内蒙古科尔沁草原不同植物生境土壤盐分特征研究

吕昕培， 张吉平， 李永生， 何傲蕾， 王锁民， 张金林

(1. 草地农业生态系统国家重点实验室 兰州大学草地农业科技学院， 甘肃 兰州 730000)

全世界盐渍化土地面积约10亿公顷[1-3]，其中中国盐渍化土地总面积约1亿公顷[4-8]。全球范围内灌溉耕地上产出的粮食占世界粮食总产量的33%，但其中40%的灌溉地受到土壤盐渍化的危害，且灌溉导致的盐渍化还会进一步扩大[9]。在长期的自然进化过程中，海洋植物保留了对高浓度盐分的适应性，而大多数陆生高等植物在进化过程中丧失了这种耐受性[10]，只有少部分保留了这种特性，这类陆生植物被称之为盐生植物，其在生物改良盐碱地方面有着极其重要的应用价值[11-13]。盐渍土是一种重要的土地资源，但中国80%的盐渍土尚未得到开发和利用[14]。盐渍荒地土壤含盐量高，以碱性土居多，不经改良通常不能利用。生物改良盐碱地的方法投入较少，同时成效显著，逐渐被广泛应用。我们可以根据盐渍土类型、含盐量、地理位置、气候特点及当地经济结构选择合适的耐盐植物，从而建立配套的栽培技术，一方面所种植的盐生植物可以带来一定的经济效益，更重要的是改良了盐碱地土壤的性质，这对盐渍土可持续的开发利用至关重要[15-17]。

内蒙古科尔沁草原西与锡林郭勒草原相接，地处内蒙古平原向东北平原的过渡地带，西起燕山山脉的七老图山、东至松辽平原西部，南以努鲁尔虎山为界，北近大兴安岭山地南缘，整个轮廓呈方棱形，地域辽阔，资源丰富，是我国重要的畜牧业基地之一[18]。但是近年来，该地区土壤盐碱化不断加剧，形成了盐碱化土地，日益威胁着当地的生态建设和经济发展。盐地碱蓬(Suaedasalsa)为一年生草本植物，喜高湿、耐盐碱、耐贫瘠，可在高钠离子浓度的环境下完成其生活史，是典型的盐碱地指示植物，俗称“盐蒿”[19-22]。小花碱茅(Puccinelliatenuiflora)为多年生单子叶盐生植物，生于平原绿洲和山区的河谷草甸、盐化低地草甸，对土壤中钾离子有较高的选择性，从而维持植物组织中较高浓度的钾离子水平，在中度至重度盐渍化土壤中生长状况良好[23-24]。马莲(Irislactea)为多年生草本植物，耐热、耐干旱、尤其耐盐碱，是盐碱化草甸的建群草种，可用于改良盐碱地[25-27]。紫花苜蓿(Medicagosativa)为多年生草本植物，喜温凉、耐干旱、耐冷热，但不耐盐碱[28-30]。

酸碱性是土壤重要的化学性质，更是土壤肥力的一项重要指标，对土壤物理性质、微生物活性、矿物质的有效性和有机质的分解影响很大[31-34]。钠离子对积盐型盐生植物而言，是一种有益元素，通过大量积累于肉质化的茎叶中来维持植株细胞内外稳定的渗透压，使该类植物维持正常的渗透调节能力，从而促进其生长[35-38]，但绝大多数栽培农作物都属于对钠离子非常敏感的甜土植物。钠离子是盐渍化土壤中主要的毒害离子[3,10-11]，高浓度的钠离子会对农作物产生严重的渗透胁迫，抑制植物对其他营养元素的吸收，使细胞代谢紊乱，从而引起氧化胁迫导致的细胞质膜透性改变，细胞膜选择性吸收能力丧失，造成有毒物质的积累，最终引起植物生长发育和形态建成的改变，甚至死亡[8,10]。钾离子是植物细胞内多种酶的活化剂，能促进蛋白质和糖类的合成，也是维持细胞渗透势的重要成分[39]。钙离子是植物细胞中介导钙调蛋白调节系统和磷酸肌醇调节系统的物质，植物细胞膜选择性吸收能力的丧失，会造成钙离子含量剧增，导致植物细胞代谢的紊乱甚至伤害死亡[40]。

本研究以该地区自然形成的4种(碱蓬、矮化碱蓬、小花碱茅和马莲)典型盐碱化草地土壤以及经碱蓬改良后的紫花苜蓿地土壤为研究对象，对其pH、土壤电导率、钠离子、钾离子和钙离子含量进行了测定研究，利用线性回归分析法分析了3种离子含量与土壤电导率的相关性。探究了不同盐生植物长期适应的土壤特性，为生物改良盐碱地提供了一定的参考和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

科尔沁草原又称科尔沁沙地。位于北纬42°5′～43°5′，东经117°30′～123°30′。海拔250～650米，处于西拉木伦河西岸和老哈河之间的三角地带，西高东低，绵亘400余 km ，面积约4.23万km2。年均气温5～7°C，积温3 000～3 200°C，年日照时数2 860～3 111 h，年均降水量350～450 mm，多集中在6、7、8三个月，约占全年降水量的70%，无霜期136～156天[18,41]。本研究取样点位于科尔沁左翼后旗东经122°30′，北纬43°12′。

1.2 研究方法

1.2.1土壤采样 以4种(碱蓬、矮化碱蓬、小花碱茅、马莲)典型盐碱化自然草地土壤以及经碱蓬改良后的苜蓿地土壤为研究对象。采集位置为植株根际周围，先去除厚度约1 cm的表土及覆盖物，用取土器分别采集5 cm、10 cm和20 cm的土样，并充分均匀混合，使用5点法从中取出约100 g作为一个土样。在每一种植物生长的区域内采用随机取样法，分别采集8个土样。土样带回实验室，自然风干后，将同种草地土壤混合均匀，过0.5 mm筛用于后期土壤pH、电导率以及Na+、K+和Ca2+含量的测定。

1.2.2指标测定及方法 (1) 土壤pH测定：pH计法。首先制备去CO2水，在烧杯中加入蒸馏水，煮沸5～8 min后静置至室温。称取土壤样品各15 g，以土水比例15∶25加入去CO2水25 mL，置于摇床充分震荡5 min，完成土壤待测液制备，静置半小时后，用pH计(Sartorius PB-10酸度计)分别测定各土壤样品pH值[42]。(2) 土壤电导率测定：电导率法(HANNA-EC215台式电导率仪)。称取土壤样品各10 g，以土水比例1∶5加入去离子水50 mL，置于摇床充分震荡5 min，完成土壤待测液制备，静置半小时后，测定其电导率。本文用电导率值来表示土壤的含盐量[42]。(3) 土壤离子测定：醋酸铵—火焰光度计法(Sherwood-420火焰光度计)。称取土壤样品各1.5 g，以土水比例1∶10加入1 mol·L-1醋酸铵溶液浸提液15 mL[43]，振荡15 min后过滤得到清液，即为待测液，然后使用火焰光度计测定离子含量，使用标准曲线法换算为离子浓度值。

本试验用到的所有水土比均采用质量比，每个土壤样品重复3次。

1.3 数据分析

数据采用SPSS 17.0软件分析数据显著性差异(P<0.05)，采用Excel 2013软件分析离子含量与土壤电导率的相关性，采用Origin 9.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同类型盐碱化草地土壤pH

在4种盐碱化天然草地中(图1)，以碱蓬生境土壤的pH最高，其次为小花碱茅、矮化碱蓬和马莲地生境土壤，碱蓬、矮化碱蓬和小花碱茅均能在pH>10的强碱性土壤中生存。苜蓿生境土壤pH显著低于碱蓬和小花碱茅生境土壤。

图1 不同类型盐碱化草地土壤pHFig.1 Soil pH of different types of salinized grassland

2.2 不同类型盐碱化草地土壤电导率

在5种盐碱化天然草地中(图2)，碱蓬生境土壤电导率分别是矮化碱蓬生境，小花碱茅生境，马莲生境和苜蓿生境土壤的1.7，1.7，2.1和3.8倍。本文用电导率值来表示土壤含盐量[42]，因此，碱蓬生境土壤含盐量最高，矮化碱蓬与小花碱茅生境土壤含盐量无显著差异，苜蓿生境土壤含盐量显著低于其他4种草地。

图2 不同类型盐碱化草地土壤电导率Fig.2 Soil EC of different types of salinized grassland

2.3 不同类型盐碱化草地土壤离子含量

由图3可知，碱蓬生境土壤Na+含量最高，其含量分别是矮化碱蓬，小花碱茅，马莲和苜蓿生境土壤的1.8，1.5，1.4和3.2倍，因此碱蓬对Na+的适应能力最强，其次为马莲和小花碱茅；苜蓿生境土壤Na+含量显著低于其他4种盐碱化草地，仅为碱蓬生境土壤的1/3左右。

图3 不同类型盐碱化草地土壤Na+含量Fig.3 Soil Na+ content of different types of salinized grassland

在盐碱化草地中，碱蓬、矮化碱蓬和苜蓿生境土壤K+含量相差不大。小花碱茅生境土壤K+含量显著低于其他4种草地，约为碱蓬、矮化碱蓬和苜蓿生境土壤的1/3以及马莲生境土壤的1/2(图4)。

图4 不同类型盐碱化草地土壤K+含量Fig.4 Soil K+ content of different types of salinized grassland

马莲生境土壤中Ca2+含量最高，较碱蓬、小花碱茅和矮化碱蓬生境土壤含量多90%左右。碱蓬、小花碱茅和矮化碱蓬生境土壤Ca+含量无显著性差异(图6)。苜蓿生境土壤Ca2+含量最低，显著低于其他4种草地。

图5 不同类型盐碱化草地土壤Ca2+含量Fig.5 Soil Ca2+ content of different types of salinized grassland

小花碱茅生境土壤的含盐量、Na+和K+含量均低于碱蓬生境，但其土壤有极高的Na+/K+比值，分别是碱蓬、矮化碱蓬、马莲和苜蓿生境土壤的1.9，3.5，2.8和6.2倍，小花碱茅对高钠低钾的土壤环境适应性最强，其次是碱蓬；苜蓿生境土壤Na+/K+比值最低。

图6 不同类型盐碱化草地土壤Na+/K+比值Fig.6 Soil Na+/K+ ratio of different types of salinized grassland

2.4 土壤各离子含量与土壤电导率的相关性分析

将土壤电导率分别与土壤中Na+、K+和Ca2+含量做相关性分析得知，盐碱地土壤中Na+含量与电导率的相关系数达到了0.8271，相关性最为密切；而土壤中的K+和Ca2+含量与电导率的相关性不大，相关性系数仅分别为0.0110和0.0851。

图7 土壤电导率与土壤Na+含量的相关性分析Fig.7 The correlation between soil EC and Na+ content

图8 土壤电导率与土壤K+含量的相关性分析Fig.8 The correlation between soil EC and K+ content

3 讨论与结论

3.1 科尔沁草原土壤盐分特征分析

土壤酸碱性显著影响植物的生长发育[44]，包括植物外观形态、物质代谢、生长发育以及品质和产量等方面[45]。根据土壤酸碱性不同，我国将土壤分为强酸性土(pH<5.0)、酸性土(pH5.0～6.5)、中性土(pH6.5～7.5)、碱性土(pH7.5～8.5)和强碱性土(pH>8.5)[46]。本研究中，我们关注的4种自然盐碱化草地，其土壤pH均大于9(图1)，属强碱性土壤。本研究以电导率的大小表示土壤含盐量，结果显示，碱蓬土壤含盐量显著高于其他盐碱地，至少是其他生境土壤含量的1.7倍以上，碱蓬的耐盐碱性强于其他盐生植物，同时矮化碱蓬和小花碱茅也具有较强的耐盐性[47-48]。因此，本研究区域土壤大部分呈强碱性，另一方面，尤其以碱蓬为代表，可在该区域强碱性的土壤环境中生存。

碱蓬通过将Na+积累于细胞液泡中，从而维持了细胞内外渗透压的稳定[36-38]，因此碱蓬能够在该区域土壤Na+含量最高的环境中生存(图3)，马莲和小花碱茅生境土壤中也具有较高含量的Na+，苜蓿生境土壤Na+含量显著低于其他4种草地。K+是激活植物细胞内生理生化酶的重要因子，具有调节植物光合作用、保卫细胞，维持细胞渗透压等功能[39]，在几种盐生植物中，小花碱茅生境土壤中K+含量最低，Na+/K+值最大，说明小花碱茅具有很强的K+，Na+选择性吸收能力，可以在一定程度上维持对低浓度K+的选择性吸收，因此对高钠低钾的土壤环境有着极强的适应能力[49-52]。其余盐碱化草地K+含量差异不大。

利用线性回归法分析了3种离子含量与土壤电导率的相关性，发现Na+含量与土壤含盐量的相关性最密切(图3，图7)。Ca2+在各生境土壤中具有较高的含量，但沙质土壤中Ca2+以CaCO3等难溶物的形式存在，同时K+和Ca2+与电导率的相关性不大，因此这两者不是造成土壤盐碱化的因素。因此我们推测，Na+是造成该区域土壤盐碱化的主要因素。

综上所述，科尔沁地区土壤盐碱化程度严重，研究区大部分土壤中Na+含量较高，土壤多呈强碱性，含盐量高。该区域生长的植物中，碱蓬耐盐碱能力最强，除此之外，马莲和小花碱对盐碱茅也具有较强的耐受性。

3.2 碱蓬对盐碱化土壤的改良作用

碱蓬是一种典型的盐碱地指示植物[53]，通过对碱蓬生境土壤以及经碱蓬改良后的盐碱土壤(紫花苜蓿地土壤)的性质进行对比分析，我们发现，经碱蓬改良后的盐碱土壤，显著的降低了原强盐碱性土壤的pH值，因此在一定程度上改良了原盐渍土的盐碱化程度。同时碱蓬生境土壤中Na+含量是苜蓿生境土壤的3.2倍，说明前期种植碱蓬的措施可以显著减少土壤中Na+的含量。值得关注的是，紫花苜蓿生境土壤含盐量(经碱蓬改良后)仅为碱蓬生境土壤含盐量的1/4，说明碱蓬从土壤中吸收了大量的盐离子并积累在自身植株体内，从而在很大程度上减少了土壤中的含盐量。综合来看，前期种植碱蓬的盐碱地土壤，其pH、含盐量、Na+/K+值、Na+和Ca2+含量(图2，图3，图5，图6)均有显著的降低，说明前期种植碱蓬可有效改善土壤性质。因此我们可以大面积种植碱蓬，并通过刈割来缓解土壤盐碱化程度，从而实现对土壤性质的改良，经改良后的土壤可以种植紫花苜蓿或其他的牧草，以期实现对盐碱地的开发与利用。

3.3 科尔沁草原盐生植物的应用

自然界中植物的耐盐碱性是由植物的种类决定的[54-58]，如本研究中提到的碱蓬、小花碱茅以及马莲等，可以作为研究植物耐盐性机制的优质种质资源，也是发掘各类抗逆相关基因的“模式植物”基因库[22,47-48]。盐生植物碱蓬和马莲是一些草食性动物的食物来源之一，还是我国传统中医学中优良的中草药材，加之其对盐碱地的适应性，因此可以作为科尔沁草原盐碱化草甸的优选建群草种，同时还能在一定程度上改善当地盐碱化土壤。