黄河三角洲农田排水沟边坡土壤水盐和养分分布特征

罗延峰，刘晓丽，宋希亮，王晓芳，陈为峰*，孙若钧，刘立军

（1.山东农业大学资源与环境学院，山东泰安271018；2.山东省土地综合整治服务中心，山东 济南250014；3.山东无棣金土地开发建设有限公司，山东 滨州251900）

黄河三角洲作为我国新生陆地面积增加最快的地区之一［1］，拥有丰富的盐渍土未利用后备资源，但生态相对脆弱［2］。农田沟渠是盐渍土开垦的重要组成单元，可通过灌排水来调节农田中的水盐分布，以达到洗盐脱盐的目的，大幅改善盐渍土农田耕作条件。但是疏松的土质沟道极易受到水流的侵蚀，而发生滑坡、冲沟等现象，导致沟道阻塞，降低了排水效率而增加了养护成本［3］。通过植被建植进行沟道生态治理，有助于排水沟功能的发挥和农田景观的构建［4］。农田排水沟边坡土壤理化性状具有很强的空间异质性，不同坡向、坡位表现出很大的差异，并影响了水盐的分布［5，6］。同时，不同季节也表现出不同的特征：夏季表现为淋溶洗盐，春秋季表现为盐分表聚［7～9］。边坡土壤水盐分布受多种因素的影响［10～12］，每个因子之间的相互作用形成复杂的耦合关系状态［13］。在蓄水条件下，农田排水沟与附近农田的水盐交换［14］，沟渠水与底泥的水盐交换［15］，使得沟渠土壤水盐变化呈现出新的变化规律。另外，对于沟渠养分的流动研究也显示，生态沟渠土壤剖面层次中土壤含水量、有机质含量显著增加［16］，滞留效应导致坡面呈现显著的养分时空变化［17］。边坡土壤水盐的含量，对于边坡稳定性具有重要的意义，随着盐分分布的变化，边坡土壤流失的量也在随之变化［18］。边坡对植被分布也有极大的筛选作用［19］，而不同植被在适应水盐条件的同时，与土壤养分、微生物和酶也表现出了极强的互作效应［20］。通过植被的建植，可大大提高边坡稳定性，改善土壤微环境［21］。

目前对于农田沟渠更多的研究集中在沟渠对于养分的运输、截留与控制面源污染的功能方面［22］，涉及沟渠边坡水盐和养分异质性的研究主要集中在西部偏干旱地区［23］，对于我国东部滨海高潜水位盐渍化地区的研究多以滨海自然湿地为主要研究对象，探讨生境中的因素与制备分布特征的关联。但对于农田排水沟土壤异质性与植被分布规律的研究甚少。基于此，本研究以黄河三角洲典型区域农沟和斗沟为研究对象，研究了不同坡面、坡位和土层深度的水盐和养分分布特性，以期为盐渍土沟渠坡面的生态快速恢复提供基础数据和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

图1 坡面植被参数Fig.1 Slope vegetation parameters

本试验位于山东省滨州市无棣县东北部黄河岛，地理坐标为118°01′56″E，37°56′23″N，属北温带东亚季风位域大陆性气候，年均气温13.6 ℃；平均降雨量600 mm 左右。黄河岛系古黄河泥沙淤积而成，由秦口河、套尔河环抱，四面环水，形似一个相对独立的岛屿，占地25.9 km2。黄河岛为退海新生陆地，濒临黄河古入海口，地处黄河三角洲腹地，海拔高度在0.2～3.4 m 之间，地下水位平均1.3 m 左右，矿化度为10～20 g·L-1，土壤类型为典型滨海盐土和滨海盐化潮土，土壤盐渍化严重。经过近20 年开发，岛上沟渠密布，达到了20.72km·km-2，形成了发达的灌溉排水系统，土壤改良效果良好，已经人工种植近2 万亩白蜡（Frax⁃inus chinesis）、刺槐（Robinia pseudoacacia）和苜蓿（Medicago sativa）；自然植被主要有芦苇（Phrag⁃mites australis）、碱蓬（Suaeda glauca）、柽柳（Tam⁃arix chinensis）、白 刺（Nitraria sibirica）、罗 布 麻（Apocynum venetum ）、补血草（Limonium bicol⁃or）、白 茅（Imperata cylindrica）、拂 子 茅（Cala⁃magrostis epigeios）等。

1.2 样品采集

试验地为黄河岛上已使用10 年的沟渠，2019年秋季（10 月）选择典型斗沟和农沟各一条，农沟为南北向延伸长度约390 m，平均深度1.5 m，宽度4.2 m，坡度1∶1，斗沟为东西向延伸长度约1 700 m，平均深度2.2 m，宽度12.5 m，坡度1∶1.5 农沟垂直于斗沟。在斗农沟相对应的两个坡面分别均匀设置上、中、下3 个坡位，其中农沟上、中、下坡位分别为自沟顶延坡面向下0～30 cm、30～90 cm、90～150 cm，斗沟上、中、下坡位分别为自沟顶延坡面向下0～100 cm、100～200 cm、200～300 cm（图2），在相距50 m 左右的位置上取三次重复。取样时期，沟中均未有积水。每个取样点三钻混合，取样土层深度设置为0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm3 个层次。将土样带回，进行处理。

图2 采样断面布置示意图Fig.2 Schematic layout of sampling positions

1.3 指标测定

使用铝盒盛装土样带回实验室，用烘干法测土壤水分含量。将土样在室内自然风干，避免其他杂质的污染。将风干土除去杂质，碾碎后分别研磨过筛。使用水土比5∶1 获取浸提盐溶液，残渣烘干质量法测定土壤水溶性盐总量，使用雷磁PHS-3C 型pH 计 以 水 土 比5∶1 测 定 土 壤 浸 提液pH，重铬酸钾容量法（外加热法）测定土壤有机质含量，半微量开氏法测定土壤全氮含量，0.5mol·L-1NaHCO3法 测 定 土 壤 速 效 磷含量［24］。

1.4 统计分析

数据采用Excel 2010 作图，描述农田排水沟水盐及养分分布特征，描述坡面植被分布参数，表征这些指标在排水沟的坡面分布特点。用SPSS 22.0 进行单因素方差分析、LSD 方差同质性检验来表现单变量下差异显著（P<0.05）。使用SPSS 22.0 进 行PCA 分 析，Origin 2019 作 图，以 显 示 不同指标间的相关性及主导因素。

2 结果与分析

2.1 土壤含水量与全盐含量

沟渠各坡位土壤含水量变化如图3 所示。农沟土壤含水量均随土层加深而显著增加，此时的坡面土壤水分可能主要来自于地下潜水和土壤截留水，表层土壤含水量因蒸发而显著低于深层。农沟东坡面表现为：中坡位>下坡位>上坡位，即农田侧渗土壤水分在农沟中坡位显现，由于非雨季，农田表面及上坡位得到补给较少，所以土壤含水量较其他两个坡位低。处在阴面的南坡，上坡位土壤含水量在深层较表层增加了11.6%，在中坡位和下坡位则分别减少了21.4%和26.6%，且中坡位和下坡位各层土壤含水率均较上位高，最大值含水率为30.1%出现在下坡位0～10 cm 土层，这可能是由于南坡的植被根系在根区捕获了大量的土壤水分，使得土壤水分在坡面上的分布规律与植被丰富度和地上生物量相同。阳面的北坡各坡位土壤含水率在10～20 cm 和20～40 cm 土层较为稳定，平均为上坡位17.3%、中坡位22.4%、下坡位21.7%，与植物地上生物量的变化趋势相同。相同坡位土层土壤含水量南坡均显著高于北坡，这是可能是由北坡较大的太阳辐射和蒸发造成的。

农沟土壤全盐含量在上坡位随土层加深而递增，在下坡位则先降后增且表聚显著。在中坡位东西坡面土壤全盐随土层的变化规律相反，东坡土壤全盐最大值出现在中坡位20～40 cm 土层，，西坡则在中坡位表聚显著，这可能与东西坡面植被分布的特征有关。东坡土壤全盐含量表现为中坡位>下坡位>上坡位，西坡则表现为下坡位>中坡位>上坡位，东坡西坡同坡位土壤全盐含量差异不显著。

随着地下高矿化度潜水水位下降，斗沟北坡各坡位土壤全盐含量均随土层加深呈显著递减趋势。在北坡下坡位0～10 cm 土层出现最大值17.54 g·kg-1，土壤全盐总量中坡位>下坡位>上坡位。斗沟南坡土壤全盐总量下坡位>中坡位>上坡位。强烈的蒸发加剧了盐分随毛管作用向上运移，北坡各土层土壤全盐含量均显著高于南坡。

2.2 土壤养分含量

沟渠土壤有机质、全氮、速效磷含量如图4 所示。土壤有机质含量除在西坡和东坡中下坡位随土层加深而显著递减，说明有机质主要源自于地上植被的输入，在东坡上坡位呈显著增加，表明该位在深层土壤积累了大量的有机物，可能是受到根际分解还田的影响。东坡土壤有机质含量表现为中坡位>下坡位>上坡位，西坡则表现为上坡位>中坡位>下坡位。在上坡位各土层东坡土壤有机质含量显著低于西坡，在中坡位深层和下坡位各土层东坡土壤有机质含量显著高于西坡。

斗沟土壤有机质含量坡位间表现为：中坡位>上坡位>下坡位。斗沟南坡土壤有机质含量随土层加深依次显著降低。斗沟北坡上坡位多年生灌木白刺分布使得土壤有机质表现在20～40 cm 土层显著增高，中坡位形成单一品种群落，表现为有机质土层间差异不显著。除在上坡位和下坡位的0～10 cm 土层南北坡土壤有机质含量差异不显著外，其他土层均表现为北坡显著高于南坡，土壤有机质总量北坡比南坡高出25.2%，这与北坡常年光照充足，光合作用积累有机物质较多和还田分解显著有关。土壤全氮含量，农沟东坡显示在10～20 cm 含量最高，尤其是在中坡位土壤全氮含量较其他坡位高，0～10 cm 土壤全氮含量上坡位>中坡位>下坡位，与植被丰富度分布规律相同。西坡较少的植被丰度和生物量限制了氮素的还田量，土壤氮素向深土层和下坡位移动，土壤全氮含量土层间分布规律为上坡位0～10 cm 土层含量最低，在坡位间呈现出上坡位<中坡位<下坡位，10～40 cm 土层则呈中坡位>下坡位>上坡位。西坡植物残体在中下坡位表层堆积，而东坡密集的植被减缓了残体分解，从而导致含氮量较东坡丰富，其他坡位东坡土壤全氮含量均显著高于西坡。

图3 农沟和斗沟不同坡位和坡向土壤含水量与全盐含量Fig.3 Soil moisture and salt content of different slope position of different ditches

斗沟土壤全氮含量，在南坡上坡位随处土层加深依次显著增加依次显著增加，在中下坡位则降低，0～10 cm 土层土壤全氮含量中坡位>上坡位>下坡位，10～40 cm 土层则上坡位>中坡位>下坡位，与植被丰度和地上生物量的分布规律相似。北坡除在上坡位表层显著高于深层外，其他坡位在深层含量较表层高，一般中坡位、下坡位土壤全氮含量显著高于上坡位。阳坡较高的土壤温度加速物质分解，下坡位土壤全氮含量北坡显著高于南坡。

土壤速效磷，在农沟上坡位、下坡位呈随土层显著降低、在中坡位呈显著增加的规律。坡位间呈现出上坡位<中坡位<下坡位的规律，呈现出向下坡位运移富集的趋势。斗沟南坡土壤速效磷含量随土层加深依次显著降低，其中在中坡位表层含量最高。北坡在土层与坡位间的变化规律性不强。

2.3 土壤指标主分量分析

农田排水沟坡面环境因子负荷量矩阵如表1所示。在农沟东坡，第一主成分中土壤表层水盐、养分和物种丰富度的值较大。在农沟西坡，第一主成分中表层水盐、全氮和深层有机质的值较大，第二主成分中表层有机质和深层盐、氮磷的值较大。在斗沟南坡，第一主成分中表层盐分与深层水分、氮磷，物种丰富度和地上生物量的值较大，第二主成分中表层养分与盐分的值较大。在斗沟北坡，第一主成分中表层水盐、深层有机质、土壤速效磷、地上生物量的值较大，第二主成分中深层水分、有机质和全氮的值较大。

图4 农沟和斗沟不同坡位和坡向土壤养分含量Fig.4 Soil nutrient content of the different slope positions of different ditches.

各区位与环境因子的PCA 排序如图5 所示。土壤盐分与有机质在农沟、斗沟的中坡位都是主要影响因素，在上坡位除斗沟北坡外，养分都是主要影响因素。在下坡位，北坡和西坡均显示出水分和养分为主要影响因素，南坡和东坡则以养分和植被为主要影响因素。

在农沟东坡，地上生物量与表层土壤水盐和速效磷含量呈正相关，物种丰富度指数与表层土壤全氮含量呈正相关，而与表层土壤水盐、速效磷含量呈负相关。在农沟西坡，地上生物量与土壤水分和深层盐分呈正相关，与土壤有机质含量、物种丰富度呈负相关；物种丰富度与土壤养分呈正相关，与表层土壤水盐、速效磷含量呈负相关。在斗沟南坡，地上生物量与土壤水分、表土盐分和物种丰富度呈正相关，与养分呈负相关；物种丰富度与深层土壤水分、速效磷含量、表层土壤盐分、地上生物量呈正相关，与土壤养分呈负相关。在斗沟北坡，地上生物量与深层土壤有机碳、速效磷、全盐含量呈正相关，与表层土壤水盐、10～20 cm土层氮磷、物种丰富度呈负相关；物种丰富度与表层土壤水盐、10～20 cm 土壤氮磷呈正相关，与深层土壤盐分、速效磷、有机质含量呈反相关。

图6 各区位与环境因子的PCA 排序Fig.6 PCA sort of slope positions and environment factors

表1 主成分分析环境因子负荷量矩阵Table 1 Main component analysis of environmental factor load matrix

3 讨论与结论

农田排水沟边坡土壤中水盐是主要影响成分，尤其是表层土壤水盐对于生态的影响。在东坡土壤水分与盐分布特征趋于相同，均在中坡位达到最大值，这可能是因为农沟承担了农田内部土壤的排水任务，边坡土壤水分含量主要受降雨或灌溉后农田内部水分运动的影响。由于秋季降雨相对较少，地下水位较深，降水进入土壤后一般会发生垂向和侧向两个方向的渗流［25］。降雨后，地表径流较少产生，因此除土壤持水外，一部分可能垂向直接渗入地下，一部分也可能侧渗从农沟中部渗出，从而出现中坡位水分盐分相对较高的现象［26］。农沟排水滞留时间短，排水沟中水对土壤影响相对较小有关。农沟作为较小的景观尺度表现出较为均质的特性［27］，受到地下潜水埋深影响显著，坡面土壤全盐含量均在下坡位集中且表聚显著。农沟的行水、侧渗水促进了浅层地下水在沟坡的表聚。经调查植被分布对盐分的表聚有显著影响［28］，农沟东坡有较为丰富的植被覆盖，土壤水分和盐分呈显著相关，同时西坡相对较为裸露的地表加速了水位下降和盐分的表聚［29］。斗沟承接的主要是农沟的排水，其水源主要来源于斗沟，其边坡土壤含水量主要受沟底农沟汇集而来的行水或积水的影响。另外，调查中发现，中下坡位植被覆盖度相对较高，这也正体现了边坡对植被分布的筛选促进作用［16］和植被对土壤水分的保持效应。斗沟除上位的20～40 cm 层次以及下位的10～20 cm 层次，南北坡其他坡位相同层次土壤水分南坡大于北坡，且含量差异均显著，这可能是斗沟排水滞留时间短，南坡（阴坡）接受太阳辐射强有关，与农沟东坡分布规律较为相似。斗沟北坡在阳面较强阳光辐射下，表现出高于南坡的蒸发，较大的蒸散面积促进了盐分向边坡表层运移［25］，盐分表聚性显著。在秋季斗沟坡面盐分富集区域有下移的趋势，这可能与雨季的降水淋溶和地下水下移有关。斗沟北坡表现出与农沟西坡相似的特征，除较强土壤蒸发外，可能也与较大的植被蒸散面积有关。

沟渠土壤有机质等养分基本来自于自然植被的根系分泌物、枯落物分解等，中坡位处于不同生长型植被的交错带，有更为丰富的物质来源，成为养分储备丰厚的“肥区”［23，30］。坡面间植被覆盖度差异，可能是导致坡面理化特性分布的不同的原因。仙旋旋［31］等的研究显示，在土壤中水分不适中或是盐分含量增高时，土壤养分会相应的降低。东西坡面间土壤有机质含量在上位各层次以及中位、下位的深层差异显著，可能为该原因造成的。农沟西坡，土壤中的有机质吸附水盐使盐分与养分变化具有同步性，土壤有机质具有强吸水能力［32］，所以较高的水分则抑制了土壤有机质的积累。土壤有机质的存量取决于输入和输出土壤的有机物的量，以及在微环境中分解的速率［33］。在土壤有机质经过分解流失，在表层土壤在自然风化条件下，土壤有机质分解速度较深层土壤高。土壤全氮受到土壤作物根系分解及固氮菌等的作用显著，经调查沟渠植被以深根性植物为主，深层的土壤全氮含量可能受到植物根系的影响［34］，在深层有较高的积累。土壤速效磷含量在呈现出上坡位多下坡位少，表层多深层少的变化趋势，即土壤速效磷主要来源于上部农田的流失，且转移效果较明显［35］在排水沟的底部出现沉淀或在行水过程中，靠近沟底的土壤对水体中速效磷形成截留［36］，同时，受到植被和阳光的影响，可能会打乱土壤速效磷的自然淋溶-沉积的过程。

微环境条件下植被的分布特征是环境条件与植被适应的产物［37］，土壤水、盐、有机质组分的变化影响了植物群落的分布特征［38］。土壤全盐与有机质在农田排水沟的中坡位形成显著的富集区，但物种丰富度和植被地上生物量并不高，在阳坡、半阳坡这种现象尤为显著，这与土壤水中携带的高浓度淋出盐分抑制了植物的生长有关。通过加大灌水量增加土壤水分从而达到降低盐浓度的目的，但存在着水分饱和坡面稳定性减弱的风险。设置隔盐层，阻滞高矿化度潜水上升，通过多次洗盐，达到脱盐的目的，但增加了工程量。选育高耐盐植物在该坡位种植，通过植被覆盖，既可以降低蒸发有能增加土壤养分，形成良性循环。另外覆膜、覆盖基质、植生带等方法也多有研究。

农田排水沟上坡位承接了来自于农田的养分相对丰富的径流，在水分流失的过程中，养分也随着土壤水向沟底迁移流出沟道。相对输出多输入较少，上坡位需要及时补充水分和养分，以维持群落的稳定。北坡和西坡属阳坡半阳坡土壤蒸发剧烈，下坡位表聚盐分对地上生物量的影响显著，保持土壤水分和养分降低盐分析出尤为重要。阴坡、半阴坡以养分和植被为主要影响因素，在农沟东坡下坡位物种丰富度随着盐胁迫的加剧而降低，可以通过增加耐盐植物种类提高物种丰富度以增强微生态抗逆性。

总之，（1）土壤水分主要是土层间变化，土壤全盐主要体现在坡位间的运移，共同构成农田排水沟表层土壤的重要影响因素。土壤水分在农沟中坡位最高，在斗沟表现为下坡位>中坡位>上坡位，并随土层加深含水量越来越丰富，在北坡和西坡的下坡位占据主要因素。农田排水沟土壤全盐含量均在农沟和斗沟北坡中坡位集中，构成该坡位的主要影响因素。（2）农田排水沟在中坡位形成显著的有机质富集区，土壤全氮受植被根系影响显著，土壤速效磷受淋洗-截留影响较大，养分一般在根区形成显著影响。土壤养分分布与物种丰富度相关，在斗沟同时受到植被生物量的影响。农田排水沟在中坡位体现出盐分、养分的综合影响，北坡和西坡下坡位同时受到水分和养分的制约，南坡和东坡则受到养分和植被的综合影响。（3）农田排水沟的中坡位高盐浓度抑制植物生长，亟待降低盐胁迫建植耐盐品种。上坡位需要及时补充水分和养分，以维持群落的稳定。下坡位表聚盐分对地上生物量的影响显著，保持土壤水分和养分降低盐分析出尤为重要。阳坡半阳坡土壤蒸发剧烈，合理水分补充有利于群落稳定，阴坡、半阴坡以养分和植被为主要限制因素，可以通过增加耐盐植物种类提高物种丰富度以增强微生态抗逆性。

综上可知，农田排水沟生态受表层土壤水盐、深层养分与地被植被影响较大，不同坡向坡位的主要影响因子不同，应采取适宜的生态修复方式。