不同磷石膏摻量對(duì)植被混凝土基材肥力和狗牙根生長的影響研究

彭逗逗 許亞坤 楊嘉槊 吳 彬 許文年

（1.三峽大學(xué) 邊坡生態(tài)防護(hù)研究中心,湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院,湖北 宜昌 443002）

道路、礦山、水電工程和城市建設(shè)等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)促進(jìn)了地區(qū)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求,但同樣也在破壞生態(tài)環(huán)境,造成一系列的自然災(zāi)害,如水土流失、泥石流和山體滑坡等,此類問題只依靠大自然自身的能力難以得到恢復(fù)[1-2].植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)對(duì)于這類問題可以較好地予以解決,達(dá)到改善工程擾動(dòng)區(qū)環(huán)境、保護(hù)生物多樣性以及穩(wěn)固邊坡的目的,能夠使固土護(hù)坡的性能與自然生態(tài)功能的有機(jī)結(jié)合,具有較高的應(yīng)用價(jià)值和綜合效益[3-6].植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)雖然是在坡地表層構(gòu)建成能夠貯存一定肥力較高的基材,但經(jīng)過長期監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn),邊坡修復(fù)年限增加,基材質(zhì)量逐漸退化,對(duì)后期植物的生長存在很大的負(fù)面影響[7],再加上基材中水泥的添加,植被混凝土易發(fā)生板結(jié),且基材堿性較強(qiáng),不利于種子的發(fā)芽和幼苗生長,影響了植被邊坡的可持續(xù)發(fā)展[8].

磷石膏是運(yùn)用濕法生產(chǎn)磷酸過程中的副產(chǎn)物,目前全球每年排放的磷石膏高達(dá)1.5億t以上,我國磷石膏年排放量居世界第3位[9].磷石膏中含有磷、氟、硅、鎂、鐵、鋁及有機(jī)雜質(zhì)等,其中磷、氟及游離酸具有腐蝕性,長期堆存不僅占用大面積土地,而且還污染周圍環(huán)境[10-11].但磷石膏可作為土壤改良劑,能改善土壤的理化性質(zhì),利于植被生長[12-14].張濤等[15]研究發(fā)現(xiàn),施用磷石膏能降低濱海鹽堿土壤的p H.遲春明等[16]研究發(fā)現(xiàn),加入磷石膏能提高土壤中Ca2＋含量以及土壤大孔隙數(shù)量,從而增強(qiáng)土壤通氣和透水能力.因此,有關(guān)土壤中摻加磷石膏的研究一直受到眾多學(xué)者的關(guān)注.

目前,植物生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域?qū)α资嗟难芯旷r有報(bào)道.因此,本研究針對(duì)目前植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)后期產(chǎn)生的植被退化和養(yǎng)分流失等現(xiàn)象,以發(fā)揮磷石膏的改良特性,對(duì)植被混凝土進(jìn)行改良,研究不同磷石膏摻量對(duì)植被混凝土基材肥力和生態(tài)修復(fù)技術(shù)常用先鋒植物狗牙根（Cynodon dactylon（L.）Pers.）生物量的影響,為植被混凝土演替初期肥力的研究和植物生態(tài)防護(hù)技術(shù)的改良提供理論支持和科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣地概況

考慮到試驗(yàn)樣地養(yǎng)護(hù)、試驗(yàn)取樣方便與節(jié)約成本等因素,試驗(yàn)樣地設(shè)置在湖北省三峽大學(xué)內(nèi)地學(xué)樓旁空地（111°18′23″E,30°43′06″N）.樣地設(shè)置點(diǎn)處于中亞熱帶與北亞熱帶的過渡區(qū),有季節(jié)分明、水熱同期、寒旱同季的氣候特征,屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候.歷年平均降水量為1 215.6 mm 左右,雨量比較充沛.

1.2 試驗(yàn)材料

研究涉及的主要材料包括種植土、水泥、有機(jī)物料（稻殼）、潤智生態(tài)改良劑、活性炭和磷石膏.種植土選用本地常見的地表深度在1 m 內(nèi)的黃棕壤,去除碎石及枯枝敗葉等雜物,經(jīng)風(fēng)干過2 mm 篩備用,種植土基本物理性質(zhì)見表1.

表1 種植土基本理化性質(zhì)

潤智生態(tài)改良劑是由湖北潤智生態(tài)科技有限公司和三峽大學(xué)潤智生態(tài)科技研究院聯(lián)合研發(fā)創(chuàng)新的一種以水泥為膠固材料的生境基材的改良調(diào)節(jié)產(chǎn)品（專利號(hào):01138343.7）;磷石膏取自宜昌本地磷礦廠,其基本理化性質(zhì)見表2.所選播種植物為狗牙根（Cynodondactylon（L.）Pers）,購自江蘇藍(lán)天種業(yè)有限公司.

表2 磷石膏基本理化性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)磷石膏摻量水平（包括4個(gè)試驗(yàn)組和1個(gè)對(duì)照組）,即以潤智生態(tài)改良劑與磷石膏的質(zhì)量比例設(shè)置,分別為對(duì)照組:1∶0（S0）;試驗(yàn)組:1∶1（S1）,1∶2（S2）,0∶1（S3）,2∶1（S4）.每個(gè)處理設(shè)置1 m×1 m 框格大小,厚度為10 cm 的樣方,其他物料配比參考《水電工程陡邊坡植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)范》[17]添加,所配制的植被混凝土基材各組分配比見表3.試驗(yàn)于2020年5月1日播種植物,在生長期根據(jù)天氣及植物生長狀況適量澆水,進(jìn)行為期70 d的養(yǎng)護(hù).

表3 植被混凝土基材配比表

1.4 樣品獲取及其測定方法

1.4.1 樣品采集

經(jīng)過70 d的養(yǎng)護(hù),于2020年8月中旬開始采集土壤樣品與植物樣品,每月進(jìn)行一次采樣,共7次.每個(gè)樣方按照蛇形方式選取3個(gè),研究的試驗(yàn)土層厚度較淺僅為10 cm,因此無需分層取樣,將所挖取的土壤均勻混合;植物樣品按照選取的10 cm×10 cm 樣方,小心挖取樣方內(nèi)所有植物,保證植物地上部分和地下部分的完整性.將采集的土壤和植物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)處理作試驗(yàn)分析.

取回的土壤樣品先剔除土壤以外的雜質(zhì),如植物殘根、昆蟲尸體及水泥石塊等,然后進(jìn)行干燥處理,除測定容重用烘干法外,其他指標(biāo)均采用自然風(fēng)干法.土樣經(jīng)過風(fēng)干后進(jìn)行磨碎處理,風(fēng)干土樣通過1 mm孔徑的篩子,用于測定pH 和速效養(yǎng)分（包括堿解氮、速效磷、速效鉀）.

植物樣品保護(hù)完整,置于冰箱中低溫保存.然后105℃進(jìn)行殺青處理10 min,70℃低溫烘干至恒重.

1.4.2 測定方法

容重采用環(huán)刀法測定[18].pH 用S-3S pH 儀進(jìn)行測定[19].有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定[20].養(yǎng)分含量使用san＋＋連續(xù)流動(dòng)分析儀測定:其中土樣以0.5 mol/L碳酸氫鈉溶液浸提,所得浸提液用于測定速效磷含量;土樣以1 mol/L中性醋酸銨溶液浸提,所得抽提液用于測定速效鉀含量.土壤堿解氮采用擴(kuò)散吸收法測定[21].植物生物量采用烘干稱重法.

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

應(yīng)用Micro-excel 2003和SPSS 19.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,應(yīng)用Origin 2018進(jìn)行作圖.采用單因素方差分析比較不同磷石膏摻量下基材肥力、植物生物量指標(biāo).用多元線性回歸逐步法分析基材肥力指標(biāo)對(duì)植物生物量的影響.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同磷石膏摻量對(duì)植被混凝土基材肥力的影響

不同處理的基材肥力變化不同,如圖1所示.

圖1 各處理基材含量變化圖

由圖1可以看出,5個(gè)處理的基材容重隨時(shí)間變化不大,從全期平均含量來看,S1和S4容重顯著小于S0（p＜0.05）,S2、S3與S0基材容重差異不顯著.各處理的基材pH 值隨時(shí)間推移呈現(xiàn)先降低后略微升高的趨勢,4個(gè)試驗(yàn)組S1、S2、S3和S4的基材p H值顯著小于對(duì)照組S0（p＜0.05）,且試驗(yàn)組之間的基材pH 值大小差異不明顯.各處理的基材有機(jī)質(zhì)從2020年8月到2021年2月呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,從有機(jī)質(zhì)含量的增加量和減小量看,S1和S4處理對(duì)有機(jī)質(zhì)的消耗利用量和積累量最高.各處理的基材堿解氮含量從2020年8月到2021年2月呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,從堿解氮的增加量和減小量看,S1處理對(duì)堿解氮的消耗和積累量最高.各處理的基材速效磷含量從2020年8月到2021年2月呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,從速效磷含量全期的平均水平來看,S1處理最高,最低的是S2,并隨著時(shí)間的推移,S1處理的速效磷含量顯著高于其他4組.各處理的基材速效鉀從2020年8月到2021年2月呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢,從速效鉀含量全期的平均水平來看,S1處理最高,最低的是S2和S3,并隨著時(shí)間的推移,S1處理速效鉀含量顯著高于其他4組.

與對(duì)照組S0處理相比,S1處理顯著降低基材容重、p H,增加有機(jī)質(zhì)、堿解氮消耗累積量,提高速效磷、速效鉀含量,提高了肥力水平,S4處理效果次之,而S2和S3處理的肥力水平相對(duì)降低.

2.2 不同磷石膏摻量對(duì)植物生物量的影響

各處理的植物地上生物量、地下生物量和總生物量（如圖2所示）從2020年8月到2021年2月均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,這跟土壤肥力情況和水文、氣候等因素相關(guān).從全期的平均含量來看,植物地上生物量、地下生物量和總生物量均為S1處理的最大,且顯著高于其他4組.與對(duì)照組S0相比,S1和S4處理的植物生物量升高,S2和S3處理的降低;從地上生物量和地下生物量占總生物量的比例來看,對(duì)照組S0的地上生物量占總生物量為72.9%～79.8%,S1處理的為74.0%～77.94%,S2處理的為67.31%～83.18%,S3處理的為66.03%～86.18%,S4處理的為71.55%～77.22%.結(jié)果均表現(xiàn)為地上生物量大于地下生物量,這是因?yàn)樵谥参锷L早期,根系不夠發(fā)達(dá),植物擁有更大的地上生物量,以獲得更多的光照資源,使其對(duì)環(huán)境條件實(shí)現(xiàn)最大化利用.

圖2 各處理植物生物量變化圖

2.3 基材肥力指標(biāo)對(duì)植物生物量的影響

各處理的植物地上生物量與肥力因子的逐步多元回歸分析結(jié)果如下（見表4）:S0處理的地上生物量與基材pH 呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）,與速效磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系（p＜0.05）;S1處理的地上生物量與基材有機(jī)質(zhì)存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）;S2處理的地上生物量與基材堿解氮呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）,與速效鉀呈顯著正相關(guān)關(guān)系（p＜0.05）;S3處理的地上生物量與基材堿解氮呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）,與速效磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系（p＜0.05）;S4處理的地上生物量與基材堿解氮存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）.

各處理的植物地下生物量與肥力因子的逐步多元回歸分析結(jié)果如下（見表4）:S0處理的地下生物量與基材堿解氮呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）,與pH 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.05）;S1處理的地下生物量與基材有機(jī)質(zhì)存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）;S2處理的地下生物量與基材堿解氮呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）,與速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.05）;S3處理的地下生物量與基材堿解氮呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）,與速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.05）;S4處理的地下生物量與基材堿解氮存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）.

表4 肥力因子對(duì)不同處理下植物生物量的影響

各處理的植物總生物量與肥力因子的逐步多元回歸分析結(jié)果如下（見表4）:S0處理的總生物量與基材pH 呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）;S1處理的總生物量與基材有機(jī)質(zhì)存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）;S2處理的總生物量與基材堿解氮呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）,與速效磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系（p＜0.05）;S3處理的總生物量與基材堿解氮呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）,與速效磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系（p＜0.05）;S4處理的總生物量與基材堿解氮、有機(jī)質(zhì)存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.05）.

3 討論

3.1 不同磷石膏摻量對(duì)基材肥力的影響

一般說來,土壤容重小說明土體比較疏松,土壤結(jié)構(gòu)、透氣性和保水保肥力較好,土壤中水氣熱狀況良好,適合植被生長;土壤容重大,則反之[22].本研究中,基材容重在短期內(nèi)變化不大,這與鄔靜淳[23]研究不同樹種對(duì)三峽庫區(qū)消落帶土壤物理性質(zhì)的影響結(jié)果呈一致性.也有研究認(rèn)為土壤容重受季節(jié)的影響很大[24],這可能與地方的氣候、水文以及土地利用類型相關(guān).基材在摻加磷石膏之后,容重有所降低,這與張瑜等[25]在研究不同用量的磷石膏和有機(jī)肥對(duì)鹽堿土理化性質(zhì)中有相同結(jié)果,磷石膏能改善土壤物理性質(zhì),不同施加量降低土壤容重效果也不同.磷石膏中含有鈣質(zhì)膠體,它能夠促進(jìn)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)形成,從而改善土壤結(jié)構(gòu),降低土壤容重,提高土壤孔隙度[26].李旭霖等[27]也認(rèn)為,磷石膏的添加能降低土壤容重,提高土壤通透性,改善土壤的水、肥、氣、熱狀況.

土壤酸堿狀況用pH 值來衡量,土壤pH 值過高或過低都會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分的存在形態(tài)、轉(zhuǎn)化和有效性進(jìn)行干擾,從而影響植物的生長發(fā)育[28-29].本研究中基材pH 呈現(xiàn)先降低而后期略微升高的趨勢,這是因?yàn)橥寥纏H 與土壤礦化作用密切相關(guān),后期植物生長受阻,土壤中堿解氮積累,有機(jī)氮的礦化會(huì)吸收H＋,使得土壤pH 升高[30-31].尹元萍等研究中顯示,施用磷石膏后的土壤pH 值明顯比僅施用氮磷鉀的要小[32].這與本文研究結(jié)果保持一致性,這是因?yàn)榱资嘀泻猩倭苛姿釟涓?、磷酸二氫根、磷酸、氟離子等酸性離子,其pH 介于1.53～4.90,屬于酸性物質(zhì)[33].因此植被混凝土基材中摻加磷石膏能顯著降低基材p H.

土壤有機(jī)質(zhì)的礦化、全量養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和肥料施入土壤的速效成分是土壤速效養(yǎng)分的主要來源,它是土壤重要的屬性之一[34].短期內(nèi)土壤對(duì)植物的供肥能力也是通過速效養(yǎng)分含量反映[35-36].本研究中,前期植物生長旺盛,對(duì)養(yǎng)分的消耗量大,后期植物生長受阻,基材有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量先減小后增大;而磷石膏中含有磷肥,可以緩慢釋放速效磷,使速效磷含量先上升后下降.郭天云在研究中發(fā)現(xiàn)施入磷石膏后顯著改善土壤質(zhì)量;最后土壤脫鹽,釋放出了土壤中被固定的各種養(yǎng)分,提高了土壤中有機(jī)質(zhì)、速效氮、有效磷和速效鉀的含量[37],這與本文研究結(jié)果具有相似性.本研究中,按照S1處理,基材有機(jī)質(zhì)、堿解氮消耗積累量增加,速效磷與速效鉀含量顯著提升,這可能是土壤中摻加磷石膏使其pH 降低,土壤微生物活動(dòng)增強(qiáng),加速了被固定養(yǎng)分的釋放和有機(jī)質(zhì)的礦化.

3.2 不同磷石膏摻量對(duì)植物生物量的影響

植物生物量是單位面積植物積累物質(zhì)的質(zhì)量,是生態(tài)系統(tǒng)的功能指標(biāo)和獲取能量的集中表現(xiàn).在本研究中,按照S1處理的磷石膏摻量顯著提高植物生物量,其次是S4.吳洪生等[38]在研究中發(fā)現(xiàn),磷石膏改良劑能不同程度地提高植物生物量,促進(jìn)小麥生長.白來漢等[39]在研究中同樣得出,無論接種與否,相同接種狀況下玉米地上部分及根系的生物量隨著磷石膏添加水平的提高均呈增加趨勢.李季等[40]研究發(fā)現(xiàn),一定量的磷石膏可提高生物量,促進(jìn)小麥生長.崔向超等[41]研究也得出,在土壤中施加磷石膏可促進(jìn)菌根化苗生長,改善果實(shí)品質(zhì),這與本文研究結(jié)果具有一致性.由前文可知摻加一定量的磷石膏可以改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力,而植物生物量又受肥力因子的調(diào)控,從而間接提高植物生物量.

3.3 植物生物量的影響因素

植物生物量與基材養(yǎng)分之間存在不同的相關(guān)關(guān)系,不同的基材肥力條件對(duì)植物生物量的主要影響因子也有所不同,植物生物量大小受到土壤中多種理化因子的影響[42].本研究中,不同的土壤肥力條件對(duì)植物生物量影響不同,植物生物量與有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷及速效鉀等養(yǎng)分存在不同程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系,植物地上生物量占比較大.這可能是因?yàn)樵谏L初期,基材肥力條件充足時(shí),植物吸收土壤中的養(yǎng)分,使土壤養(yǎng)分降低,將更多的向地上部分分配[43-44].

4 結(jié)論

1）不同磷石膏摻量對(duì)植被混凝土基材肥力有不同程度的影響,其中當(dāng)以S1處理時(shí),能夠顯著改善土壤結(jié)構(gòu)和提高土壤肥力,表現(xiàn)為基材容重和pH 減小,基材有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量增加.S4處理次之,肥力狀況最差的是S2和S3處理.

2）磷石膏的摻入對(duì)植物生物量也有影響,當(dāng)以潤智生態(tài)改良劑與磷石膏的比例為S1處理時(shí),顯著提高植物生物量,植物生長良好.生物量狀況最差的是S2和S3處理.

3）植物生物量與基材養(yǎng)分之間存在不同的相關(guān)性關(guān)系,基材養(yǎng)分交叉影響植物生物量的大小,不同的基材肥力條件對(duì)植物生物量的主要影響因子也有所不同.可根據(jù)不同的制約因子進(jìn)行不同的施肥處理.

綜合考慮,在不同磷石膏摻量條件下,合適的磷石膏摻量可以顯著優(yōu)化基材肥力,并提高植物生物量,建議摻入磷石膏的質(zhì)量比例為潤智生態(tài)改良劑∶磷石膏為1∶1.