噴施液態地膜對鹽堿地植被和土壤理化因子的影響

黎 軒,劉福德,宋 莉,趙 斌,武曉燕,李德生,秦 潔*

(1.中華全國供銷合作總社天津再生資源研究所,天津 300191;2.天津理工大學環境科學與安全工程學院,天津 300384)

土地鹽堿化已成為嚴重的全球性環境問題之一,鹽堿地治理作為一項世界性難題。鹽漬土的理化和生物學性質差,生產力水平低,對糧食安全、生態安全和耕地保障等均有重要影響,直接危及人類的生存基礎和生存環境[1]。全球約有9.543 8億hm2的鹽堿地,有超100個國家受到鹽漬化土壤的困擾,而我國鹽堿地的堿化度也較高,約有9 913萬hm2鹽堿地,約占全國土地總面積的10%。研究發現能進行開墾種植的鹽漬化土地僅占鹽堿地總面積的20%[2]。因此,在不同尺度、不同水平上改良鹽堿地,確保糧食安全、維護生態環境健康也越來越受到廣泛關注[3]。

液態地膜是一種多功能可降解的新型地膜,主要原料為富含腐殖酸的風化煤添加多種活性劑、交聯劑等[4]。液態地膜受光、熱、土壤中微生物的作用可自行降解,降解后產物及液態地膜本身無毒無污染,對土壤、地下水質和環境無不良影響[5]。另外,液態地膜既可以人工操作也可以用于機械噴施,不受地勢地貌的限制,對地形地貌適應能力強。液態地膜應用前景廣闊,生產和應用液態地膜可以變廢為寶,實現資源再生利用,在改良土壤方面具有以下優勢:利用工業生產中的廢棄物、城鎮生活污水污泥[6]、農業生產中的秸稈等為液態地膜的原材料,實現資源利用最大化;全降解液體地膜無殘留,可達到改善土壤退化現狀、資源綜合利用的目的[7]。面對嚴重的環境污染和土壤鹽堿化,起到覆蓋作用的可降解地膜成為改善這種現象的措施之一[8]。液態地膜還可以起到保護生態和恢復生態環境的作用[9]。液態地膜避免了塑料殘膜對土壤環境和生態環境帶來的污染和破壞,能夠在一定程度上改善土壤有機質[10]。噴灑液態地膜顯著增加了土壤有機質含量[11],可以提高土壤養分,增強土壤的自我恢復能力,改善土壤的理化性質,有助于鹽堿地的改良[12]。為進一步驗證液態地膜在鹽堿地土壤改良和固碳增匯方面的實際應用效果,該研究在弱鹽堿土地進行不同量的液態地膜噴施試驗,探討不同液態地膜噴施量對鹽堿化土壤地上植被生物量、有機碳含量、土壤養分和酸堿度等指標的影響,探討液態地膜在鹽堿地改良方面的實際應用效果。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況試驗樣地位于天津市靜海區子牙鎮 (38°57′11″N、 117°00′13″E),地勢平坦,海拔約3 m,屬北半球暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。研究樣地為輕度鹽堿地,植被物種單一,樣地于2015年渣土回填以后,曾有過種植綠化,但是很快演替成原生蘆葦為優勢的群落,該樣地目前以耐鹽堿的蘆葦(Phragmitesaustralis)為建群種,土壤類型為褐色草甸土。檢測發現原有土壤有機碳含量較低,土壤肥力不足[13-15],且為輕度鹽堿地。

于2021年5月開始進行液態地膜噴施試驗,液態地膜選自遼寧中臺千越生物科技有限公司生產的腐殖酸液態地膜,以聚乙烯醇、可溶性淀粉和腐殖酸(腐殖酸約占原液的7%)為主要原料制備而成。將試驗樣地進行劃分,每個處理設置5個重復小區,重復間距設0.5 m的隔離帶,小區面積4.0 m×4.0 m,各小區之間間隔0.5 m。噴施液態地膜前在試驗樣地進行播種,播種選用常見耐寒耐旱菊科的花草混播,主要有波斯菊、百日草等。參考農田標準噴施量(375.0 kg/hm2),設置3個不同噴施濃度,分別是LF(375.0 kg/hm2)、HF(562.5 kg/hm2)、對照組CK(0 kg/hm2)。將液態地膜原液2倍的清水化開攪拌使原液完全分散開,再加6倍清水攪拌均勻,用高壓噴霧器均勻噴施。最后對每塊樣地均勻補噴等量水以保證水分添加保持一致,對照樣地(CK)噴施等量水。

1.2 研究方法

1.2.1植被調查和土壤取樣。于8月底植物生長旺盛期,在15個小區中央分別布設1個20 cm×20 cm的樣方,記錄每個樣方內的物種以及樣方中每個物種的株數和地上生物量。在清理完地上植被的樣方中,依“S”型采集10個點的原狀土樣輕微混合,采樣深度為0～15 cm。土壤取出后剝除土塊外圍擠壓變形的土壤,并去除植物根系及其他土壤入侵物,較大的土塊沿著自然斷裂面掰成直徑約為1 cm的小塊。

1.2.2樣品的制備。待測采集的土壤樣品帶回實驗室后,將土壤樣品置于潔凈白色搪瓷托盤中,平攤成2～3 cm厚的薄層。先剔除植物、昆蟲、石塊等殘體,用木棒壓碎土塊,自然風干,風干時每天翻動幾次,充分混勻風干土壤,劃分成四分法小方格,用小勺在每個方格中取出等量土樣(總量大于20 g),在土壤粉碎機(或球磨機)中進行研磨,根據不同的檢測標準要求通過不同孔徑的土壤篩,混勻后裝入磨口瓶中,備用。制備好的樣品不使用時,密封保存,以免受大氣中氨和酸性氣體的影響,同時避免日曬、高溫、潮濕的影響[16]。

1.2.3土壤理化性質檢測方法。

1.2.3.1pH的測定。采用電位法進行測定。以水為浸提劑,水土比為2.5∶1,將指示電極和參比電極(或pH復合電極)浸入土壤懸濁液時,構成原電池,在一定的溫度下,其電動勢與懸濁液的pH有關,通過測定原電池的電動勢即可得到土壤的pH。

1.2.3.2有機碳含量的測定。采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法進行測定。在加熱條件下,土壤樣品中的有機碳被過量重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化,重鉻酸鉀中的Cr6+被還原為Cr3+,其含量與樣品中有機碳含量成正比,于585 nm波長處測定吸光度,根據Cr3+的含量計算有機碳含量。

1.2.3.3全氮含量的測定。采用半微量凱氏法(GB 7113—87)進行測定。土壤中的全氮在硫代硫酸鈉、濃硫酸、高氯酸和催化劑的作用下,經氧化還原反應全部轉化為銨態氮。消解后的溶液堿化蒸餾出的氨被硼酸吸收,用標準鹽酸溶液滴定,根據標準鹽酸溶液的用量來計算土壤中全氮含量。

1.2.3.4全磷含量的測定。采用堿熔-鉬銻抗分光光度法進行測定。經氫氧化鈉熔融,土壤樣品中的含磷礦物及有機磷化合物全部轉化為可溶性的正磷酸鹽,在酸性條件下與鉬銻抗顯色劑反應生成磷鉬藍,在波長700 nm 處測定吸光度。在一定濃度范圍內,樣品中的總磷含量與吸光度符合朗伯-比爾定律。

1.2.3.5有效磷含量的測定。采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法[16]進行測定。用0.5 mol/L碳酸氫鈉溶液(pH=8.5)浸提土壤中的有效磷。浸提液中的磷與鉬銻抗顯色劑反應生成磷鉬藍,在波長880 nm處測定吸光度。在一定濃度范圍內,磷的含量與吸光度符合朗伯-比爾定律。

1.3 數據統計分析利用SPSS和Excel對試驗數據進行整理和統計分析。對不同液態地膜噴施量的土壤理化性質(有機碳、全氮、pH、有效磷、全磷)、地上生物量和多樣性的數據進行差異性分析;采用相關性分析進一步分析土壤理化指標和地上指標的關系。圖表制作采用Excel 2016和Origin 2018軟件處理。

2 結果與分析

2.1 液態地膜對群落地上生物量和植物多樣性的影響由表1可知,噴施液態地膜對群落地上生物量和植物多樣性有一定的影響。隨著液態地膜噴施量的增加,地上生物量呈增加趨勢,且在HF處理下效果顯著,提高了65.3%,增加生物量515.55 g/m2。噴施液態地膜對植物多樣性的影響不明顯。

2.2 液態地膜對土壤理化性質的影響從圖 1 可以看出,噴施液態地膜后,在不同處理下土壤有機碳含量有明顯變化。與對照相比,HF處理下土壤有機碳含量提高了7.79%。施用液態地膜能夠在一定程度上改善土壤全氮,施用液態地膜的土壤全氮含量與CK相比均有提高;在LF處理下土壤全氮比CK提高了46.2%,但是沒有達到顯著水平(P>0.05)。噴施液態地膜后,在不同的噴施梯度下土壤全磷有顯著變化;液態地膜噴施HF處理土壤全磷含量提高了111.11%,效果顯著;但是LF處理土壤全磷含量降低了44.44%。液態地膜噴施HF處理土壤有效磷含量提高了20%,但是沒有達到顯著水平(P>0.05)。液態地膜噴施梯度對土壤pH的影響不顯著,推測液態地膜對土壤酸堿度的影響可能是一個長期累積的過程。

注:不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.3 植被和土壤理化性質的相關性分析對植被和土壤理化性質進行相關性分析,結果表明(表2),土壤有機碳和全磷呈極顯著正相關(P<0.01),土壤全氮與有機碳和生物量均呈顯著負相關(P<0.05),群落多樣性與液態地膜噴施濃度呈極顯著正相關(P<0.01)。其他理化性質之間的相關性沒有達到顯著水平。

表2 植被和土壤理化性質的相關性分析

3 討論

鹽堿土壤熟化程度低,植物生長緩慢,植被覆蓋少,限制了土壤有效碳氮的輸入和積累[11,17-18]。所以鹽堿土有機碳含量普遍較低,自然狀況下的鹽堿土的植物生長受到抑制,有機碳礦化速率慢,土壤外源碳輸入小,因而其潛在固碳能力相比其他陸地生態系統更高。而我國鹽堿地的土壤碳密度整體較低,在鹽堿地治理改良進程中,土壤碳庫存的增加對提升我國土壤碳匯功能具有重要意義[19]。該研究發現噴施液態地膜后土壤中全氮含量均高于對照樣地,有機碳含量HF處理高于對照樣地,說明液態地膜促進土壤有機碳和全氮的積累,提高了土壤肥力,鹽堿地土壤得到一定程度的改善。白秀梅等[11]研究發現液態地膜可以顯著增加土壤碳氮,改善土壤理化性質;楊娜[10]研究也發現液態地膜可以提高土壤中有機碳含量,對土壤中氮元素影響顯著。很多研究發現有機物覆蓋如秸稈[20]、液態地膜噴施[10]、復墾[21]等措施可提高土壤碳氮含量,是改良鹽堿地的有效措施。

噴施液態地膜后,土壤全磷含量變化趨勢極為顯著。液態地膜噴施量在562.5 kg/hm2情況下全磷含量顯著高于其他處理,說明高噴施量對土壤全磷積累有一定的促進作用。楊娜[10]的研究結果與該研究一致,均發現高噴施量液態地膜可以顯著提高土壤中的磷含量。但是土壤有效磷含量變化趨勢與全磷不同,在不同液態地膜噴施量下土壤有效磷變化幅度不大。該研究還發現土壤酸堿度也在不同噴施處理下沒有顯著變化。液態地膜本身為中性添加物,對酸堿度的改良是緩慢積累的過程。該樣地為第一次噴施液態地膜,推測經過長期噴施液態地膜后,土壤有效磷和酸堿度等指標可能會有不同程度的響應,這也需要后續進行長期研究去驗證。

噴施液態地膜后地上生物量得到了明顯提高,在高噴施量(562.5 kg/hm2)下較CK提高了65.3%,增加生物量515.55 g/m2。很多研究也發現相似結果,霍軼珍等[22]研究表明液態地膜顯著提高馬鈴薯產量46.26%;苗建利等[23]研究表明液態地膜對花生有增產的效果;張春艷等[24]研究表明液態地膜提高玉米產量17.4%,王萍莉等[25]研究也表明液態地膜對玉米有一定的增產作用。

土壤有機碳、全氮和全磷以及地上生物量都一定程度地對液態地膜有積極的響應。噴施液態地膜后鹽堿地土壤有效養分在不同噴施梯度下的變化和地上生物量的增加都能說明該鹽堿地得到一定程度的改良[26]。鹽堿地普遍缺磷,是鹽堿地地上植物生長的主要限制因子之一[27]。有研究發現,土壤磷含量的提高可以有效提高土壤有機碳含量,而土壤全磷和有機碳含量之間顯著正相關關系也證明了土壤磷和有機碳的相互促進關系[28-29]。土壤有機碳是土壤極其重要的組成部分,不僅與土壤肥力密切相關,而且對地球碳循環有巨大影響,既是溫室氣體“源”,也是其重要的“匯”[30-31]。液態地膜的噴施不僅對鹽堿地有一定的改良作用,還可能對碳 “匯”有積極的影響,說明液態地膜噴施可能也是一種減少“碳排放”、加快“碳中和”的有效措施[32-35],液態地膜在改善土壤的同時對環境進行一定程度改善,達到了雙贏的局面。

4 結論

該研究發現,在562.5 kg/hm2液態地膜噴施量下地上生物量提高了65.3%;土壤有機碳含量提高了7.79%,全磷含量提高了111.11%;在液態地膜375.0 kg/hm2的噴施情況下土壤全氮提高了46.2%;進一步相關分析表明全磷與有機碳呈相互促進關系。綜合分析表明,液態地膜噴施顯著提高了鹽堿地植物的地上生物量、土壤有機碳儲量和土壤磷含量,有助于鹽堿地土壤改良和固碳增匯能力的提升。