文科軍 王瑞梅 吳麗萍 耿良忠 段 夢

(天津城建大學，天津，300384) (南開大學)

鹽漬土植穴結(jié)構(gòu)控制對海棠生長量的影響1)

文科軍 王瑞梅 吳麗萍 耿良忠 段 夢

(天津城建大學，天津，300384) (南開大學)

以植穴結(jié)構(gòu)控制(PHCC)作為鹽漬土海棠種植生長環(huán)境調(diào)控的基本單元，即以植穴袋材料、覆膜材料、填料質(zhì)量比、填料厚度和補水量作為植穴袋內(nèi)結(jié)構(gòu)控制因素，以地下水礦化度和土壤質(zhì)地作為植穴袋外影響因素，并以2年生海棠當年枝生長量作為PHCC對鹽脅迫影響成效的表征值，安排均勻試驗U12(12×43×33)，以探求PHCC各因素對海棠生長量的影響程度。結(jié)果表明：其顯著性排序由大到小為填料厚度、地下水礦化度、覆膜溶質(zhì)比(PVA/VAE/蒙脫石)、土壤質(zhì)地、填料比、植穴袋材料、補水量；當影響因素確定淺地下水礦化度為3 g·L-1，補水量為5.06 mm/次，土壤質(zhì)地為輕壤，秸稈、枯枝落葉和木屑的質(zhì)量比例為2∶1∶1，植穴袋材料為麻袋布，PVA/VAE/蒙脫石的體積比為100∶20∶10，填料厚度為2.0 cm時，可獲得當年枝最大干質(zhì)量7.533 9 kg/株的生產(chǎn)量，表明PHCC對鹽漬土生態(tài)重建有效。

濱海鹽漬土；植穴結(jié)構(gòu)控制；生長量；海棠；回歸分析

張新時院士指出：除積極恢復重建自然的生態(tài)系統(tǒng)外，還要主動發(fā)展人工設計生態(tài)方案等未來生態(tài)重建途徑[1]。在寒冷區(qū)鹽漬土上建設生態(tài)城，因無適生耐鹽園林喬木，首先須突破非鹽生喬木禁區(qū)這一世界性難題，即鹽堿對喬木的脅迫作用。而造林成效又是評價生態(tài)重建成敗和低值土地資源升值的先決條件。由于鹽漬土生態(tài)重建涉及的面積大、空間尺度的異質(zhì)性和鹽堿的持續(xù)干擾，加之控制研究的邊界范圍不明，使許多生態(tài)重建的非生物措施(物理、化學[2-4]和水利改良[5])及生物改良(植被與微生物重建[6-7])技術(shù)難以進行及精準控制，以致直接影響到各控制因素作用機理研究的可靠性，更不可能有的放矢地實施生態(tài)重建技術(shù)組裝與客觀評價[8]。故此，筆者基于微宇宙理論及試驗控制手段所具有的自然生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能特性[9]，結(jié)合恢復生態(tài)學的人為設計與自我設計理論[10]，特提出植穴結(jié)構(gòu)控制(PHCC)理念，將樹木種植穴的穴生態(tài)結(jié)構(gòu)構(gòu)建作為生態(tài)重建研究及技術(shù)組裝的基本單元[11]。先探明單體樹木與PHCC結(jié)構(gòu)和鹽土環(huán)境因素變化的相互作用機理，再著眼設計與組裝整個綠地生態(tài)布局，以解決生態(tài)重建存在空間尺度的不確定性，生態(tài)結(jié)構(gòu)技術(shù)組裝的盲目性，及高投入等問題[8]。

本研究圍繞阻斷毛管水鹽向穴內(nèi)運移，改良樹木生長的養(yǎng)分條件[12]，并利用自然自我設計，形成結(jié)構(gòu)冗余規(guī)律，完善人工生態(tài)結(jié)構(gòu)組裝的不完整性與穩(wěn)定性問題，運用均勻試驗的方法，開展不同的人為設計PHCC成分(帶土球的移植樹木、地下水礦化度、補水量、土壤質(zhì)地、填料比、植穴袋材料、覆膜溶質(zhì)比、填料厚度)與海棠(Malusmicromalus)的當年枝干質(zhì)量為表征的因果關系研究，以獲取各因子對表征值貢獻率最優(yōu)的組裝參數(shù)[13]，為鹽漬土PHCC的生態(tài)組裝造林提供服務。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和地下水

在可控溫室內(nèi)采用土柱模擬法，模擬濱海鹽漬土及地下水作用下的水鹽運移對海棠生產(chǎn)量的影響。鹽漬土均采自天津濱海新區(qū)航母公園內(nèi)，屬海退的海積平原土層的殘留鹽分及海潮倒灌所形成的鹽漬土，其土壤質(zhì)地組成與全鹽量和pH值見表1；地下水鹽分組成見表2。

表1 供試鹽漬土的質(zhì)地組成及鹽堿值

表2 供試地下水的鹽分組成

1.2 室內(nèi)模擬裝置

試驗土柱均由60 cm×60 cm×120 cm的鋼化玻璃制成。將采自航母公園的重度鹽漬土依據(jù)表1的土壤質(zhì)地組成，及濱海鹽土實際容積質(zhì)量1.42 g·cm-3，按表3土柱號的組合類型進行填裝。土柱兩側(cè)依表層土以下5、20、35、65、80 cm處，各開直徑5 cm的取樣孔，平時用橡膠塞加蠟密封。土柱底部裝有20 cm厚的鵝卵石(粒徑為5～9 cm)，作為地下水層，其上鋪有一層防止鹽漬土顆粒下落的透水無紡布。為確保水位線穩(wěn)定，在設定水位線20 cm處設排水管，用以測量補水下滲的淋溶量。每個土柱均裝有一個馬利奧特瓶，用以測讀由于毛管水作用而蒸發(fā)和樹木的蒸騰所消耗的地下水量。植穴袋植入土柱中央。見圖1。

圖1 PHCB試驗裝置示意圖

1.3 試驗設計

為綜合定量評價在鹽漬土條件下PHCC各成分對海棠生長量影響的有效性，運用混合水平的均勻試驗設計表3(U12(12×43×33)，將PHCC各成分的不同組合依次嚴格安排在不同的土柱中。其中，補水總量的上下限依據(jù)天津濱海地區(qū)多年平均最低降水量(367 mm)和多年平均降雨量(506 mm)設定，并以3.67 mm/次補水量的土壤墑情確定整體的補水間隔周期，用于本生長季總補水量的平均分配控制。試驗所用植穴袋規(guī)格為40 cm×40 cm×50 cm，據(jù)表3對應的覆膜溶質(zhì)體積比浸泡48 h后，晾干備用；用制備好的不同配比的填料，填入對應的植穴袋底部，置入鹽漬土柱的植穴中，再移植帶土球的1年生海棠苗，袋內(nèi)空隙使用客土填蓋，袋外空隙用本土柱的鹽漬土填充，并一同踩實[11]。

表3 U12(12×43×33)均勻試驗因素及試驗方案

注：X31、X32、X33為土壤質(zhì)地X3的虛擬變量；X41、X42、X43為填料比X4的虛擬變量；X51、X52為植穴袋材料X5的虛擬變量；X61、X62為PVA/VAE/蒙脫石的體積比X6的虛擬變量，其中PVA為聚乙烯醇，VAE為醋酸乙烯-乙烯共聚乳液。

1.4 生長量采集

依據(jù)表3安排3個重復的平行試驗，共需38個土柱(含2組對照)。試驗時間從2010年5月初起至2011年10月底止。為獲取海棠穩(wěn)定的生長指標，將2010年確定為緩苗年，僅用2011年4—10月底的海棠當年枝干質(zhì)量作為考量值。測定方法為：用游標卡尺測量每株海棠的所有當年枝基部直徑，依據(jù)徑級分布狀況確定大、中、小3個量級的分級范圍，從對應3個量級中各選取3個標準枝，作為該土柱海棠當年生產(chǎn)量的樣本枝，即剪下每株樹木所確定的3個量級×3次(重復)=9個標準枝，按大、中、小分別放入烘箱內(nèi)，105 ℃，烘48 h至恒質(zhì)量，再分別稱取每3個重復的標準枝干質(zhì)量，以每個重復的不同干質(zhì)量乘以本試驗樹上同量級的枝條數(shù)(含標準枝)，再將3個量級的3個重復分別求和后，得到本試驗組3次重復測試的干枝質(zhì)量，以此表征在該PHCC下的生產(chǎn)力水平，見表4。

表4 海棠當年枝干質(zhì)量

1.5 參數(shù)處理

為建立自變量(表3)與因變量(表4)的回歸關系模型，本試驗所用U12(12×43×33)均勻設計表中含有多個定性變量，在利用SPSS軟件進行回歸分析之前，應先引入虛擬變量，將定性變量轉(zhuǎn)化為定量變量，轉(zhuǎn)化后的試驗方案列入表3。

2 結(jié)果與分析

2.1 回歸模型的建立

應用SPSS軟件，將因果關系輸入變量與數(shù)據(jù)視圖，得到各PHCC因素與海棠生產(chǎn)量的回歸模型為：

Y=10.852-0.246X1+0.199X2-1.368X31+ 0.387X32-0.929X33-0.461X41-0.683X42+ 0.372X51+0.398X52-1.809X61-1.051X7；R2=0.976。

(1)

為檢驗其可信性，對該回歸方程進行方差分析，其結(jié)果見表5。

表5 回歸方程方差分析結(jié)果

注：F0.01(11，24)=3.1;*** 為P<0.01。

由方差分析可知，所求得的回歸方程的可信度為極顯著。

2.2 各因素對植穴內(nèi)海棠生長量的影響

為判斷PHCC各因素對海棠當年枝干質(zhì)量的影響主次順序，需對各因子的偏回歸系數(shù)標準化[14]，[15]68-78，并進行Sig.或t值檢驗，其結(jié)果見表6(已排除的不顯著的變量為X43和X62)。

表6 偏回歸系數(shù)及t值檢驗

注：Sig.<0.01為極顯著；0.010.1為不顯著；t0.01,34=3.73；t0.05,34=2.032；t0.1,34=1.692；依據(jù)[15]91-93，當|t|≥1.692時，斷定y與x之間線性關系顯著。

依據(jù)表6的標準偏回歸系數(shù)的數(shù)值大小，可得到各因素由主到次順序為：X7、X1、X61、X31、X33、X42、X41、X52、X51、X32、X2，即各因素對植穴內(nèi)海棠生產(chǎn)量的影響主次順序為：填料厚度、地下水礦化度、覆膜溶質(zhì)比(PVA/VAE/蒙脫石)、土壤質(zhì)地、填料比、植穴袋材料、補水量?，F(xiàn)就表6所得出回歸系數(shù)與影響機制分析如下。

①填料厚度對海棠生產(chǎn)量的影響為極顯著。在模型(1)中填料厚度X7的系數(shù)為-1.051，說明海棠生產(chǎn)量與填料厚度成反比。依據(jù)表4的試驗結(jié)果，以最小厚度2.0 cm為最優(yōu)。在有機質(zhì)含量與鈉鹽的毒害作用兩者只能選其一時，減少鈉鹽的毒害應屬首選。鹽隨水來，鹽隨水去，土壤鹽分主要隨毛管水運移和重力水淋溶而長消。植穴袋底部的有機質(zhì)填料層主要以非毛管孔隙為主。當填料層增厚，會增加官能團離子交換量與持水量，填料層中的非毛管孔隙被重力水所填充，形成蓄水層，極易與周邊的鹽水產(chǎn)生交換作用，成為鹽分的聚居帶，因持水時間長而喪失對鈉鹽的阻隔功能；當填料厚度為2 cm時，因官能團聚體層較薄，托不住重力水，不易形成蓄水層，在未被吸濕水飽和時，不僅仍具有阻斷PHCC外部毛管水和非毛管水的交換作用，又不影響氣態(tài)水的凝結(jié)和截留上方的補水，以減少鹽分對海棠的脅迫機率。

②淺地下水礦化度(X1)對植穴內(nèi)海棠生長量的影響也極為顯著，位居第二。在模型(1)中地下水礦化度X1的系數(shù)為-0.246，說明生產(chǎn)量與地下水礦化度成反比，故突出顯示最小的3 g·L-1對海棠生產(chǎn)量貢獻率最大。因在毛管水作用高度下鹽堿含量受淺地下水礦化度的補給較多，產(chǎn)生對樹木生理的毒理脅迫，使海棠年生長量降低就成為自然[16-17]。

③覆膜溶質(zhì)比對海棠生長量的影響也極顯著，位居第三。模型中覆膜溶質(zhì)比X61的系數(shù)為-1.809，說明覆膜溶質(zhì)的體積比與海棠生產(chǎn)量成反比。本試驗采用PVA、VAE與蒙脫石的混合液作為植穴袋的覆膜材料，通過浸泡，將其附著在植穴袋表層，作為PHCC的保水、阻鹽結(jié)構(gòu)。PVA具有親水性高、吸水速度快等特性，常作為重要的保水劑和土壤改良劑。蒙脫石遇水膨脹，變成糊狀物質(zhì)，其層狀結(jié)構(gòu)具有很強的吸附力及陽離子交換性能。VAE乳液具有良好的混溶性、成膜性和粘結(jié)性，用其作為覆膜材料的粘結(jié)劑，可有效地將3種物質(zhì)粘合在一起，其物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)交聯(lián)成網(wǎng)絡，可有效儲存水分[18]。其混合的官能基團在吸附大量水分子，滿足海棠生長需求的同時，一方面，能有效阻止外部鹽分隨水運移，進入到PHCC體內(nèi)，而另一方面，部分鹽離子還能被蒙脫石離子交換或絡合，或以“包裹”方式把離子包裹起來，減輕鹽分對海棠生長的影響[19]。當X61為1時，其它水平則為0，加之X62不顯著，已被排除，故確定X61(100∶20∶10)為最佳。

④土壤質(zhì)地類型對植穴內(nèi)海棠生產(chǎn)量的影響也為極顯著。表6中土壤質(zhì)地(X3)的對應系數(shù)只X32(輕壤土)為正相關，說明輕壤土對海棠生產(chǎn)量的貢獻為最大。這是因為土壤質(zhì)地決定了土壤毛管作用強度、持水量與肥力狀況。由土壤學可知，輕壤土非毛管與毛管孔隙的數(shù)量分布與理化特性介于砂土與黏土之間，其毛管水作用、陽離子代換力、植物對吸濕水的利用率、有機質(zhì)和氧氣含量與保水保肥性等也具有這兩者的優(yōu)勢互補性特點。在鹽漬土環(huán)境下更符合海棠忌水澇的生物學特性，尤其是在不斷補水條件下，使PHCC外的鈉鹽含量受重力水淋溶，而毛管作用又不及黏土，使海棠生產(chǎn)量表征為最大，也就成為可能。

⑤填料質(zhì)量比(X4)對PHCC中海棠生產(chǎn)量的影響較為顯著。公式中因X43不顯著而被剔除，X41和X42的系數(shù)分別為-0.461和-0.638，均為負相關，說明X4對海棠生產(chǎn)量的影響成反比。同理，以對生產(chǎn)量貢獻系數(shù)最大的X41(秸稈、枯枝落葉和木屑的質(zhì)量比例為2∶1∶1)為最佳。分析其原因，這3種物質(zhì)雖同屬芳香族高分子碳水化合物，但因其植物營養(yǎng)轉(zhuǎn)移與儲存的碳水化合物類型不同，直接影響到其降解速率與轉(zhuǎn)化利用。如木屑的主要成分為較難降解的木質(zhì)素與木質(zhì)纖維素，其養(yǎng)分中的礦物、單糖、多糖、蛋白質(zhì)也顯著低于植物其它殘體[20]；枯枝落葉脫落前已將大部分營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移到枝干和根部，養(yǎng)分含量也相對較少；而農(nóng)作物屬1年生植物，其秸稈內(nèi)富含氮、磷、鉀、鈣、鎂和易于降解的有機質(zhì)，對于增效土壤肥力，也遠大于前兩類。加之填料覆蓋層客觀上又抑制了毛管作用，降低了返鹽幾率，從而得出這一試驗結(jié)果。

⑥植穴袋材料X5對PHCC內(nèi)海棠生長量的影響也較為顯著。在回歸方程Y中X51和X52的系數(shù)分別為0.372和0.398。同理，確定X52(麻袋布)為最佳植穴袋材料。麻袋布是由黃麻纖維紡織而成，屬多孔性物質(zhì)。除具生物相溶性和不具有毛管效應外，其纖維素大分子上存在許多親水性羥基(—OH)。由于每個羥基還缺少一個電子達飽和，所以必須以官能團形式與其它原子團結(jié)合而穩(wěn)定存在，故具有較強的鹽分代換能力。主要優(yōu)點是吸濕力強、透水、透氣性好，抗張強度高，對試用的保水劑具有較強的附著力，根系又易于穿透，在土壤中2年后才開始逐漸生物降解，客觀上又成為切斷毛管作用的隔斷層。因此，麻袋布就成為最佳選擇。

⑦補水量X2對海棠生產(chǎn)量的影響屬顯著。在模型中補水量X2的系數(shù)為0.199，同理，當補水量X2取5.06 mm為最大值時，對海棠生產(chǎn)量的貢獻也最大。顯然，通過最大補水量定期向PHCC補水，不僅能利用重力水定期淋溶洗鹽，而且還能滿足海棠定時定量的水份需求，其高的生產(chǎn)量也就成為必然。

2.3 預測模型的檢驗與運用

①通過對回歸模型(1)的F檢驗，其F值43.814大于臨界值F0.01(11,24)=3.1，相關系數(shù)R2=0.976，說明所建立的多元回歸方程具有極高的顯著性及統(tǒng)計學意義。

②預測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的精度性檢驗。為檢驗模型的預測精度，可對表3所供測試的12種組合的任意一組與其所對應表4的3個重復實測值進行檢驗。如以土柱號11試驗為例，將表3中11號對應的2種變量值代入模型(1)，遇定量變量值可直接乘以系數(shù)，遇定性的虛擬變量，不含Xij的視為0，包含的視為1，所得預測值是3.540 5，而實測值為3.502 1和3.625 9，其預測精度為99.989%和99.976%。

③預測方程的運用。也可依據(jù)預測模型(1)得到U12(12×43×33)均勻設計所有20 736種排列組合的預測結(jié)果。如：依據(jù)以上各單因素分析結(jié)果所篩選出的最優(yōu)組裝方案，即淺地下水礦化度(X1)為3 g·L-1；補水量(X2)為5.06 mm/次；土壤質(zhì)地輕壤土(X32)為1；填料的秸稈、枯枝落葉和木屑的質(zhì)量比例2∶1∶1(X41)為1；植穴袋材料麻袋(X52)為1；覆膜材料溶質(zhì)的體積比X61(100∶20∶10)為1；填料厚度(X7)為2.0 cm；方法同②，將這些自變量帶入回歸模型(1)，就得到可信度達97.6%的最佳組裝設計參數(shù)的因變量值，即可獲得2年生海棠當年枝最大生產(chǎn)量的預測值為：Y=10.852-0.738+1.007+0.387-0.461+0.398-1.809-2.102=7.534 kg·年-1·株-1。

3 結(jié)論

由PHCC各因素與海棠生產(chǎn)量的回歸模型及結(jié)果影響機制分析，可以得出以下結(jié)論：①依據(jù)偏回歸系數(shù)的大小，判斷出PHCC中各因素對海棠當年枝生產(chǎn)量影響的大小順序為：填料厚度X7、地下水礦化度X1、覆膜溶質(zhì)(PVA/VAE/蒙脫石)體積比X6、土壤質(zhì)地X3、填料比X4、植穴袋材料X5、補水量X2。②在鹽漬土環(huán)境下所建立可信度為97.6%的PHCC預測模型，可對所設控因素各水平的20 736種排列組合實施海棠生產(chǎn)量的表征值預測，且精度極高。③通過試驗結(jié)果與分析，所篩選的最佳控制組合方案，即在淺地下水礦化度(X1)為3 g·L-1，補水量(X2)為5.06 mm/次，穴外用輕壤土(X32)填充，填料的秸稈、枯枝落葉和木屑的質(zhì)量比例為2∶1∶1(X41)，植穴袋材料為麻袋布(X52)，覆膜材料溶質(zhì)的體積比為X61(100∶20∶10)，填料厚度(X7)為2.0 cm的條件下，實施鹽漬土PHCC的綠化工程設計組裝，可獲得2年生海棠當年枝7.533 9 kg·株-1的生產(chǎn)水平，為鹽漬土生態(tài)重建實施有效控制，提供了新的工作思路。

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Influences of Saline Soil Planting Hole Composition Control and Environmental Conditions on Crabapple Growth/

Wen Kejun, Wang Ruimei, Wu Liping, Geng Liangzhong(Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, P. R. China); Duan Meng(Nankai University)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(1).-1～5

Coastal saline soil; Plant Hole Composition Control (PHCC); Plants growth; Crabapple; Regression analysis

文科軍，男，1957年7月生，天津城建大學環(huán)境與市政工程學院，教授。

2013年5月30日。

S156.42

1) 天津科技支撐計劃重點項目(08ZCGYSF02500)；天津市科技計劃項目(12ZCZDSF01900)。

責任編輯：程 紅。

By Planting Hole Composition Control (PHCC) as the basic units for crabapple trees growth, we regulated the saline soil conditions and selected four internal factors of PHCC including the material for planting-hole bag, the dispensation ratio of membrane material, the dispensation ratio of filling material and the material thickness as the inside-bag control conditions and three external natural conditions including groundwater mineralization, supplementary water capacity and soil texture as the outside-bag influential factors. We chose the annual growth of biennial crabapples (Malus Micromalus) as the measurement of the effectiveness of the PHCC on the saline soil condition and arranged the experiments according to the hybrid uniformity design U12(12×43×33). The influence order of the factors on the growth of crabapples cultivated in the PHmbedded in the saline soil is the thickness of the filling material>the groundwater salinity>the dispensation ratio of membrane material>the soil texture>the dispensation ratio of filling material>the material for planting-hole bag>the supplementary water capacity. When the groundwater salinity is 3 g·L-1, the supplementary water capacity is 5.06 mm each time and the soil texture is light loam, the dispensation ratio of straw, litter and sawdust is 2∶1∶1. When the material used for planting-hole bag is cotton cloth, the proportion of PVA/VAE/montmorillonite is 100∶20∶10 and the thickness of filling material is 2.0 cm, the crabapple growth can achieve the maximum increment of 7.533 9 kg/plant. The research shows that the PHCC is effective way on improving saline soil and ecological reconstruction.