俄羅斯黃花草木樨改良退化土壤的多功能研究

梁碩++林年豐++湯潔++李月芬

摘要：針對中國土壤退化的嚴(yán)重情況，采用引進(jìn)的俄羅斯黃花草木樨（Melilotus officinalis）對酸性低鹽基土壤、重鹽堿化土壤與煤礦區(qū)重金屬污染土壤相繼開展了專項(xiàng)改良試驗(yàn)。結(jié)果表明，俄羅斯黃花草木樨可以在酸性土壤中種植，有改良酸性低鹽基土壤，使其增鹽、增堿，增加礦物質(zhì)和有機(jī)養(yǎng)分的作用，有明顯的生態(tài)環(huán)境改良效果；黃花草木樨可以有效改良重鹽堿土（pH 8.5～9.5），使土壤脫鹽、脫堿，增加有機(jī)養(yǎng)分，提高鹽堿撂荒草地的草谷產(chǎn)量，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益；用俄羅斯黃花草木樨改良煤礦區(qū)重金屬污染土壤，發(fā)現(xiàn)該牧草對重金屬元素具有較強(qiáng)的富集、轉(zhuǎn)移功能，對土壤中的Cd、Ni等有毒元素的“排除”效果尤為顯著，從而產(chǎn)生了明顯的修復(fù)效應(yīng)。系列試驗(yàn)表明，俄羅斯黃花草木樨有改良退化土壤的多種功能，因而具有推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：俄羅斯黃花草木樨（Melilotus officinalis）；退化土壤；改良試驗(yàn)；功能

中圖分類號：S156.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）03-0450-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.03.013

Study on the Functions of Melilotus officinalis from Russian on Degraded Soil Improvement

LIANG Shuo1， LIN Nian-feng2， TANG Jie2， LI Yue-fen1

（1.College of Earth Science， Jilin University， Changchun 130061， China；

2.College of Environment and Resource， Jilin University， Changchun 130012， China）

Abstract： To improve the serious situation of soil degradation in China， the improvement effects of Melilotus officinalis form Russian on the low base saturation acid soil， the alkaline-saline soil and the heavy metal contaminated soil were studied. The results showed that Melilotus officinalis form Russian could improve the low base saturation acid soil，increase the salt， alkali content， mineral nutrition and organic nutrient，which indicated that the M. officinalis could grow in the acid soil，and had a significantly ecological effect on soil improvement. M. officinalis has achieved a remarkable effect on improving the alkaline-saline soil（pH 8.5～9.5）， the soil desalted， dealkalized and had more organic nutrient than before， whats more， M. officinalis could improve the alkaline-saline soil and had the ability to enrich and transform heavy metal elements，especially the Cd and Ni. So it also has a repair effect on soil improvement. Therefore，M. officinalis form Russian has multiple-effects on degraded soil improvement，and it is worthy of application and popularization.

Key words： Melilotus officinalis form Russian； soil degradation； soil improvement test； functions

土壤退化是指在人為因素和自然因素的綜合作用下所導(dǎo)致的土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力下降的過程。主要的土壤退化類型有侵蝕退化、土壤沙化、土壤鹽堿化、土壤污染、肥力退化和生物學(xué)退化等[1]。中國土地資源受到嚴(yán)重破壞，耕地日益短缺，生態(tài)安全、糧食生產(chǎn)安全受到威脅。為解決土壤退化問題，科學(xué)工作者進(jìn)行了大量研究。例如，針對土壤鹽堿化問題，提出了包括電法改良、客土改良、施用改良劑、引水灌溉洗鹽、平整土地和生物改良等多種方法[2-5]；對酸性土壤則采用精耕細(xì)作、種植綠肥、增施有機(jī)肥等栽培措施[6，7]；對礦區(qū)重金屬污染土壤通過淋洗法、玻璃化技術(shù)法、施加化學(xué)試劑和植物及微生物修復(fù)技術(shù)等來解決[8，9]。改良方法涉及物理、化學(xué)、農(nóng)業(yè)、生物等諸多方面。實(shí)踐證明，土壤改良的生物學(xué)措施具有效果好、面積大、效率高、無污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種值得推廣的土壤改良方法。本研究將對俄羅斯黃花草木樨（Melilotus officinalis）改良退化土壤的多種功能進(jìn)行討論。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計

本研究包括3個專項(xiàng)試驗(yàn)：①低鹽基酸性土壤改良試驗(yàn)（2003-2004年）。采用1999年引進(jìn)的俄羅斯黃花草木樨斯列金1號的第二代種子，選擇吉林省伊通縣馬場作為酸性土壤種植試驗(yàn)基地，試驗(yàn)區(qū)為面積8 hm2的坡谷荒地。改良前的土壤pH 5.67，可溶性鹽總量為43.95 mg/L，屬典型的酸性低鹽基土壤。土質(zhì)瘠薄，不宜農(nóng)，可放牧；②重鹽堿化土壤改良試驗(yàn)（2011-2013年）。采用俄羅斯黃花草木樨斯列金1號的第三代種子作為試驗(yàn)材料。選擇吉林省大安市姜家甸草場為試驗(yàn)基地，試驗(yàn)基地面積100 hm2。該草場位于松嫩平原西南部的低平原，地處原始天然草場腹地，原以羊草（占90%）為優(yōu)勢品種，半個世紀(jì)以來該區(qū)多已退化為鹽堿草地，土壤鹽堿化程度較重，pH為8.30～9.89，均值為9.06[10]；③重金屬污染土壤的修復(fù)試驗(yàn)（2008-2009年）。采用俄羅斯黃花草木樨斯列金1號的第三代種子，選擇吉林省中部九臺縣營城煤礦廢棄地的污染土，同時，以紫花苜蓿作對照。在吉林大學(xué)試驗(yàn)區(qū)（降水、蒸發(fā)、日照等氣象條件與研究區(qū)相近）開展污染土、非污染土（對照）的小區(qū)試驗(yàn)。小區(qū)試驗(yàn)樣方各30 m2，試驗(yàn)組土壤由廢棄礦區(qū)運(yùn)入，填土深0～50 cm，土壤取樣深度10～30 cm。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 田間管理 根據(jù)黃花草木樨的生長過程，結(jié)合3個試驗(yàn)區(qū)的具體情況，針對性地進(jìn)行田間管理。大安試驗(yàn)區(qū)于第一年5月初耕翻播種，9月收割牧草，留茬15～20 cm，自然越冬。翌年5月中旬，待試驗(yàn)地全部返青后，追肥1次，兩鏟兩趟（鋤地、翻土除草），灌溉保墑。7月開花，9月陸續(xù)收割種子，晾曬，打場，歸倉。伊通酸性低鹽基酸性土壤改良試驗(yàn)區(qū)適時翻地、打壟、播種，以磷酸二銨[（NH4）2PO4]作底肥。在生長期追肥1次，因雨量適中，無需灌溉。煤礦區(qū)重金屬污染土壤的修復(fù)試驗(yàn)按正常程序進(jìn)行栽培管理，在牧草成熟期采樣，進(jìn)行對比觀測。

1.2.2 土樣采集與測試方法 伊通低鹽基酸性土壤改良試驗(yàn)設(shè)土質(zhì)觀測點(diǎn)10個，均勻分布，GPS定位。每年5月、10月各采土樣1次，共40個；大安重鹽堿化土壤改良試驗(yàn)全過程采土樣4次，第一次于翻地前，第二次于收割后1個月，第三次于返青前，第四次于收割后1個月。采用GPS定位，均勻布點(diǎn)60個，共240個，取0～30 cm耕作層的混合土樣；重金屬污染土改良試驗(yàn)面積較小，種植的黃花草木樨全部作為樣品。

低鹽基酸性土壤改良試驗(yàn)檢測項(xiàng)目和方法與重鹽堿化土壤改良試驗(yàn)相同，包括9項(xiàng)化學(xué)元素含量、pH、總堿度、可溶性鹽總量、陽離子交換量、交換性鈉離子、有機(jī)質(zhì)總量和氮、磷、鉀含量等。土樣測定方法參照南京土壤研究所編的《土壤理化分析》，執(zhí)行國標(biāo)（GB）或農(nóng)業(yè)部（NY）頒布的標(biāo)準(zhǔn)分析方法。重金屬污染土壤的修復(fù)試驗(yàn)，對土壤中和植物中的重金屬Cu、Zn、Ni、Cd、Pb進(jìn)行測定，并觀察其變化。Cu、Zn、Ni、Cd采用原子吸收-火焰法測定，Pb利用原子吸收-石墨爐法進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 伊通低鹽基酸性土壤改良結(jié)果

將土壤改良前后的土樣檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計，結(jié)果見表1。從表1可以看出，種植俄羅斯黃花草木樨后，土壤中的化學(xué)組分變化較大，除有效磷大幅度下降（86.68%）、銨氮略有下降（1.97%）外，其他各項(xiàng)指標(biāo)均有明顯上升。通過種植俄羅斯黃花草木樨改良土壤，土壤pH從5.67上升至5.78，上升了1.94%；交換性鈉離子從0.20 cmol/kg上升至0.36 cmol/kg，上升了80.00%；可溶性鹽總量從43.95 mg/L上升到83.36 mg/L，上升了89.67%；K、Ca、Mg、Na分別提高了153.89%、124.96%、48.50%和20.58%。以上數(shù)據(jù)反映了土壤的增鹽、脫酸效應(yīng)。有機(jī)質(zhì)總量提高了7.85%，水解氮提高了38.05%，顯示了土壤有機(jī)肥力的提高。有效磷下降，這可能是因?yàn)樵搮^(qū)土壤磷的本底值較低和俄羅斯黃花草木樨的生長對磷需求量大的結(jié)果。

2.2 大安重鹽堿化土壤改良結(jié)果

將試驗(yàn)前后土樣的測試數(shù)據(jù)分為化學(xué)成分和微量元素兩部分，經(jīng)分析統(tǒng)計后列入表2和表3中。通過改良試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與改良前相比，改良后土壤的pH、堿化度與可溶性鹽總量均明顯下降，分別下降了7.92%、33.99%和23.07%，產(chǎn)生了明顯的脫鹽、脫堿效應(yīng)；土壤有機(jī)質(zhì)總量及水解氮明顯上升，改良后比改良前分別上升了5.91%和11.93%，表明土壤有機(jī)營養(yǎng)組分有了提高；土壤總磷、速效鉀均有明顯下降，改良后比改良前分別下降了14.29%和35.95%，這是因?yàn)榱?、鉀的本底值較低和被俄羅斯黃花草木樨大量吸收的結(jié)果。土壤中的Mo、B、Se、Cu、Zn有較大幅度的下降，這與在堿性介質(zhì)中其生物活性低和俄羅斯黃花草木樨在生長過程中需要吸收大量的微量元素有關(guān)。這一推論為后續(xù)的增加微量元素提高谷物產(chǎn)量的專項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)[11，12]。

2.3 營城礦區(qū)重金屬污染土壤的修復(fù)效果

植物對重金屬的富集功能反映其對土壤的修復(fù)能力。富集功能以富集系數(shù)表示，即以植物體內(nèi)污染物濃度值與土壤內(nèi)同種污染物濃度值之比。重金屬的轉(zhuǎn)移能力以轉(zhuǎn)移系數(shù)表示，即植物地上部重金屬含量與其根部該重金屬含量的比值。以紫花苜蓿作對比，將所測得的數(shù)據(jù)經(jīng)分析整理，列于表4中。

從表4可以看出，種植俄羅斯黃花草木樨第一年與第二年各重金屬的平均富集系數(shù)分別為1.61和1.94，轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為5.72和6.11；紫花苜蓿第一年、第二年重金屬的平均富集系數(shù)分別為1.34和1.33，轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為4.11和3.90[13]。以上數(shù)據(jù)表明，黃花草木樨富集能力和轉(zhuǎn)移能力均強(qiáng)于紫花苜蓿，并且相對穩(wěn)定。對重金屬元素富集能力，俄羅斯黃花草木樨第一年Cd>Cu>Ni>Pb>Zn，第二年的順序Pb與Zn互換；對于重金屬轉(zhuǎn)移能力，俄羅斯黃花草木樨第一年、第二年分別為Cu>Cd>Pb>Ni>Zn和Cu>Cd>Zn>Ni>Pb。綜合判斷，俄羅斯黃花草木樨對Cu、Cd具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)移能力。

3 小結(jié)與討論

采用草木樨改良鹽堿土已有較長的歷史，而應(yīng)用俄羅斯斯列金1號黃花草木樨改良鹽堿土、沙化土壤，僅僅是近幾十年的事[14-18]。興起于20世紀(jì)60年代以后，主要分布于俄羅斯西伯利亞地區(qū)[14]。自2000年以來，筆者在松嫩平原西部等地應(yīng)用斯列金1號黃花草木樨開展了改良各類退化土壤的試驗(yàn)研究。系列研究表明，黃花草木樨對重鹽堿化土壤、酸性低鹽基退化土壤及煤礦區(qū)重金屬污染土壤均有較好的改良效果。例如，在改良鹽堿化土壤的試驗(yàn)中，土壤的pH、堿化度與可溶性鹽總量均明顯下降，這可視為土壤脫鹽、脫堿的重要標(biāo)志[16，18]。土壤主要養(yǎng)分含量明顯提高，土壤的物理結(jié)構(gòu)和性狀有了較大的改善，土壤微團(tuán)粒體上升27.6%，容重下降4.24%，孔隙度增加6.10%。使堅硬板結(jié)的土壤變得疏松，提高了土壤的通透性[19]。首次發(fā)現(xiàn)俄羅斯黃花草木樨具有改良酸性低鹽基退化土壤的功能，可以提高土壤的鹽基含量、pH，增加有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分，從而產(chǎn)生改土增產(chǎn)效應(yīng)。俄羅斯黃花草木樨對煤礦區(qū)污染土中的重金屬元素有較強(qiáng)的富集、轉(zhuǎn)移能力，對礦區(qū)污染土具有修復(fù)作用。

在后續(xù)的系列研究中發(fā)現(xiàn)，在改良后的鹽堿地上播種谷類植物，獲得了較好的收成，高粱、玉米和豇豆的產(chǎn)量分別為5 000、4 000、900 kg/hm2，鮮草產(chǎn)量為10 000 kg/hm2。使不宜農(nóng)的退化鹽堿地的生產(chǎn)量可以達(dá)到低產(chǎn)田的生產(chǎn)水平。在改良后的酸性低鹽基退化土壤上，牧草產(chǎn)量達(dá)4.0萬～4.5萬kg/hm2，可作為優(yōu)質(zhì)的牧草飼料，有較高的經(jīng)濟(jì)效益[11-13，20]。俄羅斯黃花草木樨生命力強(qiáng)，生物量大，黃花密集，香氣濃郁，花期長達(dá)30～45 d，具有很高的觀賞價值，非常適宜在礦區(qū)和廢棄礦區(qū)推廣種植。

研究表明，種植俄羅斯黃花草木樨改良退化土壤是一種較好的方法。其優(yōu)點(diǎn)是適用性廣、效果好、成本低、效益高、無污染。因此，建議推廣應(yīng)用。

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