高寒草地沙化土壤的改良配方技術研究

陶 歡，馬 麗

(1.昆明理工大學環(huán)境科學與工程學院，云南昆明 650000；2.綿陽師范學院資源環(huán)境工程學院，四川綿陽 621006)

0 引言

在自然和人為因素的影響下，多類脆弱生態(tài)環(huán)境地區(qū)的土壤中細粒物質流失，土地資源遭到破壞[1-2].現今土地沙化是我國最受關注的生態(tài)環(huán)境問題之一，第五次全國荒漠化和沙化監(jiān)測結果顯示：截至2014年，我國重度與極重度沙化土地占全國沙化土地總面積的70.09%[3].

草地是沙化土地類型之一，為早日恢復退化草地，諸多學者向受損草地系統施加廢棄生物質改良其性質.秸稈作為最常見廢棄生物質資源，施加后對土壤容重的降低，土壤微生物種類的增加，土壤孔隙度的增大有促進效果，還可有效增加土壤內氮素含量[4-9].我國是食用菌生產與消費大國，廢棄菌渣仍具有很高利用價值[10].菌渣(未處理)混合施用于土壤作為基肥比直接施用化肥效果更顯著，同時還可避免化肥使用帶來的板結問題[11]；菌渣經處理后施用還可降低沙化土容重,增加土壤孔隙度和團聚體粒級，提高土壤團粒結構的穩(wěn)定性，提升其根際環(huán)境質量和減少作物蟲害現象[11-14].畜禽糞便隨著養(yǎng)殖業(yè)的興起而成為新環(huán)境難題，堆肥化處理畜禽糞便后施于土壤，可使其中養(yǎng)分得到有效利用，土壤中的磷、鉀元素含量會有所增加[5,15].

本文針對紅原縣重度沙化土壤，以不同質量比的廢棄生物質、礦物質組合進行試驗，分析不同處理下土壤特征指標的變化，為資源化利用廢棄生物質改良沙化土壤提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)紅原縣隸屬于四川省阿壩藏族羌族自治州，坐落于北緯32°80′,東經102°56′，位于四川省西北部，平均海拔約3 600 m，年均氣溫約1.4 ℃，屬大陸性高原寒溫帶季風氣候，降水主要集中于夏季，是我國典型的生態(tài)脆弱地區(qū).該地是四川省現代草原畜牧業(yè)試點示范縣，其中農牧民約占總人口的80%，由于往年過度放牧和不合理資源利用的累加效應，使得當地生態(tài)環(huán)境受損嚴重，草地退化程度增加，高質量草地在逐年減少(見圖1).

圖1 研究區(qū)域衛(wèi)星圖Fig.1 Satellite map of research region

1.2 試驗材料

沙化土壤：取自川西北紅原縣高寒重度沙化草地.

菌渣：取自四川新都區(qū)某蘑菇種植基地.

奶牛牛糞：購自四川眉山某牧場，其中礦物質(全磷、全鉀、鈣、鎂)、營養(yǎng)物質(有機質、全氮、粗蛋白質、粗脂肪、粗纖維)分別占4.06%、95.94%.

混合秸稈粉：購于四川阿壩州某農場，其中無氮浸出物、粗纖維、粗脂肪、鈣和磷分別占40%、29.54%、2.80%、0.36%和0.41%.

蒙脫石粉：購于湖南某工廠.

1.3 研究方法

1.3.1 試驗設計 稱取3 kg沙化土壤樣品，分別與外源添加物質(見表1)混勻后在直徑25 cm×高16.5 cm花盆中進行堆肥化處理，采取戶外培養(yǎng)，共分為6個實驗組，每組3個平行樣(見圖2).

表1 實驗分組Tab.1 Experimental grouping

圖2 試驗設計流程圖Fig.2 Flow chart of test design

1.3.2 分析項目及方法 在試驗進行的不同階段(2、8、15月)，通過堿解擴散法(DB51/T 1975—2014)測定堿解氮含量、電沙浴法(NY/T85—1988)測定有機質含量、干篩法及四分法測定團聚體粒徑分布以及鉬酸銨分光光度法(NY/T1121.7—2006)測定有效磷含量.

1.3.3 數據分析 原始數據采用Excel 2019對測定數據進行簡單數據處理，后續(xù)通過Origin 2021、SPSS 22進行相關數據統計與分析.

2 結果與討論

2.1 土壤改良配方對土壤團聚體的影響

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，是表征土壤性質的有力指標之一，與土壤固碳息息相關.其中，大團聚體(粒徑>0.25 mm)與土壤的團粒結構的生成及其穩(wěn)定性之間呈正相關.

隨著培養(yǎng)時間的延長，不同改良配方下土壤大團聚體含量相較于A組存在顯著差異(圖3).經過2個月的培養(yǎng)后，實驗組(C1、D1、E1、F1)大團聚體含量分別由原來的4.71%增加到了28.87%、25.42%、11.66%和14.78%；培養(yǎng)8個月后，實驗組(C2、D2、E2、F2)土樣中的大團聚體比例總體呈現下降趨勢，與培養(yǎng)兩月相比較下降到了2.15%、11.25%、5.00%和6.41%，其中C組大團聚體比例降至最低，甚至低于了對照組1(4.71%)(圖3B)；但再經過7個月(共15月)培養(yǎng)后C組大團聚體比例有一定回升，其余各組均下降(E、F組最終低于A組)，其大團聚體比例依次為10.13%、8.75%、3.02%和2.93%(圖3C).圖3A中，實驗組大團聚體比例增加，其中以C組增勢最為顯著，由此說明菌渣、蒙脫石粉能夠在短時間堆肥化處理內有效促進大團聚體的形成；結合圖3B和圖3C可以看出，隨著培養(yǎng)時間的延長土壤中大團聚體的比例呈現下降再回升的趨勢；而結合整個培養(yǎng)周期來看，E、F組土壤中的大團聚體比例下降，最終低于A組(4.71%).

圖3 團聚體粒徑分布Fig.3 Aggregate size distribution注：圖左上標號 A、B、C 分別表示不同實驗期(A：2 個月、B：8 個月、C：15 個月)，下同.

總的來看，添加外源物質后初期對于大團聚體的增加有一定作用.比較C與D、E、F組的整體數據來看，C組前期效果最好，后期大團聚體比例也是最高，由此可見“菌渣+蒙脫石粉”對于大團聚體的生成作用力度較高，這與其他學者觀點相同，即認為菌渣可以促進大團聚體的形成[11,13].但秸稈、牛糞、木屑在中后期作用不顯著，甚至可能外源物質間存在相互作用，降低了整體作用效果.綜上可以看出，各配方中所添加物質對于外界的環(huán)境變化穩(wěn)定性不強或者相互間存在抑制作用，這需要進一步研究外源添加物之間的相互作用機理來得出相關結論.

2.2 土壤改良配方對土壤有機質的影響

土壤中有機質的含量是土壤肥力及其他理化性質的重要限制條件之一，土壤中有機質含量的高低在一定程度上決定了農作物的產量狀況、土壤的長久有效利用性.

隨著培養(yǎng)時間從2個月到15個月，實驗組的有機質含量相較于對照組均呈現上升趨勢，其中以E組增長最穩(wěn)定(圖4).相比對照組，培養(yǎng)兩個月后實驗組土壤中有機質含量均有不同程度的提升，粒徑<2 mm土壤有機質以C組增勢最明顯，而粒徑<0.25 mm土壤有機質以D組增勢最顯著，增長率分別為207.02%、261.72%；培養(yǎng)中、后期(圖B、C)與培養(yǎng)前期相比，都有一定上升，但僅有部分實驗組在整個培養(yǎng)周期內一直呈現上升：C組(粒徑<0.25 mm)、D組(粒徑<2 mm)、E組.B組粒徑<0.25 mm土壤有機質含量在整個培養(yǎng)周期內基本無變化，但粒徑<2 mm土壤有機質增勢明顯，甚至最終超過部分實驗組(C組)，由此可見“蒙脫石粉+菌渣”對于有機質影響不顯著,自然堆肥對于土壤中小團聚體中有機質的增加基本無影響，但對于大團聚體中有機質生成有一定的促進作用；比較實驗組(C—F)可知，秸稈、木屑、牛糞對于有機質增加有一定促進作用.整個周期看來：粒徑<2 mm土壤有機質變化呈現不一致的上升趨勢，如C、D、F組在整個培養(yǎng)周期看來均有升有降，同樣粒徑<0.25 mm土壤有機質含量的變化趨勢也不確定，以E組(蒙脫石粉+菌渣+牛糞)有機質含量增長最穩(wěn)定.B、C組相比，在大團聚體中對有機質生成的作用B>C，由此說明“蒙脫石粉+菌渣”的作用小于自然堆肥.

圖4 不同配方處理的土壤有機質含量變化Fig.4 Changes of soil organic matter content under different formula treatments

2.3 土壤改良配方對土壤堿解氮的影響

土壤堿解氮與土壤中有機質含量有一定關聯，同時可用于反映土壤中的氮素近況，是作物生長過程中必要營養(yǎng)元素之一.不同配方處理后，從整個培養(yǎng)周期看來，土壤中的堿解氮含量大多呈現“升高—升高—升高”的趨勢(圖5).培養(yǎng)兩月后，與對照組1相比，實驗組配方下的堿解氮含量隨著處理時間的推移成階梯狀增加，其中E組的增勢最快，增率達44.44%；經8個月盆栽培養(yǎng)后，B組中堿解氮含量出現下降且低于A組(12.6 mg/kg)，而實驗組中堿解氮含量逐漸增加，與實驗初期相比，增勢最明顯組別更替為F組，其增率顯著高于其他組別，增長率依序為152.38%(F組)>57.14%(C組)>47.64%(D組)>42.86%(E組)；到培養(yǎng)后期，各實驗組均呈現出良好增勢，以15個月來看，各實驗組增長率依次為：283.33%(D組)>277.78%(F組)>216.67%(E組)>150%(C組).

圖5A可見在沙化土中配施一定的生物質和礦物質對于堿解氮具有一定的改善作用，其中以“菌渣+蒙脫石粉+牛糞”作用最顯著，相比實驗組，D、F組與C組效果一致，說明在培養(yǎng)初期秸稈、木屑對于土壤堿解氮的生成基本無影響，而牛糞(E組)對于堿解氮的生成作用顯著高于前兩種生物質；隨著培養(yǎng)時間的遞進，B組呈現先增加再降低再回升狀態(tài)，說明僅僅堆肥化處理對于堿解氮的影響可近乎于忽略不計；與C組相比，D、F組下的堿解氮含量增長幅度前期相近，E組最突出，到中、后期增長有較大的差距，其中以F組在中期增長勢最好，到后期D、F兩組幾近持平，由此說明“菌渣+蒙脫石粉”對于堿解氮有一定的改善效果，且具有持續(xù)穩(wěn)定性，在添加秸稈、木屑、牛糞后會加強對于土壤中堿解氮生成的作用效果，其中以D組(蒙脫石粉+菌渣+秸稈)最終效果最佳.

圖5 不同配方處理的土壤堿解氮含量變化Fig.5 Changes of Alkali-hydrolyzable N content in soil treated with different formulas

2.4 土壤改良配方對土壤有效磷的影響

土壤有效磷在很大程度上可以顯現出土壤的磷儲量，土壤中的磷素對于作物生長發(fā)育不可或缺，其重要性僅次于氮、鉀.由圖6可得，不同配方處理的土壤有效磷含量變化隨機性機率較大.培養(yǎng)2個月后與A組相比，各組(除E組外)土壤中的有效磷含量均有小幅度增長，各組增長率分別為20.5%(B組)、3.33%(C組)、13.67%(D組)、-0.83%(E組)、30%(F組).在整個培養(yǎng)周期的中、后期，B組呈明顯下降趨勢，C呈現緩慢上升，其余配方處理下有效磷的含量未呈現出一定的變化規(guī)律可循.

圖6A表明木屑在培養(yǎng)初期對有效磷的增長作用最快，比較B、C、D、E組可知，堆肥對于有效磷的生成具有積極作用，而菌渣、蒙脫石粉、秸稈和牛糞在前期參與堆肥后對有效磷的增加作用不明顯.圖6B和圖6C中可看出，在培養(yǎng)8月后添加的外源物質開始發(fā)揮作用，僅僅自然堆肥對于最終土壤有效磷作用不顯著，F、C組相比可知，木屑在中、后期對于有效磷的增加幾乎無作用，甚至低于“菌渣+蒙脫石粉”的功效.

總的來看，實驗初期有效磷總體呈現出增長趨勢，但從整個實驗周期來看，B、F組最終有效磷含量甚至低于A組，而C組呈現出穩(wěn)定緩緩上升趨勢，由此說明“菌渣+蒙脫石粉”對于土壤中有效磷含量的增加有穩(wěn)定且持續(xù)作用效果，而秸稈、木屑和牛糞組均出現有升有降且最終作用效果并不顯著，故“菌渣+蒙脫石粉”(C組)對于土壤有效磷的改良效果最佳.

圖6 不同配方處理的土壤有效磷含量變化Fig.6 Changes of available P content in soils treated with different formulas

2.5 土壤團聚體與土壤養(yǎng)分相關性分析

2.5.1 Pearson相關分析 將實驗數據通過SPSS 22進行Pearson相關分析發(fā)現(表2)，有效磷含量與大團聚體(粒徑>2 mm)比例呈現顯著正相關(p<0.05)，即有效磷的含量隨著土壤中大團聚體占比的增加而增加；堿解氮含量與有機質(粒徑<2 mm)含量表現出顯著正相關性(p<0.05)，說明有機質含量(粒徑<2 mm)會影響土壤中堿解氮的含量；微團聚體(粒徑<0.25 mm)比例與有機質含量呈現顯著負相關(p<0.05)，即認為微團聚體不利于土壤中有機質的積累.

表2 Pearson相關性分析Tab.2 Pearsoncorrelation analysis

2.5.2 獨立樣本T檢驗 將各組整個周期平均數據組經SPSS22進行獨立樣本T檢驗(表3)，結果可知(p<0.05)：(1)F組處理較A組而言，堿解氮、團聚體、有機質(粒徑<0.25 mm)具有顯著差異，即認為F組處理有利于沙化土這三種性質的改良；F組相較于B、C組，僅有堿解氮具有顯著差異；F組與D、E組相比，也是僅有堿解氮具有顯著差異.(2)與A組相比，其余各組對其中一定性質都具有不同的改良效果，但全都對于有效磷的改良效果均不顯著，這可能是因為處理時間過短，所以對其影響效果并不顯著[16].

表3 獨立樣本T檢驗顯著性結果Tab.3 Independent sample t test significance results

3 結論

(1)前期添加菌渣、蒙脫石粉后各組對于大團聚體的生成有一定作用，但在中后期數據顯示，疊加牛糞、木屑、秸稈后對于大團聚體的生成出現反作用，整體來看“菌渣+蒙脫石粉”不僅能夠促進大團聚體的生成，還具有持續(xù)性.

(2)對比分析B組、C組知“菌渣+蒙脫石粉”對有機質基本無作用效果，根據實驗組數據得其余外源物質(秸稈、木屑和牛糞)對于有機質均有一定的促進作用，其中以E組(“牛糞+蒙脫石粉+菌渣”)效果最為顯著.

(3)實驗組對于堿解氮均具有改良效果，說明“菌渣+蒙脫石粉”能夠有效的改善堿解氮生成，其中以D組改良效果最顯著，則說明秸稈對于氮的改良有積極作用.

(4)實驗初期大多數配方對于土壤有效磷具有一定改良效果，但中后期改良效果下降，“菌渣+蒙脫石粉”的組合不僅能夠有效提高土壤中有效磷含量，并相較于其他配方更具有穩(wěn)定性.

綜上，“菌渣+蒙脫石粉”對于團聚體、堿解氮、有效磷均具有改良效果，是對于沙化土壤改良的最佳改良配方.同時論證了牛糞、秸稈分別對于有機質、堿解氮的改良效果，這不僅為農牧廢棄物綜合利用提供了一種新思路，同時為后續(xù)沙化土壤改良技術研究提供理論依據.