松嫩盐碱退化草地土壤理化性质及离子变化规律分析

摘要：为了解不同盐碱退化状态下土壤理化性质和土壤离子的变化，本研究以松嫩温性草甸草地为研究对象，比较了未退化、轻度、中度和重度盐碱退化草地下土壤离子和土壤理化性质，分析盐碱退化过程中土壤理化性质、离子变化规律及其相互关系。结果表明：土壤K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、HCO-3、SO2-4、CO2-3随盐碱程度加重显著增加，阳离子交换量显著下降（Plt;0.05）。随着盐碱程度变化，土壤电导率、pH、全钾显著增加，土壤全氮、碱解氮显著下降（Plt;0.05）。与未退化土壤相比，轻度和中度盐碱草地土壤含水量显著上升（Plt;0.05），速效磷含量显著降低（Plt;0.05）；重度退化盐碱草地速效磷含量显著上升（Plt;0.05）。土壤TN、AN、AP、K+与盐碱化程度之间存在显著的相关性。未退化草地土壤AN、TN含量较高，而重度退化草地AP、K+含量较高。本研究为松嫩盐碱退化草地修复措施的合理选择提供依据。

关键词：松嫩草地；盐碱化；土壤理化性质；土壤离子

中图分类号：S156.4+4""" 文献标识码：A"""" 文章编号：1007-0435（2024）06-1702-08

Analysis of Soil Physical and Chemical Properties and Ion Variation Rule of

Saline-alkali Degraded Grassland in Songnen

WEI Yin-zhu1， LI Jia-hong1， SUN Xue-tong1， LIU Jie-lin2， XIAO Hui-chuan1， LI Hao-tian1，

FU Chu-han1， SONG Xue1， ZHANG Qiang2， QIN Li-gang1*

（1. College of Animal Science， Northeast Agricultural University， Harbin， Heilongjiang Province 150000， China; 2. Institute of

Forage and Grassland Science， Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences， Harbin， Heilongjiang Province 150000， China）

Abstract：In order to understand the changes of soil physicochemical properties and soil ions under different saline degradation states，this study took the grassland of Songnen temperate meadow as the research object，compared the soil ions and soil physicochemical properties under the non-saline-alkali，light，moderate and heavy saline degradation grassland，and analyzed the changing rules of soil physicochemical properties and ions and their interrelationships in the process of saline degradation.The results shows that soil K+，Na+，Mg2+，Ca2+，Cl-，HCO-3，SO2-4，CO2-3 increased significantly with the increase of salinity （Plt;0.05），and cation exchange capacity decreased significantly （Plt;0.05）. With the change of salinity， soil conductivity， pH and total potassium increased significantly， while soil total nitrogen and alkali-hydrolyzable nitrogen decreased significantly（Plt;0.05）. Compared with non-degraded grassland soil，the soil water content of light and moderate saline-alkali grassland increased significantly （Plt;0.05），and the available phosphorus content decreased significantly. The content of available phosphorus in heavily degraded saline-alkali grassland increased significantly （Plt;0.05），Soil TN，AN，AP，K+ showed a significant correlation with the degree of salinization. Soil AN and TN contents were higher in non-degraded grassland，while AP and K+ contents were higher in heavily degraded grassland. This study provides a basis for the rational selection of restoration measures for saline degraded grassland in Songnen Plain.

Key words：Songnen grassland;Salinization and alkalization;Soil physical and chemical properties;Soil ions

松嫩草地位于干旱-半干旱气候区，是重要的生态屏障和草牧业基地。它在调控气候、防风固沙、生物多样性保持、水土保持等方面发挥着十分重要的生态作用［1］。近年来，全球气候变化和人类活动加剧，松嫩草地面积不断减少，退化、沙化和盐碱化问题日益严重，其中盐碱化现象尤为突出。松嫩草地是世界上三大片苏打盐碱地集中分布区域之一，现有盐碱化土地373万hm2，占该平原面积的21%。其中，重度盐碱化土地面积仍在以每年1.4%的速度扩展［2］。盐碱化土地面积不断增长，盐碱化程度也不断加剧，导致大面积草原退化，生态环境不断恶化，对该地区的生态环境与经济发展造成了极大的阻碍［3］。

土壤是草地生态系统的基础，其有机质含量、氮和磷等元素是评价土壤质量的关键指标，是影响草地生产力和生物多样性的关键因素［4-5］。草地退化是人类活动和气候变化导致的草地植被退化、土壤肥力下降、生态功能减退的过程。土壤水分、电导率和pH值是反映土壤肥力和环境质量的重要指标［6］。土壤水分和养分是影响草原生态系统功能与结构的关键因素，它们影响植物生长、植物群落演替和微生物代谢［7-10］。草地退化会改变土壤结构和力学性质，导致土壤肥力下降，进而导致草地植被退化［11］。钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg） 是土壤中重要的养分元素，也是土壤交换性盐基离子的主要成分，盐基离子之间的交换量以及与氮、磷等营养元素的交互作用，是维持陆地生态系统稳定性的重要指标［12］。土壤盐分积累是导致草地退化和盐碱化现象的主要原因之一，土壤中盐分的积累会破坏土壤-植物间的营养平衡，同时，盐碱退化会导致土壤微生物多样性和特定微生物功能基因多样性降低，进而对草地生态系统的稳定性产生负面影响［13-14］。此外，盐分还会影响土壤结构和理化性质，加剧土壤退化［15］。近年来，松嫩草地土壤盐碱化问题日益严重，研究松嫩盐碱退化草地土壤理化性质及离子的变化规律，对于指导土壤盐碱化治理具有重要的理论和实践意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于国家牧草产业技术体系绥化综合试验站（125°28′24″ E，46°32′17″ N，海拔高度为160 m），属于松嫩平原东南部，大陆性季风气候，年降雨量469.7 mm，年均气温2.9℃，年积温≥10℃，活动积温2 760℃，年均日照时数2 713 h；无霜期为130 d，全年结冻期为183 d。土壤以淡黑钙土、盐碱化草甸土为主。植被类型以中生或旱生禾本科植物为主，优势种为羊草（Leymus chinensis （Trin.） Tzvel.），伴生种有五脉山黧豆（Lathyrus quinquenervius （Miq.） Litv.）、虎尾草（Chloris virgata Sw）、碱茅（Puccinellia distans （L.） Parl.）、牛鞭草（Hemarthria sibirica （Gandoger） Ohwi）、寸草苔（Carex duriuscula C.A.Mey.）、芦苇（Phragmites communis （Cav.） Trin. ex Steud.）、碱蓬（Suaeda glauca （Bunge） Bunge）等。

1.2 样地设置与样品采集

根据植被群落特征，进行不同盐碱化程度草地的划分，并在不同盐碱程度的羊草草地上选择实验样地，其典型特征是土壤的盐碱化渐渐加重，羊草的种群密度降低，次生的植物群落出现［16］。本研究共设置4个试验样地，每个样地的面积5 m×5 m，设置3个重复（表1）。于2019年7月中旬在四个样地分别进行土壤实验样品采集，每个样地分别设置4个1 m×1 m的样方，在每个样方中以“s”形5点法取样，使用土钻分别采取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土层土壤，每层取3钻后混合，四分法收集样品。带回实验室风干后待测。

1.3 指标测定方法

土壤含水量（Soil water content，SWC）用重量法测定，电导率（Electrical conductivity，EC）用电导率仪测定，pH值用pH计测定（土水比为1∶5），全氮（Total nitrogen，TN）用凯氏定氮法测定，全钾（Total potassium，TK）用火焰光度法测定，速效磷（Available phosphorus，AP）用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，碱解氮（Alkali-hydrolyzable nitrogen，AN）用碱解扩散法测定，土壤阳离子交换量（Cation exchange capacity，CEC）用乙酸钠-火焰光度法测定，钾离子（Potassium ion，K+）和钠离子（Sodium ion，Na+）用火焰光度法测定、镁离子（Magnesium ion，Mg2+）和钙离子（Calcium ion，Ca2+）用EDTA络合滴定法测定，氯离子（Chloride ion，Cl-）用硝酸银滴定法测定，碳酸根离子（Carbonate ion，CO2-3）和碳酸氢根离子（Bicarbonate ion，HCO-3）用双指示剂中和滴定法测定，硫酸根（Sulphate ion，SO2-4）用EDTA间接络合滴定法测定［17］。

1.4 数据处理与分析

采用IBM SPSS Statistics 23.0进行单因素方差分析（One-way ANOVA）比较不同盐碱程度土层深度土壤理化性质及离子变化，选取最小显著性差异法（Least Significant difference，LSD）检验差异显著性；采用Origin 2021软件进行主成分分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质分析

如图1所示，SWC总体表现为MSgt;LSgt;NSgt;HS。与NS相比，MS各土层土壤SWC显著增加（Plt;0.05）。同一处理，HS的20～30 cm土层土壤SWC显著高于0～10 cm（Plt;0.05），其他土层之间无显著变化。土壤EC和pH随盐碱程度和土层深度的增加呈上升趋势。与NS相比，MS的pH显著上升，HS的pH和EC均显著上升（Plt;0.05）。同一处理下，HS、MS的20～30 cm土层EC显著高于0～10 cm土层（Plt;0.05）。NS、LS的20～30 cm土层pH显著高于0～10 cm土层（Plt;0.05），而MS土壤则相反，0～10 cm土层pH显著高于20～30 cm土层（Plt;0.05）。

由图2可知，随盐碱程度的加剧，TK含量呈显著上升趋势，AP含量呈先下降后上升趋势，TN和AN含量则呈显著下降趋势（Plt;0.05）。TK含量仅在LS的0～10 cm土层显著高于其他土层（Plt;0.05），其他草地不存在土层差异。与NS相比，不同盐碱退化草地土壤TK含量显著上升；AP含量在LS、MS显著下降，HS显著增加（Plt;0.05）。同一处理，AP含量随着土层深度增加显著下降（Plt;0.05）。土壤TN含量在不同草地、不同土层之间均存在显著差异（Plt;0.05）。与NS相比，MS和HS土壤TN和AN含量均显著下降（Plt;0.05）。同一处理，AN在不同土层深度之间差异显著（Plt;0.05），随着盐碱程度的增加，AN含量在不同土层的分布状况发生了变化，由表层（0～10 cm）含量最高转变为表层含量最低、底层（20～30 cm）最高。

2.2 土壤离子含量分析

由图3可知，随盐碱程度和土层深度的增加，CEC呈显著下降趋势（Plt;0.05）。研究区域CEC介于23.65～53.78 cmol·kg-1，与NS相比，MS和HS的CEC显著降低Plt;0.05）。同一处理，20～30 cm土层CEC均显著低于0～10 cm土层（Plt;0.05），尤其是HS，显著降低了43%（Plt;0.05）。

如图4所示，土壤阳离子含量随盐碱程度和土层深度的增加呈显著增加趋势。该研究区域土壤阳离子主要以Na+和Mg2+为主，同土层离子含量的顺序为Na+gt;Mg2+gt;K+gt;Ca2+，K+含量对盐碱退化的响应最敏感。与NS相比，LS、MS和HS土壤K+、Mg2+、Ca2+含量均显著增加（Plt;0.05），土壤Na+含量仅在HS显著高于NS（Plt;0.05）。同一处理，土壤K+、Na+、Mg2+、Ca2+含量随土层深度增加呈上升趋势，只有个别草地和土层差异显著。对于K+离子，20～30 cm土层显著高于其他土层（Plt;0.05）。对于Na+含量，MS和HS的20～30 cm显著高于0～10 cm土层（Plt;0.05）。对于Mg2+含量，LS、HS的20～30 cm土层显著高于0～10 cm土层（Plt;0.05）。对于Ca2+含量，NS、HS的20～30 cm土层显著高于0～10 cm土层（Plt;0.05）。

土壤阴离子含量随盐碱程度和土层深度的增加呈上升趋势（图5）。该研究区域土壤阴离子主要以SO2-4和HCO-3为主，同土层离子含量的顺序为SO2-4gt;HCO-3gt;Cl-gt;CO2-3。土壤Cl-和CO2-3含量对盐碱退化和土层变化的响应普遍不显著，仅个别草地和土层出现显著差异。例如，对于Cl-含量，与NS相比，HS的0～10 cm和20～30 cm土层显著上升（Plt;0.05）；同一处理，MG和HS 20～30 cm土层显著高于10～20 cm土层（Plt;0.05）。对HCO2-3含量，MS和HS含量显著上升。对于CO2-3含量，与NS相比，HS的10～20 cm、20～30 cm土层显著高于其他草地（Plt;0.05）。对于SO2-4含量，与NS相比，仅HS的SO2-4含量显著升高（Plt;0.05）；同一处理，土壤SO2-4含量在20～30 cm土层显著高于其他土层（Plt;0.05）。

2.3 相关性分析和主成分分析

如图6所示，土壤SWC与AP显著负相关；土壤EC与TN、AN显著负相关，与TK和pH显著正相关；土壤pH与TN、AN显著负相关，与TK、EC显著正相关；土壤TN与TK显著负相关，与AN显著正相关；土壤SO2-4与Na+、HCO-3、CO2-3、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-显著正相关；土壤Na+与HCO-3、CO2-3、K+、Ca2+、Mg2+显著正相关；土壤HCO-3与CO2-3、K+、Ca2+、Mg2+之间显著正相关；土壤CO2-3与K+、Ca2+、Mg2+显著正相关；土壤K+与Ca2+、Mg2+显著正相关；土壤Mg2+与Ca2+之间显著正相关，与AN显著负相关。通过主成分分析得出草地退化影响着土壤理化性质与土壤离子含量（图7），所选环境因子显著解释84.89%的变化差异，排序轴PC1和PC2分别解释58.56%和25.89%的变化差异。

3 讨论

不同程度盐碱退化草地土壤理化性状差异。研究结果表明，不同程度盐碱退化草地土壤含水量随土层深度增加而升高。这与胡娟等［18］对松嫩平原土壤水分时空变化特征的研究结果一致，0～30 cm深度范围内，随土层深度增加，平均土壤含水量从8.18%增加至11.0%。电导率和pH是反映土壤盐渍化程度的重要指示因子，而土壤盐渍化是造成草地退化的主要因素之一［19］。本研究结果表明，电导率和pH均随草地退化程度的加剧而升高。土壤电导率和pH在重度盐碱退化草地处于最高水平，表明重度盐碱土壤的离子组成对土壤的碱度有较大的贡献［20］。电导率反映了土壤溶液中离子浓度的大小，在一定浓度范围内，溶液的电导率与盐分含量的增加呈正相关，即随盐分的增加，电导率也随之增大［21］。因此，电导率可以用来指示土壤的含盐量水平。土壤中速效磷和碱解氮是衡量土壤肥力的重要指标［22］。本研究中，土壤养分随盐碱退化呈现出一定的规律。土壤TN，AN含量随盐碱程度的加深整体呈现下降趋势，这与前人研究结果一致［22-23］，分析其原因可能是盐碱退化影响土壤碳、氮、磷等元素循环过程，进而会导致土壤肥力下降［24-25］。土壤阳离子交换量是指土壤胶体所能吸附各种阳离子的总量，反映土壤保持养分能力的大小，即土壤阳离子交换量越高，土壤的保肥能力越强［26］。本研究中，土壤阳离子交换量随盐碱程度和土层深度的加深而降低，可能与草地退化引起有机质含量降低有关［27］。土壤阳离子交换量与土壤有机质呈正相关［28-29］，而随着盐碱程度的加深和土层深度，土壤有机质含量降低［30］，导致土壤的缓冲能力下降，保肥性减弱，因而土壤阳离子交换量含量也随之降低。

研究发现松嫩草地土壤中阳离子以Na+、Mg2+为主，阴离子以SO2-4、HCO-3为主。此外，主成分分析表明在未盐碱退化草地土壤AN、TN含量较高，而重度盐碱草地AP、K+含量较高。其原因是土壤阴离子和阳离子含量不仅能反映土壤养分含量和盐碱程度，而且对植物的生长也有一定的影响［31］，Na+可溶性大、流动性强、对植物的伤害最大，当土壤中Na+过多时，高浓度的Na+抑制了植物对其他离子，如K+的吸收，导致土壤中K+累积［32-33］。土壤K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、HCO-3、SO2-4、CO2-3含量随盐碱程度的加深均呈现上升趋势，这与前人研究结果一致［［34］。土壤K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、HCO-3、SO2-4、CO2-3等水溶性盐基离子是可以被植物直接吸收和利用的营养元素［31］，其浓度随盐碱退化程度增加的原因是盐碱化严重，土壤养分减少，植物多样性、生物量、盖度和密度下降［35-37］，植物可吸收的可溶性盐类离子也相应减少，这就造成了退化草地土壤中盐离子浓度高于为未退化草地。另有大量研究表明盐基离子含量与土壤电导率呈线性正相关［21，38-39］，退化草地土壤电导率增加会促进可溶性盐基离子的积累。

4 结论

本研究探讨了草地盐碱退化过程中土壤理化性质与土壤离子的变化规律，发现随着盐碱程度的增强，土壤阳离子和阴离子（K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、HCO-3、SO2-4、CO2-3）均显著增加，土壤TN、AN和CEC显著下降。此外，通过主成分分析发现，土壤TN、AN、AP、K+与盐碱化程度呈现显著的相关性，在未盐碱退化草地土壤AN、TN含量较高，而重度盐碱草地AP、K+含量较高。因此，在盐碱草地的修复过程中，可根据土壤离子动态变化选择合适的修复措施，以恢复土壤肥力、提高草地生态系统稳定性，从而为维护草地资源、推动草地生态系统的可持续发展做出贡献。

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（责任编辑 彭露茜）