張?jiān)葡迹?吳麗萍， 文科軍， 李慶波

(天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津 300384)

0 引言

土壤有機(jī)質(zhì)含量是土壤肥力的重要標(biāo)志之一［1］，是植物和微生物的養(yǎng)分源泉，參與土壤發(fā)育過程，決定著土壤的結(jié)構(gòu)以及透氣性、滲透性和緩沖性等生產(chǎn)性狀。鹽漬土的肥力特征表現(xiàn)出“瘦、冷、死、板”，而土壤有機(jī)質(zhì)含量低是鹽漬土缺乏肥力的主要原因［2］。土壤有機(jī)質(zhì)能夠改善土壤的理化性狀，對(duì)土體水分蒸發(fā)具有抑制作用，隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加此抑制作用會(huì)加強(qiáng)，進(jìn)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(diào)控土壤水鹽運(yùn)移。張玉珍等［6］采用大穴換土方式，通過鋪設(shè)鵝卵石和中砂覆蓋層并施加有機(jī)肥的方法增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，以提高植物的成活率。文科軍等采用微宇宙(Microcosm)試驗(yàn)技術(shù)構(gòu)建植穴控制體(Planting hole control body，PHCB)［7］，通過人為設(shè)計(jì)受控系統(tǒng)內(nèi)生物和非生物結(jié)構(gòu)因素，優(yōu)化生物生境，強(qiáng)化系統(tǒng)的修復(fù)作用與功能，保障樹木生境及生物群落的支持力，進(jìn)而利用樹木根系生長(zhǎng)改善鹽漬土物理性狀，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加有機(jī)質(zhì)含量。本研究以PHCB調(diào)控水鹽運(yùn)移試驗(yàn)［7］為基礎(chǔ)，通過觀測(cè)PHCB內(nèi)外以及鹽漬土剖面土壤有機(jī)質(zhì)的變化，探尋PHCB因素對(duì)穴內(nèi)外有機(jī)質(zhì)含量的影響規(guī)律，研究其改良作用機(jī)制，為PHCB的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)與技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試鹽漬土壤取自天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)試驗(yàn)基地(N:39°04'，E:117°42')，采樣深度為 0 ～40 cm，土壤電導(dǎo)率(EC)為 7.20 dS/m，全鹽量為 33.9 g/kg，有機(jī)質(zhì)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(yàn)材料為PHCB，由敷膜植穴袋、植物、填料構(gòu)成(見圖1)。其中，敷膜植穴袋為30 cm×30 cm×45 cm(長(zhǎng)×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(qiáng)的黏聚作用，在灌溉不足的干旱、半干旱地區(qū)施用可顯著增加農(nóng)作物產(chǎn)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(qiáng)的凝膠作用，與PAM等物質(zhì)混合后，不易脫落［14］。填料為牛糞、草炭等生物質(zhì)材料，草炭富含腐殖質(zhì)、植物殘?bào)w、礦物質(zhì)和水分，是一種自然界優(yōu)良的養(yǎng)分載體［15-16］，是土柱土壤有機(jī)質(zhì)的主要來源，而發(fā)酵牛糞中腐殖質(zhì)成分是形成植物營(yíng)養(yǎng)的重要碳源和氮源，也是土壤有機(jī)質(zhì)的重要來源。植物是構(gòu)建PHCB的重要材料之一，試驗(yàn)選用樹齡2～3年的鄉(xiāng)土園林樹木火炬(Rhus typhina L.)、國(guó)槐 (Sophora japonica Linn.)、白蠟 (Fraxinus chinensis Roxb)，由當(dāng)?shù)孛缙詧@購(gòu)置，帶土球移植。絨毛白蠟、國(guó)槐、火炬等是天津?yàn)I海新區(qū)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.788%的混合鹽脅迫下能夠生長(zhǎng)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐鹽堿性，已成為我國(guó)部分沿海城市以及鹽堿區(qū)造林和綠化的優(yōu)良樹種［17］。國(guó)槐、火炬在含鹽量為0.2% ～0.4%時(shí)正常生長(zhǎng)，為較耐鹽堿園林植物［18］。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置為60 cm×60 cm×120 cm(長(zhǎng)×寬×高)鋼化玻璃土柱。土柱兩側(cè)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(diào)節(jié)以保持地下水高度為20 cm。卵石層上部鋪設(shè)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(zhǎng)×寬×深)的植穴，依據(jù)試驗(yàn)方案(見表1)，鋪設(shè)植穴袋，移入帶土球的設(shè)定植物，最后添加苗圃土并踩實(shí)，使穴內(nèi)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(jù)天津?yàn)I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(nèi)補(bǔ)水量依據(jù)植物缺水情況而定，植穴外補(bǔ)水量則依據(jù)天津?yàn)I海地區(qū)多年平均降水量和年最大灌溉量確定，12個(gè)土柱補(bǔ)水量一致。土柱試驗(yàn)于2009年3～9月在天津城市建設(shè)學(xué)院320 m2溫室內(nèi)進(jìn)行，3月中旬依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案完成供試植物、敷膜植穴袋等材料準(zhǔn)備工作，3月下旬完成PHCB的構(gòu)建。因溫室裝有降溫水簾，試驗(yàn)期間溫度在28～35℃。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

以PHCB結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)試驗(yàn)，以植穴內(nèi)、外土壤有機(jī)質(zhì)含量為因變量。試驗(yàn)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(yīng)虛擬變量(見表2)，其屬性分別為:

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.4.1 土壤有機(jī)質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定

土壤有機(jī)質(zhì)指標(biāo)測(cè)定于4月下旬開始，每半個(gè)月測(cè)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(diǎn)采集后混合，穴內(nèi)和穴外同步取樣，重鉻酸鉀容重法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量，每樣重復(fù)測(cè)定3次以上，取相近結(jié)果的平均值為該樣測(cè)定值。

表1 U12(2×35)均勻設(shè)計(jì)因素、水平表

表2 U12(2×35)試驗(yàn)方案

1.4.2 數(shù)據(jù)處理

采用序時(shí)平均數(shù)法處理土壤樣品測(cè)定值，得到每組試驗(yàn)的穴內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量(Y1)和穴外土壤有機(jī)質(zhì)含量(Y2)，結(jié)果見表 3。表中數(shù)據(jù)運(yùn)用 PASW Statistics 18統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行回歸分析。

表3 植穴內(nèi)、外土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響因素回歸分析表

2 結(jié)果與分析

2.1 植穴內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量影響的回歸分析

運(yùn)用方差分析方法得到植穴內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量與影響因素間關(guān)系的線性回歸方程:

方差分析結(jié)果為:線性相關(guān)系數(shù)R2=0.995，F(xiàn)值為54.379(F0.001(7，4)=49.658)，表明植穴內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量與PHCB結(jié)構(gòu)因素間線性相關(guān)性極顯著，置信度達(dá)到99.91%。

由式(5)可知，PHCB結(jié)構(gòu)因素中填料、填充厚度、填充位置對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響呈正相關(guān)，其余因素則呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

PHCB結(jié)構(gòu)因素對(duì)植穴內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量影響的回歸方程顯著性檢驗(yàn)應(yīng)用t-檢驗(yàn)方法，結(jié)果見表4。檢驗(yàn)結(jié)果表明，PHCB各結(jié)構(gòu)因素對(duì)植穴內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響是顯著的，由標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)的數(shù)值大小知，各因素對(duì)穴內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量影響的重要性順序?yàn)?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(jī)質(zhì)含量影響的回歸分析

植穴控制體結(jié)構(gòu)因素對(duì)植穴外土壤有機(jī)質(zhì)含量影響的回歸預(yù)測(cè)方程:

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

由式(6)可知，PHCB結(jié)構(gòu)因素中，PVA∶PAM、填料填充位置對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響呈正相關(guān)，樹種、果膠濃度因素呈負(fù)相關(guān)，填料種類則呈現(xiàn)不同的影響，而填料的填充厚度影響不顯著。采用t-檢驗(yàn)法對(duì)式(6)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

表4 PHCB結(jié)構(gòu)因素對(duì)植穴內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量影響的回歸方程顯著性檢驗(yàn)

表5 PHCB結(jié)構(gòu)因素對(duì)植穴外土壤有機(jī)質(zhì)含量影響的回歸方程顯著性檢驗(yàn)

由表5可知，PHCB結(jié)構(gòu)因素對(duì)穴外土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響顯著，各因素影響的重要性排序?yàn)?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(jī)質(zhì)的重要來源，隨著土壤含鹽量的降低，根系土壤微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的腐解與轉(zhuǎn)化作用加強(qiáng)，可促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的增加，如種植檉柳(Tamarix chinensis Lour)2年后的土壤有機(jī)質(zhì)可增加34.9%［19］。但本試驗(yàn)樹種對(duì)植穴內(nèi)、外土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響則不同。由表4、5可知，樹種對(duì)植穴內(nèi)、外土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響呈負(fù)相關(guān)，對(duì)前者的貢獻(xiàn)排序?yàn)榈?，對(duì)后者的貢獻(xiàn)排序靠后。表明，樹種對(duì)植穴內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)的影響重要性大于植穴外，由其變化引起穴內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)的減少量大于穴外，與火炬相比，試驗(yàn)期白蠟的影響差異性不顯著，種植國(guó)槐可能使穴內(nèi)、外土壤有機(jī)質(zhì)含量分別降低1.268、0.756 g/kg。產(chǎn)生上述結(jié)果的可能原因是:試驗(yàn)期土柱土壤微生物生命活動(dòng)所需養(yǎng)分和能量的重要資源——土壤有機(jī)質(zhì)的來源有限，填料的腐殖化、礦質(zhì)化過程緩慢，所釋放的養(yǎng)分僅維持植物生長(zhǎng)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(jī)質(zhì)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(nèi)、外土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高，但填料對(duì)植穴內(nèi)、外有機(jī)質(zhì)含量的影響差異性較大，表現(xiàn)在:①填料、填充厚度和填充位置對(duì)植穴內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量的影響為顯著正相關(guān)，其中填料的影響更關(guān)鍵，隨填充厚度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)顯著提高，若以牛糞、草炭的混合材料填充于整個(gè)植穴袋，當(dāng)填充厚度為7 cm時(shí)，填料的施用對(duì)植穴內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量的貢獻(xiàn)可達(dá)到1.996 g/kg。②填料因素對(duì)植穴外有機(jī)質(zhì)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?yàn)?植穴內(nèi)外土壤性質(zhì)不同，穴內(nèi)土質(zhì)為苗圃土，耕作性和通透性優(yōu)于穴外鹽漬土，因此，穴內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量受有機(jī)肥及其施用量的影響大，而穴外土壤有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)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(nèi)、外土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著的負(fù)相關(guān)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(nèi)、外土壤有機(jī)質(zhì)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(guān)［21］，pH＞6時(shí)，果膠黏度降低，鈣離子能夠與果膠分子結(jié)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(duì)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(dǎo)致植穴內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量的降低和植穴外土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加。當(dāng)PVA∶PAM以2∶8配比敷膜，即敷膜材料PAM成分增加對(duì)植穴外土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高有利。因?yàn)镻AM類材料吸水后膨脹為水凝膠，可改良和穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)［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(dāng)然，保水劑類材料作為敷膜材料對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響，與材料類型、用量或濃度及土壤質(zhì)地等相關(guān)，劉世亮等［23］在沙薄土壤中施用聚丙烯酸類保水劑，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)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(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量有少量增加。相關(guān)研究表明，保水劑材料施用得當(dāng)，可促進(jìn)作物根系發(fā)育，提高移栽成活率［25］，若用量過大，則具有抑制作用［23］。實(shí)際應(yīng)用中，保水劑施用量的確定應(yīng)綜合考慮地區(qū)降雨條件、灌溉條件、植物類型等，使其保水增產(chǎn)效果得到充分發(fā)揮［26］。

4 結(jié)論

(1)PHCB結(jié)構(gòu)因素對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)有顯著影響，生物質(zhì)填料的施用可有效提高鹽漬土壤有機(jī)質(zhì)含量。有利于植穴內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量提高的PHCB構(gòu)建方法為:PVA/PAM比為8∶2配制敷膜溶液用來浸泡袋質(zhì)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(jī)質(zhì)含量增加的PHCB構(gòu)建方法為:PVA/PAM比為2∶8配制敷膜溶液浸泡袋質(zhì)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(duì)植穴內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響程度最大，但呈負(fù)相關(guān)，表明植物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響是一個(gè)長(zhǎng)期而持續(xù)的過程，與有機(jī)質(zhì)形成密切相關(guān)的腐殖質(zhì)含量及苗木種植年限相關(guān)［27］。隨樹木的穩(wěn)定、持續(xù)生長(zhǎng)，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量將產(chǎn)生正效應(yīng)。

(3)PHCB的袋質(zhì)敷膜材料中，果膠施用量與PVA/PAM配比對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響效應(yīng)不同，欲有效提高鹽漬土壤有機(jī)質(zhì)，還需深入研究敷膜材料類型、施用量的影響，進(jìn)而建立提高鹽漬土壤有機(jī)質(zhì)含量的最佳PHCB結(jié)構(gòu)，為該技術(shù)應(yīng)用于鹽漬土壤改良、提高造林存活率的實(shí)踐活動(dòng)提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

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