不同改良措施对松嫩平原重度盐碱地土壤结构与元素组成、杨树叶片光合及生长状况影响差异研究

李占君 张厚良 郭 兴 范瑞红 马 珂 刘继云 杨逢建

(1.黑龙江省伊春林业科学院，伊春 153000； 2.东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室，哈尔滨 150040)

重度盐碱土多为可溶性盐长时间浸泡土壤而形成，其内部所含盐量为0.6%～1.0%或以上，pH>9，且土壤中的代换性钠离子占阳离子代换量的百分率(ESP)>20%[1～4]。现阶段土壤的重度盐碱化问题已经广泛存在于全球各部，重度盐碱土因其盐分矿化程度高，毒害性以及透水性较差等特点，对动、植物体的正常生长与发育，具有较高的危害性，甚至会威胁其生命[5～6]。重度盐碱土地面积每年会以1.4%的速率进行扩展，且该种环境下的土壤会因气候温度变化、过度失水而发生严重性土壤板结，致使重度盐碱化土地面积扩展趋势不断加剧[7]。

肇东地区盐碱化草地面积约占黑龙江省草地总面积的60%以上，多以非耕地、废弃地的重度盐碱形式存在；同时这也是一种严重性的资源缺失，对该地区范围内的农、林、牧、渔，甚至对国家整体的发展已经造成了严重的干扰与影响[8～9]。现阶段对重度盐碱地改良过程中，杨树扮演了重要的角色，杨树因其具有极强的抗旱、抗寒、耐土壤瘠薄、耐盐碱、抗风沙等积极性改良作用特点，成为盐碱地和低温、高寒荒漠、半荒漠地区荒漠化治理、营建防风固沙林和农田防护林等逆境条件的最佳选择树种[10～12]。

但重度盐碱地野外实际改良长期监测实验仍然较少，所得结论也存在矛盾，急需针对松嫩平原内陆盐碱地开展相关研究。基于此，本项研究对研究地区重度盐碱地进行不同形式的穴状整地性改良，针对改良后的重度盐碱地土壤内部结构、元素含量以及立地杨树的生长状况予以分析和研究。

1 研究方法与仪器设备

1.1 研究方法与地点

研究方法：2009年对盐碱地改良方式予以设计，栽植前，先将供试盐碱地进行穴状整地，然后依次分层铺垫玉米秸秆碎、牛粪、玉米秸秆于穴底部，再把由玉米秸秆和牛粪熟化后的人工生物基质与淋溶土混合而成的人工改良土施于穴内，并在上方浇灌降盐碱剂，将3年生2 m定干后的杨树苗定植于穴内并浇水，最后以栽植的杨树苗为中心，以所设计的改良方式，分别呈锥形(一字沟)、台形(十字沟)、坛形(井字沟)3种不同方式实施；同时2013、2014年分别对该重度盐碱地改良实验后的土壤内部结构、元素变化进行以扫描电镜、能谱扫描，对栽种的杨树生长状况进行数据测定，以达到整体分析、研究的目的。

研究地点：黑龙江省肇东市境内工业园区重度盐碱地，地理坐标125°22′～126°22′E，45°10′～46°20′N。

1.2 扫描电镜观察及能谱分析的前期土样处理

2014年10月将改良前后待测干燥土壤样品处理为粒径1～2 mm的样品，以导电双面胶将该样品固定于金属载物台，继续真空干燥24 h，对真空干燥后的样品进行喷金处理(5～10 nm,25 mA,3 min)，为扫描电镜(Quanta 200,FEI,USA)和X射线能量色散谱分析(EDS)检测做必要前期准备，实验过程中图片均为土壤样品放大1 000倍[13]。

1.3 杨树生长情况的测定

对实验区重度盐碱地区栽培杨树的生长情况予以测定，对照区为未经治理盐碱地，在3个土壤改良样地和未经治理盐碱地对照区内，分别随机性选取银中杨15株，对其光合呼吸能力予以测定，测定频率为15 d，每次测定至少重复3次[14]。

对3个土壤改良样地和未经治理盐碱地对照区，分别随机性选取银中杨50株，对其整株植株的株高、胸径、冠幅、分枝、根长等多项指标予以测量，最终取其平均值，后期以Excel 2007进行数据整理[15]。

1.4 仪器设备

LI-6400便携式光合作用测量仪，卷尺、千分尺、游标卡尺等。

1.5 数据统计分析

所测数据在Excel 2007处理的基础上，运用SPSS13.0软件进行方差分析，SSR法检验平均数的差异显著性(P<0.05)。

2 实验结果与分析

2.1 重度盐碱地土壤内部结构的变化

经扫描电镜镜下观察得知，治理前盐碱地土壤结构呈现片状形态，其基质致密，紧实粘重，隙少，有裂隙，且土壤容重大；具体表现为土壤结构不良，通气透水性差，这种情况不利于植物根系的伸展呼吸等方面的进行，地块地表植物生长状况不良，生存较为困难。改良后，该地块重度盐碱地土壤结构与元素离子构成均发生不同程度的变化，土壤内部结构对比扫描电镜如图1所示。

经过改良后，扫描电镜下观察得知，2013年改良土壤中块状结构增加，且在这些颗粒团聚体之间出现植物根系或残体，说明其土壤腐殖物质丰富，土壤肥力增强。

2014年，改良后的土壤经观察得知，该重度盐碱地土壤内部团粒结构在含有植物残体的基础上，其内部结构分布更趋于均匀化，土壤疏松垒结、空隙度、通气、透水能力、土壤比表面积均得不同程度的提升，为土壤养分及离子的交换创造了有利的条件，这将利于土壤中的水、气、热等的交换及微生物的活动，利于改善重度盐碱地较差的土壤内部结构，利于其地表植物更好的生存与生长，说明改良具有一定的成效。

2.2 重度盐碱地土壤元素的变化

对所研究治理的重度盐碱地土壤进行能谱分析，如图2土壤能谱所示，Si、O、C、N、Fe、Ca、Al等元素在土壤中的百分含量较高，而K、Na、Mg元素含量相对较少。

经过治理后的重度盐碱土壤中各元素含量按照改良方式以及年份上的差异而表现为不同程度上的变化(表1)。

图2 土壤能谱图Fig.2 Energy spectrum of soil

表1 谱分析表

分别对图1、表1分析可知，改良后土壤中的C元素的重量百分比增加(平均增加29.7%)，Na元素含量显著减少(平均减少82.4%)，2014年土壤中Fe元素的重量百分比较盐碱裸地有所增加(平均增加13.9%)，阳离子凝聚力增强，这使得土壤胶粒凝聚，利于形成土壤团聚体，且与Na+发生离子交换，使土壤中的钠盐含量减少，土壤盐碱化程度减弱，说明重度盐碱土壤内部结构与元素均得到良好的改善。

2.3 重度盐碱地改良条件下杨树的生长状况

2.3.1 杨树光合速率及呼吸速率的变化

2014年对重度盐碱地条件下生长的杨树，在接受3种不同方式的土壤改良措施的情况下，其光合速率与呼吸速率均得到不同程度的改善(图3)。

对图3分析可知，3种措施改良后杨树的光合速率及呼吸速率均发生明显的变化，重度盐碱裸地上杨树的平均光合速率为0.21 μmol·m-2·s-1，而改良后杨树的平均光合速率则在0.9～1.01 μmol·m-2·s-1，增长率为328%～381%；对照区杨树的平均呼吸速率为0.45 μmol·m-2·s-1，改良后杨树的平均光合速率在0.89～1.14 μmol·m-2·s-1，增长率为98%～153%。改良后的数据结果表明重度盐碱地改良方式选取得当，改良土壤的效果较好，杨树的光合速率及呼吸速率均强于对照区，说明杨树的吸收和代谢状态良好。

2.3.2 杨树生长情况的变化

通过测量对照区及3种改良方式后重度盐碱地条件下所生长的银中杨树高、胸径、分枝数、分枝长、冠幅以及根系等方面予以数据性统计和分析(图4)。

图3 3种不同方式的土壤改良后杨树光合速率及呼吸速率的变化情况Fig.3 Changes of photosynthetic rate and respiration rate of poplars after three different ways of soil improvement

图4 杨树生长量变化Fig.4 Changes in poplar growth(2009-2014)

在前期实验的基础上(2009～2012)，2014年对这5年改良后重度盐碱地环境条件下杨树生长状况各项指标予以测定。由图4可知，杨树树高、胸径、分枝数、分枝长、冠幅直径、以及根系长度参数均得到显著性的提高。

其中，重度盐碱地土壤经过(井字沟)方式改良后的杨树的高度可以达到8.41 m，与空白裸地情况下的杨树高度相比，该种境况下杨树树高的平均增长率为23.8%；胸径方面，3种不同土壤治理方式效果差异不明显，其胸径平均增长率为35.3%；分枝数较对照区增加率近160%；平均分枝长度均达到2 m以上，增长率近100%；杨树冠幅直径增加率为73.5%；杨树根系也因重度盐碱地改良方式的不同而有所差异性表现：丘式一字沟中树木根系较长，但生长方向较为单一，主要根系多向添加人工改良基质的方向伸展；台式十字沟中的杨树根系生长形态则介于这两种改良方式之间；而坛式井字沟中的杨树根系则较短，且呈发散生长，可均匀吸收根系周围养分，对3种改良方式情况下根系长度进行比较得出：丘式“一”字沟(4.1 m)>台式“十”字沟(2.6 m)>坛式“井”字沟(2.0 m)>盐碱裸地(0.87 m)，得出重度盐碱地经改良后地表杨树的生长状况良好。

3 讨论

实验过程中对重度盐碱地进行小穴一字沟觅食丘式、十字沟觅食台式以及井字沟觅食坛式3种方式的修复，并对3种不同方式的土壤结构、元素的改良，周期性的对改良后土壤环境中杨树的生长状况予以对比、分析。得出重度盐碱地在接受改良的情况下，其土壤内部结构与元素均得到不同程度上的改进。土壤内部结构方面：重度盐碱地土壤内部团粒结构在含有植物残体原有础上，其内部结构分布更趋于均匀化，土壤疏松垒结、空隙度、通气、透水能力、土壤比表面积均得不同程度的提升，为土壤养分及离子的交换创造了有利的条件。

土壤内部元素方面：土壤中Na元素含量显著减少(平均减少82.4%)，土壤中Fe元素的含量百分比较盐碱裸地有所增加(平均增加13.9%)，阳离子凝聚力增强，使土壤胶粒凝聚，利于形成土壤团聚体，且与Na+发生离子交换，减少土壤中的钠盐，使土壤盐碱化程度减弱。改良后杨树的平均光合速增长率为328%～381%；改良后杨树的平均光合速率增长率为98%～153%。最终综合改良结果表现为：重度盐碱地土壤结构中团聚体增多，土壤肥力增强，土壤盐碱化减缓；同时土壤中碳水化合物及有机化合物觉得到不同程度的增加，这使地表杨树生长状况因所需土壤环境条件得到有效的改善而表现旺盛，该种结果与后期改良后盐碱地地表杨树的生长状况实验数据形成鲜明呼应。

4 结论

土壤内部结构、元素种类及含量与重度盐碱地盐碱程度、地表杨树的生长状况之间具有密切的联系。重度盐碱地土壤环境中的水、气、热等的交换及微生物的活动，土壤内部结构、元素在接受3种不同方式的重度盐碱地改良的情况下，其地表杨树的生存与生长均积极促进的改善作用，这与史文娟等[16]，旱区盐碱地盐生植物改良研究动态与分析中的研究结果趋于一致，具有一定积极意义。实际操作的过程中考虑到生产成本及工作量等多方面因素的制约，建议多采用小穴一字沟改良措施，这为重度盐碱地的改良及可持续发展提供现实可靠的理论依据。