 12 sampling sites

1.3样品采集和指标测定

1.3.1样品采集 自2011年6-10月，每月15日从东北地区12个样点T(陆上)、M(中心)、WD(水陆交汇)3个不同生境分别采集植物和土壤样品，每个样点内选取人为干扰小的野生芦苇群落，划定样方，用5点法取样。在芦苇群落中采集芦苇地上部分作为芦苇样品，土壤样品选择芦苇下的连续土壤剖面。将植物及残体清除，至露出土层，取0-10 cm，10-20 cm深度土壤样品，不同月份土样保持在同一地点取样。其中植物样品共计399个，土壤样品共计1 195个。样品采集后称重，芦苇和土壤样品均自然风干保存。

1.3.2样品前处理 对土壤样品进行研磨，过0.85 mm筛，按水土比例5∶1配制土壤溶液，振荡3 min，静置20 min，过滤，按9 000 r·min-1高速离心15 min，取上清液。植物样品经粉碎机研磨后，按植物和水的比例1∶20配制溶液，在100 ℃热水中水浴2 h后，取上层清液。

1.3.3离子浓度的测定 土壤和植物阴离子Cl-、SO42-、NO3-的测定采用美国戴安公司DX-300型离子色谱仪(AS4A-SC阴离子色谱柱，CDM-II电导检测器，淋洗液碳酸钠/碳酸氢钠溶液1.7/1.8 mmol·L-1，流速2.0 mL·min-1)。

1.4数据分析

统计和测量的数据使用Microsoft 2007,Excel 2007、SPSS和C2软件进行处理，主要方法包括变异系数分析和相关分析等。

2 结果与分析

2.1土壤Cl-、NO3-、SO42-3种阴离子总量空间变异分析

东北地区土壤3种阴离子SO42-、NO3-和Cl-中占主导的是SO42-。12个样点中SO42-含量平均值为367.49 mg·kg-1，Cl-含量平均值为292.67 mg·kg-1，NO3-含量平均值为297.14 mg·kg-1。这可能是由于本研究中测试的土壤主要是0-20 cm的较上层土壤，土壤中淋溶作用较强，SO42-尽管在土壤中有大量累积，但SO42-吸附能力较强,受淋溶作用的影响弱[13]，向下迁移量较小，NO3-和Cl-在土壤中向下迁移量则较大。这与京郊10年以上蔬菜大棚土壤的阴离子中SO42-积累最多的测试结果一致[14]。 丹东、盘锦和大庆这3个样点的3种阴离子总量相对其他样点高(图2)。土壤水分供给状况也影响盐分的补给，不同地区土壤水分的供给可分为地表水供给区、地下水供给区(内陆盐碱区)、地表-地下水综合供给区和海水入侵(滨海盐碱区)4个区。丹东和盘锦处于滨海盐碱区，土壤溶液中存在大量水化半径较大的吸附性钠离子，能吸收较多的水分，使土壤具有较强的保水性和吸湿性[15]。因而土壤中离子向下淋溶强度相对较小，土壤中可溶性阴离子含量较高。大庆地处闭流区(内陆盐碱区)，该地春季土壤干旱，上升水流加强；夏季土壤过湿，地表区域流聚集于低平洼地，形成局部的积水内涝，地下水位升高[16]。这种气候条件使该地区土壤以苏打盐碱土为主，因而土壤阴离子含量较高。而洪河、北安、龙湾的3种阴离子总量相对较低。

2.2土壤Cl-空间变异分析

毛知耘等[17]将我国土壤含氯量高于400 mg·kg-1的土壤定义为含氯特别高的土壤，而目前我国土壤平均含氯量为100 mg·kg-1左右[18]。因此，本研究根据上述结果将12个样点土壤Cl-分为3组(图3)。

图2 东北地区土壤中Cl-、NO3-和SO42- 3种阴离子总量空间变异图Fig.2 The total anions of chloride, nitrate and sulfate in northeast soil of 12 sampling sites

图3 不同样点土壤Cl-含量分布表Fig.3 The distribution of Cl- in 12 sampling sites

盘锦、丹东和大庆Cl-平均值含量较高，均大于400 mg·kg-1，究其原因，丹东和盘锦在地理位置上距海较近，有海水入侵现象。因为海水中主要阴离子表现为Cl->SO42->Br->F->NO3-[19]，所以，滨海地区Cl-含量较高。大庆主要以苏打盐碱为主，在微酸性至中性条件下，Cl-以分子力为土壤吸附，当pH值>7时，吸附可以忽略，因此，Cl-在碱性土壤中的移动性大[1]。大庆平均年蒸发量大于年降水量，土壤中水盐运移方向是由下向上，因此土壤表层有Cl-积聚。长岭和大庆均为内陆盐渍区，由于盐渍化作用土壤中可溶性盐分在土壤表面积聚，故长岭Cl-含量较内陆非盐渍区高。由于本研究中内陆非盐渍区样品的采集除讷河和长春外，均来自于保护区等人类活动影响较少的地区，从结果可知讷河和长春的土壤Cl-含量比其他内陆非盐渍区含量高，这可能与土壤多受人为活动的影响有关，人类生产生活中废水的排放和农田中含氯肥料的使用均可提高土壤中Cl-的含量。

2.3土壤NO3-的空间变异分析

土壤中NO3-含量的空间分布变化范围为30.38～691.09 mg·kg-1，芦苇中NO3-含量的空间分布变化范围为187.64 ～970.57 mg·kg-1，且土壤和芦苇中NO3-含量空间变异较大，土壤中NO3-的含量与芦苇中NO3-的含量有明显的相关关系，经相关性检验，芦苇和土壤中的NO3-含量呈极显著正相关(P<0.01)。

芦苇体内NO3-主要来自土壤，绝大部分地区芦苇体内NO3-的含量高于土壤(图4)，这可能是因为芦苇细胞膜上存在NO3-专性运输蛋白，芦苇对NO3-的吸收是耗能的主动运输过程。芦苇根部从土壤中吸收NO3-，可随蒸腾流由木质部导管输送到地上部，也可在根细胞内还原为NH4+，进一步同化为氨基酸、蛋白质，以供植株根与地上部在生长过程中的随时调用[20]。因此，芦苇对NO3-的吸收取决于芦苇对NO3-的需求和可供主动运输的能量，这与芦苇的生长状况和生长阶段有关。芦苇根部对土壤中NO3-的主动吸收可能会引起根周围NO3-聚集效应，因此土壤中NO3-的含量与芦苇的需求量有显著的正相关。

土壤中NO3-含量较高的样点，牡丹江、龙湾、丹东基本上分布在试验区温湿度[21]较高的东南部，而NO3-含量较低样点大庆、长岭和洪河主要分布在试验区温湿度较低的中西部(图5)。Wilson和Jefferies[22]对北极沿海潮间带湿地生态系统土壤氮矿化的研究发现，高温更有利于土壤氮矿化过程的进行，Oorschot等[23]研究发现当含水量降低时，氮素的矿化速度降低。因此推断温湿度较大的样点矿化速率较高。在一定的温度范围内，湿地土壤总硝化速率的变化与温度呈正相关(r=0.55，P<0.05)[24]。而土壤水分状况通过影响土壤通气状况和氧分压，进而对硝化细菌和反硝化细菌的活性产生重要影响。一般而言，适宜的水分条件可促进硝化作用的进行，过高的水分含量又会因通气状况较差而抑制硝化作用的进行。所以，本研究中温湿度较高的样点总硝化速率较大。综上，温湿度较高的条件下，土壤矿化速率和总硝化速率均较大，土壤中NO3-积累较多；温湿度较低的条件下，矿化速率和总硝化速率均较小，土壤中NO3-积累较少。

图4 12样点芦苇和土壤中硝酸根离子含量空间分布Fig.4 The distribution of nitrate in phragmites communis and soil of 12 sampling sites

在12个样点中，通辽土壤中NO3-比芦苇中NO3-含量多，这可能是因为通辽的年平均积温较高，在12个样点中通辽的年降雨量最少，特殊的水热组合可能使其土壤中NO3-含量比芦苇体内NO3-含量高。由此可见，影响东北地区土壤中NO3-含量空间变异的主导因素是芦苇的需求量，此外，试验区的水热条件也对NO3-的空间分布产生影响。

2.4土壤SO42-的空间分异

结合不同地区降雨量[21]和土壤SO42-含量分布，绘制东北地区平均降雨量和土壤SO42-含量分布图(图6)，SO42-含量小于100 mg·kg-1的样点除长岭外主要分布在降雨量较高的湿润地区，而SO42-含量较高的样点，除丹东和盘锦外，均分布在降雨量相对较低的半湿润和半干旱地区。这是由于SO42-在土壤中以可溶性状态存在，并受淋溶作用影响自上而下淋溶，较湿润地区的土壤受淋溶作用较强，表层土中SO42-含量相对较低。不同样点上、下层土壤SO42-浓度对比分析发现(图7)，除丹东和盘锦外，其他地点的SO42-含量均是上层低于下层，这也为土壤中SO42-易淋溶提供佐证。丹东和盘锦地区上层SO42-含量比下层多可能是因为受海水入侵的影响。长岭地处内陆盐碱区，干燥度为1.4～1.6，年蒸发量远大于降水量，水盐运动方向应以向上为主，土壤中SO42-随土壤水分蒸发而自下而上移动，在土壤表面积聚[25]，长岭SO42-含量应该较高，但本研究中长岭SO42-含量较低，可能是由于本试验中长岭的采样点旁有防火水渠的存在，渠内常年有流水，流水的冲蚀作用使采样点的SO42-向下淋滤，故本试验中长岭SO42-含量较低。

把不同月份的芦苇与土壤SO42-和Cl-含量做比值，发现芦苇SO42-和Cl-含量几乎是土壤中的10倍，这验证了芦苇对SO42-和Cl-的吸收是主动吸收的过程。陈铭[1]研究表明，根系对SO42-和Cl-的吸收是受代谢控制的主动耗能过程，该结果与本研究相一致。

图6 1961-2006东北地区平均降雨量[21]和硫酸根离子含量分布图Fig.6 The content of sulfate in northeastern soil and the distribution of average rainfall[21] from 1961 to 2006

图7 12样点硫酸根离子含量上下层差值曲线图Fig.7 The difference of sulfate radical content in upper and lower soil

3 结论

土壤阴离子空间分布受气候、母质、土壤理化性质等因素的综合影响，在本研究区内，其中阴离子的空间分布主要受海水入侵、土壤理化性质和水热条件的影响。

针对东北地区土壤盐渍化问题突出的现状，从本研究的结果中可以得到如下结论：Cl-含量主要受人为活动影响，因而建立沼泽湿地保护区可以减少人为活动对Cl-的影响，进而改善土壤盐渍化问题。土壤中SO42-含量的空间分异主要受降雨量的影响，降雨量较小的地区土壤中SO42-向下淋溶强度小，土壤表层硫酸根离子含量较高。所以，针对硫酸盐引起的盐渍化问题，可通过改善地表植被，缓解盐渍化问题。

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(责任编辑 武艳培)

Spatialvariationcharacteristicsofchloride,nitrateandsulfateinPhragmitescommunissoilsystem,NortheastChina

LU Mei-jiao, JIE Dong-mei, GAO Gui-zai, GAO Zhuo

(School of geographical sciences of Northeast Normal University Northeast Normal University, Changchun 130024, China)

The appropriate amount of inorganic anions in soil could promote the growth of plant, while the excess amount of anions could lead to soil salinization.The research about the spatial variation characteristics of inorganic anions in soil was of great significance to salinization control and ecological restoration.The present research analyzed the contents of the chloride (Cl-), nitrate (NO3-) and sulfate (SO42-) by ion chromatography in soil ofPhragmitescommunisfrom sampling sites in Northeast China of 12, from June to October in 2011.The results showed that the average contents of chloride, nitrate and sulfate were 292.67, 297.14 and 367.49 mg·kg-1, respectively.The space distribution of the total content of the three tested anions was affected by seawater intrusion, physi-chemical property of soil and hydrothermal conditions.Dandong and Panjin where soil affected by seawater intrusion had higher contents of anions in soil compared with Daqing which heavier soil salinization.The distribution of the total content of the three anions from June to October was affected by hydrothermal condition and the requirement ofP.communisfrom June to October.The content of anion was the highest in June which decreased from July with the change of hydrothermal conditions and growth period.The content of chloride in soil was influenced by seawater intrusion, degree of soil salinization and human activities.All of Dandong and Panjin in which soil affected by seawater intrusion, Daqing and Changling in which soil salinization was heavier, and Changchun and Nehe in which soil affected by human activities had higher content of chloride in soil.Nitrate content in soil was influenced by hydrothermal conditions and the requirement ofP.communis.Mudanjiang, Tongliao, Dandong, Longwan and Nehe which had warmer and wetter hydrothermal conditions had higher nitrate in soil.The space distribution of sulfate content was affected by precipitation.There were higher sulfate contents in soil in the areas with fewer precipitation such as Nehe and Daqing.The transportation of the three anions inP.communiswas active.

JIE Dong-mei E-mall:jiedongmei@nenu.edu.cn

2014-04-11 接受日期：2014-09-04

环保行业公益项目(201109067)；国家自然科学基金项目(40971116)；高校基本业务费前瞻性基金项目(10JCXK010)

卢美娇(1990-)，女，黑龙江五常人，在读硕士生，研究方向为自然地理。E-mall:lumj723@nenu.edu.cn

介冬梅(1969-)，女，吉林长春人，教授，博士，研究方向为第四纪地质与地貌。E-mall:jiedongmei@nenu.edu.cn

S564+.206

：A

：1001-0629(2014)11-2042-08

10.11829j.issn.1001-0629.2014-0183

Keyworlds:northeast China;Phragmitescommunis-soil system; anion; spatial variation characters;