叶尔羌河流域胡杨叶片生理特性和对土壤水盐及pH值的响应

莫治新，王超，王浩，孙梦，韦良焕

（喀什大学 化学与环境科学学院 &新疆生物类固废资源化工程技术研究中心，喀什 844006）

位于新疆维吾尔自治区西南、塔里木盆地西部边缘，发源于喀喇昆仑山的叶尔羌河流域全长1097 km［1］.叶尔羌河是塔里木河的源头之一.该区以农业为主导，因其丰富的光、热资源，从60 年代起，灌溉规模迅速扩张；由于作物产量的增长，致使塔里木河的下游终端已基本没有水源流入［2］.叶尔羌河是保证新疆塔里木河生态环境安全和促进新疆地区经济发展的一个主要来源［3-5］.位于塔里木河上游的叶尔羌河流域，是一个典型的干旱极端区域，其生态环境十分脆弱，容易遭受气候变迁和人为活动的破坏.近几年，由于受自然因素和人为因素的影响，造成了流域内河流断流的频发［6-7］，以胡杨林为代表的荒漠河岸林日渐衰落，使其防风固沙、调节气候、维持绿洲的可持续发展能力受到削弱［8］.

胡杨（Populus euphraticaOliv.）隶属于杨柳科（Salicaceae）杨属（PopulusLinn.）是叶尔羌河流域荒漠河岸林中的主要建群种，对维持叶尔羌河流域生态系统的平衡与生态功能具有重要作用［9］.叶尔羌河流域胡杨林内植物资源较为丰富［10］，但是近几年，人为破坏，水资源匮乏，使得胡杨林资源逐年下降［11］，表现为森林面积逐年缩小，动态度降低，斑块化倾向，生物多样性下降，进而破坏荒漠生态系统的平衡［12-14］.胡杨在维持荒漠生态系统平衡上起着不可取代的作用［15］.

叶尔羌河流域水资源承载水平到达超载的边缘［16］.该流域气候干燥，水土流失严重，土壤质地疏松，地表植物稀少，有机质水平偏弱；河滩、低洼地区存在严重的盐碱地、地表水及地下水利用不合理，排水系统不健全，在强烈的蒸腾作用下，容易发生次生盐渍化［17］.

针对以上问题，本文对叶尔羌河的土壤水分、土壤盐分和pH 值的空间变化特点进行分析，研究土壤水分、盐分、pH 值与胡杨叶片生理指标之间的相关性，为研究区胡杨资源的保护，维护生态平衡具有一定的理论意义.

1 研究方法

1.1 样地基本情况

在叶尔羌河流域上游、中游、下游的胡杨林典型区域设置样地15个，通过样方调查（表1），每个样方的面积为50 m×50 m，按人为分层采集土壤样品，分为5 层：0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm.

表1 样地基本情况Tab.1 Basic situation in the plots

1.2 土壤样品室内分析

土壤水分采用烘干法测定，土壤总盐采用重量法测定，土壤pH 值采用酸度计进行测定［18］.胡杨叶片用丙酮提取-分光光度法检测叶绿素含量，用蒽酮方法检测了其可溶性糖含量，用酸三酮显色分析方法检测游离脯氨酸含量，用硫代巴比妥酸法检测丙二醛含量［19］.

1.3 数据处理

用 SPSS 20.0及 Excel对数据进行分析.

2 结果与分析

2.1 胡杨林下土壤水盐及pH值空间分布特征

叶尔羌河流域胡杨林下土壤水分、盐分和pH值存在明显的空间分布规律（图1），结果表明：叶尔羌河流域上游胡杨林下土壤含水量＞中游＞下游；上游胡杨林下土壤含水量随着土壤深度的增加而增加，各层含水量均大于20%，各层之间含水量最大增幅为13.47%，最小增幅为3.35%；中游胡杨林下的土壤含水量变幅不大，各层含水量在13.43%～18.42%，其中在60～80 cm 土壤含水量达最大值18.42%，20～40 cm 土壤含水量略高于表层（0～20 cm）和第三层（40～60 cm）土壤含水量；下游胡杨林下土壤含水量在20～40 cm 达到最大值7.65%，40 cm 以下含水量变幅较小.上游土壤盐分＞下游＞中游，各段胡杨林下土壤盐分含量均是在表层（0～20 cm）达到最大值，由此说明：叶尔羌河流域胡杨林下盐分表聚作用强烈；随土壤深度的增加，土壤盐分呈现下降的趋势，其中上游胡杨林下的土壤盐分降幅显著，降幅在44.58%～65.19%之间；中游胡杨林下的土壤盐分随深度增加降幅较小，降幅在8.05%～40.70%；随着深度的增大，下游胡杨林地的含盐量下降幅度逐渐减小，降幅从47.7%降至29.0%.胡杨林下在0～80 cm 范围内，上游土壤pH 值＞中游＞下游，其中上游胡杨林下的土壤pH 值在第二层（20～40 cm）和第四层（60～80 cm）含量较高，在表层（0～10 cm）、第三层（40～60 cm）和第五层（80～100 cm）含量较低，各层变幅较小，在1.49%～2.29%之间.中游和下游胡杨林下的土壤pH值均是在第五层（80～100 cm）含量达到最大值，在表层（0～10 cm）含量最低，中游胡杨林下各层土壤pH值变幅在0.23%～2.45%之间.下游胡杨林下的各层土壤pH值变幅在0.35%～2.86%之间.

图1 胡杨林下各土层土壤水盐含量及pH值变化Fig.1 Dynamics of soil water-salt content and pH value under different habitats in Populus euphratica

2.2 胡杨林下土壤水盐空间变异性分析

叶尔羌河流域上游、中游、下游胡杨林下的土壤水分、盐分、pH 值的变异系数存在显著差异（图2），结果表明：上游胡杨林下各深度土壤含水率的变异系数在14.82%～38.79%之间，变异强度较弱；各层土壤盐分的变异系数均大于100%，属强变异性.在中游胡杨林下表层（0～20 cm）土壤含水率的变异系数为18.03%，变异程度较弱，20～40 cm 土壤含水率的变异系数为85.01%，40～60 cm 土壤含水率的变异系数为78.56%，均属于中等强度变异；60～80 cm、80～100 cm 土壤含水率的变异系数均大于100%，属强变异性；土壤盐分在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 和60～80 cm 的变异系数在65.16%～77.62%，均属于中等强度变异，80～100 cm 土壤盐分的变异系数为17.81%，变异程度较弱.下游胡杨林下土壤各层含水率的变异系数45.75%～104.32%，属中强度变异；土壤各层盐分的变异系数在67.54%～102.71%，属中强度变异.土壤各层pH 值的变异系数均小于4%，变异程度极小.

图2 胡杨林下土壤水盐含量及pH值含量变异系数Fig.2 Variation coefficients of soil water-salt content and pH value under different habitats in Populus euphratica

图3 胡杨叶片生理特性Fig.3 Physiological characteristics of leaves of Populus euphratica

2.3 胡杨叶片生理特性分析

受环境因素影响，叶尔羌河不同区域胡杨叶片生理特性存在差异（表3），结果表明：上游叶片丙二醛含量＜中游＜下游，丙二醛含量的变异系数也是上游＜中游＜下游，但变异系数均小于40%，变异程度较弱.上游叶片可溶性糖含量＞中游＞下游，可溶性糖的变异系数是上游＜中游＜下游，上游和中游的叶片可溶性糖的变异系数小于30%，变异程度较弱，下游叶片可溶性糖的变异系数为50.32%，属中等强度变异.中游脯氨酸含量＞下游＞上游，叶片脯氨酸的变异系数是中游＞下游＞上游，变异系数均小于30%，变异程度较弱.中游叶片叶绿素含量＞上游＞下游，叶片叶绿素含量的变异系数为中游＞上游＞下游，变异系数小于40%，变异程度较小.

2.4 土壤的水盐及pH 与胡杨叶片生理特性相关性分析

土壤含水率、盐分含量及pH值与胡杨叶片的丙二醛、可溶性糖、脯氨酸和叶绿素含量进行Spearman相关性分析（表2），结果表明：脯氨酸与20～40 cm土壤含盐量之间有显著的负相关关系（P＜0.05），脯氨酸与40～60 cm 土壤含盐量之间有极为显著的负相关关系（P＜0.01）；丙二醛与0～20 cm 土壤含水率之间有极为显著的负相关关系（P＜0.01）；脯氨酸与60～80 cm 土壤pH 值之间有显著的负相关关系（P＜0.05），叶绿素与60～80 cm 土壤pH 值之间有显著的正相关关系（P＜0.05）.

表2 土壤水盐含量及pH值与胡杨叶片生理指标相关系数Tab.2 Correlation coefficient of soil water-salt content and pH value with physiological indexes of Populus euphratica leaves

3 讨论

叶尔羌河流域整体属于干旱区，年降水量小于100 mm，近50 年来降水量呈增加趋势，流域平均温度从20 世纪90 年代中期开始表现为突变增温，以暖湿趋势为主［20］.这造成了流域胡杨林下的土壤盐渍化程度的面积有所减小，调查的15个样地中非盐渍化土壤占60%，轻度盐渍化土壤占13.33%，中度盐渍化土壤占20%，盐土占6.67%.

盐分和水分是影响胡杨生长发育的主要因子.而胡杨在极端的干旱环境中为了增强自身的生存能力，必须进行适应改变［21-23］.土壤水分、盐分、pH值的胁迫程度的改变会导致植株光合作用的细胞膜受到损伤，使叶绿素含量受到直接或间接的影响，从而导致光合能力下降；植物通过大量的有机、无机元素的累积，增加了细胞的液相含量，减少了渗透势，增加了细胞的保水性；因此，它能适应土壤中的水分和盐分的胁迫，同时也能反映出其它的生理指标［24-26］.叶尔羌河流域土壤水分的补给量上游＞中游＞下游，造成该区域土壤水分变化规律均是上游＞中游＞下游.由于研究区蒸发量大造成土壤盐分表聚作用强烈，表层土壤盐分含量均高于下层土壤.研究区属于石灰石土壤或盐碱土壤，因此该区域的土壤pH 值均在8～9 之间，且变异程度低.在不同区域土壤水分及土壤盐分的变异程度差距较大，因此土壤水分及盐分将是胡杨生长的主要限制因素，不同区域土壤水分及盐分条件不同，造成胡杨的抗旱及抗盐能力存在差异.研究区土壤水分、盐分和pH值空间分布存在差异，导致胡杨叶片的脯氨酸、可溶性糖、丙二醛、叶绿素含量在不同区域分布的差异性，但是胡杨叶片的脯氨酸、可溶性糖、丙二醛、叶绿素含量的变异程度均属于中低水平，说明胡杨叶片对土壤水分及盐分的胁迫有较强的抗逆性.

4 结论

叶尔羌河流域胡杨林下0～100 cm 的土壤平均含水率及pH 值的变化规律为上游＞中游＞下游，胡杨林下0～100 cm 的土壤平均含盐量的变化规律为上游＞下游＞中游，叶尔羌河上游、中游、下游胡杨林下的土壤水分、盐分、pH值含量存在空间差异性，土壤水分和土壤盐分的变异系数在不同空间差异较大，但土壤pH 值在不同空间变异程度均较小.在叶尔羌河流域的上游、中游、下游胡杨叶片丙二醛、可溶性糖、脯氨酸和叶绿素含量存在差异性，变异系数均较小.土壤的含水率、盐分及pH 值与胡杨叶片的丙二醛、可溶性糖、脯氨酸和叶绿素含量存在一定的相关性.