植穴控制体结构因素对盐渍土有机质含量的影响

张云霞， 吴丽萍， 文科军， 李庆波

(天津城建大学环境与市政工程学院，天津 300384)

0 引言

土壤有机质含量是土壤肥力的重要标志之一［1］，是植物和微生物的养分源泉，参与土壤发育过程，决定着土壤的结构以及透气性、渗透性和缓冲性等生产性状。盐渍土的肥力特征表现出“瘦、冷、死、板”，而土壤有机质含量低是盐渍土缺乏肥力的主要原因［2］。土壤有机质能够改善土壤的理化性状，对土体水分蒸发具有抑制作用，随着有机质含量的增加此抑制作用会加强，进而增加土壤的持水性［3，4］。魏由庆等［5］提出培育建立“淡化肥沃层”，通过培肥土壤，抑制盐分在作物根系层的积聚，以肥调控土壤水盐运移。张玉珍等［6］采用大穴换土方式，通过铺设鹅卵石和中砂覆盖层并施加有机肥的方法增加土壤有机质含量，以提高植物的成活率。文科军等采用微宇宙(Microcosm)试验技术构建植穴控制体(Planting hole control body，PHCB)［7］，通过人为设计受控系统内生物和非生物结构因素，优化生物生境，强化系统的修复作用与功能，保障树木生境及生物群落的支持力，进而利用树木根系生长改善盐渍土物理性状，改善土壤结构，增加有机质含量。本研究以PHCB调控水盐运移试验［7］为基础，通过观测PHCB内外以及盐渍土剖面土壤有机质的变化，探寻PHCB因素对穴内外有机质含量的影响规律，研究其改良作用机制，为PHCB的结构优化与推广应用提供理论依据与技术。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试盐渍土壤取自天津经济技术开发区试验基地(N:39°04'，E:117°42')，采样深度为 0 ～40 cm，土壤电导率(EC)为 7.20 dS/m，全盐量为 33.9 g/kg，有机质含量为8 g/kg，主要盐分离子含量分别为: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 供试材料

试验材料为PHCB，由敷膜植穴袋、植物、填料构成(见图1)。其中，敷膜植穴袋为30 cm×30 cm×45 cm(长×宽×高)的双层布袋，是将聚乳酸无纺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(浓度10%)覆膜，自然干燥后再涂敷果胶而制成的，PVA、PAM常用作土壤保水剂，PAM能以各种比例溶于水，具有很强的黏聚作用，在灌溉不足的干旱、半干旱地区施用可显著增加农作物产量［8］，PAM还是一种土壤改良剂［9-11］，可有效抑制土壤盐分的积累，提高苗木成活率［12］。果胶(Pectin)是寡糖和多聚糖组成的混合物，主要成分是D-半乳糖醛酸［13］，具有较强的凝胶作用，与PAM等物质混合后，不易脱落［14］。填料为牛粪、草炭等生物质材料，草炭富含腐殖质、植物残体、矿物质和水分，是一种自然界优良的养分载体［15-16］，是土柱土壤有机质的主要来源，而发酵牛粪中腐殖质成分是形成植物营养的重要碳源和氮源，也是土壤有机质的重要来源。植物是构建PHCB的重要材料之一，试验选用树龄2～3年的乡土园林树木火炬(Rhus typhina L.)、国槐 (Sophora japonica Linn.)、白蜡 (Fraxinus chinensis Roxb)，由当地苗圃园购置，带土球移植。绒毛白蜡、国槐、火炬等是天津滨海新区盐渍土壤造林绿化中常用耐盐园林乔木，其中绒毛白蜡在质量分数为0.788%的混合盐胁迫下能够生长，表现出较强的耐盐碱性，已成为我国部分沿海城市以及盐碱区造林和绿化的优良树种［17］。国槐、火炬在含盐量为0.2% ～0.4%时正常生长，为较耐盐碱园林植物［18］。

1.3 实验设计

试验装置为60 cm×60 cm×120 cm(长×宽×高)钢化玻璃土柱。土柱两侧距顶面 5、20、35、65、80 cm处分别开有Φ5 cm的取样孔，用橡胶塞密封。土柱底部填装20 cm厚鹅卵石作为反滤层用以模拟地下水，由马利奥特瓶调节以保持地下水高度为20 cm。卵石层上部铺设透水无纺布，再填装盐渍土至柱顶，然后挖出大小为30 cm×30 cm×35 cm(长×宽×深)的植穴，依据试验方案(见表1)，铺设植穴袋，移入带土球的设定植物，最后添加苗圃土并踩实，使穴内土壤表层比穴外盐渍土高出5 cm，如图1所示。土柱中地下水矿化度依据天津滨海盐渍土普查资料和地下水盐分组成状况由人工配制，土柱植穴内补水量依据植物缺水情况而定，植穴外补水量则依据天津滨海地区多年平均降水量和年最大灌溉量确定，12个土柱补水量一致。土柱试验于2009年3～9月在天津城市建设学院320 m2温室内进行，3月中旬依据试验设计方案完成供试植物、敷膜植穴袋等材料准备工作，3月下旬完成PHCB的构建。因温室装有降温水帘，试验期间温度在28～35℃。

图1 试验装置图

以PHCB结构因素，即树种(X1)、PVA/PAM配比(X2)、果胶浓度(X3)、填料(X4)、填充厚度(X5)、填充位置(X6)为自变量，采用U12(2×35)均匀设计试验，以植穴内、外土壤有机质含量为因变量。试验因素中X1、X2、X4、X6均为定性变量，故采用了虚拟变量回归分析方法，即引入X1、X2、X4、X6的相应虚拟变量(见表2)，其属性分别为:

1.4 测定指标与方法

1.4.1 土壤有机质指标的测定

土壤有机质指标测定于4月下旬开始，每半个月测定1次，共10次。土壤样品用取土椎提取，采样深度0～35 cm，梅花布点采集后混合，穴内和穴外同步取样，重铬酸钾容重法测定土壤有机质含量，每样重复测定3次以上，取相近结果的平均值为该样测定值。

表1 U12(2×35)均匀设计因素、水平表

表2 U12(2×35)试验方案

1.4.2 数据处理

采用序时平均数法处理土壤样品测定值，得到每组试验的穴内土壤有机质含量(Y1)和穴外土壤有机质含量(Y2)，结果见表 3。表中数据运用 PASW Statistics 18统计分析软件进行回归分析。

表3 植穴内、外土壤有机质含量的影响因素回归分析表

2 结果与分析

2.1 植穴内土壤有机质含量影响的回归分析

运用方差分析方法得到植穴内土壤有机质含量与影响因素间关系的线性回归方程:

方差分析结果为:线性相关系数R2=0.995，F值为54.379(F0.001(7，4)=49.658)，表明植穴内有机质含量与PHCB结构因素间线性相关性极显著，置信度达到99.91%。

由式(5)可知，PHCB结构因素中填料、填充厚度、填充位置对土壤有机质含量的影响呈正相关，其余因素则呈现负相关。

PHCB结构因素对植穴内土壤有机质含量影响的回归方程显著性检验应用t-检验方法，结果见表4。检验结果表明，PHCB各结构因素对植穴内土壤有机质含量的影响是显著的，由标准化回归系数的数值大小知，各因素对穴内有机质含量影响的重要性顺序为:X12＞X3＞X42＞X5＞X21＞X6＞X22，即树种 ＞果胶浓度＞填料＞填充厚度＞PVA/PAM配比＞填充位置。

2.2 植穴外土壤有机质含量影响的回归分析

植穴控制体结构因素对植穴外土壤有机质含量影响的回归预测方程:

该方程的线性相关系数R2=0.981，F值为32.491(F0.001(6，5)=28.834)，置信度为 99.92% 。

由式(6)可知，PHCB结构因素中，PVA∶PAM、填料填充位置对土壤有机质含量的影响呈正相关，树种、果胶浓度因素呈负相关，填料种类则呈现不同的影响，而填料的填充厚度影响不显著。采用t-检验法对式(6)的显著性检验结果见表5。

表4 PHCB结构因素对植穴内土壤有机质含量影响的回归方程显著性检验

表5 PHCB结构因素对植穴外土壤有机质含量影响的回归方程显著性检验

由表5可知，PHCB结构因素对穴外土壤有机质含量的影响显著，各因素影响的重要性排序为:X3＞X6＞X41＞X12＞X42＞X22，即果胶浓度＞填充位置＞填料＞树种＞PVA/PAM配比，填充厚度的影响不显著。

3 讨论

3.1 树种因素的影响

植物的落叶、枯枝、残留根系等腐烂分解物是土壤有机质的重要来源，随着土壤含盐量的降低，根系土壤微生物对有机质的腐解与转化作用加强，可促进土壤有机质和养分的增加，如种植柽柳(Tamarix chinensis Lour)2年后的土壤有机质可增加34.9%［19］。但本试验树种对植穴内、外土壤有机质含量的影响则不同。由表4、5可知，树种对植穴内、外土壤有机质含量的影响呈负相关，对前者的贡献排序为第1，对后者的贡献排序靠后。表明，树种对植穴内土壤有机质的影响重要性大于植穴外，由其变化引起穴内土壤有机质的减少量大于穴外，与火炬相比，试验期白蜡的影响差异性不显著，种植国槐可能使穴内、外土壤有机质含量分别降低1.268、0.756 g/kg。产生上述结果的可能原因是:试验期土柱土壤微生物生命活动所需养分和能量的重要资源——土壤有机质的来源有限，填料的腐殖化、矿质化过程缓慢，所释放的养分仅维持植物生长需求。另外移植的苗木在缓适过程中生物归还能力差，分解缓慢，使土壤有机质下降［20］。

3.2 填料因素的影响

由回归方程(5)、(6)可以看出，填料的加入引起植穴内、外土壤有机质含量的提高，但填料对植穴内、外有机质含量的影响差异性较大，表现在:①填料、填充厚度和填充位置对植穴内有机质含量的影响为显著正相关，其中填料的影响更关键，随填充厚度的增加，土壤有机质显著提高，若以牛粪、草炭的混合材料填充于整个植穴袋，当填充厚度为7 cm时，填料的施用对植穴内土壤有机质含量的贡献可达到1.996 g/kg。②填料因素对植穴外有机质含量同样有显著影响，其中填充位置在填料施用中具有更重要的作用，填充量的影响却不重要。分析原因为:植穴内外土壤性质不同，穴内土质为苗圃土，耕作性和通透性优于穴外盐渍土，因此，穴内土壤有机质含量受有机肥及其施用量的影响大，而穴外土壤有机质含量受施肥面积的影响大。将牛粪、草炭混合填料均匀填充在植穴袋底部和周边的方式，更有利于穴外盐渍土壤有机质的增加。

3.3 覆膜材料因素的影响

回归方程(5)、(6)显示，覆膜材料PVA/PAM配比、果胶浓度与植穴内、外土壤有机质含量呈显著的负相关性，其中果胶浓度的影响程度更大，随果胶浓度的增加植穴内、外土壤有机质含量显著降低，可能原因:果胶溶液的黏度与pH值、钙离子存在密切相关［21］，pH＞6时，果胶黏度降低，钙离子能够与果胶分子结合，影响果胶分子间相互作用，降低了果胶的保水性能。因此，对于盐渍土壤的改良，果胶作为胶黏剂的作用还需深入研究。因素PVA/PAM配比的影响则不同，PVA/PAM敷膜导致植穴内土壤有机质含量的降低和植穴外土壤有机质含量的增加。当PVA∶PAM以2∶8配比敷膜，即敷膜材料PAM成分增加对植穴外土壤有机质含量的提高有利。因为PAM类材料吸水后膨胀为水凝胶，可改良和稳定土壤结构［22］，提高土壤水分含量，降低土壤盐分，增加土壤的保肥增肥性［12］。

当然，保水剂类材料作为敷膜材料对土壤有机质的影响，与材料类型、用量或浓度及土壤质地等相关，刘世亮等［23］在沙薄土壤中施用聚丙烯酸类保水剂，发现土壤有机质含量降低;刘小三等［24］施用聚丙烯酸类和聚丙烯酰胺共聚体类保水剂处理丘陵红壤旱地，发现土壤有机质含量有少量增加。相关研究表明，保水剂材料施用得当，可促进作物根系发育，提高移栽成活率［25］，若用量过大，则具有抑制作用［23］。实际应用中，保水剂施用量的确定应综合考虑地区降雨条件、灌溉条件、植物类型等，使其保水增产效果得到充分发挥［26］。

4 结论

(1)PHCB结构因素对土壤有机质有显著影响，生物质填料的施用可有效提高盐渍土壤有机质含量。有利于植穴内土壤有机质含量提高的PHCB构建方法为:PVA/PAM比为8∶2配制敷膜溶液用来浸泡袋质材料，以浓度0.1%果胶涂敷后制备敷膜植穴袋，将牛粪、草炭混合填料均匀填充植穴袋至7 cm厚，带土球苗木选用火炬或白蜡。有利于植穴外土壤有机质含量增加的PHCB构建方法为:PVA/PAM比为2∶8配制敷膜溶液浸泡袋质材料，以浓度0.1%果胶涂敷后制备敷膜植穴袋，以牛粪、草炭混合填料均匀填充植穴袋，厚度在1～7 cm，带土球移植火炬或白蜡苗木。

(2)树种对植穴内土壤有机质含量的影响程度最大，但呈负相关，表明植物对土壤有机质含量的影响是一个长期而持续的过程，与有机质形成密切相关的腐殖质含量及苗木种植年限相关［27］。随树木的稳定、持续生长，对土壤有机质含量将产生正效应。

(3)PHCB的袋质敷膜材料中，果胶施用量与PVA/PAM配比对土壤有机质含量的影响效应不同，欲有效提高盐渍土壤有机质，还需深入研究敷膜材料类型、施用量的影响，进而建立提高盐渍土壤有机质含量的最佳PHCB结构，为该技术应用于盐渍土壤改良、提高造林存活率的实践活动提供科学依据和理论指导。

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