糜子對鐵礦復墾生土施肥的生物學響應(yīng)

王 慧 ，李永山，董 鵬，孫泰森

(1.山西省農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所，山西 運城 044000；2.運城農(nóng)業(yè)科學院，山西 運城 044000；3.山西農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，山西 太谷 030801)

礦區(qū)土地復墾是對在礦區(qū)生產(chǎn)建設(shè)過程中因挖損、塌陷、壓占等造成破壞的土地采取整治措施，使其恢復到可供利用狀態(tài)的活動。山西是一個資源大省，礦區(qū)土地復墾是該省充分利用土地資源、防止環(huán)境破壞、減少土地浪費、緩解土地供求矛盾的重要措施，研究礦區(qū)復墾土壤的肥力提升及其有效利用具用重要的理論與現(xiàn)實意義[1-3]。2008年9月8日，山西省襄汾縣新塔礦業(yè)公司尾礦庫發(fā)生特大潰壩事故，泄容量達26.8萬立方米，大量的磁鐵礦尾礦覆蓋在了下游的農(nóng)田之上，除了可能給土壤帶來大量的Fe、Cu等金屬的污染之外，在救災(zāi)過程中因為使用大型機械翻動而在原有土壤表層形成了由潰壩物與土壤混合而成的生土層，因其養(yǎng)分含量低且理化性質(zhì)惡化，嚴重影響了農(nóng)作物的生長，甚至絕收，已不適合種植原有的小麥、玉米等作物[4]。因此，亟待尋求土壤的培肥措施及篩選適宜的替代作物。

糜子(Panicummiliaceum)是黃土高原旱薄區(qū)主要的抗逆度荒作物之一，因其營養(yǎng)價值較高、抗逆性強且生長周期較短而深受當?shù)剞r(nóng)民的喜愛[5-7]。前人的研究結(jié)果表明[5]，糜子也是生土地上種植面積較大的先鋒作物，在其它作物幾乎無法獲得收獲的生土地上種植糜子，仍然可以獲得一定的產(chǎn)量，表現(xiàn)出極強的耐旱與耐瘠薄特性。如前所述，襄汾縣潰壩覆蓋區(qū)土壤質(zhì)量的調(diào)查與評價結(jié)果表明，潰壩覆蓋區(qū)土壤存在的主要問題是由潰壩物與土壤混合而成的生土層中氮磷等養(yǎng)分缺乏及土壤的物理性質(zhì)變差[4]。那么種植糜子這種耐瘠性很強的雜糧作物，并施用一定的肥料，是否可以在改良土壤的同時，也獲得一定的經(jīng)濟效益？綜觀前人有關(guān)糜子施肥的研究可以發(fā)現(xiàn)，已有的研究多集中在正常條件下的肥料施用[8-10]，而有關(guān)生土地上糜子施肥的研究尚不多見[11]。為此，試驗以襄汾潰壩覆蓋后的表層生土為栽培基質(zhì)，研究了不同施肥處理對該區(qū)土壤的改良作用及其對糜子生長及產(chǎn)量的影響，尤其是對糜子根系的生長及與之有關(guān)的土壤微生物和酶活性的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設(shè)計

試驗于2014年4—10月在山西農(nóng)業(yè)大學校農(nóng)場內(nèi)進行。盆栽試驗采用直徑20 cm、高30 cm 的聚乙烯塑料桶為試驗用盆，每盆裝土14 kg，供試土壤取自襄汾潰壩覆蓋后的尾礦與表土的混合物，其養(yǎng)分含量為：有機質(zhì)4.72 g·kg-1，全氮0.021 g·kg-1，速效磷3.24 mg·kg-1，速效鉀98.84 mg·kg-1。陽離子代換量23.6 cmol·kg-1，pH值為7.49。試驗所用的糜子品種為當?shù)剞r(nóng)家品種“黃糜黍”，由當?shù)剞r(nóng)戶提供。試驗設(shè)CK、NK、PK、NPK、有機肥(OM)共5個處理。CK為對照，P代表施用磷肥(P2O50.1 g·kg-1)，N代表施用氮肥(N 0.15 g·kg-1)、K代表施用鉀肥(K2O 0.12 g·kg-1)，OM代表施用有機肥(牛糞21.4 g·kg-1，N、P2O5、K2O含量分別為 1.89%、1.78% 和 0. 73%)，肥料全部用作基肥，氮肥用尿素，磷肥用過磷酸鈣，鉀肥用氯化鉀，分別于播種前一次性施入。4月28日播種，出苗后每盆留均勻一致的苗6株。各試驗處理分別重復9次，共45盆。在抽穗期和拔節(jié)期，各取3個重復，用于測定相關(guān)生理生態(tài)數(shù)據(jù)和指標，最后剩余的3次重復實驗，用于收獲計產(chǎn)和考種。

1.2 測定項目與方法

糜子植株氮含量的測定采用半微量凱氏定氮法[12]；糜子葉片光合速率測定采用光合儀[12]；丙二醛(MDA)的測定采用硫代巴比妥酸法[12]； 糜子根系及地上部的POD活性和SOD活性分別采用愈創(chuàng)木酚比色法測定和核黃素法[13]；糜子根系活性吸收面積與根系總吸收面積測定，采用次甲基藍吸附法[13]；糜子的根長采用根系掃描儀法[12]；植株可溶性糖的測定采用蒽酮比色法[12]；糜子根際土壤微生物數(shù)量的測定采用稀釋平板法[14]；土壤酶的測定采用分光光度法[14]。

1.3 數(shù)據(jù)整理與分析

采用Excel整理試驗所得數(shù)據(jù)，使用SAS數(shù)據(jù)分析軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并進行1%顯著性水平的Duncan多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵礦復墾生土施用不同肥料對糜子地上部生長的影響

2.1.1 對糜子株高的影響 從圖1可以看出，不同施肥處理均能使糜子的株高有所增加，其中施磷鉀處理的效果明顯高于氮鉀處理，而且在拔節(jié)期施磷鉀的效果甚至優(yōu)于氮磷鉀處理，表明在拔節(jié)期施磷的基礎(chǔ)上施用氮，甚至影響了糜子株高的增加，這可能與所用的氮肥種類及數(shù)量有關(guān)。據(jù)有關(guān)資料報導，在作物幼苗期施用大量尿素，可能會抑制作物的生長[11]。但這種抑制作用，隨著生育期的推后而減弱，到抽穗期施用氮磷鉀處理高于施用磷鉀處理。施用有機肥有利于糜子株高的增加，尤其是在前期，其對株高的促進作用最優(yōu)，但抽穗期其作用不如氮磷鉀處理，這可能與有機肥的施用量有關(guān)，本試驗所用牛糞折合成氮、磷、鉀養(yǎng)分的數(shù)量少于施用化肥中所含氮、磷、鉀的含量，尤其是氮含量較低，導致糜子后期甚至出現(xiàn)了缺氮的癥狀。進一步采用SAS統(tǒng)計分析軟件進行多重比較結(jié)果表明，不同生育期各處理間均達到了顯著差異水平。

注：不同字母表示在P<0.05水平下差異顯著，下同。 Note: Different letter are significantly different at P<0.05 level, the same below.圖1 不同施肥處理對糜子株高的影響Fig.1 The influence on plant height of proso by different fertilizer treatments in different periods

2.1.2 對糜子葉面積的影響 圖2結(jié)果表明，與施肥對糜子株高的影響類似，不同的施肥處理均能使糜子的葉面積有所增加，而且也同樣表現(xiàn)出施磷鉀處理的效果好于氮鉀處理，在拔節(jié)期施磷鉀的效果也優(yōu)于氮磷鉀處理，表明在拔節(jié)期施磷的基礎(chǔ)上施用氮，不僅影響了糜子株高的增加，而且也影響到了糜子葉面積的增大。但這種抑制作用，也隨著生育期的推后而減弱，同樣表現(xiàn)出抽穗期時施用氮磷鉀處理反超了施用磷鉀處理的現(xiàn)象。施用有機肥對糜子葉面積的影響最大，尤其是在前期，但抽穗期其作用不如氮磷鉀處理。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，不同生育期各處理間均達到了顯著差異水平。

2.1.3 對糜子地上干重的影響 從圖3可以看出，除了拔節(jié)期施用氮鉀處理之外，不同施肥處理均能使糜子的地上重有所增加，其中有磷的處理組合表現(xiàn)均有顯著效果，表明在本試驗條件下，磷是糜子生長的最重要影響因子，磷的效果明顯高于氮，這可能與本試驗所用栽培介質(zhì)中含磷較少有關(guān)，磷成了潰壩覆蓋物影響區(qū)土壤肥力的最小養(yǎng)分，根據(jù)李比希的最小養(yǎng)分論推論，只有補充了最小養(yǎng)分，才有可能增加作物的產(chǎn)量。

圖2 不同施肥處理對糜子單株葉面積的影響Fig.2 The influence on leaf area of proso by different fertilizer treatments in different periods

圖3 不同施肥處理對糜子地上部重的影響Fig.3 The influence on aboveground weight of proso by different fertilizer treatments in different periods

2.2 鐵礦復墾生土施用不同肥料對糜子根系生長的影響

2.2.1 對糜子總根長的影響 根系是植物的吸收器官，作物生長所需要的水分與養(yǎng)分都是主要靠根系吸收的，作物的總根長直接影響著作物的吸收范圍，所以對養(yǎng)分及水分的吸收起著至關(guān)重要的作用。從圖4可以看出，不同施肥處理對糜子根長的增加均有一定的效果。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，除了拔節(jié)期施用氮鉀處理與對照未達顯著差異水平之外，其余各處理間均達到了顯著差異水平，表明施用各種肥料確實有利于增加潰壩物影響區(qū)土壤上糜子根長的增加。比較不同處理間增加的幅度可以看出，在施用鉀肥的基礎(chǔ)上，磷肥的施用效果明顯好于氮，再次反映了磷可能就是該土壤限制因子。

圖4 不同施肥處理對糜子總根長的影響Fig.4 The influence on root length of proso by different fertilizer treatments in different periods

2.2.2 對糜子根系吸收面積的影響 根系吸收面積和活性吸收面積是根系吸收范圍更為直接的參數(shù)指標。從圖5可以看出，不同施肥處理對糜子根系總吸收面積及活性吸收面積均有一定的影響，施用各種肥料均有利于根系吸收面積的增加，其中對活性吸收面積的影響又大于對總吸收面積的影響。前人的研究結(jié)果表明[11]，植物根系的活性吸收面積與根系的活力呈極顯著相關(guān)關(guān)系，可以直接反應(yīng)根系活力的大小，即根系吸收養(yǎng)分及水分能力的大小。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，后期各處理均顯著高于對照處理。值得關(guān)注的是，與地上部相似，有機肥對根系吸收面積的影響，也表現(xiàn)出了前期好于后期的現(xiàn)象，說明在生產(chǎn)上單靠施用有限的有機肥，很難達到大幅增加產(chǎn)量的目的，要想增產(chǎn)增收，就應(yīng)注重有機肥與化肥的配合施用。

2.3 鐵礦復墾生土施用不同肥料對糜子生理指標的影響

2.3.1 對糜子地上部生理指標的影響 為了研究不同施肥處理組合對抽穗期糜子生理指標的影響，在抽穗期分別對糜子旗葉葉綠素含量、可溶性糖含量及凈光合速率進行了測定。由圖6可以看出，不同處理對抽穗期糜子旗葉葉綠素含量及旗葉凈光合速率的影響表現(xiàn)出高度的一致性，凡是有氮的處理，這兩個指標都明顯較高，突出體現(xiàn)出了氮對葉綠素及光合效率的影響，氮對光合的影響大于磷的影響。旗葉可溶性糖含量與前兩個指標有所不同，表現(xiàn)出受磷的影響大于氮，氮鉀處理糜子旗葉中可溶性糖的含量不及磷鉀處理，磷素營養(yǎng)對糖的合成影響高于氮素營養(yǎng)。要想獲得高產(chǎn)，就必須做到氮磷配合，均衡作物所需要的各種營養(yǎng)供應(yīng)。與前述形態(tài)指標吻合，有機質(zhì)對糜子生理指標的影響也表現(xiàn)出了后勁不足的情況，在抽穗期，單施有機肥已不能完全滿足糜子生長對各類養(yǎng)分的需求。

圖5 不同施肥處理對糜子根系總吸收面積和活性吸收面積的影響Fig.5 The influence on total absorption area and active absorption area of proso root by different fertilizer treatments in different periods

2.3.2 對糜子根系生理指標的影響 抽穗期糜子根系的SOD、POD活性及MDA含量測定結(jié)果表明(圖7)，該時期根系的SOD活性與地上部生長形態(tài)指標表現(xiàn)出了一致性，凡是地上及地下生長好的處理，根系的SOD活性也較高。糜子根系MDA含量也與根系的SOD活性表現(xiàn)出一致性的規(guī)律，SOD活性高的處理MDA含量就較低。值得關(guān)注的是不同處理對糜子根系中POD活性的影響與根系SOD活性的變化趨勢并不一致，不同處理糜子根系中過氧化物酶活性的變化規(guī)律性不明顯，尤其是對照處理根系中POD活性還高于了其他處理，甚至與施用磷鉀處理間達到了顯著差異水平，其原因有待于進一步進行探究。

2.4 施用不同肥料對潰壩物影響區(qū)糜子產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表8可以看出：在施用鉀肥的基礎(chǔ)上施用磷、氮、氮磷及單施有機肥均可以增加糜子的產(chǎn)量，統(tǒng)計分析結(jié)果表明，各處理間均達到了顯著差異水平。比較不同處理可以看出，糜子產(chǎn)量的增加與其生長狀況表現(xiàn)出高度的一致性，在施鉀的基礎(chǔ)上，施磷的效果明顯好于施氮，施磷處理糜子的穗粒數(shù)、千粒重及每盆穗數(shù)均明顯高于施氮處理，再次證明，磷確實是本試驗所用土壤增產(chǎn)的關(guān)鍵限制因子。由圖8還可以看出，單施有機肥對當季糜子產(chǎn)量增加的效果不如施用氮磷鉀化肥，這可能與所選有機肥的養(yǎng)分含量，尤其是氮素養(yǎng)分含量較低，導致了糜子后期缺肥有關(guān)。圖8結(jié)果表明，單施有機肥處理的糜子盆穗數(shù)并沒有減少，甚至還略高于施用氮磷鉀處理，但千粒重和穗粒數(shù)均明顯低于氮磷鉀處理，表明單施有機肥處理在前期生長及分蘗成穗過程中沒有受到影響，只是后期因缺肥而導致了穗粒數(shù)與千粒重有所下降，并最終使糜子的產(chǎn)量有所降低。這也提醒我們，如果在單施有機肥處理糜子的生長后期能及時補充氮及其他營養(yǎng)元素，可以形成更高于單施氮磷鉀肥產(chǎn)量的效果，生產(chǎn)中應(yīng)堅持有機肥與無機肥配合的施肥原則。

圖6 不同施肥處理對糜子抽穗期旗葉生理指標的影響Fig.6 The influence on physiological indexes of proso flag leaf by different fertilizer treatments at heading stage

圖7 不同施肥處理對抽穗期糜子根系生理指標的影響Fig.7 The influence on physiological indexes of proso root by different fertilizer treatments at heading stage

圖8 不同施肥處理對糜子產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響Fig.8 The influence on yield and yield component factors of proso by different fertilizer treatments

2.5 鐵礦復墾生土施用不同肥料對糜子根際微生物及土壤酶活性的影響

為了探明本試驗條件下施肥對所用供試土壤(潰壩覆蓋物與土壤的混合物)生物活性的影響程度，在糜子生長后期，對其根際土壤細菌、真菌、放線菌及土壤脲酶、磷酸酶活性進行了測定(圖9～10)。由圖9可以看出，不同施肥處理對三大微生物數(shù)量均有一定的影響，但不同類群有所不同，對根際土壤的細菌數(shù)量而言，在施鉀的基礎(chǔ)上施用氮處理與施磷處理間沒有顯著差異，氮對真菌數(shù)量的提高效果優(yōu)于磷，但施肥對根際土壤中放線菌數(shù)量影響的效果又相反。單施有機肥對根際土壤微生物數(shù)量的影響表現(xiàn)為更有利于促進真菌數(shù)量的增加，表現(xiàn)為各處理中效果最佳，說明為了盡快恢復土壤的肥力，施用有機肥是非常必要的。由圖10也可以看出單施有機肥對根際土壤酶活性的良好效果。

圖9 不同施肥處理對糜子根際微生物數(shù)量的影響Fig.9 The influence on number of rhizosphere microorganisms of proso by different fertilizer treatments

圖10 不同施肥處理對糜子根際土壤酶活性的影響Fig.10 The influence on soil enzymes of proso rhizosphere by different fertilizer treatments

結(jié)合前述不同施肥處理對糜子根系各生長與生理指標的影響可以看出，不同施肥處理對糜子根際土壤微生物數(shù)量及土壤酶活性的影響表現(xiàn)出與其地上和地下生長指標對肥反應(yīng)的基本一致性。糜子地上部生長越好、根系越發(fā)達、根長越長、根重越大、根系活性吸收面積越多、活力越強，其根際土壤酶活性就越高，微生物的數(shù)量也越多。

3 討論與結(jié)論

土地復墾是我國實現(xiàn)耕地總量動態(tài)平衡、緩解人地矛盾的重要途徑，培肥土壤是改良復墾土壤的一項有效措施，也是礦區(qū)土地復墾的最終目標[3，15]。目前，土壤培肥研究已經(jīng)開展較多，但研究對象側(cè)重于低產(chǎn)田或退化土地[16-17]等未受擾動的土地，從礦區(qū)土地復墾領(lǐng)域特殊性的角度考慮，復墾地的土壤培肥研究相對較少[18]。已有的復墾土壤培肥研究也多集中在關(guān)于直接覆蓋于礦區(qū)之上的母質(zhì)性土壤[19]。關(guān)于摻雜有鐵礦潰壩物的母質(zhì)性土壤(生土)的研究尚未見報道。前人關(guān)于氮、磷、鉀三要素的研究結(jié)果多數(shù)認為氮為作物產(chǎn)量增加的首要因子，其次是磷，再次是鉀。本試驗結(jié)果表明，在氮磷均缺的情況下(全氮0.021 g·kg-1，速效磷3.24 mg·kg-1)，磷的作用大于氮，是本試驗供試土壤的首要限制因子，尤其是在糜子生長的前期，僅施氮鉀而不施用磷的處理及對照處理，糜子生長速度遠低于有磷的處理。拔節(jié)期糜子的株高、葉面積、地上部生物量、根重、根長和根系吸收面積等形態(tài)指標及葉綠素含量、凈光全速率、可溶性糖含量、根系SOD活性、POD活性等均表現(xiàn)為有磷的處理好于無磷的處理，這可能與本試驗所用土壤中速效磷更為缺乏的特點有關(guān)。

在施用鉀肥的基礎(chǔ)上施用磷、氮、氮磷及單施有機肥均可以增加糜子的產(chǎn)量，磷的增產(chǎn)效果優(yōu)于氮，而氮與磷配合的效果最佳。單施有機肥對當季糜子產(chǎn)量增加的效果不如施用氮磷鉀化肥，這可能與所選有機肥的養(yǎng)分含量較低有關(guān)，尤其是氮素養(yǎng)分含量較低有關(guān)。試驗結(jié)果表明，單施有機肥處理的糜子每盆穗數(shù)并沒有減少，甚至還略高于施用氮磷鉀處理，但千粒重和穗粒數(shù)均明顯低于氮磷鉀處理，表明單施有機肥處理在前期生長及分蘗成穗過程中并沒有受到影響，只是后期因缺肥而導致了穗粒數(shù)與千粒重有所下降，并最終使得糜子的產(chǎn)量有所降低。這也提醒我們，如果在單施有機肥處理糜子的生長后期能及時補充氮及其他營養(yǎng)元素，可以形成更高于單施氮磷鉀肥產(chǎn)量的效果，生產(chǎn)中應(yīng)堅持有機肥與無機肥配合的施肥原則。

前人的研究結(jié)果表明，土壤中細菌、真菌、放線菌等微生物的數(shù)量可以在一定程度上反映土壤的肥力水平或肥沃程度。土壤中各種酶的活性也可以反映土壤微生物及土壤的肥沃水平[20]。本試驗結(jié)果表明，不同施肥處理對三大微生物數(shù)量均有一定的影響，但對不同類群的影響程度還有所不同。對根際土壤的細菌數(shù)量而言，在施鉀的基礎(chǔ)上施用氮處理與施磷處理間沒有顯著差異，氮對真菌數(shù)量的提高效果優(yōu)于磷，但施肥對根際土壤中放線菌數(shù)量影響的效果又相反，反映出了事物本身的復雜性。單施有機肥對根際土壤微生物數(shù)量的影響表現(xiàn)為更有利于促進真菌數(shù)量的增加，表現(xiàn)為各處理中效果最佳，說明為了盡快恢復土壤的肥力，施用有機肥是非常必要的。結(jié)合前述不同施肥處理對糜子根系各生長與生理指標的影響可以看出，不同施肥處理對糜子根際土壤微生物數(shù)量及土壤酶活性的影響表現(xiàn)出與其地上和地下生長指標對肥反應(yīng)的基本一致性。糜子地上部生長越好、根系越發(fā)達、根長越長、根重越大、根系活性吸收面積越多、活力越強，其根際土壤酶活性就越高，微生物的數(shù)量也越多。施肥不僅有利于促進糜子的生長，而且能明顯增加根際土壤酶活性及微生物的數(shù)量，而后者數(shù)量的增加又有利于進一步活化土壤中的養(yǎng)分，促進了生土快速熟化和作物的生長發(fā)育，最終形成一個良性的土壤生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)。

糜子起源于我國，又稱為黍子、糜黍、黍稷等，因其營養(yǎng)價值較高，適口性好，且抗逆性強及生育期短而成為了黃土高原旱薄區(qū)主要的抗逆渡荒作物之一。前人的研究結(jié)果表明，糜子可以作為生土地上種植的先鋒作物。本試驗結(jié)果表明，在襄汾縣潰壩覆蓋區(qū)由潰壩物與土壤混合而成的生土層上種植糜子，確實可以實現(xiàn)改良土壤并在當季獲得一定效益，如果能配合施用一定的肥料，尤其是磷肥及有機肥，不僅可以提高糜子產(chǎn)量，而且有利于土壤中微生物及土壤酶活性的提高。