模拟潜水对黄河三角洲土壤—柽柳系统水盐特征及柽柳生长的影响

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柽柳(Tamarix chinensis Lour)是黄河三角洲地区建群种,水分和盐分是限制其生长、导致不同程度的退化,产生低质低效林的主要因素。地下水与土壤、植物体中的盐分及其水分互为“源–库”关系,而潜水埋深及矿化度是地下水作为“源”影响植物生长的主要因子。黄河三角洲滨海地区地下水水位整体较浅,地下水矿化度高,以盐水矿化度为主;且年内因降水、蒸发、黄河入海等因素影响,潜水也一定程度上呈现出微咸水、咸水、盐水的变化过程,而不同潜水埋深和矿化度下地下水–土壤–植物系统不同介质中的水盐运移过程及如何协同影响柽柳生长等问题尚不清楚,因而,难以回答泥质海岸盐碱地柽柳防护林退化严重及造林成活率低等亟需解决的生产实践问题。本研究针对黄河三角洲泥质海岸带水盐分布特征及其对柽柳生长的影响这一关键问题,以栽植柽柳的土壤柱体为研究对象,模拟设置6个潜水埋深(0.3m、0.6m、0.9m、1.2m、1.5m、1.8m),4个矿化度,分别为淡水、微咸水、咸水和盐水矿化度,探讨柽柳栽植条件下不同土壤剖面以及柽柳主要器官的水盐时空分布对潜水埋深的响应特征,明确不同潜水埋深下土壤剖面水分和盐分发生明显变化的转折深度,分析地下水水位–土壤–柽柳体的水盐运移规律及其交互效应,揭示土壤–柽柳系统不同介质面的水盐分布对地下水矿化度的响应规律,明晰影响柽柳生长的地下水–土壤–柽柳系统内的关键水盐参数。研究结果可为地下水浅埋深条件下土壤次生盐渍化的防治及滨海地区柽柳群落的更新与复壮提供理论依据和技术参考。得到以下主要结论。(1)不同潜水埋深下土壤–柽柳系统土壤水盐分布的时空特征盐水矿化度下,浅水位(0.3m、0.6m)埋深时,土壤相对含水量(RWC)随土壤深度增加呈先降低后升高的趋势,中水位(0.9m、1.2m)及深水位(1.5m和1.8m)时,RWC随土壤深度增加而减少。浅水位和中水位下,土壤含盐量(SC)随土壤深度的增加而降低,深水位时,SC随土壤深度增加先降低后升高。随土壤深度的增加,土壤Na+与Cl-先降低后升高,K+和NO3-逐渐降低,Ca2+、Mg2+以及SO42-除深水位下先降低后升高外,其它潜水埋深下与土层深度呈负相关;而CO32-+HCO3-逐渐升高。中水位是土壤水盐发生明显变化的转折水位。1.2m是本模拟试验柽柳土柱毛管水上升速度较快且保持表土层湿润的潜水水位,超过该潜水水位毛管水上升速度迅速降低,该水位也是土壤盐分和土壤绝对溶液浓度(CS)变化的转折水位。土壤主要盐分离子发生显著变化的转折水位是中水位0.9m。表土层(0-10cm)盐分及盐分离子受潜水埋深影响显著大于其他土层。受潜水蒸发的影响,除CO32-+HCO3-外,土壤含盐量及盐分离子均呈现不同程度的表聚,土壤20-50cm柽柳根系分布层的主要盐分离子显著降低,是土壤盐分剖面变化的突变层。栽植柽柳能显著降低根系集中分布层的盐分及盐分离子累积。因此,建议栽植柽柳幼苗时避开含盐量高的表土层,以保证柽柳幼苗的存活率。从预防土壤次生盐渍化角度,建议柽柳幼苗栽植在潜水埋深大于1.2m的区域,栽植深度以超过20cm土层为宜。浅水位和中水位时,表土层土壤RWC、SC、Na+、Cl-随时间变化显著大于其它土层,深水位时,表土层波动较小,根系集中分布层或深土层波动性较大。受蒸发和根系吸水等因素影响,4-9月份为表土层水盐快速波动变化期,9月份后–次年4月份前,土壤水盐参数相对较稳定。两年研究周期内,表土层RWC呈现季节波动,但终始含水量变化较小,而在无降雨和无灌溉的条件下表土层盐分及主要离子不断累积。(2)不同潜水埋深下土壤–柽柳系统柽柳主要器官内水盐的时空特征模拟盐水矿化度下,潜水埋深对柽柳枝条水分的影响显著大于叶片,叶片含水量与潜水埋深无显著相关性;幼苗期枝条含水量略高于其它时期,而整个生长期内叶片水分无显著变化。各潜水埋深下,柽柳同一器官内盐分阳离子以Na+为主,阴离子以Cl-和SO42-为主。柽柳枝叶Na+、Cl-均随潜水埋深的增加先升高后降低,叶片中SO42-的变化趋势与Ca2+、Mg2+基本一致,中水位时枝条和叶片含量最高。各潜水埋深下,除幼苗鳞叶同化枝时期,柽柳叶片Na+、Cl-含量均高于枝条,盐分积聚分泌以叶片为主;受泌盐特性的影响,叶片Na+、Cl-含量旺盛生长期﹤(半)休眠期。(3)不同地下水矿化度下土壤–柽柳系统水盐参数的分布规律1.2m潜水埋深下,各矿化度下土壤水盐参数在垂直剖面上的分布规律一致,均为土壤RWC随土壤深度的增加而增加,而SC呈先降低后升高。随地下水矿化度的升高,相同土层盐分含量与矿化度呈正相关。表土层和浅土层的受地下水矿化度的影响大于底土层,呈明显的盐分表聚现象,柽柳根系集中分布层土壤盐分最低。地下水矿化度对柽柳枝叶盐分含量的影响大于水分,柽柳同一器官内Na+和Cl-含量为盐水>咸水>微咸水(淡水),且差异显著(P<0.05),而矿化度对柽柳枝叶含水量无显著影响;柽柳叶片水盐含量均高于枝条。(4)柽柳生长对潜水埋深及其矿化度的响应规律盐水矿化度下,柽柳地上生物量鲜重和干重增幅、根系生物量均随潜水埋深的增加呈先升高后降低的趋势;两个年度内,柽柳地上生物量增长最多是中水位1.2m,0.9m和1.5m水位次之,0.3m水位最少。随水盐胁迫时间的延长,柽柳次年地上生物量降低。因此,盐水矿化度下,在以柽柳生产力提高为主的恢复区,重点考虑柽柳生长状况时,建议种植的潜水埋深为0.9–1.5m。1.2m潜水埋深下,柽柳地上、地下生物量鲜重和干重均与地下水矿化度呈负效应,地下水矿化度对柽柳主根鲜重和干重变幅的影响大于侧根和毛细根。(5)地下水–土壤–柽柳系统水盐参数的耦合关系及对柽柳生长的影响地下水–土壤–柽柳系统不同水盐参数耦合关系及其对柽柳地上生物量的影响不同。潜水埋深(0.3-1.8m)下,柽柳地上生物量与潜水矿化度(盐度)极显著负相关(P<0.01),地下水矿化度极显著地抑制柽柳生长。柽柳叶片含水量和枝条含水量与潜水埋深无显著性相关(P>0.05)。CS与SC极显著正相关(P<0.01),与RWC显著正相关(P<0.05),RWC与潜水埋深极显著负相关(P<0.01)。以柽柳地上生物量为评价柽柳生长的指标,以地下水–土壤–柽柳水盐参数与其建立逐步回归方程,潜水埋深(0.3–1.8m)下,柽柳地上生物量随CS、地下水矿化度、枝条含水量递减,与潜水埋深呈递增关系。不同潜水埋深下决定柽柳地上生物量的主要因子不同,浅水位下(0.3m、0.6m),决定柽柳地上生物量的为SC、地下水矿化度和潜水埋深,柽柳叶片Na+含量,且与潜水埋深呈正效应,与SC和地下水矿化度呈负效应;中水位(0.9m、1.2m)下,受地下水矿化度影响最大;深水位(1.5m、1.8m)时,影响柽柳生长的主要为地下水矿化度和叶片Cl-含量,而叶片中Cl-含量与土壤含水量呈显著正相关、与潜水埋深均呈显著负相关,与地下水矿化度呈极显著正相关,表现为干旱和盐分胁迫。因此,可根据不同潜水埋深下影响柽柳生长的主要因子,同时注意结合栽植深度,因地制宜实施利于柽柳生长的水盐调控措施。
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