液體地膜對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)側(cè)柏林土壤性質(zhì)影響

張國(guó)全,韋丹,聶立水?,朱清科,張巖,孫賓,高培鑫

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,100083,北京；2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,100083,北京)

液體地膜對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)側(cè)柏林土壤性質(zhì)影響

張國(guó)全1,韋丹2,聶立水1?,朱清科2,張巖2,孫賓1,高培鑫1

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,100083,北京；2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,100083,北京)

干旱缺水是影響黃土丘陵溝壑區(qū)植被恢復(fù)的主要因素。在黃土丘陵溝壑區(qū)側(cè)柏林地噴施液體地膜，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，通過(guò)分析處理與對(duì)照的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究液體地膜對(duì)側(cè)柏林土壤水分及養(yǎng)分的影響，解決在植被恢復(fù)過(guò)程中缺水少肥的狀況。結(jié)果表明：1)噴施液體地膜后初次測(cè)量0～10、>10～20、>20～40、>40～60 cm土層的土壤含水量降低量處理比對(duì)照少0.26%、0.04%、0.08%、0.05%；降水后再次測(cè)量發(fā)現(xiàn)各土層土壤含水量降低量處理比對(duì)照少1.35%、1.28%、0.52%、0.23%；2)液體地膜降解后能有效增加土壤表層有機(jī)碳、全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，0～10 cm土層的土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理比對(duì)照高0.11 g/kg,土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理比對(duì)照高4.27 g/kg；3)試驗(yàn)期間8—9月、9—10月側(cè)柏樹高平均增量處理分別為對(duì)照的231%、224%；8—9月、9—10月地徑平均增量處理分別為對(duì)照的305%、261%。建議在黃土高原地區(qū)造林時(shí)合理使用液體地膜。

液體地膜； 土壤有機(jī)碳； 全氮； 黃土丘陵溝壑區(qū)

植被恢復(fù)，尤其干旱地區(qū)植被恢復(fù)是世界性難題，人們通過(guò)各種措施來(lái)恢復(fù)植被[1-2]，而黃土高原水土流失嚴(yán)重、自然環(huán)境條件惡劣一直是我國(guó)生態(tài)建設(shè)中植被恢復(fù)的重點(diǎn)區(qū)[3]，水資源短缺是主要限制因素[4]。黃土高原地區(qū)土壤質(zhì)地疏松均一,對(duì)植物有效的土壤含水量多在12%～15%之間[5],土壤保持水分的能力較高,持水空隙可達(dá)25%～30%[6]；但同時(shí)黃土高原土壤疏松多孔,毛細(xì)孔隙發(fā)達(dá),具有極強(qiáng)的蒸發(fā)性能,水分易散失,保水能力差。尤其溝壑區(qū)土壤支離破碎，植被覆蓋稀少，土壤涵養(yǎng)水源的能力較低，水分蒸發(fā)嚴(yán)重，并且該地區(qū)黃土厚度一般為50～140 m,而地下水埋藏較深,無(wú)法對(duì)上層土壤進(jìn)行補(bǔ)給；因此降水成為補(bǔ)充該地區(qū)土壤水分的唯一來(lái)源[7]。黃土高原地區(qū)降水量年內(nèi)分布極不均勻，秋季、春季、冬季各占全年降水量的26.7%、4.5%、2.1%。此外，降水量年際變化率大，豐水年降水量可達(dá)695 mm，干旱年只有200 mm，500～550 mm降水量的保證率只有17.7%[8]。黃土高原地區(qū)多年平均降水量350～650 mm，其中7—9月降水量占年降水量的50%以上，降水一直處于“秋多春少”的狀態(tài)[6，7，9]；因此，春季土壤水分缺乏成為黃土高原造林中的關(guān)鍵因素。

目前用于解決干旱土壤的材料方法有很多，其中以保水劑的應(yīng)用最為廣泛，保水劑一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是能在進(jìn)入土壤后反復(fù)吸水放水供給植物根系[10]，但同時(shí)造成了對(duì)土壤環(huán)境的污染。近年興起的液體地膜從另外的角度能夠解決土壤水分的相關(guān)問(wèn)題。液體地膜屬于高分子混合物，通過(guò)水稀釋噴施于土壤表面后能夠在土壤的表層形成黑色的保水固化膜，有效防止土壤水分的蒸發(fā)；并且能夠經(jīng)過(guò)自然降解轉(zhuǎn)化為植物生長(zhǎng)需要的有機(jī)物質(zhì)，可以在減少污染的同時(shí)在較短時(shí)間內(nèi)改善土壤結(jié)構(gòu)[11-13]。塑料地膜覆蓋栽培技術(shù)對(duì)調(diào)控農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)作物增產(chǎn)等均具有顯著的效果[14]；但是，塑料地膜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的長(zhǎng)期應(yīng)用已經(jīng)導(dǎo)致嚴(yán)重的白色污染，殘留在土壤中的塑料農(nóng)膜嚴(yán)重的影響著土壤的物理性質(zhì),破壞了植物生長(zhǎng)所需的正常土壤結(jié)構(gòu)[12，15]。黃土高原地區(qū)生態(tài)非常脆弱，植被恢復(fù)過(guò)程中在注意成本和施工同時(shí)要注意環(huán)保問(wèn)題；因此在造林過(guò)程中選擇合適的地膜覆蓋措施不僅能夠節(jié)約材料成本、節(jié)省人力，還能夠在改善植被恢復(fù)效果的同時(shí)減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，符合科學(xué)發(fā)展觀的要求。液體地膜相對(duì)于其他工程措施、生物措施還有成本低、施工簡(jiǎn)單、容易推廣的優(yōu)點(diǎn)，十分適合應(yīng)用于丘陵地區(qū)的破碎地貌[16]。

液體地膜覆蓋的研究在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已比較成熟：其對(duì)桑樹(MorusalbaL.)生長(zhǎng)有促進(jìn)作用[15]；對(duì)辣椒(Capsicumannuum)植株的株高、莖粗生長(zhǎng)有促壯效應(yīng)，并能顯著的提高其產(chǎn)量和品質(zhì)[17]；在棉花(Gossypiumspp.)、花生(Arachishypogaea)、玉米(Zeamays)苗期的作用也十分明顯[13，14，18-20]。但是，在黃土丘陵溝壑區(qū)造林上的應(yīng)用很少。筆者通過(guò)噴施液體地膜，研究其對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)造林中土壤含水量及養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，旨在為該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境植被恢復(fù)提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)設(shè)在吳起縣合溝溝口,吳起縣位于陜西省延安市的西北部，E 107°38′57″～108°32′49″,N 36°33′49″～37°24′27″，總面積約3 791.5 km2[21]。吳起縣的地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬于鄂爾多斯地臺(tái)，地貌類型屬陜北黃土高原梁狀丘陵溝壑區(qū)，地勢(shì)大體西北高，東南低。全縣溝壑密度2.54 km/km2，是黃河中游的水土流失重點(diǎn)縣。吳起縣屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降水量十分稀少，多年平均降水量為478.3 mm，并且降水隨時(shí)間的分布不均勻，主要集中在夏季，降水量為301.7 mm，能夠占全年降水量的62.4%。年均溫在7.8 ℃，無(wú)霜期96～146 d，多年平均陸地蒸發(fā)量在400～450 mm之間。該縣土壤類型主要為黃綿土，質(zhì)地為輕壤[22]。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地為2008年春季造林的側(cè)柏(Platycladusorientalis)林地。整地方式為魚鱗坑整地,規(guī)格為長(zhǎng)0.8 m、寬0.6 m、深0.6 m。處理前處理區(qū)和對(duì)照區(qū)的土壤的養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。

試驗(yàn)所需液體地膜由河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供，屬于不透明材料，棕褐色，見光后會(huì)變?yōu)楹谏?，黏?4.76 s(稀釋5倍)，體積質(zhì)量為0.992 4 g/cm3，pH值為7，覆蓋地面保水的有效時(shí)間約為60 d左右[12]。

表1 處理前試驗(yàn)地土壤的養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在坡度、坡向基本一致的陽(yáng)坡地形上進(jìn)行，設(shè)置寬(與等高線平行)6.0 m、長(zhǎng)(與等高線垂直)20.0 m、面積為120 m2的小區(qū)，每個(gè)小區(qū)選取20棵側(cè)柏作為試驗(yàn)對(duì)象，選生長(zhǎng)環(huán)境、水分條件相似的20 棵作為對(duì)照，試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。小區(qū)沿等高線進(jìn)行3次重復(fù)，分別標(biāo)記為A組、B組、C組。在處理區(qū)側(cè)柏魚鱗坑內(nèi)噴施375 kg/hm2、稀釋倍數(shù)25倍的液體地膜,在對(duì)照區(qū)噴施與處理等量的清水。在長(zhǎng)20.0 m、寬6.0 m的長(zhǎng)方形各小區(qū)中間設(shè)2行側(cè)柏為保護(hù)行。小區(qū)中側(cè)柏的密度為0.3棵/m2。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取20棵側(cè)柏為試驗(yàn)觀測(cè)對(duì)象。

2.3 土壤樣品測(cè)定方法

于2012年8—10月，在各小區(qū)隨機(jī)選點(diǎn)分層混合取樣。采用烘干法測(cè)定土壤含水量，采用凱氏定氮儀測(cè)定土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用重鉻酸鉀容量法——外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)[23]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，圖表采用Excel2007繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 對(duì)土壤含水量的影響

8月2日試驗(yàn)開始時(shí)先分0～10、>10～20、>20～40、>40～60 cm 4個(gè)土層測(cè)定土壤含水量，再噴施液體地膜。在試驗(yàn)的第4、6、14天分別測(cè)定土壤含水量，結(jié)果見圖1。

圖中數(shù)據(jù)表示該日期在相應(yīng)土壤層次的土壤含水量。Data in the graph represents the corresponding level of soil water content of the data/%圖1 液體地膜對(duì)土壤含水量的影響Fig.1 Effect of liquid film mulching on soil water content

可以看出，在初始各土壤層含水量基本一致的情況下,8月5日處理區(qū)0～10、>10～20、>20～40、>40～60 cm土層的土壤含水量降低量比對(duì)照區(qū)少0.26%、0.04%、0.08%、0.05%；圖中顯示8月5日后土壤含水量明顯升高，是因?yàn)樵谠囼?yàn)的第5天有降雨。在噴施液體地膜2周后的8月15日再次測(cè)定土壤含水量，與8月7日比較，發(fā)現(xiàn)處理區(qū)0～10、>10～20、>20～40、>40～60 cm土層土壤含水量降低量比對(duì)照區(qū)少1.35%、1.28%、0.52%、0.23%。

可知，處理區(qū)和對(duì)照區(qū)土壤含水量有明顯的差異。降雨前，0～10 cm土層的土壤含水量差異最明顯，說(shuō)明液體地膜覆蓋能夠有效地降低土壤水分蒸發(fā)；降雨后，0～10、>10～20 cm的處理與對(duì)照的含水量降低量差異最明顯，并且>20～40、>40～60 cm土層的土壤含水量處理與對(duì)照之間也有差異。說(shuō)明噴施液體地膜能夠有效的防止土壤表層水分的蒸發(fā)，并且當(dāng)降雨后對(duì)土壤各個(gè)層次的含水量均有保水作用。

3.2 對(duì)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

噴施液體地膜后土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定結(jié)果見圖2。

圖2 噴施液體地膜后土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.2 Effect of liquid film mulching on soil organic carbon content

可以看出，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～10、>10～20、>20～40、>40～60 cm土層處理比對(duì)照分別高4.27、3.24、0.45和0.91 g/kg?？芍?，噴施液體地膜對(duì)0～10、>10～20 cm土層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響明顯，而>20～40、>40～60 cm土層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加較少，說(shuō)明噴施液體地膜對(duì)>20～40、>40～60 cm土層的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響較小。

結(jié)果表明，在黃土丘陵溝壑區(qū)植樹造林過(guò)程中，噴施液體地膜能夠明顯地增加土壤表層的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在造林時(shí)噴施液體地膜能夠明顯提高表層土壤有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù),為苗木成活后的生長(zhǎng)增加必需的養(yǎng)分來(lái)源。

3.3 對(duì)土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

噴施液體地膜后土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定結(jié)果見圖3。

圖3 噴施液體地膜土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.3 Effect of liquid film mulching on soil total nitrogen content

可以看出，土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～10、>10～20、>20～40、>40～60 cm處理分別比對(duì)照高0.11、0.06、0.01和0.01 g/kg?？芍?，對(duì)0～10、>10～20、>20～40、>40～60 cm土層噴施液體地膜的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅比空白對(duì)照分別高出0.11、0.06、0.01和0.01 g/kg，可見噴施液體地膜對(duì)0～10、>10～20 cm土層的土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響比>20～40、>40～60 cm要顯著。

因此,在黃土丘陵溝壑區(qū)造林初期采用噴施液體地膜覆蓋不僅能提高土壤表層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，為苗木的生長(zhǎng)提供所需有機(jī)質(zhì)；同時(shí)還能增加土壤中氮元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而為苗木早期生長(zhǎng)提供足量的氮元素。

3.4 對(duì)側(cè)柏樹高、地徑的影響

在噴施液體地膜后,分別在8、9、10月測(cè)定試驗(yàn)地側(cè)柏的樹高、地徑，并進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果見表2。

可以看出：試驗(yàn)期間側(cè)柏林地8—9月、9—10月樹高平均增量處理分別為對(duì)照的231%、224%；試驗(yàn)期間側(cè)柏林地8—9月、9—10月地徑平均增量處理分別為對(duì)照的305%、261%。

表2 噴施液體地膜后側(cè)柏樹高、地徑的增量

注：樣本數(shù)n=60,A代表液體地膜的覆蓋對(duì)植物生長(zhǎng)的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。Note：Sample size:n=60, A shows that the effect of liquid film covering on plant growth reaches extremely significant level.

可知，噴施液體地膜后的側(cè)柏林地，側(cè)柏的樹高、地徑與對(duì)照區(qū)均有極顯著差異,噴施液體地膜能夠明顯促進(jìn)側(cè)柏林地樹高、地徑的生長(zhǎng)。由于液體地膜在噴施后60 d左右會(huì)發(fā)生降解，因此，在造林前期對(duì)于苗木的生長(zhǎng)具有明顯的促進(jìn)效應(yīng)，在其效應(yīng)作用完畢應(yīng)采取其他有效措施保證苗木生長(zhǎng)良好。

4 結(jié)論與討論

1)噴施液體地膜能有效保水，并且在有降水的情況下能有效減緩?fù)寥乐械乃稚⑹А?/p>

2)液體地膜降解后能有效增加土壤中有機(jī)碳、全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，為側(cè)柏提供生長(zhǎng)所需養(yǎng)分。

3)噴施液體地膜能顯著提高側(cè)柏的樹高、地徑的生長(zhǎng)。

4)在黃土高原丘陵溝壑區(qū)植被恢復(fù)過(guò)程造林中噴施液體地膜能有效保水，并改善土壤相關(guān)養(yǎng)分狀況，顯著促進(jìn)樹木的生長(zhǎng)，加速植被恢復(fù)的進(jìn)程。

本研究是在室內(nèi)試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上的一個(gè)短期的大田驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)證明液體地膜在黃土高原地區(qū)造林中確實(shí)能夠有效保水，并能改善相關(guān)土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、促進(jìn)植物生長(zhǎng)；但是仍存在一些問(wèn)題，在噴施過(guò)程中是大面積噴施，還是單個(gè)種植坑面進(jìn)行噴施，在降雨量大時(shí)會(huì)否對(duì)液體地膜造成沖刷，在旱季使用時(shí)是否效果更顯著，這些均需要進(jìn)一步的研究與討論。

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(責(zé)任編輯：宋如華)

Effects of liquid film mulching on soil properties ofPlatycladusorientalisstand in the hilly-gully region of Loess Plateau, western China

Zhang Guoquan1, Wei Dan2, Nie Lishui1, Zhu Qingke2, Zhang Yan2, Sun Bin1, Gao Peixin1

(1.School of Forestry, Beijing Forestry University,100083, Beijing, China； 2.School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China)

Water shortage is the main factor influencing vegetation restoration in the hilly and gully region of Loess Plateau of western China. Understanding the effect of spraying liquid film in thePlatycladusorientalisforest land on soil moisture and nutrient status would help us solve the problem of water and nutrition deficiencies in the course of vegetation restoration. The results showed that: 1) In the first measurement after spraying liquid film, the amounts of decrease in the soil moisture content in the 0-10 cm, >10-20 cm, >20-40 cm, >40-60 cm soil layers were 0.26%, 0.04%, 0.08% and 0.05% less than that in control. Measurement after rain found that the decrease in soil moisture content of each soil layer was 1.35%, 1.28%, 0.52% and 0.23% less compared to the control, respectively. 2) Liquid film after decomposition can effectively increase the contents of soil organic carbon (SOC) and total N. Soil total N content was 0.11 g/kg higher and SOC content was 4.27 g/kg higher than the control in 0-10 cm layer. 3) After treatment, the average increment of the height ofP.orientaliswas 231% from August to September and 224% from September to October, compared to the control, and the average increment of diameter was 305% and 261% during the corresponding periods. Our study suggests that the liquid film should be applied in the loess plateau region.

liquid film; soil organic carbon; total nitrogen； hilly-gully region of Loess Plateau

2014-12-19

2015-05-11

張國(guó)全(1986—)，男，碩士研究生。主要研究方向：植物營(yíng)養(yǎng)與施肥。E-mail:zhgqshuaige@126.com

?通信作者簡(jiǎn)介：聶立水(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：植物營(yíng)養(yǎng)與施肥，植被恢復(fù)。E-mail:nielishui@sohu.com

S157.5

A

1672-3007(2015)05-0140-05

項(xiàng)目名稱：“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃課題“陜北黃土丘陵溝壑區(qū)保水固土水土保持植被研究與示范”(2011BAD38B0601)。