王琳琳, 李素艷, 孫向陽, 張 濤, 付 穎

(1.北京林業(yè)大學 林學院, 北京 100083; 2.北京農學院 研究生處, 北京 102206)

不同隔鹽材料對濱海鹽漬土水鹽動態(tài)和樹木生長的影響

王琳琳1,2, 李素艷1, 孫向陽1, 張 濤1, 付 穎1

(1.北京林業(yè)大學 林學院, 北京 100083; 2.北京農學院 研究生處, 北京 102206)

摘要：[目的] 揭示不同隔鹽材料對濱海鹽漬土水鹽動態(tài)和樹木生長的影響，為濱海地區(qū)鹽漬土改良和沿海防護林營造等林業(yè)工程提供理論依據。 [方法] 采用單因素方差分析及多重比較方法，于2010—2013年在天津濱海重度鹽堿地區(qū)的大田試驗中，開展了沸石、陶粒、蛭石和河沙4種隔鹽材料對鹽漬土0—80 cm土層水鹽動態(tài)及4個樹種(刺槐、國槐、香花槐和紅葉臭椿)生長影響的研究。 [結果] (1) 在樹穴底部和側壁鋪設隔鹽層可以明顯降低土壤含鹽量并顯著增加土壤含水量。沸石處理(FS)能顯著降低0—80 cm土體內鹽分含量，控抑鹽效果明顯優(yōu)于其他處理。陶粒處理(TL)在40—80 cm土層有顯著的降鹽效果，但其控鹽效果比沸石差。蛭石處理(ZS)僅在40—60 cm土體內顯著降低土壤含鹽量。河沙處理(HS)中，0—80 cm土體內鹽分含量雖低于對照，但與對照之間無顯著差異，降鹽效果最差； (2) 鋪設隔鹽層可顯著降低土壤鹽分離子含量，其中對Na+,Cl-和這3種濱海鹽堿地主要鹽分離子的去除效果排序為：FS>TL>ZS>HS； (3) 隔鹽層材料能有效改善樹種根區(qū)土壤物理性質，提高各樹種成活率和保存率，并能明顯促進植物生長，其中沸石效果最佳。 [結論] 可將沸石作為濱海地區(qū)4個樹種造林時隔鹽材料的最優(yōu)選擇。

關鍵詞：隔鹽材料; 河沙; 水鹽運移; 樹木生長

土壤鹽漬化是限制土地資源優(yōu)化利用的一個主要障礙。在長期的鹽堿地改良過程中，研究者發(fā)現(xiàn)土壤鹽分運移受到水分運行的支配[1-3]。土壤水鹽運動規(guī)律是了解鹽堿土發(fā)生演變和防治土壤次生鹽堿化的基礎，研究并掌握鹽堿土水鹽動態(tài)變化規(guī)律，既可以對改良措施的科學性及實用性做出合理評價，又能進一步根據評價結果改進優(yōu)化改良措施，進而達到改良鹽堿土的目的[4]。近年來，鹽堿土改良主要以灌溉洗鹽、地表覆蓋、客土種植等工程改良措施和施加化學改良劑等化學改良措施為主[5]，也有研究者利用耐鹽植物進行鹽堿地改良[6]。造成濱海地區(qū)鹽堿地難以利用的最主要問題是由于土壤水分蒸發(fā)導致的地下水位上升[7]。因此，解決濱海地區(qū)土壤鹽漬化的關鍵就是有效阻斷地下水位的上升并且促進重力水對土壤鹽分的淋洗，以此減弱鹽分隨水分的上升，降低耕層土壤鹽分含量?；诖?，通過工程措施在濱海地區(qū)設置鹽分隔離層作為一種有效的降鹽措施被廣泛應用。國內外研究[8-10]結果表明，在土表下鋪設沙子或秸稈作為隔鹽層，可以顯著降低土壤電導率，促進植物生長和代謝。但總體看來，有關土表下鋪設隔層的研究多數為室內模擬。當前通過鋪設隔鹽層進行鹽堿地改良的研究中，多以河沙作為有效的隔鹽材料選擇，且多數都只在樹穴底部鋪設隔鹽層。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(wěn)定的物理特性，常用于土壤的修復和改良[12]。蛭石屬硅酸鹽黏土礦物，具有巨大的比表面積和較大的陽離子交換容量[13]，目前已被廣泛的運用到土壤修復和去除各種水體污染中。刺槐(Robiniapseudoacacia)、國槐(Sophorajaponica)、香花槐(Robiniapseudoacaciacv.idaho)和紅葉臭椿(Ailanthusaltissima)為濱海地區(qū)常用的鹽堿地植物改良材料，均具有一定的耐鹽能力。但目前對這4種植物的研究多集中在鹽脅迫及其耐鹽機理上[14-16]，而對隔鹽措施下4樹種的生長特性研究較少。因此，本研究采用3種新型隔鹽材料(沸石、陶粒、蛭石)和1種傳統(tǒng)隔鹽材料(河沙)，在刺槐、國槐、香花槐和紅葉臭椿樹穴底部和側壁鋪設隔鹽層，于2010—2013年研究大田中不同隔鹽材料對濱海地區(qū)重度鹽漬土0—80 cm土層水鹽運移、土壤物理性質及4樹種生長特性的影響，從而針對不同樹種評估不同隔鹽材料的控鹽改土效果，以期為濱海地區(qū)鹽漬土改良和沿海防護林營造等林業(yè)工程提供理論依據。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于天津市大港區(qū)濱海耐鹽堿植物科技園區(qū)(北緯38°46′，東經117°13′，海拔高度約1.3 m)，該區(qū)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(huán)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(xiàn)在7月(26 ℃)，氣溫最低月份出現(xiàn)在1月(-4 ℃)。該區(qū)地處中緯度，日照時間長，年平均日照時數為2 618 h，累計年太陽總輻射量506.2 kJ/cm2，生理輻射總量257.25 kJ/cm2，無霜期約211 d。年平均降水量593.6 mm，雨水集中在6—9月，占全年降水總量的84%。年平均蒸發(fā)量1 979 mm，是降水量的3倍多。

1.2　試驗樹種選擇

選取刺槐、國槐、香花槐和紅葉臭椿作為試驗樹種。其中刺槐、國槐和香花槐均屬于豆科蝶形花亞科落葉喬木，紅葉臭椿屬于苦木科臭椿屬中等落葉喬木。刺槐生長迅速，根系發(fā)達，適應性強，在含鹽量0.3%以下的鹽堿土上能正常生長發(fā)育，主根不發(fā)達，水平根系多集中在表土層5—50 cm內。國槐喜陽光，不耐陰濕而抗旱，對土壤要求不嚴，在含鹽量0.15%左右的輕度鹽堿地可正常生長。香花槐性耐寒，耐干旱，在中性及輕度鹽堿土中可以正常生長。紅葉臭椿喜陽光，耐干旱，主根不明顯，側根發(fā)達，耐中度鹽堿土。

1.3　試驗措施布設

試驗共設置刺槐、國槐、香花槐和紅葉臭椿4個種植區(qū)，在每個種植區(qū)內同時布設試驗。試驗共設置5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); (4) 蛭石隔鹽處理(ZS)； (5) 河沙隔鹽處理(HS)。將鹽堿水平一致的同一塊種植區(qū)劃分為5個區(qū)組(57 m×12 m)，每個區(qū)組劃分為5個小區(qū)(12 m×12 m)，兩個相鄰區(qū)組和小區(qū)間的距離分別為6和3 m。按照完全隨機區(qū)組試驗設計，將所有處理完全隨機的分配到各個區(qū)組中去，每個小區(qū)為1個處理，每個處理重復5次。2010年4月，在4個樹種種植區(qū)內的每個小區(qū)栽植9株2年生帶根苗，相同樹種苗木規(guī)格相似。株行距均為3 m×3 m，植穴規(guī)格1 m×1 m×1 m。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、蛭石和河沙作為隔鹽層，底部和側壁隔鹽層厚度分別為20和10 cm，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。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2周灌溉1次，灌溉定額均為5 L水。同時在每個樹種種植區(qū)四周開挖深度為1.00～1.50 m的排水溝。不同隔鹽措施下各樹種栽培管理措施一致。試驗沸石、陶粒和蛭石均從當地礦產品加工廠購置，粒徑分別集中在2～3，10～25和4～6 mm；河沙購自當地市場，統(tǒng)一過篩，粒徑集中于0.5～0.8 mm。供試材料的鹽分離子組成詳見表1。

表1　隔鹽材料鹽分離子組成

1.4　土樣采集與指標測定

1.5　數據分析

采用單因素方差分析方法(one-way ANOVA)比較不同隔鹽處理之間土壤水鹽、物理性質和樹木生長的差異；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結果與討論

2.1　不同隔鹽材料對土壤水鹽動態(tài)的影響

設置隔鹽層試驗的初期，即2010年5—6月，各處理0—80 cm土體的鹽分含量變化一致(圖1)，7—11月各處理之間的鹽分含量變化存在明顯差異但無顯著規(guī)律。

2011年5月至2013年11月，各處理土壤鹽分含量及其年變幅均明顯小于對照，且沸石處理土壤鹽分含量相較于其他處理始終保持最低水平。

圖1　隔鹽處理對0-80 cm土體鹽分動態(tài)變化影響

試驗期內各處理的土壤水分含量變化規(guī)律基本一致(圖2)。由于土壤水分含量受蒸發(fā)量和降雨量的影響較大[18]，年內水分含量最大值均出現(xiàn)在7—8月。在設置隔鹽層的第1 a即2010年，各處理土壤水分含量變化一致。2011—2013年，各處理土壤水分含量均略大于對照。

圖2　隔鹽處理對0-80 cm土體水分動態(tài)變化影響

對2010—2013年各處理不同深度土壤鹽分進行分析表明，隔鹽措施可以有效控制土壤鹽分含量(表2)。FS能顯著降低土層(0—80 cm)鹽分含量(p<0.05)，0—80 cm土體平均鹽分含量比CK低60.8%。TL處理中40—80 cm土體內鹽分含量顯著低于CK，控抑鹽效果僅次于FS。ZS處理中僅40—60 cm土體含鹽量顯著低于CK。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)，控抑鹽效果最差。

由表2可知，F(xiàn)S，TL和ZS處理能顯著增加0—80 cm土體平均含水量(p<0.05)。三者分別比CK增加了15.5%，12%和12%。

各處理下土壤水分含量均值大小為：FS>TL=ZS>HS>CK。采用FS，TL和ZS作為隔鹽層材料，可以顯著增加0—20和40—60 cm土層土壤含水量，為植物根系創(chuàng)造良好的土壤水分環(huán)境，從而為植物生長提供充足的水分。HS對土壤水分含量無顯著影響(p>0.05)。

表2　各處理2010-2013年不同土層土壤鹽分和水分累年均值

注: 表中數值為平均值+標準差； 同行具有不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。下同。

隔鹽層材料質地無論較土壤質地或粗或細，都會對下滲水流起到阻礙作用[19]。由于4種隔鹽層材料的孔隙度均大于土壤孔隙度，根據土壤水動力學原理，孔隙度越大，水吸力越小，因此當水分下滲到土壤與隔層交界面時，入滲過程得到延遲，使得隔層上方土壤含水量較同層次對照高，同時使得隔層上方土壤鹽分得到充分溶解，有助于隔層上方土壤鹽分的充分淋洗。另外，隔鹽層能夠顯著降低毛管水上升的高度和速度，這是由于隔鹽層阻斷了土壤毛管孔隙的連續(xù)性，使得毛管水在隔鹽層下界面發(fā)生停滯，從而減少鹽分隨水分的上升。而設置在樹穴側壁的隔鹽層，又能同時抑制鹽分隨土壤水分的水平運移，使樹穴內部土壤鹽分含量進一步降低。另外，由于沸石、陶粒和蛭石3種隔鹽材料本身的結構特征，使其均具有一定的保水功能，導致0—80 cm土層水分含量均顯著高于對照。

2.2　不同隔鹽措施對土壤鹽分離子組成和分布的影響

表3　不同隔鹽處理土體鹽分離子含量　%

注：CK為對照，F(xiàn)S為沸石處理，TL為陶粒處理，ZS為蛭石處理，HS為河沙處理。下同。

2.3　不同隔鹽措施對土壤物理性質的影響

0—40 cm土層是植物根系分布相對密集的區(qū)域，該層次土壤的物理性狀對植物的生長意義重大。對比分析刺槐、國槐、香花槐和紅葉臭椿0—40 cm土層的物理性質，有利于探討隔鹽措施對不同樹種根區(qū)土壤物理性質的改良效應。各處理4個樹種的根區(qū)土壤容重均低于對照(圖3)。刺槐種植區(qū)中，F(xiàn)S處理的土壤容重顯著低于其他處理(p<0.05)，其他處理與對照間差異不顯著。國槐種植區(qū)內，F(xiàn)S和TL處理顯著降低土壤容重，其他處理與對照間無顯著差異(p>0.05)。香花槐和紅葉臭椿種植區(qū)內，各處理土壤容重略低于對照，但與對照間差異不顯著。

刺槐區(qū)內，F(xiàn)S和TL處理導致土壤毛管孔隙度顯著高于HS和CK，ZS處理對土壤毛管孔隙度影響不顯著，與其他處理間均無顯著差異(圖3)。國槐區(qū)內，F(xiàn)S處理的土壤毛管孔隙度顯著高于CK和其他處理，而其他隔鹽處理與CK間均無顯著差異。隔鹽措施對香花槐和紅葉臭椿根區(qū)土壤毛管孔隙度影響較小，除FS處理使紅葉臭椿根區(qū)土壤毛管孔隙度顯著高于對照外，其他處理對香花槐和紅葉臭椿根區(qū)土壤毛管孔隙度均無顯著影響(p>0.05)。

刺槐種植區(qū)中各處理土壤非毛管孔隙度均有顯著性差異(圖3)，其中FS處理下非毛管孔隙度最大，顯著高于CK和其他處理；TL處理次之，顯著高于HS和CK(p<0.05)，而與ZS處理無顯著差異。FS和TL處理能夠增加國槐根區(qū)土壤非毛管孔隙度，而ZS和HS卻導致其略有下降。所有處理均能顯著增加香花槐根區(qū)土壤非毛管孔隙度，按照其增加量大小排序為：FS>TL>ZS>HS。FS，TL和ZS處理均能顯著增加紅葉臭椿區(qū)根區(qū)土壤非毛管孔隙度，而HS處理對其影響不顯著。

隔鹽處理對各樹種根區(qū)土壤總孔隙度的影響與毛管孔隙度類似(圖3)。FS和TL處理能顯著增加刺槐根區(qū)土壤總孔隙度，ZS和HS處理土壤總孔隙度略高于CK，但無顯著差異(p>0.05)。國槐區(qū)內，F(xiàn)S處理導致土壤總孔隙度顯著高于CK和其他處理，而其他隔鹽處理與CK間無顯著差異。對于香花槐和紅葉臭椿，除FS處理使紅葉臭椿根區(qū)土壤總孔隙度顯著高于對照外，其他處理對香花槐和紅葉臭椿根區(qū)土壤總孔隙度均無顯著影響(p>0.05)。

采用隔鹽措施能導致刺槐、香花槐和紅葉臭椿3個樹種根區(qū)土壤容重降低和土壤總孔隙度的增加。有研究[22]表明，土壤鹽分含量與總孔隙度具有負相關性。FS處理的鹽分含量最低，在所有樹種中具有最大的總孔隙度，而且土壤總孔隙度越大，降水對可溶性Na+的淋溶作用越大，繼而導致鹽分含量降低，使土壤結構得到改善，降低土壤容重。而在國槐種植區(qū)，雖然隔鹽處理均能降低土壤容重，但對土壤總孔隙度影響不大，除FS處理和TL處理能夠增加土壤總孔隙度以外，ZS和HS處理反而使土壤總孔隙度略有下降，這個現(xiàn)象也存在于毛管孔隙度和非毛管孔隙度中。

基于以上分析，沸石可作為4樹種隔鹽材料的最優(yōu)選擇，陶粒次之。

圖3　不同隔鹽措施對土壤物理性質的影響

2.4　不同隔鹽措施對植物生長的影響

2.4.1不同隔鹽措施對成活率和保存率的影響隔鹽措施布設1 a后(2011年)，4樹種成活率均在81%以上，隔鹽措施對造林成活率影響不明顯(表4)。試驗開始3 a后(2013年)，4個樹種保存率顯著高于對照，各樹種不同處理保存率由大到小順序為：FS>TL>ZS>HS>CK。

FS處理下，4樹種保存率均顯著高于其他處理(p<0.05)，其中刺槐保存率最大達95.2%；CK處理中紅葉臭椿保存率最低，僅為39.3%。FS，TL和ZS處理下，不同樹種保存率由大到小均為：刺槐>國槐>香花槐>紅葉臭椿。

表4　不同隔鹽處理下樹種成活率與保存率　%

2.4.2不同隔鹽措施對樹高和基徑的影響隔鹽處理4個生長季后4樹種的樹高、基徑增長量均高于對照植株(圖4)。

FS和TL處理對刺槐樹高增長量影響顯著，而香花槐樹高增長量僅在FS處理下顯著增加(p<0.05)；各處理對國槐樹高增長無顯著影響，但卻顯著增加紅葉臭椿樹高增長量。FS處理中，各樹種基徑增長量均最大，且顯著大于對照(p<0.05)。TL處理均能顯著增加除紅葉臭椿外的其他樹種的基徑增長量(p<0.05)。與CK相比，ZS和HS對樹木基徑生長無顯著影響(p>0.05)。各個處理對各樹種樹高和基徑影響各不相同，這除了與樹種本身的特性有關以外，還說明應針對不同的樹種選擇隔鹽材料以達到最佳的脫鹽效果。

圖4　不同隔鹽措施對樹高和基徑增長量的影響

3結 論

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Effects of Salt-isolation Materials on Soil Water and Salt Movement and Tree Growth of Saline Soil in a Coastal Region

WANG Linlin1,2, LI Suyan1, SUN Xiangyang1, ZHANG Tao1, FU Ying1

(1.CollegeofForestry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 2.DepartmentofPostgraduate,BeijingUniversityofAgriculture,Beijing102206,China)

Abstract：[Objective] Assessing the effects of salt-isolation materials on soil water and salt movements in saline soil and on the growth of forestation four species(Robinia pseudoacacia, Sophora japonica, Robinia pseudoacacia cv. Idaho, Ailanthus altissima) in the coastal regions of Tianjin City. [Methods] We used four salt-isolation materials to restrict the water and salt movements in the saline soil: zeolite(FS), ceramsite(TL), vermiculite(ZS) and river sand(HS). The research was conducted from 2010 to 2013 at the Coastal Salt-tolerant Plant Science and Technology Park, Dagang, Tianjin City. One-way ANOVA and multiple comparison were used in the data analysis. [Results] (1) Salt-isolation interlayers could significantly reduce soil salt content and increase soil water content of tree planting site. FS treatment performed better than other treatments in reducing salt content and had the lowest salt content. The significant effect of TL treatment on salt content was only observed in the 40—80 cm soil layer, and it performed worse than FS. Relative to the control, ZS had no significant effects on salt content in the 0—40 cm and 60—80 cm layers. HS treatment also had no significant effects on salt content for the investigated soil profile. (2) Salt-isolation materials could significantly reduce soil salt content. FS performed best in reducing the major three salt ions of Na+, Cl-and , followed by TL, ZS and HS. (3) Salt-isolation materials could also effectively improve soil physical structure of the planting sites, increase tree planting survival rate and preserving rate, and enhance tree growth. On these points, FS was the best performer among the four salt-isolation materials. [Conclusion] Selecting FS as the salt-isolation materials is the best option in controlling soil water and salt movement and improving tree growth in coastal regions.

Keywords:salt-isolation materials; river sand; water and salt movement; tree growth

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)04-0141-07

中圖分類號：S156.4

通信作者：李素艷(1968—),女(漢族),內蒙古自治區(qū)赤峰市人,博士,副教授,主要從事土壤學和水土保持研究。E-mail: lisuyan@bjfu.edu.cn。

收稿日期：2014-04-05修回日期：2014-05-09

資助項目：林業(yè)公益性行業(yè)科研專項“林業(yè)廢棄物基質化研制技術與應用”(201504205)； 國家“十一五”科技支撐計劃項目(2009BADB2B0504)

第一作者：王琳琳(1983—),女(蒙古族),內蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市人,博士,助理研究員,主要從事鹽堿地生態(tài)治理方面的研究。E-mail: wanglinlin1006@126.com。