蚯蚓肥復配土壤調理劑對毛烏素沙地土壤性質及中科羊草生長的影響

艾 鋒,李 強,任浩東，陳占飛,趙 江,劉 娜,劉艷麗,張凱煜，孫利鵬

(1.榆林學院，陜西省陜北礦區生態修復重點實驗室，陜西 榆林 719000； 2.榆林學院，榆林市固廢資源化利用工程技術研究中心，陜西 榆林 719000；3.榆林環境保護工程有限責任公司，陜西 榆林 719000；4.榆林市農業科學研究院，陜西 榆林 719000)

土壤是人類賴以生存的物質基礎，是農林業生產和生態修復不可或缺的載體。土壤質量決定了我國農(林)產品質量以及農(林)業的可持續發展，但由于長期的土壤侵蝕、環境污染以及耕作制度等因素，導致了嚴重的土壤退化[1]。與此同時，隨著我國人口不斷增長，工農業污染矛盾持續加劇，土壤退化已經成為我們亟待解決的問題[2]。

毛烏素沙地是我國西北生態文明建設的前沿陣地，也是生態系統的敏感脆弱區。在國家“碳達峰、碳中和”的大背景下，風沙區土壤資源的保護與生態再利用顯得尤為重要。然而，風沙土缺少膠體，存在土壤質地松散、潛在養分貧瘠等一系列問題[3～4]。因此，治理風沙土對農業可持續發展和農民生活水平的提高有著直接的現實意義[5]。已有研究表明，風沙土中施入土壤調理劑能夠有效增強其保水保肥能力，改善土壤性質，防止土壤退化[6～10]。施用土壤調理劑還可以有效降低干旱脅迫對作物產量的影響。蚯蚓肥是一種合理結合有機物和微生物的高效新型有機肥，透水通氣效果好，增肥效果佳。Nowshin Laila等[11]認為蚯蚓肥可有效激發植物生長潛能，提高作物產量[12～13]。因此，蚯蚓肥復配土壤調理劑將充分發揮二者功效，對于土壤理化性質及植物生長改善和提升具有重要的潛在價值[14]。

為此，本研究采用課題組自主研發土壤調理劑與市購蚯蚓肥進行不同比例復配，通過田間小區實驗方法，研究了蚯蚓肥復配土壤調理劑對土壤性質和植物生長的影響。旨在集成一種煤基固廢與蚯蚓肥生態利用的技術工藝[15～18]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地位于陜西省榆林市牛家梁(經度109°45'27″E，緯度38°22'50″N)，平均海拔1 100 m～1 200 m，年平均溫度10.4℃，年無霜期150 d，年降雨量446.5 mm。供試中科羊草種子來自榆林某種子公司，供試蚯蚓肥來自榆林某公司，土壤調理劑為課題組自主研發產品?；咎匦砸姳?。

1.2 試驗設計

試驗布設采用隨機區組設計，每個處理包括3次獨立重復。試驗蚯蚓肥復配土壤調理劑包括對照CK、EC-T1、EC-T2、EC-T3共4個處理。肥料采用撒施的方式，將稱量好的蚯蚓肥與土壤調理劑施入對應小區中，小區規格為3 m*3 m，利用旋耕機將土壤翻松整平。中科羊 草種子施用量為4.5 g/m2。采用條播方式，行距20 cm，深度為1 cm，試驗時間為2021年5月-2021年10月,試驗期間降雨和氣溫變化如圖1所示，試驗蚯蚓肥和土壤調理劑施用量如表2所示，播種時間為2021年5月13日。

表1 試驗土壤、土壤調理劑及蚯蚓肥基本性質

表2 田間試驗蚯蚓肥和土壤調理劑施用量

圖1 試驗期降雨量和氣溫變化

1.3 指標測定

待中科羊草出苗后，每月上旬觀測植物、土壤特性指標。土壤含水率采用鋁盒烘干法，土壤容重采用環刀法(V=100 cm3)，土壤pH測定利用電位計法(水土比為2.5∶>1)，有機質采用硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定，速效鉀采用火焰光度法測定，有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法測定，水解氮采用堿解擴散法測定。中科羊草株高及葉面積利用卷尺測定，將采集到的中科羊草放入烘箱，殺青后在烘干至恒重，獲得生物量。

1.4 數據分析

Excel2010軟件進行統計繪圖，SPSS23.0進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 蚯蚓肥復配土壤調理劑對土壤物理性狀的影響

2.1.1 不同處理土壤含水率的變化 土壤含水率是土壤肥力重要指標之一[19]。由圖2可得，與對照相比，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑處理EC-T1、EC-T2、EC-T3的土壤含水率分別提高了1.8%、3.61%和2.43%；8月相較于CK對照組，EC-T1、EC-T2、EC-T3含水率分別提高了22.96%、11.71%和8.61%；9月相較于CK對照組，EC-T1含水率降低了24.19%，EC-T2含水率降低了37.73%，EC-T3含水率降低32.31%，可能是天氣干旱，EC-T1、EC-T2、EC-T3中的植物長勢較CK更好，用水量較大所導致；10月相較于CK對照組，EC-T1、EC-T2、EC-T3含水率分別提高了29.62%、30.56%和24.76%。綜上分析可得，在7、8、10三個月份中，相對于CK對照組，不同處理對風沙土含水率影響存在差異，且EC-T1對于風沙土含水率增幅最大。

圖2 不同處理土壤含水率變化

2.1.2 不同處理土壤容重的變化 土壤容重可表示土壤結構狀況，風沙土容重通常過大，不利于土壤內部的交換調節[20]。由圖3可知，與對照相比，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑處理EC-T1、EC-T2、EC-T3的土壤容重分別降低2.55%、9.49%和2.70%；在8月，相較于CK對照組，EC-T1、EC-T2、EC-T3容重分別降低5.29%、4.12%和5.88%；9月相較于CK對照組，EC-T1、EC-T2、EC-T3容重分別降低6.79%、2.47%、0.62%；10月相較于CK對照組，EC-T1、EC-T2、EC-T3容重分別降低1.89%、2.52%和0.63%。綜上與對照相比，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑能夠降低風沙地土壤容重，且EC-T2處理對土壤容重的影響最為顯著。

圖3 不同處理土壤容重變化

2.1.3 不同處理土壤孔隙度的變化 土壤孔隙度是評價土壤結構狀況的重要指標，孔隙度過低將不利于土壤中水、氣和營養物質的交換調節。由圖4可知，7月相較于CK對照組，處理EC-T1、EC-T2、EC-T3孔隙度均有提升，分別為4.20%、14.05%和4.40%，其中EC-T2提升最為顯著；8月相較于CK對照組，處理EC-T1、EC-T2、EC-T3孔隙度分別提高11.39%、6.79%和1.01%，EC-T1提升最為顯著；9月相較于CK對照組，處理EC-T1、EC-T2、EC-T3孔隙度分別提高8.65%、6.79%、9.93%，其中EC-T3提升最為顯著；10月相較于CK對照組，EC-T1、EC-T2、EC-T3孔隙度分別提高2.92%、3.34%和0.47%?？梢?，在風沙土中添加蚯蚓肥復配土壤調理劑，對于土壤孔隙度有著顯著提升作用。

圖4 不同處理土壤孔隙度變化

2.2 蚯蚓肥復配土壤調理劑對土壤化學性狀的影響

2.2.1 不同處理土壤pH的變化 pH也是土壤質量的主要指標之一，對土壤養分和微生物均有著顯著影響[21]。由圖5可知，與對照相比，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑處理EC-T1、EC-T2、EC-T3的pH分別降低了3.64%、3.75%和8.93%；8月與CK相比，EC-T1和EC-T3的pH分別增加了3.44%和1.84%，EC-T2的pH降低了1.84%；9月相較于CK對照組，EC-T3的pH增加了0.84%，EC-T1的pH降低了1.44%，EC-T2的pH降低了2.64%；10月相較于CK對照組，EC-T1的pH降低了3.42%，EC-T2的pH降低了1.82%，EC-T3的pH降低了3.08%?？梢?，在7、8、9、10四個月份中，相對于CK對照組，蚯蚓肥復配土壤調理劑能有效調節風沙土pH。

圖5 不同處理土壤pH變化

2.2.2 不同處理土壤有機質變化 土壤中有機質對于土壤養分循環具有重要作用。由圖6可得，不同處理土壤有機質含量排列順序為：EC-T2>EC-T3>EC-T1>CK，處理EC-T2有機質含量最高。與對照相比，處理EC-T1、EC-T2和EC-T3有機質含量分別提升98.33%、148.33%和133.33%，說明施加蚯蚓肥復配土壤調理劑對風沙土有機質含量有顯著提升。

圖6 不同處理土壤有機質變化

2.2.3 不同處理土壤養分含量變化 土壤養分對土壤肥力的影響至關重要。由圖7可得，與對照相比，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑處理，速效鉀含量分別提升49.58%、66.73%和41.09%，有效磷含量分別提升38.92%、64.32%和58.38%，水解氮含量分別提升148.82%、150.39%和196.20%，說明蚯蚓肥復配土壤調理劑能顯著提高風沙土養分含量。

圖7 不同處理土壤養分含量變化

2.3 蚯蚓肥復配土壤調理劑對中科羊草的影響

2.3.1 蚯蚓肥復配土壤調理劑對中科羊草株高的影響 株高可以直接反映植物生長狀況。由圖8可知，與對照相比，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑處理EC-T1的株高增加了3.68%，EC-T2的株高增加了14.18%，EC-T3的株高增加了8.90%；8月相較于CK對照組EC-T1的株高增加了13.56%，EC-T2的株高增加了19.05%，EC-T3的株高增加了17.82%；9月相較于CK對照組，EC-T1的株高降低了4.65%，EC-T2的株高增加了4.26%，EC-T3的株高增加了5.45%，EC-T1的株高降低可能是由于采樣點的誤差所造成；10月相較于CK對照組，EC-T1的株高增加了8.86%，EC-T2的株高增加了8.00%，EC-T3的株高增加了14.68%。綜上所述，與對照相比，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑對于風沙土的中科羊草株高影響各不相同，均能增加中科羊草的株高。

圖8 不同處理中科羊草株高變化

2.3.2 蚯蚓肥復配土壤調理劑對植物生物量的影響 植物生物量可以直接反映出植物的生長狀況[22]。由圖9可知，不同處理中科羊草的地上生物量排列順序為EC-T3>EC-T1>CK>EC-T2，EC-T3的地上生物量表現最好。與對照相比，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑處理EC-T1的地上生物量增加了3.37%，EC-T2的地上生物量降低了20.17%，EC-T3的地上生物量增加了7.56%。不同處理中科羊草的根系生物量排列順序為：EC-T3>EC-T2>EC-T1>CK，EC-T3的根系生物量表現最好，相較于CK對照組，EC-T1的根系生物量增加了14.69%，EC-T2的根系生物量增加了105.92%，EC-T3的根系生物量增加了140.16%?？梢姡球痉蕪团渫寥勒{理劑能夠有效增加中科羊草生物量，其中以處理EC-T3效果最為顯著量。

圖9 不同處理中科羊草地上/地下生物量變化

2.3.3 蚯蚓肥復配土壤調理劑對中科羊草葉面積的影響 由圖10可知，不同處理中科羊草的葉面積排列順序為EC-T3>EC-T2>EC-T1>CK，EC-T3的葉面積表現最好。相較于CK對照組，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑處理EC-T1的葉面積增加了54.09%，EC-T2的葉面積增加了57.55%，EC-T3的葉面積增加了96.86%。

圖10 不同處理中科羊草葉面積變化

2.4 建立綜合評價體系

由上述可得，試驗所設不同處理對毛烏素沙地土壤性質及中科羊草生長均有一定的影響，但沒有一個標準去衡量，也就是某處理的一個指標優良，其他指標卻較差，說明某個指標無法代替對應處理的綜合改良效果。因此，筆者研究利用主成分分析以及加權計算，建立綜合評價體系，通過公式計算各處理得分情況，從而得出最優的蚯蚓肥復配土壤調理劑配比。

2.4.1 改良效果評價指標相關性分析 表3為選取的11個改良效果評價指標的相關性分析，包括3個土壤物理指標：含水率X1、孔隙度X2、容重X3，5個土壤化學指標：酸堿度X4、有機質X5、速效鉀X6、有效磷X7、水解氮X8，3個植物生長指標：株高X9、生物量X10、葉面積X11。由表3可得，11個改良效果評價指標具有一定的相關性，因此可對其進行主成分分析。

表3 各指標相關系數矩陣

2.4.2 各成分的特征根與方差貢獻率 11項改良效果評價指標進行主成分分析后，各主成分特征根與累計貢獻率如表4所示。當主成分累計貢獻率大于90%時，可基本反映變異情況。由表4可得，主成分V1特征根為8.41，解釋總變異76.47%；第二主成分V2特征根為2.19，解釋了總變異19.92%，前2個主成分的累計貢獻率達到了96.39%>90%，因此可代表11個指標的大部分信息。

表4 各主成分的特征根和累積貢獻率

2.4.3 特征向量及主成分表達式 所選的11個初始指標和2個主成分V1、V2的相關系數如表5所示，由此表可得pH、有機質、有效磷以及水解氮在V1上數值較高，代表土壤的化學性質和養分狀況，含水率、容重、生物量和葉面積在V2上數值較高，代表了土壤的物理性質以及植物生長狀況。V1、V2兩個主成分與初始指標的關系函數表達式如下：

表5 主成分的特征向量

V1=0.16X1+0.32X2-0.25X3-0.34X4+0.34X5+0.30X6+0.34X7+0.34X8+0.32X9+0.29

X10+0.29X11

(1)

V2=-0.58X1+0.26X2+0.46X3-0.08X4-0.07X5-0.28X6-0.03X7-0.06X8+0.07X9+0.38X10+0.38X11

(2)

2.4.4 改良效果綜合評價 主成分加權求和可得到綜合評價方程:

V=0.793V1+0.206V2

(3)

由圖11可得，不同蚯蚓肥復配土壤調理劑處理的得分大小排序為EC-T3> EC-T2> EC-T1>CK，可以看出施用蚯蚓肥復配土壤調理劑的處理得分均高于CK，且隨著蚯蚓肥復配土壤調理劑配比的增大，得分呈現越來越高的趨勢，對照組及蚯蚓肥復配土壤調理劑配比為1∶>2、1∶>1和2∶>1的處理綜合得分分別為-3.12、-0.31、1.22和2.20。

圖11 不同處理下土壤改良綜合得分

3 結論

以中科羊草為指示作物，通過田間小區試驗，研究了蚯蚓肥復配土壤調理劑對土壤性質和植物生長的影響，主要結論：

(1)與對照相比，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑處理的含水率、孔隙度均有不同程度提高，土壤容重顯著降低，說明施用蚯蚓肥復配土壤調理劑可有效改善風沙土物理結構。

(2)與對照相比，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑處理的pH表現較好，處理后土壤有機質、速效鉀、有效磷和水解氮含量顯著提升，說明施用蚯蚓肥復配土壤調理劑可有效改善風沙土化學性質，提升土壤肥力質量。

(3)施用蚯蚓肥復配土壤調理劑能夠顯著增加中科羊草株高、生物量及葉面積，改善植物生長狀況。

(4)施用蚯蚓肥復配土壤調理劑的處理得分均高于CK對照，且隨著蚯蚓肥復配土壤調理劑配比的增大，得分呈現越來越高的趨勢，蚯蚓肥復配土壤調理劑配比2：1的處理綜合改良效果最好，得分為2.20。