胀果甘草原生境土壤盐分特征分析->胀果甘草土壤盐分特征分析

摘 要：通过野外调查采样和土样化学测定，分析了胀果甘草原生境土壤盐分特征。结果表明：研究区土壤盐分普遍较高且表聚作用明显，土壤表层0～10cm土层盐分均值高达32．08g／kg，属典型的强度盐渍化土；土壤盐分组成中，含阳离子Ca2＋、Na＋、Mg2＋、K＋和阴离子Cl－、SO2－4、HCO－3，不含CO2－3，土壤盐分的特征因子为Ca2＋、C1－、SO2－4、Na＋，其盐渍类型主要为硫酸盐－氯化物型，重碳酸盐是土壤盐分的次要成分；该生境土壤中在整个垂直剖面上Ca2＋的含量丰富，属典型钙质土。

关键词：胀果甘草；原生境；土壤盐分

胀果甘草（Glycyrrhiza inflata Bat．）为豆科甘草属多年生草本植物，中生耐盐植物，在土壤表层盐化、强盐化或盐渍化芦苇滩草原上能良好生长（徐璐珊等，1996；中国医学科学院药物研究所，1979）。分布于新疆塔里木盆地和东疆吐哈盆地的盐碱荒漠草甸，在地表土壤含盐量超过1．5％、地表结成盐壳，覆盖度仍可达25％（李学禹，1986）；在地表土壤含盐量达3％时生长良好（郗金标等，2006）。胀果甘草喜光、喜温、抗逆境能力强，尤其是抗旱、耐盐碱、耐沙埋，它具有适应恶劣自然条件的许多特性和优良的经济性状（张继等， 2003）。胀果甘草还能与根瘤菌共生固氮，改良土壤结构，提高土壤肥力。同时胀果甘草有很深的主根，抗逆性强，可利用它们作为改造沙漠的先锋植物（牛书丽等，2004）。因此，在水土保持、抑制荒漠化、盐渍化过程与保护生物多样性等方面，有着重要的生态意义（文海燕等，2004）。目前对胀果甘草的研究主要集中在其内生菌的分离和鉴定、组织培养、化学成分分离鉴定等方面（宋素琴等，2007；胡海英等，2004；赵玉英等，1990）。作者通过对胀果甘草原生境土壤的分析，揭示其原生境土壤盐渍化现状和可溶性盐分的特征，阐明胀果甘草原生境土壤的基本性质和盐土类型，为胀果甘草生长发育研究提供基础资料，并为进一步研究提供理论依据。

1 材料与方法

1．1 研究区概况及供试土样

研究区隶属兵团农三师，位于天山中段南坡，塔里木盆地西北缘的喀什葛尔河下游冲积平原，属于干旱半干旱类型，为暖温带干旱气候，年均气温9～11℃，7月份平均温度25～26℃，年降水量仅25～60mm，年蒸发量高达3 000mm。区内主要植被除了建群种胀果甘草外，还有柽柳属（Tamarix L．）、芦苇属（Phragmites Adans．）、白刺属（Nitraria L．）等多年生盐生植物；区内土壤表层有明显的盐结皮，偶有盐霜，土壤质地属于典型的沙壤土。根据研究区域胀果甘草生长状况、分布特点等差异，按W型每隔50m选取1个有胀果甘草均匀分布的样地，共10个样地（面积为2m×2m），在各样地按V型分别选取3个采样点，挖取近1m的垂直剖面，取土深度分别为0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～50cm、50～80cm和＞80cm的土层，将3个点同一深度的土样置于平铺的牛皮纸上捏碎混合均匀，按四分法（取对角线）制成混合土样进行装袋。土样带回实验室自然风干后剔出植物根系及石砾等杂物，磨碎，过20目和100目筛，放于干燥的密封袋中，用于土壤理化指标测定。

1．2 实验方法与数据分析

用V（土）∶V（水）＝1∶5的浸提液测定土壤中可溶性的阳、阴离子含量。按文献（鲍士旦，2005）进行土壤盐分及组成的测定：Ca2＋和Mg2＋离子测定使用原子吸收分光光度法，Na＋和K＋离子的测定使用火焰光度法，CO2－3、HCO－3离子使用双指示剂中和滴定法， Cl－离子使用硝酸银滴定法，SO2－4离子使用EDTA间接络合滴定法。全盐量为各盐分离子的和，有机质采用重铬酸钾外加热法。数据结果运用Excel 2003、SPSS 13．0进行统计量计算、方差分析、相关性分析和主成分分析。

2 结果与分析

2．1 土壤不同土层可溶性盐分离子含量分析

土壤水溶性盐类的定量化分析，是研究土壤盐分动态变化、确定土壤盐渍化程度以及进行盐渍土改良应用的关键环节之一（刘广明等，2005）。通过对不同土层盐分含量的比较（表1），可以揭示土壤盐分离子的垂直分布情况。研究结果表明，胀果甘草原生境土壤0～50cm各土层盐分离子的含量随深度的增加都有减少的趋势，而在＞50cm的各土层盐分离子有逐渐上升的趋势，但都以Ca2＋、Na＋、SO2－4、Cl－为主要盐分离子，表层是盐分离子的集中区，各阴阳离子的含量在0～10cm土层都达到最大值，盐分表聚强烈。同时各土层Cl－／SO2－4浓度之比都小于4，土壤中盐类主要为硫酸盐－氯化物型。HCO－3／（Cl－＋SO2－4）比值均小于1，说明重碳酸盐是土壤盐分的次要成分。该研究区域由于温度升高，总蒸发量增大，地下水主要以蒸发、蒸腾而消耗。土壤中以上升水流占绝对优势，水分垂直运动比较强烈，地下水将土壤中的盐分带至地表，造成地表土层强烈积盐。根据土壤易溶性盐类上行的过程，推断盐分上下运动的规律为：氯化物表聚最为强烈，硫酸盐次之，碳酸氢盐较稳定。

表1 不同土层盐分质量分数平均值 单位：g／kg

注：表中数据为平均值±标准差。

2．2 土壤全盐量与盐分离子的相关性分析

我国干旱区与半干旱区作为世界典型的荒漠生态区域，在独特的自然环境条件下，必然存在特有的荒漠植被与环境的互馈反应机制（李博，2000）。胀果甘草原生境土壤的离子组成与分布状况是在各种因素综合作用下形成的。由于化学元素的离子半径、化合价、存在形态等的相似性，它们在植物、土壤、沉积物等生命和非生命体中的存在往往具有一定的相关性（刘景双等，1998）。通过对不同深度土壤全盐量与各盐分离子之间的相关分析，揭示盐分在土壤中的存在形态及运移规律，可在一定程度上反映出盐分的变化规律和运移趋势。

图1 不同土层全盐质量分数的变化

由图1可知，研究区各土层全盐具有明显的差异性，全盐量随深度的增加而显著降低，且0～10cm土层土壤盐分均值超过30g／kg，而在＞80cm土层则降至6g／kg左右，同时在0～20cm土层变异系数具显著差异性，说明在水平方向上不同土层盐分的空间变异程度较高。可溶性盐的含量在6～30g／kg之间，根据王遵亲等（1993）在《中国盐渍土》中对土壤盐渍化分级指标，该生境土壤属于强度盐渍化土。

土壤全盐量与盐分离子的质量分数相关性分析结果（表2）表明：在0～80cm的各土层，胀果甘草原生境土壤全盐量与钙离子有极其显著的相关性（P＜0．01）。全盐量与Na＋在0～30cm、50～80cm及＞80cm各土层都表现出显著的相关性（P＜0．05）；＞80cm土层，全盐量与K＋、Na＋、Ca2＋、Cl－都具有显著相关性。Cl－在0～20cm土层与全盐量表现出显著相关性，全盐量与SO2－4仅在＞50cm的土层有显著相关性（P＜0．01）。

表2 不同土层的土壤全盐量与盐分质量分数间的相关系数

注：1）＊＊为显著性水平在0．01时的相关系数；＊为显著性水平在0．05时的相关系数（n＝60）；

2）由于试验测出的CO2－3离子的质量分数为0或0．001g／kg，所以在分析时没有对其进行分析。

同时由表2还知道，在0～10cm、10～20cm土壤中的总可溶性盐与阴离子Cl－之间的相关系数分别为0．853和0．689，与Na＋之间的相关性系数分别为0．726和0．928，与Ca2＋之间的相关性系数分别为0．790和0．844，其相关程度较高。这一现象揭示了该地区0～20cm土层土壤盐分主要与Cl－、Na＋、Ca2＋含量水平的高低有关。这说明在特殊的内陆干旱荒漠性气候条件——光照充足、降雨量极少、蒸发量极大的影响下，胀果甘草原生境土壤中的盐分随水分强烈的蒸发而向上运移，最终聚集在土壤的表层（0～20cm）。(www.xing528.com)

2．3 不同土层盐离子的主成分分析

应用主成分分析方法可以对胀果甘草原生境土壤特性及盐离子分布作定量的描述，找出具代表性的主导因子，在不损失或少损失的条件下，从多个变量中构建相互独立的综合变量，从而对其土壤状况作出合适的评价（王海林，2008）。主成分分析所得的各主成分的特征根、贡献率及累积贡献率见表3和表4，贡献率表示该主成分所代表的原来所有变量的信息量。从表中可见，前3个主成分的累积贡献率达到84．044％，占绝对优势，保持了原变量信息的绝大部分，是反映该生境土壤盐分环境的重要指标。

表3 主成分计算结果

注：Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7分别为不同土层的第1、第2、第3、第4、第5、第6、第7主成分。

表4 主成分中各项指标的系数

注：1）OM、Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl－、SO2－4、HCO－3为前3个主成分中各项指标的系数；

2）Y1、Y2、Y3分别为不同土层的第1、第2、第3主成分。

第1主成分与Na＋、Cl－、SO2－4、Ca2＋存在着显著的正相关，第2主成分与Mg2＋、HCO－3、K＋存在显著的正相关，第3主成分与Mg2＋存在显著的正相关。说明该层土壤主要有Na Cl、Na2SO4、Ca Cl2、Ca SO44种盐分。第2主成分与Na＋、K＋及SO2－4、Cl－存在着显著的正相关关系，而与Ca2＋、Mg2＋、HCO－3存在着显著的负相关，表明第2主成分主要取决于Na＋、K＋／Ca2＋、Mg2＋及SO2－4、Cl－，（Na＋、K＋）／（Ca2＋、Mg2＋）是盐渍土壤结构的一个指标，Na＋、K＋相对含量愈高（或Ca2＋、Mg2＋相对含量愈低），表明土壤胶体愈容易分散，土壤团聚体含量愈低，结构愈差；土壤中Cl－及HCO－3能抑制根系对其他离子的吸收，甚至造成直接腐蚀，其危害远大于SO2－4。

因此，前3个主成分代表了较高的信息量（累积贡献率达84．044％），决定用这3个新变量来代替原来的8个变量。将得到的因子负荷量与标准化后的数据相乘，然后就可以得出胀果甘草原生境土壤环境主成分表达式：

Y1＝0．651X1＋0．522X2＋0．573X3＋0．864X4＋0．308X5＋ 0．475X6＋0．953X7＋0．526X8

Y2＝－0．128X1＋0．368X2－0．671X3－0．300X4－0．476X5＋ 0．766X6＋0．030X7＋0．838X8

Y3＝－0．607X1－0．604X2＋0．221X3＋0．225X4＋0．513X5＋ 0．303X6＋0．032X7＋0．138X8

式中，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8分别为标准化后的有机质、K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、SO2－4、Cl－、HCO－3的含量。Y1、Y2、Y3表达式中各指标系数的大小反映该指标对各主成分的贡献大小，在第1主成分的表达式中，第4、7项的影响比较大，其次是第1、3项指标的影响，可以将它看成是反映有机质、Na＋、Cl－和Ca2＋的综合指标。在第2主成分的表达式中，第6项和第8项指标的影响特别大，远远超过其他指标的影响，可以看成是反映SO2－4、HCO－3的综合指标。在第3主成分的表达式中，第5项指标的影响较大。因此，可将有机质、Ca2＋、SO2－4、C1－、Na＋、HCO－3离子作为胀果甘草原生境土壤盐渍状况的特征因子。

3 结论与讨论

土壤中含盐量变化与该区降水及气温多年变化和年内季节变化密切相关，降水及气温是影响土壤盐分动态变化的重要因素。干旱区强烈的蒸发作用使得地下水不断从潜水面上升到土壤包气带，水分的运移带动了盐分在土壤中的移动和累积。随着土壤盐分的升高，植物对水分的利用能力下降，进而限制植被生长，不同的水盐组合就会产生不同的植物群落（汤梦玲等，2001）。本研究对土壤盐分状况分析结果表明，胀果甘草原生境土壤盐渍化程度较重而且差异较大，表层土壤盐分表聚强烈，表层土壤总体含盐量较高，0～10cm土层土壤盐分均值高达32．08g／kg，属于典型的强度盐渍化土。莫治新等（2009）在对塔里木河上游地区甘草群落的调查结果也表明，甘草植被群落0～20cm的盐分含量基本高于20cm以下土层的盐分含量。另外，研究区内干旱、少雨，蒸发强烈，造成土壤盐分的表聚性较强；土壤中的易溶性盐分会随土壤水分的移动而相应发生规律性变化，这与本研究结果相符合。

土壤中盐分离子主要有Ca2＋、Na＋、Mg2＋、K＋和Cl－、SO2－4、HCO－3，不含CO2－3，并且Cl－／SO2－4浓度之比都小于4，HCO－3／（Cl－＋SO2－4）比值均小于1，所以该地区盐类主要为硫酸盐－氯化物型，重碳酸盐是土壤盐分的次要成分。由于该地区属于典型的干旱区气候，总体上盐分以上行为主，盐分的淋滤作用也有发生，但是很微弱。同时，通过对研究区深度在1m内土壤盐分离子的主成分分析，认为可将Ca2＋、C1－、SO2－4、Na＋作为胀果甘草原生境土壤盐渍状况的特征因子。

在土壤垂直剖面上，含盐量与Cl－、Na＋、Ca2＋强烈相关，并在0～20cm处最为强烈，但随深度的增加其相关性逐渐减弱，到＞80cm其相关性有所增强；与SO2－4在0～50cm土层相关性很微弱，但在50～80cm和＞80cm土层其相关性逐渐增强，相关系数分别达到0．839和0．857；与HCO－3相关性甚弱，到＞80cm土层已不具相关性。

通过以上综合分析推断，胀果甘草原生境土壤盐分的类型主要为硫酸盐－氯化物型，盐分的表聚现象明显，该生境土壤中没有CO2－3，而Ca2＋的含量丰富，且与全盐量都达到显著相关，属典型钙质土。这些研究结果对药用植物胀果甘草的进一步研究提供了基础资料和理论依据。

张际昭 陆嘉惠 田中平

国家自然科学基金项目：30760028

发表于《中国水土保持科学》，2011，9（1）：82－86