桑樹、三葉草及松針土對鹽堿土的修復

鄭冬梅, 辛 愿, 毛 瑩, 施 柳

(沈陽大學 環(huán)境學院, 遼寧 沈陽 110044)

土壤的鹽堿化是一個十分嚴峻的國際生態(tài)問題.在我國,鹽堿地通常被認為是經(jīng)濟社會生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要障礙之一[1].近些年來,隨著城市化、工業(yè)化的快速發(fā)展,城市用地面積不斷增加,農(nóng)村可利用耕地不斷減少[2].我國東北地區(qū)、西北地區(qū)、黃淮海平原以及東部沿海地區(qū)均分布著大量鹽堿地,總面積高達9.913×107hm2[3],約占全國土地面積的1/10[4],在耕地面積不斷減少的形勢下,大量的鹽堿地可作為我國重要的潛在后備土地資源.現(xiàn)有的改良鹽堿地的方法主要有:施用有機肥料[5]、水利措施[6-7]、生物措施[8-9]等.其中利用生物措施對其進行有效的改良和生態(tài)修復具有成本低、無二次污染、生態(tài)價值和經(jīng)濟投資價值顯著等優(yōu)點,可作為鹽堿地修復再利用的重要方法.

對鹽堿地利用生物措施進行修復主要集中在對耐鹽堿植物的選擇、耐鹽植物的脫鹽以及對鹽堿的耐受性等方面.景宇鵬等[10]利用湖南稷子、田菁、高丹草等5種植物對河套灌區(qū)鹽堿土的改良結(jié)果表明,5種植物均可以有效降低土壤的鹽堿化程度,提高土壤肥力水平.何海鋒等[11]選取種植柳枝稷來對鹽堿土進行改良,結(jié)果顯示,種植柳枝稷有利于土壤pH值和鹽分的降低,有利于土壤有機質(zhì)等養(yǎng)分的增加,對鹽堿土的改良效果明顯.肖克飚等[12]利用怪柳、葦狀羊茅等對鹽堿土進行生物改良,改良作用也比較顯著.

本研究采用桑樹、三葉草施加松針土來改良鹽堿土.桑樹對土壤酸堿度適應性較強且果實和葉片均具有經(jīng)濟效益[13],種植豆科植物三葉草可以有效增加氮肥來源,提高水土保持能力[14].三葉草對鹽堿脅迫亦有一定的抗性[15],并且也是目前最具有開發(fā)前景的保健食品和醫(yī)藥新資源之一[16],松針土是酸性土壤,與鹽堿土混合可以起到中和作用,在一定程度上能夠優(yōu)化土壤環(huán)境.因此,本研究采用桑樹-三葉草2種植物進行模擬試驗,擬為鹽堿地改良和利用提供一定參考.

1 材料與方法

1.1 試驗設計

采用盆栽試驗,在不同比例的鹽堿土-松針土中種植桑樹及三葉草,研究其對鹽堿土的修復情況.試驗設計每盆土壤重1 kg;單種模式,按照鹽堿土質(zhì)量占土壤總質(zhì)量的100%(H1)、75%(H2)、50%(H3)、45%(H4)、35%(H5)、25%(H6)、0%(H7)進行均勻混合配比,H1～H7代表單種模式下不同處理的土壤樣品;混種模式,按照鹽堿土質(zhì)量占土壤總質(zhì)量的100%(W1)、75%(W2)、50%(W3)、45%(W4)、35%(W5)、25%(W6)、0%(W7)進行均勻混合配比,W1～W7代表混種模式下不同處理的土壤樣品.以棕壤(H8,W8)為對照組(H8為桑樹單種土壤樣品,W8為桑樹-三葉草混種土壤樣品),觀察單種、混種模式下改良后的土壤各個指標與正常土壤是否相近.每組平行試驗重復3次.

試驗所用鹽堿土為松嫩平原(肇州)重鹽堿土(pH>10),松針土取自松樹底下帶有松針的土壤(pH=6.85,干基有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為20.67%).選用3月份當年生等高桑樹幼苗,每盆種植2株,3～4 d澆1次水.試驗進行半年,在此期間,H1、W1、H2、W2中桑苗未存活,W2中三葉草及其他組植物全部存活.H6、W6的2組桑苗長勢最好.

1.2 測定內(nèi)容與方法

土壤pH值采用玻璃電極法[17]測定;土壤全鐵質(zhì)量分數(shù)采用重鉻酸鉀容量法測定;土壤全鉀質(zhì)量分數(shù)采用氫氟酸消解法測定.

有機質(zhì)采用灼燒法測定.將土壤樣品中土壤與松針共同研磨,過100目(孔徑為0.150 mm)篩,放入馬弗爐中,于450 ℃灼燒3 h至恒重.計算公式為

(1)

式中:w為有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù);m1為樣品灼燒后減少的質(zhì)量,g;m2為烘干后樣品質(zhì)量,g.

1.3 統(tǒng)計分析

運用Excel 2003和皮爾遜相關性分析對試驗數(shù)據(jù)進行分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤pH值的影響

鹽堿土不同處理條件下的pH值如圖1所示,從圖中可以看到,土壤pH值總體上呈下降趨勢,主要原因為松針土呈酸性,透氣性好,在一定程度上可以改良鹽堿土,增加土壤的有機質(zhì).未種植前,棕壤的pH值高于松針土,低于各組鹽堿土-松針土土壤,種植半年后,棕壤的pH值均有小幅度的增加,pH值分別增加了1.71%、1.18%,這可能與桑樹根際土壤中的菌株能產(chǎn)生低溫堿性纖維素酶有關[18].H1、W1沒有植物存活,pH值卻有所下降,較未種植分別下降了0.88%、0.68%,可能因為松針土能中和一部分堿,澆入的水分在滲透過程中帶走了少量的堿分.種植半年后,除棕壤外,其余土壤pH值均有所下降,下降幅度為0.51%～7.73%,但混種與單種相比,除H3、W3外,混種更加明顯地降低了桑樹根際土壤pH值,這與李鑫等[19]對桑樹-大豆混種研究一致.

2.2 對土壤中全鉀的影響

經(jīng)過半年的種植,土壤中全鉀的質(zhì)量分數(shù)總體上呈現(xiàn)上升趨勢(圖2).由于H1、W1、H2、W2的桑樹植株未存活,因而其土壤中全鉀質(zhì)量分數(shù)無明顯變化;在剩下的土壤中,除棕壤外,其余土壤中全鉀的質(zhì)量分數(shù)均是增加的.種植半年后,H4土壤中全鉀的質(zhì)量分數(shù)增加最多,較之前增加了33.65%;全鉀質(zhì)量分數(shù)增加最少的為W3,較之前增加了0.38%.鹽堿土-松針土土壤中,松針土質(zhì)量分數(shù)小于鹽堿土質(zhì)量分數(shù)時,單種土壤全鉀質(zhì)量分數(shù)增幅大于混種,但隨著松針土質(zhì)量分數(shù)的增加,混種土壤中全鉀的質(zhì)量分數(shù)大于單種.種植半年后,無論是單種還是混種,H7、W7中全鉀的質(zhì)量分數(shù)都是最小的,這可能是由于鉀在酸性土壤中更容易被植物吸收利用.

圖1 不同處理條件下土壤中的pH值Fig.1 Soil pH value under different treatment conditions

圖2 不同處理條件下土壤中全鉀的質(zhì)量分數(shù)Fig.2 Mass fraction of total potassium in soil under different treatment conditions

2.3 對土壤中全鐵的影響

鐵元素是植物正常生命活動所必需的微量礦物元素,在諸多生理代謝過程中發(fā)揮著重要作用[20],并且也是土壤養(yǎng)分的重要表征.在不同比例土壤中,全鐵質(zhì)量分數(shù)總體上呈現(xiàn)上升趨勢(見圖3).由于H1、W1、H2植株未存活,因而其土壤中全鐵質(zhì)量分數(shù)無明顯變化,無論是單種還是混種,全鐵質(zhì)量分數(shù)均高于純鹽堿土.種植半年后,W7土壤中全鐵質(zhì)量分數(shù)最大,高達34.6 μg·kg-1,并且也是全鐵質(zhì)量分數(shù)增加最多的,較之前增加了39.88%.在鹽堿土-松針土土壤中,W2中全鐵質(zhì)量分數(shù)增加也較多,比之前增加了8.16%,W4中全鐵質(zhì)量分數(shù)增加最少,比之前增加了0.43%.單種中H2、H4、H5、H6的全鐵質(zhì)量分數(shù)有小幅度的減小,其余土壤中全鐵質(zhì)量分數(shù)均上升;但混種中全鐵質(zhì)量分數(shù)均有所增加.由此可說明,混種在一定程度上更有助于鹽堿土的修復.

2.4 對土壤中有機質(zhì)的影響

種植半年后,不同處理條件下土壤中有機質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)如圖4所示,從圖中可以看到,H1、W1、H2土壤中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)比未種植前分別增加了0.12%、0.24%、0.09%.這與桑苗死后,根部與枝葉在土壤中腐爛,加上松針土腐爛有關.松針土中松針逐漸腐化,可以有效降低土壤pH值,增加土壤有機質(zhì),在無植物存活時,也能有效地提升鹽堿土肥力.

種植半年后,鹽堿土-松針土模式下,土壤中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)總體上呈下降趨勢.單種模式下,H6土壤中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)下降最多,較之前下降了32.60%;H2有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)未下降反而上升.混種模式下,W6中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)下降最顯著,較之前下降了27.78%;W3土壤中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)下降最少,較之前下降了3.82%;同時H6、W6這2組的桑苗長勢最好,H2無桑苗長出.由此可推斷,有機質(zhì)的減少是由于植物在生長旺盛期對有機質(zhì)的需求較大造成的.雖然有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)在半年后有所減小,但整體上均高于純鹽堿土中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù).

圖3 不同處理條件下土壤中全鐵的質(zhì)量分數(shù)Fig.3 Mass fraction of total iron in soil under different treatment conditions

圖4 不同處理條件下土壤中有機質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)Fig.4 Mass fraction of organic matter in the soil under different treatment conditions

種植半年后,混種模式中土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)要比單種模式中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)多.左玉環(huán)等[14]對果園種植三葉草的實驗結(jié)果表明,種植4年后,生長三葉草果園的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)增加41.60%.據(jù)此推測可能是三葉草的存在,使混種模式中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)增加.

2.5 各元素之間的相關關系

單種模式下各元素之間的相關系數(shù)如表1所示,從表中可知,有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)和鉀質(zhì)量分數(shù)、pH值和鐵質(zhì)量分數(shù)、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)和pH值分別呈顯著負相關.混種模式下各元素之間的相關系數(shù)如表2所示,從表中可知,有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)和鉀質(zhì)量分數(shù)、pH值和鐵質(zhì)量分數(shù)之間分別呈顯著的負相關.

pH

表1 單種模式下各參素之間的多元相關系數(shù)

表2 混種模式下各參素之間的多元相關系數(shù)

值較修復前有所下降,鐵、鉀、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)均有上升趨勢,混種結(jié)果尤為明顯(見圖1～圖4),與相關性分析結(jié)果一致.這說明土壤在種植植物后,其有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、鉀質(zhì)量分數(shù)、pH值和鐵質(zhì)量分數(shù)之間存在著相關性,若只測定其中1個指標,是不能準確評價不同模式下對鹽堿土的改良效果,需要測量多個指標來進行綜合評價.

3 結(jié) 論

1) 種植半年后,鹽堿土-松針土模式下土壤中pH值明顯下降.土壤pH值降低了0.04～0.73.除鹽堿土質(zhì)量占土壤總質(zhì)量50%外,混種比單種更加明顯地降低了土壤中的pH值.

2) 土壤中礦質(zhì)元素鉀、鐵和有機質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)在一定程度上代表了土壤肥力的狀況.種植半年后,鐵、鉀的質(zhì)量分數(shù)總體上呈增加趨勢;雖然有機質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)較未種植前有所下降,但各土壤中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)均高于純鹽堿土,混種有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高于單種.

3) 2種模式下均對鹽堿土有修復作用,其中混種對鹽堿土的修復效果更好.