盐渍土植穴结构控制对海棠生长量的影响1)
2014-08-02文科军王瑞梅吴丽萍耿良忠
文科军 王瑞梅 吴丽萍 耿良忠 段 梦
(天津城建大学，天津，300384) (南开大学)
盐渍土植穴结构控制对海棠生长量的影响1)
文科军 王瑞梅 吴丽萍 耿良忠 段 梦
(天津城建大学，天津，300384) (南开大学)
以植穴结构控制(PHCC)作为盐渍土海棠种植生长环境调控的基本单元，即以植穴袋材料、覆膜材料、填料质量比、填料厚度和补水量作为植穴袋内结构控制因素，以地下水矿化度和土壤质地作为植穴袋外影响因素，并以2年生海棠当年枝生长量作为PHCC对盐胁迫影响成效的表征值，安排均匀试验U12(12×43×33)，以探求PHCC各因素对海棠生长量的影响程度。结果表明：其显著性排序由大到小为填料厚度、地下水矿化度、覆膜溶质比(PVA/VAE/蒙脱石)、土壤质地、填料比、植穴袋材料、补水量；当影响因素确定浅地下水矿化度为3 g·L-1，补水量为5.06 mm/次，土壤质地为轻壤，秸秆、枯枝落叶和木屑的质量比例为2∶1∶1，植穴袋材料为麻袋布，PVA/VAE/蒙脱石的体积比为100∶20∶10，填料厚度为2.0 cm时，可获得当年枝最大干质量7.533 9 kg/株的生产量，表明PHCC对盐渍土生态重建有效。
滨海盐渍土；植穴结构控制；生长量；海棠；回归分析
张新时院士指出：除积极恢复重建自然的生态系统外，还要主动发展人工设计生态方案等未来生态重建途径[1]。在寒冷区盐渍土上建设生态城，因无适生耐盐园林乔木，首先须突破非盐生乔木禁区这一世界性难题，即盐碱对乔木的胁迫作用。而造林成效又是评价生态重建成败和低值土地资源升值的先决条件。由于盐渍土生态重建涉及的面积大、空间尺度的异质性和盐碱的持续干扰，加之控制研究的边界范围不明，使许多生态重建的非生物措施(物理、化学[2-4]和水利改良[5])及生物改良(植被与微生物重建[6-7])技术难以进行及精准控制，以致直接影响到各控制因素作用机理研究的可靠性，更不可能有的放矢地实施生态重建技术组装与客观评价[8]。故此，笔者基于微宇宙理论及试验控制手段所具有的自然生态结构与功能特性[9]，结合恢复生态学的人为设计与自我设计理论[10]，特提出植穴结构控制(PHCC)理念，将树木种植穴的穴生态结构构建作为生态重建研究及技术组装的基本单元[11]。先探明单体树木与PHCC结构和盐土环境因素变化的相互作用机理，再着眼设计与组装整个绿地生态布局，以解决生态重建存在空间尺度的不确定性，生态结构技术组装的盲目性，及高投入等问题[8]。
本研究围绕阻断毛管水盐向穴内运移，改良树木生长的养分条件[12]，并利用自然自我设计，形成结构冗余规律，完善人工生态结构组装的不完整性与稳定性问题，运用均匀试验的方法，开展不同的人为设计PHCC成分(带土球的移植树木、地下水矿化度、补水量、土壤质地、填料比、植穴袋材料、覆膜溶质比、填料厚度)与海棠(Malusmicromalus)的当年枝干质量为表征的因果关系研究，以获取各因子对表征值贡献率最优的组装参数[13]，为盐渍土PHCC的生态组装造林提供服务。
1 材料与方法
1.1 供试土壤和地下水
在可控温室内采用土柱模拟法，模拟滨海盐渍土及地下水作用下的水盐运移对海棠生产量的影响。盐渍土均采自天津滨海新区航母公园内，属海退的海积平原土层的残留盐分及海潮倒灌所形成的盐渍土，其土壤质地组成与全盐量和pH值见表1；地下水盐分组成见表2。
表1 供试盐渍土的质地组成及盐碱值
表2 供试地下水的盐分组成
1.2 室内模拟装置
试验土柱均由60 cm×60 cm×120 cm的钢化玻璃制成。将采自航母公园的重度盐渍土依据表1的土壤质地组成，及滨海盐土实际容积质量1.42 g·cm-3，按表3土柱号的组合类型进行填装。土柱两侧依表层土以下5、20、35、65、80 cm处，各开直径5 cm的取样孔，平时用橡胶塞加蜡密封。土柱底部装有20 cm厚的鹅卵石(粒径为5～9 cm)，作为地下水层，其上铺有一层防止盐渍土颗粒下落的透水无纺布。为确保水位线稳定，在设定水位线20 cm处设排水管，用以测量补水下渗的淋溶量。每个土柱均装有一个马利奥特瓶，用以测读由于毛管水作用而蒸发和树木的蒸腾所消耗的地下水量。植穴袋植入土柱中央。见图1。
图1 PHCB试验装置示意图
1.3 试验设计
为综合定量评价在盐渍土条件下PHCC各成分对海棠生长量影响的有效性，运用混合水平的均匀试验设计表3(U12(12×43×33)，将PHCC各成分的不同组合依次严格安排在不同的土柱中。其中，补水总量的上下限依据天津滨海地区多年平均最低降水量(367 mm)和多年平均降雨量(506 mm)设定，并以3.67 mm/次补水量的土壤墒情确定整体的补水间隔周期，用于本生长季总补水量的平均分配控制。试验所用植穴袋规格为40 cm×40 cm×50 cm，据表3对应的覆膜溶质体积比浸泡48 h后，晾干备用；用制备好的不同配比的填料，填入对应的植穴袋底部，置入盐渍土柱的植穴中，再移植带土球的1年生海棠苗，袋内空隙使用客土填盖，袋外空隙用本土柱的盐渍土填充，并一同踩实[11]。
表3 U12(12×43×33)均匀试验因素及试验方案
注：X31、X32、X33为土壤质地X3的虚拟变量；X41、X42、X43为填料比X4的虚拟变量；X51、X52为植穴袋材料X5的虚拟变量；X61、X62为PVA/VAE/蒙脱石的体积比X6的虚拟变量，其中PVA为聚乙烯醇，VAE为醋酸乙烯-乙烯共聚乳液。
1.4 生长量采集
依据表3安排3个重复的平行试验，共需38个土柱(含2组对照)。试验时间从2010年5月初起至2011年10月底止。为获取海棠稳定的生长指标，将2010年确定为缓苗年，仅用2011年4—10月底的海棠当年枝干质量作为考量值。测定方法为：用游标卡尺测量每株海棠的所有当年枝基部直径，依据径级分布状况确定大、中、小3个量级的分级范围，从对应3个量级中各选取3个标准枝，作为该土柱海棠当年生产量的样本枝，即剪下每株树木所确定的3个量级×3次(重复)=9个标准枝，按大、中、小分别放入烘箱内，105 ℃，烘48 h至恒质量，再分别称取每3个重复的标准枝干质量，以每个重复的不同干质量乘以本试验树上同量级的枝条数(含标准枝)，再将3个量级的3个重复分别求和后，得到本试验组3次重复测试的干枝质量，以此表征在该PHCC下的生产力水平，见表4。
表4 海棠当年枝干质量
1.5 参数处理
为建立自变量(表3)与因变量(表4)的回归关系模型，本试验所用U12(12×43×33)均匀设计表中含有多个定性变量，在利用SPSS软件进行回归分析之前，应先引入虚拟变量，将定性变量转化为定量变量，转化后的试验方案列入表3。
2 结果与分析
2.1 回归模型的建立
应用SPSS软件，将因果关系输入变量与数据视图，得到各PHCC因素与海棠生产量的回归模型为：
Y=10.852-0.246X1+0.199X2-1.368X31+ 0.387X32-0.929X33-0.461X41-0.683X42+ 0.372X51+0.398X52-1.809X61-1.051X7；R2=0.976。
(1)
为检验其可信性，对该回归方程进行方差分析，其结果见表5。
表5 回归方程方差分析结果
注：F0.01(11，24)=3.1;*** 为P<0.01。
由方差分析可知，所求得的回归方程的可信度为极显著。
2.2 各因素对植穴内海棠生长量的影响
为判断PHCC各因素对海棠当年枝干质量的影响主次顺序，需对各因子的偏回归系数标准化[14]，[15]68-78，并进行Sig.或t值检验，其结果见表6(已排除的不显著的变量为X43和X62)。
表6 偏回归系数及t值检验
注：Sig.<0.01为极显著；0.01
依据表6的标准偏回归系数的数值大小，可得到各因素由主到次顺序为：X7、X1、X61、X31、X33、X42、X41、X52、X51、X32、X2，即各因素对植穴内海棠生产量的影响主次顺序为：填料厚度、地下水矿化度、覆膜溶质比(PVA/VAE/蒙脱石)、土壤质地、填料比、植穴袋材料、补水量。现就表6所得出回归系数与影响机制分析如下。
①填料厚度对海棠生产量的影响为极显著。在模型(1)中填料厚度X7的系数为-1.051，说明海棠生产量与填料厚度成反比。依据表4的试验结果，以最小厚度2.0 cm为最优。在有机质含量与钠盐的毒害作用两者只能选其一时，减少钠盐的毒害应属首选。盐随水来，盐随水去，土壤盐分主要随毛管水运移和重力水淋溶而长消。植穴袋底部的有机质填料层主要以非毛管孔隙为主。当填料层增厚，会增加官能团离子交换量与持水量，填料层中的非毛管孔隙被重力水所填充，形成蓄水层，极易与周边的盐水产生交换作用，成为盐分的聚居带，因持水时间长而丧失对钠盐的阻隔功能；当填料厚度为2 cm时，因官能团聚体层较薄，托不住重力水，不易形成蓄水层，在未被吸湿水饱和时，不仅仍具有阻断PHCC外部毛管水和非毛管水的交换作用，又不影响气态水的凝结和截留上方的补水，以减少盐分对海棠的胁迫机率。
②浅地下水矿化度(X1)对植穴内海棠生长量的影响也极为显著，位居第二。在模型(1)中地下水矿化度X1的系数为-0.246，说明生产量与地下水矿化度成反比，故突出显示最小的3 g·L-1对海棠生产量贡献率最大。因在毛管水作用高度下盐碱含量受浅地下水矿化度的补给较多，产生对树木生理的毒理胁迫，使海棠年生长量降低就成为自然[16-17]。
③覆膜溶质比对海棠生长量的影响也极显著，位居第三。模型中覆膜溶质比X61的系数为-1.809，说明覆膜溶质的体积比与海棠生产量成反比。本试验采用PVA、VAE与蒙脱石的混合液作为植穴袋的覆膜材料，通过浸泡，将其附着在植穴袋表层，作为PHCC的保水、阻盐结构。PVA具有亲水性高、吸水速度快等特性，常作为重要的保水剂和土壤改良剂。蒙脱石遇水膨胀，变成糊状物质，其层状结构具有很强的吸附力及阳离子交换性能。VAE乳液具有良好的混溶性、成膜性和粘结性，用其作为覆膜材料的粘结剂，可有效地将3种物质粘合在一起，其物质分子结构交联成网络，可有效储存水分[18]。其混合的官能基团在吸附大量水分子，满足海棠生长需求的同时，一方面，能有效阻止外部盐分随水运移，进入到PHCC体内，而另一方面，部分盐离子还能被蒙脱石离子交换或络合，或以“包裹”方式把离子包裹起来，减轻盐分对海棠生长的影响[19]。当X61为1时，其它水平则为0，加之X62不显著，已被排除，故确定X61(100∶20∶10)为最佳。
④土壤质地类型对植穴内海棠生产量的影响也为极显著。表6中土壤质地(X3)的对应系数只X32(轻壤土)为正相关，说明轻壤土对海棠生产量的贡献为最大。这是因为土壤质地决定了土壤毛管作用强度、持水量与肥力状况。由土壤学可知，轻壤土非毛管与毛管孔隙的数量分布与理化特性介于砂土与黏土之间，其毛管水作用、阳离子代换力、植物对吸湿水的利用率、有机质和氧气含量与保水保肥性等也具有这两者的优势互补性特点。在盐渍土环境下更符合海棠忌水涝的生物学特性，尤其是在不断补水条件下，使PHCC外的钠盐含量受重力水淋溶，而毛管作用又不及黏土，使海棠生产量表征为最大，也就成为可能。
⑤填料质量比(X4)对PHCC中海棠生产量的影响较为显著。公式中因X43不显著而被剔除，X41和X42的系数分别为-0.461和-0.638，均为负相关，说明X4对海棠生产量的影响成反比。同理，以对生产量贡献系数最大的X41(秸秆、枯枝落叶和木屑的质量比例为2∶1∶1)为最佳。分析其原因，这3种物质虽同属芳香族高分子碳水化合物，但因其植物营养转移与储存的碳水化合物类型不同，直接影响到其降解速率与转化利用。如木屑的主要成分为较难降解的木质素与木质纤维素，其养分中的矿物、单糖、多糖、蛋白质也显著低于植物其它残体[20]；枯枝落叶脱落前已将大部分营养物质转移到枝干和根部，养分含量也相对较少；而农作物属1年生植物，其秸秆内富含氮、磷、钾、钙、镁和易于降解的有机质，对于增效土壤肥力，也远大于前两类。加之填料覆盖层客观上又抑制了毛管作用，降低了返盐几率，从而得出这一试验结果。
⑥植穴袋材料X5对PHCC内海棠生长量的影响也较为显著。在回归方程Y中X51和X52的系数分别为0.372和0.398。同理，确定X52(麻袋布)为最佳植穴袋材料。麻袋布是由黄麻纤维纺织而成，属多孔性物质。除具生物相溶性和不具有毛管效应外，其纤维素大分子上存在许多亲水性羟基(—OH)。由于每个羟基还缺少一个电子达饱和，所以必须以官能团形式与其它原子团结合而稳定存在，故具有较强的盐分代换能力。主要优点是吸湿力强、透水、透气性好，抗张强度高，对试用的保水剂具有较强的附着力，根系又易于穿透，在土壤中2年后才开始逐渐生物降解，客观上又成为切断毛管作用的隔断层。因此，麻袋布就成为最佳选择。
⑦补水量X2对海棠生产量的影响属显著。在模型中补水量X2的系数为0.199，同理，当补水量X2取5.06 mm为最大值时，对海棠生产量的贡献也最大。显然，通过最大补水量定期向PHCC补水，不仅能利用重力水定期淋溶洗盐，而且还能满足海棠定时定量的水份需求，其高的生产量也就成为必然。
2.3 预测模型的检验与运用
①通过对回归模型(1)的F检验，其F值43.814大于临界值F0.01(11,24)=3.1，相关系数R2=0.976，说明所建立的多元回归方程具有极高的显著性及统计学意义。
②预测结果与实测数据的精度性检验。为检验模型的预测精度，可对表3所供测试的12种组合的任意一组与其所对应表4的3个重复实测值进行检验。如以土柱号11试验为例，将表3中11号对应的2种变量值代入模型(1)，遇定量变量值可直接乘以系数，遇定性的虚拟变量，不含Xij的视为0，包含的视为1，所得预测值是3.540 5，而实测值为3.502 1和3.625 9，其预测精度为99.989%和99.976%。
③预测方程的运用。也可依据预测模型(1)得到U12(12×43×33)均匀设计所有20 736种排列组合的预测结果。如：依据以上各单因素分析结果所筛选出的最优组装方案，即浅地下水矿化度(X1)为3 g·L-1；补水量(X2)为5.06 mm/次；土壤质地轻壤土(X32)为1；填料的秸秆、枯枝落叶和木屑的质量比例2∶1∶1(X41)为1；植穴袋材料麻袋(X52)为1；覆膜材料溶质的体积比X61(100∶20∶10)为1；填料厚度(X7)为2.0 cm；方法同②，将这些自变量带入回归模型(1)，就得到可信度达97.6%的最佳组装设计参数的因变量值，即可获得2年生海棠当年枝最大生产量的预测值为：Y=10.852-0.738+1.007+0.387-0.461+0.398-1.809-2.102=7.534 kg·年-1·株-1。
3 结论
由PHCC各因素与海棠生产量的回归模型及结果影响机制分析，可以得出以下结论：①依据偏回归系数的大小，判断出PHCC中各因素对海棠当年枝生产量影响的大小顺序为：填料厚度X7、地下水矿化度X1、覆膜溶质(PVA/VAE/蒙脱石)体积比X6、土壤质地X3、填料比X4、植穴袋材料X5、补水量X2。②在盐渍土环境下所建立可信度为97.6%的PHCC预测模型，可对所设控因素各水平的20 736种排列组合实施海棠生产量的表征值预测，且精度极高。③通过试验结果与分析，所筛选的最佳控制组合方案，即在浅地下水矿化度(X1)为3 g·L-1，补水量(X2)为5.06 mm/次，穴外用轻壤土(X32)填充，填料的秸秆、枯枝落叶和木屑的质量比例为2∶1∶1(X41)，植穴袋材料为麻袋布(X52)，覆膜材料溶质的体积比为X61(100∶20∶10)，填料厚度(X7)为2.0 cm的条件下，实施盐渍土PHCC的绿化工程设计组装，可获得2年生海棠当年枝7.533 9 kg·株-1的生产水平，为盐渍土生态重建实施有效控制，提供了新的工作思路。
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Influences of Saline Soil Planting Hole Composition Control and Environmental Conditions on Crabapple Growth/
Wen Kejun, Wang Ruimei, Wu Liping, Geng Liangzhong(Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, P. R. China); Duan Meng(Nankai University)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(1).-1～5
Coastal saline soil; Plant Hole Composition Control (PHCC); Plants growth; Crabapple; Regression analysis
文科军，男，1957年7月生，天津城建大学环境与市政工程学院，教授。
2013年5月30日。
S156.42
1) 天津科技支撑计划重点项目(08ZCGYSF02500)；天津市科技计划项目(12ZCZDSF01900)。
责任编辑：程 红。
By Planting Hole Composition Control (PHCC) as the basic units for crabapple trees growth, we regulated the saline soil conditions and selected four internal factors of PHCC including the material for planting-hole bag, the dispensation ratio of membrane material, the dispensation ratio of filling material and the material thickness as the inside-bag control conditions and three external natural conditions including groundwater mineralization, supplementary water capacity and soil texture as the outside-bag influential factors. We chose the annual growth of biennial crabapples (Malus Micromalus) as the measurement of the effectiveness of the PHCC on the saline soil condition and arranged the experiments according to the hybrid uniformity design U12(12×43×33). The influence order of the factors on the growth of crabapples cultivated in the PHmbedded in the saline soil is the thickness of the filling material>the groundwater salinity>the dispensation ratio of membrane material>the soil texture>the dispensation ratio of filling material>the material for planting-hole bag>the supplementary water capacity. When the groundwater salinity is 3 g·L-1, the supplementary water capacity is 5.06 mm each time and the soil texture is light loam, the dispensation ratio of straw, litter and sawdust is 2∶1∶1. When the material used for planting-hole bag is cotton cloth, the proportion of PVA/VAE/montmorillonite is 100∶20∶10 and the thickness of filling material is 2.0 cm, the crabapple growth can achieve the maximum increment of 7.533 9 kg/plant. The research shows that the PHCC is effective way on improving saline soil and ecological reconstruction.
