水泥對紅壤pH值及植物生長影響的試驗(yàn)研究

游 陽，劉 倫

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

我國南方紅壤主要分布在長江以南熱帶和亞熱帶或常綠闊葉林地區(qū)，總面積約為2.04億hm2，超過國土面積的1/5,據(jù)全國第二次土壤普查結(jié)果，我國紅壤呈弱酸性，大多數(shù)pH值在6.0～6.5之間，浙江、福建和湖南省呈強(qiáng)酸性的紅壤pH值在4.5～5.5之間，分別占全省面積的16.9%、49.4%和38.0%，酸性土壤pH值在5.5～6.5之間，分別占56.4%、37.5%和40.0%[1]。其主要特征是缺乏堿金屬和堿土金屬而富含鐵、鋁氧化物，呈酸性紅色，表現(xiàn)為土壤緊實(shí)、侵蝕、酸化、元素失衡、化學(xué)污染、有機(jī)質(zhì)流失和動植物區(qū)系的退化等，這些問題嚴(yán)重限制了農(nóng)作物的種植及土地生產(chǎn)力的發(fā)展[2-4]。其中酸性較強(qiáng)、土質(zhì)粘重是紅壤利用上的主要不利因素[5]。

為了緩解酸性紅壤對植物生長的不利影響。潘曉瑩等[6]研究了富里酸對紅壤酸度的改良及酸化阻控效果，發(fā)現(xiàn)紅壤pH隨富里酸的增加而增加，添加50 g/kg富里酸處理紅黏土和紅砂土的土壤pH值分別由對照的4.31和4.69提高至5.91和5.97。添加富里酸也能提高紅壤的抗酸化能力。針對酸性紅壤的貧瘠與酸化的問題；蘇輝蘭等[7]采用生物炭、石灰、有機(jī)肥和樹脂四種材料對紅壤進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)生物炭、石灰、樹脂和有機(jī)肥的混合施用不僅能提高紅壤的速效磷和速效鉀的含量,也能有效降低紅壤的酸度,促進(jìn)馬鈴薯的生長；在紅壤中添加不同比例的熟石灰粉、碳酸鈣粉、白云石粉，并進(jìn)行油菜種植試驗(yàn)，結(jié)果表明：熟石灰粉、碳酸鈣粉、白云石粉都能較好地改良土壤酸性，最佳添加量分別是熟石灰粉1125～1687.5 kg/hm2, 碳酸鈣粉1500～2250 kg/hm2, 白云石粉1500～3000 kg/hm2[8]；李久玉等[9]利用工業(yè)副產(chǎn)品(粉煤灰、堿渣、赤泥和磷石膏)對紅壤酸度進(jìn)行了改良，研究表明在工業(yè)副產(chǎn)品中，堿渣和赤泥對土壤酸度的改良效果最好，若結(jié)合石灰一起施用，可對土壤剖面酸度進(jìn)行改良，并取得較好的效果；杜玉鳳等[10]通過盆栽試驗(yàn)，研究礦物土壤改良劑對酸性紅壤改良的影響，研究表明施用磷礦粉、白云石、牡蠣殼和有機(jī)肥土壤調(diào)理劑均可以有效提高酸性土壤pH值；印長俊，馬石城[11]研究發(fā)現(xiàn)水泥紅壤的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻入比和齡期的增長而提高；曹智國[12]研究表明水泥土強(qiáng)度隨水泥摻入量增加近似呈冪函數(shù)關(guān)系增大。嵇曉雷等[13]對根土復(fù)合體進(jìn)行了三軸剪切試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)根土復(fù)合體能有效提高素土強(qiáng)度和抵抗變形的能力。根土復(fù)合體的黏聚力和內(nèi)摩擦角都有所提高。程磊等[14]發(fā)現(xiàn)狗牙根根土復(fù)合體的破壞荷載約是素土1.29～1.35倍，狗牙根土試樣黏聚力增長率為35.63%、內(nèi)摩擦角增長率為16.24%。

上述研究表明，堿性物質(zhì)可以中和紅壤中的H+,改良紅壤酸性。水泥可以提高土壤的力學(xué)性能，提高紅壤邊坡的抗滑坡能力，狗牙根是生態(tài)護(hù)坡的優(yōu)勢物種。故本研究選擇主要成分呈堿性的水泥作為酸性改良劑，研究不同水泥摻量對紅壤pH值的影響，分析不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下水泥摻量與紅壤pH值的關(guān)系。結(jié)合盆栽種植試驗(yàn)，研究水泥摻量對植物生長的影響。本研究旨在為紅壤生態(tài)修復(fù)過程中酸性改良及紅壤高陡邊坡的生態(tài)修復(fù)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土樣取自湖南邵陽某地非飽和紅黏土，屬于原生紅黏土經(jīng)過再次搬運(yùn)堆積形成的次生紅黏土，取部分土樣，去除其中石塊等雜物，待土樣自然風(fēng)干后，過200目(0.075 mm)網(wǎng)篩，取部分供試土壤測定基本理化性狀(見表1)。利用XRF熒光光譜儀(馬爾文帕納科X射線分析Axios mAX)測定供試土壤重金屬背景值，土壤基本理化現(xiàn)狀見表1。

表1 試驗(yàn)土壤基本理化現(xiàn)狀

1.2 水泥對紅壤pH值影響試驗(yàn)

本試驗(yàn)主要研究不同水泥摻量(水泥質(zhì)量與紅壤質(zhì)量之比)下紅壤pH值隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化情況。試驗(yàn)共設(shè)6種試樣，水泥摻量分別為0、0.1%、1%、2%、3%、4%，每種試樣制作三個(gè)，一共18組。具體試驗(yàn)步驟如下：

1)將取來的土樣烘干、粉碎，過2 mm篩，去除大石塊，植物根莖等雜物；將紅壤、水泥、水裝至塑料盆中進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，加入土壤質(zhì)量20%(±0.5 g)的去離子水，混合均勻。

2)將混合好的水泥紅壤填充入100 mm×100 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)模具中，試樣尺寸為100 mm×100 mm×80 mm。定期(第1、7、14、28 d)取試樣面至試樣底的共8 cm的土壤，依據(jù)LY-T 1239-1999《森林土壤pH值的測定》規(guī)范，使用雷磁pHB-4型便攜式pH計(jì)持續(xù)測量土壤的pH值，通過持續(xù)監(jiān)測，直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)為止[15-16]。并根據(jù)表2土壤酸堿度劃分等級進(jìn)行紅壤酸堿度劃分。

表2 土壤酸堿度劃分等級

1.3 盆栽種植試驗(yàn)

盆栽種植試驗(yàn)主要研究不同水泥摻量下狗牙根發(fā)芽數(shù)量和生長高度隨時(shí)間的變化情況。狗牙根根莖蔓延力很強(qiáng)，廣鋪地面，為良好的固堤保土植物。設(shè)置A(0水泥)、B(0.1%水泥)、C(1%水泥)、D(2%水泥)、E(3%水泥)、F(4%水泥)6個(gè)處理，并添加一定量泥炭土、有機(jī)肥、纖維(木屑)、保水劑，拌合均勻裝入花盆，每個(gè)盆栽重復(fù)三次。同時(shí)設(shè)置不種植物的空白對照組，研究植物對紅壤pH值的影響。具體試驗(yàn)步驟如下：

1)按設(shè)計(jì)配比稱取相應(yīng)質(zhì)量的水泥、泥炭土、有機(jī)肥、纖維(木屑)、保水劑和紅壤，混合攪拌均勻；裝入下徑12 cm，上徑15 cm，盆高12 cm的花盆。

2)每個(gè)花盆中均勻撒入100顆種子，培養(yǎng)在同一地點(diǎn)，每天早晚定量澆水。

3)定期觀測并記錄狗牙根前期的出芽情況及后期幼苗生長高度。

2 水泥對紅壤pH值影響試驗(yàn)的研究

2.1 不同水泥摻量下紅壤pH值與養(yǎng)護(hù)時(shí)間關(guān)系

紅壤pH值測定試驗(yàn)如圖1所示。以養(yǎng)護(hù)時(shí)間為橫坐標(biāo)，紅壤pH值為縱坐標(biāo)，建立不同水泥摻量下紅壤pH值與時(shí)間的關(guān)系，如圖2所示。

圖 1 紅壤pH值測定試驗(yàn)圖

圖 2 不同水泥摻量下紅壤pH值與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系

由圖2可知，水泥摻量為0.1%、1%、2%、3%和4%的紅壤pH值由初期的9.08～11.2逐漸減小至6.98～9.60；隨著水泥摻量的增加，紅壤pH值都隨之上升，并隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加有不同程度的減??；當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到28 d時(shí)，各組pH值均穩(wěn)定不變。0水泥摻量下紅壤pH值穩(wěn)定在5.66，屬于酸性。1%水泥摻量下紅壤pH值穩(wěn)定在6.98，屬于中性。1%、2%、3%和4%水泥摻量下紅壤pH值分別穩(wěn)定7.93、8.35、8.94、9.61，屬于堿性和強(qiáng)堿性。

2.2 不同齡期水泥摻量與紅壤pH值的關(guān)系

以水泥摻量為橫坐標(biāo)，紅壤pH值為縱坐標(biāo)，建立水泥摻量與0、14、28 d紅壤pH值的關(guān)系，如圖3所示。當(dāng)采用不同函數(shù)擬合后，分別選取最適合水泥摻量與0、14、28 d紅壤pH值關(guān)系的擬合函數(shù)。

第0 d不同水泥摻量與紅壤pH值的關(guān)系可以用冪函數(shù)描述：

y=10.5·x0.06，R2=0.976

第14 d不同水泥摻量與紅壤pH值的關(guān)系可以用線性關(guān)系描述：

y=0.75x+7.13，R2=0.991

第28 d不同水泥摻量與紅壤pH值的關(guān)系可以用線性關(guān)系描述：

y=0.62x+7.13，R2=0.987

由圖3可知，隨著養(yǎng)護(hù)天數(shù)的增加，水泥摻量與紅壤pH值的關(guān)系趨于線性關(guān)系。養(yǎng)護(hù)28 d后，紅壤pH值都有不同程度降低，水泥摻量越高，紅壤pH值下降幅度越小。養(yǎng)護(hù)第28 d，紅壤pH值穩(wěn)定不變，水泥摻量與紅壤pH值符合線性關(guān)系，水泥摻量每增加1%，紅壤pH值增加0.75。試驗(yàn)初期，由于水泥呈堿性，導(dǎo)致紅壤pH值升高，隨著水泥不斷與紅壤發(fā)生中和反應(yīng)，水泥紅壤的pH值逐漸減小。

圖 3 不同齡期水泥摻量與紅壤pH值的關(guān)系

3 盆栽種植試驗(yàn)的研究

3.1 水泥摻量對狗牙根發(fā)芽情況的影響

水泥對紅壤上狗牙根長勢的影響如圖4所示。

圖 4 水泥對紅壤上狗牙根長勢的影響

由圖4可知，植物發(fā)芽率、生長高度均是B組最高，其次是C和D，A、E、F區(qū)別不大。通過對各組狗牙根種子的發(fā)芽時(shí)間和發(fā)芽顆數(shù)進(jìn)行記錄，結(jié)果如圖5和圖6所示。以時(shí)間為橫坐標(biāo)，出芽數(shù)量為縱坐標(biāo)，建立不同水泥摻量下狗牙根出芽數(shù)量與時(shí)間的關(guān)系，如圖5所示。

圖 5 不同水泥摻量下狗牙根發(fā)芽顆數(shù)與時(shí)間的關(guān)系

圖 6 水泥摻量與狗牙根發(fā)芽率的關(guān)系

由圖5可知，0、0.1%、1%、2%、3%、4%水泥摻量下發(fā)芽時(shí)間分別是8 d、6 d、8 d、10 d、12 d、12 d，0.1%水泥摻量下狗牙根種子發(fā)芽時(shí)間最早。到第32 d，各試驗(yàn)組發(fā)芽率基本保持不變，出芽數(shù)量從大到小排序?yàn)椋?.1%>1%>2%>0>3%>4%。

以水泥摻量為橫坐標(biāo)，最大發(fā)芽率為縱坐標(biāo)，建立水泥摻量與狗牙根發(fā)芽率的關(guān)系，如圖6所示。

由圖6可知，0.1%水泥摻量下的紅壤種植的狗牙根的發(fā)芽率為70%。隨著水泥摻量的增加，狗牙根的發(fā)芽率逐漸降低，4%水泥摻量下的發(fā)芽率為18%，0.1%水泥摻量下的紅壤最有利于狗牙根發(fā)芽。將0.1%～4%水泥摻量與發(fā)芽率的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，結(jié)果為y=68.50-12.63x，R2=0.963。水泥摻量與發(fā)芽率大體上保持線性關(guān)系，水泥摻量每增加1%，狗牙根發(fā)芽率減少12.63%，過量的水泥會抑制狗牙根發(fā)芽。

3.2 水泥摻量對狗牙根生長高度的影響

取盆栽中6株具有代表性的狗牙根高度作為平均高度，以水泥摻量為橫坐標(biāo)，以平均高度為縱坐標(biāo)，建立不同齡期水泥摻量與狗牙根平均高度的關(guān)系，如圖7所示。

由圖7可知，雖然不同盆栽中植物生長快慢不一樣，不同階段生長的高度不一樣，但各試驗(yàn)組中狗牙根平均高度的變化規(guī)律基本類似；經(jīng)過50 d生長，0～4%水泥摻量下狗牙根分別長高8.1 cm、10 cm、8.1 cm、8.1 cm、8 cm、7.6 cm,水泥摻量為0.1%的盆栽，狗牙根的高度增長量均高于其他水泥摻量的盆栽，表明對比其他水泥摻量，0.1%水泥摻量下的紅壤最適合狗牙根生長。隨著水泥摻量的增加，狗牙根的生長高度逐漸減小，說明過量的水泥摻量會抑制狗牙根的生長。

圖 7 不同齡期水泥摻量與狗牙根平均高度的關(guān)系

3.3 植物生長對紅壤pH值影響的試驗(yàn)研究

試驗(yàn)表明，各試驗(yàn)組變化趨勢一致，以0.1%水泥摻量下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，建立0.1%水泥摻量下紅壤pH與時(shí)間的關(guān)系，如圖8所示。

圖 8 紅壤pH值與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系

由圖8可知，無論是有無植物種植，pH值都隨著時(shí)間逐漸降低。在0 d的時(shí)候，有植物種植的紅壤pH值為9.77，無植物種植的紅壤pH值為9.51，都呈強(qiáng)堿性，42 d后pH值為分別為 8.1、8.15，兩種基材的pH值下降幅度分別為1.67、1.36，兩者相差較小，植物生長對紅壤pH值的影響較小。

3.4 紅壤pH值與植物發(fā)芽率、平均高度變化率的關(guān)系

紅壤pH值變化后，植物的發(fā)芽率和平均高度變化率均發(fā)生明顯改變。由于發(fā)芽時(shí)間不同，生長高度變化率更能說明pH值對植物生長高度的影響。以紅壤pH值為橫坐標(biāo)，植物的發(fā)芽率和高度變化率為縱坐標(biāo)，建立紅壤pH值與植物的發(fā)芽率、平均高度變化率的關(guān)系，如圖9所示。

圖 9 紅壤pH值與植物的發(fā)芽率、平均高度變化率的關(guān)系

由圖9可知，紅壤pH值與植物的發(fā)芽率、平均高度變化率密切相關(guān)。當(dāng)紅壤pH值為5.32時(shí)，紅壤呈酸性，植物發(fā)芽率、平均高度變化率均較低。當(dāng)紅壤pH值為6.98為中性時(shí)，植物發(fā)芽率、平均高度變化率表現(xiàn)最好。而當(dāng)紅壤pH值等于7.93時(shí)，紅壤呈堿性，植物發(fā)芽率、平均高度變化率開始降低，與酸性紅壤類似。當(dāng)紅壤pH值大于8.35時(shí)，紅壤呈強(qiáng)堿性，植物發(fā)芽率、平均高度變化率隨紅壤pH值逐漸降低。pH值為中性的紅壤最適合狗牙根生長，此時(shí)的水泥摻量為0.1%。

4 結(jié)論

本文通過前期水泥對紅壤pH值影響試驗(yàn)及后期盆栽種植試驗(yàn)，分別探究了6種水泥摻量(0、0.1%、1%、2%、3%、4%)下紅壤pH值的變化情況以及植物的生長情況，可以得到以下結(jié)論：

1)水泥摻量下紅壤pH值隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間不斷下降。養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，pH值隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加都出現(xiàn)不同幅度下降，并且穩(wěn)定在一個(gè)值。0.1%水泥摻量下紅壤pH值穩(wěn)定在6.98，屬于中性。1%、2%、3%和4%水泥摻量下紅壤pH值分別穩(wěn)定在7.93、8.35、8.94、9.61，屬于堿性。

2)養(yǎng)護(hù)28 d后，紅壤pH值都有不同程度降低，水泥摻量越高，紅壤pH值下降幅度越小。養(yǎng)護(hù)第28 d，紅壤pH值穩(wěn)定不變，水泥摻量與紅壤pH值符合線性關(guān)系，水泥摻量每增加1%，紅壤pH值增加0.75。

3)第32 d，各試驗(yàn)組發(fā)芽率基本保持不變，0.1%水泥摻量效果最好，4%水泥摻量效果最差，整體上發(fā)芽率隨水泥摻量的增加而減小，水泥摻量與發(fā)芽率大體上保持線性關(guān)系，水泥摻量每增加1%，狗牙根發(fā)芽率減少12.63%，過量的水泥會抑制狗牙根發(fā)芽。

4)不同水泥摻量對狗牙根生長高度有不同影響，各試驗(yàn)組平均高度從大到小排序?yàn)椋?.1%>1%>0>2%>3%>4%。

5)當(dāng)紅壤pH值為6.98為中性時(shí)，植物發(fā)芽率、平均高度變化率表現(xiàn)最好。