2022, Vol. 59
山东省盐碱地分布比较广泛，总面积高达5 927 km2，根据所处地域分布可划分为黄淮海平原盐碱土和滨海盐碱土[1]。河流沉积物经海水浸渍作用形成滨海盐碱土，山东的滨海盐碱土主要分布在黄河三角洲地区，面积已达265万hm2，且以1.3×103~2.0×103 hm2·a–1速度递增[2-3]。该类土壤含盐高、养分低、土壤结构差[4]，高浓度盐抑制作物正常生长，严重制约了黄河三角洲地区的农业生产[5]。黄河三角洲作为东部沿海后备土地资源最多的地区，其发展高效生态经济自“十五”规划以来一直被列入国家计划和规划纲要，并成为“渤海粮仓”农业科技示范工程的重要部分[6]。而且在《山东省“十三五”科技创新规划》中，针对土壤盐碱化问题，“盐碱地绿色开发”被列为重大科技创新工程。因此，合理地开发利用滨海盐碱地对缓解黄河三角洲地区农用地短缺等问题、促进其农业经济发展具有重要意义[7]。
通过植被恢复的方式改良盐碱土壤，可改善土壤质量并提高土壤肥力的自我维持能力[8]。不同的土地利用方式可以通过不同的植被类型、人为干预来影响土壤地表凋落物含量、微生物丰度等土壤环境，是影响盐碱地等生态退化地区生态恢复和土壤质量的关键因素[9-10]。Bhardwaj等[11]研究发现在贫瘠的盐碱土地上支持植物覆盖，可通过添加根和凋落物生物量来增强碳C的积累（土壤有机碳总储量可增加4%~70%）并加快缓解含盐量；许明祥等[12]研究发现土地利用类型变化是土壤氮素和有机质变异的主要来源，并对土壤水稳性团聚体、渗透性等土壤动态质量指标的变异性起主导作用。因此，研究盐碱区不同土地利用方式下的土壤理化性质，有助于了解该区土地利用方式变化对土壤质量及生产力的影响，从而为实现其土地利用的合理规划和可持续发展提供依据[13]。现阶段，山东滨海盐碱地区不同土地利用方式对土壤性质的研究主要集中在水盐、养分特性及碳库研究[14-16]。刘兴华等[17]研究了黄河三角洲滩涂、湿地和旱地土壤团聚体有机质组分的变化规律，发现植被生长可以增加湿地土壤中的活性碳库，而耕作可使旱地碳库更趋稳定；He等[18]研究发现黄河三角洲地区土地利用从天然湿地转变为耕地后改变了土壤特性，尤其是土壤养分相关特性和土壤盐分，并进一步改变了土壤细菌群落结构及丰度。但是，目前针对山东滨海盐碱土在不同土地利用方式下的团聚体稳定性、微形态以及理化性质间的相互关系研究较少，而且缺少具体的土地利用方式规划建议。
基于此，本研究选取东营市垦利县荒地、草地、耕地和林地四种土地利用方式的样地为研究对象，通过对不同地块土壤基本理化性质与团聚体的比较及相关性分析，来研究不同土地利用方式对滨海盐碱土理化性质的影响，以期为滨海盐碱地区土地利用方式的合理规划与可持续发展提供参考。
1 材料与方法 1.1 研究区概况山东省东营市垦利县（37°24′~38°10′N，118°15′~119°19'E）位于黄河下游入海口附近，属暖温带季风大陆性气候，冬季干冷，夏季湿热，四季分明。年平均气温12.1℃，年降水量556 mm，70%的降水集中在夏季7~8月份。该地区土壤主要为盐化潮土，成土母质以海相沉积物和黄河冲积母质为主。由于海水浸渍及次生盐渍化的影响，研究区土壤肥力低、排水不畅，严重制约了农业经济的高效发展。
1.2 样品采集2018年11月在研究区对天然草地（37°35′37.14′′N，118°36′5.22′′E，图 1）、耕地（37°35′37.15′′N，118°39′28.28′′E，图 1）、人工林地（37°36′47.00′′N，118°37′30.68′′E，图 1）、无植被覆盖的荒地（37°35′37.14′′N，118°36′5.22′′E，图 1）四种土地利用方式的耕层（0~20 cm）土壤进行取样。其中，天然草地生长的植被为马绊草（Aeluropus littoralis），耕地生长的植被为玉米（Zea mays）且植株矮小，人工林地生长的植被为旱柳（Salix matsudana）。每个样地设置九个3 m×3 m的样方，利用土钻进行梅花型五点取样。每三个样方混匀并作为一组重复，共三组重复。样品带回实验室后风干，并去除植物根系和碎石，一部分过筛用于基本理化性质的分析，另一部分用于团聚体稳定性的测定。
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图 1 研究区及取样点 Fig. 1 Research area and sampling points |
土壤基本理化性质测定方法[19]：土壤质地采用过筛和吸管法测定；土壤可溶性盐含量采用烘干残渣重量法测定；土壤容重采用环刀法测定；土壤pH和EC分别按照2.5：1和5：1的水土比测定；水溶性K+、Na+含量采用火焰光度计法测定；土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定；土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化—外加热法测定；风干后的土壤依次经过2 mm和0.25 mm的网筛来计算土壤机械稳定性。土壤水稳定性根据Cambardella和Elliott[20-21]的湿筛法：土壤平铺在2 mm筛面上，在水中浸泡5 min后，以25次·min–1的振动频率在水中进行振动，振幅为3 cm，依次经过2 mm、0.25 mm和0.053 mm网筛。对得到的 > 2 mm水稳性团聚体进行表面和断面（用手轻轻掰开）的扫描电镜（SEM）以及X射线能谱（EDS）表征分析。
粒径 > 0.25 mm的机械稳定性、水稳定性团聚体含量（R0.25、WR0.25），团聚体破坏率（PAD），机械稳定性、水稳定性平均质量直径（MWD、WMWD）的计算公式为：
| $ ({\text{W}}){R_{0.25}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{W_i}} $ | (1) |
| $ {\text{PAD}} = ({R_{0.25}} -{\text{W}}{R_{0.25}})/{R_{0.25}} \times 100\% $ | (2) |
| $ ({\text{W}}){\text{MWD}} = \sum\limits_{i = 1}^n {({{\bar R}_i}{W_i})} /\sum\limits_{i = 1}^n {{W_i}} $ | (3) |
式中，Wi为第i粒级团聚体质量所占的百分含量（%）；R0.25为粒径 > 0.25 mm的机械稳定性团聚体含量；WR0.25为粒径 > 0.25 mm的水稳定性团聚体含量；
使用SAS V8统计软件进行数据的差异显著性检验（LSD法），使用SPSS 25.0软件皮尔逊（Pearson）法进行相关性分析，使用Microsoft Excel 2016 Excel软件进行作图。
2 结果 2.1 不同土地利用方式对山东滨海盐碱土壤质地和容重的影响林地的机械组成与荒地、草地和耕地差异显著（P < 0.05）（表 1），质地为壤质砂土。其中，林地的黏粒、粉砂粒和砂粒含量分别为其他样地的0.32倍~0.62倍、0.20倍~0.33倍和1.54倍~2.66倍。荒地与草地的机械组成无显著差异（P > 0.05），与耕地存在显著差异（P < 0.05），但三者质地均为粉（砂）壤土。草地的容重最低，显著低于荒地和耕地（P < 0.05），较荒地降低了10.39%。
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表 1 四种土地利用方式土壤的机械组成、质地和容重 Table 1 The mechanical composition, texture and bulk density of soils in four land-use types |
四种土地利用方式土壤的pH差异显著（P < 0.05），具体表现为：草地 > 林地 > 耕地 > 荒地（表 2）。荒地的EC为3.87 mS·cm–1，显著高于其他样地（P < 0.05），分别是耕地、草地、林地的5.16倍、15.78倍和28.99倍，且耕地显著高于草地和林地（P < 0.05）。荒地的水溶性K+含量最高，分别为草地和林地的1.27倍和1.81倍，且林地最低；水溶性Na+含量的表现与水溶性K+含量及EC结果一致，均为：荒地 > 耕地 > 草地 > 林地。其中，荒地的水溶性Na+含量为922.63 mg·kg–1，分别是草地、耕地和林地的4.55倍、2.55倍和11.37倍。以上结果表明，林地、草地和耕地土壤的盐度相较于荒地均显著降低，具体表现为：荒地 > 耕地 > 草地 > 林地。
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表 2 四种土地利用方式土壤的pH、EC和水溶性钾钠、全氮、总有机碳含量 Table 2 The pH, EC, water-soluble K+ and Na+ contents, total nitrogen content, the total organic carbon content of soils in four land-use types |
林地的全氮含量最高，为荒地的1.55倍，但与草地、耕地无显著差异（P > 0.05）（表 2）。林地和草地的总有机碳含量均显著高于荒地和耕地（P < 0.05），且林地（4.09 g·kg–1）最高，是其他三种样地的1.11倍~1.35倍。四种土地利用方式土壤的总有机碳含量和全氮含量表现一致，依次为：林地 > 草地 > 耕地 > 荒地。不同土地利用方式土壤的四个粒级水稳性团聚体中，0.25~2 mm组分的有机碳含量均为最高，为6.96~11.32 g·kg–1；草地、耕地、林地0.25~2 mm、< 0.053 mm组分的有机碳含量均显著高于荒地（P < 0.05），且林地最高（图 2a）。土壤中的有机碳主要集中在 < 0.25 mm的组分中，占总有机碳质量的57%~80%；> 2 mm组分的有机碳质量在四个粒径团聚体中占比最低，为4%~13%（图 2b）。综合来看，草地和林地土壤的碳、氮储量均显著高于荒地，0.25~2 mm组分土壤的有机碳含量较高但在总土壤有机碳中占比不高。
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注：WL，荒地；GL，草地；CL，耕地；FL，林地。不同小写字母表示不同土地利用方式间差异显著（P < 0.05）。下同。 Note: WL, wasteland; GL, grassland; CL, cultivated land; FL, forest land. Different lowercase letters indicate a significant difference between different land-use types at P < 0.05. The same as below. 图 2 四种土地利用方式下土壤有机碳分布 Fig. 2 The organic carbon distribution of soils in four land-use types |
林地土壤的三个粒径大小的机械稳定性团聚体含量均与其他样地存在显著差异（P < 0.05）（图 3a）。在 > 2 mm组分中，耕地含量最高（36.94%），为林地的2.05倍；0.25~2 mm组分中，荒地含量最高（23.53%），为林地的3.40倍；< 0.25 mm组分中，林地含量最高（74.88%），为其他样地的1.63倍~1.72倍，因此林地的MWD和R0.25均显著低于其他样地（P < 0.05），但其他样地间的MWD无显著差异（P > 0.05）（表 3）。经过湿筛，林地得到的 > 2 mm组分为5.13%，0.25~2 mm组分为7.59%，0.053~0.25 mm组分达到了79.63%，是其他土壤的1.39倍~2.27倍，< 0.053 mm组分仅为7.65%（图 3b）。同时，林地的WMWD和WR0.25与草地、林地无显著差异（P > 0.05）。草地得到的 > 2 mm、0.25~2 mm、0.053~0.25 mm、< 0.053 mm组分分别为6.51%、8.91%、44.97%和39.61%，耕地分别为7.22%、8.77%、57.09%和26.92%。荒地土壤经过湿筛后，其WMWD和WR0.25均显著低于其他样地（P < 0.05），其PAD为85.40%，显著高于其他土壤（P < 0.05），是草地和耕地的1.19倍、林地的1.72倍。以上结果表明，林地土壤团聚体的水稳性最好，明显优于荒地土壤，草地和耕地土壤没有显著差异。
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图 3 四种土地利用方式土壤的机械稳定性和水稳定性 Fig. 3 The mechanical stability and water stability of soils in four land-use types |
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表 3 四种土地利用方式土壤的MWD、R0.25、WMWD、WR0.25和PAD Table 3 The MWD, R0.25, WMWD, WR0.25 and PAD of soils in four land-use types |
利用SEM观测四种土地利用方式土壤 > 2 mm水稳性团聚体的表面形态，结果表明各类土壤的团聚体形貌存在明显差异。荒地的团聚体表面无明显的颗粒及孔隙，较为光滑；草地和林地的团聚体均包裹了植物根系且表面能够看到明显的颗粒及孔隙，但草地的颗粒排列更紧密且直径较小，林地的颗粒具有明显的凸起且颗粒间的黏结物更多；耕地的团聚体表面的颗粒大小不一且较粗糙，粒间孔隙不够明显，颗粒缝隙间有许多黏粒附着（图 4a~图 4d）。荒地团聚体内部的断面比表面粗糙了很多，能够看到大小不一的颗粒，但孔隙不多；草地团聚体内部的颗粒仍然排列紧密，且能明显看到颗粒间的黏结物质；耕地团聚体内部的颗粒排列比表面疏松且孔隙更明显，颗粒表面粗糙附着较多的小颗粒；林地团聚体内部的颗粒形态与表面相近，但颗粒间的黏结物变少，且孔隙更加清晰（图 4e~图 4h）。四种土地利用类型 > 2 mm水稳性团聚体表面（图 5a~图 5d）和断面（图 5e~图 5h）中，O含量最高，占总分析元素（C、O、Na、Mg、Al、Si、Ca）的50%左右。其中，荒地、草地和耕地团聚体断面的O含量与表面相比略有下降，而林地的O含量从47.1%提高至62.8%。Si含量仅次于O，占总分析元素的14%~25%。其中，荒地和草地团聚体断面的Si含量比表面高出了约10%，而林地断面的Si含量相比于表面发生了下降。团聚体表面C含量占总分析元素的10%以上，且不同土地类型间差距不大；而断面C含量差距较大，荒地、草地的C含量较表面明显降低，已不足10%。
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注：a和e，荒地；b和f，草地；c和g，耕地；d和h，林地。下同。 Note: a and e, wasteland; b and f, grassland; c and g, cultivated land; d and h, forest land. The same as below. 图 4 > 2 mm水稳性团聚体的表面（a~d）和断面（e~h）扫描电镜（SEM） Fig. 4 Scanning electron microscopy(SEM)of > 2 mm water-stable aggregates on the surface(a~d)and section(e~h) |
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图 5 > 2 mm水稳性团聚体的表面（a~d）和断面（e~h）X射线能谱分析（EDS） Fig. 5 X-ray energy dispersive spectrometer(EDS)of > 2 mm water-stable aggregates on the surface (a~d) and section (e~h) |
四种土地利用方式土壤的理化性质各指标间存在不同程度的相关性。水溶性Na+含量与pH、EC、水溶性K+含量、总有机碳含量、全N含量均呈极显著相关性（P < 0.01），与WMWD、WR0.25显著负相关（P < 0.05）；总有机碳含量与MWD、R0.25呈极显著负相关（P < 0.01），与WMWD、WR0.25无相关性；PAD与EC、水溶性K+含量、水溶性Na+含量、MWD、R0.25之间为极显著正相关关系（P < 0.01），与总有机碳含量呈极显著负相关关系（P < 0.01），与WR0.25无显著相关性（P > 0.05）（表 4）。砂粒与MWD、R0.25呈极显著负相关关系（P < 0.01），粉砂粒与MWD、R0.25的相关性为极显著正相关（P < 0.01），黏粒与MWD的相关性呈极显著正相关（P < 0.01）且与R0.25呈显著正相关（P < 0.05）。以上结果表明，水稳性大团聚体虽受有机质保护但也受机械组成等条件限制。土壤的PAD与0.25~2 mm和 > 0.25 mm组分水稳性团聚体有机碳含量的相关性分析中发现，PAD与0.25~2 mm组分相关性极显著（P < 0.01），与 > 0.25 mm组分无显著相关性（P > 0.05）（图 6a、图 6b）。
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表 4 土壤理化性质间的相关系数 Table 4 The correlation coefficients between soil physical and chemical properties |
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图 6 四种土地利用方式土壤的团聚体破坏率与0.25~2 mm（a）和 > 0.25 mm（b）水稳性团聚体有机碳含量的线性回归分析 Fig. 6 The linear regression analysis of PAD with the organic carbon content of 0.25~2 mm(a)and > 0.25 mm (b)water-stable aggregate soils in four land-use types |
在盐碱地中，土地利用方式可以通过改变土壤机械组成来影响土壤的通气、透水、保肥性能，从而改善土壤结构[22]。本研究中，林地含有大量的砂粒（85.20%），是其他样地的1.54倍~2.66倍（表 1）。这可能是由于林地植被覆盖度较低，粉粒、黏粒易随雨水流失，剩下了颗粒较大的砂粒。该研究结果与解璐晗[23]在黄河三角洲地区发现在不同土层下林地的砂粒含量显著高于耕地和草地结果一致。砂粒占比高的土壤具有良好的通气、排水能力，但保肥性较差，而粉粒及黏粒与有机质的紧密结合可以减少土壤有机质的分解[24]。草地根系纵横且覆盖度高，能够良好地保护粉粒和黏粒，为此在林地中种植草地可以有效调节粉粒和黏粒含量，从而增强其保肥能力。Xia等[8]研究也进一步证实，在采用生物措施对盐碱地进行改良时，建议优先采用树-灌木-草混合模式，其次是树-草-草混合模式，应尽量避免纯森林模式。盐碱土中高浓度盐抑制作物生长，且Na+对土壤的分散作用能够引起土壤物理性质恶化。草地、耕地和林地的EC、Na+含量显著低于荒地（表 2），这是由于土壤种植植物能够增加土壤孔隙，抑制盐分从深层土壤或地下水的迁移[25]。该结果与张鹏锐等[26]研究发现东营盐碱地区草地、棉田、柽柳地的含盐量明显低于荒地结果一致。草地和林地的全N、SOC均显著高于荒地，而耕地的SOC未显著提高（表 2）。这是因为植物凋落物分解后的腐殖质以及根系分泌物能够提供N源和C源[27]，而耕地中生长的植物几乎都被收获，只有少部分植物体残留在土壤中，且耕作会加快有机质的分解转化、淋溶和迁移[28]。综合分析发现，草地和林地均能有效降低土壤盐分，提高土壤碳、氮储量，具有良好的生产潜能。但在该研究区进行土地利用规划时需注意将林地与草地复合种植以保护土壤黏粒，而耕地需增施有机肥以提高土壤碳储量从而改善土壤结构。
3.2 土地利用方式对山东滨海盐碱土壤团聚体的影响高盐（Na+）能够导致盐碱地土壤黏重，对植物健康的影响通常又会导致土壤有机碳储量的减少[29]，而有机质是影响土壤团聚体水稳定性的关键因素[30]。从表 3可以看出，四种利用方式的土壤经过湿筛，其平均质量直径和 > 0.25 mm组分均明显减小，这与刘兴华等[17]研究结果一致；但由于林地的有机碳含量显著高于其他样地，且R0.25较低，因此其PAD显著低于荒地、草地和耕地。图 2b中，林地 < 0.053 mm组分的有机碳质量百分比最小（> 2 mm和0.25~2 mm组分汇总为 > 0.25 mm组分），0.053~0.25 mm组分最高，与李涵诗等[31]研究结果一致。产生该现象的原因是有机物在降解过程中的迁移次序为：粗砂→细砂→粗粉→黏土→细粉[32]，而林地中砂粒的含量高，且土壤中含有的枯枝落叶残体C/N较高，分解速率较慢，因而林地中0.053~0.25 mm组分的有机碳含量较高。良好的团聚体结构有利于土壤的通气以及盐碱地中水溶性盐的排出。草地和林地的团聚体存在明显的微孔隙，而荒地团聚体表面看不到明显的颗粒及孔隙且内部孔隙也较少（图 4），因而草地和林地的EC、Na+含量显著低于荒地（表 2）。土壤中存在着大量的矿物以及有机物，且研究表示土壤团聚体的形成与稳定与土壤中有机碳及铁铝氧化物的胶结作用密切相关[33]。因此本研究中各土壤团聚体（> 2 mm）表面和内部的O、Si、Al、C含量较高（图 5），该现象与Arai等[34]研究结果一致。结合图 2a和图 5，有机碳对荒地和草地团聚体表面的胶结作用要强于内部，内部可能以无机胶结作用及“有机质-氧化物”络合作用为主；张玉兰等[35]研究表明土壤腐殖质中脂肪族化合物增加有利于土壤团聚体的形成，结合林地团聚体断面O含量较高这一现象，说明其内部的脂肪族、羧酸碳组分可能较高。因此，在施用土壤调理剂时应注意选择富含脂肪族、羧酸碳组分等有机物以及富含铁铝氧化物的矿物肥料，从而更有效地提高土壤碳储量。但这类有机物及其矿物肥料提高土壤碳储量的机制还需进一步研究。
3.3 土壤基本理化性质与团聚体的相互影响土壤结构能够影响土壤中水分、气体、养分的储存和运输，而提高团聚体的水稳性是促进盐碱地形成良好土壤结构的关键[36]。结合表 4数据，推断影响四种土地利用方式下滨海盐碱土机械稳定性的可能是机械组成，其中砂粒的影响最大且随着砂粒含量增加机械稳定性降低。四种土地利用方式土壤的MWD和R0.25与总有机碳呈极显著负相关，与石宗琳等[37]研究结果一致，但李程程等[38]、谢钧宇等[39]研究表示总有机碳与团聚体机械稳定性没有相关性，因此土壤团聚体的机械稳定性可能受有机质含量影响较少。Na+对土壤具有强烈的分散作用[40]，因此PAD与Na+之间呈极显著正相关；而PAD与总有机碳之间为极显著负相关关系，这是由于土壤团聚体形成过程中有机质是主要的胶结物质[41]，能够提高团聚体稳定性[42-44]。但是，PAD与0.25~2 mm水稳性团聚体有机碳含量的R2远高于 > 0.25 mm组分，且四种土地利用方式土壤0.25~2 mm水稳性团聚体有机碳含量均高于 > 2 mm组分，由此得出能够保护团聚体的有机胶结物质主要集中在0.25~2 mm团聚体中。林地的MWMD和WR0.25并不高于草地和林地，这是由于林地中砂粒多、黏粒少，难以通过菌丝、根系的缠绕以及分泌物的黏结作用形成大量的大团聚体[45]。综合而言，草地和林地主要通过增加土壤（0.25~2 mm组分）有机质、减少土壤盐分来提高团聚体的水稳定性，以此来减少团聚体的破坏率。虽然耕地土壤的有机碳含量较低、含盐量较高，但其MWMD和WR0.25与草地相近，这得利于其较好的机械稳定性及耕作等人为操作。因此，提高山东滨海盐碱土中水稳性0.25~2 mm组分的占比及有机质含量，有利于提高WR0.25，但值得注意的是，该过程还受机械组成限制。
综上所述，为了提高山东滨海盐碱地区的土壤质量及农业经济发展，除进行人工洗盐外最重要的途径之一是增加土壤碳储量。该过程可以通过对耕地增施富含脂肪族化合物等C/N高的有机物以及富含铁铝氧化物的矿物肥料进行固碳来实现，即“人工增碳”。对荒地进行治理时，可先进行少量泥沙的添加以增加土壤通气、排水能力，然后进行林草复合模式种植以“天然增碳”。
4 结论黄河三角洲滨海盐碱地区草地、耕地和林地的盐分相比于荒地显著降低，总有机碳含量、团聚体水稳性有所提高。荒地无植被覆盖，土壤可溶性盐含量达到了19.78 g·kg–1，是其他样地的7.17倍~17.20倍，PAD高达85.40%，团聚体水稳性差；草地中穿梭的草根以及植物残渣能够增加土壤孔隙、养分和黏结物质，增强了土壤透水、排盐能力及团聚体水稳性；耕地因翻耕、施肥、种植、灌溉等人工操作，其团聚体水稳性与草地基本一致，但总有机碳含量不高；林地中的枯枝落叶显著提高了土壤中的有机碳含量及黏结物质，从而加速盐分淋洗并提高团聚体水稳性，但其砂粒含量较高，R0.25仅为25.12%。综合来说，草地和林地对滨海盐碱土壤理化性质的改良效果均为显著，具有较高的碳储量及生产潜力。在实际规划与治理中，要注意对耕地增施富含脂肪族化合物等有机物及铁铝矿物肥，并对荒地实施林草复合种植模式。
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