不同暗沟间距对垂柳光谱和光合特性的影响

宋沙沙, 何欣燕, 赵海艳, 乔雪涛, 何 俊, 孙兆军, 范秀华

(1.北京林业大学 森林资源与生态系统过程北京市重点实验室,北京 100083; 2.宁夏大学 新技术应用研究开发中心, 宁夏 银川 750021)

不同暗沟间距对垂柳光谱和光合特性的影响

宋沙沙1, 何欣燕1, 赵海艳1, 乔雪涛1, 何 俊2, 孙兆军2, 范秀华1

(1.北京林业大学 森林资源与生态系统过程北京市重点实验室,北京 100083; 2.宁夏大学 新技术应用研究开发中心, 宁夏 银川 750021)

[目的] 通过评估不同处理的改良效果,为西北地区利用暗沟处理措施改良盐碱土提供理论依据,从而解决西北地区大面积的盐渍土现象,实现土地的高效利用。[方法] 以2年生垂柳为试验材料,对比分析了不同暗沟间距处理措施(CK为对照;T1为暗沟间距3 m;T2为暗沟间距6 m;T3为暗沟间距9 m;T4为暗沟间距15 m)对土壤理化性质、垂柳的生长和叶片光谱光合特性的影响。[结果] (1) 4种处理的土壤含水率、pH值和土壤含盐量与对照相比均有所降低;除T4处理外,其余处理均与对照之间具有显著性差异(p<0.05),T3处理的土壤含盐量下降最多。(2) 通过处理垂柳的各项生长指标均比对照组有所提高,T1处理效果最好,T4处理效果最差,T1与T2,T3处理之间差异不显著(p>0.05)。(3) 4种暗沟间距处理都能显著提高垂柳的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)和叶绿素含量,T1与T2,T3处理之间差异不显著(p>0.05),T4处理效果不及另外3种处理。[结论] 在西北地区采用挖设暗沟排盐的方法可以有效排出盐分,综合考虑经济成本等因素,T3处理为最佳方案。

盐碱化; 暗沟; 垂柳; 土壤理化性质; 光谱; 光合

据统计，世界范围内的盐碱地面积已达到1.0×109hm2，中国盐碱地面积已有3.46×107hm2[1]。20世纪末至21世纪初以来,中国人地矛盾愈发激烈,因此，盐碱土地的改良利用和生态农业的高效发展对于扩充土地面积，提升耕地生产力水平具有重要的现实意义[2]。宁夏地处中温带干旱区，常年干旱少雨，蒸发强烈，再加上宁夏地区一直以来农业灌溉多采用黄河水大水漫灌，长期以往，造成次生盐渍化现象[3]。盐碱地主要分为：自然发生的原生盐碱化及由于人类活动引发的次生盐碱化[4]。土壤发生盐碱化后对植物的伤害分为中性盐(如NaCl，Na2SO4)和碱性盐(如Na2CO3，NaHCO3)的胁迫。过量的盐分通过渗透和离子毒害作用，引起营养失调，限制植物必需营养元素的吸收，导致农作物减产或者植物受损[5-6]。碱胁迫能够破坏离子平衡，造成微量元素缺乏，改变植物体内抗氧化酶、氨基酸和碳水化合物组分[7-10]。

对于盐碱地的治理，国内外都进行了一系列相关研究，国内相较于国外起步较晚，治理方式主要分为4种：生物治理、化学治理、物理治理和水利治理。

盐渍土的形成跟水有密不可分的关系,遵循“盐随水来,盐随水去”的水盐运移原理。预防盐碱危害从控制水着手,一方面应控制地下水位保持在临界水位以下,另一方面减少地下水蒸发。水利治理的关键是保证良好的排水状态，通过水的淋洗作用将盐分带走，降低地下水位，排出高矿化度的地下水[11-13]。目前为止，应用暗沟技术改良盐碱地的研究较少，而且存在一定的弊端。任玉民等[14]、杨延春等[15]分别在辽宁省西南部和江苏滨海盐碱地研究了不同暗沟间距及不同暗沟深度对盐碱地的改良效果，取得了很好的效果，结果表明，暗沟提升了地下水的排降速度，并且暗沟间距越小，地下水排降速度越快。但试验中暗沟的填埋材料存在易分解、持续时间短等缺点。因此，本研究选用砾石作为填埋材料进行改进研究。

垂柳(Salixbabylonica)分布广泛，成本低廉，是园林绿化中常用的行道树，喜生活在湿地和水边，中度耐盐碱，因此是用于盐碱地植物改良和干旱地区的防护林建设的重要树种。本文拟以垂柳为试验材料，研究大田中不同暗沟间距对西北地区盐渍土的土壤特性及垂柳生长的影响，从而评估不同暗沟间距的控盐改土效果，以期为西北地区大面积盐渍土改良和防护林营造等林业生态工程建设提供理论依据,通过改良大面积的盐碱土地，植树种草，增加植被覆盖率，保护利用水土资源，防止水土流失。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

试验区位于宁夏回族自治区(以下简称宁夏)吴忠市树新林场，位于黄河上游，宁夏平原中部，地处105°21′—106°21′E，37°36′—38°15′N。该区为中温带大陆性气候，冬无严寒，夏无酷暑，四季分明，昼夜温差大，全年日照数2 955 h，年平均气温8.5 ℃左右，无霜期176 d，年降水量260.7 mm。试验区土壤为碱化盐土，pH值8.5，全盐平均4.6 g/kg，碱化度22%左右。一般地下水位1.5 m左右。土壤质地黏重，透水性差，矿化度为0.6～15 g/L(表1)。

1.2 试验材料与方法

选取垂柳为试验树种，种植时间为2015年5月。树木种植之前，对试验区土壤进行改良。每个小区按照脱硫石膏22.5 t/hm2，糠醛渣15 t/hm2，牛粪45 m3/hm2的标准施入改良物料，并通过深翻和旋耕使改良物料与表层土壤充分混合。树坑直径1.0 m，深1.0 m。在树坑底部设置15 cm秸秆垫层，同时将坑土与脱硫石膏4.5 kg/坑，糠醛渣3 kg/坑，牛粪0.009 m3/坑充分混合后回填。种植间距3 m×3 m，栽植垂柳苗木均为2年生带土根苗，栽植方法为截干栽植，栽培管理措施一致，每月灌溉1次，所有处理灌水量相同。

试验共设置5个处理：T1为暗沟间距3 m，T2为暗沟间距6 m，T3为暗沟间距9 m，T4为暗沟间距15 m，CK为对照。暗沟设计标准：沟宽0.8 m，沟北侧深1.0 m，沟南侧深1.2 m，沟底砾石垫层30 cm，秸秆垫层10 cm。试验区的外侧设置了1.5 m深的明沟用于排水。试验区大小为81 m×30 m，共有垂柳104棵。

1.3 土壤理化指标的测定

每个小区采集表层土壤样品(0—20 cm)，3次重复，土壤含水量采用烘干法测定；土样自然风干后过1 mm土壤筛进行理化性质的测定，按5∶1水土比与去离子水混合，充分振荡摇匀再过滤，取上清液测定pH值和电导率，pH值用SartoriusPB-10 pH计测量，电导率用MP522电导率仪测定，全盐采用电导法测定。

1.4 生长指标的测定

于2016年8月测定垂柳的株高，冠幅(南北、东西)，胸径(南北、东西)以及成活率。每个处理测定4个重复，每个重复选取2棵树。

1.5 叶片光合特性测定

2016年7月27—29日，在晴朗无云的3 d中，对垂柳叶片进行光合特性测定。利用TPS-2便携式光合分析仪测定垂柳叶片的净光合速率〔Pn, μmol/(m2·s)〕、气孔导度〔Gs, mmol/(m2·s)〕、蒸腾速率〔Tr, mmol/(m2·s)〕和胞间CO2浓度(Ci, 10-6)。同时记录光合有效辐射(PAR)、环境CO2浓度〔Ca, μmol/(m2·s)〕、空气相对湿度(RH, %)和气温(Ta,℃)等环境参数。每个处理选择4株垂柳，每株选取树冠中部4个方位的4片生长良好的成熟叶片进行活体测定，当光合速率趋于稳定时，记录3次数值，取平均值。最后数值均为3 d的平均值。叶片瞬时水分利用效率(LWUE, μmol/mol)的计算公式为：LWUE=Pn/Tr。

1.6 叶片光谱特性的测定

本试验采用Unispec-SC光谱仪进行叶片反射光谱的测量，测定的波长范围是310～1 130 nm,测定时卤光灯的光强设定为100%,整合时间4 ms,重复扫描次数设置为3次,叶夹上光纤探头与叶片成60°夹角,每10 min进行一次参比扫描。每个处理4个重复，每个重复选取2株垂柳，每株垂柳选取5片叶子，每片叶片测4个不同的位置。采集时间为2016年8月，叶片采用离体测定，且在4 h内进行测定[16]。

光谱仪数据利用Multispec5.1软件进行初步处理，得到光谱反射率Rλ。常用的光谱指数有植被归一化指数(NDVI, normalized difference vegetation index)，NDVI =(R750-R675)/(R750+R675)[17]；结构不敏感植被光谱指数(SIPI， structure independent pigment index)，SIPI=(R800-R445)/(R800+R680)计算[18]；光化学反射指数(PRI， photochemical reflectance index)：PRI =(R531-R570)/(R531+R570)[19]；叶绿素归一化指数(ChlNDI, chlorophyll normalized index)，其计算公式为：ChlNDI=(R750-R705)/(R750+R705)[20]。本文中对这4种光谱指数均进行了计算。红边位置(red wavelength,λRed)是红光范围内反射光谱的一阶导数最大值所对应的波长。

1.7 统计分析

统计分析运用Excel 2010和SPSS 19.0软件，数据均为4次重复的平均值±标准差，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同数据组间的差异显著性，水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同暗沟间距对土壤理化性质的影响

由表2可以看出，4种处理的土壤含水率均小于CK，随着暗沟间距的减小，土壤含水率逐渐减小，T4处理与CK差异不显著(p>0.05)，其余处理之间均差异显著(p<0.05)；4种处理的pH值均小于对照，并且与CK之间差异显著(p<0.05)，T1，T2和T3处理之间差异不显著(p>0.05)；同样，通过处理，土壤含盐量降低，4种处理均与CK差异显著(p<0.05)，T1，T2和T3处理之间差异不显著(p>0.05)。

注：同列中不同小写字母代表处理间在0.05水平上差异显著。下同。

2.2 不同暗沟间距对垂柳生长的影响

4个处理中，垂柳的胸径、冠幅和树高均大于CK植株(表3)。其中，4个处理的东西冠幅均与CK之间具有显著差异(p<0.05)，与CK相比,T1，T2，T3和T4处理的东西冠幅分别增加了45%，43%，47%和20%；T1，T2和T3处理的树高、胸径和南北冠幅与CK差异显著(p<0.05)，而T4处理的树高、胸径和南北冠幅均与CK差异不显著(p>0.05)，东西冠幅与CK差异显著(p<0.05)。说明T1，T2和T3处理对垂柳生长影响效果大致相同；与CK相比，T4处理对垂柳生长效果无显著提高。

2.3不同暗沟间距处理对垂柳叶片光合特性和水分利用效率的影响

从图1可以看出，通过不同暗沟间距处理，净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)和水分利用效率(LWUE)值与CK相比均有显著差异(p<0.05)。T1处理垂柳的Gs与T2和T3处理下的Gs不具有显著差异(p>0.05)，其余各处理垂柳的Gs值均具有显著差异(p<0.05)，4种处理下的Gs值均高于CK；T1和T4处理下垂柳的Tr值差异不显著(p>0.05)，T2和T3处理下垂柳的Tr值不具有显著差异(p>0.05)，其余各处理垂柳的Tr值均具有显著差异(p<0.05)，4种处理下的Tr值均高于CK；对于Pn来说，T1的Pn值略小于T2，并且两者之间差异不显著(p>0.05)，其余各处理之间均差异显著(p<0.05)，但T1，T2和T3处理间Ci值差异不显著(p>0.05)；暗沟处理对垂柳叶片水分利用效率的影响与Pn，Gs，Tr，Ci不同,CK的LWUE值显著高于T4，T3和T2处理(p<0.05)，但低于T1处理，且具有显著性差异(p<0.05)。

2.4不同暗沟间距处理对垂柳叶片反射光谱参数的影响

2.4.1 不同处理下垂柳叶片反射光谱特征 由图2可以看出不同处理下，垂柳叶片的反射光谱曲线均具有典型的反射光谱特征，在420～500 nm处出现蓝光谷，600～680 nm处出现红光谷，680～740 nm处出现红边区的快速上升，以及780～1 000 nm的近红外高原平台现象。但是反射光谱的反射率大小在不同处理方法下则存在差异，尤其是在525～605 nm的绿光区和780～1 000 nm的近红外区差异明显，并且CK明显高于其他处理，在780～1 000 nm的区域，T4处理下的反射光谱曲线高于CK。

从垂柳叶片的一阶导数曲线可以看出，5种处理的整体变化趋势也是一致的，在505～545 nm的蓝光区和680～750 nm的红光区出现最大峰值，560～640 nm的黄光区出现最小峰值，但5种处理的一阶导数曲线差异变化不大，单从图中无法看出红边位置的位移情况。

2.4.2 不同处理下垂柳叶片反射光谱参数变化 由表4可以看出，4种暗沟间隔处理的光谱参数PRI和NDVI均大于CK，并且与CK的差异显著(p<0.05)，说明4种处理下的植物光合速率更高，因此含有更多的叶绿素；对于光谱参数SIPI来说CK>T4>T3>T2>T1，说明CK植物受到的胁迫最大，叶绿素的含量较低，而类胡萝卜素的含量较高；T1，T2和T3的ChlNDI值均大于CK，并且差异显著(p<0.05)，T4处理下的ChlNDI值稍小于CK，但与CK差异不显著(p>0.05)。经过暗沟处理后，植物的生长均得到了不同程度的改善，T1，T2和T3处理效果较好。

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(p<0.05)。

图2 垂柳叶片反射光谱曲线和一阶导数曲线

处理NDVISIPIPRIChlNDIT10.850±0.013a0.806±0.016c0.045±0.008a0.548±0.024aT20.845±0.015b0.819±0.013b0.044±0.007a0.547±0.022aT30.841±0.015c0.820±0.015b0.043±0.007a0.549±0.024aT40.835±0.014d0.821±0.012b0.033±0.007c0.523±0.026bCK0.837±0.014d0.830±0.014a0.035±0.010b0.525±0.037b

3 讨 论

3.1 不同暗沟间距处理对土壤理化性质的影响

由表2看出，随着暗沟间距的减小，土壤含水量逐渐降低，pH值和土壤含盐量下降，T1，T2和T3处理的土壤含盐量差异不显著，原因是暗沟越密集，排水越快，导致土壤水分含量下降，而盐分离子溶于水中随水排出，由于T1和T2处理的暗沟间距较密集，排水速度过快，使得盐分没有充分溶解在水中，所以和T3处理相比pH值和土壤含盐量差异并不显著，T4处理下的盐分离子虽然可以较充分地溶解于水中，但是由于排水速度慢，而当地蒸发强烈，使得水分在排出之前蒸发掉，盐分留在土壤中，并未大幅度下降。

3.2 不同暗沟间距处理对垂柳生长的影响

植物在盐碱胁迫下最为明显的表现是其生长受到抑制[21]，因此植物在受到胁迫的时候，会通过改变生长和形态特征，如降低植株高度、叶面积和冠幅大小等来适应逆境条件，从而保证植物在逆境条件下的存活和生长[22-23]，每种植物都有自己可以存活的盐碱适应范围，在这个范围内，便可以正常生长，反之，则会生长受损甚至死亡。本试验中，通过设置暗沟处理，与CK相比，植物的生长指标均有不同程度的改善，其中T4处理下的植物生长指标与CK相比有所提高，但是差异不显著，而其他3种处理植物生长指标与CK相比有显著提高，T1处理的改良效果最好，但与T2和T3处理相比，差异不明显，说明在这3种处理下，土壤的盐碱值均下降到了垂柳可以正常生长的范围。

由表2和表3可以看出，不同处理的树高、胸径和冠幅的变化规律与土壤的pH值和含盐量的变化规律相似，并且树高的变化规律与土壤含水率相反，说明影响植物生长的因素是土壤的pH值和含盐量，土壤含水量在20%以上为垂柳生长的适宜范围，本研究的T1处理和T2处理的土壤含水率均低于20%，但本文中植物的生长并没有受到影响，可能的原因是垂柳的形态指标对土壤含水率的响应不够敏感，此范围的土壤含水量还不足以对垂柳的生长产生影响。

3.3不同暗沟间距处理对垂柳光合及水分利用效率的影响

随着暗沟间距的减小，垂柳的净光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度大体呈升高趋势,说明垂柳净光合速率的下降主要是由气孔因素引起的。植物气孔具有尽可能维持一个适度开度的特性，以保证光合作用和蒸腾作用的正常进行。气孔导度与胞间二氧化碳浓度、蒸腾、饱和差、叶水势和土壤水分等要素间存在着复杂的反馈和前馈作用，胞间二氧化碳浓度降低使得大量K+进入保卫细胞，保卫细胞膨胀，气孔张开，允许二氧化碳作为光合原料扩散进入叶片；相反，胞间二氧化碳浓度升高，气孔关闭。当蒸腾作用过于强烈，前馈机制启动，保卫细胞的膨胀度变弱，气孔发生关闭。当土壤水分不足，植物根部产生ABA，并随着蒸腾作用所需的水分输送到叶片，气孔接收到水分亏缺的信号，发生关闭[24]。土壤含水量在20%以上为垂柳生长的适宜范围，T1处理的土壤含水量较低，造成土壤水分亏缺，而土壤水分亏缺使Tr有所降低。所以即使3种处理的pH值和土壤含盐量差异不显著，但T1处理的Tr显著小于T2和T3处理。叶片的水分利用效率(LWUE)是叶片在气体交换过程中二氧化碳和水汽的交换比率，其比值大小可用来反映植物适应逆境的能力强弱。影响LWUE 的重要外部和内部因素分别为土壤水分含量和叶片气孔导度[25]。当植物通过气孔的开闭(气孔导度大小)在得到二氧化碳和失去水分的调节中达到最优时，植物的水分利用效率达到最大值。在自然界中，环境对LWUE的影响是多种相互关联的因子共同作用的结果，LWUE的变化取决于光合和蒸腾两者之间增大幅度的对比。T1处理的蒸腾速率低，而T1处理的光合速率又较高，因此T1处理具有最高的水分利用效率。当不做暗沟处理或暗沟处理间距较大的时候，垂柳的光合速率、蒸腾速率和水分利用效率都减小，但水分利用效率仍高于其他处理，说明植物可以通过自身的主动调节适应胁迫，但超出一定范围后，则无法通过这种作用抵消胁迫对光合的影响。

3.4不同暗沟间距处理对垂柳叶片反射光谱参数的影响

T4处理和CK的反射光谱曲线明显高于其他处理，说明这2种处理没有起到好的控盐改土效果，植物叶片的叶绿素含量较低。色素是影响植物光谱响应的主要因素，其中叶绿素所起的作用最为重要。健康的绿色植被，其光谱反射曲线呈现“峰和谷”的图形。

植物叶片光合色素主要包含叶绿素和类胡萝卜素。NDVI，ChlNDI是常用的光谱指数，均与叶绿素含量呈正相关的关系，但NDVI 对叶绿素含量表现出一定的饱和性，ChlNDI 则恰好弥补了这一不足。试验结果显示通过不同暗沟间距处理，垂柳叶片的叶绿素含量得到不同程度的提高，较明显的是T1，T2和T3处理，说明植物可以在其生长环境下有一个更好地生长，且3种处理之间差异不显著；单位叶绿素的类胡萝卜素含量可反映植物受胁迫的情况，当含量高时，说明植物受到较强胁迫[26]。试验结果中CK的SIPI值最大，说明不做暗沟处理的垂柳受到的胁迫最严重，T1处理下的效果最好。

4 结 论

通过处理，与CK相比，4种处理下的土壤理化指标、生长指标、光合指标与光谱指标均得到了不同程度的改善，其中，T1，T2和T3处理的效果更加显著，且3种处理之间差异不大，而T4处理改良效果不明显。

综合所有的试验结果可以看出，通过不同暗沟间距处理，植物的生长均得到了不同程度的改善，但综合考虑经济成本和人力耗损来看，最优的试验方案是T3处理即开设9 m的暗沟间距，既可以达到所需的试验效果，又可以节省成本。

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EffectsofBlindDitchSpacingonSpectralandPhotosyntheticCharacteristicsofSalixBabylonica

SONG Shasha1, HE Xinyan1, ZHAO Haiyan1,QIAO Xuetao1, HE Jun2, SUN Zhaojun2, FAN Xiuhua1

(1.TheKeyLaboratoryforForestResources&EcosystemProcessesofBeijing,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 2.ResearchandDevelopmentCenterofNewTechnologyApplication,NingxiaUniversity,Yinchuan,NingxiaHuiAutonomousRegin750021,China)

[Objective] The aim of the study was to provide theoretical basis for the improvement of saline soils by evaluating the improvements in different spacing treatments of blind ditch in the northwest area. Whereby, the salinization prevailed in the widespread area of Northwest China was expected to be restrain and the lands were expected to be use efficiently. [Methods] Saline soil and Two years oldSalixbabylonicagrowing on it was used as the experimental materials. The effects of different blind ditch spacing (CK was control,T1was 3 m,T2was 6 m,T3was 9 m,T4was 15 m) on soil physical and chemical properties, the growth, leaf spectral photosynthetic characteristics of weeping willow were studied. [Results] (1) Soil water content, pH value and soil salinity of the four treatments were all lower than the corresponding values of the control. The water content of 4 treatments were significantly different from the control (p<0.05) except T4. The soil salinity of T3treatment decreased the most. (2) All the growth indexes of weeping willow were improved in comparison with those of the control treatment. The effect of T1ditch spacing treatment is the best and T4treatment is the worst. The differences among T1and T2and T3treatments were not significant(p>0.05).(3) Four kinds of ditch spacing treatment significantly increased the leaf photosynthetic rate(Pn), transpiration rate (Tr), stomata conductance (Gs) and chlorophyll content of weeping willows. The differences among T1and T2and T3treatments were not significant (p>0.05). The effect of T4spacing treatment is less than the ones of other three treatments.[Conclusion] Therefore, the ditch spacing treatment can effectively discharge salt. When selecting the blind ditch spacing, T3ditch spacing treatment is the best solution for its low economic cost.

salinization;blindditch;Salixbabylonica;soilphysicalandchemicalproperties;spectral;photosynthetic

A

1000-288X(2017)05-0086-06

S156.4

文献参数： 宋沙沙, 何欣燕, 赵海艳, 等.不同暗沟间距对垂柳光谱和光合特性的影响[J].水土保持通报，2017,37(5)：86-91.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.015； Song Shasha, He Xinyan, Zhao Haiyan, et al. Effects of blind ditch spacing on spectral and photosynthetic characteristics ofSalixbabylonica[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：86-91.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.015

2017-03-08

2017-04-07

国家林业公益性行业科研专项“西北盐碱地生态恢复关键技术研究与示范”(201504402)

宋沙沙(1992—),女(汉族),山东省德州市人,硕士研究生,主要研究方向为光与植物生理生态。E-mail:292227154@qq.com。

孙兆军(1963—),男(汉族),宁夏回族自治区银川市人,博士,研究员,主要从事农业水土工程研究。E-mail:sunzhaojunyx@126.com。