不同耐盐碱灌草群落对崇明东滩围垦区土壤改良效果的研究

仲启铖

(上海市园林科学规划研究院，上海城市困难立地绿化工程技术研究中心，上海 200232)

过去几十年，由于人口迅速增长及城市化快速推进，我国东部沿海大量滨海湿地被围垦造陆 。这些新围垦土地的土壤往往养分含量低、物理结构差、表层盐分积累。土壤质量低下大大限制了对滨海围垦区土地的开发利用[1，2]。长期以来，多种水利工程和物理化学措施已被用于盐碱土壤改良[3-6]。但是这些措施往往费时费力、成本较高，且对土壤肥力改善效果欠佳，还可能会对周边环境造成次生负面影响[7]。目前，通过栽植耐盐碱植物进行生物修复 (Bioremediation) 被认为是一项可经济有效地改良盐碱土壤的措施[8-10]。耐盐碱植物群落不仅可增强植被蒸腾，降低地下水位，减少积盐返盐；还能够积累有机质，增加土壤养分，改善土壤结构[11-14]。

20世纪90年代，对长江口崇明东滩团结沙、东旺沙的围垦造陆产生了近百平方公里围垦区土地。为对这些新生土地资源进行可持续利用和低碳管理，上实集团自2003年起在其中约20 km2土地上营建了崇明东滩国际湿地公园。公园建设过程中筛选了大量耐盐碱灌草品种用于园区绿化和土壤改良。与乔木相比，灌草植物对盐碱环境适应性更强[15，16]，生长更快，因此常被作为中、重度盐碱土植被修复的先锋物种[14，17]。前期已有一些研究关注了这些灌草植物的光合生长特性，土壤养分、盐分动态等[1，18，19]。但目前尚缺乏对不同耐盐碱灌草群落改良盐碱土壤效果的定量化综合评价。

鉴于此，本研究以崇明东滩1998年围垦区内6种人工栽植8年以上的耐盐碱灌草群落为对象，以无植被覆盖裸地为对照，采用主成分分析法对灌草群落改良盐碱土壤性质的效果进行了综合评价。本研究可为我国长江口滨海围垦区盐碱土壤性质的生物改良及绿化植被带建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于长江口崇明岛东滩 (31°38′ N， 121°58′ E)，属北亚热带海洋性气候，气候温和湿润，四季分明，年平均气温15.3 ℃，年平均降水1 117 mm。日照充足，年平均日照时数2 138 h，太阳总辐射量为4 300～4 600 MJm-2，无霜期229 d。冬季盛行偏西北风，夏季盛行偏西南风。崇明东滩由长江携带大量泥沙沉积而成，是长江口地区规模最大、发育最完善的河口型潮汐滩涂湿地。土壤成土年代晚，盐分含量较高，有机质含量较低。

研究样地设在崇明东滩国际湿地公园内。公园位于崇明东滩1998年围垦区内，东面毗邻崇明东滩鸟类国家级自然保护区，园区土地均来自于对天然潮滩的围垦造陆。公园始建于2003年，目前拥有多种耐盐碱植物群落类型。

1.2 土壤样品采集与分析

2012年11月，选取地面高程较一致、土壤本底较均一的6种典型耐盐碱灌草群落为对象。植物年限均超过8年，且表现较为良好。包括3种非豆科灌木+豆科草本群落〔A:夹竹桃 (Neriumindicum)+野豌豆 (Viciasepium),B:慈孝竹 (Bambusamultiplex)+南苜蓿 (Medicagopolymorpha),C:海滨木槿 (Hibiscushamabo)+野豌豆 (Viciasepium)〕，1种豆科草本群落 〔D:三叶草 (Trifoliumrepens)〕 和2种豆科灌木群落〔E:伞房决明 (Sennacorymbosa),F:紫穗槐 (Amorphafruticosa)〕。并以未种植植物的裸地为对照 (CK)(表1)。

在上述植物群落和裸地中各建立3个样地，在每个样地中各划定1个5 m × 5 m的样方。在每个样方内按W形取5个样点，在每个样点开挖1个40 cm 深的剖面，分0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 用100 cm3环刀在每层各取1个土样，带回实验室测定土壤密度、田间持水量、孔隙度等物理性质。另外在每层随机采集3个土壤样品并混匀，将采集土样带回实验室风干备用。采用四分法取1份土样，研磨后过2 mm筛 (10目)，用于测定土壤粒度、pH值、含盐量；取部分土样继续过0.25 mm筛 (60目)，用于测定土壤总有机碳、全氮、全磷、速效氮 (铵态氮和硝态氮) 及有效磷含量。

表1 滨海围垦区不同灌草群落基本情况

1.3 土壤性质综合评价

采用模糊线性隶属函数确定土壤性质综合评价的等级指标。首先建立各评价指标隶属度函数进行归一化处理，并计算隶属度值f(x)，以此表示各项指标状态值。根据植物生长效应和滨海围垦区土壤实际情况，本研究采用3种方法确定各评价指标隶属函数。

(1)戒上型隶属函数 ( S形曲线)，即在一定范围内，评价指标值与植物生长呈正相关。本研究中属于该类型的评价指标包括总有机碳、全氮、全磷、速效氮、有效磷、总孔隙度和毛管孔隙度 (表2)。这些指标隶属函数解析式为：

(1)

表2 戒上型隶属度函数曲线中转折点取值

(2) 戒下型隶属函数 (反“S”形曲线)，即在一定范围内，评价指标值与植物生长呈负相关。本研究中属于该类型的评价指标包括含盐量、土壤密度、碳氮比和非毛管孔隙度 (表3)。这些指标隶属函数解析式为：

(2)

表3 戒下形隶属函数曲线中转折点取值

(3) 抛物线形隶属函数 (梯形曲线)，即评价指标值对植物生长有一个最佳范围，在此范围之外，偏离程度越大，对植物影响越不利。属于该类型评价指标包括pH、田间持水量、质量含水量、物理性黏粒含量和粉/黏粒比，需要确定评价指标对植物生长最佳适宜区间及其临界值 (表4)。这些指标隶属函数解析式为：

(3)

表4 抛物线形隶属函数曲线中转折点取值

以上隶属函数中，x为土壤评价指标，a1～a4为转折点。本研究结合已有相关文献和滨海围垦区土壤实际情况及植物生长状况，分别确定以上隶属函数中转折点相应取值，如表2～表4所示。根据相应隶属函数和转折点取值，计算各项土壤指标隶属度值，这些值介于0.1～1.0 之间。

在通过隶属函数将数据进行归一化后，采用主成分分析获得不同土壤理化指标公因子方差和权重系数[20,21]。应用加权求和法计算7个样地土壤性质的综合指标值(SSI)。计算公式如下：

(4)

式中，n表示所有参评指标，Ni和Wi分别表示第i种参评指标隶属度值和权重系数。SSI综合反映了某一样地的土壤性质。

1.5 数据处理

不同样地土壤理化指标的差异采用单因素方差分析及邓肯氏多重比较进行分析。数据分析主要采用SPSS18.0进行，统计显著水平设定为P= 0.05。

2 结果与分析

2.1 灌草群落对围垦区土壤理化性质的影响

与裸地相比，各灌草群落在整个土壤剖面上对总有机碳、全氮、有效磷、pH和含盐量改良作用较为明显。在0～10 cm 土层，各灌草群落对有效磷改良作用不明显；在10～20 cm 和 20～40 cm土层，各灌草群落对总有机碳改良作用不明显。与裸地相比，各灌草群落在整个土壤剖面上对土壤密度、孔隙度、田间持水量和质地改良作用均较为明显。与裸地相比，伞房决明群落在改善土壤总有机碳、有效磷和质地方面较为突出；紫穗槐群落在改善土壤密度方面较为突出；三叶草在改善全氮含量、含盐量、pH值方面较为突出；海滨木槿+野豌豆群落则在改善孔隙度和田间持水量方面较为突出。这反映了不同植物耐受盐碱胁迫、利用水分、养分能力以及生长策略等方面的差异。

本研究中耐盐碱灌草群落对土壤全磷的影响不显著，而Wu等 (2012)[7]在利用蓖麻 (Ricinuscommunis) 改良滨海盐土时却发现土壤全磷含量显著增加，这可能是由于该项研究试验初期施肥和磷溶解细菌增加导致。另一方面，灌草群落显著增加了土壤有效磷含量，这可能是因为微生物产生的磷酸酶增加[22]；同时土壤pH值降低也会增强磷的溶解性，使更多活性磷得以释放[14]。本研究中灌草群落土壤的物理性黏粒含量与裸地相比略有增加，而质量含水量有小幅降低，这与范亚文[23]的研究结果有所区别，这可能是因为两个研究地点 (分别为内陆地区和滨海地区) 盐碱土壤的粒径结构存在一定差异[24]。

参考全国第二次土壤普查养分分级标准 (全国土壤普查办公室，1992)，围垦区土壤仍有几项指标并未得到显著改善。6种灌草群落0～40 cm土壤总有机碳、全磷含量及田间持水量的平均值分别为6.28 gkg-1、0.17 gkg-1及24.6%，仍相对偏低；pH值为8.39，碱性仍然相对较强；速效氮含量仅为1.91 mg kg-1，表现出严重亏缺。这可能是因为滨海围垦区土壤中无机态氮淋溶/脱氮速度相对较快[14]。因此，今后在利用耐盐碱灌草进行滨海围垦区盐碱土壤改良时，需要采用一些相关配套技术来弥补以上几项指标的不足，从而增强整体改良效果。

2.2 灌草群落对围垦区土壤的综合改良效果

采用主成分分析获得了16项指标的公因子方差和权重系数 (表5)，应用加权求和法计算得到了7个样地不同层次土壤性质的综合指标值 (SSI)。SSI数值范围为0.1～1.0，数值越高代表土壤性质越好。主成分分析结果表明，在各个土层上，特征值 ≥ 1 的主成分 (PC) 一般为3～4个，本研究中参与评价的指标对土壤性质累积贡献率均超过90%。

表5 基于主成分分析的土壤理化指标 公因子方差(CFA)和权重系数(WVI)

由表6可知，在整个土壤剖面上，各灌草群落SSI均明显高于CK，表明种植耐盐碱灌草对围垦区土壤均具不同程度的综合改良效果。在垂直梯度上，6种灌草群落的SSI在 0～10 cm土层均为最高；夹竹桃+野豌豆、慈孝竹+南苜蓿、海滨木槿+野豌豆和三叶草群落的SSI随着土层加深而降低，而伞房决明、紫穗槐群落的SSI在20～40 cm土层反而高于10～20 cm土层。

表6 围垦区不同灌草群落土壤性质综合评价值

与CK的SSI相比，各灌草群落对崇明东滩围垦区0～40 cm土壤平均改良效果达59.5%。在整个土壤剖面上，6种灌草群落改良土壤效果从强至弱依次为：伞房决明 (+63.2%) > 紫穗槐 (+62.9%) > 三叶草 (+60.3%) > 海滨木槿+野豌豆 (+60.0%) > 夹竹桃+野豌豆 (+58.6%) > 慈孝竹+南苜蓿 (+51.9%)。

在垂直梯度上，夹竹桃+野豌豆、慈孝竹+南苜蓿、海滨木槿+野豌豆及三叶草群落在10～20 cm土层改良效果较好，而伞房决明和紫穗槐群落对20～40 cm土层改良效果更佳。这可能是因为：(1) 豆科灌木 (伞房决明、紫穗槐) 单独成群，无种间竞争，且固氮能力强、生长速度快，因此对土壤性质改良效果相对最强；同时其根系在整个土壤剖面上均较发达，所以在较深土层改良效果尤为突出。Mishra 和 Sharma[26]同样发现豆科灌木牧豆树 (Prosopisjuliflora) 能有效改善印度Sultanpur地区的碱性土壤。(2) 豆科草本 (三叶草) 盖度最高，具有一定固氮能力；非生长季地上部分枯死后全部返还土壤，有机质分解产生的酸性物质可以中和碱性物质。因此豆科草本对土壤性质改良效果仅次于豆科灌木[27]。但由于草本植物根系分布较浅，其效果在土壤上层较好。(3) 对于非豆科灌木+豆科草本群落，一方面非豆科灌木本身不具固氮能力，需要大量利用土壤养分来维系生长；另一方面，在相对贫瘠土壤环境中，豆科草本在利用养分、水分和阳光时会受到这些灌木的限制。(4) 夹竹桃+野豌豆、慈孝竹+南苜蓿和海滨木槿+野豌豆群落对10～20 cm土层改良效果较好是因为豆科草本在该土层发挥作用更强。

3 结论

在崇明东滩围垦区，6种栽植8年以上的耐盐碱灌草群落较为明显改善了土壤总有机碳、全氮、有效磷、pH值、含盐量、土壤密度、孔隙度、田间持水量和质地等理化指标。6种灌草群落对围垦区土壤性质均具有显著的综合改良效果，对0～40 cm土层平均改良效果达59.5%。总体上看，伞房决明和紫穗槐群落改良盐碱土壤性质效果更为显著，可优先用于长江口滨海围垦区土壤性质改良。

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