植穴控制体结构因素对其穴内Na+含量的影响*

吴丽萍，白雯宇，文科军，赵方方，刘聪，张克鹏

(1.天津城建大学环境与市政工程学院，天津300384；2.天津市水质科学与技术重点试验室,天津300384)

植穴控制体结构因素对其穴内Na+含量的影响*

吴丽萍1,2，白雯宇1，文科军1,2，赵方方1，刘聪1，张克鹏1

(1.天津城建大学环境与市政工程学院，天津300384；2.天津市水质科学与技术重点试验室,天津300384)

以A(耐盐树木)、B(边缘材料)、C(衬底材料)和D(沸石用量)的植穴结构控制因素为自变量，采用同步法测取定植穴控制体内外Na+量变化的相对序时降低值为因变量，开展L9(34)正交试验，利用植穴结构控制体(PHCC)提高盐渍土区造林成效的方法，以获取各因素与水平对穴内Na+含量的控制力与作用信息及最佳组装参数，为逆境生态重建的生态设计与技术组装提供服务。结果表明，控制力大小的因素排序为B>C>A>D；其最佳组合为A3B3C1D1，即选用绒毛白蜡、反渗透膜、草炭和沸石100g组合作为植穴结构参数，可使穴内Na+含量比穴外减少88.20%～90.48%，其置信区间的可靠性为95%。

盐渍土；植穴结构控制体；生态重建；钠离子控制；正交分析

盐渍土区环境绿化的首要工作是降低钠离子对园林绿化树种的胁迫作用。盐渍土盐分主要是由HCO3-，CO32-，SO42-，Cl-4种阴离子和Ca2+，Mg2+，Na+3种阳离子组成的12种盐。其中CaCO3、Ca(HCO3)2、CaSO4、MgCO3、Mg(HCO3)25种盐对树木影响小；而NaCl、Na2CO3、Na2SO4、NaHCO3、MgSO4、CaCl2、MgCl27种盐，由于溶解度不同，对树木有不同程度的胁迫，但危害最大的仍是含Na+离子及量多的NaCl、Na2CO3(马尿碱)和Na2SO4(芒硝) 3种盐[1]。因高交换性Na+破坏了北方乔木赖以生存的土壤胶体电动电位，使胶体之间不能形成团粒结构，由此引发好氧微生物活力低及一系列土壤理化性状的逆向循环；其次是这种浓度过高的钠离子化合物，抑制了这类不具盐腺树木根细胞的分裂素合成，增加钠的水解过程，阻碍了Ca2+、K+、Fe、Mn、P等营养元素和水分的渗透吸收，降低光合作用有关酶活性，从而限制了植物生长。有关利用耐盐抗盐植物、淡水压盐、施加化学添加剂、利用有机质抑制土壤蒸发等措施来减少Na+含量的方法[2～3]，在盐渍土改良与绿化建设中各有其优缺点。如，淡水压盐通过大水漫灌方式使土壤盐分先溶解，再随下渗水流排至深层土中或淋洗而降低土壤Na+含量，但这种方式易使土壤板结，且淡水资源浪费大[4]。施加化学添加剂是利用酸碱中和原理降低土壤碱性,如石膏能与CO32-反应而降低碱性，化学试剂的添加可以增加土壤有机质,促进团粒结构的形成,进而降低土壤盐分含量[5～6]，但化学改良法产生的反应产物不易处理，存在二次污染[7]，且成本较高。建立在巨大资金支持上的客土填垫工程、原生客土改良、人工土体再造工程等措施见效快，但客土次生盐渍化现象时有发生，不可持续[7]。盐碱地生物改良方法包括种植耐盐作物、绿肥、牧草和植树造林等，该法可有效地增加地表覆盖率，减少地表蒸发量，防止土壤盐分向表层聚集，邹桂梅等[8]利用人工种植盐地碱蓬(SuaedasalsaPall.)改良盐碱地。盐生植物能够吸收、积累盐分，降低土壤含盐量[9～11]，普遍认为生物措施是有效治理盐碱地的途径,其中植被修复则是盐碱地生物修复的主导方向。然而，土壤盐渍化形成涉及多方面因素，综合改良措施成为趋势，植穴结构控制〔Planting Hole Composition Control(PHCC)〕技术源于“淡化肥沃层”[12]的微宇宙试验而提出[13]，由耐盐树木、非生物材料、绿肥、无机填料等构成，综合了物理法、化学法和生物法改良技术，前期试验表明其具有较好的改善效果[14～15]，因此本研究基于PHCC模拟装置，通过正交试验探究PHCC结构因素对穴内Na+含量的影响与作用机制，以优化PHCC组装参数，为PHCC技术的示范及推广提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 供试土壤及指标测定

试验采用土柱模拟法。穴外试验土均采自天津滨海新区航母公园内0～40cm土层的表土，属“海退”而成的沉积平原土层的残留盐分及海潮倒灌所形成的盐渍土[16]，容重1.42g/cm3；穴内土取自天津城建大学校绿地表土。2类土的土壤质地、全盐量、盐分离子组成见表1。

表1 供试土壤的物化性质

注：土壤质地为粉砂质粘土。

1.2 试验装置与方法

1.2.1 试验装置

试验装置为60cm×60cm×120cm(长×宽×高)钢化玻璃土柱。土柱两侧距顶面5cm、20cm、35cm、65cm、80cm处分别开有φ5cm的取样孔，用橡胶塞密封。土柱底部填装20cm厚鹅卵石作为反滤层用以模拟地下水，由马利奥特瓶调节、保持地下水高度为20cm。卵石层上部铺设透水无纺布，填装试验土至柱顶，然后挖出大小为30cm×30cm×35cm(长×宽×深)的穴坑用以放置PHCC模拟设施。该模拟设施由边缘材料、衬底材料、苗圃土或绿地土、园林乔木构成(图1)。其中边缘材料为敷膜无纺布或其他膜材料，具有保水阻盐作用，减缓穴中植物受盐害胁迫,保障移植植物初期的正常生长；衬底材料为绿肥类有机填料，为补充植物所需养分，且可切断土壤毛管水、阻止盐分上移与表聚；园林绿化树种选自当地苗圃园，带土球移植，填充苗圃土或绿地土夯实。上述设置旨在使PHCC设施的边缘材料、衬底材料等有效阻止并降低Na+对植物的胁迫，为园林乔木根系活动层建立良好的肥、水、盐生态系统。

图1 试验装置图

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，其盐分种类与含量见表2。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，9个土柱补水量一致。

表2 供试地下水的盐分种类与含量

1.2.2 PHCC构建与试验方法

依据L9(34)正交表(表3)建构不同结构的PHCC，移入预留的穴坑内，穴内土壤表层比穴外盐渍土高出5cm。PHCC中园林乔木为2年生的臭椿(Ailanthusaltissima)，白榆(UlmuspumilaL.)和绒毛白蜡(FraxinustomentosaMichx f.)。边缘材料采用敷膜无纺布H型、P型和膜M，其中无纺布H型是将无纺布用浓度为25%的聚马来酸酐(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；无纺布P型则用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来源于废弃的卷式反渗透膜，取其膜层折叠成30cm×30cm×45cm的开口袋，袋底刺5个3～5mm透水孔。衬底材料为草炭、树皮、秸秆(其中秸秆、树皮均需要破碎)，按试验方案称取1.5kg装填至袋底。因沸石具有较佳的隔盐降盐效果[17]，故将沸石与绿地土以掺混方式制备穴内土，分别按表3中用量掺入。植物养护条件实行统一标准管理。

土柱试验于2010年9月至2011年9月在室内(320m2温室)进行，其中9月到次年5月下旬为苗木适应期，5月23日到9月20日为试验监测期。

1.2.3 数据采集与处理

监测期每6天用钠离子测定仪(型号GDYS-104SM，上海始恒仪器设备有限公司)实施现场定位测读，即在穴内南北2个点位的5cm、20cm、35cm等3个深度及穴外同等深度的3个取样口分别测读其Na+含量，每1测点每次测读3个相近的Na+含量后取平均。考虑到PHCC内外Na+含量是一个随时间变化的动态值，故引入序时平均数[13]，见公式(1)[13]，将PHCC内外3个深度的Na+测定值代入后计算出不同深度的序时平均值，再求出0～45cm深度范围内的加权平均值，作为穴内、外该范围Na+含量变化的考量值。

2 结果与分析

2.1 影响因素的极差分析

以PHCC结构组分之耐盐树木、边缘材料、衬底材料、沸石用量为自变量，PHCC内外Na+的相对变化为因变量，进行正交分析。为直观反映PHCC内外Na+含量的同步动态变化，以PHCC内外Na+含量的相对降低率Yi，即PHCC外Na+量序时平均数与其内Na+量序时平均数之差，占PHCC外Na+量的百分比，见公式(2)所示，作为评价PHCC结构阻盐成效的表征值，见表3。依据公式(1)计算整理后的数据已列入表3，通过对试验数据的级差计算，可知PHCC结构因素耐盐树木、边缘材料、衬底材料和沸石用量对设施内外Na+含量相对降低率的影响级差分别为2.96、9.07、5.78、1.62，试验数据的方差分析结果见表4。

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

表3 L9(34)PHCC与穴内外Na+相对含量的极差分析表

注：n为试验数，m为重复或平行次数，本方案中n=9，m=3；c.Rj为级差，Rj=Max(k1,k2,k3)-Min(k1,k2,k3)。

表4 L9(34)PHCC与穴内外Na+含量相对变化值的方差分析表

注:F0.01(2,18)=6.01，F0.05(2,18)=3.55，F0.1(2,18)=2.62；F>F0.01(2,18)***为极显著；F0.05(2,18)

根据表3和表4的计算结果，分析讨论如下。

(1)表3极差分析可知，PHCC结构阻盐成效较佳的因素、水平组合为A3B3C1D1，即耐盐植物为绒毛白蜡，边缘材料为反渗透膜，衬底材料为草炭，沸石用量为100g；由表4的方差分析可知，除沸石用量为较显著外，其余各因素对Na+增量控制均为极显著。由各因素F比的大小看，其影响大小排序为，B(边缘材料)>C(衬底材料)>A(耐盐树木)>D(沸石用量)。

(2)边缘材料(B)对限制PHCC内Na+增长量的影响居首位。这是因为边缘材料是阻断底部与周边盐渍土环境Na+浸入的第一道屏障，即阻断毛管水的上升运动和周边水盐的浸入。在3种边缘材料中以反渗透膜对Na+的相对控制量最大，无纺布P(PVA+PAM)的控制量最小，两者相差9.07%。这主要是反渗透膜在自然渗透压条件下，不可能进行反渗透作用所致；而PVA、PAM和 HPMA虽常作为盐渍土改良剂，并在前期试验中具有良好的成膜性、离子代换性和缓蚀性，但因长期处于潮湿环境，且容量有限，又易溶于水，致使对Na+的拦截作用不具可持续性。

(3)衬底材料(C)在PHCC内对Na+的控制作用居第二位。其功能主要用于改善PHCC内的土壤结构与增强肥力，阻断与原土的水盐垂直交换作用。3种衬底材料中，草炭对Na+的相对控制量最大，分别比树皮和秸秆高出5.78%、4.68%。这主要是因为草炭已具有较好的土壤团聚体结构，可交换离子多且容量大，阻断水盐垂直运移及促进离子交换作用强，而树皮和秸秆还未形成腐殖质土，不具土壤团聚体结构优良特性之故[18]。

(4)耐盐树木(A)对降低PHCC内Na+含量的作用排名第三，且也极显著。其中绒毛白蜡消除Na+含量居首，同臭椿与白榆相比，分别相差1.86%和2.96%。究其原因是初植树木根毛主要集中在穴内，绒毛白蜡与臭椿为专性耐盐树种，而白榆仅属差一级的兼性耐盐树种[19]。另外，树木通过蒸腾作用使地下水位降低，超出了土壤毛管作用的临界高度，加之树冠遮阴，减少土壤蒸发[20]，使Na+在表土聚集失去了随水分运移的载体与动力补给，也是降低盐渍化发生机率的主要原因。

(5)沸石用量与减少Na+含量的贡献为较显著，排名最后，而且以用量最少的100g为贡献率最大，用量200g贡献率最小，二者相差1.62%。斜发沸石具有高孔隙率与吸附力及阳离子交换的离子泵作用[21～23]。其阳离子交换能力大小取决于离子水合能的大小，而水合能大小又与其离子半径成反比，即交换顺序为Cs+>Rb+>NH4+>K+>Na+>Li+>Ba2+>Sr+>Ca2+>Mg2+。因此，由于进入PHCC内土壤中的Na+的有限性，加上沸石吸附饱和与交换的限定，使PHCC内Na+的含量随沸石量的增加而减少。

2.2 最佳PHCC组装对Na+控制成效的工程平均估计

依据本试验所选取的因素、水平可以有81种组合方式，其中由级差分析得到的优水平组合A3B3C1D1并不在L9(34)正交表(表3)所列的9组试验中，为此采用一种工程平均估计方法来获取该试验条件下所有组合可能达到的效果，即某组合的工程平均估计值及其变动范围，该方法的计算过程如下，以A3B3C1D1为例。

由数理统计学得知，试验数据总平均是比较各因子不同水平差别的基准。要了解某因子某一水平的试验数据比总平均多或少，需要计算这个因子在该水平下的数据平均值与总平均的偏差，此偏差即为因子在该水平下的效应，见式(4)所示，PHCC结构因子A(耐盐植物)、B(边缘材料)、C(衬底材料)、D(沸石用量)的水平效应计算值见表5。

Tkj=Ykj-Yi(4),式中，Tkj表示j因子在k水平下的效应；Ykj表示j因子在k水平下的数据平均值；Yi表示各因子在i水平下的总平均值，Yi=G/(n·m)。

表5 各因子某水平对PHCC内Na+的水平效应值

由公式(4)可知，A3B3C1D1各因子对应的水平效应分别为,因子A：绒毛白蜡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)。

某组合的工程平均估计值μij为，μij=Yi+Tkj(9)。

依据式(9)组合A3B3C1D1的工程平均估计值为：μA3B3C1D1=77.85+1.61+5.53+3.48+0.87=89.34 (10)

根据表4,Se(平均偏差平方和)=19.78；e(误差自由度)=18；F0.05(2,18)=3.55；ne(有效重复数)=数据总个数/(1+显著因子自由度之和)=27/(1+8)=3，其变动范围δ值：δ0.05==±1.140 33(11),即可靠性95 %的估计区间为,[89.34+1.1 403,89.34-1.1 403]=[90.48，88.20]。也就是说，如果按A3B3C1D1组装PHCC，即树种选用绒毛白蜡，边缘材料为反渗透膜，衬底材料为草炭，沸石用量为100g，可使PHCC内Na+量比穴外减少88.20%～90.48%，其可靠性95%。同理也可通过此法，依次得到其余80种组合的工程平均估计值。

3 结论

(1)在盐渍土区种植园林绿化树种，利用植穴结构体(PHCC)各结构因素对其穴内Na+量实施控制，以用于降低Na+对树木的胁迫作用，其成效是显著的。

(2)通过L9(34)正交试验筛选的最优组合类型为A3B3C1D1，即耐盐植物为绒毛白蜡，边缘材料为反渗透膜，衬底材料为草炭，沸石用量为100g，如用于盐渍土区园林乔木绿化示范工程，可使PHCC内Na+量比穴外减少89.34%，变动范围在±1.140 3之间，其可靠性为95%，可为北方盐渍土绿化工程技术组装提供参考。

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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

天津市自然科学基金项目(15JCZDJC40100),天津科技支撑计划重点项目(12ZCZDSF1900、08ZCGYSF02500),国家科

吴丽萍(1969-)，女，教授，博士，主要从事水土污染控制与生物修复研究。E-mail：wlpzr1106@126.com

简介：文科军(1957-)，男，教授，博士后，主要从事水土污染控制与生物修复研究。E-mail：wenkejun@126.com

S 156.4

A

1672-8246(2016)06-0056-06

技支撑计划项目(2009BAC55B03-1)。