不同隔鹽措施對(duì)濱海鹽堿地土壤水鹽運(yùn)移及刺槐光合特性的影響

王琳琳, 李素艷,*, 孫向陽(yáng), 張 濤, 付 穎, 張紅蕾

1 北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 北京 100083 2 呼倫貝爾市林業(yè)科學(xué)研究所, 呼倫貝爾 021008

不同隔鹽措施對(duì)濱海鹽堿地土壤水鹽運(yùn)移及刺槐光合特性的影響

王琳琳1, 李素艷1,*, 孫向陽(yáng)1, 張 濤1, 付 穎1, 張紅蕾2

1 北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 北京 100083 2 呼倫貝爾市林業(yè)科學(xué)研究所, 呼倫貝爾 021008

土地鹽堿化是限制土地資源利用的一個(gè)主要障礙，在耕地面積逐漸減少的今天，改良利用鹽堿地早已提上了科學(xué)日程。在天津?yàn)I海鹽堿地區(qū)，通過(guò)田間完全隨機(jī)區(qū)組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)比分析了4種土壤鹽分隔離措施(對(duì)照-不設(shè)隔鹽處理，CK；沸石隔鹽處理，F(xiàn)S；陶粒隔鹽處理，TL；河沙隔鹽處理，HS)對(duì)0—80 cm土層水鹽運(yùn)移及刺槐(Robiniapseudoacacia)光合特性的影響，目的是通過(guò)評(píng)估不同隔鹽材料的控鹽改土效果，為濱海地區(qū)鹽漬土改良和沿海防護(hù)林營(yíng)造等林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)提供理論依據(jù)。研究結(jié)果表明：(1) FS和TL可以顯著提高土壤相對(duì)水分含量，為刺槐生長(zhǎng)創(chuàng)造更加適宜的水分環(huán)境。FS導(dǎo)致0—80 cm土體內(nèi)鹽分含量和土壤鹽溶質(zhì)濃度顯著降低，控鹽效果顯著。TL僅在40 cm以下土層有顯著降鹽效果，控鹽效果僅次于FS。與對(duì)照相比，HS對(duì)0—80 cm土體內(nèi)鹽分含量和土壤鹽溶質(zhì)濃度無(wú)顯著影響，降鹽效果最差。(2) FS處理能顯著提高刺槐的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)及葉片水分利用效率(LWUE)，降低胞間CO2濃度(Ci)。TL可顯著提高刺槐葉片的Pn、Tr，但改善效果不及FS，并且其對(duì)Gs、Ci和LWUE沒(méi)有顯著影響。與對(duì)照相比，HS雖然能顯著增加刺槐葉片Pn和Tr，但卻導(dǎo)致LWUE顯著降低。綜上所述，在濱海地區(qū)采用沸石作為隔鹽材料比采用傳統(tǒng)材料河沙更能有效保水降鹽，促進(jìn)植物光合及生長(zhǎng)，可以作為濱海鹽堿地區(qū)隔鹽材料的優(yōu)先選擇。

隔鹽層; 沸石; 陶粒; 河沙; 光合特性; 濱海鹽堿土; 刺槐

我國(guó)鹽漬土面積大且分布廣，其中約1.0×106hm2濱海鹽堿土分布在漫長(zhǎng)的濱海地帶[1]。濱海鹽堿地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱，由于氣候干旱、降雨集中、海水侵浸、河流改道泛濫等原因，土壤鹽堿化程度不斷擴(kuò)大，使農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

長(zhǎng)期以來(lái)，鹽堿土改良主要采用灌溉排水、添加覆蓋物、施加化學(xué)改良劑，以及客土轉(zhuǎn)移和耐鹽植物種植等措施[2- 3]。在鹽漬土利用過(guò)程中，土壤水分無(wú)效蒸發(fā)，潛水上升是造成地表返鹽的主要原因[4]。因此，只要能有效阻斷潛水上升路徑，促進(jìn)下行重力水對(duì)土壤的淋洗，就能減輕鹽分表聚現(xiàn)象，降低水分和鹽分對(duì)植物的脅迫?；诖耍ㄟ^(guò)工程措施建立鹽分隔離層作為一種改良鹽堿地的有效方法，被廣泛采用。國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明[5- 7]，在土表下35 cm或80—100 cm處鋪設(shè)沙子隔鹽層，或在土表下20 cm處或30 cm處鋪設(shè)秸稈層，都可以顯著降低土壤電導(dǎo)率，促進(jìn)植物生長(zhǎng)和代謝?？傮w看來(lái)，有關(guān)土表下鋪設(shè)隔層的研究大多采用室內(nèi)一維土柱模擬，試驗(yàn)條件也限定為單一的降雨或蒸發(fā)[8- 9]。而在野外，土壤要受到蒸發(fā)、降水、地形起伏、地下水埋深等多種自然因素的影響，其水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律相較于室內(nèi)試驗(yàn)要復(fù)雜的多。當(dāng)前通過(guò)鋪設(shè)隔鹽層進(jìn)行鹽堿地改良的研究中，多選擇河沙作為隔鹽材料[10]，且多數(shù)只在樹(shù)穴底部鋪設(shè)隔鹽層，較少考慮側(cè)壁隔鹽層對(duì)鹽分的阻礙作用。沸石是一種具有很強(qiáng)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(zhì)的作用；另外，沸石來(lái)源廣泛，成本低廉，且無(wú)毒無(wú)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(zhì)多孔的硅酸鹽產(chǎn)品，具有較強(qiáng)的吸附能力和穩(wěn)定的物理特性，常用于土壤的修復(fù)和改良[12]。雖然這些材料特點(diǎn)突出，但將其作為隔鹽材料進(jìn)行鹽堿改良的研究罕有報(bào)道，其對(duì)鹽分抑制能力的強(qiáng)弱仍不明確，因此本文將對(duì)這3種材料的隔鹽效果進(jìn)行評(píng)估。

刺槐(Robiniapseudoacacia)作為造林樹(shù)種1897年引入我國(guó)山東青島，現(xiàn)在我國(guó)華北、西北等全國(guó)的27個(gè)省、市區(qū)有栽培，以黃河中下游、淮河流域?yàn)橹饕耘鄥^(qū)，特別是在黃河三角洲地區(qū)，占造林總面積的90%以上[13]。刺槐具有較強(qiáng)的耐鹽抗旱能力，能在中性土、酸性土和含鹽量0.3%以下的輕、中度鹽漬土上正常生長(zhǎng)[14]，因此是用于鹽堿地植物改良和干旱地區(qū)的防護(hù)林建設(shè)的重要樹(shù)種[15]。營(yíng)建人工刺槐林可以為天津?yàn)I海地區(qū)鹽堿地改良和發(fā)揮生態(tài)屏障作用提供幫助。對(duì)刺槐光合特性的研究，是分析環(huán)境因素影響其生長(zhǎng)和代謝的重要手段。但目前對(duì)于刺槐生長(zhǎng)特性的研究多集中于干旱地區(qū)的水分脅迫、盆栽試驗(yàn)及單一鹽脅迫試驗(yàn)等[16- 17]，而對(duì)工程改良后鹽堿地自然狀態(tài)下刺槐生長(zhǎng)特性的對(duì)比研究較少。由于天津?yàn)I海鹽堿地具有典型的生態(tài)地域代表性[18]，因此本文以該地區(qū)鹽堿土為研究對(duì)象，采用沸石、陶粒和河沙作為隔鹽材料，在樹(shù)穴底部和側(cè)壁鋪設(shè)隔鹽層并種植刺槐，研究大田中不同隔鹽措施對(duì)濱海地區(qū)重度鹽漬土0—80 cm土層水鹽運(yùn)移及刺槐光合特性的影響，從而評(píng)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(hù)林營(yíng)造等林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)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(jīng)117°13′，海拔高度約1.3 m)，該區(qū)屬于北半球暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，由于瀕臨渤海，受季風(fēng)環(huán)流影響大，冬夏季風(fēng)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(shí)間長(zhǎng)，年平均日照時(shí)數(shù)為2618 h，累計(jì)年太陽(yáng)總輻射量121.1×4.184kJ/cm2，生理輻射總量61.544×4.184kJ/cm2，無(wú)霜期約211d。年平均降水量593.6 mm，雨水集中在6—9月份，占全年降水總量的84%。年平均蒸發(fā)量1979 mm，是降水量的3倍多。

表1 試驗(yàn)地土壤物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of the experimental field

1.2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理：(1)對(duì)照-不設(shè)置隔鹽處理(CK)，(2)沸石隔鹽處理(FS)，(3)陶粒隔鹽處理(TL)和(4)河沙隔鹽處理(HS)。將鹽堿水平一致的同一塊試驗(yàn)地劃分為4個(gè)區(qū)組(57 m×12 m)，每個(gè)區(qū)組劃分為4個(gè)小區(qū)(12 m ×12 m)，兩個(gè)相鄰區(qū)組和小區(qū)間的距離分別為6 m和3 m。按照完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將所有處理完全隨機(jī)的分配到各個(gè)區(qū)組中去，每個(gè)小區(qū)為1個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)4次。2010年4月，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)栽植9株2年生刺槐帶根苗，株行距3 m×3 m，植穴規(guī)格1 m×1 m×1 m。刺槐栽植時(shí)先將樹(shù)穴中0—100 cm的土壤按5個(gè)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(shù)穴底部和側(cè)壁鋪設(shè)沸石、陶粒和河沙作為隔鹽層，底部和側(cè)壁隔鹽層厚度分別為20 cm和10 cm，同時(shí)在隔鹽層和原土之間鋪設(shè)厚度為5 cm的草簾，防止土壤顆粒進(jìn)入隔鹽層影響試驗(yàn)效果，最后將土壤按原層次回填并植樹(shù)。對(duì)照處理中不鋪設(shè)隔鹽層，但以同樣的方式鋪設(shè)草簾，以排除草簾對(duì)鹽分運(yùn)移的影響。試驗(yàn)布置完畢，立即對(duì)每個(gè)樹(shù)穴進(jìn)行灌溉，并于2010年4月到2010年6月每?jī)芍芄喔?次，灌溉定額均為5 L水。不同隔鹽措施下所栽植刺槐苗木均為2年生帶根苗，栽植方法為截干栽植，地徑和留干高度分別在3.2—4.1 cm和2.66—2.93 m之間。栽培管理措施一致。試驗(yàn)沸石和陶粒均從當(dāng)?shù)氐V產(chǎn)品加工廠購(gòu)置，粒徑分別集中在2—3 mm和10—25 mm；河沙購(gòu)自當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)，統(tǒng)一過(guò)篩，粒徑集中于1—2 mm。

1.3 土壤取樣與指標(biāo)測(cè)定

土壤樣品采集時(shí)間為2013年8月20日，為試驗(yàn)區(qū)降雨后的第3天，降雨量為24.6 mm。在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇3株刺槐，測(cè)定其樹(shù)高和地徑，同時(shí)用內(nèi)徑為5 cm的不銹鋼土鉆在每個(gè)樹(shù)穴內(nèi)分5個(gè)土層(0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm)進(jìn)行土樣采集，每層取樣1次并進(jìn)行環(huán)刀樣品采集，然后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。土壤容重、總孔隙度、田間持水量采用環(huán)刀法測(cè)定。土壤含水量采用烘干法測(cè)定，并將其轉(zhuǎn)化為土壤相對(duì)含水量[19]。土壤烘干后磨碎，過(guò)1 mm孔徑篩，以1∶5的土水比提取土壤溶液上清液，用電導(dǎo)率儀MP- 521測(cè)定土壤電導(dǎo)率，根據(jù)Pang等[20]計(jì)算土壤鹽分含量：

土壤鹽分含量(g/kg)= 電導(dǎo)率×0.064×5×10 /1000

計(jì)算相應(yīng)的土壤鹽溶質(zhì)濃度：

土壤鹽溶質(zhì)濃度(g/L)= 鹽分含量/水分含量×10

1.4 葉片光合特性測(cè)定

2013年8月24—26日，在這晴朗無(wú)云的3 d中，對(duì)刺槐葉片光合特性進(jìn)行測(cè)定。利用LI- 6400便攜式光合作用分析儀(Li-cor, USA)測(cè)定刺槐葉片的凈光合速率(Pn, μmol m-2s-1)、蒸騰速率(Tr, mmol m-2s-1)、氣孔導(dǎo)度(Gs, mol m-2s-1)和胞間CO2濃度(Ci, μmol/mol)。同時(shí)記錄光合有效輻射(PAR, μmol m-2s-1)、空氣相對(duì)濕度(RH,%)、氣溫(Ta, ℃)、環(huán)境CO2濃度(Ca, μmolCO2/mol)等環(huán)境參數(shù)。每處理選擇3株樹(shù)木，每株選取樹(shù)冠中部3片生長(zhǎng)健壯的成熟葉片進(jìn)行活體測(cè)定，觀測(cè)時(shí)間為每天的6:00—18:00，每2 h測(cè)定一次。在光合速率趨于穩(wěn)定時(shí)，每個(gè)葉片連續(xù)記錄3次，取平均值。所得指標(biāo)數(shù)值均為3 d的平均值。葉片瞬時(shí)水分利用效率(LWUE, μmol/mmol)的計(jì)算公式為：

LWUE =Pn/Tr。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用單因素方差分析方法(one-way ANOVA)比較不同隔鹽措施處理之間土壤水鹽和葉片光合特征之間的差異；多重比較采用最小顯著極差法(LSD)檢驗(yàn)在方差分析中有差異的變量間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同隔鹽措施對(duì)土壤相對(duì)含水量、鹽分及鹽溶質(zhì)濃度的影響

2.1.1 土壤相對(duì)水分含量變化

不同隔鹽措施處理下，0—80 cm土體內(nèi)土壤相對(duì)水分含量均較對(duì)照(CK)顯著增加(表 2)。在不同土層中，HS處理的土壤相對(duì)含水量均顯著高于其他處理，CK的土壤相對(duì)含水量均顯著低于其他處理； FS和TL處理土壤相對(duì)含水量除了在0—10 cm土層內(nèi)差異顯著外，其他土層內(nèi)兩者均無(wú)顯著差異(P>0.05)。將各處理0—80 cm土壤相對(duì)水分含量進(jìn)行平均，其大小順序?yàn)镠S>FS>TL>CK。其中，HS、FS和TL的土壤相對(duì)含水量與CK之間差異顯著(P<0.05)，F(xiàn)S和TL的土壤相對(duì)含水量無(wú)顯著差異。

2.1.2 土壤鹽分含量變化

與對(duì)照相比，3種隔鹽措施均可降低土壤各層鹽分含量(表 3)。其中，F(xiàn)S能顯著降低0—80 cm內(nèi)各土層鹽分含量(P<0.05)，平均比CK低45.42%—71.42%。TL處理也能降低整個(gè)土體的鹽分含量，但只在40 cm以下土層效果顯著，控鹽效果僅次于FS。HS導(dǎo)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(wú)顯著差異(P>0.05)，控鹽效果最差。

表2 不同隔鹽措施下土壤相對(duì)含水量Table 2 Effects of different salt-isolation materials on the relative water content of soil

CK: 對(duì)照；FS: 沸石隔鹽處理；TL: 陶粒隔鹽處理；HS: 河沙隔鹽處理; 同行具有不同字母表示處理間差異顯著 (P< 0.05)

表3 不同隔鹽措施下土壤鹽分含量Table 3 Effects of different salt-isolation materials on the salt content of soil

同行具有不同字母表示處理間差異顯著 (P< 0.05)

2.1.3 土壤鹽溶質(zhì)濃度變化

土壤鹽溶質(zhì)濃度與土壤鹽分變化規(guī)律相似，采用隔鹽措施的土壤鹽溶液濃度均低于對(duì)照(表 4)。在0—40 cm土層內(nèi)，TL、HS和CK三者的鹽溶質(zhì)濃度均逐漸降低，且無(wú)顯著性差異。40—80 cm土層內(nèi)，TL的鹽溶質(zhì)濃度顯著低于CK(P<0.05)，平均值比CK低40.77%；而HS在各土層深度內(nèi)均與CK無(wú)明顯差異(P>0.05)。FS對(duì)各土層內(nèi)鹽溶質(zhì)濃度的降低效果最為顯著(P<0.05)，平均比CK低56.14%—75.10%，同時(shí)也低于其他兩種處理。

表4 不同隔鹽措施下土壤鹽溶質(zhì)濃度Table 4 Effects of different salt-isolation materials on soil salt solute concentration

同行具有不同字母表示處理間差異顯著 (P< 0.05)

2.2 隔鹽措施實(shí)驗(yàn)區(qū)田間微氣象因子變化

從圖1可知，光合測(cè)定期間，不同隔鹽措施下鹽堿地種植刺槐的光合有效輻射PAR于12:00達(dá)到最大值，其值為1447 μ mol m-2s-1，隨后逐漸降低，于18:00達(dá)到最低值；田間空氣相對(duì)濕度在8:00達(dá)到最大值，其值為70.0%，隨后開(kāi)始呈下降趨勢(shì)，于10:00降至最低，其后開(kāi)始有所上升，日均值為52.5%；空氣溫度于14:00達(dá)到最高，其值為32.6 ℃；環(huán)境CO2濃度的變化總體上呈先下降后上升趨勢(shì)，其日均值為419.60 μ mol/mol(圖1)。

圖1 隔鹽措施處理試驗(yàn)地環(huán)境因子日變化Fig.1 Diurnal variation of environment factors in the experimental site

2.3 不同隔鹽措施對(duì)刺槐葉片氣體交換特征的影響

2.3.1 凈光合速率日變化

由于不同隔鹽層材料對(duì)其上部土層水鹽運(yùn)移調(diào)控程度不同，刺槐凈光合速率(Pn)也隨之發(fā)生變化(圖2)。FS、TL和HS 3種隔鹽處理刺槐葉片的Pn日變化趨勢(shì)與PAR(圖1)的變化趨勢(shì)相同，均呈單峰形，峰值均出現(xiàn)在中午12:00，其值分別為15.65、14.45和13.25 μmol m-2s-1。CK處理Pn曲線(xiàn)呈雙峰形，第1個(gè)峰值出現(xiàn)在8:00，第2個(gè)峰值出現(xiàn)在12:00。不同處理刺槐葉片日均凈光合速率由大到小依次為：FS>TL>HS>CK；FS、TL和HS比CK的凈光合速率分別提高了74.33%、34.56%和13.03%。方差分析表明，F(xiàn)S、TL和HS的Pn值均與CK之間存在顯著差異(P<0.05)，且3種隔鹽處理之間差異也顯著(表5)。

2.3.2 蒸騰速率日變化

圖2表明，F(xiàn)S、TL、HS和CK處理下刺槐葉片蒸騰速率均呈單峰形變化，最大值分別出現(xiàn)在8:00、12:00、14:00和12:00，其值分別為6.16、3.97、3.64和3.73 mmol m-2s-1。除6:00和18:00外，F(xiàn)S處理的Tr值均高于其他處理。各處理日均蒸騰速率由大到小依次為：FS>TL>HS>CK。方差分析表明，F(xiàn)S、TL和HS與CK之間Tr值差異顯著(P<0.05)，而TL與HS之間無(wú)顯著差異(P>0.05)。

2.3.3 氣孔導(dǎo)度日變化

4種處理的刺槐葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)日變化曲線(xiàn)呈單峰形，在8:00時(shí)達(dá)到最大，8:00—10:00均呈下降趨勢(shì)，10:00以后各處理氣孔導(dǎo)度趨于平穩(wěn)(圖3)。Gs日平均值大小順序?yàn)椋篎S>TL>HS>CK。FS與CK之間葉片Gs日均值差異顯著(P<0.05)；TL和HS與CK之間葉片Gs日均值差異不顯著(P>0.05)。

圖2 不同隔鹽措施(對(duì)照；沸石；陶粒；河沙)刺槐葉片凈光合速率與蒸騰速率日變化Fig.2 Effects of different salt-isolation treatments (control; zeolite;ceramsite; river sand) on leaf photosynthetic rate and transpiration rate of Robinia pseudoacacia

表5 不同隔鹽措施下刺槐葉片氣體交換特征參數(shù)日均值Table 5 Effects of different salt-isolation materials on photosynthetic parameters of Robinia pseudoacacia

同列具有不同字母表示處理間差異顯著 (P< 0.05)

2.3.4 胞間CO2濃度日變化

4個(gè)處理的刺槐葉片Ci日變化趨勢(shì)與Pn相反，但與環(huán)境CO2濃度的變化趨勢(shì)相同(圖3)。4種處理的Ci日變化趨勢(shì)基本一致，整體呈現(xiàn)“U”字型，在6:00最高，隨著CO2的固定，Ci呈下降趨勢(shì)。12:00—18:00，4種處理Ci值均呈上升趨勢(shì)。Ci日平均值大小順序?yàn)椋篊K>HS>TL>FS。方差分析顯示，F(xiàn)S與CK間Ci日均值差異顯著(P<0.05)，其他處理與CK間無(wú)顯著差異(P>0.05)。

圖3 不同隔鹽措施下刺槐葉片氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度的日變化Fig.3 Effects of different salt-isolation treatments on leaf stomata conductance and intercellular CO2 concentration of Robinia pseudoacacia

2.3.5 葉片水分利用效率日變化

圖4 不同隔鹽措施下刺槐葉片水分利用效率日變化Fig.4 Effects of different salt-isolation treatments on water use efficiency of Robinia pseudoacacia

4種處理刺槐葉片水分利用效率日變化總體上呈現(xiàn)先上升后下降再上升的趨勢(shì)，均在18:00時(shí)達(dá)到全天最高值(圖4)。CK、FS、TL和HS處理LWUE日均值分別為(3.35±0.18)、(4.69±0.21)、(3.53±0.00)和(2.87±0.07)μmol/mmol。與CK相比，F(xiàn)S和TL處理的LWUE分別提高了40.3%和5.6%，而HS處理則下降14.2%。方差分析表明，F(xiàn)S處理的LWUE顯著高于其他處理，而HS處理的LWUE則較其他處理顯著降低(P<0.05)。

2.4 不同隔鹽措施對(duì)刺槐樹(shù)高和地徑的影響

隔鹽處理40個(gè)月后，3個(gè)處理中，刺槐樹(shù)高、地徑增長(zhǎng)量均大于對(duì)照植株(圖5)。其中，F(xiàn)S和TL處理樹(shù)高增長(zhǎng)量與地徑增長(zhǎng)量均與CK差異顯著(P<0.05)。HS處理的樹(shù)高增長(zhǎng)量和地徑增長(zhǎng)量均與CK無(wú)顯著差異(P>0.05)。

3 討論

隔鹽層對(duì)土壤水鹽運(yùn)移有顯著影響。根據(jù)王文焰和張建豐[21]的研究，水在層狀結(jié)構(gòu)的土體中入滲時(shí)，無(wú)論夾層土壤質(zhì)地較表層土壤粗或細(xì)，土壤夾層均會(huì)對(duì)下滲水流起阻擋作用。根據(jù)土壤水動(dòng)力學(xué)的原理，土壤水吸力能夠反映非飽和土壤中土壤水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。土壤孔隙度越大，土壤水吸力越小。當(dāng)水分下滲到土壤和隔鹽層交界面時(shí)，由于沸石、陶粒和河沙作為隔鹽層材料的孔隙度均大于壤土的孔隙度，使隔鹽層的水吸力小于上層土壤水吸力，水分滲入隔鹽層的過(guò)程發(fā)生延遲，使更多的水分保持在隔層的上方土壤中。設(shè)置隔鹽層處理的相對(duì)含水量較對(duì)照高(表2)，原因是土壤樣品采集時(shí)間為試驗(yàn)區(qū)降雨過(guò)后的第3天。而對(duì)照(CK)是沒(méi)有設(shè)置隔鹽層的均質(zhì)土壤，水分下滲較快。因此隔鹽層的設(shè)置使隔層上方土壤相對(duì)含水量較同層次對(duì)照高。

圖5 不同隔鹽措施對(duì)刺槐樹(shù)高和地徑增長(zhǎng)量的影響Fig.5 Effects of salt-isolation treatment on tree height and basal diameter increment

在蒸發(fā)強(qiáng)烈的季節(jié)，深層土壤水分通過(guò)土壤毛管孔隙向地表運(yùn)移，使得鹽分表聚現(xiàn)象強(qiáng)烈。當(dāng)在樹(shù)穴底部設(shè)置隔鹽層后，破壞了土壤毛細(xì)管的連續(xù)性；又由于隔鹽材料的孔隙度和土壤毛管孔隙度不同，阻斷了上下土層間的水力聯(lián)系，使得土壤水分運(yùn)行到隔鹽層下界面時(shí)發(fā)生停滯，從而導(dǎo)致溶于水的鹽分離子在隔鹽層下界面累積，一定程度上能夠減緩隔鹽層上部土體的鹽分積聚[22]。而設(shè)置在樹(shù)穴側(cè)壁的隔鹽層，又能同時(shí)抑制鹽分在土體內(nèi)隨水分的水平運(yùn)移。加之隔鹽層延緩了降雨下滲過(guò)程，使水分在下滲過(guò)程中能夠溶解更多鹽分，從而增強(qiáng)了有限降雨的淋洗效果，進(jìn)一步減少植物生長(zhǎng)環(huán)境中的鹽分含量。本試驗(yàn)中所選用的沸石、陶粒和傳統(tǒng)隔鹽材料河沙，粒徑均大于土壤顆粒，將其用做隔鹽層時(shí)，可使鹽堿土土體毛管孔隙度突然由小變大再減小，能有效減弱毛管力作用，抑制下層水分的上升，減少鹽分向上移動(dòng)，同時(shí)隔鹽層又能有效增強(qiáng)降雨對(duì)鹽分的淋洗作用。也就是說(shuō)，不管土壤水分是源自潛水上升還是降雨入滲滯留，在長(zhǎng)時(shí)間作用下，F(xiàn)S、TL和HS均可降低土壤鹽分含量和鹽溶質(zhì)濃度(表3和表4)，從而改善植物生長(zhǎng)環(huán)境。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)FS處理的隔鹽保水效果最佳，這與翟鵬輝等[23]的研究結(jié)果一致。這是由于在樹(shù)穴底部和側(cè)壁以沸石作為隔鹽材料，除了能夠有效抑制隔鹽層以上土壤積鹽和促進(jìn)洗鹽外，沸石本身獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)也起到了極大的作用，沸石內(nèi)部晶格架構(gòu)中具有大量的孔穴和通道，可吸附直徑小于孔道的離子或分子，濱海鹽土中富含的Na+、Cl-和Ca2+等都可以通過(guò)此孔道進(jìn)入沸石內(nèi)部被沸石吸附。另外，沸石可以將其內(nèi)部的水分子自由的排出或重新釋放，有利于蓄水保墑[24]。因此，采用沸石作為隔鹽材料能夠顯著降低隔鹽層上部土層的鹽分含量和鹽溶質(zhì)濃度，并能調(diào)節(jié)根區(qū)土壤的水分含量。而陶粒的粒徑較大，其對(duì)潛水上升的阻斷能力和對(duì)下行重力水的滲透能力大于河沙，因而對(duì)土壤鹽分及鹽溶質(zhì)濃度的降低作用也較為顯著。

光合作用是植物體內(nèi)極為重要的代謝過(guò)程，是作物生產(chǎn)力高低的決定因素和對(duì)環(huán)境脅迫程度的反應(yīng)指標(biāo)[25]。由于一天中環(huán)境因子的周期性變化，引起了光合作用過(guò)程中一系列相關(guān)因子的變化，而光合日變化的峰值正是外界各種環(huán)境因子與植物內(nèi)部生理調(diào)節(jié)達(dá)到最優(yōu)的結(jié)果[26]。Pn的日變化可作為分析植物生長(zhǎng)限制因素的依據(jù)之一，土壤水分過(guò)低、過(guò)高或鹽分過(guò)高都會(huì)降低植物的Pn[27]。刺槐具有較高光合作用和水分利用效率的土壤相對(duì)含水量范圍為48%—64%[28]，也就是說(shuō)當(dāng)土壤相對(duì)含水量小于48%時(shí)，就會(huì)對(duì)刺槐生長(zhǎng)產(chǎn)生水分脅迫。刺槐屬于高耗水性樹(shù)種，其適宜含水量為70%左右，而土壤相對(duì)含水量達(dá)到75%—80%時(shí)又會(huì)抑制刺槐的光合作用[15]。

本文各處理的樹(shù)種、土壤類(lèi)型及所處微氣象環(huán)境均相同，結(jié)合上述土壤相對(duì)含水量、鹽分及鹽溶質(zhì)濃度的差異性變化，可以認(rèn)為隔鹽層材料的差異是引起Pn日變化差異的主要原因。這是由于FS處理和TL處理的土壤相對(duì)含水量均在刺槐生長(zhǎng)的適宜含水量范圍內(nèi)，對(duì)Pn不存在水分抑制作用；且這兩種隔鹽材料處理下土壤鹽分和鹽溶質(zhì)濃度均較低，因此刺槐葉片Pn值均較高。HS處理土壤相對(duì)含水量大于75%，導(dǎo)致刺槐根系呼吸作用減弱、根系活力降低，使其吸收水分和養(yǎng)分的能力下降，產(chǎn)生一定程度的土壤漬水脅迫，其同時(shí)也受到鹽分脅迫，最終導(dǎo)致其Pn值低于FS處理和TL處理。CK處理下刺槐葉片受到水分虧缺和鹽分的雙重脅迫，Pn值最低。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，3種隔鹽措施(FS、TL和HS)下Pn日變化均呈典型的單峰曲線(xiàn)(圖2)，無(wú)光合午休現(xiàn)象，而對(duì)照(CK)Pn曲線(xiàn)為雙峰形。這表明隔鹽措施為刺槐根系創(chuàng)造了更加適宜的水鹽環(huán)境，使刺槐葉片內(nèi)部生理對(duì)環(huán)境的適應(yīng)調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)。而CK則因土壤相對(duì)水分含量較低，鹽分含量較高而使得刺槐生理調(diào)節(jié)適應(yīng)能力受到限制，產(chǎn)生水分和鹽分的雙重脅迫，導(dǎo)致出現(xiàn)光合午休現(xiàn)象。

蒸騰速率(Tr)的大小可以調(diào)節(jié)植物的水分代謝，在一定程度上反映了植物調(diào)節(jié)水分損失的能力[29- 30]，水分通過(guò)氣孔蒸騰是蒸騰作用的主要形式。解婷婷和蘇培璽[31]研究發(fā)現(xiàn)，Pn與Gs的相關(guān)系數(shù)小于Tr與Gs的相關(guān)系數(shù)，這說(shuō)明Tr對(duì)氣孔的依賴(lài)性更強(qiáng)。土壤水分在影響Gs、調(diào)節(jié)Tr方面尤為重要，土壤水分虧缺會(huì)造成氣孔關(guān)閉，而使Tr大幅度下降，植物通過(guò)調(diào)節(jié)氣孔開(kāi)度等方式調(diào)節(jié)Pn和Tr，以適應(yīng)土壤供水狀況的變化。本研究表明，F(xiàn)S和TL處理顯著增加了0—80 cm土層的相對(duì)水分含量，使其達(dá)到適合刺槐生長(zhǎng)的相對(duì)含水量范圍，同時(shí)顯著降低了根層土壤的鹽分和鹽溶質(zhì)濃度，使土壤溶液的水勢(shì)升高，根系吸水更加容易，所以?xún)烧逩s的日均值高于HS和CK。其中FS處理的Gs日變化曲線(xiàn)呈單峰形，說(shuō)明沸石隔鹽處理更易為刺槐的生長(zhǎng)提供適宜的水鹽環(huán)境，使Gs更依賴(lài)于氣象條件的變化[32]。由于FS和TL處理的刺槐葉片有較高的Gs，同時(shí)其根系從土壤中吸收水分的速度能維持正常的蒸騰，因此一直保持較旺盛的Tr，Tr日均值也較高；HS和CK處理因土壤水分含量過(guò)高和過(guò)低且鹽分含量較高而造成的氣孔導(dǎo)度低于FS和TL處理，是導(dǎo)致其刺槐Tr日均值較低的原因。

胞間CO2是光合作用的主要原料之一，胞間CO2濃度(Ci)的變化決定了Pn和Gs之間的因果關(guān)系[33]。逆境脅迫下，植物光合速率降低的自身因素歸為兩類(lèi)：氣孔部分關(guān)閉導(dǎo)致的氣孔限制和葉肉細(xì)胞光合活性下降導(dǎo)致的非氣孔限制。前者表現(xiàn)為Ci下降，后者表現(xiàn)為Ci升高；當(dāng)兩者同時(shí)存在時(shí)，必須根據(jù)Ci的變化方向來(lái)判斷Pn下降的主因。Farquhar和Sharkey[34]認(rèn)為，在Gs下降時(shí)，Ci同時(shí)下降才表明Pn下降的主要原因?yàn)闅饪紫拗?。即，只有葉肉細(xì)胞間的CO2濃度降低可以證明光合速率的降低是氣孔導(dǎo)度降低的結(jié)果。相反，葉肉細(xì)胞間的CO2濃度增高說(shuō)明光合速率的降低是氣孔導(dǎo)度降低的原因。因此，推測(cè)在8:00—10:00時(shí)間段內(nèi)，導(dǎo)致CK處理Pn值下降的因素為氣孔因素。12:00—18:00之間，各處理的Pn值均呈下降趨勢(shì)，Ci均呈上升趨勢(shì)，這說(shuō)明此時(shí)段內(nèi)各處理Pn值的下降可能是非氣孔因素或氣孔不均勻關(guān)閉導(dǎo)致的[35]。

葉片水分利用效率(LWUE)是葉片氣體交換過(guò)程中CO2和水汽的交換比率，其大小可以反映植物對(duì)逆境適應(yīng)能力的強(qiáng)弱。土壤水分條件和葉片氣孔導(dǎo)度是影響LWUE的重要外部因素和內(nèi)部因素[36]。本研究中的FS和TL處理均具有較高的Gs和更加適宜刺槐生長(zhǎng)的土壤水分環(huán)境，從而導(dǎo)致其兩者LWUE維持在較高的水平。而HS處理的土壤相對(duì)含水量在75%以上，超出了刺槐生長(zhǎng)的適宜相對(duì)含水量范圍，導(dǎo)致其LWUE最低。4種處理刺槐葉片LWUE均在18:00時(shí)達(dá)到全天最高值，這與黃占斌和山侖[37]的研究結(jié)果相反，這是由于16:00—18:00時(shí)，隨著氣孔導(dǎo)度的下降，光合速率和蒸騰速率均下降，但蒸騰速率下降得比光合速率快，從而使水分利用效率升高。Cowan[38]認(rèn)為，當(dāng)氣孔導(dǎo)度使植物在得到CO2和失去水分的調(diào)節(jié)中達(dá)到最優(yōu)時(shí)，其水分利用效率達(dá)到最高。FS和TL處理的LWUE高于HS和CK處理，說(shuō)明FS和TL處理后，濱海鹽土的水鹽環(huán)境更適合刺槐生長(zhǎng)。

由于刺槐適宜在中性土、酸性土和含鹽量0.3%以下的輕、中度鹽漬土上正常生長(zhǎng)[13]，而研究區(qū)的土壤類(lèi)型為濱海鹽土，表層土壤含鹽量達(dá)到0.874%，因此在含鹽量大于刺槐適宜生長(zhǎng)閾值的條件下，能夠輕易的通過(guò)刺槐的長(zhǎng)勢(shì)評(píng)估出不同隔鹽材料的降鹽效果。刺槐樹(shù)高和地徑增長(zhǎng)量的觀測(cè)研究也說(shuō)明，F(xiàn)S和TL處理對(duì)刺槐生長(zhǎng)的改善效果明顯優(yōu)于HS處理，從而進(jìn)一步證實(shí)了FS和TL處理對(duì)刺槐生長(zhǎng)的促進(jìn)作用。

4 結(jié)論

在樹(shù)木種植穴底部和側(cè)壁鋪設(shè)沸石或陶粒隔鹽層可以顯著增加樹(shù)穴內(nèi)部土壤相對(duì)水分含量，為刺槐生長(zhǎng)創(chuàng)造更加適宜的水分環(huán)境。沸石隔鹽處理能降低0—80 cm土體內(nèi)鹽分含量和土壤鹽溶質(zhì)濃度，控鹽效果明顯優(yōu)于其他處理。陶粒隔鹽處理只能在40 cm以下土層有顯著的降鹽效果，且控鹽效果比沸石差。河沙處理降鹽效果最差。

不同隔鹽措施對(duì)土壤水分和鹽分有不同程度的調(diào)控作用，并通過(guò)改變土壤水鹽動(dòng)態(tài)而影響刺槐光合特性。沸石作為隔鹽材料可顯著提高刺槐葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度及葉片水分利用效率，降低胞間CO2濃度。陶粒處理也可以顯著增加刺槐葉片凈光合速率、蒸騰速率，但效果均不及沸石顯著，且對(duì)氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和水分利用效率沒(méi)有顯著影響。河沙處理雖然能顯著增加刺槐葉片凈光合速率和蒸騰速率，但卻導(dǎo)致葉片水分利用效率顯著降低。

綜合來(lái)看，采用沸石、陶粒和河沙作為隔鹽層材料均有助于土壤保墑控鹽、改善刺槐光合特性以及促進(jìn)刺槐生長(zhǎng)，其中以沸石作為隔鹽材料效果最佳。本文研究結(jié)果將直接為濱海地區(qū)的鹽堿地刺槐造林提供技術(shù)和理論支持。

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Application of salt-isolation materials to a coastal region: effects on soil water and salt movement and photosynthetic characteristics ofRobiniapseudoacacia

WANG Linlin1, LI Suyan1,*, SUN Xiangyang1, ZHANG Tao1, FU Ying1, ZHANG Honglei2

1CollegeofForestry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2ForestryResearchInstituteofHulunBuir,HulunBuir021008,China

Soil salinization is a major obstacle to the optimal utilization of land resources. Salt-affected soils are widely distributed throughout the world. The present extent of salt-affected soils substantially restricts plant growth in these areas. It has been demonstrated that leaching with water, chemical amendment, surface mulching with straw and phytoremediation are the most often used approaches to ameliorate saline soils. Engineering measures are also an effective solution to control salt movement in the saline soil. Establishing salt-isolation interlayers beneath the surface of saline soil is one of the most widely used engineering measures. Even though there are many studies dealing with salt-isolation interlayers establishment, very little is known about their effects on saline soil. Here, we used three salt-isolation materials to restrict the water and salt movements in saline soil: zeolite, ceramsite and river sand. The aim of this study was to assess the effects of salt-isolation interlayers application on soil water and salt movements in saline soil and on the photosynthetic characteristics ofRobiniapseudoacaciain the coastal regions of Tianjin city. We also anticipate that the outcome of the study could form part of the basis for selection of salt-isolation materials in improving coastal saline soil with consideration of their costs. The research was conducted from April 2010 to August 2013 at the Coastal Salt-tolerant Plant Science and Technology Park, Dagang, Tianjin, China. An experiment was conducted with four treatments：(1) No addition of slat-isolation interlayer (CK); (2) Addition of zeolite (FS) at the bottom and side walls of the planting sites; (3) Addition of ceramsite (TL) at the bottom and side walls of the planting sites; (4) Addition of river sand (HS) at the bottom and side walls of the planting sites. All treatments were arranged in a randomized complete block design with four blocks. Each block was again divided into four plots. The four treatments were randomly assigned to each plot within the individual blocks with a separate randomization for each block. The salt-isolation materials were added to nine planting sites in each plot. The nine sites were evenly distributed based on a planting spacing of 3 m× 3 m. Each planting site was 1 m× 1 m× 1 m. The results indicated: (1) Salt-isolation interlayers could significantly increase soil water content of tree planting site. FS treatment performed best and had the lowest salt content and salt solute concentration, followed by TL. Relative to the CK, HS had no significant effects on salt content and salt solute concentration. (2) FS treatment significantly increased the leaf photosynthetic rate (Pn), transpiration rate (Tr), stomata conductance (Gs) and leaf water use efficiency (LWUE), and reduced intercellular CO2concentration (Ci). TL treatment can also significantly enhancePn、Tr, but it had no significant effects onGs、Ciand LWUE. HS treatment had significantly increasedPnandTr, and reduced LWUE. We concluded that the zeolite was an optimal salt-isolation material in controlling salt movement in saline soil and improving tree growth in the coastal regions.

salt-isolation interlayer; zeolite; ceramsite; river sand; photosynthetic characteristics; coastal saline-alkaline land;Robiniapseudoacacia

北京市自然科學(xué)基金(2122044); 國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃課題(2009BADB2B0504)

2013- 03- 09;

日期:2014- 07- 14

10.5846/stxb201403090402

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lisuyan@bjfu.edu.cn

王琳琳, 李素艷, 孫向陽(yáng), 張濤, 付穎, 張紅蕾.不同隔鹽措施對(duì)濱海鹽堿地土壤水鹽運(yùn)移及刺槐光合特性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(5):1388- 1398.

Wang L L, Li S Y, Sun X Y, Zhang T, Fu Y, Zhang H L.Application of salt-isolation materials to a coastal region: effects on soil water and salt movement and photosynthetic characteristics ofRobiniapseudoacacia.Acta Ecologica Sinica,2015,35(5):1388- 1398.