蚯蚓肥復配土壤調理劑對鹽堿地土壤性質及中科羊草生長的影響

艾 鋒 ，張 生 ，李 強 ，陳占飛 ，張瀟逸 ，趙 俞 ，張凱煜

（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.陜西未來能源化工有限公司，陜西 榆林 719000；4.榆林市農業科學研究院，陜西 榆林 719000）

鹽堿地是指土壤中鹽分超過植物耐受度而影響植物生長的一類土壤[1-2]。我國鹽堿地面積9.15×107hm2，同時還有大量土壤處于次生鹽堿化狀態，預計到2040年約43%以上的耕地將受到鹽堿化影響，鹽堿地不僅是生態環境的敏感脆弱區，也限制了我國農業的可持續發展[3-5]。因此，鹽堿地土壤資源的保護與利用顯得尤為緊迫和重要。有研究表明，經鹽堿化后的土壤，在地表形成一層板結物質，降低了土壤通氣透水能力，導致土壤肥力以及有效養分含量的下降，同時鹽脅迫也會影響土壤微生物和酶活性[6]。土壤鹽堿化會降低植物水分利用率，抑制植物進行光合作用，引發滲透脅迫、離子毒害等原初效應，并影響植物體內正常生理生化過程，進而引起氧化脅迫、營養虧缺等次生脅迫，嚴重時可導致作物死亡[7]。因此，治理鹽堿地對生態可持續發展具有重要意義[8]。

鹽堿地施用土壤調理劑后，土壤保水保肥能力及增溫效應得到顯著提升，改善土壤理化性質的同時也提高了作物越冬返青能力[9-13]。蚯蚓肥是一種將有機物和微生物合理結合的高效有機肥，透水通氣性好，具有良好的通風透水性及增肥效應[14]。姚瀾等[15]研究發現，蚯蚓肥可有效激發植物生長潛能，提高作物產量。張玉鳳等[16]及杜利霞等[17]研究認為，在鹽堿土中施用土壤調理劑及蚯蚓肥可有效降低電導率及水溶性金屬離子含量，提高鹽堿土的養分有效性，促進植物生長。因此，蚯蚓肥復配土壤調理劑對土壤理化性質及植物生長改善和提升可能具有重要價值[18-21]。

中科羊草（Leymus chinensisZhongke）屬于禾本科賴草屬，研究表明，其具有較強的耐鹽堿性，可在pH值8.5～11.5的鹽堿地上生長，是非鹽生植物中耐鹽性較高的物種，是優質的牧草兼生態草[22]。因此，可通過大面積推廣種植中科羊草來改良鹽堿化土壤。

本研究以中科羊草為指示植物，通過榆林學院多源固廢協同修復課題組自主研發土壤調理劑與蚯蚓肥進行不同比例復配，采用田間小區試驗方法，探究蚯蚓肥復配土壤調理劑對鹽堿土理化性質和中科羊草生長的影響，以期為蚯蚓肥復配土壤調理劑在鹽堿地的示范推廣提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于陜西省榆林市黃沙七墩村（經度109°32′52″E，緯度38°12′22″N），海拔1125 m，年平均溫度10.1 ℃，年無霜期152 d，年降水量431.5 mm。試驗地土壤為鹽堿土，小區內土壤總鹽分在1.2～2.8 g/kg，屬于輕、中度鹽堿地[23]。

1.2 試驗材料

供試中科羊草種子購于當地某農業公司。蚯蚓肥購于榆林某肥料公司。土壤調理劑由榆林學院多源固廢協同修復課題組自主研發。鹽堿土、調理劑及蚯蚓肥基本特性如表1所示。

表1 鹽堿土、調理劑及蚯蚓肥基本組成Tab.1 Basic composition of saline alkali soil， conditioner and earthworm fertilizer

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，設置4個施肥處理，分別為SA1.蚯蚓肥1.50 kg/m2，土壤調理劑3.00 kg/m2；SA2.蚯 蚓 肥2.25 kg/m2，土 壤 調 理 劑2.25 kg/m2；SA3.蚯蚓肥3.00 kg/m2，土壤調理劑1.50 kg/m2；CK為對照組，不施肥。所有肥料一次底肥施入。小區面積為3 m×3 m，每個處理設3個重復。將稱量好的蚯蚓肥與土壤調理劑撒施在對應小區中，再將土壤翻松整平，耕作深度40 cm。中科羊草于5月播種，播種量為6.0 g/m2，采用條播方式，深度為1 cm，行距25 cm，鋪設滴灌帶澆水，8月5日除草，小區內不施加其他底肥。試驗期間降水量和氣溫變化如圖1所示。

圖1 試驗期降水量和氣溫變化Fig.1 Changes in rainfall and temperatureduring the test period

1.4 測定項目及方法

待中科羊草出苗后，每月10日觀測植物生物學及鹽堿土特性指標。土壤指標按照S型五點法采樣，含水率利用烘干法測定，土壤容重采用環刀法（V環刀=100 cm3）測定，土壤pH利用電位計法測定，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。每個小區按照五點法采樣5株，利用卡尺測定中科羊草株高及葉面積，將采集到的中科羊草放入烘箱，殺青后烘干24 h至恒質量，獲得生物量。

1.5 數據分析

試驗采用Excel 2010進行統計繪圖，采用SPSS 23.0進行方差分析、多重比較以及主成分分析。

2 結果與分析

2.1 蚯蚓肥復配土壤調理劑對鹽堿地土壤物理性質的影響

2.1.1 土壤含水率 土壤含水率是體現土壤肥力的重要指標之一。從圖2可以看出，在不同月份中，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑對鹽堿土含水率有一定提升，由于復配土壤調理劑有優良的保水性，因此，土壤含水率隨著蚯蚓肥復配土壤調理劑的比例增加呈上升趨勢。綜合平均3次獨立重復及各月份情況，與CK相比，SA1、SA2、SA3處理土壤含水率分別提升3.32%、12.96%和27.68%，其中，SA3處理土壤含水率提升最為明顯，7、8、9、10月土壤含水率均顯著高于對照，土壤含水率分別提升31.13%、20.79%、38.05%和24.46%。

圖2 不同處理土壤含水率比較Fig.2 Comparison of soil moisture content under different treatments

2.1.2 土壤容重 不同處理下土壤容重變化如圖3所示。

圖3 不同處理下土壤容重變化Fig.3 Change of soil bulk density under different treatments

從圖3可以看出，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑后，鹽堿地土壤容重得到一定程度的降低，有效提升了鹽堿土通氣透水性。綜合平均3次獨立重復及各月情況后可知，與CK相比，SA1、SA2、SA3處理土壤容重分別降低4.61%、3.31%、6.62%，其中，SA3處理土壤容重降低最為明顯，在7、8、9、10月土壤容重分別降低5.96%、6.00%、0.65%和5.41%，在8、10月達到顯著水平。9月SA1、SA2處理的土壤容重相較于對照反而增加，可能是因為采樣點誤差所致。

2.2 蚯蚓肥復配土壤調理劑對土壤化學性質的影響

2.2.1 土壤pH pH是鹽堿土堿化程度的重要評價標準之一，對土壤微生物及養分均有影響[24]。從圖4可以看出，綜合平均3次獨立重復及各月情況，與對照相比，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑SA1、SA2和SA3處理的pH分別降低5.18%、8.15%和5.73%；與CK相比，7月SA1、SA2、SA3處理的pH分別降低1.53%、2.95%、5.69%，其中，SA3處理較CK顯著降低；8月SA2處理的pH顯著降低，SA1、SA2、SA3處理的pH較CK分別降低4.90%、11.94%、7.04%；9月與CK相比，SA1、SA2處理的pH分別降低1.77%和3.66%，SA3處理反而提升1.73%，可能是由于采樣點的誤差所造成；10月與CK相比，SA1、SA2、SA3處理的pH分別降低12.03%、13.28%、11.02%，SA1、SA2、SA3處理pH均得到顯著降低，由此可見，在7、8、9、10月這4個月份中，相對于CK，蚯蚓肥復配土壤調理劑能有效降低鹽堿土pH，SA2處理效果最為明顯。

圖4 不同處理下土壤pH變化Fig.4 Change of soil pH under different treatments

2.2.2 土壤有機質 有機質作為土壤的重要組成部分，是影響土壤的決定性因子[25]。從圖5可以看出，由于蚯蚓肥和土壤調理劑中均含有大量有機質，不同處理下鹽堿土有機質含量隨著蚯蚓肥復配土壤調理劑的配比增加而提升。綜合平均3次獨立重復及各月情況，與對照相比，SA1、SA2和SA3處理均能顯著提升有機質含量，其增幅在29.41%～69.02%，其中，SA3處理的有機質含量最高，相較于對照提高了69.02%。說明施加蚯蚓肥復配土壤調理劑對鹽堿土有機質含量有顯著提升作用。

圖5 不同處理土壤有機質變化Fig.5 Soil organic matter changes under different treatments

2.2.3 土壤速效養分含量 土壤養分是土地生產力的根本[26]。由圖6可知，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑可有效提升鹽堿土養分含量。綜合平均3次獨立重復及各月情況，與對照相比，SA1、SA2和SA3處理的速效鉀含量分別提升63.64%、78.14%和92.64%，有效磷含量分別提升54.67%、105.95%和129.76%，水解氮含量分別提升84.84%、57.17%和28.39%。土壤速效養分總含量相較于CK均得到顯著提升。可見，鹽堿地施用蚯蚓肥復配土壤調理劑可顯著提升土壤速效養分，且養分總量隨著蚯蚓肥復配土壤調理劑的比例增加而提升。

圖6 不同處理下土壤養分含量變化Fig.6 Changes in soil nutrient content under different treatments

2.3 蚯蚓肥復配土壤調理劑對中科羊草生物學特征的影響

2.3.1 株高 株高是植物生長狀況的直觀表現。由圖7可知，中科羊草株高在7—8月增長最快。7月和10月相較于CK，中科羊草株高得到顯著提升。綜合不同月份與CK相比，SA1、SA2、SA3處理的株高分別提升5.51%、4.68%、10.69%，其中，SA3處理株高提升最快，在7、8、9、10月分別提升28.01%、12.58%、4.17%和4.66%。說明施加蚯蚓肥復配土壤調理劑可有效提升植物株高。

圖7 不同處理中科羊草株高變化Fig.7 Changes of plant height of Leymus chinensisunder different treatments

2.3.2 生物量 由圖8可知，綜合平均3次獨立重復及各月情況后與對照相比，SA1、SA2和SA3處理均能顯著提升中科羊草生物量，其增幅在54.06%～141.69%，SA2處理的生物量最高，SA3處理次之，相較于對照分別提高了141.69%和140.07%，不同處理中科羊草生物量排序為：SA2>SA3>SA1>CK。其中，SA1、SA2和SA3處理地上生物量相較于對照分別增加了34.60%、161.59%和175.08%，地下生物量相較于對照分別增加了92.77%、112.85%和97.59%。說明施加蚯蚓肥復配土壤調理劑可顯著提升中科羊草的生物量。

圖8 不同處理中科羊草地上/地下生物量變化Fig.8 Changes of aboveground / underground biomass of Leymus chinensis under different treatments

2.3.3 葉面積 由圖9可知，綜合平均3次獨立重復及各月情況后與對照相比，SA1、SA2和SA3處理均能顯著提升中科羊草葉面積，其中，SA3處理的葉面積提升最為顯著，相較于對照提高了96.53%，不同處理中科羊草葉面積排序為：SA3>SA2>SA1>CK。說明蚯蚓肥復配土壤調理劑可有效提升中科羊草葉面積，且隨著土壤調理劑復配比例增加而不斷提升。

圖9 不同處理中科羊草葉面積變化Fig.9 Changes of leaf area of Leymus chinensis under different treatments

2.4 建立綜合評價體系

由以上可知，本研究所設置的不同處理對鹽堿地土壤理化性質以及中科羊草生長均有影響，但某一個指標卻無法說明該處理的綜合改良效果。因此，利用主成分分析以及加權計算，建立綜合評價體系，通過各處理得分情況得出最優配比。

2.4.1 改良效果評價指標相關性分析 表2為選取的10個評價指標的相關性分析，其中，有2個土壤物理指標（含水率（X1）、容重（X2）），5個土壤化學指標（酸堿度（X3）、有機質（X4）、速效鉀（X5）、有效磷（X6）、水解氮（X7）），3個植物生長指標（株高（X8）、生物量（X9）、葉面積（X10））。從表2可以看出，10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2 各指標相關系數矩陣Tab.2 Correlation coefficient matrix of each index

2.4.2 各成分的特征根與方差貢獻率 各主成分的特征根和貢獻率如表3所示。

表3 各主成分的特征根和貢獻率Tab.3 Characteristic roots and cumulative contribution rates of each principal component

從表3可以看出，主成分P1、P2特征根分別為8.14、1.30，貢獻率分別為81.84%和13.03%，累計貢獻率達到了94.43%，大于85%，因此，可代表10個指標的大部分信息。

2.4.3 特征向量及主成分表達式 所選的10個初始指標對應2個主成分P1、P2的相關系數如表4所示。由表4可知，葉面積、有機質、有效磷以及速效鉀在P1上數值較高，代表植物生長狀況和土壤養分狀況，含水率、酸堿度在P2上數值較高，代表了土壤的理化性質。P1和P2主成分與初始指標的關系函數表達式如公式（1）（2）所示，其中，各項指標系數為特征向量除以特征根的開方值。

表4 主成分的特征向量Tab.4 Characteristic vectors of principal components

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。各項指標的數據標準化處理后，將主成分P1、P2代入綜合評價方程，得出各處理的綜合得分。

不同處理的得分依次為SA3>SA2>SA1>CK，可以看出施用蚯蚓肥復配土壤調理劑后，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呈現提升趨勢，對照組及蚯蚓肥復配土壤調理劑配比為1∶2、1∶1和2∶1處理的綜合得分分別為-3.20、-0.26、0.77和2.70。

3 結論與討論

工農業固廢經蚯蚓消化后產生的蚯蚓肥，擁有較好的物質結構、豐富的有機質和養分，可極大促進作物的生理生化活動[27]。近年來，學者們針對蚯蚓肥保水增溫效應進行了大量有益的探索。吳軍虎等[28]研究表明，蚯蚓肥可有效提升土壤孔隙度，增強土壤團聚體抗水蝕穩定性，改善鹽堿土物質性狀。李彥霈等[29]研究發現，蚯蚓肥的合理利用可有效增強土壤保水能力。此外，蚯蚓肥在番茄、草莓及小白菜等栽培中已有廣泛應用且效果顯著，但針對鹽堿地施用蚯蚓肥復配土壤調理劑后土壤性質變化及植物生長特征響應方面的研究報道較少。更重要的是，本試驗擬通過設置不同比例蚯蚓肥復配土壤調理劑，探究其對鹽堿土理化性質的改良以及對中科羊草生態學指標的影響，旨在集成一種煤基固廢與蚯蚓肥生態利用的技術工藝。因為土壤調理劑是煤基固廢改性制備而成，其在高溫激冷的工藝過程中擁有了豐富的比表面積，加之營養、結構功能改造后有助于植物的生長。例如，在本試驗中，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑后，鹽堿地物理結構、化學養分含量及中科羊草生物學特性都得到極大的提高或改善，這一發現與黃賽花等[30]的研究結果相似。

在本試驗中，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑后，鹽堿土容重隨著蚯蚓肥復配土壤調理劑比例增加有降低趨勢，但部分月份未達到統計學顯著性水平，可能與調理劑施用量有關，有待進一步研究。

施用蚯蚓肥復配土壤調理劑可有效改善鹽堿土物理及化學性質，與對照相比，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑處理的土壤含水率均得到顯著提升，容重和pH得到降低，有機質和速效養分得到顯著提升，中科羊草株高、生物量和葉面積均得到顯著提升，其中，SA3處理綜合改良效果最佳，主成分綜合得分為2.70。綜上，施用蚯蚓肥復配土壤調理劑可以作為一種改良鹽堿地及促進中科羊草生長的有效措施。