不同隔鹽措施對濱海鹽堿地土壤水鹽運移及刺槐光合特性的影響

王琳琳, 李素艷,*, 孫向陽, 張 濤, 付 穎, 張紅蕾

1 北京林業大學林學院, 北京 100083 2 呼倫貝爾市林業科學研究所, 呼倫貝爾 021008

不同隔鹽措施對濱海鹽堿地土壤水鹽運移及刺槐光合特性的影響

王琳琳1, 李素艷1,*, 孫向陽1, 張 濤1, 付 穎1, 張紅蕾2

1 北京林業大學林學院, 北京 100083 2 呼倫貝爾市林業科學研究所, 呼倫貝爾 021008

土地鹽堿化是限制土地資源利用的一個主要障礙，在耕地面積逐漸減少的今天，改良利用鹽堿地早已提上了科學日程。在天津濱海鹽堿地區，通過田間完全隨機區組實驗設計，對比分析了4種土壤鹽分隔離措施(對照-不設隔鹽處理，CK；沸石隔鹽處理，FS；陶粒隔鹽處理，TL；河沙隔鹽處理，HS)對0—80 cm土層水鹽運移及刺槐(Robiniapseudoacacia)光合特性的影響，目的是通過評估不同隔鹽材料的控鹽改土效果，為濱海地區鹽漬土改良和沿海防護林營造等林業生態工程建設提供理論依據。研究結果表明：(1) FS和TL可以顯著提高土壤相對水分含量，為刺槐生長創造更加適宜的水分環境。FS導致0—80 cm土體內鹽分含量和土壤鹽溶質濃度顯著降低，控鹽效果顯著。TL僅在40 cm以下土層有顯著降鹽效果，控鹽效果僅次于FS。與對照相比，HS對0—80 cm土體內鹽分含量和土壤鹽溶質濃度無顯著影響，降鹽效果最差。(2) FS處理能顯著提高刺槐的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)及葉片水分利用效率(LWUE)，降低胞間CO2濃度(Ci)。TL可顯著提高刺槐葉片的Pn、Tr，但改善效果不及FS，并且其對Gs、Ci和LWUE沒有顯著影響。與對照相比，HS雖然能顯著增加刺槐葉片Pn和Tr，但卻導致LWUE顯著降低。綜上所述，在濱海地區采用沸石作為隔鹽材料比采用傳統材料河沙更能有效保水降鹽，促進植物光合及生長，可以作為濱海鹽堿地區隔鹽材料的優先選擇。

隔鹽層; 沸石; 陶粒; 河沙; 光合特性; 濱海鹽堿土; 刺槐

我國鹽漬土面積大且分布廣，其中約1.0×106hm2濱海鹽堿土分布在漫長的濱海地帶[1]。濱海鹽堿地區的生態系統非常脆弱，由于氣候干旱、降雨集中、海水侵浸、河流改道泛濫等原因，土壤鹽堿化程度不斷擴大，使農林業可持續發展面臨嚴峻挑戰。

長期以來，鹽堿土改良主要采用灌溉排水、添加覆蓋物、施加化學改良劑，以及客土轉移和耐鹽植物種植等措施[2- 3]。在鹽漬土利用過程中，土壤水分無效蒸發，潛水上升是造成地表返鹽的主要原因[4]。因此，只要能有效阻斷潛水上升路徑，促進下行重力水對土壤的淋洗，就能減輕鹽分表聚現象，降低水分和鹽分對植物的脅迫?；诖?，通過工程措施建立鹽分隔離層作為一種改良鹽堿地的有效方法，被廣泛采用。國內外研究結果表明[5- 7]，在土表下35 cm或80—100 cm處鋪設沙子隔鹽層，或在土表下20 cm處或30 cm處鋪設秸稈層，都可以顯著降低土壤電導率，促進植物生長和代謝。總體看來，有關土表下鋪設隔層的研究大多采用室內一維土柱模擬，試驗條件也限定為單一的降雨或蒸發[8- 9]。而在野外，土壤要受到蒸發、降水、地形起伏、地下水埋深等多種自然因素的影響，其水鹽運動規律相較于室內試驗要復雜的多。當前通過鋪設隔鹽層進行鹽堿地改良的研究中，多選擇河沙作為隔鹽材料[10]，且多數只在樹穴底部鋪設隔鹽層，較少考慮側壁隔鹽層對鹽分的阻礙作用。沸石是一種具有很強吸附能力和離子交換能力的土壤改良材料，有保肥供肥改良土壤物理性質的作用；另外，沸石來源廣泛，成本低廉，且無毒無害，是一種便于推廣和利用的土壤改良劑[11]。陶粒是一種輕質多孔的硅酸鹽產品，具有較強的吸附能力和穩定的物理特性，常用于土壤的修復和改良[12]。雖然這些材料特點突出，但將其作為隔鹽材料進行鹽堿改良的研究罕有報道，其對鹽分抑制能力的強弱仍不明確，因此本文將對這3種材料的隔鹽效果進行評估。

刺槐(Robiniapseudoacacia)作為造林樹種1897年引入我國山東青島，現在我國華北、西北等全國的27個省、市區有栽培，以黃河中下游、淮河流域為主要栽培區，特別是在黃河三角洲地區，占造林總面積的90%以上[13]。刺槐具有較強的耐鹽抗旱能力，能在中性土、酸性土和含鹽量0.3%以下的輕、中度鹽漬土上正常生長[14]，因此是用于鹽堿地植物改良和干旱地區的防護林建設的重要樹種[15]。營建人工刺槐林可以為天津濱海地區鹽堿地改良和發揮生態屏障作用提供幫助。對刺槐光合特性的研究，是分析環境因素影響其生長和代謝的重要手段。但目前對于刺槐生長特性的研究多集中于干旱地區的水分脅迫、盆栽試驗及單一鹽脅迫試驗等[16- 17]，而對工程改良后鹽堿地自然狀態下刺槐生長特性的對比研究較少。由于天津濱海鹽堿地具有典型的生態地域代表性[18]，因此本文以該地區鹽堿土為研究對象，采用沸石、陶粒和河沙作為隔鹽材料，在樹穴底部和側壁鋪設隔鹽層并種植刺槐，研究大田中不同隔鹽措施對濱海地區重度鹽漬土0—80 cm土層水鹽運移及刺槐光合特性的影響，從而評估不同隔鹽材料的控鹽改土效果，以期為濱海地區鹽漬土改良和沿海防護林營造等林業生態工程建設提供理論依據。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

試驗區位于天津市大港區濱海耐鹽堿植物科技園區(北緯38°46′，東經117°13′，海拔高度約1.3 m)，該區屬于北半球暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，由于瀕臨渤海，受季風環流影響大，冬夏季風更替明顯，四季分明，溫差較大。全年平均氣溫為12.3 ℃，氣溫最高月份出現在7月(26 ℃)，氣溫最低月份出現在1月(-4 ℃)。該區地處中緯度，日照時間長，年平均日照時數為2618 h，累計年太陽總輻射量121.1×4.184kJ/cm2，生理輻射總量61.544×4.184kJ/cm2，無霜期約211d。年平均降水量593.6 mm，雨水集中在6—9月份，占全年降水總量的84%。年平均蒸發量1979 mm，是降水量的3倍多。

表1 試驗地土壤物理性質Table 1 Physical properties of the experimental field

1.2 試驗材料與方法

試驗共設置4個處理：(1)對照-不設置隔鹽處理(CK)，(2)沸石隔鹽處理(FS)，(3)陶粒隔鹽處理(TL)和(4)河沙隔鹽處理(HS)。將鹽堿水平一致的同一塊試驗地劃分為4個區組(57 m×12 m)，每個區組劃分為4個小區(12 m ×12 m)，兩個相鄰區組和小區間的距離分別為6 m和3 m。按照完全隨機區組試驗設計，將所有處理完全隨機的分配到各個區組中去，每個小區為1個處理，每個處理重復4次。2010年4月，在每個小區內栽植9株2年生刺槐帶根苗，株行距3 m×3 m，植穴規格1 m×1 m×1 m。刺槐栽植時先將樹穴中0—100 cm的土壤按5個層次(0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm, 80—100 cm)取出，然后分別在樹穴底部和側壁鋪設沸石、陶粒和河沙作為隔鹽層，底部和側壁隔鹽層厚度分別為20 cm和10 cm，同時在隔鹽層和原土之間鋪設厚度為5 cm的草簾，防止土壤顆粒進入隔鹽層影響試驗效果，最后將土壤按原層次回填并植樹。對照處理中不鋪設隔鹽層，但以同樣的方式鋪設草簾，以排除草簾對鹽分運移的影響。試驗布置完畢，立即對每個樹穴進行灌溉，并于2010年4月到2010年6月每兩周灌溉1次，灌溉定額均為5 L水。不同隔鹽措施下所栽植刺槐苗木均為2年生帶根苗，栽植方法為截干栽植，地徑和留干高度分別在3.2—4.1 cm和2.66—2.93 m之間。栽培管理措施一致。試驗沸石和陶粒均從當地礦產品加工廠購置，粒徑分別集中在2—3 mm和10—25 mm；河沙購自當地市場，統一過篩，粒徑集中于1—2 mm。

1.3 土壤取樣與指標測定

土壤樣品采集時間為2013年8月20日，為試驗區降雨后的第3天，降雨量為24.6 mm。在每個小區內隨機選擇3株刺槐，測定其樹高和地徑，同時用內徑為5 cm的不銹鋼土鉆在每個樹穴內分5個土層(0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm)進行土樣采集，每層取樣1次并進行環刀樣品采集，然后帶回實驗室進行相關指標的測定。土壤容重、總孔隙度、田間持水量采用環刀法測定。土壤含水量采用烘干法測定，并將其轉化為土壤相對含水量[19]。土壤烘干后磨碎，過1 mm孔徑篩，以1∶5的土水比提取土壤溶液上清液，用電導率儀MP- 521測定土壤電導率，根據Pang等[20]計算土壤鹽分含量：

土壤鹽分含量(g/kg)= 電導率×0.064×5×10 /1000

計算相應的土壤鹽溶質濃度：

土壤鹽溶質濃度(g/L)= 鹽分含量/水分含量×10

1.4 葉片光合特性測定

2013年8月24—26日，在這晴朗無云的3 d中，對刺槐葉片光合特性進行測定。利用LI- 6400便攜式光合作用分析儀(Li-cor, USA)測定刺槐葉片的凈光合速率(Pn, μmol m-2s-1)、蒸騰速率(Tr, mmol m-2s-1)、氣孔導度(Gs, mol m-2s-1)和胞間CO2濃度(Ci, μmol/mol)。同時記錄光合有效輻射(PAR, μmol m-2s-1)、空氣相對濕度(RH,%)、氣溫(Ta, ℃)、環境CO2濃度(Ca, μmolCO2/mol)等環境參數。每處理選擇3株樹木，每株選取樹冠中部3片生長健壯的成熟葉片進行活體測定，觀測時間為每天的6:00—18:00，每2 h測定一次。在光合速率趨于穩定時，每個葉片連續記錄3次，取平均值。所得指標數值均為3 d的平均值。葉片瞬時水分利用效率(LWUE, μmol/mmol)的計算公式為：

LWUE =Pn/Tr。

1.5 統計分析

采用單因素方差分析方法(one-way ANOVA)比較不同隔鹽措施處理之間土壤水鹽和葉片光合特征之間的差異；多重比較采用最小顯著極差法(LSD)檢驗在方差分析中有差異的變量間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同隔鹽措施對土壤相對含水量、鹽分及鹽溶質濃度的影響

2.1.1 土壤相對水分含量變化

不同隔鹽措施處理下，0—80 cm土體內土壤相對水分含量均較對照(CK)顯著增加(表 2)。在不同土層中，HS處理的土壤相對含水量均顯著高于其他處理，CK的土壤相對含水量均顯著低于其他處理； FS和TL處理土壤相對含水量除了在0—10 cm土層內差異顯著外，其他土層內兩者均無顯著差異(P>0.05)。將各處理0—80 cm土壤相對水分含量進行平均，其大小順序為HS>FS>TL>CK。其中，HS、FS和TL的土壤相對含水量與CK之間差異顯著(P<0.05)，FS和TL的土壤相對含水量無顯著差異。

2.1.2 土壤鹽分含量變化

與對照相比，3種隔鹽措施均可降低土壤各層鹽分含量(表 3)。其中，FS能顯著降低0—80 cm內各土層鹽分含量(P<0.05)，平均比CK低45.42%—71.42%。TL處理也能降低整個土體的鹽分含量，但只在40 cm以下土層效果顯著，控鹽效果僅次于FS。HS導致土體(0—80 cm)鹽分含量略有下降，但各土層鹽分含量與CK之間均無顯著差異(P>0.05)，控鹽效果最差。

表2 不同隔鹽措施下土壤相對含水量Table 2 Effects of different salt-isolation materials on the relative water content of soil

CK: 對照；FS: 沸石隔鹽處理；TL: 陶粒隔鹽處理；HS: 河沙隔鹽處理; 同行具有不同字母表示處理間差異顯著 (P< 0.05)

表3 不同隔鹽措施下土壤鹽分含量Table 3 Effects of different salt-isolation materials on the salt content of soil

同行具有不同字母表示處理間差異顯著 (P< 0.05)

2.1.3 土壤鹽溶質濃度變化

土壤鹽溶質濃度與土壤鹽分變化規律相似，采用隔鹽措施的土壤鹽溶液濃度均低于對照(表 4)。在0—40 cm土層內，TL、HS和CK三者的鹽溶質濃度均逐漸降低，且無顯著性差異。40—80 cm土層內，TL的鹽溶質濃度顯著低于CK(P<0.05)，平均值比CK低40.77%；而HS在各土層深度內均與CK無明顯差異(P>0.05)。FS對各土層內鹽溶質濃度的降低效果最為顯著(P<0.05)，平均比CK低56.14%—75.10%，同時也低于其他兩種處理。

表4 不同隔鹽措施下土壤鹽溶質濃度Table 4 Effects of different salt-isolation materials on soil salt solute concentration

同行具有不同字母表示處理間差異顯著 (P< 0.05)

2.2 隔鹽措施實驗區田間微氣象因子變化

從圖1可知，光合測定期間，不同隔鹽措施下鹽堿地種植刺槐的光合有效輻射PAR于12:00達到最大值，其值為1447 μ mol m-2s-1，隨后逐漸降低，于18:00達到最低值；田間空氣相對濕度在8:00達到最大值，其值為70.0%，隨后開始呈下降趨勢，于10:00降至最低，其后開始有所上升，日均值為52.5%；空氣溫度于14:00達到最高，其值為32.6 ℃；環境CO2濃度的變化總體上呈先下降后上升趨勢，其日均值為419.60 μ mol/mol(圖1)。

圖1 隔鹽措施處理試驗地環境因子日變化Fig.1 Diurnal variation of environment factors in the experimental site

2.3 不同隔鹽措施對刺槐葉片氣體交換特征的影響

2.3.1 凈光合速率日變化

由于不同隔鹽層材料對其上部土層水鹽運移調控程度不同，刺槐凈光合速率(Pn)也隨之發生變化(圖2)。FS、TL和HS 3種隔鹽處理刺槐葉片的Pn日變化趨勢與PAR(圖1)的變化趨勢相同，均呈單峰形，峰值均出現在中午12:00，其值分別為15.65、14.45和13.25 μmol m-2s-1。CK處理Pn曲線呈雙峰形，第1個峰值出現在8:00，第2個峰值出現在12:00。不同處理刺槐葉片日均凈光合速率由大到小依次為：FS>TL>HS>CK；FS、TL和HS比CK的凈光合速率分別提高了74.33%、34.56%和13.03%。方差分析表明，FS、TL和HS的Pn值均與CK之間存在顯著差異(P<0.05)，且3種隔鹽處理之間差異也顯著(表5)。

2.3.2 蒸騰速率日變化

圖2表明，FS、TL、HS和CK處理下刺槐葉片蒸騰速率均呈單峰形變化，最大值分別出現在8:00、12:00、14:00和12:00，其值分別為6.16、3.97、3.64和3.73 mmol m-2s-1。除6:00和18:00外，FS處理的Tr值均高于其他處理。各處理日均蒸騰速率由大到小依次為：FS>TL>HS>CK。方差分析表明，FS、TL和HS與CK之間Tr值差異顯著(P<0.05)，而TL與HS之間無顯著差異(P>0.05)。

2.3.3 氣孔導度日變化

4種處理的刺槐葉片氣孔導度(Gs)日變化曲線呈單峰形，在8:00時達到最大，8:00—10:00均呈下降趨勢，10:00以后各處理氣孔導度趨于平穩(圖3)。Gs日平均值大小順序為：FS>TL>HS>CK。FS與CK之間葉片Gs日均值差異顯著(P<0.05)；TL和HS與CK之間葉片Gs日均值差異不顯著(P>0.05)。

圖2 不同隔鹽措施(對照；沸石；陶粒；河沙)刺槐葉片凈光合速率與蒸騰速率日變化Fig.2 Effects of different salt-isolation treatments (control; zeolite;ceramsite; river sand) on leaf photosynthetic rate and transpiration rate of Robinia pseudoacacia

表5 不同隔鹽措施下刺槐葉片氣體交換特征參數日均值Table 5 Effects of different salt-isolation materials on photosynthetic parameters of Robinia pseudoacacia

同列具有不同字母表示處理間差異顯著 (P< 0.05)

2.3.4 胞間CO2濃度日變化

4個處理的刺槐葉片Ci日變化趨勢與Pn相反，但與環境CO2濃度的變化趨勢相同(圖3)。4種處理的Ci日變化趨勢基本一致，整體呈現“U”字型，在6:00最高，隨著CO2的固定，Ci呈下降趨勢。12:00—18:00，4種處理Ci值均呈上升趨勢。Ci日平均值大小順序為：CK>HS>TL>FS。方差分析顯示，FS與CK間Ci日均值差異顯著(P<0.05)，其他處理與CK間無顯著差異(P>0.05)。

圖3 不同隔鹽措施下刺槐葉片氣孔導度和胞間CO2濃度的日變化Fig.3 Effects of different salt-isolation treatments on leaf stomata conductance and intercellular CO2 concentration of Robinia pseudoacacia

2.3.5 葉片水分利用效率日變化

圖4 不同隔鹽措施下刺槐葉片水分利用效率日變化Fig.4 Effects of different salt-isolation treatments on water use efficiency of Robinia pseudoacacia

4種處理刺槐葉片水分利用效率日變化總體上呈現先上升后下降再上升的趨勢，均在18:00時達到全天最高值(圖4)。CK、FS、TL和HS處理LWUE日均值分別為(3.35±0.18)、(4.69±0.21)、(3.53±0.00)和(2.87±0.07)μmol/mmol。與CK相比，FS和TL處理的LWUE分別提高了40.3%和5.6%，而HS處理則下降14.2%。方差分析表明，FS處理的LWUE顯著高于其他處理，而HS處理的LWUE則較其他處理顯著降低(P<0.05)。

2.4 不同隔鹽措施對刺槐樹高和地徑的影響

隔鹽處理40個月后，3個處理中，刺槐樹高、地徑增長量均大于對照植株(圖5)。其中，FS和TL處理樹高增長量與地徑增長量均與CK差異顯著(P<0.05)。HS處理的樹高增長量和地徑增長量均與CK無顯著差異(P>0.05)。

3 討論

隔鹽層對土壤水鹽運移有顯著影響。根據王文焰和張建豐[21]的研究，水在層狀結構的土體中入滲時，無論夾層土壤質地較表層土壤粗或細，土壤夾層均會對下滲水流起阻擋作用。根據土壤水動力學的原理，土壤水吸力能夠反映非飽和土壤中土壤水的運動規律，是非飽和土壤水運動的驅動力。土壤孔隙度越大，土壤水吸力越小。當水分下滲到土壤和隔鹽層交界面時，由于沸石、陶粒和河沙作為隔鹽層材料的孔隙度均大于壤土的孔隙度，使隔鹽層的水吸力小于上層土壤水吸力，水分滲入隔鹽層的過程發生延遲，使更多的水分保持在隔層的上方土壤中。設置隔鹽層處理的相對含水量較對照高(表2)，原因是土壤樣品采集時間為試驗區降雨過后的第3天。而對照(CK)是沒有設置隔鹽層的均質土壤，水分下滲較快。因此隔鹽層的設置使隔層上方土壤相對含水量較同層次對照高。

圖5 不同隔鹽措施對刺槐樹高和地徑增長量的影響Fig.5 Effects of salt-isolation treatment on tree height and basal diameter increment

在蒸發強烈的季節，深層土壤水分通過土壤毛管孔隙向地表運移，使得鹽分表聚現象強烈。當在樹穴底部設置隔鹽層后，破壞了土壤毛細管的連續性；又由于隔鹽材料的孔隙度和土壤毛管孔隙度不同，阻斷了上下土層間的水力聯系，使得土壤水分運行到隔鹽層下界面時發生停滯，從而導致溶于水的鹽分離子在隔鹽層下界面累積，一定程度上能夠減緩隔鹽層上部土體的鹽分積聚[22]。而設置在樹穴側壁的隔鹽層，又能同時抑制鹽分在土體內隨水分的水平運移。加之隔鹽層延緩了降雨下滲過程，使水分在下滲過程中能夠溶解更多鹽分，從而增強了有限降雨的淋洗效果，進一步減少植物生長環境中的鹽分含量。本試驗中所選用的沸石、陶粒和傳統隔鹽材料河沙，粒徑均大于土壤顆粒，將其用做隔鹽層時，可使鹽堿土土體毛管孔隙度突然由小變大再減小，能有效減弱毛管力作用，抑制下層水分的上升，減少鹽分向上移動，同時隔鹽層又能有效增強降雨對鹽分的淋洗作用。也就是說，不管土壤水分是源自潛水上升還是降雨入滲滯留，在長時間作用下，FS、TL和HS均可降低土壤鹽分含量和鹽溶質濃度(表3和表4)，從而改善植物生長環境。

本試驗發現FS處理的隔鹽保水效果最佳，這與翟鵬輝等[23]的研究結果一致。這是由于在樹穴底部和側壁以沸石作為隔鹽材料，除了能夠有效抑制隔鹽層以上土壤積鹽和促進洗鹽外，沸石本身獨特的空間結構也起到了極大的作用，沸石內部晶格架構中具有大量的孔穴和通道，可吸附直徑小于孔道的離子或分子，濱海鹽土中富含的Na+、Cl-和Ca2+等都可以通過此孔道進入沸石內部被沸石吸附。另外，沸石可以將其內部的水分子自由的排出或重新釋放，有利于蓄水保墑[24]。因此，采用沸石作為隔鹽材料能夠顯著降低隔鹽層上部土層的鹽分含量和鹽溶質濃度，并能調節根區土壤的水分含量。而陶粒的粒徑較大，其對潛水上升的阻斷能力和對下行重力水的滲透能力大于河沙，因而對土壤鹽分及鹽溶質濃度的降低作用也較為顯著。

光合作用是植物體內極為重要的代謝過程，是作物生產力高低的決定因素和對環境脅迫程度的反應指標[25]。由于一天中環境因子的周期性變化，引起了光合作用過程中一系列相關因子的變化，而光合日變化的峰值正是外界各種環境因子與植物內部生理調節達到最優的結果[26]。Pn的日變化可作為分析植物生長限制因素的依據之一，土壤水分過低、過高或鹽分過高都會降低植物的Pn[27]。刺槐具有較高光合作用和水分利用效率的土壤相對含水量范圍為48%—64%[28]，也就是說當土壤相對含水量小于48%時，就會對刺槐生長產生水分脅迫。刺槐屬于高耗水性樹種，其適宜含水量為70%左右，而土壤相對含水量達到75%—80%時又會抑制刺槐的光合作用[15]。

本文各處理的樹種、土壤類型及所處微氣象環境均相同，結合上述土壤相對含水量、鹽分及鹽溶質濃度的差異性變化，可以認為隔鹽層材料的差異是引起Pn日變化差異的主要原因。這是由于FS處理和TL處理的土壤相對含水量均在刺槐生長的適宜含水量范圍內，對Pn不存在水分抑制作用；且這兩種隔鹽材料處理下土壤鹽分和鹽溶質濃度均較低，因此刺槐葉片Pn值均較高。HS處理土壤相對含水量大于75%，導致刺槐根系呼吸作用減弱、根系活力降低，使其吸收水分和養分的能力下降，產生一定程度的土壤漬水脅迫，其同時也受到鹽分脅迫，最終導致其Pn值低于FS處理和TL處理。CK處理下刺槐葉片受到水分虧缺和鹽分的雙重脅迫，Pn值最低。同時也發現，3種隔鹽措施(FS、TL和HS)下Pn日變化均呈典型的單峰曲線(圖2)，無光合午休現象，而對照(CK)Pn曲線為雙峰形。這表明隔鹽措施為刺槐根系創造了更加適宜的水鹽環境，使刺槐葉片內部生理對環境的適應調節能力增強。而CK則因土壤相對水分含量較低，鹽分含量較高而使得刺槐生理調節適應能力受到限制，產生水分和鹽分的雙重脅迫，導致出現光合午休現象。

蒸騰速率(Tr)的大小可以調節植物的水分代謝，在一定程度上反映了植物調節水分損失的能力[29- 30]，水分通過氣孔蒸騰是蒸騰作用的主要形式。解婷婷和蘇培璽[31]研究發現，Pn與Gs的相關系數小于Tr與Gs的相關系數，這說明Tr對氣孔的依賴性更強。土壤水分在影響Gs、調節Tr方面尤為重要，土壤水分虧缺會造成氣孔關閉，而使Tr大幅度下降，植物通過調節氣孔開度等方式調節Pn和Tr，以適應土壤供水狀況的變化。本研究表明，FS和TL處理顯著增加了0—80 cm土層的相對水分含量，使其達到適合刺槐生長的相對含水量范圍，同時顯著降低了根層土壤的鹽分和鹽溶質濃度，使土壤溶液的水勢升高，根系吸水更加容易，所以兩者Gs的日均值高于HS和CK。其中FS處理的Gs日變化曲線呈單峰形，說明沸石隔鹽處理更易為刺槐的生長提供適宜的水鹽環境，使Gs更依賴于氣象條件的變化[32]。由于FS和TL處理的刺槐葉片有較高的Gs，同時其根系從土壤中吸收水分的速度能維持正常的蒸騰，因此一直保持較旺盛的Tr，Tr日均值也較高；HS和CK處理因土壤水分含量過高和過低且鹽分含量較高而造成的氣孔導度低于FS和TL處理，是導致其刺槐Tr日均值較低的原因。

胞間CO2是光合作用的主要原料之一，胞間CO2濃度(Ci)的變化決定了Pn和Gs之間的因果關系[33]。逆境脅迫下，植物光合速率降低的自身因素歸為兩類：氣孔部分關閉導致的氣孔限制和葉肉細胞光合活性下降導致的非氣孔限制。前者表現為Ci下降，后者表現為Ci升高；當兩者同時存在時，必須根據Ci的變化方向來判斷Pn下降的主因。Farquhar和Sharkey[34]認為，在Gs下降時，Ci同時下降才表明Pn下降的主要原因為氣孔限制。即，只有葉肉細胞間的CO2濃度降低可以證明光合速率的降低是氣孔導度降低的結果。相反，葉肉細胞間的CO2濃度增高說明光合速率的降低是氣孔導度降低的原因。因此，推測在8:00—10:00時間段內，導致CK處理Pn值下降的因素為氣孔因素。12:00—18:00之間，各處理的Pn值均呈下降趨勢，Ci均呈上升趨勢，這說明此時段內各處理Pn值的下降可能是非氣孔因素或氣孔不均勻關閉導致的[35]。

葉片水分利用效率(LWUE)是葉片氣體交換過程中CO2和水汽的交換比率，其大小可以反映植物對逆境適應能力的強弱。土壤水分條件和葉片氣孔導度是影響LWUE的重要外部因素和內部因素[36]。本研究中的FS和TL處理均具有較高的Gs和更加適宜刺槐生長的土壤水分環境，從而導致其兩者LWUE維持在較高的水平。而HS處理的土壤相對含水量在75%以上，超出了刺槐生長的適宜相對含水量范圍，導致其LWUE最低。4種處理刺槐葉片LWUE均在18:00時達到全天最高值，這與黃占斌和山侖[37]的研究結果相反，這是由于16:00—18:00時，隨著氣孔導度的下降，光合速率和蒸騰速率均下降，但蒸騰速率下降得比光合速率快，從而使水分利用效率升高。Cowan[38]認為，當氣孔導度使植物在得到CO2和失去水分的調節中達到最優時，其水分利用效率達到最高。FS和TL處理的LWUE高于HS和CK處理，說明FS和TL處理后，濱海鹽土的水鹽環境更適合刺槐生長。

由于刺槐適宜在中性土、酸性土和含鹽量0.3%以下的輕、中度鹽漬土上正常生長[13]，而研究區的土壤類型為濱海鹽土，表層土壤含鹽量達到0.874%，因此在含鹽量大于刺槐適宜生長閾值的條件下，能夠輕易的通過刺槐的長勢評估出不同隔鹽材料的降鹽效果。刺槐樹高和地徑增長量的觀測研究也說明，FS和TL處理對刺槐生長的改善效果明顯優于HS處理，從而進一步證實了FS和TL處理對刺槐生長的促進作用。

4 結論

在樹木種植穴底部和側壁鋪設沸石或陶粒隔鹽層可以顯著增加樹穴內部土壤相對水分含量，為刺槐生長創造更加適宜的水分環境。沸石隔鹽處理能降低0—80 cm土體內鹽分含量和土壤鹽溶質濃度，控鹽效果明顯優于其他處理。陶粒隔鹽處理只能在40 cm以下土層有顯著的降鹽效果，且控鹽效果比沸石差。河沙處理降鹽效果最差。

不同隔鹽措施對土壤水分和鹽分有不同程度的調控作用，并通過改變土壤水鹽動態而影響刺槐光合特性。沸石作為隔鹽材料可顯著提高刺槐葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度及葉片水分利用效率，降低胞間CO2濃度。陶粒處理也可以顯著增加刺槐葉片凈光合速率、蒸騰速率，但效果均不及沸石顯著，且對氣孔導度、胞間CO2濃度和水分利用效率沒有顯著影響。河沙處理雖然能顯著增加刺槐葉片凈光合速率和蒸騰速率，但卻導致葉片水分利用效率顯著降低。

綜合來看，采用沸石、陶粒和河沙作為隔鹽層材料均有助于土壤保墑控鹽、改善刺槐光合特性以及促進刺槐生長，其中以沸石作為隔鹽材料效果最佳。本文研究結果將直接為濱海地區的鹽堿地刺槐造林提供技術和理論支持。

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Application of salt-isolation materials to a coastal region: effects on soil water and salt movement and photosynthetic characteristics ofRobiniapseudoacacia

WANG Linlin1, LI Suyan1,*, SUN Xiangyang1, ZHANG Tao1, FU Ying1, ZHANG Honglei2

1CollegeofForestry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2ForestryResearchInstituteofHulunBuir,HulunBuir021008,China

Soil salinization is a major obstacle to the optimal utilization of land resources. Salt-affected soils are widely distributed throughout the world. The present extent of salt-affected soils substantially restricts plant growth in these areas. It has been demonstrated that leaching with water, chemical amendment, surface mulching with straw and phytoremediation are the most often used approaches to ameliorate saline soils. Engineering measures are also an effective solution to control salt movement in the saline soil. Establishing salt-isolation interlayers beneath the surface of saline soil is one of the most widely used engineering measures. Even though there are many studies dealing with salt-isolation interlayers establishment, very little is known about their effects on saline soil. Here, we used three salt-isolation materials to restrict the water and salt movements in saline soil: zeolite, ceramsite and river sand. The aim of this study was to assess the effects of salt-isolation interlayers application on soil water and salt movements in saline soil and on the photosynthetic characteristics ofRobiniapseudoacaciain the coastal regions of Tianjin city. We also anticipate that the outcome of the study could form part of the basis for selection of salt-isolation materials in improving coastal saline soil with consideration of their costs. The research was conducted from April 2010 to August 2013 at the Coastal Salt-tolerant Plant Science and Technology Park, Dagang, Tianjin, China. An experiment was conducted with four treatments：(1) No addition of slat-isolation interlayer (CK); (2) Addition of zeolite (FS) at the bottom and side walls of the planting sites; (3) Addition of ceramsite (TL) at the bottom and side walls of the planting sites; (4) Addition of river sand (HS) at the bottom and side walls of the planting sites. All treatments were arranged in a randomized complete block design with four blocks. Each block was again divided into four plots. The four treatments were randomly assigned to each plot within the individual blocks with a separate randomization for each block. The salt-isolation materials were added to nine planting sites in each plot. The nine sites were evenly distributed based on a planting spacing of 3 m× 3 m. Each planting site was 1 m× 1 m× 1 m. The results indicated: (1) Salt-isolation interlayers could significantly increase soil water content of tree planting site. FS treatment performed best and had the lowest salt content and salt solute concentration, followed by TL. Relative to the CK, HS had no significant effects on salt content and salt solute concentration. (2) FS treatment significantly increased the leaf photosynthetic rate (Pn), transpiration rate (Tr), stomata conductance (Gs) and leaf water use efficiency (LWUE), and reduced intercellular CO2concentration (Ci). TL treatment can also significantly enhancePn、Tr, but it had no significant effects onGs、Ciand LWUE. HS treatment had significantly increasedPnandTr, and reduced LWUE. We concluded that the zeolite was an optimal salt-isolation material in controlling salt movement in saline soil and improving tree growth in the coastal regions.

salt-isolation interlayer; zeolite; ceramsite; river sand; photosynthetic characteristics; coastal saline-alkaline land;Robiniapseudoacacia

北京市自然科學基金(2122044); 國家“十一五”科技支撐計劃課題(2009BADB2B0504)

2013- 03- 09;

日期:2014- 07- 14

10.5846/stxb201403090402

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lisuyan@bjfu.edu.cn

王琳琳, 李素艷, 孫向陽, 張濤, 付穎, 張紅蕾.不同隔鹽措施對濱海鹽堿地土壤水鹽運移及刺槐光合特性的影響.生態學報,2015,35(5):1388- 1398.

Wang L L, Li S Y, Sun X Y, Zhang T, Fu Y, Zhang H L.Application of salt-isolation materials to a coastal region: effects on soil water and salt movement and photosynthetic characteristics ofRobiniapseudoacacia.Acta Ecologica Sinica,2015,35(5):1388- 1398.