不同龄级梭梭土壤斥水性特征研究

刘岩 吴晓晓 尹燕伟

（新泰市国有土门林场，山东 新泰 271200）

润湿是物体内部湿润性不断增加的过程，是一种物体中的含水量发生变化的现象，土壤的润湿性是土壤表面的水分置换土壤中空气的过程，当土壤的润湿性非常低的时候，此刻表现为土壤的斥水性。土壤斥水性是具有全球意义的一种现象，广泛分布于世界各国各地区，它们之间的不同之处在于其分布的范围和斥水强弱性。在很久之前西方国家就开始了土壤斥水性的研究，范围涉及了澳洲、欧洲和美洲，最先发现土壤存在斥水性的是美国，紧接着在荷兰也发现了土壤中的斥水性，大概有超过一半的农业土壤表层呈现出了中等甚至于严重的斥水性，自然环境中几乎所有的土壤表层都存在斥水性，澳大利亚以及南澳大利亚大概有三分之一的耕地由于土壤的斥水性而导致减少产量，并且存在随着时间的增长越来越严重的问题。土壤斥水性产生的环境条件是多样的，可以在不同的气候条件、土壤环境和植被生长的条件下出现，并且可能会影响到地球表面水文过程的诸多重要环节，因而吸引了国内外很多学者的关注，并且已经做了部分有关方面的研究。总的来说研究内容主要集中于三个方面：一是对不同类型土壤的斥水性研究，有绿洲农田、草原土、棕壤、盐渍化农田等；二是不同因素对土壤斥水性的影响，有火干扰、有机质含量、土壤中所含粘土矿物质和pH 值等；三是土壤斥水性对不同方面施加的影响，有农业生产、生物量与生态环境等等，这也是国内外研究土壤斥水性的起因所在。国内外研究报道，在极端干旱的一些地区，土壤呈现出斥水性的可能性会更大，而且斥水强度也高出很多，但是随着土壤中含水量的不断增加，土壤斥水性则会在短时间内快速降低，甚至于达到最终完全消失的状态。这对于干旱区改善土壤斥水性，实现植被的可持续种植提供了改良思路。杨松，王磊等通过对土壤斥水性产生原理的解析，通过对目前所采用的土壤斥水性改良方法的优缺点比较之后，结果显示：目前土壤斥水性改良的最重要的方式和思路是减少土壤中斥水性有机物的产生和加速土壤中斥水性有机物的分解；当然，除了要考虑其最终实际的改良效果之外，土壤斥水性改良方法的选择还应当兼顾到土壤本身的理化性质以及环境效应等方面的影响；同时将“治标”与“治本”两个目标相结合起来，物理、化学和生物方法的结合可能是土壤斥水性改良研发的新思路和新方向。这些都为梭梭树下土壤斥水性的改良提供了重要的措施考虑。

一、研究区域的选择及土壤采集

本次研究土壤斥水性的区域为甘肃临泽县。该区域处于中国的干旱地区，紧挨巴丹吉林沙漠，春秋两季常有大风的吹蚀，全年降水量较少、蒸发量较大，蒸发量远大于降水量，适合在此处生长的植被类型较少，生态环境极易遭受破坏和侵蚀，因而该地区植被的研究是当务之急，对于生态环境的保护至关重要。从研究区的概况以及对该区域地理条件的综合判断以及与周边居民的咨询情况来看，同时相关研究者研究试验中的样地的选择和划分方法，选择了研究区内种植年限约5、20、40 年的梭梭林作为试验样地，共选取九块样地。

在5 年和20 年龄级的梭梭林下选取两块土壤样地，分别采集20 个样品，采集土样过程中要注意对土壤结构的保护；在40 年龄级的梭梭林下选取五块样地，分别采集20 个样品，取样间距为5～10m，土壤深度为0～5cm，最终采集完的土壤样品总数为180 个，然后将土壤样品分别装于密封袋内进行密封保存。随后将土壤样品带回实验室进行处理，先进行风干，而后研磨风干土壤，同时剔除其中杂质，并通过2mm 的筛后，存放于安全的器皿中，最后依据毛管上升法测定研究区不同年限梭梭树下土壤斥水性的变化。

二、土壤斥水性的测定

测定土壤斥水性通常使用酒精溶液入渗法、滴水穿透时间法和毛管上升法等几种经典的方法。一个液滴落入斥水或部分润湿的固体表面时，它不会迅速在其表面展开，在固—液—气三相界面张力的作用下形成不同的形状，液体表面的切线和固体表面所形成的夹角（在液体内部从液面的切线算起），称为接触角，“土－水”接触角是能够最为直接和有效地反映土壤湿润性的大小。滴水穿透时间法多用于非常干旱地区土壤斥水性的测定，尽管这种方法在操作过程中测定土壤斥水性所需时间比较长，但是它能较为准确地反映土壤斥水性持续时间的长短，所以在某种程度上具有更为直接的影响。酒精溶液入渗法是一种用来测定停留在土壤中的液体表面张力的方法，而且它也能够反映土壤对水滴渗入的抗拒程度，一般情况下是以从渗入土壤到停留在土壤表面的临界酒精溶液表面的张力、摩尔浓度或者体积百分数作为衡量斥水性的指标，但是它是一种间接的测定土壤斥水性的方法。毛管上升法多用于干旱半干旱地区土壤斥水性的测定，它对于研究处于干旱半干旱地区的土壤具有更现实的意义，它是一种根据所测得的“土－水”接触角的大小来衡量土壤斥水性的强弱的方法。相对于毛管上升法而言，滴水穿透法的运用不能准确地区分不同龄级梭梭树下土壤斥水性随时间的强弱变化，由于土壤粒径小，表面光滑度不足，很难直接测量和测量“土－水”接触角。因此，本研究方法采用毛细管上升法测量“土壤－水”接触角，从而表征梭梭不同年龄水平下土壤斥水性的变化。

毛细管上升法是基于毛细管上升原理测量“土－水”接触角的方法，常用“土－水”接触角来测量土壤的拒水性。一定体积的液体会在具有斥水性的土壤表面形成平衡状态的液滴，其形状主要取决于固、液、气交界处任意两相之间的夹角。规定三相交界处的固液界面到气液界面的夹角定义为其平衡接触角，接触角越小，润湿性越好。当θ=0 时，土壤被认为是湿润的土壤。当0＜θ＜90 时，土壤具有一定的拒水性，此时的土壤为亚临界拒水性。当θ＞90°时，土壤不湿润，θ 越高，湿润性越差。此时，土壤表现出防水性。毛细管上升法的应用包括两种测量方法：高度法和质量法。由于实验中很难测量液体上升高度，所以不稳定且多变。考虑到这些问题，通常采用质量法来测量“土－水”的接触角。

按照先前学者毛管上升法中的试验装置准备，然后在具体操作过程中做出适当调整。实验进行的温度条件是室温，一般情况约为 25 ℃。第一步要进行的是将采集回来的土样装入土柱中，在填充之后要左右摇晃使得器皿中的土壤处于均匀状态。紧接着用纯净水和正己烷(参比溶液，接触角为 0°)分别进行试验，记录实验过程中土柱质量增加量m 和试验持续时间t。纯净水和正己烷的化学参数在表 1 中已标明。然后，利用正己烷的参数来计算土柱几何因子C，C 是反映毛细血管特征并取决于粒径和体积密度：

表1 纯净水和正己烷的化学参数(25 ℃)

进而计算纯净水的接触角θ。

三、数据处理及分析

（一）数据处理

首先将实验过程中记录的数据：土柱质量增加量m 和试验持续时间t，按照梭梭树的龄级分类导入EXCEL 进行整理，做数据的预处理。根据公式（1）以及表 1 中正己焕的化学参数，利用正己烷(参比溶液，接触角为0°，cosθ=1)的参数计算出土柱几何因子C，进而利用EXCEL 中的函数、表 1 中纯净水的化学参数，计算纯净水下的“土－水”接触角，从而得到不同龄级梭梭树下土壤的“土－水”接触角，然后根据“土－水”接触角的大小来判断不同龄级梭梭树下土壤斥水性的强弱，根据所得的数据在EXCEL 中做出反映不同龄级梭梭树下“土－水”接触角大小的柱状图，使实验结果一目了然，可明确地看出土壤斥水性与梭梭树龄级的关系。

（二）结果与分析

不同龄级梭梭树下表层土壤“土－水”接触角差异显著，如图 1 的柱状图所示，可以直观地看出它们之间存在的差异并且土壤斥水性有逐年增加的趋势。其中，种植40 年的梭梭树表层土壤“土－水”的接触角为89°+0.36°，显著大于20 年龄级和5 年龄级梭梭树下土壤；种植20 年的梭梭树表层土壤“土－水”的接触角为87°+0.87°，大于种植5 年梭梭树下土壤；种植5 年的梭梭树表层土壤“土－水”的接触角为83°+0.97°，在三种龄级中接触角最小。根据实验和计算结果可以总结得出，不同龄级梭梭树林下土壤斥水性表现为：梭梭树下土壤的斥水强度是与梭梭树的生长时间成正相关的：龄级40 年＞龄级20 年＞龄级5 年，龄级间差异均达到了显著水平。

四、讨论

根据最终数据分析可以得出，土壤斥水性的强度随着梭梭树龄的不断增长而增强，但“土－水”接触角均处于90°以下，表明不同龄级梭梭树下的土壤均存在一定程度的斥水性，但是并未达到强斥水的程度。依据所得出的结果可以推测土壤斥水性不断增强原因可能与植被的种植年限有关，在植被不断生长的过程中可能会使得土壤内部环境的性质发生变化，如土壤斥水性有机物的产生并不断增加、土壤微生物的种群以及数量的变化等。研究结果也可以进一步猜测在梭梭的生长过程中枝叶的凋落及根系分泌物使得土壤中斥水性有机物增加，从而使得土壤斥水性不断增强。国内外的一些学术论文也有一部分佐证了土壤斥水性与土壤中有机质含量的线性相关关系，这更加充分的证明植被在生长过程中的凋落物，经过时间的推移后转化为有机物质，从而对土壤斥水性质的变化产生一定的影响。

对于干旱区而言，加大植被覆盖率、改善生态环境是当务之急。作为沙漠中生长时间最长的绿色植物，梭梭树是一种生命力极其顽强的树种，它属于超旱生小乔木的一种，经过长期对干旱环境的适应，梭梭树在干旱环境中形成了独具一格的抗旱形态结构，具备了特殊的生存技能[10]，由于梭梭树的根系比较发达，主根弯曲向下延伸，具有抗旱、耐高温、耐寒、耐风蚀、耐盐碱等多种特性，因此被认为是一种非常重要的防风、固沙植物，具有沙漠卫士之称，具有很强的生态效益，在荒漠和半荒漠地区的分布比较广泛，我国通常在干旱区大面积种植梭梭树，以此来提高植被覆盖率。

土壤产生斥水性的根本原因可能来自土壤中斥水性有机物的产生，它主要是由一些蜡质类、树脂类和芳香烃类化合物组成。自然条件下，不同植被的生长对土壤中斥水性有机物的含量产生主要影响，这些植物一方面可以通过落叶等凋落的物质来增加表层土壤斥水性有机物的含量，另一方面也可以通过根系分泌的物质使得斥水性物质直接进入深层土壤，进而提高土壤中斥水性有机物的含量。从这些内容可以看出植被生长对土壤斥水性能够产生极其重要的影响。通过研究可以得到在不同梭梭树的种植年限下土壤斥水性的变化特征，从而有效地对梭梭树的可持续种植提供针对性改良土壤方法上的支持。

土壤斥水性对地理环境产生的影响多属消极方面，并且土壤斥水性的产生、变化以及改良相当复杂，因而土壤斥水性对大多数地区来说是一个亟待解决的问题，尽管目前已经有很多关于土壤斥水性的研究，但是很多研究依然不够准确和完善，因而在这方面还需要进一步的研究和讨论。具体针对我国广泛种植梭梭树的西北干旱区而言，改善脆弱的生态环境，促进环境的可持续发展，改良梭梭树下土壤斥水性的应对措施从梭梭树本身生长的角度来考虑之后，需要研究具体的实施方案来改良，此外还应从当地的地理环境等方面进一步深入研究和完善。