李偉彤 孫福海 馬獻發(fā)

(東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院 哈爾濱 150030)

隨著城市化建設的發(fā)展，人類活動的頻繁與多樣使城市綠地土壤次生鹽漬化日益加重，如工業(yè)“三廢”物質(zhì)、生活垃圾、交通運輸、大氣降雨和降塵等都是造成城市綠地土壤次生鹽漬化的原因[1，2]。然而，造成哈爾濱市綠地土壤次生鹽漬化的原因主要是冬季降雪后融雪劑的大量使用。土壤次生鹽漬化不僅會降低土壤中鐵、磷等元素的有效性，而且會抑制土壤中微生物的活動及對其他養(yǎng)分的分解。當土壤鹽分滲透到植物根區(qū)，將對植物生存造成威脅。雖然受害植株根區(qū)土壤鹽分可得到水分淋溶，但受自然降雨和人工灌溉數(shù)量有限以及城市土壤底層堅實[3～5]等因素制約，將鹽分淋溶到根系分布范圍以外的數(shù)量很少。而當植物根區(qū)鹽分過高時，可在很短時間內(nèi)致樹木于死地。因此，城市綠地土壤次生鹽漬化防治刻不容緩。

已有研究表明：腐植酸是一種有機大分子兩性物質(zhì)，其陽離子交換量大，可以吸附大量的游離Na+、緩沖土壤的酸堿性、降低土壤中水溶性鹽分含量等，改良鹽漬化土壤效果顯著[6～8]；天然沸石粉因其比表面積大，對Na+和HCO3-等具有較強的吸附能力，改善鹽漬化土壤效果明顯[9，10]；畜禽糞便和枯枝落葉等有機物料通過坑漚和堆制腐熟后施入土壤，能增加土壤有機質(zhì)，提高肥力和緩沖性能，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加透性，降低含鹽量，調(diào)節(jié)pH值，從而減輕鹽害[11，12]；磷石膏或石膏施入土壤可直接或間接增加Ca2+含量，通過Ca2+置換Na+，從而減輕鹽害[7，13，14]。

基于腐植酸、沸石、有機物料、磷石膏等對鹽漬化土壤的改良效果，利用褐煤腐植酸、沸石、玉米秸稈、磷石膏等原料，采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗設計，對改善城市綠地土壤次生鹽漬化材料的配方進行調(diào)整，篩選降低土壤鹽分最有效的組合，為城市土壤環(huán)境修復和園林綠化提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選取褐煤、沸石、玉米秸稈和磷石膏為材料。褐煤來源為黑龍江省鶴崗市蘿北縣，總腐植酸含量62.4%，灰分10.6%，粉碎過100目篩；沸石來源為吉林省九臺市的沸石礦，含斜發(fā)沸石70%，陽離子交換量150 cmol/kg，粉碎過100目篩；秸稈為2013年采自東北農(nóng)業(yè)大學香坊實驗農(nóng)場秋季收獲后的玉米秸稈，60 ℃烘干，粉碎后過100目篩；磷石膏來源為南化公司磷肥廠，含P2O51%～1.8%、CaO 30%～31.5%、SO240%～43%、MgO 0.1%～1.2%，粉碎過100目篩。

供試土壤隨機取自哈爾濱市綠地土壤，其電導率為950 μS/cm。根據(jù)試驗前期對哈爾濱市綠地土壤鹽漬化的調(diào)查顯示：土壤浸提液電導率在2000 μS/cm以上的96個，占總樣品的51.9%；土壤浸提液鹽分組成(K+、Na+、HCO3-、Cl-、Ca2+、Mg2+)中，Na+和Cl-二者與土壤電導率的相關(guān)性最高，其相關(guān)系數(shù)分別為0.78、0.74，由此說明哈爾濱市土壤鹽分物質(zhì)主要來源為氯化鈉。因此，試驗中人為設定土壤電導率為2500 μS/cm，鹽分種類用氯化鈉代替，每100 g土壤加入0.06 g氯化鈉(分析純)，以此模擬鹽漬化程度較重的城市綠地土壤。

1.2 試驗設計與方法

試驗選用褐煤(X1)、沸石(X2)、玉米秸稈(X3)、磷石膏(X4)為影響城市綠地土壤鹽分含量(Y)四因素，將此四因素作為自變量，并以編碼值-1.6818，-1，0，l，1.6818分別代表自變量的五個水平，采用四因素五水平(1/2實施)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)設計，即總試驗點數(shù)N＝23，其數(shù)學模型為方程(1)：

方程式(1)中：Y為預測值，即土壤電導率；xi和xj為輸入變量對應的編碼值；b0為常數(shù)項；bj為第j個一次項系數(shù)；bjj為第jj項二次項系數(shù)；bij為第ij項交互項系數(shù)。

根據(jù)四因素五水平(1/2實施)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)設計，由DPS軟件確定編碼值，根據(jù)以往試驗和相關(guān)資料確定的零水平，利用表1中自變量水平編碼值和水平間隔值(步長)，根據(jù)方程(2)，求出各因子的實際用量。

方程式(2)中，xi為第i個變量的編碼值，Xi為自變量的真實值，⊿X為步長，X0為試驗中心點自變量的真實值[15]。

采用盆栽試驗，每盆裝土2 kg(折合土壤干重)，分別按照表1和表2施入改良材料，每個處理重復3次。將改良材料與土壤充分混勻，澆透水，播入白三葉草草種，放置于玻璃溫室內(nèi)，土壤表層見干澆灌等量的水。植物生長60天后，采集土壤樣品(0～10 cm表層土壤)，樣品風干后按照水土比5︰1浸提，采用電導儀(DDS-307型)測定各處理土壤的電導率。

表1 試驗設計因素水平編碼表Tab.1 Factors and levels of experiment design g

表2 不同改良材料的結(jié)構(gòu)矩陣Tab.2 The structure matrix of different modi fi ed material

2 結(jié)果與分析

2.1 模型建立

通過測定各處理的土壤鹽分(電導率)(表3)，除處理8、處理9較試驗開始時土壤鹽分(電導率)高外，其他處理土壤鹽分均得到了不同程度的改善。處理8腐植酸(X1)、沸石(X2)、玉米秸稈(X3)和磷石膏(X4)均處于較低水平，處理9腐植酸(X1)的用量處于最低水平，說明土壤鹽分降低與4種改良材料用量有關(guān)，其中腐植酸影響更為明顯。通過多項式回歸分析(最小值)，建立二次回歸模型，擬合得到四元二次方程描述腐植酸(X1)、沸石(X2)、玉米秸稈(X3)和磷石膏(X4)對土壤鹽分的關(guān)系：

根據(jù)回歸方程(3)的檢驗結(jié)果顯示：相關(guān)系數(shù)R=0.9634，決定系數(shù)R2=0.9281，F(xiàn)值=7.375，P值=0.0039＜0.01，達到極顯著水平。這說明此方程可信度好，預測值和實際值吻合較好，用此模型進行預報具有較高的可行性。

表3 不同處理的土壤鹽分結(jié)果Tab.3 The soil salinity results of different treatments

回歸系數(shù)t檢驗結(jié)果表明(表4)：X1、X2、X3、在0.01水平上差異顯著；在交互項中，X1X3和X1X4在0.05水平上差異顯著，其他項差異不顯著。由此結(jié)果說明，腐植酸(X1)、沸石(X2)、玉米秸稈(X3)和磷石膏(X4)對降低土壤鹽分含量有極顯著影響，腐植酸與玉米秸稈交互作用(X1X3)、腐植酸與磷石膏交互作用(X1X4)均對土壤鹽分降低有顯著影響。

優(yōu)化回歸方程(3)，剔除不顯著項為：

表4 方程(3)的回歸系數(shù)t檢驗值Tab.4 Coef fi cient of regression equation (3) t-test value

2.2 單因子分析

根據(jù)優(yōu)化后的回歸方程(4)偏回歸系數(shù)絕對值的大小可判斷因子的重要程度，系數(shù)的正負表示因子效應作用的方向。由于設計中各因素處理進行正交編碼，回歸模型中的統(tǒng)計值已相對獨立，只需要把其他3個因素固定在零水平上就可反映各因子與土壤鹽分含量的關(guān)系，由此得到各因子的偏回歸方程(5)～(8)。

根據(jù)上述方程得單因子效應分析圖(圖1)。從圖1可以看出，隨著褐煤腐植酸(X1)、沸石(X2)、玉米秸稈(X3)和磷石膏(X4)用量的增加，土壤電導率表現(xiàn)出先迅速下降而后又緩慢上升的趨勢，其中影響程度依次排列為褐煤腐植酸＞玉米秸稈＞磷石膏＞沸石。

圖1 單因子效應Fig.1 Single factor effect

圖2 褐煤腐植酸與玉米秸稈交互的響應面曲線Fig.2 The response surface curves interaction of lignite humic acid and corn straw

2.3 交互作用

由表4可知，在交互項中，X1X3和X1X4在0.05水平上差異顯著，其他項差異不顯著。對差異顯著的交互項X1X3(腐植酸與玉米秸稈交互作用)和X1X4(腐植酸與磷石膏交互作用)進行分析，即將方程(4)中的X2、X4二因素固定在零水平，得到X1X3交互作用方程(9)；將方程(4)中的X2、X3二因素固定在零水平，得到X1X4交互作用方程(10)。獲得的方程(9)和(10)如下：

圖3 褐煤腐植酸與磷石膏交互的響應面曲線Fig.3 The response surface curves interaction of lignite humic acid and phosphogypsum

由X1X3和X1X4交互作用方程(9)、方程(10)分別獲得響應面曲線圖2、圖3。

由圖2得知，褐煤腐植酸和玉米秸稈交互作用表現(xiàn)為隨著腐植酸與玉米秸稈用量的增加，土壤電導率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，響應面坡度較大，曲面有最小值。由圖3可知，褐煤腐植酸和磷石膏交互作用與圖2表現(xiàn)趨勢一致。綜上說明，褐煤腐植酸與玉米秸稈、磷石膏交互作用均較為明顯，褐煤腐植酸與磷石膏或是玉米秸稈配合施用在一定范圍內(nèi)均可有效降低土壤鹽分。

2.4 因素組合最佳組合優(yōu)化

通過DPS軟件進行二次多項式求得極小值，獲得改良城市綠地土壤次生鹽漬化的最佳改良劑編碼值組合見表5，經(jīng)計算得出每盆(折合土壤干重2 kg)施用褐煤腐植酸63.6 g、沸石14.4 g、玉米秸稈12.2 g、磷石膏3.9 g。

表5 最佳改良劑組合Tab.5 The best ameliorant combination

3 結(jié)論與討論

將改良材料施入鹽漬化土壤主要有以下兩方面的作用：一方面是改善土壤膠體性質(zhì)，促進膠體凝聚過程，促進土壤團粒結(jié)構(gòu)形成，增加土壤通透性，加速鹽分離子淋洗和排出；另一方面是改善鹽漬化土壤的化學性質(zhì)，增加土壤對鹽分的吸收性能，減少鹽分移動，改變土壤的可溶性鹽基成分。

本研究中采用二次回歸正交試驗設計，對褐煤腐植酸、沸石、玉米秸稈、磷石膏進行復配，結(jié)果表明，這4種材料對城市綠地鹽漬化土壤的改良效果是顯著的。本試驗設計的23個處理中除處理8、處理9外，其他各處理的土壤鹽分均得到了不同程度的改善。褐煤腐植酸與玉米秸稈的交互作用、褐煤腐植酸與磷石膏的交互作用對土壤鹽分降低有顯著影響。其原因可能在于：褐煤腐植酸與玉米秸稈施入土壤，能夠顯著地增加土壤腐植酸的總量[16]，進而增強了腐植酸降鹽效果。腐植酸與磷石膏對土壤結(jié)構(gòu)具有明顯改善作用，兩者交互更有利于改善土壤結(jié)構(gòu)，增強土壤通透性，促進鹽分淋洗。

通過DPS軟件進行二次多項式求極小值，得到改良城市綠地土壤次生鹽漬化的最佳改良劑組合，即每盆(折合土壤干重2 kg)施用褐煤腐植酸63.6 g、沸石14.4 g、玉米秸稈12.2 g、磷石膏3.9 g。本研究對城市綠地土壤次生鹽漬化改良材料的優(yōu)化具有一定的指導作用，但在城市綠地土壤鹽漬化防治效果上，仍需進一步試驗驗證與推廣示范。

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