赵广兴, 李王成,2,3,*, 高海燕, 王洁, 徐天渊, 贾振江
不同水分对白茎盐生草()根区土壤水盐动态及其生长的影响
赵广兴1, 李王成1,2,3,*, 高海燕1, 王洁1, 徐天渊1, 贾振江1
1. 宁夏大学土木与水利工程学院, 银川 750021 2. 旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心, 银川 750021 3. 省部共建西北土地退化与生态恢复国家重点实验室，银川 750021
为研究不同水分条件下白茎盐生草根区土壤水盐动态变化及生长规律, 采用桶栽试验, 以水分和植被生长为控制因素; 探索了白茎盐生草生长对土壤水盐动态的影响及土壤水分对白茎盐生草生长的影响。结果表明: 土壤含水率随土层深度增加而增大, 呈“反S”型分布, 土壤剖面电导率随土层深度呈递减趋势, 为“S”型分布。与裸土相比, 植被生长条件下的土壤水盐动态变化更加复杂; 水分不足条件时更容易产生盐分表聚现象。特枯水年下的白茎盐生草生长受到严重抑制, 但特丰水年和丰水年对植物生长的影响差异并不显著。因此, 与裸土相比, 白茎盐生草生长显著影响其根区土壤水盐动态。
水盐动态; 白茎盐生草; 水文年
土壤水分是影响植物生长的关键因子, 显著影响干旱半干旱区的植物群落分布。有植被生长时, 可能会对土壤水盐动态产生影响, 土壤水盐动态反过来也影响植物生理生长状况[1-2]。目前, 土壤盐碱化已成为全球性问题, 盐碱胁迫会对植物的生长造成渗透胁迫及离子毒害[3]等影响, 常常采用生物措施进行盐碱地改良。随着生态修复越来越被重视, 关于植被生长对土壤水盐动态的研究也越来越多[4]。前人研究多倾向于对干旱区、滨海地区、灌区等农田土壤水盐运移、水盐动态变化[5]及水盐平衡等[6-7]方面的研究, 盐生植物对盐碱地改良和对土壤水盐的影响也有一些研究[8-9]。盐生植物作为一种改良土壤盐碱化的生物措施, 部分学者对多枝柽柳()[10]及梭梭()[11]等植被土壤水盐动态和土壤化学性质进行了一系列研究; 祁通等[12]选用盐地碱蓬()和海蓬子()对新疆南北疆盐碱地做了吸盐能力的研究; 史海滨等[13]关于河套灌区水盐平衡做了很多研究, 为灌区土壤水盐调控提供理论依据。
宁夏中部干旱带为典型生态环境脆弱区, 降雨稀少, 除农作物外的其余植被依托天然降雨进行生长, 当地由于使用微咸水灌溉枸杞L.),使当地土壤次生盐碱化问题和生态恢复问题日趋严峻, 亟待解决[13]。而白茎盐生草生境广泛, 对改善土壤盐碱化问题具有积极的现实意义。白茎盐生草()为藜科()盐生草属()的盐生植物, 具有较强的抗旱、抗盐能力。前人关于白茎盐生草的研究主要集中于其耐盐机理[15]、种群分布[16]、萌发特性[17-18]和改良盐碱地[19-20]等方面。王文发现白茎盐生草可在全盐含量0.5%—1.0%的盐碱地旺盛生长, 通过根、肉质化叶片将盐分聚集在体内, 植株成熟之后将其拔出, 可将土壤盐分带出, 种植4—6年后能使盐碱化土地达到种植农作物的水平。目前对单株白茎盐生草周围土壤水分和盐分变化分布的研究较少, 针对白茎盐生草在不同水分条件下的生长规律还不明确的问题, 对白茎盐生草进行相关研究, 旨在为宁夏中部干旱带生态环境的改善、生态脆弱区的恢复和盐碱地利用提供理论基础。
1.1 试验设计
宁夏中部干旱带为典型的温带大陆性气候, 冬春寒冷干燥, 风大干旱, 降雨主要集中在5—9月, 年均蒸发量在2000 mm以上, 年均降水量远远小于年均蒸发量[21]。试验地点位于宁夏回族自治区中卫市沙坡头区香山乡红圈子村尹东大队(36°06′N, 105°15′E), 平均海拔为1697.8 m。
不同水分条件采用兴仁站50年的5—9月的日降雨量资料进行统计分析, 运用P-Ⅲ型曲线进行水文频率的计算及水文年型的选择(表1), 分别为W1—10%(特丰)、W2—25%(丰)、W3—50%(平)、W4—75%(枯)、W5—90%(特枯)对应的年份设置5个降雨量水平; 按照实际日降雨量资料采用烧杯和自制小洒壶模拟降雨量。将裸土(Z0)和有植被生长(Z1)的土壤水盐动态进行对比, 探讨植被生长对土壤水盐动态的影响。当地土壤为砂壤土, 田间持水量为23%、全盐量为3.2 g·kg-1、有机质为12.01 g·kg-1、速效磷为6.5 g·kg-1、碱解氮为25.43 mg·kg-1、速效钾为198.21 mg·kg-1、平均初始电导率为0.823 ds·m-1、平均初始pH为8.23。采用室外桶栽试验, 试验桶直径30 cm, 高45 cm; 按当地土壤0—40 cm的平均容重(γ=1.38 g·cm-3)装土。
白茎盐生草种子为前一年当地生长的白茎盐生草所结的籽, 在2020年5月5日将种子撒在桶中, 每桶30粒, 采用文献[22]的方法对种子进行挑选和消毒; 待白茎盐生草幼苗长出2片真叶时进行间苗, 每个处理留幼苗1株。晴天阴天桶栽在自然环境中生长, 雨天时将桶栽移入透光且两端通风的防雨棚, 遮雨棚的光照条件及温度与自然环境基本一致。9月15日植株成熟进行收获, 测定生物量及根长、地径。模拟降雨采用当地自来水, pH为6.98。以水分和植被生长为控制因素, 研究植物的生长规律及土壤水盐动态; 试验为一因素五水平、一因素两水平的拟水平完全试验; 试验共10个处理, 分别为W1Z1、W1Z0……W5Z1、W5Z0, 每个处理3个重复。
表1 代表年模拟降雨量水平
1.2 测定项目与方法
(1)土壤含水率与盐分的测定 首先在种植植物前5月4日取一次土, 后续的取土日期按照白茎盐生草的生育期划分为幼苗期6月18日、生长期7月21日、开花期8月21日、成熟期9月15日, 一共取5次土。通过土钻法进行取土, 测定土壤含水率、土壤浸提液电导率(EC); 取土深度为0— 10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm。土壤含水率的测定: 称铝盒重为0, 用铝盒盛土壤样品进行称重记为1, 在105 ℃下烘8小时, 称干重记为2。土壤含水率(%)=(1-2)/(1-0)×100%; 电导率的测定[23]: 利用电导率仪测定土水比为1:5的土壤饱和浸提液电导率, 本试验用电导率来表征土壤盐分含量的多少。
(2)植被生长相关指标的测定 冠幅和株高采用精度为1 mm的卷尺进行测量, 冠幅为植物的南北和东西方向的宽度的平均值。叶片保水力[24]通常用来表示植物组织的抗脱水能力, 叶片保水力=(24 h重-干重)/(鲜重-干重)。由于前期植物较小, 且白茎盐生草贴地生长, 生物量、地径和根长只在最后成熟期收获之后进行测量。地上、地下生物量的测定: 鲜重直接进行称重, 干重需在105 ℃下杀青10 min后, 置于85 ℃下烘24 h至恒重、称量。试验结束时用清水冲洗植物根部, 根长采用卷尺(精度为1 mm)、地径采用游标卡尺测量。
1.3 数据处理
采用 Microsoft Excel 2010进行数据分析与绘图, 采用SPSS 25软件进行差异显著性分析, Duncan法进行显著性分析和Person相关性分析。
2.1 不同水分条件下土壤水盐的变化
2.1.1 不同水分条件下土壤水分的变化
以植物生育期为参考, 按照日降雨量资料进行模拟5.4—9.15的日降雨量, 发现不同水文年对应的降雨量明显不同(图1)。W1下5—9月总降雨量最大为219.9 mm, W5总降雨量最小为88.46 mm; W1、W3、W4下8—9月降雨量最多, W5下降雨量分布不均匀, 6月19日—8月16日总降雨量仅为9.6 mm, 会对植物生长和土壤水分产生较大的影响。总之, 不同降雨量水平下8—9月的降雨量最集中。
裸土和有植被生长条件下, 土壤含水率在土壤垂直剖面总的趋势均呈“反S型”分布。W1Z1条件下每个土层含水率变化较小, 因为降雨量较多, 有足够水分渗入到30—40 cm处, 对应的土壤含水率高。土壤含水率最大值为6月18日对应的30—40 cm处为18.01%。植物生长后期, 由于植物消耗水分较多和气温较高, 对应土壤含水率减小。W2Z1条件下各土层范围内: 0—10 cm处土壤含水率因土壤蒸发强烈导致含水率降低; 20—30 cm因白茎盐生草根部吸水, 供给植物生长, 水分被消耗; 30—40 cm土层因受水分蒸发和植物吸水影响较小, 水分含量保持较高的水平。W3Z1与W4Z1条件下基本变化趋势为0—10 cm范围的土壤含水率最小, 10—20 cm增大、20—30 cm减小、30—40 cm又增大的趋势。W5Z1土壤含水率在0—40 cm都很小, 因为特枯年的降雨量很小, 土壤含水率最高时为5月4日10—20 cm处的8.68%。不同水分条件下各土层的含水量变化差异显著, W3Z1、W4Z1、W5Z1的10—20 cm与其他土层相比差异较大(表2)。
裸土条件下土壤含水率总的变化趋势与植被生长条件相似, 土壤表层含水率变化幅度高于底层(图3)。W1Z0条件下, 5月4日取土测得的含水率与W1Z1相似, 而在植物生长阶段测得的0—40 cm的含水率W1Z1均小于W1Z0, 植被覆盖条件下不仅有棵间土壤蒸发, 更有植物自身消耗, 所以对土壤水分消耗比较大, 相应的土壤含水率低。W2Z1条件下0—10 cm含水率小, 而10—20 cm含水率较大; W2Z0的10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm都较大, 土壤垂直剖面含水率变化较小。总的趋势为裸土条件下不同土层对应的土壤含水率总体变化趋势小于植被覆盖条件下的, 说明植被生长会影响土壤含水率的大小及分布。
图1 不同水文年型下5.4—9.15的降雨量
Figure 1 Rainfall of 5.4-9.15 in different hydrological years
2.1.2 不同水分条件下土壤盐分的变化
不同水分条件下相同深度盐分的变化如下: 0—10 cm土层时, W1Z1条件下5月4日到9月18日剖面电导率从2.04 ds·m-1变化为2.091 ds·m-1, 盐分基本保持稳定; W2Z1、W4Z1和W5Z1的盐分从5月4日到9月15日呈减少趋势; W3Z1从5月4日到9月15日的盐分变大; 白茎盐生草在一定程度上可以影响盐分积累和减少土壤盐分含量。同一水分条件下不同深度土壤盐分的变化如下: W1Z1从5月4日到9月15日的土壤盐分在0—10 cm和20—30 cm处的含盐量变化程度较小, 而10—20 cm和30—40 cm电导率增大, 水分对土壤盐分的影响大于植被生长。W2Z1条件下0—40 cm的土壤盐分从5月4日到9月15日均降低, 9月15日时0—10 cm与其他土层差异显著, 与种前相比土壤盐分降低。W1Z1和W3Z1条件下产生了盐分表聚现象, W4Z1和W5Z1条件下20—40 cm土层的盐分变大, 说明不同水分条件对土壤盐分的分布的影响不同。
表2 白茎盐生草生长时不同土层之间的土壤含水率的变化
注: 不同小写字母表示相同处理不同土层间差异显著(<0.05), 下同。
图2 白茎盐生草生长下的土壤含水率的变化
Figure 2 Changes of soil water content under the growth of
图3 裸土条件下的土壤含水率变化
Figure 3 Changes of soil moisture content under bare soil conditions
不同水分条件下相同深度盐分的变化如下(图5): 0—10 cm土层的盐分只有W2Z0条件下减小, 其余均增大; 10—20 cm土层的盐分含量各处理均为减小, 但减小程度不明显; 20—30 cm土层盐分各处理均减小; 30—40 cm土层对应的含盐量在W3Z0时呈现增大的变化, 其余处理均为减小。同一水分条件下不同深度土壤盐分的变化如下: 土壤盐分变化较为紊乱, 各处理下0—10 cm的盐分变化幅度大, 受降雨量和土壤蒸发的影响较大。W1Z0中从5月4日到9月15日土壤0—10 cm的总的盐分变化较小, 10—20 cm、20—30 cm和30—40 cm土壤盐分减小。W2Z0条件下30—40 cm的土壤盐分从5月4日到9月15日变化幅度较大, 全部土层的盐分呈增大的趋势。W3Z0、W4Z0和W5Z0处理下土壤0—10 cm的土壤含盐量都增大, 这表明在土壤水分短缺情况时更容易造成土壤表层盐分表聚现象。总的来说, 裸土条件下土壤盐分变化程度较小, 说明白茎盐生草生长对土壤盐分产生了一定影响。
图4 白茎盐生草生长条件下的土壤剖面电导率变化
Figure 4 Soil section conductivity variation under the growth of
表3 白茎盐生草生长时不同土层之间的土壤剖面电导率的变化
Figure 5 Conductivity variation of soil profile under bare soil conditions
2.2 不同水分条件对白茎盐生草的生长特性的影响
2.2.1 不同水分对白茎盐生草冠幅的影响
由图6可以得出, W1条件下降雨量最多, 冠幅量也最大, W5条件下条件下降雨量最少冠幅也最小; 6月18日时W1与W2、W3、W4、W5的冠幅差异均不显著, 6月28日与7月7日的W1与W2、W3、W4、W5差异均显著。8月16日时W2、W4、W5的冠幅均有不同程度的减小, 这与降雨量和气温有密切的联系。8月26日时不同降雨量水平下的冠幅均为冠幅的最大值。总的来说, W1在各日期下的冠幅与其他日期的差异最大。
注: 不同小写字母表示相同指标不同处理间差异显著(Ｐ<0.05), 下同。
Figure 6 Changes of crown width ofunder different water conditions
2.2.2 不同水分对白茎盐生草株高的影响
W1条件下降雨量最多, 植物有良好的生长环境, 株高最大; 生长初期水分对株高的影响不显著, 但从6月28日起, W1条件下的株高有大幅增长, 尤其是6月28日到7月7日株高变化最大, 说明植物在水分充足的情况下会迅速生长。6月28日、7月7日、7月17日对应的株高在W1下变化较大; 6月28日时, W1与W2、W3、W4、W5差异均显著, 而W2、W3、W4、W5之间变化较小, 差异不显著。8月26日时W1、W2、W3、W4、W5对应的株高分别为30.33、24.5、20.67、13.5、9.67 cm, W1分别为W2、W3、W4、W5的1.24、1.47、2.25、3.14倍。
2.2.3 不同水分对白茎盐生草叶片保水力的影响
7月17日对应的叶片保水力最大, 五个降雨量水平下的叶片保水力显著高于其他日期所对应的叶片保水力, 这可能与植物所处的生育期有关。总的来说, 只有在植物遭受逆境时, 叶片保水力才会发生显著变化。
图7 不同水分条件下白茎盐生草株高的变化
Figure 7 Variation of plant height ofunder different water conditions
2.2.4 不同水分对白茎盐生草生物量的影响
地上生物量鲜重在W1下最大, W1与W4、W5差异显著, 且W1对应的生物量鲜重是W5的4.10倍; 地下生物量鲜重在W1、W2、W3下差异不明显, W4和W5较接近; 地上生物量干重W1和W2水平下很接近, W1与W2、W3差异不显著, 与W4、W5差异显著; 地下生物量干重W1与W2、W3差异不显著, 与W4、W5差异显著; 根长W1只与W4、W5差异显著, W1条件下最大根长为15.57 cm, 最小为9.5 cm, 说明白茎盐生草根系主要存在于0—20 cm土层范围内。地径W1与W2、W3差异不显著, 与W4、W5差异显著。综上, 降雨量在一定程度上决定了植物地上、地下生物量、根长和地径的大小。W5条件的植物生长指标基本为W1的50%左右, 说明水分显著影响植物的生长。
2.2.5 水分与白茎盐生草生长指标的相关分析
为了研究不同水分对白茎盐生草生长的影响, 将水分与地上生物量鲜重、地下生物量鲜重、地上生物量干重、地下生物量干重、根长、地径、冠幅、株高、叶片保水力等进行相关分析。结果表明, 只有叶片保水力与降雨量相关关系不明显, 其余各指标均与降雨量呈极显著正相关关系。
图8 不同水分条件下白茎盐生草叶片保水力的变化
Figure 8 Changes of hydraulic retention ofleaves under different water conditions
表4 不同水分下各测量指标的变化
注: 不同小写字母表示相同指标不同处理间差异显著(<0.05)。
表5 水分与白茎盐生草生长指标的相关分析
注: *.≤0.05; **.≤0.01; ***.≤0.001。
土壤水分通过蒸发和入渗影响盐分的分布, 植物生长也会影响土壤盐分的分布。本研究中土壤剖面电导率总变化趋势呈“S”型变化; 盐分会随着水分蒸发积累在土壤表层, 产生盐分表聚现象, 这与雷金银等[25]的研究一致。白茎盐生草生长条件下, 整个生育期内0—40 cm土壤剖面的土壤盐分变化总体呈现减小的趋势, 这与Yang等[26]对柽柳()对土壤水盐状态的影响研究相似, 不同土层深度的土壤电导率差异显著。相同水分条件下随土层深度加深盐分积累减少, 土壤水分与降雨量密切相关, 土壤剖面盐分高低也与土壤水分有关, 这与于国强等[27]、Zhou等[28]的研究一致。
表层土壤更容易受到外界环境的影响, 如气温、太阳辐射、蒸发和入渗、植被生长等条件, 这与孙若钧等[29]的研究一致。其他土层受环境的影响较小, 盐分变化较小; 这与孙海燕等[30]、冯棣等[31]的研究一致。裸土与植被生长条件下的水分盐分均时时处于动态变化之中, 表层盐分较深层土壤盐分变化剧烈一些, 这与文献[32-33]的研究结果相似。水分通过蒸发将深层的土壤盐分带到土壤表层, 降雨后又把盐分淋洗到土壤深层。土壤水分影响盐分的分布, 即“盐随水动”。
植物的生长状况往往受到土壤水分的影响, 本试验表明在W5条件下植物虽能正常生长, 但测量指标与W1相比差异显著; W1与W2条件下植物的生长差异较小。土壤水分少时不利于植物的生长, 植物根系和叶片及植物对水分的利用均会受到影响; 这与杨志孟等[34]、黄国伟等[35]的研究相似。叶片保水力在不同降雨量水平下变化较小, 研究[36-37]发现叶片在遭受严重干旱胁迫或盐胁迫时才会发生大幅改变。本研究中, 叶片保水力与水分相关关系不显著, 其余指标均与水分呈极显著正相关关系。本试验中冠幅、根长、株高等明显小于王文的研究结果, 这可能与桶栽试验和土壤初始盐分含量有关, 在以后的研究中可以综合考虑土壤水盐对植物生长的影响。
土壤含水率在不同降雨量水平下的分布规律基本呈“反S”型分布, 土壤剖面的盐分分布在不同降雨量水平下的分布基本呈“S”型分布。白茎盐生草生长条件下, 整个生育期内0—40 cm土壤剖面的土壤盐分变化总体呈现减少的趋势; 土壤剖面水盐动态变化趋势较裸土更加复杂。表土的土壤水分和盐分变化幅度最大, 其受环境影响最大。特丰水年和丰水年对应的水分和盐分在0—40 cm土壤剖面的变化幅度大于特枯水年; 即水分显著影响盐分动态。特枯水年下的白茎盐生草生长受到严重抑制, 但特丰水年和丰水年对植物生长的影响差异并不显著。
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Effects of water on soil water and salt dynamics and growth ofroot zone
ZHAO Guangxing1, LI Wangcheng1,2,3,*, GAO Haiyan1, WA Jie1, XU Tianyuan1, JIA Zhenjiang1
1. School of Civil and Hydraulic Engineering, Ningxia University, Yinchuan, 750021, China 2. Engineering Research Center for Efficient Utilization of Modern Agricultural Water Resources in Arid Regions, Ministry of Education, Yinchuan, 750021, China 3. Provincial Department of State Key Laboratory of Ecological Restoration and Ecological Restoration, Yinchuan, 750021, China
In order to research the soil water and salt dynamic changes in the root zone ofand growth rules under different precipitation levels, a bucket-planting experiment was performed by taking water and vegetation cover as the controlling factor to explore the influence ofgrowth on soil water and salt dynamics and the influence of soil water ongrowth. The results show that the soil moisture content increases with the increase of soil depth, showing an "inverse S" distribution, and EC decreases with the increase of soil depth, showing a "S" distribution. Compared with bare soil, the dynamic change of soil water and salt under the condition of vegetation growth is more complex. Under the condition of insufficient water, the phenomenon of salt accumulation is more likely to occur. The growth ofwas seriously inhibited in the extremely low-flow year, but there was no significant difference between the extremely high-flow year and high-flow year on plant growth. Therefore, compared with bare soil, the growth ofsignificantly affects soil water and salt dynamics in its root zone.
water and salt dynamics;; hydrological year
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10.14108/j.cnki.1008-8873.2023.01.002
S152.7
A
1008-8873(2023)01-011-10
2020-11-13;
2021-01-08
国家自然科学基金(51869023, 52169010); 宁夏自然科学基金重点项目(2021AAC02008); 国家重点研发项目(2021YFD1900600)
赵广兴(1996—), 女, 甘肃定西人, 硕士在读, 研究方向为水资源高效利用, E-mail: 1782424006@qq.com.
李王成, 男, 陕西勉县人, 教授, 博士, 研究方向为水资源高效利用、农业生态系统与评价, E-mail: liwangcheng@126.com
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