植穴控制體結構因素對鹽漬土有機質含量的影響

張云霞， 吳麗萍， 文科軍， 李慶波

(天津城建大學環境與市政工程學院，天津 300384)

0 引言

土壤有機質含量是土壤肥力的重要標志之一［1］，是植物和微生物的養分源泉，參與土壤發育過程，決定著土壤的結構以及透氣性、滲透性和緩沖性等生產性狀。鹽漬土的肥力特征表現出“瘦、冷、死、板”，而土壤有機質含量低是鹽漬土缺乏肥力的主要原因［2］。土壤有機質能夠改善土壤的理化性狀，對土體水分蒸發具有抑制作用，隨著有機質含量的增加此抑制作用會加強，進而增加土壤的持水性［3，4］。魏由慶等［5］提出培育建立“淡化肥沃層”，通過培肥土壤，抑制鹽分在作物根系層的積聚，以肥調控土壤水鹽運移。張玉珍等［6］采用大穴換土方式，通過鋪設鵝卵石和中砂覆蓋層并施加有機肥的方法增加土壤有機質含量，以提高植物的成活率。文科軍等采用微宇宙(Microcosm)試驗技術構建植穴控制體(Planting hole control body，PHCB)［7］，通過人為設計受控系統內生物和非生物結構因素，優化生物生境，強化系統的修復作用與功能，保障樹木生境及生物群落的支持力，進而利用樹木根系生長改善鹽漬土物理性狀，改善土壤結構，增加有機質含量。本研究以PHCB調控水鹽運移試驗［7］為基礎，通過觀測PHCB內外以及鹽漬土剖面土壤有機質的變化，探尋PHCB因素對穴內外有機質含量的影響規律，研究其改良作用機制，為PHCB的結構優化與推廣應用提供理論依據與技術。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試鹽漬土壤取自天津經濟技術開發區試驗基地(N:39°04'，E:117°42')，采樣深度為 0 ～40 cm，土壤電導率(EC)為 7.20 dS/m，全鹽量為 33.9 g/kg，有機質含量為8 g/kg，主要鹽分離子含量分別為:Na+8.683 g/kg、Mg2+0.586 g/kg、Ca2+4.709 g/kg、K+0.902 g/kg、Cl－14.336 g/kg、HCO30.152 g/kg。

1.2 供試材料

試驗材料為PHCB，由敷膜植穴袋、植物、填料構成(見圖1)。其中，敷膜植穴袋為30 cm×30 cm×45 cm(長×寬×高)的雙層布袋，是將聚乳酸無紡布浸泡于由聚乙烯醇(Professional Video Assistant，PVA)、聚丙烯酰胺(Polyacrylamide，PAM)配制的水溶液(濃度10%)覆膜，自然干燥后再涂敷果膠而制成的，PVA、PAM常用作土壤保水劑，PAM能以各種比例溶于水，具有很強的黏聚作用，在灌溉不足的干旱、半干旱地區施用可顯著增加農作物產量［8］，PAM還是一種土壤改良劑［9-11］，可有效抑制土壤鹽分的積累，提高苗木成活率［12］。果膠(Pectin)是寡糖和多聚糖組成的混合物，主要成分是D-半乳糖醛酸［13］，具有較強的凝膠作用，與PAM等物質混合后，不易脫落［14］。填料為牛糞、草炭等生物質材料，草炭富含腐殖質、植物殘體、礦物質和水分，是一種自然界優良的養分載體［15-16］，是土柱土壤有機質的主要來源，而發酵牛糞中腐殖質成分是形成植物營養的重要碳源和氮源，也是土壤有機質的重要來源。植物是構建PHCB的重要材料之一，試驗選用樹齡2～3年的鄉土園林樹木火炬(Rhus typhina L.)、國槐 (Sophora japonica Linn.)、白蠟 (Fraxinus chinensis Roxb)，由當地苗圃園購置，帶土球移植。絨毛白蠟、國槐、火炬等是天津濱海新區鹽漬土壤造林綠化中常用耐鹽園林喬木，其中絨毛白蠟在質量分數為0.788%的混合鹽脅迫下能夠生長，表現出較強的耐鹽堿性，已成為我國部分沿海城市以及鹽堿區造林和綠化的優良樹種［17］。國槐、火炬在含鹽量為0.2% ～0.4%時正常生長，為較耐鹽堿園林植物［18］。

1.3 實驗設計

試驗裝置為60 cm×60 cm×120 cm(長×寬×高)鋼化玻璃土柱。土柱兩側距頂面 5、20、35、65、80 cm處分別開有Φ5 cm的取樣孔，用橡膠塞密封。土柱底部填裝20 cm厚鵝卵石作為反濾層用以模擬地下水，由馬利奧特瓶調節以保持地下水高度為20 cm。卵石層上部鋪設透水無紡布，再填裝鹽漬土至柱頂，然后挖出大小為30 cm×30 cm×35 cm(長×寬×深)的植穴，依據試驗方案(見表1)，鋪設植穴袋，移入帶土球的設定植物，最后添加苗圃土并踩實，使穴內土壤表層比穴外鹽漬土高出5 cm，如圖1所示。土柱中地下水礦化度依據天津濱海鹽漬土普查資料和地下水鹽分組成狀況由人工配制，土柱植穴內補水量依據植物缺水情況而定，植穴外補水量則依據天津濱海地區多年平均降水量和年最大灌溉量確定，12個土柱補水量一致。土柱試驗于2009年3～9月在天津城市建設學院320 m2溫室內進行，3月中旬依據試驗設計方案完成供試植物、敷膜植穴袋等材料準備工作，3月下旬完成PHCB的構建。因溫室裝有降溫水簾，試驗期間溫度在28～35℃。

圖1 試驗裝置圖

以PHCB結構因素，即樹種(X1)、PVA/PAM配比(X2)、果膠濃度(X3)、填料(X4)、填充厚度(X5)、填充位置(X6)為自變量，采用U12(2×35)均勻設計試驗，以植穴內、外土壤有機質含量為因變量。試驗因素中X1、X2、X4、X6均為定性變量，故采用了虛擬變量回歸分析方法，即引入X1、X2、X4、X6的相應虛擬變量(見表2)，其屬性分別為:

1.4 測定指標與方法

1.4.1 土壤有機質指標的測定

土壤有機質指標測定于4月下旬開始，每半個月測定1次，共10次。土壤樣品用取土椎提取，采樣深度0～35 cm，梅花布點采集后混合，穴內和穴外同步取樣，重鉻酸鉀容重法測定土壤有機質含量，每樣重復測定3次以上，取相近結果的平均值為該樣測定值。

表1 U12(2×35)均勻設計因素、水平表

表2 U12(2×35)試驗方案

1.4.2 數據處理

采用序時平均數法處理土壤樣品測定值，得到每組試驗的穴內土壤有機質含量(Y1)和穴外土壤有機質含量(Y2)，結果見表 3。表中數據運用 PASW Statistics 18統計分析軟件進行回歸分析。

表3 植穴內、外土壤有機質含量的影響因素回歸分析表

2 結果與分析

2.1 植穴內土壤有機質含量影響的回歸分析

運用方差分析方法得到植穴內土壤有機質含量與影響因素間關系的線性回歸方程:

方差分析結果為:線性相關系數R2=0.995，F值為54.379(F0.001(7，4)=49.658)，表明植穴內有機質含量與PHCB結構因素間線性相關性極顯著，置信度達到99.91%。

由式(5)可知，PHCB結構因素中填料、填充厚度、填充位置對土壤有機質含量的影響呈正相關，其余因素則呈現負相關。

PHCB結構因素對植穴內土壤有機質含量影響的回歸方程顯著性檢驗應用t-檢驗方法，結果見表4。檢驗結果表明，PHCB各結構因素對植穴內土壤有機質含量的影響是顯著的，由標準化回歸系數的數值大小知，各因素對穴內有機質含量影響的重要性順序為:X12＞X3＞X42＞X5＞X21＞X6＞X22，即樹種 ＞果膠濃度＞填料＞填充厚度＞PVA/PAM配比＞填充位置。

2.2 植穴外土壤有機質含量影響的回歸分析

植穴控制體結構因素對植穴外土壤有機質含量影響的回歸預測方程:

該方程的線性相關系數R2=0.981，F值為32.491(F0.001(6，5)=28.834)，置信度為 99.92% 。

由式(6)可知，PHCB結構因素中，PVA∶PAM、填料填充位置對土壤有機質含量的影響呈正相關，樹種、果膠濃度因素呈負相關，填料種類則呈現不同的影響，而填料的填充厚度影響不顯著。采用t-檢驗法對式(6)的顯著性檢驗結果見表5。

表4 PHCB結構因素對植穴內土壤有機質含量影響的回歸方程顯著性檢驗

表5 PHCB結構因素對植穴外土壤有機質含量影響的回歸方程顯著性檢驗

由表5可知，PHCB結構因素對穴外土壤有機質含量的影響顯著，各因素影響的重要性排序為:X3＞X6＞X41＞X12＞X42＞X22，即果膠濃度＞填充位置＞填料＞樹種＞PVA/PAM配比，填充厚度的影響不顯著。

3 討論

3.1 樹種因素的影響

植物的落葉、枯枝、殘留根系等腐爛分解物是土壤有機質的重要來源，隨著土壤含鹽量的降低，根系土壤微生物對有機質的腐解與轉化作用加強，可促進土壤有機質和養分的增加，如種植檉柳(Tamarix chinensis Lour)2年后的土壤有機質可增加34.9%［19］。但本試驗樹種對植穴內、外土壤有機質含量的影響則不同。由表4、5可知，樹種對植穴內、外土壤有機質含量的影響呈負相關，對前者的貢獻排序為第1，對后者的貢獻排序靠后。表明，樹種對植穴內土壤有機質的影響重要性大于植穴外，由其變化引起穴內土壤有機質的減少量大于穴外，與火炬相比，試驗期白蠟的影響差異性不顯著，種植國槐可能使穴內、外土壤有機質含量分別降低1.268、0.756 g/kg。產生上述結果的可能原因是:試驗期土柱土壤微生物生命活動所需養分和能量的重要資源——土壤有機質的來源有限，填料的腐殖化、礦質化過程緩慢，所釋放的養分僅維持植物生長需求。另外移植的苗木在緩適過程中生物歸還能力差，分解緩慢，使土壤有機質下降［20］。

3.2 填料因素的影響

由回歸方程(5)、(6)可以看出，填料的加入引起植穴內、外土壤有機質含量的提高，但填料對植穴內、外有機質含量的影響差異性較大，表現在:①填料、填充厚度和填充位置對植穴內有機質含量的影響為顯著正相關，其中填料的影響更關鍵，隨填充厚度的增加，土壤有機質顯著提高，若以牛糞、草炭的混合材料填充于整個植穴袋，當填充厚度為7 cm時，填料的施用對植穴內土壤有機質含量的貢獻可達到1.996 g/kg。②填料因素對植穴外有機質含量同樣有顯著影響，其中填充位置在填料施用中具有更重要的作用，填充量的影響卻不重要。分析原因為:植穴內外土壤性質不同，穴內土質為苗圃土，耕作性和通透性優于穴外鹽漬土，因此，穴內土壤有機質含量受有機肥及其施用量的影響大，而穴外土壤有機質含量受施肥面積的影響大。將牛糞、草炭混合填料均勻填充在植穴袋底部和周邊的方式，更有利于穴外鹽漬土壤有機質的增加。

3.3 覆膜材料因素的影響

回歸方程(5)、(6)顯示，覆膜材料PVA/PAM配比、果膠濃度與植穴內、外土壤有機質含量呈顯著的負相關性，其中果膠濃度的影響程度更大，隨果膠濃度的增加植穴內、外土壤有機質含量顯著降低，可能原因:果膠溶液的黏度與pH值、鈣離子存在密切相關［21］，pH＞6時，果膠黏度降低，鈣離子能夠與果膠分子結合，影響果膠分子間相互作用，降低了果膠的保水性能。因此，對于鹽漬土壤的改良，果膠作為膠黏劑的作用還需深入研究。因素PVA/PAM配比的影響則不同，PVA/PAM敷膜導致植穴內土壤有機質含量的降低和植穴外土壤有機質含量的增加。當PVA∶PAM以2∶8配比敷膜，即敷膜材料PAM成分增加對植穴外土壤有機質含量的提高有利。因為PAM類材料吸水后膨脹為水凝膠，可改良和穩定土壤結構［22］，提高土壤水分含量，降低土壤鹽分，增加土壤的保肥增肥性［12］。

當然，保水劑類材料作為敷膜材料對土壤有機質的影響，與材料類型、用量或濃度及土壤質地等相關，劉世亮等［23］在沙薄土壤中施用聚丙烯酸類保水劑，發現土壤有機質含量降低;劉小三等［24］施用聚丙烯酸類和聚丙烯酰胺共聚體類保水劑處理丘陵紅壤旱地，發現土壤有機質含量有少量增加。相關研究表明，保水劑材料施用得當，可促進作物根系發育，提高移栽成活率［25］，若用量過大，則具有抑制作用［23］。實際應用中，保水劑施用量的確定應綜合考慮地區降雨條件、灌溉條件、植物類型等，使其保水增產效果得到充分發揮［26］。

4 結論

(1)PHCB結構因素對土壤有機質有顯著影響，生物質填料的施用可有效提高鹽漬土壤有機質含量。有利于植穴內土壤有機質含量提高的PHCB構建方法為:PVA/PAM比為8∶2配制敷膜溶液用來浸泡袋質材料，以濃度0.1%果膠涂敷后制備敷膜植穴袋，將牛糞、草炭混合填料均勻填充植穴袋至7 cm厚，帶土球苗木選用火炬或白蠟。有利于植穴外土壤有機質含量增加的PHCB構建方法為:PVA/PAM比為2∶8配制敷膜溶液浸泡袋質材料，以濃度0.1%果膠涂敷后制備敷膜植穴袋，以牛糞、草炭混合填料均勻填充植穴袋，厚度在1～7 cm，帶土球移植火炬或白蠟苗木。

(2)樹種對植穴內土壤有機質含量的影響程度最大，但呈負相關，表明植物對土壤有機質含量的影響是一個長期而持續的過程，與有機質形成密切相關的腐殖質含量及苗木種植年限相關［27］。隨樹木的穩定、持續生長，對土壤有機質含量將產生正效應。

(3)PHCB的袋質敷膜材料中，果膠施用量與PVA/PAM配比對土壤有機質含量的影響效應不同，欲有效提高鹽漬土壤有機質，還需深入研究敷膜材料類型、施用量的影響，進而建立提高鹽漬土壤有機質含量的最佳PHCB結構，為該技術應用于鹽漬土壤改良、提高造林存活率的實踐活動提供科學依據和理論指導。

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