全 文 ：第 35 卷第 5 期
2015年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.5
Mar.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:北京市自然科学基金(2122044); 国家“十一五冶科技支撑计划课题(2009BADB2B0504)
收稿日期:2013鄄03鄄09; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄07鄄14
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: lisuyan@ bjfu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201403090402
王琳琳, 李素艳, 孙向阳, 张涛, 付颖, 张红蕾.不同隔盐措施对滨海盐碱地土壤水盐运移及刺槐光合特性的影响.生态学报,2015,35(5):
1388鄄1398.
Wang L L, Li S Y, Sun X Y, Zhang T, Fu Y, Zhang H L.Application of salt鄄isolation materials to a coastal region: effects on soil water and salt movement
and photosynthetic characteristics of Robinia pseudoacacia.Acta Ecologica Sinica,2015,35(5):1388鄄1398.
不同隔盐措施对滨海盐碱地土壤水盐运移及刺槐光合
特性的影响
王琳琳1, 李素艳1,*, 孙向阳1, 张摇 涛1, 付摇 颖1, 张红蕾2
1 北京林业大学林学院, 北京摇 100083
2 呼伦贝尔市林业科学研究所, 呼伦贝尔摇 021008
摘要:土地盐碱化是限制土地资源利用的一个主要障碍,在耕地面积逐渐减少的今天,改良利用盐碱地早已提上了科学日程。
在天津滨海盐碱地区,通过田间完全随机区组实验设计,对比分析了 4 种土壤盐分隔离措施(对照鄄不设隔盐处理,CK;沸石隔
盐处理,FS;陶粒隔盐处理,TL;河沙隔盐处理,HS)对 0—80 cm土层水盐运移及刺槐(Robinia pseudoacacia)光合特性的影响,目
的是通过评估不同隔盐材料的控盐改土效果,为滨海地区盐渍土改良和沿海防护林营造等林业生态工程建设提供理论依据。
研究结果表明:(1) FS和 TL可以显著提高土壤相对水分含量,为刺槐生长创造更加适宜的水分环境。 FS 导致 0—80 cm 土体
内盐分含量和土壤盐溶质浓度显著降低,控盐效果显著。 TL仅在 40 cm 以下土层有显著降盐效果,控盐效果仅次于 FS。 与对
照相比,HS对 0—80 cm土体内盐分含量和土壤盐溶质浓度无显著影响,降盐效果最差。 (2) FS处理能显著提高刺槐的净光合
速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)及叶片水分利用效率(LWUE),降低胞间 CO2浓度(Ci)。 TL 可显著提高刺槐叶片的
Pn、Tr,但改善效果不及 FS,并且其对 Gs、Ci和 LWUE没有显著影响。 与对照相比,HS虽然能显著增加刺槐叶片 Pn和 Tr,但却
导致 LWUE显著降低。 综上所述,在滨海地区采用沸石作为隔盐材料比采用传统材料河沙更能有效保水降盐,促进植物光合
及生长,可以作为滨海盐碱地区隔盐材料的优先选择。
关键词:隔盐层; 沸石; 陶粒; 河沙; 光合特性; 滨海盐碱土; 刺槐
Application of salt鄄isolation materials to a coastal region: effects on soil water and
salt movement and photosynthetic characteristics of Robinia pseudoacacia
WANG Linlin1, LI Suyan1,*, SUN Xiangyang1, ZHANG Tao1, FU Ying1, ZHANG Honglei2
1 College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
2 Forestry Research Institute of Hulun Buir, Hulun Buir 021008, China
Abstract: Soil salinization is a major obstacle to the optimal utilization of land resources. Salt鄄affected soils are widely
distributed throughout the world. The present extent of salt鄄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鄄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鄄isolation interlayers establishment,
very little is known about their effects on saline soil. Here, we used three salt鄄isolation materials to restrict the water and
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salt movements in saline soil: zeolite, ceramsite and river sand. The aim of this study was to assess the effects of salt鄄
isolation interlayers application on soil water and salt movements in saline soil and on the photosynthetic characteristics of
Robinia pseudoacacia in 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鄄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鄄tolerant Plant Science and Technology Park,
Dagang, Tianjin, China. An experiment was conducted with four treatments:(1) No addition of slat鄄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鄄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伊 3 m. Each planting site was 1 m伊 1 m伊 1 m. The results indicated:
(1) Salt鄄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 CO2 concentration (Ci). TL treatment can also significantly enhance Pn、Tr, but it had no significant effects on
Gs、Ci and LWUE. HS treatment had significantly increased Pn and Tr, and reduced LWUE. We concluded that the zeolite
was an optimal salt鄄isolation material in controlling salt movement in saline soil and improving tree growth in the coastal
regions.
Key Words: salt鄄isolation interlayer; zeolite; ceramsite; river sand; photosynthetic characteristics; coastal saline鄄alkaline
land; Robinia pseudoacacia
我国盐渍土面积大且分布广,其中约 1.0伊106 hm2滨海盐碱土分布在漫长的滨海地带[1]。 滨海盐碱地区
的生态系统非常脆弱,由于气候干旱、降雨集中、海水侵浸、河流改道泛滥等原因,土壤盐碱化程度不断扩大,
使农林业可持续发展面临严峻挑战。
长期以来,盐碱土改良主要采用灌溉排水、添加覆盖物、施加化学改良剂,以及客土转移和耐盐植物种植
等措施[2鄄3]。 在盐渍土利用过程中,土壤水分无效蒸发,潜水上升是造成地表返盐的主要原因[4]。 因此,只要
能有效阻断潜水上升路径,促进下行重力水对土壤的淋洗,就能减轻盐分表聚现象,降低水分和盐分对植物的
胁迫。 基于此,通过工程措施建立盐分隔离层作为一种改良盐碱地的有效方法,被广泛采用。 国内外研究结
果表明[5鄄7],在土表下 35 cm或 80—100 cm处铺设沙子隔盐层,或在土表下 20 cm处或 30 cm处铺设秸秆层,
都可以显著降低土壤电导率,促进植物生长和代谢。 总体看来,有关土表下铺设隔层的研究大多采用室内一
维土柱模拟,试验条件也限定为单一的降雨或蒸发[8鄄9]。 而在野外,土壤要受到蒸发、降水、地形起伏、地下水
埋深等多种自然因素的影响,其水盐运动规律相较于室内试验要复杂的多。 当前通过铺设隔盐层进行盐碱地
改良的研究中,多选择河沙作为隔盐材料[10],且多数只在树穴底部铺设隔盐层,较少考虑侧壁隔盐层对盐分
的阻碍作用。 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]。 虽然这些材
料特点突出,但将其作为隔盐材料进行盐碱改良的研究罕有报道,其对盐分抑制能力的强弱仍不明确,因此本
文将对这 3种材料的隔盐效果进行评估。
刺槐(Robinia pseudoacacia)作为造林树种 1897年引入我国山东青岛,现在我国华北、西北等全国的 27个
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省、市区有栽培,以黄河中下游、淮河流域为主要栽培区,特别是在黄河三角洲地区,占造林总面积的 90%以
上[13]。 刺槐具有较强的耐盐抗旱能力,能在中性土、酸性土和含盐量 0.3%以下的轻、中度盐渍土上正常生
长[14],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[15]。 营建人工刺槐林可以为天津滨
海地区盐碱地改良和发挥生态屏障作用提供帮助。 对刺槐光合特性的研究,是分析环境因素影响其生长和代
谢的重要手段。 但目前对于刺槐生长特性的研究多集中于干旱地区的水分胁迫、盆栽试验及单一盐胁迫试验
等[16鄄17],而对工程改良后盐碱地自然状态下刺槐生长特性的对比研究较少。 由于天津滨海盐碱地具有典型
的生态地域代表性[18],因此本文以该地区盐碱土为研究对象,采用沸石、陶粒和河沙作为隔盐材料,在树穴底
部和侧壁铺设隔盐层并种植刺槐,研究大田中不同隔盐措施对滨海地区重度盐渍土 0—80 cm 土层水盐运移
及刺槐光合特性的影响,从而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
营造等林业生态工程建设提供理论依据。
1摇 研究区域与研究方法
1.1摇 研究区域概况
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毅46忆,东经 117毅13忆,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 益,气温最高月份出现在 7 月(26 益),气温最低月份出现在 1 月
(-4 益)。 该区地处中纬度,日照时间长,年平均日照时数为 2618 h,累计年太阳总辐射量 121.1伊4.184kJ /
cm2,生理辐射总量 61.544伊4.184kJ / cm2,无霜期约 211d。 年平均降水量 593.6 mm,雨水集中在 6—9月份,占
全年降水总量的 84%。 年平均蒸发量 1979 mm,是降水量的 3倍多。
所选试验地造林前为弃耕裸荒地,裸荒前曾种植过中华金叶榆 (Ulmus pumila cv. jinye)、玫瑰 (Rosa
rugosa)和美国白蜡(Fraxinus americana)。 试验区 0—100 cm层土壤为粗粉质轻壤土,砂粒占 22.4%,粉粒占
68%,粘粒占 9.6%。 试验地其他土壤物理性质指标见表 1。 地下水埋深变幅为 1.10—1.50 m。 试验区地势低
平,盐分表聚性明显,地表有盐霜或结皮,表层(0—20 cm)土壤全盐量为 8.74 g / kg,其中阳离子主要是 Na+离
子,占全盐量的 27.5%;阴离子主要是 Cl-和 SO2-4 ,分别占全盐量的 32.2%和 27.2%;pH 值为 7.75,电导率为
3郾 69 dS / m,按盐土分类为氯化物鄄硫酸盐土。
表 1摇 试验地土壤物理性质
Table 1摇 Physical properties of the experimental field
土层 / cm
Soil layer
土壤容重 / (g / cm3)
Soil bulk density
毛管孔隙度 / %
Capillary porosity
非毛管孔隙度 / %
Non-capillary porosity
总孔隙度 / %
Total porosity
田间持水量 / %
Field moisture capacity
0—10 1.50依0.02 41.31依0.27 2.15依0.05 43.45依0.32 26.8依0.01
10—20 1.53依0.02 42.23依0.39 2.00依0.10 44.23依0.39 28.3依0.02
20—40 1.49依0.04 43.80依1.01 2.00依0.10 45.80依1.11 29.5依0.02
40—60 1.51依0.07 43.49依1.47 2.10依0.05 45.59依1.51 29.1依0.03
60—80 1.53依0.03 33.35依0.18 2.92依1.15 36.27依1.32 32.1依0.03
1.2摇 试验材料与方法
试验共设置 4个处理:(1)对照鄄不设置隔盐处理(CK),(2)沸石隔盐处理(FS),(3)陶粒隔盐处理(TL)
和(4)河沙隔盐处理(HS)。 将盐碱水平一致的同一块试验地划分为 4个区组(57 m伊12 m),每个区组划分为
4 个小区(12 m 伊12 m),两个相邻区组和小区间的距离分别为 6 m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 4次。 2010年 4月,在每个小区
内栽植 9株 2年生刺槐带根苗,株行距 3 m伊3 m,植穴规格 1 m伊1 m伊1 m。 刺槐栽植时先将树穴中 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
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侧壁铺设沸石、陶粒和河沙作为隔盐层,底部和侧壁隔盐层厚度分别为 20 cm和 10 cm,同时在隔盐层和原土
之间铺设厚度为 5 cm的草帘,防止土壤颗粒进入隔盐层影响试验效果,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,但以同样的方式铺设草帘,以排除草帘对盐分运移的影响。 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月每两周灌溉 1次,灌溉定额均为 5 L水。 不同隔盐措施下所
栽植刺槐苗木均为 2年生带根苗,栽植方法为截干栽植,地径和留干高度分别在 3.2—4.1 cm和 2.66—2.93 m
之间。 栽培管理措施一致。 试验沸石和陶粒均从当地矿产品加工厂购置,粒径分别集中在 2—3 mm 和 10—
25 mm;河沙购自当地市场,统一过筛,粒径集中于 1—2 mm。
1.3摇 土壤取样与指标测定
土壤样品采集时间为 2013年 8月 20日,为试验区降雨后的第 3天,降雨量为 24.6 mm。 在每个小区内随
机选择 3株刺槐,测定其树高和地径,同时用内径为 5 cm的不锈钢土钻在每个树穴内分 5个土层(0—10 cm,
10—20 cm,20—40 cm,40—60 cm,60—80 cm)进行土样采集,每层取样 1 次并进行环刀样品采集,然后带回
实验室进行相关指标的测定。 土壤容重、总孔隙度、田间持水量采用环刀法测定。 土壤含水量采用烘干法测
定,并将其转化为土壤相对含水量[19]。 土壤烘干后磨碎,过 1 mm孔径筛,以 1颐5的土水比提取土壤溶液上清
液,用电导率仪 MP鄄521测定土壤电导率,根据 Pang等[20]计算土壤盐分含量:
土壤盐分含量(g / kg)= 电导率伊0.064伊5伊10 / 1000
计算相应的土壤盐溶质浓度:
土壤盐溶质浓度(g / L)= 盐分含量 /水分含量伊10
将采集的土样烘干后磨碎,过 1 mm筛,以 1颐5的土水比浸提,测定浸提液中的 Na+、Cl-和 SO2-4 含量。 Na
+
采用火焰光度计测定,Cl-采用 AgNO3滴定法测定,SO2
-
4 采用 EDTA间接滴定法测定[19]。
1.4摇 叶片光合特性测定
2013年 8月 24—26日,在这晴朗无云的 3 d中,对刺槐叶片光合特性进行测定。 利用 LI鄄 6400 便携式光
合作用分析仪(Li鄄cor, USA)测定刺槐叶片的净光合速率(Pn, 滋mol m-2 s-1)、蒸腾速率(Tr, mmol m-2 s-1)、
气孔导度(Gs, mol m-2 s-1)和胞间 CO2浓度(Ci, 滋mol / mol)。 同时记录光合有效辐射(PAR, 滋mol m
-2 s-1)、
空气相对湿度(RH,%)、气温(Ta, 益)、环境 CO2浓度(Ca, 滋molCO2 / mol)等环境参数。 每处理选择 3 株树
木,每株选取树冠中部 3片生长健壮的成熟叶片进行活体测定,观测时间为每天的 6:00—18:00,每 2 h 测定
一次。 在光合速率趋于稳定时,每个叶片连续记录 3 次,取平均值。 所得指标数值均为 3 d 的平均值。 叶片
瞬时水分利用效率(LWUE, 滋mol / mmol)的计算公式为:
LWUE = Pn / Tr。
1.5摇 统计分析
采用单因素方差分析方法(one鄄way ANOVA)比较不同隔盐措施处理之间土壤水盐和叶片光合特征之间
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摇 结果与分析
2.1摇 不同隔盐措施对土壤相对含水量、盐分及盐溶质浓度的影响
2.1.1摇 土壤相对水分含量变化
不同隔盐措施处理下,0—80 cm土体内土壤相对水分含量均较对照(CK)显著增加(表 2)。 在不同土层
中,HS处理的土壤相对含水量均显著高于其他处理,CK 的土壤相对含水量均显著低于其他处理; FS 和 TL
处理土壤相对含水量除了在 0—10 cm土层内差异显著外,其他土层内两者均无显著差异(P>0.05)。 将各处
理 0—80 cm土壤相对水分含量进行平均,其大小顺序为 HS>FS>TL>CK。 其中,HS、FS 和 TL 的土壤相对含
水量与 CK之间差异显著(P<0.05),FS和 TL的土壤相对含水量无显著差异。
2.1.2摇 土壤盐分含量变化
与对照相比,3种隔盐措施均可降低土壤各层盐分含量(表 3)。 其中,FS能显著降低 0—80 cm内各土层
1931摇 5期 摇 摇 摇 王琳琳摇 等:不同隔盐措施对滨海盐碱地土壤水盐运移及刺槐光合特性的影响 摇
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盐分含量(P<0.05),平均比 CK 低 45.42%—71.42%。 TL 处理也能降低整个土体的盐分含量,但只在 40 cm
以下土层效果显著,控盐效果仅次于 FS。 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),控盐效果最差。
表 2摇 不同隔盐措施下土壤相对含水量
Table 2摇 Effects of different salt鄄isolation materials on the relative water content of soil
土层 / cm
Soil layer
土壤相对含水量 Soil relative moisture / %
CK FS TL HS
0—10 40.14依1.00 d 72.91依1.05 c 68.54依0.63 b 76.63依0.91 a
10—20 43.99依1.12 c 73.63依0.49 b 70.33依0.56 b 78.12依0.43 a
20—40 49.28依0.40 c 72.46依0.53 b 71.88依0.71 b 77.19依0.36 a
40—60 38.94依0.25 c 68.53依1.11 b 70.35依0.42 b 81.46依0.33 a
60—80 42.44依0.13 c 71.24依0.45 b 69.76依0.33 b 80.34依1.21 a
均值 Mean value 42.96依0.35 c 71.75依0.33 b 70.17依0.21 b 78.75依0.54 a
摇 摇 CK: 对照;FS: 沸石隔盐处理;TL: 陶粒隔盐处理;HS: 河沙隔盐处理; 同行具有不同字母表示处理间差异显著 (P< 0.05)
表 3摇 不同隔盐措施下土壤盐分含量
Table 3摇 Effects of different salt鄄isolation materials on the salt content of soil
土层 / cm
Soil layer
盐分含量 Salt content / (g / kg)
CK FS TL HS
0—10 7.8依0.1 a 4.2依0.3 b 6.7依0.3 a 7.2依0.3 a
10—20 6.0依0.4 a 1.5依0.4 b 5.4依0.4 a 5.5依0.3 a
20—40 5.4依0.4 a 1.5依0.2 b 4.8依0.1 a 5.0依0.4 a
40—60 6.9依0.3 a 3.3依0.2 b 4.3依0.3 b 5.3依0.4 ab
60—80 6.3依0.2 a 2.1依0.2 b 4.0依0.2 c 6.1依0.3 a
均值 Mean value 6.5依0.2 a 2.5依0.1 b 5.1依0.3 a 5.8依0.2 a
摇 摇 同行具有不同字母表示处理间差异显著 (P< 0.05)
2.1.3 土壤盐溶质浓度变化
土壤盐溶质浓度与土壤盐分变化规律相似,采用隔盐措施的土壤盐溶液浓度均低于对照(表 4)。 在 0—
40 cm土层内,TL、HS和 CK三者的盐溶质浓度均逐渐降低,且无显著性差异。 40—80 cm土层内,TL 的盐溶
质浓度显著低于 CK(P<0.05),平均值比 CK 低 40.77%;而 HS 在各土层深度内均与 CK 无明显差异(P>
0郾 05)。 FS对各土层内盐溶质浓度的降低效果最为显著(P<0.05),平均比 CK低 56.14%—75.10%,同时也低
于其他两种处理。
表 4摇 不同隔盐措施下土壤盐溶质浓度
Table 4摇 Effects of different salt鄄isolation materials on soil salt solute concentration
土层 / cm
Soil layer
盐溶质浓度 Salt solute concentration / (g / L)
CK FS TL HS
0—10 3.61依0.13 a 1.58依0.20 b 2.56依0.21 ab 2.67依0.23 ab
10—20 2.46依0.21 a 0.56依0.17 b 1.89依0.15 ab 1.95依0.14 ab
20—40 2.18依0.21 a 0.54依0.08 b 1.63依0.20 a 1.71依0.22 a
40—60 2.62依0.25 a 1.07依0.12 b 1.49依0.12 b 1.88依0.32 ab
60—80 2.28依0.05 a 0.73依0.02 b 1.42依0.14 c 2.23依0.22 a
均值 Mean value 2.63依0.22 a 0.90依0.13 b 1.80依0.10 c 2.09依0.15 ac
摇 摇 同行具有不同字母表示处理间差异显著 (P< 0.05)
2.2摇 隔盐措施实验区田间微气象因子变化
从图 1 可知,光合测定期间,不同隔盐措施下盐碱地种植刺槐的光合有效辐射 PAR 于 12:00 达到最大
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值,其值为 1447 滋 mol m-2 s-1,随后逐渐降低,于 18:00 达到最低值;田间空气相对湿度在 8:00 达到最大值,
其值为 70.0%,随后开始呈下降趋势,于 10:00 降至最低,其后开始有所上升,日均值为 52.5%;空气温度于
14:00达到最高,其值为 32.6 益;环境 CO2浓度的变化总体上呈先下降后上升趋势,其日均值为 419.60 滋 mol /
mol(图 1)。
图 1摇 隔盐措施处理试验地环境因子日变化
Fig.1摇 Diurnal variation of environment factors in the experimental site
2.3摇 不同隔盐措施对刺槐叶片气体交换特征的影响
2.3.1摇 净光合速率日变化
由于不同隔盐层材料对其上部土层水盐运移调控程度不同,刺槐净光合速率(Pn)也随之发生变化(图
2)。 FS、TL和 HS 3种隔盐处理刺槐叶片的 Pn日变化趋势与 PAR(图 1)的变化趋势相同,均呈单峰形,峰值
均出现在中午 12:00,其值分别为 15.65、14.45和 13.25 滋mol m-2 s-1。 CK处理 Pn曲线呈双峰形,第 1个峰值
出现在 8:00,第 2个峰值出现在 12:00。 不同处理刺槐叶片日均净光合速率由大到小依次为:FS>TL>HS>
CK;FS、TL和 HS比 CK的净光合速率分别提高了 74.33%、34.56%和 13.03%。 方差分析表明,FS、TL和 HS的
Pn值均与 CK之间存在显著差异(P<0.05),且 3种隔盐处理之间差异也显著(表 5)。
2.3.2摇 蒸腾速率日变化
图 2表明,FS、TL、HS和 CK处理下刺槐叶片蒸腾速率均呈单峰形变化,最大值分别出现在 8:00、12:00、
14:00和 12:00,其值分别为 6.16、3.97、3.64和 3.73 mmol m-2 s-1。 除 6:00 和 18:00 外,FS 处理的 Tr 值均高
于其他处理。 各处理日均蒸腾速率由大到小依次为:FS>TL>HS>CK。 方差分析表明,FS、TL 和 HS 与 CK 之
间 Tr值差异显著(P<0.05),而 TL与 HS之间无显著差异(P>0.05)。
2.3.3摇 气孔导度日变化
4种处理的刺槐叶片气孔导度(Gs)日变化曲线呈单峰形,在 8:00 时达到最大,8:00—10:00 均呈下降趋
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势,10:00以后各处理气孔导度趋于平稳(图 3)。 Gs日平均值大小顺序为:FS>TL>HS>CK。 FS 与 CK之间叶
片 Gs日均值差异显著(P<0.05);TL和 HS与 CK之间叶片 Gs日均值差异不显著(P>0.05)。
图 2摇 不同隔盐措施(对照;沸石;陶粒;河沙)刺槐叶片净光合速率与蒸腾速率日变化
Fig.2摇 Effects of different salt鄄isolation treatments (control; zeolite;ceramsite; river sand) on leaf photosynthetic rate and transpiration rate
of Robinia pseudoacacia
表 5摇 不同隔盐措施下刺槐叶片气体交换特征参数日均值
Table 5摇 Effects of different salt鄄isolation materials on photosynthetic parameters of Robinia pseudoacacia
处理
Treatment
净光合速率
Photosynthetic rate /
(滋mol m-2 s-1)
蒸腾速率
Transpiration rate /
(mmol m-2 s-1)
气孔导度
Stomata conductance /
(mol m-2 s-1)
胞间 CO2浓度
Intercellular CO2
concentration /
(滋mol / mol)
叶片水分利用效率
Leaf water use efficiency /
(滋mol / mmol)
CK 5.55依0.39 a 2.16 依0.02 b 0.19 依0.04 bc 309.21 依1.21 a 3.35 依0.18 b
FS 9.67依0.15 b 3.17 依0.22 a 0.32 依0.02 a 263.79 依13.11 b 4.69 依0.21 a
TL 7.46依0.01 c 2.72 依0.07 c 0.25 依0.01 b 287.71 依5.09 a 3.53 依0.00 b
HS 6.27 依0.08 d 2.70 依0.00 c 0.20 依0.05 c 290.50 依5.33 a 2.87 依0.07 c
摇 摇 同列具有不同字母表示处理间差异显著 (P< 0.05)
2.3.4摇 胞间 CO2浓度日变化
4个处理的刺槐叶片 Ci日变化趋势与 Pn相反,但与环境 CO2浓度的变化趋势相同(图 3)。 4 种处理的
Ci日变化趋势基本一致,整体呈现“U冶字型,在 6:00最高,随着 CO2的固定,Ci呈下降趋势。 12:00—18:00,4
种处理 Ci值均呈上升趋势。 Ci日平均值大小顺序为:CK>HS>TL>FS。 方差分析显示,FS与 CK间 Ci日均值
差异显著(P<0.05),其他处理与 CK间无显著差异(P>0.05)。
2.3.5摇 叶片水分利用效率日变化
4种处理刺槐叶片水分利用效率日变化总体上呈现先上升后下降再上升的趋势,均在 18:00 时达到全天
最高值(图 4)。 CK、FS、TL和 HS处理 LWUE日均值分别为(3.35依0.18)、(4.69依0.21)、(3.53依0.00)和(2.87依
0.07)滋mol / mmol。 与 CK相比,FS和 TL处理的 LWUE分别提高了 40.3%和 5.6%,而 HS处理则下降 14.2%。
方差分析表明,FS处理的 LWUE显著高于其他处理,而 HS处理的 LWUE则较其他处理显著降低(P<0.05)。
2.4摇 不同隔盐措施对刺槐树高和地径的影响
隔盐处理 40个月后,3个处理中,刺槐树高、地径增长量均大于对照植株(图 5)。 其中,FS 和 TL 处理树
高增长量与地径增长量均与 CK差异显著(P<0.05)。 HS处理的树高增长量和地径增长量均与 CK无显著差
异(P>0.05)。
3摇 讨论
隔盐层对土壤水盐运移有显著影响。 根据王文焰和张建丰[21]的研究,水在层状结构的土体中入渗时,无
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图 3摇 不同隔盐措施下刺槐叶片气孔导度和胞间 CO2浓度的日变化
Fig.3摇 Effects of different salt鄄isolation treatments on leaf stomata conductance and intercellular CO2 concentration of Robinia pseudoacacia
摇 图 4摇 不同隔盐措施下刺槐叶片水分利用效率日变化
Fig.4摇 Effects of different salt鄄isolation treatments on water use
efficiency of Robinia pseudoacacia
论夹层土壤质地较表层土壤粗或细,土壤夹层均会对下
渗水流起阻挡作用。 根据土壤水动力学的原理,土壤水
吸力能够反映非饱和土壤中土壤水的运动规律,是非饱
和土壤水运动的驱动力。 土壤孔隙度越大,土壤水吸力
越小。 当水分下渗到土壤和隔盐层交界面时,由于沸
石、陶粒和河沙作为隔盐层材料的孔隙度均大于壤土的
孔隙度,使隔盐层的水吸力小于上层土壤水吸力,水分
渗入隔盐层的过程发生延迟,使更多的水分保持在隔层
的上方土壤中。 设置隔盐层处理的相对含水量较对照
高(表 2),原因是土壤样品采集时间为试验区降雨过后
的第 3天。 而对照(CK)是没有设置隔盐层的均质土
壤,水分下渗较快。 因此隔盐层的设置使隔层上方土壤
相对含水量较同层次对照高。
图 5摇 不同隔盐措施对刺槐树高和地径增长量的影响
Fig.5摇 Effects of salt鄄isolation treatment on tree height and basal diameter increment
在蒸发强烈的季节,深层土壤水分通过土壤毛管孔隙向地表运移,使得盐分表聚现象强烈。 当在树穴底
部设置隔盐层后,破坏了土壤毛细管的连续性;又由于隔盐材料的孔隙度和土壤毛管孔隙度不同,阻断了上下
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土层间的水力联系,使得土壤水分运行到隔盐层下界面时发生停滞,从而导致溶于水的盐分离子在隔盐层下
界面累积,一定程度上能够减缓隔盐层上部土体的盐分积聚[22]。 而设置在树穴侧壁的隔盐层,又能同时抑制
盐分在土体内随水分的水平运移。 加之隔盐层延缓了降雨下渗过程,使水分在下渗过程中能够溶解更多盐
分,从而增强了有限降雨的淋洗效果,进一步减少植物生长环境中的盐分含量。 本试验中所选用的沸石、陶粒
和传统隔盐材料河沙,粒径均大于土壤颗粒,将其用做隔盐层时,可使盐碱土土体毛管孔隙度突然由小变大再
减小,能有效减弱毛管力作用,抑制下层水分的上升,减少盐分向上移动,同时隔盐层又能有效增强降雨对盐
分的淋洗作用。 也就是说,不管土壤水分是源自潜水上升还是降雨入渗滞留,在长时间作用下,FS、TL 和 HS
均可降低土壤盐分含量和盐溶质浓度(表 3和表 4),从而改善植物生长环境。
本试验发现 FS处理的隔盐保水效果最佳,这与翟鹏辉等[23]的研究结果一致。 这是由于在树穴底部和侧
壁以沸石作为隔盐材料,除了能够有效抑制隔盐层以上土壤积盐和促进洗盐外,沸石本身独特的空间结构也
起到了极大的作用,沸石内部晶格架构中具有大量的孔穴和通道,可吸附直径小于孔道的离子或分子,滨海盐
土中富含的 Na+、Cl-和 Ca2+等都可以通过此孔道进入沸石内部被沸石吸附。 另外,沸石可以将其内部的水分
子自由的排出或重新释放,有利于蓄水保墒[24]。 因此,采用沸石作为隔盐材料能够显著降低隔盐层上部土层
的盐分含量和盐溶质浓度,并能调节根区土壤的水分含量。 而陶粒的粒径较大,其对潜水上升的阻断能力和
对下行重力水的渗透能力大于河沙,因而对土壤盐分及盐溶质浓度的降低作用也较为显著。
光合作用是植物体内极为重要的代谢过程,是作物生产力高低的决定因素和对环境胁迫程度的反应指
标[25]。 由于一天中环境因子的周期性变化,引起了光合作用过程中一系列相关因子的变化,而光合日变化的
峰值正是外界各种环境因子与植物内部生理调节达到最优的结果[26]。 Pn 的日变化可作为分析植物生长限
制因素的依据之一,土壤水分过低、过高或盐分过高都会降低植物的 Pn[27]。 刺槐具有较高光合作用和水分
利用效率的土壤相对含水量范围为 48%—64%[28],也就是说当土壤相对含水量小于 48%时,就会对刺槐生长
产生水分胁迫。 刺槐属于高耗水性树种,其适宜含水量为 70%左右,而土壤相对含水量达到 75%—80%时又
会抑制刺槐的光合作用[15]。
本文各处理的树种、土壤类型及所处微气象环境均相同,结合上述土壤相对含水量、盐分及盐溶质浓度的
差异性变化,可以认为隔盐层材料的差异是引起 Pn日变化差异的主要原因。 这是由于 FS 处理和 TL处理的
土壤相对含水量均在刺槐生长的适宜含水量范围内,对 Pn 不存在水分抑制作用;且这两种隔盐材料处理下
土壤盐分和盐溶质浓度均较低,因此刺槐叶片 Pn值均较高。 HS处理土壤相对含水量大于 75%,导致刺槐根
系呼吸作用减弱、根系活力降低,使其吸收水分和养分的能力下降,产生一定程度的土壤渍水胁迫,其同时也
受到盐分胁迫,最终导致其 Pn值低于 FS处理和 TL 处理。 CK 处理下刺槐叶片受到水分亏缺和盐分的双重
胁迫,Pn值最低。 同时也发现,3 种隔盐措施(FS、TL 和 HS)下 Pn 日变化均呈典型的单峰曲线(图 2),无光
合午休现象,而对照(CK) Pn曲线为双峰形。 这表明隔盐措施为刺槐根系创造了更加适宜的水盐环境,使刺
槐叶片内部生理对环境的适应调节能力增强。 而 CK则因土壤相对水分含量较低,盐分含量较高而使得刺槐
生理调节适应能力受到限制,产生水分和盐分的双重胁迫,导致出现光合午休现象。
蒸腾速率(Tr)的大小可以调节植物的水分代谢,在一定程度上反映了植物调节水分损失的能力[29鄄30],水
分通过气孔蒸腾是蒸腾作用的主要形式。 解婷婷和苏培玺[31]研究发现,Pn与 Gs的相关系数小于 Tr与 Gs 的
相关系数,这说明 Tr对气孔的依赖性更强。 土壤水分在影响 Gs、调节 Tr方面尤为重要,土壤水分亏缺会造成
气孔关闭,而使 Tr大幅度下降,植物通过调节气孔开度等方式调节 Pn和 Tr,以适应土壤供水状况的变化。 本
研究表明,FS和 TL处理显著增加了 0—80 cm土层的相对水分含量,使其达到适合刺槐生长的相对含水量范
围,同时显著降低了根层土壤的盐分和盐溶质浓度,使土壤溶液的水势升高,根系吸水更加容易,所以两者 Gs
的日均值高于 HS 和 CK。 其中 FS 处理的 Gs 日变化曲线呈单峰形,说明沸石隔盐处理更易为刺槐的生长提
供适宜的水盐环境,使 Gs更依赖于气象条件的变化[32]。 由于 FS 和 TL 处理的刺槐叶片有较高的 Gs,同时其
根系从土壤中吸收水分的速度能维持正常的蒸腾,因此一直保持较旺盛的 Tr,Tr 日均值也较高;HS 和 CK 处
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理因土壤水分含量过高和过低且盐分含量较高而造成的气孔导度低于 FS 和 TL处理,是导致其刺槐 Tr 日均
值较低的原因。
胞间 CO2是光合作用的主要原料之一,胞间 CO2浓度(Ci)的变化决定了 Pn 和 Gs 之间的因果关系[33]。
逆境胁迫下,植物光合速率降低的自身因素归为两类:气孔部分关闭导致的气孔限制和叶肉细胞光合活性下
降导致的非气孔限制。 前者表现为 C i下降,后者表现为 C i升高;当两者同时存在时,必须根据 C i的变化方向
来判断 Pn下降的主因。 Farquhar和 Sharkey[34]认为,在 Gs下降时,C i同时下降才表明 Pn 下降的主要原因为
气孔限制。 即,只有叶肉细胞间的 CO2浓度降低可以证明光合速率的降低是气孔导度降低的结果。 相反,叶
肉细胞间的 CO2浓度增高说明光合速率的降低是气孔导度降低的原因。 因此,推测在 8:00—10:00 时间段
内,导致 CK处理 Pn值下降的因素为气孔因素。 12:00—18:00 之间,各处理的 Pn 值均呈下降趋势,Ci 均呈
上升趋势,这说明此时段内各处理 Pn值的下降可能是非气孔因素或气孔不均匀关闭导致的[35]。
叶片水分利用效率(LWUE)是叶片气体交换过程中 CO2和水汽的交换比率,其大小可以反映植物对逆境
适应能力的强弱。 土壤水分条件和叶片气孔导度是影响 LWUE的重要外部因素和内部因素[36]。 本研究中的
FS和 TL处理均具有较高的 Gs和更加适宜刺槐生长的土壤水分环境,从而导致其两者 LWUE 维持在较高的
水平。 而 HS处理的土壤相对含水量在 75%以上,超出了刺槐生长的适宜相对含水量范围,导致其 LWUE 最
低。 4种处理刺槐叶片 LWUE均在 18:00时达到全天最高值,这与黄占斌和山仑[37]的研究结果相反,这是由
于 16:00—18:00时,随着气孔导度的下降,光合速率和蒸腾速率均下降,但蒸腾速率下降得比光合速率快,从
而使水分利用效率升高。 Cowan[38]认为,当气孔导度使植物在得到 CO2和失去水分的调节中达到最优时,其
水分利用效率达到最高。 FS和 TL处理的 LWUE高于 HS和 CK处理,说明 FS和 TL处理后,滨海盐土的水盐
环境更适合刺槐生长。
由于刺槐适宜在中性土、酸性土和含盐量 0.3%以下的轻、中度盐渍土上正常生长[13],而研究区的土壤类
型为滨海盐土,表层土壤含盐量达到 0.874%,因此在含盐量大于刺槐适宜生长阈值的条件下,能够轻易的通
过刺槐的长势评估出不同隔盐材料的降盐效果。 刺槐树高和地径增长量的观测研究也说明,FS 和 TL处理对
刺槐生长的改善效果明显优于 HS处理,从而进一步证实了 FS和 TL处理对刺槐生长的促进作用。
4摇 结论
在树木种植穴底部和侧壁铺设沸石或陶粒隔盐层可以显著增加树穴内部土壤相对水分含量,为刺槐生长
创造更加适宜的水分环境。 沸石隔盐处理能降低 0—80 cm土体内盐分含量和土壤盐溶质浓度,控盐效果明
显优于其他处理。 陶粒隔盐处理只能在 40 cm以下土层有显著的降盐效果,且控盐效果比沸石差。 河沙处理
降盐效果最差。
不同隔盐措施对土壤水分和盐分有不同程度的调控作用,并通过改变土壤水盐动态而影响刺槐光合特
性。 沸石作为隔盐材料可显著提高刺槐叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度及叶片水分利用效率,降低胞间
CO2浓度。 陶粒处理也可以显著增加刺槐叶片净光合速率、蒸腾速率,但效果均不及沸石显著,且对气孔导
度、胞间 CO2浓度和水分利用效率没有显著影响。 河沙处理虽然能显著增加刺槐叶片净光合速率和蒸腾速
率,但却导致叶片水分利用效率显著降低。
综合来看,采用沸石、陶粒和河沙作为隔盐层材料均有助于土壤保墒控盐、改善刺槐光合特性以及促进刺
槐生长,其中以沸石作为隔盐材料效果最佳。 本文研究结果将直接为滨海地区的盐碱地刺槐造林提供技术和
理论支持。
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