植被恢复对土壤水溶性阴离子浓度的影响

董莉丽

（咸阳师范学院资源环境与历史文化学院，陕西咸阳 712000）

土壤中水溶性无机阴离子以F-、Cl-、NO2-、NO3-、HPO42-、SO42-最为常见，其含量与土壤的处境和来源有关，也极度影响着植物的生长，并会滞留于植物体内［1］. 水溶性阴离子含量越高，对物种多样性造成的影响越大［2］. 其中，水溶性硝态氮是土壤无机态氮主要存在形式，是植物氮素供应的直接来源；亚硝态氮是氮素循环的中间产物，且植物中亚硝酸根离子的积累主要来源于土壤［3］；土壤氟是大多数地方水和食物中氟的主要来源，了解土壤氟含量，尤其是水溶性氟的含量及分布，对研究生态环境中的氟、了解地氟病病源及分布区域等有重要意义［4］；氯离子和硫酸根离子浓度与全盐关联度高［5］，是土壤中主要的盐分离子，而盐分过多会使大多数植物造成生理性干旱，导致植物生理紊乱并阻碍植物吸收其他营养元素. 另外，植物主要以水溶性磷酸根和硫酸根离子的形态分别吸收磷和硫. 可见，土壤水溶性阴离子含量与土壤盐分和养分有关，而二者是影响植物群落生存和演替的主要因子［6］. 许多学者利用多种方法测定土壤中的几种水溶性阴离子含量，例如，杨葵华等［3］和孙好芬等［7］利用分光光度计法分别测定了土壤中的亚硝酸根离子和硫酸根离子含量；唐静等［8］利用离子色谱法测定了土遗址中的Cl-、SO42-、NO3-的含量. 其中，离子色谱法操作简单、可在较短时间内同时分析出多种离子浓度值. 且该方法灵敏度高，能满足土壤中阴离子测定要求［9］. 早在1985年，王永华等［10］就建议将土壤水溶性阴离子的离子色谱分析法作为标准方法之一予以推荐. 邱立萍等［11］采用离子色谱法测定墓葬土壤中五种阴离子，认为该方法前处理简单、测定结果可靠. 前人研究［12］认为试验选择1∶10的土水比，既能保证土壤样品中的阴离子能被有效提取，又能保证测定结果的准确性.

为了有效防治水土流失、减少自然灾害、固碳增汇和应对气候变化，我国各级政府长期以来一直致力于退耕还林还草等生态建设工作，该工作在很大程度上改善了区域生态环境，也改变了动植物群落的类型. 有学者研究了退耕还林还草对地面节肢动物群落结构［13］、土壤保持功能［14］的影响，并有学者［15］评估了退耕还林的生态效益. 有关退耕还林还草工程对土壤属性的影响主要集中在土壤水分［16］、养分［17］、团聚体水稳性［18］、碳固定［19］等方面，而对土壤水溶性阴离子影响研究鲜见报道. 本文以陕西省吴起县和礼泉县为例，选择不同退耕年限，不同造林树种以及不同地形条件下的退耕样地为研究对象，并以农地作为对照，通过野外采样和室内实验的方法，结合相关分析和多元统计分析，研究了经纬度、海拔、坡度、坡向、植被类型、退耕年限和土壤酸碱度对土壤水溶性阴离子含量的影响，本项研究将有利于评价干旱和半干旱地区生态环境建设产生的效益.

1 材料与方法

1.1 仪器

利用瑞士万通公司生产的离子色谱仪（Metrohm-792 Basic）测定六种土壤水溶性阴离子浓度. 实验中所用试剂均为分析纯，溶液均用电阻率大于18 MΩ 超纯水配制.

标准溶液的配置：分别称取105 ℃烘干2 h，并在干燥器中冷却后的2.210 g NaF、1.646 g NaCl、1.288 g NaBr、1.479 g Na2SO4、1.500 g NaNO2、1.433 g KH2PO4和1.631 g KNO3，定溶于1 L 去离子水中，即可生成1 mg/mL 的储备液，采用逐步稀释的方法配置一系列混合标准样品，各离子浓度梯度均为2、4、8、10、20 mg/L，图1 为20 mg/L标准溶液色谱图. 由图1可以看出，基线平稳，各离子峰形呈正态分布，无杂峰，分离度较大.

图1 混合标准溶液色谱图Fig.1 Chromatography of mixed standard solution

淋洗液的配置：分别称取190.782 mg Na2CO3和142.817 mg NaHCO3定溶于1 L 超纯水中，即可得到1.8 mmol/L Na2CO3和1.7 mmol/L NaHCO3混合溶液.

再生液：50 mmol/L 硫酸溶液.

色谱柱条件：Metrosep A Supp 4 250 型阴离子分析柱（250 mm×4 mm），Metrosep A Supp 4/5 Guard 保护柱（50 mm×4 mm）.

1.2 实验方法

吴起县和礼泉县样地基本情况分别见表1 和表2. 每个样地按“S”型布设5 个样点，每个样点取表层（0～5 cm）土壤样品，将采集的5 个样点土壤样品混合均匀，按四分法分3 袋装，带回实验室，自然风干后过1 mm筛.

表1 吴起县样地概况Tab.1 General situation of sample plots in Wuqi County

称取过1 mm筛的风干土样5.000 g，并置于250 mL烧杯中，用移液管加入50 mL淋洗液，并在25 ℃恒温振荡器上振荡30 min，之后用中速定量滤纸进行过滤，并用5 mL注射器吸取上清液3～5 mL，缓慢注射样品，使样品依次通过0.45 um微孔滤膜、保护柱和分析柱. 通过建立不同浓度系列标准溶液各浓度与色谱峰面积之间的线性函数关系，并根据样品的各色谱峰面积获得各相应峰对应的离子浓度.

表2 礼泉县样地概况Tab.2 General situation of sample plots in Liquan County

2 研究结果

2.1 吴起县土壤水溶性阴离子浓度

水溶性Cl-、NO2-、NO3-、SO42-、F-浓度值在吴起县各样地的范围分别在10.38～43.37 mg/kg、4.17～22.12 mg/kg、17.03～231.67 mg/kg、50.82～244.20 mg/kg、10.66～13.16 mg/kg 之间（表3）. 仅在柠条林地和小叶杨林地检测出了PO43-，而在其他样地未检测出PO43-，这与土壤对磷酸根的吸附性强有关.

单位：mg/kg

表3 陕西省吴起县退耕还林还草样地和农地土壤水溶性阴离子含量Tab.3 Contents of water soluble anions in soil of woodland，grassland and farmland in Wuqi County，Shaanxi Province

从平均值来看，土壤阴离子含量高低顺序依次为SO42-＞NO3-＞Cl-＞F-＞NO2-. 五种阴离子在各样地大小顺序不一致：NO2-和NO3-在柠条林地最大；Cl-和SO42-则分别在荒地和油松林地最大；而F-在各样地之间的差异小，最大值仅比最小值高出2.50 mg/kg.

2.2 礼泉县土壤水溶性阴离子浓度

水溶性Cl-、NO2-、NO3-、SO42-、F-浓度值在礼泉县各样地的范围分别在11.53～32.82 mg/kg、10.48～15.03 mg/kg、11.88～257.52 mg/kg、41.43～362.85 mg/kg、8.57～12.68 mg/kg之间（表4）. 在麦地土壤中未检测出PO43-，其他样地该离子浓度范围在10.01～17.32 mg/kg之间. 从平均值来看，土壤阴离子含量高低顺序依次为SO42-＞NO3-＞Cl-＞NO2-＞PO43-＞F-. 五种阴离子在各样地大小顺序不一致：NO2-和PO43-在刺槐地最高，NO3-在油松地③中最高；Cl-和SO42-则分别在油松地③和油松地②中最高.

表4 陕西省礼泉县退耕还林还草样地和农地土壤水溶性阴离子含量Tab.4 Contents of water soluble anions in soil of woodland，grassland and farmland in Liquan County，Shaanxi Province 单位：mg/kg

2.3 两样区各阴离子平均浓度比较

从所有样地平均值来看，NO2-、F-和Cl-在两个样区的差异较小，差异仅为23.32%、15.37%和1.73%.NO3-和SO42-浓度较高，在两个样区的差异也较大，礼泉县的分别高出吴起县的50.64%和135.06%. 分别计算礼泉县和吴起县农地和退耕地离子浓度平均值，见图2. 由图2可知，除吴起县农地F-含量略高于退耕地外，其他各离子均表现为退耕地大于农地的. 其中，礼泉县退耕地土壤硝酸根离子的含量高达农地的3.88倍.

图2 两样区农地和退耕地离子浓度Fig.2 Ion concentrations of farmland and abandoned farmland in the two areas

2.4 各土壤属性相关性分析

土壤有机质SOM与NO2-、NO3-和PO43-呈极显著正相关，黏粒Clay含量与F-、NO2-、NO3-和PO43-呈显著正相关. NO2-与NO3-和PO43-分别呈极显著和显著正相关；NO3-和PO43-呈显著正相关. F-与其他各离子之间呈负相关关系，但相关性不显著，而与黏粒含量呈显著负相关关系. Cl-和SO42-与其他离子之间的相关性不显著.

表5 土壤各属性之间的相关性Tab.5 Correlation of soil properties

2.5 基于Canoco的多元统计分析

以植被类型（农地为1，一年荒地为2，经济林地为3，多年荒地为4，针叶生态林为5，阔叶生态林为6）、经纬度、海拔、坡度、坡向（以正北方向为起点，标记为0，正东方向标记为90，正南方向为180，正西方向为270）和土壤酸碱度（pH）为环境变量，土壤六种水溶性阴离子浓度值为响应变量，基于Canoco的多元统计分析软件，利用约束性排序方法中的冗余分析方法（RDA）绘制排序图. RDA 排序特征值及物种—环境相关性见表6. 由表6可知，四个排序轴的特征值分别为0.445、0.033、0.001和0.000. RDA 排序的前四个轴保留了响应变量总方差的47.5%，其中前两个排序轴可解释总方差的47.3%. 因此，只保留前两轴来解释土壤水溶性阴离子含量的变化与植被类型等环境因子之间的关系，并绘制二维空间RDA 排序图，见图3.

表6 排序前四个轴的特征值及其与环境因子的相关系数Tab.6 Eigenvalues and their correlation coefficients with environmental factors for the first four axes

由图3可知，从箭头的长度来看，植被类型和纬度对土壤阴离子浓度影响最大，其次为pH、海拔、经度和退耕年限，而坡度和坡向的影响较小. 植被类型与氯离子、亚硝酸根离子、磷酸根和硝酸根离子的夹角较小，表明这几种阴离子受植被类型的影响显著. 而氟离子主要受海拔和纬度的影响，硫酸根离子则主要与土壤pH 呈正相关关系. 经检验，纬度、植被类型、pH和海拔的影响显著，P值分别为0.008、0.018、0.036 和0.048，而经度的P 值接近0.05，为0.074. 图3 中小圆圈上的数字代表样地编号，其中1～9代表礼泉县9个样地，10～21代表吴起县12个样地，编号的顺序与表2和表1中的样地顺序相同.

图3 土壤水溶性阴离子浓度与环境因子的RDA 排序图Fig.3 RDA sequence map of soil water soluble anion concentrations and environmental factors

3 讨论

土壤水溶性阴离子含量是生态系统各圈层之间物质循环的重要组成部分，既是维持生态系统生产力必需的养分条件，其中的氯离子和硫酸根离子又是主要的盐分离子. 研究发现，表层土壤硫酸根离子浓度远大于氯离子浓度，表明土壤盐分以硫酸盐为主. 两个样区土壤水溶性磷酸根离子含量较低，且在吴起县的多个样地中未检测出，这主要是由于磷在石灰性土壤中与钙结合，形成溶解度低的磷酸钙沉淀. 亚硝酸根离子含量也较低，主要与该离子是硝化作用的中间产物有关. 吴起县柠条林地硝态氮和亚硝态氮含量显著高于其他样地，这主要是由于柠条为豆科锦鸡儿属灌木，豆科植物根部长有根瘤菌能够固定空气中的氮，赵娟等［13］也得到相同的研究结论. 土壤水溶性氟较高的地区，某些作物的整株混合样含氟量也较高，土壤水溶性氟有可能通过作物—动物转入人体［20］. 土壤水溶性氟浓度在礼泉县和吴起县分别为10.02和11.56 mg/kg，在湖北荆州地区为1.76 mg/kg［21］，在杭嘉湖平原为0.5～1.0 mg/kg［22］. 可见，北方石灰性土壤水溶性氟含量高于南方酸性土壤［21］. 袁连新等［21］认为我国地氟病区土壤的水溶性氟含量平均值在0.28～22.16 mg/kg之间，余大富等［20］认为龋齿高发区土壤水溶性氟含量平均值为3.55 mg/kg，本文测试的土壤水溶性氟含量远高于该值，因此，应警惕研究区地氟病的发生. 土壤水溶性氟在不同植被类型及不同样区之间的变异很小，这主要是由于礼泉县和吴起县各样地土壤母质均为黄土，而母质是影响土壤水溶性氟含量多少的主要因素［4，21］. 除氟离子外，礼泉县土壤阴离子含量高于吴起县，根据礼泉县和吴起县人民政府网站公布的气象资料，礼泉县和吴起县近20年平均温度与降水量分别为12.6 ℃与517.6 mm和7.8 ℃与483 mm. 较高的温度和降水量有利于植物的生长，进而有利于土壤养分在表层的累积.

F-与土壤有机质和黏粒含量呈负相关关系. 谢正苗等［22］研究也认为水溶性氟离子浓度与土壤有机质和黏粒含量的分布规律相反. 这主要是由于黏粒具有较大的比表面，能吸附更多的氟，使氟的活性下降，水溶性氟含量降低［23］. RDA 分析表明，硫酸根离子与pH夹角较小，表明硫酸盐能改变土壤pH［24］. 磷酸根离子浓度与土壤有机质含量呈极显著正相关，可见，增加有机质可减少磷的固定，这主要是因为有机酸等螯合剂与Ca螯合，促使磷的释放，另外，有机质分解产生的CO2溶于水形成的碳酸可增加磷酸钙的溶解度.

两个杏林样地中，杏林①各离子浓度值较低，且亚硝酸根离子和硝酸根离子在杏林①和杏林②两个样地的差异性达显著水平，这与该样地坡度较大，且坡向为阴坡有关. 这主要是由于阴坡温度较低，水分蒸发较慢，养分离子不易在表层积累. 而较大的坡度，则使水分和可溶性养分离子易向坡下运移. 吴起县三个沙棘林样地中，沙棘林②由于退耕时间较短且坡度较陡，各离子浓度值均较低. 礼泉县两个永久性荒地中，荒地②离子含量高于荒地①，且NO2-、NO3-、SO42-和PO43-在两个样地的差异达极显著水平，这主要是由于荒地②为阳坡，植物的蒸腾作用和土壤水分的蒸发作用较强，且坡度较小，使土壤养分更易在土壤表层累积. 可见，除植被类型外，地形条件也影响土壤阴离子含量.

本研究认为，退耕还林还草样地表层土壤水溶性阴离子含量高于农地. 一方面是由于退耕地与农地相比植被盖度高，大量的枯枝落叶进入土壤表层后，可显著提高土壤有机质含量，土壤有机质进一步矿化，产生更多的养分离子；另一方面是由于氯离子和硫酸根离子是土壤的主要阴离子，其迁移主要受土壤水分运动的影响［25］，退耕地植被茂密，相对农地，植物的蒸腾作用强烈，水溶性养分更易随水分向上迁移，并聚积在表层. 梁东等［26］研究也认为植被的密集程度高，则吸水能力强，对土壤中盐分运移的影响明显.

4 结论

陕西省礼泉县和吴起县土壤盐分以硫酸盐为主，退耕地表层土壤阴离子含量高于农地. 干旱和半干旱地区的植被建设使土壤养分表聚的同时，也使盐分在土壤表层积累. 相同植被类型条件下，阳坡且坡度较小样地，土壤表层水溶性阴离子含量较高. 土壤水溶性氟离子与纬度的关系较密切，但整体变化较小，表明其主要受母质的影响，而受植被类型的影响程度较低. 且水溶性氟含量较高，应警惕地氟病的发生. 除氟离子外，其他各离子在礼泉县高于吴起县的，表明礼泉县较高的温度和降水有利于土壤养分在表层的积累.