仲啟鋮

(上海市園林科學規(guī)劃研究院，上海城市困難立地綠化工程技術研究中心，上海 200232)

過去幾十年，由于人口迅速增長及城市化快速推進，我國東部沿海大量濱海濕地被圍墾造陸 。這些新圍墾土地的土壤往往養(yǎng)分含量低、物理結構差、表層鹽分積累。土壤質(zhì)量低下大大限制了對濱海圍墾區(qū)土地的開發(fā)利用[1，2]。長期以來，多種水利工程和物理化學措施已被用于鹽堿土壤改良[3-6]。但是這些措施往往費時費力、成本較高，且對土壤肥力改善效果欠佳，還可能會對周邊環(huán)境造成次生負面影響[7]。目前，通過栽植耐鹽堿植物進行生物修復 (Bioremediation) 被認為是一項可經(jīng)濟有效地改良鹽堿土壤的措施[8-10]。耐鹽堿植物群落不僅可增強植被蒸騰，降低地下水位，減少積鹽返鹽；還能夠積累有機質(zhì)，增加土壤養(yǎng)分，改善土壤結構[11-14]。

20世紀90年代，對長江口崇明東灘團結沙、東旺沙的圍墾造陸產(chǎn)生了近百平方公里圍墾區(qū)土地。為對這些新生土地資源進行可持續(xù)利用和低碳管理，上實集團自2003年起在其中約20 km2土地上營建了崇明東灘國際濕地公園。公園建設過程中篩選了大量耐鹽堿灌草品種用于園區(qū)綠化和土壤改良。與喬木相比，灌草植物對鹽堿環(huán)境適應性更強[15，16]，生長更快，因此常被作為中、重度鹽堿土植被修復的先鋒物種[14，17]。前期已有一些研究關注了這些灌草植物的光合生長特性，土壤養(yǎng)分、鹽分動態(tài)等[1，18，19]。但目前尚缺乏對不同耐鹽堿灌草群落改良鹽堿土壤效果的定量化綜合評價。

鑒于此，本研究以崇明東灘1998年圍墾區(qū)內(nèi)6種人工栽植8年以上的耐鹽堿灌草群落為對象，以無植被覆蓋裸地為對照，采用主成分分析法對灌草群落改良鹽堿土壤性質(zhì)的效果進行了綜合評價。本研究可為我國長江口濱海圍墾區(qū)鹽堿土壤性質(zhì)的生物改良及綠化植被帶建設提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于長江口崇明島東灘 (31°38′ N， 121°58′ E)，屬北亞熱帶海洋性氣候，氣候溫和濕潤，四季分明，年平均氣溫15.3 ℃，年平均降水1 117 mm。日照充足，年平均日照時數(shù)2 138 h，太陽總輻射量為4 300～4 600 MJm-2，無霜期229 d。冬季盛行偏西北風，夏季盛行偏西南風。崇明東灘由長江攜帶大量泥沙沉積而成，是長江口地區(qū)規(guī)模最大、發(fā)育最完善的河口型潮汐灘涂濕地。土壤成土年代晚，鹽分含量較高，有機質(zhì)含量較低。

研究樣地設在崇明東灘國際濕地公園內(nèi)。公園位于崇明東灘1998年圍墾區(qū)內(nèi)，東面毗鄰崇明東灘鳥類國家級自然保護區(qū)，園區(qū)土地均來自于對天然潮灘的圍墾造陸。公園始建于2003年，目前擁有多種耐鹽堿植物群落類型。

1.2 土壤樣品采集與分析

2012年11月，選取地面高程較一致、土壤本底較均一的6種典型耐鹽堿灌草群落為對象。植物年限均超過8年，且表現(xiàn)較為良好。包括3種非豆科灌木+豆科草本群落〔A:夾竹桃 (Neriumindicum)+野豌豆 (Viciasepium),B:慈孝竹 (Bambusamultiplex)+南苜蓿 (Medicagopolymorpha),C:海濱木槿 (Hibiscushamabo)+野豌豆 (Viciasepium)〕，1種豆科草本群落 〔D:三葉草 (Trifoliumrepens)〕 和2種豆科灌木群落〔E:傘房決明 (Sennacorymbosa),F:紫穗槐 (Amorphafruticosa)〕。并以未種植植物的裸地為對照 (CK)(表1)。

在上述植物群落和裸地中各建立3個樣地，在每個樣地中各劃定1個5 m × 5 m的樣方。在每個樣方內(nèi)按W形取5個樣點，在每個樣點開挖1個40 cm 深的剖面，分0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 用100 cm3環(huán)刀在每層各取1個土樣，帶回實驗室測定土壤密度、田間持水量、孔隙度等物理性質(zhì)。另外在每層隨機采集3個土壤樣品并混勻，將采集土樣帶回實驗室風干備用。采用四分法取1份土樣，研磨后過2 mm篩 (10目)，用于測定土壤粒度、pH值、含鹽量；取部分土樣繼續(xù)過0.25 mm篩 (60目)，用于測定土壤總有機碳、全氮、全磷、速效氮 (銨態(tài)氮和硝態(tài)氮) 及有效磷含量。

表1 濱海圍墾區(qū)不同灌草群落基本情況

1.3 土壤性質(zhì)綜合評價

采用模糊線性隸屬函數(shù)確定土壤性質(zhì)綜合評價的等級指標。首先建立各評價指標隸屬度函數(shù)進行歸一化處理，并計算隸屬度值f(x)，以此表示各項指標狀態(tài)值。根據(jù)植物生長效應和濱海圍墾區(qū)土壤實際情況，本研究采用3種方法確定各評價指標隸屬函數(shù)。

(1)戒上型隸屬函數(shù) ( S形曲線)，即在一定范圍內(nèi)，評價指標值與植物生長呈正相關。本研究中屬于該類型的評價指標包括總有機碳、全氮、全磷、速效氮、有效磷、總孔隙度和毛管孔隙度 (表2)。這些指標隸屬函數(shù)解析式為：

(1)

表2 戒上型隸屬度函數(shù)曲線中轉折點取值

(2) 戒下型隸屬函數(shù) (反“S”形曲線)，即在一定范圍內(nèi)，評價指標值與植物生長呈負相關。本研究中屬于該類型的評價指標包括含鹽量、土壤密度、碳氮比和非毛管孔隙度 (表3)。這些指標隸屬函數(shù)解析式為：

(2)

表3 戒下形隸屬函數(shù)曲線中轉折點取值

(3) 拋物線形隸屬函數(shù) (梯形曲線)，即評價指標值對植物生長有一個最佳范圍，在此范圍之外，偏離程度越大，對植物影響越不利。屬于該類型評價指標包括pH、田間持水量、質(zhì)量含水量、物理性黏粒含量和粉/黏粒比，需要確定評價指標對植物生長最佳適宜區(qū)間及其臨界值 (表4)。這些指標隸屬函數(shù)解析式為：

(3)

表4 拋物線形隸屬函數(shù)曲線中轉折點取值

以上隸屬函數(shù)中，x為土壤評價指標，a1～a4為轉折點。本研究結合已有相關文獻和濱海圍墾區(qū)土壤實際情況及植物生長狀況，分別確定以上隸屬函數(shù)中轉折點相應取值，如表2～表4所示。根據(jù)相應隸屬函數(shù)和轉折點取值，計算各項土壤指標隸屬度值，這些值介于0.1～1.0 之間。

在通過隸屬函數(shù)將數(shù)據(jù)進行歸一化后，采用主成分分析獲得不同土壤理化指標公因子方差和權重系數(shù)[20,21]。應用加權求和法計算7個樣地土壤性質(zhì)的綜合指標值(SSI)。計算公式如下：

(4)

式中，n表示所有參評指標，Ni和Wi分別表示第i種參評指標隸屬度值和權重系數(shù)。SSI綜合反映了某一樣地的土壤性質(zhì)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

不同樣地土壤理化指標的差異采用單因素方差分析及鄧肯氏多重比較進行分析。數(shù)據(jù)分析主要采用SPSS18.0進行，統(tǒng)計顯著水平設定為P= 0.05。

2 結果與分析

2.1 灌草群落對圍墾區(qū)土壤理化性質(zhì)的影響

與裸地相比，各灌草群落在整個土壤剖面上對總有機碳、全氮、有效磷、pH和含鹽量改良作用較為明顯。在0～10 cm 土層，各灌草群落對有效磷改良作用不明顯；在10～20 cm 和 20～40 cm土層，各灌草群落對總有機碳改良作用不明顯。與裸地相比，各灌草群落在整個土壤剖面上對土壤密度、孔隙度、田間持水量和質(zhì)地改良作用均較為明顯。與裸地相比，傘房決明群落在改善土壤總有機碳、有效磷和質(zhì)地方面較為突出；紫穗槐群落在改善土壤密度方面較為突出；三葉草在改善全氮含量、含鹽量、pH值方面較為突出；海濱木槿+野豌豆群落則在改善孔隙度和田間持水量方面較為突出。這反映了不同植物耐受鹽堿脅迫、利用水分、養(yǎng)分能力以及生長策略等方面的差異。

本研究中耐鹽堿灌草群落對土壤全磷的影響不顯著，而Wu等 (2012)[7]在利用蓖麻 (Ricinuscommunis) 改良濱海鹽土時卻發(fā)現(xiàn)土壤全磷含量顯著增加，這可能是由于該項研究試驗初期施肥和磷溶解細菌增加導致。另一方面，灌草群落顯著增加了土壤有效磷含量，這可能是因為微生物產(chǎn)生的磷酸酶增加[22]；同時土壤pH值降低也會增強磷的溶解性，使更多活性磷得以釋放[14]。本研究中灌草群落土壤的物理性黏粒含量與裸地相比略有增加，而質(zhì)量含水量有小幅降低，這與范亞文[23]的研究結果有所區(qū)別，這可能是因為兩個研究地點 (分別為內(nèi)陸地區(qū)和濱海地區(qū)) 鹽堿土壤的粒徑結構存在一定差異[24]。

參考全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準 (全國土壤普查辦公室，1992)，圍墾區(qū)土壤仍有幾項指標并未得到顯著改善。6種灌草群落0～40 cm土壤總有機碳、全磷含量及田間持水量的平均值分別為6.28 gkg-1、0.17 gkg-1及24.6%，仍相對偏低；pH值為8.39，堿性仍然相對較強；速效氮含量僅為1.91 mg kg-1，表現(xiàn)出嚴重虧缺。這可能是因為濱海圍墾區(qū)土壤中無機態(tài)氮淋溶/脫氮速度相對較快[14]。因此，今后在利用耐鹽堿灌草進行濱海圍墾區(qū)鹽堿土壤改良時，需要采用一些相關配套技術來彌補以上幾項指標的不足，從而增強整體改良效果。

2.2 灌草群落對圍墾區(qū)土壤的綜合改良效果

采用主成分分析獲得了16項指標的公因子方差和權重系數(shù) (表5)，應用加權求和法計算得到了7個樣地不同層次土壤性質(zhì)的綜合指標值 (SSI)。SSI數(shù)值范圍為0.1～1.0，數(shù)值越高代表土壤性質(zhì)越好。主成分分析結果表明，在各個土層上，特征值 ≥ 1 的主成分 (PC) 一般為3～4個，本研究中參與評價的指標對土壤性質(zhì)累積貢獻率均超過90%。

表5 基于主成分分析的土壤理化指標 公因子方差(CFA)和權重系數(shù)(WVI)

由表6可知，在整個土壤剖面上，各灌草群落SSI均明顯高于CK，表明種植耐鹽堿灌草對圍墾區(qū)土壤均具不同程度的綜合改良效果。在垂直梯度上，6種灌草群落的SSI在 0～10 cm土層均為最高；夾竹桃+野豌豆、慈孝竹+南苜蓿、海濱木槿+野豌豆和三葉草群落的SSI隨著土層加深而降低，而傘房決明、紫穗槐群落的SSI在20～40 cm土層反而高于10～20 cm土層。

表6 圍墾區(qū)不同灌草群落土壤性質(zhì)綜合評價值

與CK的SSI相比，各灌草群落對崇明東灘圍墾區(qū)0～40 cm土壤平均改良效果達59.5%。在整個土壤剖面上，6種灌草群落改良土壤效果從強至弱依次為：傘房決明 (+63.2%) > 紫穗槐 (+62.9%) > 三葉草 (+60.3%) > 海濱木槿+野豌豆 (+60.0%) > 夾竹桃+野豌豆 (+58.6%) > 慈孝竹+南苜蓿 (+51.9%)。

在垂直梯度上，夾竹桃+野豌豆、慈孝竹+南苜蓿、海濱木槿+野豌豆及三葉草群落在10～20 cm土層改良效果較好，而傘房決明和紫穗槐群落對20～40 cm土層改良效果更佳。這可能是因為：(1) 豆科灌木 (傘房決明、紫穗槐) 單獨成群，無種間競爭，且固氮能力強、生長速度快，因此對土壤性質(zhì)改良效果相對最強；同時其根系在整個土壤剖面上均較發(fā)達，所以在較深土層改良效果尤為突出。Mishra 和 Sharma[26]同樣發(fā)現(xiàn)豆科灌木牧豆樹 (Prosopisjuliflora) 能有效改善印度Sultanpur地區(qū)的堿性土壤。(2) 豆科草本 (三葉草) 蓋度最高，具有一定固氮能力；非生長季地上部分枯死后全部返還土壤，有機質(zhì)分解產(chǎn)生的酸性物質(zhì)可以中和堿性物質(zhì)。因此豆科草本對土壤性質(zhì)改良效果僅次于豆科灌木[27]。但由于草本植物根系分布較淺，其效果在土壤上層較好。(3) 對于非豆科灌木+豆科草本群落，一方面非豆科灌木本身不具固氮能力，需要大量利用土壤養(yǎng)分來維系生長；另一方面，在相對貧瘠土壤環(huán)境中，豆科草本在利用養(yǎng)分、水分和陽光時會受到這些灌木的限制。(4) 夾竹桃+野豌豆、慈孝竹+南苜蓿和海濱木槿+野豌豆群落對10～20 cm土層改良效果較好是因為豆科草本在該土層發(fā)揮作用更強。

3 結論

在崇明東灘圍墾區(qū)，6種栽植8年以上的耐鹽堿灌草群落較為明顯改善了土壤總有機碳、全氮、有效磷、pH值、含鹽量、土壤密度、孔隙度、田間持水量和質(zhì)地等理化指標。6種灌草群落對圍墾區(qū)土壤性質(zhì)均具有顯著的綜合改良效果，對0～40 cm土層平均改良效果達59.5%?？傮w上看，傘房決明和紫穗槐群落改良鹽堿土壤性質(zhì)效果更為顯著，可優(yōu)先用于長江口濱海圍墾區(qū)土壤性質(zhì)改良。

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