王琳琳, 李素艳, 孙向阳, 张 涛, 付 颖

(1.北京林业大学 林学院, 北京 100083; 2.北京农学院 研究生处, 北京 102206)

不同隔盐材料对滨海盐渍土水盐动态和树木生长的影响

王琳琳1,2, 李素艳1, 孙向阳1, 张 涛1, 付 颖1

(1.北京林业大学 林学院, 北京 100083; 2.北京农学院 研究生处, 北京 102206)

摘要：[目的] 揭示不同隔盐材料对滨海盐渍土水盐动态和树木生长的影响，为滨海地区盐渍土改良和沿海防护林营造等林业工程提供理论依据。 [方法] 采用单因素方差分析及多重比较方法，于2010—2013年在天津滨海重度盐碱地区的大田试验中，开展了沸石、陶粒、蛭石和河沙4种隔盐材料对盐渍土0—80 cm土层水盐动态及4个树种(刺槐、国槐、香花槐和红叶臭椿)生长影响的研究。 [结果] (1) 在树穴底部和侧壁铺设隔盐层可以明显降低土壤含盐量并显著增加土壤含水量。沸石处理(FS)能显著降低0—80 cm土体内盐分含量，控抑盐效果明显优于其他处理。陶粒处理(TL)在40—80 cm土层有显著的降盐效果，但其控盐效果比沸石差。蛭石处理(ZS)仅在40—60 cm土体内显著降低土壤含盐量。河沙处理(HS)中，0—80 cm土体内盐分含量虽低于对照，但与对照之间无显著差异，降盐效果最差； (2) 铺设隔盐层可显著降低土壤盐分离子含量，其中对Na+,Cl-和这3种滨海盐碱地主要盐分离子的去除效果排序为：FS>TL>ZS>HS； (3) 隔盐层材料能有效改善树种根区土壤物理性质，提高各树种成活率和保存率，并能明显促进植物生长，其中沸石效果最佳。 [结论] 可将沸石作为滨海地区4个树种造林时隔盐材料的最优选择。

关键词：隔盐材料; 河沙; 水盐运移; 树木生长

土壤盐渍化是限制土地资源优化利用的一个主要障碍。在长期的盐碱地改良过程中，研究者发现土壤盐分运移受到水分运行的支配[1-3]。土壤水盐运动规律是了解盐碱土发生演变和防治土壤次生盐碱化的基础，研究并掌握盐碱土水盐动态变化规律，既可以对改良措施的科学性及实用性做出合理评价，又能进一步根据评价结果改进优化改良措施，进而达到改良盐碱土的目的[4]。近年来，盐碱土改良主要以灌溉洗盐、地表覆盖、客土种植等工程改良措施和施加化学改良剂等化学改良措施为主[5]，也有研究者利用耐盐植物进行盐碱地改良[6]。造成滨海地区盐碱地难以利用的最主要问题是由于土壤水分蒸发导致的地下水位上升[7]。因此，解决滨海地区土壤盐渍化的关键就是有效阻断地下水位的上升并且促进重力水对土壤盐分的淋洗，以此减弱盐分随水分的上升，降低耕层土壤盐分含量。基于此，通过工程措施在滨海地区设置盐分隔离层作为一种有效的降盐措施被广泛应用。国内外研究[8-10]结果表明，在土表下铺设沙子或秸秆作为隔盐层，可以显著降低土壤电导率，促进植物生长和代谢。但总体看来，有关土表下铺设隔层的研究多数为室内模拟。当前通过铺设隔盐层进行盐碱地改良的研究中，多以河沙作为有效的隔盐材料选择，且多数都只在树穴底部铺设隔盐层。沸石是一种具有很强吸附能力和离子交换能力的土壤改良材料，有保肥供肥改良土壤物理性质的作用；另外，沸石来源广泛，成本低廉，且无毒无害，是一种便于推广和利用的土壤改良剂[11]。陶粒是一种轻质多孔的硅酸盐产品，具有较强的吸附能力和稳定的物理特性，常用于土壤的修复和改良[12]。蛭石属硅酸盐黏土矿物，具有巨大的比表面积和较大的阳离子交换容量[13]，目前已被广泛的运用到土壤修复和去除各种水体污染中。刺槐(Robiniapseudoacacia)、国槐(Sophorajaponica)、香花槐(Robiniapseudoacaciacv.idaho)和红叶臭椿(Ailanthusaltissima)为滨海地区常用的盐碱地植物改良材料，均具有一定的耐盐能力。但目前对这4种植物的研究多集中在盐胁迫及其耐盐机理上[14-16]，而对隔盐措施下4树种的生长特性研究较少。因此，本研究采用3种新型隔盐材料(沸石、陶粒、蛭石)和1种传统隔盐材料(河沙)，在刺槐、国槐、香花槐和红叶臭椿树穴底部和侧壁铺设隔盐层，于2010—2013年研究大田中不同隔盐材料对滨海地区重度盐渍土0—80 cm土层水盐运移、土壤物理性质及4树种生长特性的影响，从而针对不同树种评估不同隔盐材料的控盐改土效果，以期为滨海地区盐渍土改良和沿海防护林营造等林业工程提供理论依据。

1材料与方法

1.1　研究区概况

试验区位于天津市大港区滨海耐盐碱植物科技园区(北纬38°46′，东经117°13′，海拔高度约1.3 m)，该区属于北半球暖温带半湿润大陆性季风气候，由于濒临渤海，受季风环流影响大，冬夏季风更替明显，四季分明，温差较大。全年平均气温为12.3 ℃，气温最高月份出现在7月(26 ℃)，气温最低月份出现在1月(-4 ℃)。该区地处中纬度，日照时间长，年平均日照时数为2 618 h，累计年太阳总辐射量506.2 kJ/cm2，生理辐射总量257.25 kJ/cm2，无霜期约211 d。年平均降水量593.6 mm，雨水集中在6—9月，占全年降水总量的84%。年平均蒸发量1 979 mm，是降水量的3倍多。

1.2　试验树种选择

选取刺槐、国槐、香花槐和红叶臭椿作为试验树种。其中刺槐、国槐和香花槐均属于豆科蝶形花亚科落叶乔木，红叶臭椿属于苦木科臭椿属中等落叶乔木。刺槐生长迅速，根系发达，适应性强，在含盐量0.3%以下的盐碱土上能正常生长发育，主根不发达，水平根系多集中在表土层5—50 cm内。国槐喜阳光，不耐阴湿而抗旱，对土壤要求不严，在含盐量0.15%左右的轻度盐碱地可正常生长。香花槐性耐寒，耐干旱，在中性及轻度盐碱土中可以正常生长。红叶臭椿喜阳光，耐干旱，主根不明显，侧根发达，耐中度盐碱土。

1.3　试验措施布设

试验共设置刺槐、国槐、香花槐和红叶臭椿4个种植区，在每个种植区内同时布设试验。试验共设置5个处理： (1) 对照:不设置隔盐处理(CK); (2) 沸石隔盐处理(FS); (3) 陶粒隔盐处理(TL); (4) 蛭石隔盐处理(ZS)； (5) 河沙隔盐处理(HS)。将盐碱水平一致的同一块种植区划分为5个区组(57 m×12 m)，每个区组划分为5个小区(12 m×12 m)，两个相邻区组和小区间的距离分别为6和3 m。按照完全随机区组试验设计，将所有处理完全随机的分配到各个区组中去，每个小区为1个处理，每个处理重复5次。2010年4月，在4个树种种植区内的每个小区栽植9株2年生带根苗，相同树种苗木规格相似。株行距均为3 m×3 m，植穴规格1 m×1 m×1 m。栽植时先将树穴中0—100 cm的土壤按5个层次(0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm,80—100 cm)取出，然后分别在树穴底部和侧壁铺设沸石、陶粒、蛭石和河沙作为隔盐层，底部和侧壁隔盐层厚度分别为20和10 cm，最后将土壤按原层次回填并植树。对照处理中不铺设隔盐层。试验布置完毕，立即对每个树穴进行灌溉，并于2010年4月到2010年6月每2周灌溉1次，灌溉定额均为5 L水。同时在每个树种种植区四周开挖深度为1.00～1.50 m的排水沟。不同隔盐措施下各树种栽培管理措施一致。试验沸石、陶粒和蛭石均从当地矿产品加工厂购置，粒径分别集中在2～3，10～25和4～6 mm；河沙购自当地市场，统一过筛，粒径集中于0.5～0.8 mm。供试材料的盐分离子组成详见表1。

表1　隔盐材料盐分离子组成

1.4　土样采集与指标测定

1.5　数据分析

采用单因素方差分析方法(one-way ANOVA)比较不同隔盐处理之间土壤水盐、物理性质和树木生长的差异；多重比较采用最小显著极差法(LSD)检验在方差分析中有差异的变量间的差异显著性。

2结果与讨论

2.1　不同隔盐材料对土壤水盐动态的影响

设置隔盐层试验的初期，即2010年5—6月，各处理0—80 cm土体的盐分含量变化一致(图1)，7—11月各处理之间的盐分含量变化存在明显差异但无显著规律。

2011年5月至2013年11月，各处理土壤盐分含量及其年变幅均明显小于对照，且沸石处理土壤盐分含量相较于其他处理始终保持最低水平。

图1　隔盐处理对0-80 cm土体盐分动态变化影响

试验期内各处理的土壤水分含量变化规律基本一致(图2)。由于土壤水分含量受蒸发量和降雨量的影响较大[18]，年内水分含量最大值均出现在7—8月。在设置隔盐层的第1 a即2010年，各处理土壤水分含量变化一致。2011—2013年，各处理土壤水分含量均略大于对照。

图2　隔盐处理对0-80 cm土体水分动态变化影响

对2010—2013年各处理不同深度土壤盐分进行分析表明，隔盐措施可以有效控制土壤盐分含量(表2)。FS能显著降低土层(0—80 cm)盐分含量(p<0.05)，0—80 cm土体平均盐分含量比CK低60.8%。TL处理中40—80 cm土体内盐分含量显著低于CK，控抑盐效果仅次于FS。ZS处理中仅40—60 cm土体含盐量显著低于CK。HS导致土体(0—80 cm)盐分含量略有下降，但各土层盐分含量与CK之间均无显著差异(p>0.05)，控抑盐效果最差。

由表2可知，FS，TL和ZS处理能显著增加0—80 cm土体平均含水量(p<0.05)。三者分别比CK增加了15.5%，12%和12%。

各处理下土壤水分含量均值大小为：FS>TL=ZS>HS>CK。采用FS，TL和ZS作为隔盐层材料，可以显著增加0—20和40—60 cm土层土壤含水量，为植物根系创造良好的土壤水分环境，从而为植物生长提供充足的水分。HS对土壤水分含量无显著影响(p>0.05)。

表2　各处理2010-2013年不同土层土壤盐分和水分累年均值

注: 表中数值为平均值+标准差； 同行具有不同字母表示处理间差异显著(p<0.05)。下同。

隔盐层材料质地无论较土壤质地或粗或细，都会对下渗水流起到阻碍作用[19]。由于4种隔盐层材料的孔隙度均大于土壤孔隙度，根据土壤水动力学原理，孔隙度越大，水吸力越小，因此当水分下渗到土壤与隔层交界面时，入渗过程得到延迟，使得隔层上方土壤含水量较同层次对照高，同时使得隔层上方土壤盐分得到充分溶解，有助于隔层上方土壤盐分的充分淋洗。另外，隔盐层能够显著降低毛管水上升的高度和速度，这是由于隔盐层阻断了土壤毛管孔隙的连续性，使得毛管水在隔盐层下界面发生停滞，从而减少盐分随水分的上升。而设置在树穴侧壁的隔盐层，又能同时抑制盐分随土壤水分的水平运移，使树穴内部土壤盐分含量进一步降低。另外，由于沸石、陶粒和蛭石3种隔盐材料本身的结构特征，使其均具有一定的保水功能，导致0—80 cm土层水分含量均显著高于对照。

2.2　不同隔盐措施对土壤盐分离子组成和分布的影响

表3　不同隔盐处理土体盐分离子含量　%

注：CK为对照，FS为沸石处理，TL为陶粒处理，ZS为蛭石处理，HS为河沙处理。下同。

2.3　不同隔盐措施对土壤物理性质的影响

0—40 cm土层是植物根系分布相对密集的区域，该层次土壤的物理性状对植物的生长意义重大。对比分析刺槐、国槐、香花槐和红叶臭椿0—40 cm土层的物理性质，有利于探讨隔盐措施对不同树种根区土壤物理性质的改良效应。各处理4个树种的根区土壤容重均低于对照(图3)。刺槐种植区中，FS处理的土壤容重显著低于其他处理(p<0.05)，其他处理与对照间差异不显著。国槐种植区内，FS和TL处理显著降低土壤容重，其他处理与对照间无显著差异(p>0.05)。香花槐和红叶臭椿种植区内，各处理土壤容重略低于对照，但与对照间差异不显著。

刺槐区内，FS和TL处理导致土壤毛管孔隙度显著高于HS和CK，ZS处理对土壤毛管孔隙度影响不显著，与其他处理间均无显著差异(图3)。国槐区内，FS处理的土壤毛管孔隙度显著高于CK和其他处理，而其他隔盐处理与CK间均无显著差异。隔盐措施对香花槐和红叶臭椿根区土壤毛管孔隙度影响较小，除FS处理使红叶臭椿根区土壤毛管孔隙度显著高于对照外，其他处理对香花槐和红叶臭椿根区土壤毛管孔隙度均无显著影响(p>0.05)。

刺槐种植区中各处理土壤非毛管孔隙度均有显著性差异(图3)，其中FS处理下非毛管孔隙度最大，显著高于CK和其他处理；TL处理次之，显著高于HS和CK(p<0.05)，而与ZS处理无显著差异。FS和TL处理能够增加国槐根区土壤非毛管孔隙度，而ZS和HS却导致其略有下降。所有处理均能显著增加香花槐根区土壤非毛管孔隙度，按照其增加量大小排序为：FS>TL>ZS>HS。FS，TL和ZS处理均能显著增加红叶臭椿区根区土壤非毛管孔隙度，而HS处理对其影响不显著。

隔盐处理对各树种根区土壤总孔隙度的影响与毛管孔隙度类似(图3)。FS和TL处理能显著增加刺槐根区土壤总孔隙度，ZS和HS处理土壤总孔隙度略高于CK，但无显著差异(p>0.05)。国槐区内，FS处理导致土壤总孔隙度显著高于CK和其他处理，而其他隔盐处理与CK间无显著差异。对于香花槐和红叶臭椿，除FS处理使红叶臭椿根区土壤总孔隙度显著高于对照外，其他处理对香花槐和红叶臭椿根区土壤总孔隙度均无显著影响(p>0.05)。

采用隔盐措施能导致刺槐、香花槐和红叶臭椿3个树种根区土壤容重降低和土壤总孔隙度的增加。有研究[22]表明，土壤盐分含量与总孔隙度具有负相关性。FS处理的盐分含量最低，在所有树种中具有最大的总孔隙度，而且土壤总孔隙度越大，降水对可溶性Na+的淋溶作用越大，继而导致盐分含量降低，使土壤结构得到改善，降低土壤容重。而在国槐种植区，虽然隔盐处理均能降低土壤容重，但对土壤总孔隙度影响不大，除FS处理和TL处理能够增加土壤总孔隙度以外，ZS和HS处理反而使土壤总孔隙度略有下降，这个现象也存在于毛管孔隙度和非毛管孔隙度中。

基于以上分析，沸石可作为4树种隔盐材料的最优选择，陶粒次之。

图3　不同隔盐措施对土壤物理性质的影响

2.4　不同隔盐措施对植物生长的影响

2.4.1不同隔盐措施对成活率和保存率的影响隔盐措施布设1 a后(2011年)，4树种成活率均在81%以上，隔盐措施对造林成活率影响不明显(表4)。试验开始3 a后(2013年)，4个树种保存率显著高于对照，各树种不同处理保存率由大到小顺序为：FS>TL>ZS>HS>CK。

FS处理下，4树种保存率均显著高于其他处理(p<0.05)，其中刺槐保存率最大达95.2%；CK处理中红叶臭椿保存率最低，仅为39.3%。FS，TL和ZS处理下，不同树种保存率由大到小均为：刺槐>国槐>香花槐>红叶臭椿。

表4　不同隔盐处理下树种成活率与保存率　%

2.4.2不同隔盐措施对树高和基径的影响隔盐处理4个生长季后4树种的树高、基径增长量均高于对照植株(图4)。

FS和TL处理对刺槐树高增长量影响显著，而香花槐树高增长量仅在FS处理下显著增加(p<0.05)；各处理对国槐树高增长无显著影响，但却显著增加红叶臭椿树高增长量。FS处理中，各树种基径增长量均最大，且显著大于对照(p<0.05)。TL处理均能显著增加除红叶臭椿外的其他树种的基径增长量(p<0.05)。与CK相比，ZS和HS对树木基径生长无显著影响(p>0.05)。各个处理对各树种树高和基径影响各不相同，这除了与树种本身的特性有关以外，还说明应针对不同的树种选择隔盐材料以达到最佳的脱盐效果。

图4　不同隔盐措施对树高和基径增长量的影响

3结 论

[参考文献]

[1]Pfletschinger H, Engelhardt I, Piepenbrink M, et al. Soil column experiments to quantify vadose zone water fluxes in arid settings[J]. Environment Earth Science, 2011, 58(3): 694-710.

[2]Wu Lao, Skaggs T H, Shouse P J, et al. State space analysis of soil water and salinity regimes in a loam soil underlain by shallow groundwater[J]. Soil Science Society of America Journal, 2001, 65(4): 1065-1074.

[3]王遵亲,祝寿泉,俞仁培.中国盐渍土[M].北京:科学出版,1993:35-38.

[4]张莉,丁国栋,王翔宇,等.隔沙层对盐碱地土壤水盐运动的影响[J].干旱地区农业研究,2010,28(2):197-200.

[5]Barter-Lennard E G. Restoration of saline land through revegetation[J]. Agricutural Water Management, 2002, 53(3): 213-226.

[6]刘广明,杨劲松,吕真真,等.不同调控措施对轻中度盐碱土壤的改良增产效应[J].农业工程学报,2011,27(9):164-169.

[7]赵永敢,逄焕成,李玉义,等.秸秆隔层对盐碱土水盐运移及食葵光合特性的影响[J].生态学报,2013,33(17):5153-5161.

[8]Rooney D J, Brown K W, Thomas J C. The effectiveness of capillary barriers to hydraulically isolate salt contaminated soils[J]. Water, Air and Soil Pollution, 1998, 104(2): 403-411.

[9]史文娟,沈冰,汪志荣,等.蒸发条件下浅层地下水埋深夹砂层土壤水盐运移特性研究[J].农业工程学报,2006,21(9):23-26.

[10]刘玉涛,董智,李红丽,等.不同隔盐措施对滨海盐碱地白蜡光合作用日变化的影响[J].水土保持研究,2011,18(3):126-130.

[11]马晨,马履一,刘太祥,等.盐碱地改良利用技术研究进展[J].世界林业研究,2010,23(2):28-32.

[12]翟鹏辉.天津滨海土壤盐渍化特征与隔盐层处理技术的脱盐效应研究[D].北京:北京林业大学,2013.

[13]赵杏媛,张有瑜.黏土矿物与黏土矿物分析[M].北京:海洋出版社,1990:45-50.

[14]Saleem A, Ashraf M, Akram N A. Salt(NaCl)-induced modulation in some key physio-biochemical attributes in okra(AbelmoschusesculentusL.)[J]. Journal of Agronomy and Crop Science, 2011, 197(4): 202-213.

[15]Moud A M, Maghsoudi K. Salt stress effects on respiration and growth of germinated seeds of different wheat(TriticumaestivumL.) cultivars[J]. World Journal Agronomy Science, 2008, 32(4): 351-358.

[16]Ashraf M and Harris P J C. Photosynthesis under stressful environments: An overview[J]. Photosynthetica, 2013, 51(2): 163-190.

[17]鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2008:187-201.

[18]王艳,廉晓娟,张余良,等.天津滨海盐渍土水盐运动规律研究[J].天津农业科学,2012,18(2):95-97.

[19]王文焰,张建丰.砂层在黄土中的阻水性及减渗性的研究[J].农业工程学报,1995,11(1):104-109.

[20]Panayotova M. Use of zeolite for Cd2+removal from wastewater[J]. Environment Science Health, 2000, 35(9): 1591-1601.

[21]Shuai Ban, Vlugt T J H. Zeolite microporosity studied by molecular simulation[J]. Molecular Simulation, 2009, 35(12): 1105-1115.

[22]Oo A N, Iwai C B, Saenjan P. Soil properties and maize growth in saline and nonsaline soils using cassava-industrial waste compost and vermicompost with or without earthworms[J]. Land Degradation and Development, 2013, 205(2): 1015-1026.

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

文献标识码：B

文章编号：1000-288X(2015)04-0141-07

中图分类号：S156.4

通信作者：李素艳(1968—),女(汉族),内蒙古自治区赤峰市人,博士,副教授,主要从事土壤学和水土保持研究。E-mail: lisuyan@bjfu.edu.cn。

收稿日期：2014-04-05修回日期：2014-05-09

资助项目：林业公益性行业科研专项“林业废弃物基质化研制技术与应用”(201504205)； 国家“十一五”科技支撑计划项目(2009BADB2B0504)

第一作者：王琳琳(1983—),女(蒙古族),内蒙古自治区呼伦贝尔市人,博士,助理研究员,主要从事盐碱地生态治理方面的研究。E-mail: wanglinlin1006@126.com。