不同齡級梭梭土壤斥水性特征研究

劉巖 吳曉曉 尹燕偉

（新泰市國有土門林場，山東 新泰 271200）

潤濕是物體內部濕潤性不斷增加的過程，是一種物體中的含水量發生變化的現象，土壤的潤濕性是土壤表面的水分置換土壤中空氣的過程，當土壤的潤濕性非常低的時候，此刻表現為土壤的斥水性。土壤斥水性是具有全球意義的一種現象，廣泛分布于世界各國各地區，它們之間的不同之處在于其分布的范圍和斥水強弱性。在很久之前西方國家就開始了土壤斥水性的研究，范圍涉及了澳洲、歐洲和美洲，最先發現土壤存在斥水性的是美國，緊接著在荷蘭也發現了土壤中的斥水性，大概有超過一半的農業土壤表層呈現出了中等甚至于嚴重的斥水性，自然環境中幾乎所有的土壤表層都存在斥水性，澳大利亞以及南澳大利亞大概有三分之一的耕地由于土壤的斥水性而導致減少產量，并且存在隨著時間的增長越來越嚴重的問題。土壤斥水性產生的環境條件是多樣的，可以在不同的氣候條件、土壤環境和植被生長的條件下出現，并且可能會影響到地球表面水文過程的諸多重要環節，因而吸引了國內外很多學者的關注，并且已經做了部分有關方面的研究。總的來說研究內容主要集中于三個方面：一是對不同類型土壤的斥水性研究，有綠洲農田、草原土、棕壤、鹽漬化農田等；二是不同因素對土壤斥水性的影響，有火干擾、有機質含量、土壤中所含粘土礦物質和pH 值等；三是土壤斥水性對不同方面施加的影響，有農業生產、生物量與生態環境等等，這也是國內外研究土壤斥水性的起因所在。國內外研究報道，在極端干旱的一些地區，土壤呈現出斥水性的可能性會更大，而且斥水強度也高出很多，但是隨著土壤中含水量的不斷增加，土壤斥水性則會在短時間內快速降低，甚至于達到最終完全消失的狀態。這對于干旱區改善土壤斥水性，實現植被的可持續種植提供了改良思路。楊松，王磊等通過對土壤斥水性產生原理的解析，通過對目前所采用的土壤斥水性改良方法的優缺點比較之后，結果顯示：目前土壤斥水性改良的最重要的方式和思路是減少土壤中斥水性有機物的產生和加速土壤中斥水性有機物的分解；當然，除了要考慮其最終實際的改良效果之外，土壤斥水性改良方法的選擇還應當兼顧到土壤本身的理化性質以及環境效應等方面的影響；同時將“治標”與“治本”兩個目標相結合起來，物理、化學和生物方法的結合可能是土壤斥水性改良研發的新思路和新方向。這些都為梭梭樹下土壤斥水性的改良提供了重要的措施考慮。

一、研究區域的選擇及土壤采集

本次研究土壤斥水性的區域為甘肅臨澤縣。該區域處于中國的干旱地區，緊挨巴丹吉林沙漠，春秋兩季常有大風的吹蝕，全年降水量較少、蒸發量較大，蒸發量遠大于降水量，適合在此處生長的植被類型較少，生態環境極易遭受破壞和侵蝕，因而該地區植被的研究是當務之急，對于生態環境的保護至關重要。從研究區的概況以及對該區域地理條件的綜合判斷以及與周邊居民的咨詢情況來看，同時相關研究者研究試驗中的樣地的選擇和劃分方法，選擇了研究區內種植年限約5、20、40 年的梭梭林作為試驗樣地，共選取九塊樣地。

在5 年和20 年齡級的梭梭林下選取兩塊土壤樣地，分別采集20 個樣品，采集土樣過程中要注意對土壤結構的保護；在40 年齡級的梭梭林下選取五塊樣地，分別采集20 個樣品，取樣間距為5～10m，土壤深度為0～5cm，最終采集完的土壤樣品總數為180 個，然后將土壤樣品分別裝于密封袋內進行密封保存。隨后將土壤樣品帶回實驗室進行處理，先進行風干，而后研磨風干土壤，同時剔除其中雜質，并通過2mm 的篩后，存放于安全的器皿中，最后依據毛管上升法測定研究區不同年限梭梭樹下土壤斥水性的變化。

二、土壤斥水性的測定

測定土壤斥水性通常使用酒精溶液入滲法、滴水穿透時間法和毛管上升法等幾種經典的方法。一個液滴落入斥水或部分潤濕的固體表面時，它不會迅速在其表面展開，在固—液—氣三相界面張力的作用下形成不同的形狀，液體表面的切線和固體表面所形成的夾角（在液體內部從液面的切線算起），稱為接觸角，“土－水”接觸角是能夠最為直接和有效地反映土壤濕潤性的大小。滴水穿透時間法多用于非常干旱地區土壤斥水性的測定，盡管這種方法在操作過程中測定土壤斥水性所需時間比較長，但是它能較為準確地反映土壤斥水性持續時間的長短，所以在某種程度上具有更為直接的影響。酒精溶液入滲法是一種用來測定停留在土壤中的液體表面張力的方法，而且它也能夠反映土壤對水滴滲入的抗拒程度，一般情況下是以從滲入土壤到停留在土壤表面的臨界酒精溶液表面的張力、摩爾濃度或者體積百分數作為衡量斥水性的指標，但是它是一種間接的測定土壤斥水性的方法。毛管上升法多用于干旱半干旱地區土壤斥水性的測定，它對于研究處于干旱半干旱地區的土壤具有更現實的意義，它是一種根據所測得的“土－水”接觸角的大小來衡量土壤斥水性的強弱的方法。相對于毛管上升法而言，滴水穿透法的運用不能準確地區分不同齡級梭梭樹下土壤斥水性隨時間的強弱變化，由于土壤粒徑小，表面光滑度不足，很難直接測量和測量“土－水”接觸角。因此，本研究方法采用毛細管上升法測量“土壤－水”接觸角，從而表征梭梭不同年齡水平下土壤斥水性的變化。

毛細管上升法是基于毛細管上升原理測量“土－水”接觸角的方法，常用“土－水”接觸角來測量土壤的拒水性。一定體積的液體會在具有斥水性的土壤表面形成平衡狀態的液滴，其形狀主要取決于固、液、氣交界處任意兩相之間的夾角。規定三相交界處的固液界面到氣液界面的夾角定義為其平衡接觸角，接觸角越小，潤濕性越好。當θ=0 時，土壤被認為是濕潤的土壤。當0＜θ＜90 時，土壤具有一定的拒水性，此時的土壤為亞臨界拒水性。當θ＞90°時，土壤不濕潤，θ 越高，濕潤性越差。此時，土壤表現出防水性。毛細管上升法的應用包括兩種測量方法：高度法和質量法。由于實驗中很難測量液體上升高度，所以不穩定且多變。考慮到這些問題，通常采用質量法來測量“土－水”的接觸角。

按照先前學者毛管上升法中的試驗裝置準備，然后在具體操作過程中做出適當調整。實驗進行的溫度條件是室溫，一般情況約為 25 ℃。第一步要進行的是將采集回來的土樣裝入土柱中，在填充之后要左右搖晃使得器皿中的土壤處于均勻狀態。緊接著用純凈水和正己烷(參比溶液，接觸角為 0°)分別進行試驗，記錄實驗過程中土柱質量增加量m 和試驗持續時間t。純凈水和正己烷的化學參數在表 1 中已標明。然后，利用正己烷的參數來計算土柱幾何因子C，C 是反映毛細血管特征并取決于粒徑和體積密度：

表1 純凈水和正己烷的化學參數(25 ℃)

進而計算純凈水的接觸角θ。

三、數據處理及分析

（一）數據處理

首先將實驗過程中記錄的數據：土柱質量增加量m 和試驗持續時間t，按照梭梭樹的齡級分類導入EXCEL 進行整理，做數據的預處理。根據公式（1）以及表 1 中正己煥的化學參數，利用正己烷(參比溶液，接觸角為0°，cosθ=1)的參數計算出土柱幾何因子C，進而利用EXCEL 中的函數、表 1 中純凈水的化學參數，計算純凈水下的“土－水”接觸角，從而得到不同齡級梭梭樹下土壤的“土－水”接觸角，然后根據“土－水”接觸角的大小來判斷不同齡級梭梭樹下土壤斥水性的強弱，根據所得的數據在EXCEL 中做出反映不同齡級梭梭樹下“土－水”接觸角大小的柱狀圖，使實驗結果一目了然，可明確地看出土壤斥水性與梭梭樹齡級的關系。

（二）結果與分析

不同齡級梭梭樹下表層土壤“土－水”接觸角差異顯著，如圖 1 的柱狀圖所示，可以直觀地看出它們之間存在的差異并且土壤斥水性有逐年增加的趨勢。其中，種植40 年的梭梭樹表層土壤“土－水”的接觸角為89°+0.36°，顯著大于20 年齡級和5 年齡級梭梭樹下土壤；種植20 年的梭梭樹表層土壤“土－水”的接觸角為87°+0.87°，大于種植5 年梭梭樹下土壤；種植5 年的梭梭樹表層土壤“土－水”的接觸角為83°+0.97°，在三種齡級中接觸角最小。根據實驗和計算結果可以總結得出，不同齡級梭梭樹林下土壤斥水性表現為：梭梭樹下土壤的斥水強度是與梭梭樹的生長時間成正相關的：齡級40 年＞齡級20 年＞齡級5 年，齡級間差異均達到了顯著水平。

四、討論

根據最終數據分析可以得出，土壤斥水性的強度隨著梭梭樹齡的不斷增長而增強，但“土－水”接觸角均處于90°以下，表明不同齡級梭梭樹下的土壤均存在一定程度的斥水性，但是并未達到強斥水的程度。依據所得出的結果可以推測土壤斥水性不斷增強原因可能與植被的種植年限有關，在植被不斷生長的過程中可能會使得土壤內部環境的性質發生變化，如土壤斥水性有機物的產生并不斷增加、土壤微生物的種群以及數量的變化等。研究結果也可以進一步猜測在梭梭的生長過程中枝葉的凋落及根系分泌物使得土壤中斥水性有機物增加，從而使得土壤斥水性不斷增強。國內外的一些學術論文也有一部分佐證了土壤斥水性與土壤中有機質含量的線性相關關系，這更加充分的證明植被在生長過程中的凋落物，經過時間的推移后轉化為有機物質，從而對土壤斥水性質的變化產生一定的影響。

對于干旱區而言，加大植被覆蓋率、改善生態環境是當務之急。作為沙漠中生長時間最長的綠色植物，梭梭樹是一種生命力極其頑強的樹種，它屬于超旱生小喬木的一種，經過長期對干旱環境的適應，梭梭樹在干旱環境中形成了獨具一格的抗旱形態結構，具備了特殊的生存技能[10]，由于梭梭樹的根系比較發達，主根彎曲向下延伸，具有抗旱、耐高溫、耐寒、耐風蝕、耐鹽堿等多種特性，因此被認為是一種非常重要的防風、固沙植物，具有沙漠衛士之稱，具有很強的生態效益，在荒漠和半荒漠地區的分布比較廣泛，我國通常在干旱區大面積種植梭梭樹，以此來提高植被覆蓋率。

土壤產生斥水性的根本原因可能來自土壤中斥水性有機物的產生，它主要是由一些蠟質類、樹脂類和芳香烴類化合物組成。自然條件下，不同植被的生長對土壤中斥水性有機物的含量產生主要影響，這些植物一方面可以通過落葉等凋落的物質來增加表層土壤斥水性有機物的含量，另一方面也可以通過根系分泌的物質使得斥水性物質直接進入深層土壤，進而提高土壤中斥水性有機物的含量。從這些內容可以看出植被生長對土壤斥水性能夠產生極其重要的影響。通過研究可以得到在不同梭梭樹的種植年限下土壤斥水性的變化特征，從而有效地對梭梭樹的可持續種植提供針對性改良土壤方法上的支持。

土壤斥水性對地理環境產生的影響多屬消極方面，并且土壤斥水性的產生、變化以及改良相當復雜，因而土壤斥水性對大多數地區來說是一個亟待解決的問題，盡管目前已經有很多關于土壤斥水性的研究，但是很多研究依然不夠準確和完善，因而在這方面還需要進一步的研究和討論。具體針對我國廣泛種植梭梭樹的西北干旱區而言，改善脆弱的生態環境，促進環境的可持續發展，改良梭梭樹下土壤斥水性的應對措施從梭梭樹本身生長的角度來考慮之后，需要研究具體的實施方案來改良，此外還應從當地的地理環境等方面進一步深入研究和完善。