黄河三角洲是中国最年轻的土地, 区内有重盐碱地约23万hm², 此外, 每年还有大约20 ~ 23 km²的新淤地形成, 这些新淤地土壤含盐量较轻, 适合农业利用, 但土地非常脆弱, 极易次生盐渍化, 一般农业利用15年左右就因返盐而撂荒。目前, 每年约有5 %的农业用地因返盐沦为重盐碱地或盐碱荒地(郗金标等, 2002b), 土壤盐害与次生盐渍化问题成为限制区域土地可持续利用和生态建设的主要障碍。鉴于黄河三角洲生态系统的脆弱性和土地盐渍化的严重性, 国内许多专家学者对这一地区的盐渍土治理(郗金标等, 2003;张建锋等, 2002)、土地资源现状及其开发利用对策(郭洪海等, 1994; 杨芳林, 1992)、黄河三角洲植被状况(赵延茂等, 1994; 1995;邢尚军等, 2003)以及区域生态环境问题(郗金标等, 2002a;于锡军等, 1998;许学工, 1996;杨勤业等, 1992)等进行了深入探讨。然而, 过去的研究多集中于重盐碱地的改良和形成机理、区域生态环境变化、土壤次生盐渍化的机理、退化速度等方面。长期的农业生产实践表明, 新淤地用于粮食生产条件下极易返盐退化, 一般情况下只能利用15年, 之后会因土壤返盐而撂荒。为遏制新淤地的土壤退化, 人们也曾尝试通过改变土地利用方式, 譬如种植牧草、植树造林等来延长土地使用寿命, 但这些技术措施主要停留在生产上, 而对这些措施实施效果的研究报道很少, 尤其是通过近20年来的定位观察来研究不同造林模式对抑制新淤地返盐退化的效果。该项研究为如何有效地抑制新淤地土壤返盐、培肥地力及实现土地的可持续利用提供了依据。

1 试验地概况

试验地设在济南军区黄河三角洲生产基地, 地处渤海湾畔, 属暖温带半湿润大陆性季风气候区, 年均气温12.3 ℃, 极端最高气温41.9 ℃, 极端最低气温-23.3 ℃, 平均无霜期210 d, 降水量542.3 ~ 842 mm, 约63.9 %的降水集中于夏季, 年蒸发量1 962.1 mm, 是降水量的3.6倍, 春季蒸发量占全年的51.7 %。试验分重盐碱地段白刺(Nitraria sibirica)造林和新淤地不同树种混交造林2个部分。

重盐碱地:土壤为滨海盐土, 含盐量10.0 ~ 26.0 g·kg^-1, 局部地段为5.0 ~ 10.0 g·kg^-1, 最高35.64 g·kg^-1, 地下水位1.2 ~ 2.5 m, 土壤pH值7.79 ~ 8.87, 平均7.94, 群落种类组成主要有盐地碱蓬(Suaeda salsa)、碱蓬(Suaeda glauca)、柽柳(Tamarix chenensis)、獐毛(Aeluropus sinensis)、蒙古鸦葱(Scorzonera mongolica)、海州蒿(Artemisia fauriei)、罗布麻(Apocynum venetum)、中华补血草(Limonium sinensis)、二色补血草(Limonium bicolor)等, 植被覆盖率10 %左右, 高者可达39 %。

新淤地:土壤为盐化滨海潮土或潮土, 土壤粉沙质, 地下水埋深2 ~ 3 m, 盐分含量多在3.0 g·kg^-1以下, 自然植被为白茅(Imperata cylindrica)、蟋蟀草(Eleusine indica)、狗尾草(Setaria viridis)等, 开垦后可种植玉米、棉花、大豆。

2 研究方法 2.1 土壤采集方法

1997年春在重盐碱地采取容器苗造林技术营造白刺林, 造林密度2 m ×3 m, 造林面积约20 m ×50 m。2002年10月在白刺林地内采集土壤样品进行盐分、养分分析, 当时白刺覆盖率达到85 %, 按随机抽样法布设土壤采样点, 共设置采样点13个, 在每个采样点分别采集白刺林冠下土和冠外土, 冠下土采自根际至树冠边缘的中间部位, 冠外土采自树冠边缘外1.5 ~ 2.0 m处, 采集深度分别为0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60和60 ~ 100 cm, 同时用环刀法测定0 ~ 20和20 ~ 40 cm土层的土壤密度。白刺林造林前土壤盐分含量根据造林时的土壤测定记录确定。

1984年, 在新淤地试验地按照棋盘格方式营造了臭椿(Ailanthus altissima)+刺槐Robinia pseudoacaia带状混交、白榆(Ulmus pumila)+刺槐株间混交、刺槐纯林、杨树(Populus spp.)纯林、臭椿纯林、臭椿+刺槐行间混交、绒毛白蜡(Fraxinus velutina)纯林、白榆+刺槐带状混交、国槐(Sophora japonica)+白榆株间混交、白榆纯林、刺槐+白榆隔行株间混交、刺槐+绒毛白蜡3: 1行间混交、杨树+刺槐带状混交、刺槐+白榆隔2行隔株混交、杨树+刺槐行间混交和1行杨树+4行紫穗槐(Amorpha fruticosa)行带状混交16种林分类型, 林地面积总计100 hm², 1994年部分林地采伐后一直撂荒, 附近未造林地已沦为柽柳、芦苇(Phyagmites australis)、獐毛群落。2002年10月分别对其中的15种林分、采伐撂荒地和附近未造林地采集土壤样品分析土壤盐分、养分变化。各林分品字型选取3个有代表性的样点, 对同一层内的土样进行混合并取混合土样, 在采伐撂荒地和附近未造林地各选择3个采样点, 即3次重复, 3种立地的土壤采集深度均为0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60和60 ~ 100 cm。2002年土壤调查时各林分郁闭度均在0.8左右, 采伐撂荒地次生植被为白蒿(Artemisia capillaries)、柽柳、狗尾草等, 覆盖度约为40 %, 未造林地植被覆盖度约在60 %左右。

2.2 土壤测定方法

水浸提后, 用pH-3数显酸度计测定pH值; 有机质用K₂Cr₂O₇-H₂SO₄消煮、FeSO₄容量法测定; 全氮用凯氏法测定; 全磷用H₂SO₄-HClO₄消煮、钼蓝比色法测定; 有效氮用碱解扩散法测定; 有效磷用Olsen法测定; 有效钾用中性NH₄AC浸提、火焰光度法测定。

3 结果与分析 3.1 重盐碱地土壤盐分变化

对白刺林冠下土和冠外裸地土壤盐分的测定结果(表 1)表明, 白刺冠下0 ~ 20 cm土层土壤含盐量显著低于树冠外裸露土壤, 土壤盐分平均降低了44.14 %, 但20 ~ 40 cm土层土壤盐分仅略有降低, 40 cm以下土层土壤含盐量的变化与表层土壤相反, 冠下土盐分有所增加, 但均未达到显著水平。表明白刺的存在能够通过地面覆盖有效地抑制土壤返盐, 尤其能显著降低表层土壤盐分含量, 促进土壤盐分的淋溶, 达到土壤脱盐的效果。

根据造林前的调查记录, 白刺林地造林前为重盐碱光板地, 自然植被为稀疏柽柳, 覆盖率不足5 %, 0 ~ 20 cm土层土壤含盐量为10.0 ~ 26.0 g·kg^-1, 平均为13.7 g·kg^-1。白刺造林5年后的调查结果表明, 植被覆盖率增加到85 %左右, 13个采样点的土壤分析结果表明, 白刺冠下0 ~ 20 cm土层土壤含盐量平均下降到7.43 g·kg^-1, 冠外裸地0 ~ 20 cm土层土壤含盐量平均为13.3 g·kg^-1, 比造林前降低了44.14 %, 表明白刺造林后土壤迅速脱盐。

3.2 重盐碱地土壤肥力的

变化白刺生长提高土壤养分含量的作用表现在多个方面。由图 1可以明显地看出, 5年生白刺林地0 ~ 60 cm土层土壤有机质、有效氮和有效磷含量均明显高于裸地, 仅表层土壤速效钾含量略有降低。各种养分在土壤垂直梯度上的变化更为明显, 共同趋势为林地肥力在表层土壤提高的更快。这一结果表明, 白刺具有良好的土壤培肥作用, 其原因可能与白刺的枯枝落叶成为土壤有机质、有效氮和有效磷的重要来源有关, 林地表层土壤速效钾含量略有降低可能是白刺生长过程中对钾选择性吸收的结果, 这一现象与李加宏等(1998)在非盐生植物小麦上的观测研究结果一致。

土壤密度是描述土壤物理性质的一个重要指标, 较低的土壤密度表明土壤比较疏松, 土壤通透性良好, 有利于土壤微生物的活动和养分的积累活化, 反之土壤则比较紧实。图 2是白刺冠下土和冠外150 ~ 200 cm处裸地土壤密度的测定结果。可以看出, 白刺冠下土土壤密度无论是0 ~ 20 cm表层土还是20 ~ 40 cm深层土均低于对应的冠外裸地, 进一步进行LSD方差分析表明, 白刺冠下土和冠外裸地0 ~ 20 cm土层土壤密度差异性显著, 但冠下土和冠外裸地20 ~ 40 cm土层土壤密度无显著性差异, 2种生境土壤表层土和下层土土壤密度之间也有显著性差异。这一结果表明, 白刺生长不仅可以促进土壤脱盐, 提高土壤肥力, 而且可以有效地改良土壤的物理结构, 起到疏松土壤的作用。

3.3 新淤地不同造林模式下土壤盐分变化

对16种造林模式1 m深土壤盐分含量的测定结果表明, 16种造林模式1 m深土壤盐分含量差异很小, 变化于0.21 ~ 0.30 g·kg^-1之间, 表层0 ~ 20 cm土层土壤含盐量变化于0.16 ~ 0.68 g·kg^-1之间。然而, 有林地、采伐迹地和无林地之间土壤盐分含量却差异明显, 16种林分1 m深土体平均土壤含盐量下降到0.25 g·kg^-1, 0 ~ 20 cm土层土壤含盐量下降到0.23 g·kg^-1。而无林地土壤盐分则显著升高, 未造林地1 m深土体土壤含盐量平均增加到3.85 g·kg^-1, 0 ~ 20 cm表土盐分平均提高到4.75 g· kg^-1, 原本肥沃的土地已被芦苇、柽柳、獐毛等盐生或耐盐植物群落所取代; 采伐迹地撂荒8年后, 土壤返盐趋势非常明显, 1 m深土体平均含盐量提高到2.47 g·kg^-1, 0 ~ 20 cm表层土壤含盐量提高到3.0g·kg^-1, 均显著高于林地(图 3), 采伐迹地演替为柽柳、白蒿等次生耐盐植被。显然, 森林抑制土壤返盐的效果十分明显, 表明植树造林是抑制新淤地土壤返盐退化的有效途径。

3.4 新淤地不同造林模式下土壤养分变化

土壤有机质是土壤养分的重要来源, 是表征土壤肥力的重要指标。对未造林地和15种林分表层土壤有机质含量的测定结果(表 2)表明, 所有林分土壤有机质含量均明显高于未造林地, 有林地土壤有机质含量平均比未造林地提高了171 %, 臭椿、刺槐带状混交林分土壤有机质增长最慢, 比未造林地提高了84 %; 不同林分类型之间土壤有机质含量也存在明显差异, 15种林分类型中以臭椿、刺槐带状混交林分土壤有机质增长最慢, 平均含量为8.3g·kg^-1, 其次是白榆、刺槐株间混交林分, 土壤有机质含量为9.2 g·kg^-1, 杨树、刺槐行间混交林分土壤有机质增长最快, 有机质含量为18.5 g·kg^-1, 其余林分土壤有机质含量差异不大, 变化于10.1 ~ 14.3 g·kg^-1之间。

土壤有效氮含量反映了近期内土壤氮素的供应状况。调查结果(表 2)表明, 土壤有效氮的变化与有机质的变化趋势基本相同, 未造林地有效氮含量最低, 不同林分尽管有效氮含量存在较大差异, 但均比未造林地明显提高, 有林地平均比未造林地增长了6.3倍, 绒毛白蜡纯林等3种林分类型有效氮增加最少, 比未造林地提高了4.7倍, 杨树、刺槐行间混交林有效氮增长最快, 比未造林地提高了8.9倍。

土壤有效磷的变化与有机质和有效氮的变化趋势不同, 15种林分类型中除白榆纯林、国槐、白榆株间混交林和刺槐、白榆隔行株间混交林土壤有效磷含量高于未造林地外, 其余12种林分类型有效磷含量均低于未造林地, 有林地土壤有效磷平均比未造林地低26.9 %。这一结果和于雷等(2003)的研究结果基本一致, 他们的研究表明, 在滨海盐碱地上种植固氮树种沙枣(Elaeagnus angustifolia), 可使土壤有机质、全氮和有效氮含量迅速提高, 但却使土壤全磷、速效钾含量降低。产生这一结果的原因目前还未见分析, 可能与有效氮的增加有关, 因为有效氮的增加刺激了林木对土壤磷的消耗, 另外有效磷的减少显然和树种有密切关系, 由表 2可以看出, 豆科固氮树种林地有效磷含量减少, 白榆林地有效磷含量增加, 但真正的原因尚有待于进一步研究。

3 结论与讨论

1) 白刺造林5年后, 0 ~ 20 cm土层土壤盐分显著降低, 20 ~ 40 cm土层土壤盐分略有降低, 40 ~ 100 cm土层土壤盐分略有增加, 表层土壤密度显著下降, 土壤肥力明显提高, 表明白刺造林是促进重盐碱地土壤脱盐, 改善土壤结构, 培肥地力的有效技术, 但白刺对盐碱地的改良作用仅限于0 ~ 40 cm的浅层土壤。通过植树种草改良盐渍土是目前国内外盐渍土改良利用的重要手段, 在澳大利亚(Barrett-Lennard, 2002)、墨西哥、巴基斯坦等国家, 种植盐生植物是进行盐渍土改良的有效且广泛应用的技术措施。Fatma(2002)在埃及北部的田间试验中, 连续2年比较了6种不同的盐渍土改良措施, 结果表明, 种植芦苇和Panicum repens后土壤脱盐效果最好, 试验进行1年后, 0 ~ 50 cm土层土壤, 种植芦苇的含盐量降低了57.8 %~ 76.4 %, 种植Panicum repens的降低了64.1 %~ 78.8 %。董晓霞等(2001)在山东滨海盐渍土区进行了苜蓿(Medicago sativa)种植的田间试验, 结果表明, 7年生苜蓿地0 ~ 20和20 ~ 40 cm土层脱盐率分别达63.9 %和67.1 %, 0 ~ 20 cm土壤有机质、全氮含量分别增加2.36和0.231 g·kg^-1, 比未种植苜蓿的地块分别提高了28.43 %和42.54 %。潘文利等(1998)在辽宁滨海盐碱地的研究表明, 栽植柽柳9年后, 0 ~ 10 cm土层土壤含盐量降低了80.1 %, 0 ~ 100 cm土层含盐量降低了50 %, 土壤有机质、全氮、全磷、有效氮、有效磷均明显高于造林前, 其中有效氮比造林前提高了18倍, 土壤密度降低, 物理性状改善。尽管大多数研究报道认为, 植树种草具有促进土壤脱盐、改善土壤结构、提高土壤肥力的作用, 但郗金标等(2004)在新疆的调查发现, 柽柳、白刺等盐生植物在生长衰老期间具有积聚盐分的作用。这种截然不同的结果看似很矛盾, 但实质上都和水盐运动有着密切的联系。在新疆干旱、半干旱地区, 柽柳、白刺等盐生植物多以孤立木状态存在, 群落覆盖率很低, 林木的生长使得周围土壤盐分随蒸腾液流源源不断地向树木的根冠区汇集, 植物吸收的盐分又以枯枝落叶的形式归还土壤, 因此, 随着植物生长衰退, 大量的盐分在根冠区积聚; 相反, 人工种植植物后, 植被覆盖率增加, 因而明显地抑制了土壤蒸发, 减少了盐分从土壤深层向地表的积聚, 从而起到促进土壤脱盐的作用。

2) 黄河三角洲新淤地上植树造林是防止土壤返盐退化、培肥地力的有效途径。不同类型林分防止土壤次生盐渍化的效果没有明显差异, 但在提高土壤有机质, 增强土壤肥力方面以杨树、刺槐行间混交林效果最好。黄河三角洲新淤地土壤容易返盐退化是区域农业生产和生态建设中的严重环境问题, 更是在区域科学研究中必须解决的重大课题。然而, 迄今为止, 有关新淤地防止土壤返盐退化技术的研究还鲜见报道, 全区近1万hm²的刺槐林已面临更新改造, 因此, 该研究结果为黄河三角洲新淤地的可持续利用提供了借鉴。