植穴控制體結(jié)構(gòu)因素對其穴內(nèi)Na+含量的影響*

吳麗萍，白雯宇，文科軍，趙方方，劉聰，張克鵬

(1.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津300384；2.天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點試驗室,天津300384)

植穴控制體結(jié)構(gòu)因素對其穴內(nèi)Na+含量的影響*

吳麗萍1,2，白雯宇1，文科軍1,2，趙方方1，劉聰1，張克鵬1

(1.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津300384；2.天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點試驗室,天津300384)

以A(耐鹽樹木)、B(邊緣材料)、C(襯底材料)和D(沸石用量)的植穴結(jié)構(gòu)控制因素為自變量，采用同步法測取定植穴控制體內(nèi)外Na+量變化的相對序時降低值為因變量，開展L9(34)正交試驗，利用植穴結(jié)構(gòu)控制體(PHCC)提高鹽漬土區(qū)造林成效的方法，以獲取各因素與水平對穴內(nèi)Na+含量的控制力與作用信息及最佳組裝參數(shù)，為逆境生態(tài)重建的生態(tài)設(shè)計與技術(shù)組裝提供服務(wù)。結(jié)果表明，控制力大小的因素排序為B>C>A>D；其最佳組合為A3B3C1D1，即選用絨毛白蠟、反滲透膜、草炭和沸石100g組合作為植穴結(jié)構(gòu)參數(shù)，可使穴內(nèi)Na+含量比穴外減少88.20%～90.48%，其置信區(qū)間的可靠性為95%。

鹽漬土；植穴結(jié)構(gòu)控制體；生態(tài)重建；鈉離子控制；正交分析

鹽漬土區(qū)環(huán)境綠化的首要工作是降低鈉離子對園林綠化樹種的脅迫作用。鹽漬土鹽分主要是由HCO3-，CO32-，SO42-，Cl-4種陰離子和Ca2+，Mg2+，Na+3種陽離子組成的12種鹽。其中CaCO3、Ca(HCO3)2、CaSO4、MgCO3、Mg(HCO3)25種鹽對樹木影響??；而NaCl、Na2CO3、Na2SO4、NaHCO3、MgSO4、CaCl2、MgCl27種鹽，由于溶解度不同，對樹木有不同程度的脅迫，但危害最大的仍是含Na+離子及量多的NaCl、Na2CO3(馬尿堿)和Na2SO4(芒硝) 3種鹽[1]。因高交換性Na+破壞了北方喬木賴以生存的土壤膠體電動電位，使膠體之間不能形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，由此引發(fā)好氧微生物活力低及一系列土壤理化性狀的逆向循環(huán)；其次是這種濃度過高的鈉離子化合物，抑制了這類不具鹽腺樹木根細(xì)胞的分裂素合成，增加鈉的水解過程，阻礙了Ca2+、K+、Fe、Mn、P等營養(yǎng)元素和水分的滲透吸收，降低光合作用有關(guān)酶活性，從而限制了植物生長。有關(guān)利用耐鹽抗鹽植物、淡水壓鹽、施加化學(xué)添加劑、利用有機(jī)質(zhì)抑制土壤蒸發(fā)等措施來減少Na+含量的方法[2～3]，在鹽漬土改良與綠化建設(shè)中各有其優(yōu)缺點。如，淡水壓鹽通過大水漫灌方式使土壤鹽分先溶解，再隨下滲水流排至深層土中或淋洗而降低土壤Na+含量，但這種方式易使土壤板結(jié)，且淡水資源浪費大[4]。施加化學(xué)添加劑是利用酸堿中和原理降低土壤堿性,如石膏能與CO32-反應(yīng)而降低堿性，化學(xué)試劑的添加可以增加土壤有機(jī)質(zhì),促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,進(jìn)而降低土壤鹽分含量[5～6]，但化學(xué)改良法產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物不易處理，存在二次污染[7]，且成本較高。建立在巨大資金支持上的客土填墊工程、原生客土改良、人工土體再造工程等措施見效快，但客土次生鹽漬化現(xiàn)象時有發(fā)生，不可持續(xù)[7]。鹽堿地生物改良方法包括種植耐鹽作物、綠肥、牧草和植樹造林等，該法可有效地增加地表覆蓋率，減少地表蒸發(fā)量，防止土壤鹽分向表層聚集，鄒桂梅等[8]利用人工種植鹽地堿蓬(SuaedasalsaPall.)改良鹽堿地。鹽生植物能夠吸收、積累鹽分，降低土壤含鹽量[9～11]，普遍認(rèn)為生物措施是有效治理鹽堿地的途徑,其中植被修復(fù)則是鹽堿地生物修復(fù)的主導(dǎo)方向。然而，土壤鹽漬化形成涉及多方面因素，綜合改良措施成為趨勢，植穴結(jié)構(gòu)控制〔Planting Hole Composition Control(PHCC)〕技術(shù)源于“淡化肥沃層”[12]的微宇宙試驗而提出[13]，由耐鹽樹木、非生物材料、綠肥、無機(jī)填料等構(gòu)成，綜合了物理法、化學(xué)法和生物法改良技術(shù)，前期試驗表明其具有較好的改善效果[14～15]，因此本研究基于PHCC模擬裝置，通過正交試驗探究PHCC結(jié)構(gòu)因素對穴內(nèi)Na+含量的影響與作用機(jī)制，以優(yōu)化PHCC組裝參數(shù)，為PHCC技術(shù)的示范及推廣提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 供試土壤及指標(biāo)測定

試驗采用土柱模擬法。穴外試驗土均采自天津濱海新區(qū)航母公園內(nèi)0～40cm土層的表土，屬“海退”而成的沉積平原土層的殘留鹽分及海潮倒灌所形成的鹽漬土[16]，容重1.42g/cm3；穴內(nèi)土取自天津城建大學(xué)校綠地表土。2類土的土壤質(zhì)地、全鹽量、鹽分離子組成見表1。

表1 供試土壤的物化性質(zhì)

注：土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)粘土。

1.2 試驗裝置與方法

1.2.1 試驗裝置

試驗裝置為60cm×60cm×120cm(長×寬×高)鋼化玻璃土柱。土柱兩側(cè)距頂面5cm、20cm、35cm、65cm、80cm處分別開有φ5cm的取樣孔，用橡膠塞密封。土柱底部填裝20cm厚鵝卵石作為反濾層用以模擬地下水，由馬利奧特瓶調(diào)節(jié)、保持地下水高度為20cm。卵石層上部鋪設(shè)透水無紡布，填裝試驗土至柱頂，然后挖出大小為30cm×30cm×35cm(長×寬×深)的穴坑用以放置PHCC模擬設(shè)施。該模擬設(shè)施由邊緣材料、襯底材料、苗圃土或綠地土、園林喬木構(gòu)成(圖1)。其中邊緣材料為敷膜無紡布或其他膜材料，具有保水阻鹽作用，減緩穴中植物受鹽害脅迫,保障移植植物初期的正常生長；襯底材料為綠肥類有機(jī)填料，為補(bǔ)充植物所需養(yǎng)分，且可切斷土壤毛管水、阻止鹽分上移與表聚；園林綠化樹種選自當(dāng)?shù)孛缙詧@，帶土球移植，填充苗圃土或綠地土夯實。上述設(shè)置旨在使PHCC設(shè)施的邊緣材料、襯底材料等有效阻止并降低Na+對植物的脅迫，為園林喬木根系活動層建立良好的肥、水、鹽生態(tài)系統(tǒng)。

圖1 試驗裝置圖

土柱中地下水礦化度依據(jù)天津濱海鹽漬土普查資料和地下水鹽分組成狀況由人工配制，其鹽分種類與含量見表2。土柱植穴內(nèi)補(bǔ)水量依據(jù)植物缺水情況而定，植穴外補(bǔ)水量則依據(jù)天津濱海地區(qū)多年平均降水量和年最大灌溉量確定，9個土柱補(bǔ)水量一致。

表2 供試地下水的鹽分種類與含量

1.2.2 PHCC構(gòu)建與試驗方法

依據(jù)L9(34)正交表(表3)建構(gòu)不同結(jié)構(gòu)的PHCC，移入預(yù)留的穴坑內(nèi)，穴內(nèi)土壤表層比穴外鹽漬土高出5cm。PHCC中園林喬木為2年生的臭椿(Ailanthusaltissima)，白榆(UlmuspumilaL.)和絨毛白蠟(FraxinustomentosaMichx f.)。邊緣材料采用敷膜無紡布H型、P型和膜M，其中無紡布H型是將無紡布用濃度為25%的聚馬來酸酐(HPMA)和10%聚丙烯酰胺(PAM)的混合溶液(1︰1)浸泡48h后晾干制成的布袋；無紡布P型則用2%聚乙烯醇(PVA)和8%PAM的混合溶液(1︰1)浸泡48h后晾干制成的布袋。膜M來源于廢棄的卷式反滲透膜，取其膜層折疊成30cm×30cm×45cm的開口袋，袋底刺5個3～5mm透水孔。襯底材料為草炭、樹皮、秸稈(其中秸稈、樹皮均需要破碎)，按試驗方案稱取1.5kg裝填至袋底。因沸石具有較佳的隔鹽降鹽效果[17]，故將沸石與綠地土以摻混方式制備穴內(nèi)土，分別按表3中用量摻入。植物養(yǎng)護(hù)條件實行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)管理。

土柱試驗于2010年9月至2011年9月在室內(nèi)(320m2溫室)進(jìn)行，其中9月到次年5月下旬為苗木適應(yīng)期，5月23日到9月20日為試驗監(jiān)測期。

1.2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

監(jiān)測期每6天用鈉離子測定儀(型號GDYS-104SM，上海始恒儀器設(shè)備有限公司)實施現(xiàn)場定位測讀，即在穴內(nèi)南北2個點位的5cm、20cm、35cm等3個深度及穴外同等深度的3個取樣口分別測讀其Na+含量，每1測點每次測讀3個相近的Na+含量后取平均?？紤]到PHCC內(nèi)外Na+含量是一個隨時間變化的動態(tài)值，故引入序時平均數(shù)[13]，見公式(1)[13]，將PHCC內(nèi)外3個深度的Na+測定值代入后計算出不同深度的序時平均值，再求出0～45cm深度范圍內(nèi)的加權(quán)平均值，作為穴內(nèi)、外該范圍Na+含量變化的考量值。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響因素的極差分析

以PHCC結(jié)構(gòu)組分之耐鹽樹木、邊緣材料、襯底材料、沸石用量為自變量，PHCC內(nèi)外Na+的相對變化為因變量，進(jìn)行正交分析。為直觀反映PHCC內(nèi)外Na+含量的同步動態(tài)變化，以PHCC內(nèi)外Na+含量的相對降低率Yi，即PHCC外Na+量序時平均數(shù)與其內(nèi)Na+量序時平均數(shù)之差，占PHCC外Na+量的百分比，見公式(2)所示，作為評價PHCC結(jié)構(gòu)阻鹽成效的表征值，見表3。依據(jù)公式(1)計算整理后的數(shù)據(jù)已列入表3，通過對試驗數(shù)據(jù)的級差計算，可知PHCC結(jié)構(gòu)因素耐鹽樹木、邊緣材料、襯底材料和沸石用量對設(shè)施內(nèi)外Na+含量相對降低率的影響級差分別為2.96、9.07、5.78、1.62，試驗數(shù)據(jù)的方差分析結(jié)果見表4。

Yi=(PHCC內(nèi)Na+含量-PHCC外Na+含量)/PHCC外Na+含量 (2)。

表3 L9(34)PHCC與穴內(nèi)外Na+相對含量的極差分析表

注：n為試驗數(shù)，m為重復(fù)或平行次數(shù)，本方案中n=9，m=3；c.Rj為級差，Rj=Max(k1,k2,k3)-Min(k1,k2,k3)。

表4 L9(34)PHCC與穴內(nèi)外Na+含量相對變化值的方差分析表

注:F0.01(2,18)=6.01，F(xiàn)0.05(2,18)=3.55，F(xiàn)0.1(2,18)=2.62；F>F0.01(2,18)***為極顯著；F0.05(2,18)

根據(jù)表3和表4的計算結(jié)果，分析討論如下。

(1)表3極差分析可知，PHCC結(jié)構(gòu)阻鹽成效較佳的因素、水平組合為A3B3C1D1，即耐鹽植物為絨毛白蠟，邊緣材料為反滲透膜，襯底材料為草炭，沸石用量為100g；由表4的方差分析可知，除沸石用量為較顯著外，其余各因素對Na+增量控制均為極顯著。由各因素F比的大小看，其影響大小排序為，B(邊緣材料)>C(襯底材料)>A(耐鹽樹木)>D(沸石用量)。

(2)邊緣材料(B)對限制PHCC內(nèi)Na+增長量的影響居首位。這是因為邊緣材料是阻斷底部與周邊鹽漬土環(huán)境Na+浸入的第一道屏障，即阻斷毛管水的上升運動和周邊水鹽的浸入。在3種邊緣材料中以反滲透膜對Na+的相對控制量最大，無紡布P(PVA+PAM)的控制量最小，兩者相差9.07%。這主要是反滲透膜在自然滲透壓條件下，不可能進(jìn)行反滲透作用所致；而PVA、PAM和 HPMA雖常作為鹽漬土改良劑，并在前期試驗中具有良好的成膜性、離子代換性和緩蝕性，但因長期處于潮濕環(huán)境，且容量有限，又易溶于水，致使對Na+的攔截作用不具可持續(xù)性。

(3)襯底材料(C)在PHCC內(nèi)對Na+的控制作用居第二位。其功能主要用于改善PHCC內(nèi)的土壤結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)肥力，阻斷與原土的水鹽垂直交換作用。3種襯底材料中，草炭對Na+的相對控制量最大，分別比樹皮和秸稈高出5.78%、4.68%。這主要是因為草炭已具有較好的土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，可交換離子多且容量大，阻斷水鹽垂直運移及促進(jìn)離子交換作用強(qiáng)，而樹皮和秸稈還未形成腐殖質(zhì)土，不具土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)優(yōu)良特性之故[18]。

(4)耐鹽樹木(A)對降低PHCC內(nèi)Na+含量的作用排名第三，且也極顯著。其中絨毛白蠟消除Na+含量居首，同臭椿與白榆相比，分別相差1.86%和2.96%。究其原因是初植樹木根毛主要集中在穴內(nèi)，絨毛白蠟與臭椿為專性耐鹽樹種，而白榆僅屬差一級的兼性耐鹽樹種[19]。另外，樹木通過蒸騰作用使地下水位降低，超出了土壤毛管作用的臨界高度，加之樹冠遮陰，減少土壤蒸發(fā)[20]，使Na+在表土聚集失去了隨水分運移的載體與動力補(bǔ)給，也是降低鹽漬化發(fā)生機(jī)率的主要原因。

(5)沸石用量與減少Na+含量的貢獻(xiàn)為較顯著，排名最后，而且以用量最少的100g為貢獻(xiàn)率最大，用量200g貢獻(xiàn)率最小，二者相差1.62%。斜發(fā)沸石具有高孔隙率與吸附力及陽離子交換的離子泵作用[21～23]。其陽離子交換能力大小取決于離子水合能的大小，而水合能大小又與其離子半徑成反比，即交換順序為Cs+>Rb+>NH4+>K+>Na+>Li+>Ba2+>Sr+>Ca2+>Mg2+。因此，由于進(jìn)入PHCC內(nèi)土壤中的Na+的有限性，加上沸石吸附飽和與交換的限定，使PHCC內(nèi)Na+的含量隨沸石量的增加而減少。

2.2 最佳PHCC組裝對Na+控制成效的工程平均估計

依據(jù)本試驗所選取的因素、水平可以有81種組合方式，其中由級差分析得到的優(yōu)水平組合A3B3C1D1并不在L9(34)正交表(表3)所列的9組試驗中，為此采用一種工程平均估計方法來獲取該試驗條件下所有組合可能達(dá)到的效果，即某組合的工程平均估計值及其變動范圍，該方法的計算過程如下，以A3B3C1D1為例。

由數(shù)理統(tǒng)計學(xué)得知，試驗數(shù)據(jù)總平均是比較各因子不同水平差別的基準(zhǔn)。要了解某因子某一水平的試驗數(shù)據(jù)比總平均多或少，需要計算這個因子在該水平下的數(shù)據(jù)平均值與總平均的偏差，此偏差即為因子在該水平下的效應(yīng)，見式(4)所示，PHCC結(jié)構(gòu)因子A(耐鹽植物)、B(邊緣材料)、C(襯底材料)、D(沸石用量)的水平效應(yīng)計算值見表5。

Tkj=Ykj-Yi(4),式中，Tkj表示j因子在k水平下的效應(yīng)；Ykj表示j因子在k水平下的數(shù)據(jù)平均值；Yi表示各因子在i水平下的總平均值，Yi=G/(n·m)。

表5 各因子某水平對PHCC內(nèi)Na+的水平效應(yīng)值

由公式(4)可知，A3B3C1D1各因子對應(yīng)的水平效應(yīng)分別為,因子A：絨毛白蠟T31=k3-G/9m=79.46-2 102.06/(9×3)=79.46-77.85=1.61(5),因子B：膜MT32=83.38-77.85=5.53(6),因子C：草炭T13=81.34-77.85=3.49(7),因子D：100gT14=78.72-77.85=0.87(8)。

某組合的工程平均估計值μij為，μij=Yi+Tkj(9)。

依據(jù)式(9)組合A3B3C1D1的工程平均估計值為：μA3B3C1D1=77.85+1.61+5.53+3.48+0.87=89.34 (10)

根據(jù)表4,Se(平均偏差平方和)=19.78；e(誤差自由度)=18；F0.05(2,18)=3.55；ne(有效重復(fù)數(shù))=數(shù)據(jù)總個數(shù)/(1+顯著因子自由度之和)=27/(1+8)=3，其變動范圍δ值：δ0.05==±1.140 33(11),即可靠性95 %的估計區(qū)間為,[89.34+1.1 403,89.34-1.1 403]=[90.48，88.20]。也就是說，如果按A3B3C1D1組裝PHCC，即樹種選用絨毛白蠟，邊緣材料為反滲透膜，襯底材料為草炭，沸石用量為100g，可使PHCC內(nèi)Na+量比穴外減少88.20%～90.48%，其可靠性95%。同理也可通過此法，依次得到其余80種組合的工程平均估計值。

3 結(jié)論

(1)在鹽漬土區(qū)種植園林綠化樹種，利用植穴結(jié)構(gòu)體(PHCC)各結(jié)構(gòu)因素對其穴內(nèi)Na+量實施控制，以用于降低Na+對樹木的脅迫作用，其成效是顯著的。

(2)通過L9(34)正交試驗篩選的最優(yōu)組合類型為A3B3C1D1，即耐鹽植物為絨毛白蠟，邊緣材料為反滲透膜，襯底材料為草炭，沸石用量為100g，如用于鹽漬土區(qū)園林喬木綠化示范工程，可使PHCC內(nèi)Na+量比穴外減少89.34%，變動范圍在±1.140 3之間，其可靠性為95%，可為北方鹽漬土綠化工程技術(shù)組裝提供參考。

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The Effect of PHCC Structure on Na+Contents in the Hole

WU Li-ping1,2,BAI Wen-yu1,WEN Ke-jun1,2,ZHAO Fang-fang1,LIU Cong1,ZHANG Ke-peng1

(1.School of Environmental and Municipal Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,P.R.China;2.Tianjin Key Laboratory of Aquatic Science and Technology,Tianjin 300384,P.R.China)

By establishing the Planting Hole Composition Control system(PHCC)of artificially reforestation saline soil， four internal factors of PHCC,namely A (salt-tolerant plants),B(edge material),C(substrate material)and D(dosage of zeolite),were selected as independent variable,and measured internal and external content of Na+decrement synchronously as the dependent variable.In order to providing services for ecological design on adversity ecological reconstruction and assembled technology,orthogonal experiment L9(34) was designed for understanding the controlling power and the role of various factors and levels on internal content of Na+,and identifying the optimum assembled parameters.The results showed that the order of control power was B>C>A>D,the best combination was A3B3C1D1,namely the combination ofFraxinustomentosa,reverse osmosis membrane,peat and zeolite with 100 g.Under this combination,the planting hole internal contents of Na+reduced 88.20 %～90.48 % compared with the external contents,and its confidence interval was 95%.

salty soil；Planting Hole Composition Control (PHCC)；ecological reconstruction；control of sodium ions；orthogonal analysis

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.06.010

2015-09-25

天津市自然科學(xué)基金項目(15JCZDJC40100),天津科技支撐計劃重點項目(12ZCZDSF1900、08ZCGYSF02500),國家科

吳麗萍(1969-)，女，教授，博士，主要從事水土污染控制與生物修復(fù)研究。E-mail：wlpzr1106@126.com

簡介：文科軍(1957-)，男，教授，博士后，主要從事水土污染控制與生物修復(fù)研究。E-mail：wenkejun@126.com

S 156.4

A

1672-8246(2016)06-0056-06

技支撐計劃項目(2009BAC55B03-1)。