秦 潔,宋 莉,黎 軒,武曉燕,趙 斌
(中華全國(guó)供銷合作總社 天津再生資源研究所,天津 300191)
腐植酸液態(tài)地膜為一種褐色膏狀物,是一種以有機(jī)高分子物質(zhì)為主要材料合成的乳狀懸濁液,噴施后與土壤顆粒發(fā)生聯(lián)結(jié),形成特殊的土膜結(jié)構(gòu),起到地膜覆蓋的作用[1]。該膜具有長(zhǎng)期有效的吸熱增溫、保墑、保苗的作用。腐植酸液態(tài)地膜具備以下優(yōu)點(diǎn):一是液態(tài)地膜是一種環(huán)保產(chǎn)品,在陽(yáng)光和微生物作用下可自然降解成植物生長(zhǎng)所需的腐植酸肥料,有效改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[2];二是在地膜噴施前可以添加對(duì)應(yīng)的農(nóng)藥、肥料等,配置成為農(nóng)藥、肥料和農(nóng)膜綜合型地膜[3];三是在使用時(shí)省工省時(shí),在作物出苗時(shí)可自然出苗,減少人工放苗的農(nóng)作強(qiáng)度;四是液態(tài)地膜在荒漠化治理方面的效果尤為明顯,適用于農(nóng)、林、牧、防風(fēng)固沙、水土保持等領(lǐng)域,可緩解干旱地區(qū)缺水問(wèn)題[4]。綜上所述,液態(tài)地膜可有效控制“白色污染”,用于農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收;同時(shí)液態(tài)地膜還可與造林結(jié)合,用于荒漠化治理,有效提高苗木成活率,促進(jìn)土地的可持續(xù)利用。但是,目前人們對(duì)液態(tài)地膜的認(rèn)識(shí)普遍還比較少。
天津市與北京市和河北省接壤,受京津冀協(xié)同發(fā)展政策和環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈影響,發(fā)展迅速。但是近幾年天津城郊土地退化問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重,退化土地面積占比逐年增加,所以天津市退化土地的生態(tài)恢復(fù)也受到廣泛關(guān)注。天津市退化土地表現(xiàn)為土壤貧瘠、水土保持能力較差、土壤鹽堿化嚴(yán)重、植物多樣性低等。本研究以天津市長(zhǎng)期撂荒的弱鹽堿地為研究對(duì)象,進(jìn)行液態(tài)地膜噴施試驗(yàn),擬通過(guò)分析不同液態(tài)地膜噴施梯度對(duì)植物地上生物量、植物群落多樣性及水分利用效率的影響,篩選出有效恢復(fù)生態(tài)、提高水分利用效率的高效低成本液態(tài)地膜使用模式,為退化土地的生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。
試驗(yàn)地位于天津市靜??h子牙經(jīng)濟(jì)技術(shù)園區(qū)(地理位置117°00′13′′E、38°57′11′′N,海拔約3 m),地勢(shì)平坦。屬北半球暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年均降水量約580 mm,其中6、7、8月降水量占年降水量的71.4%;年均蒸發(fā)量961.8 mm,其中6、7、8月蒸發(fā)量占年蒸發(fā)量的34.7%;平均氣溫11.5~14.5 ℃,最高溫度38 ℃;年均無(wú)霜期為196~246 d,最長(zhǎng)無(wú)霜期為267 d,最短無(wú)霜期為171 d。該地區(qū)土壤類型為褐色草甸土,鹽堿地面積占總耕地面積的50%以上,試驗(yàn)地為弱鹽堿地,植被單一,以耐鹽堿的蘆葦為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種(試驗(yàn)地于2015年渣土回填后,曾有過(guò)種植綠化,但是很快演替成以原生蘆葦為優(yōu)勢(shì)的群落)。
于2021年5月開(kāi)始進(jìn)行液態(tài)地膜噴施試驗(yàn),共設(shè)置5個(gè)噴施水平,采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每個(gè)水平5個(gè)重復(fù)。液態(tài)地膜噴施量按產(chǎn)品常規(guī)噴施量375 kg/hm2的0.5倍(187.5 kg/hm2)、1倍(375 kg/hm2)、1.5倍(562.5 kg/hm2)、3倍(1 125 kg/hm2)設(shè)置,分別用Y0.5、Y1、Y1.5、Y3表示;以不噴施液態(tài)地膜為對(duì)照(CK)。液態(tài)地膜選自遼寧中臺(tái)千越生物科技有限公司生產(chǎn)的腐植酸液態(tài)地膜,以聚乙烯醇、可溶性淀粉和腐植酸(腐植酸約占原液的7%)為主要原料制備而成。噴施液態(tài)地膜前在試驗(yàn)地進(jìn)行播種,播種選用常見(jiàn)的耐寒耐旱菊科花草混播,主要有波斯菊、百日草。試驗(yàn)小區(qū)面積4 m×4 m,各小區(qū)之間設(shè)0.5 m的隔離帶,共25個(gè)小區(qū)。先將固定量原液用2倍的清水化開(kāi)攪拌使原液完全分散開(kāi)溶于水,再加清水至6倍攪拌均勻,經(jīng)18目篩子過(guò)濾后,用高壓噴霧器均勻噴覆,最后在各小區(qū)補(bǔ)噴水,以保證每個(gè)小區(qū)的水分添加一致,對(duì)照小區(qū)噴施等量水。覆膜后需要40 d圍欄保護(hù),防止踩踏。
1.3.1 地上植被調(diào)查取樣
于2021年8月底植物生長(zhǎng)旺盛期,在25個(gè)小區(qū)中央分別布設(shè)1個(gè)20 cm×20 cm的樣方,對(duì)植物群落物種組成進(jìn)行監(jiān)測(cè)。記錄每個(gè)樣方內(nèi)的物種數(shù)量及其名稱,以及樣方內(nèi)每個(gè)物種的株數(shù)(即多度)。
測(cè)定完樣方內(nèi)的植物群落組成后,立即齊地面分種刈割,裝入信封袋,迅速帶回實(shí)驗(yàn)室,將植物進(jìn)行0.5 h殺青(105 ℃),然后進(jìn)行48 h烘干(65 ℃)至恒定質(zhì)量,稱量就可得每個(gè)物種的地上生物量。
1.3.2 土壤樣品采集和水分利用效率計(jì)算
在2021年的5月初(生長(zhǎng)初期)和8月底(生長(zhǎng)末期)分別進(jìn)行土壤容重和土壤含水量測(cè)定。在每個(gè)小區(qū)中央分別用鋁盒、環(huán)刀采土樣,測(cè)定表層0~15 cm土壤的含水量和容重。
土壤蓄水量計(jì)算公式[5]為
W=10hab
(1)
式中:W為土壤蓄水量,指一定土地面積內(nèi)儲(chǔ)存水分的數(shù)量,用水深表示,即儲(chǔ)存水分相當(dāng)于相同面積水層的厚度,mm;10為換算系數(shù);h為土層深度,cm;a為土壤容重,g/cm3;b為土壤質(zhì)量含水率,%;水密度為1 g/cm3。
耗水量的計(jì)算是基于植物生長(zhǎng)初期到生長(zhǎng)旺盛期表層土壤蓄水量的變化,再加上此期間的降水量,減去徑流和滲透量而得的。計(jì)算公式為
ETa=W1-W2+P-R
(2)
式中:ETa為生長(zhǎng)初期到生長(zhǎng)旺盛期耗水量,mm[6-7];W1、W2分別為植物生長(zhǎng)初期和生長(zhǎng)旺盛期0~15 cm土壤蓄水量,mm;P為生育期降水量,mm;R為徑流和滲透量,根據(jù)馬海霞研究發(fā)現(xiàn),草地徑流和滲透量占降水量的36.86%[8]。
水分利用效率計(jì)算公式為
WUE=Y/ETa
(3)
式中:WUE為水分利用效率,kg/(hm2·mm);Y為植物地上生物量,kg/hm2。
1.3.3 植物群落多樣性的計(jì)算方法
植物群落多樣性采用Shannon-Wiener指數(shù)來(lái)表示,公式為
H=-∑PilnPi
(4)
式中:Pi可代表相對(duì)蓋度、相對(duì)多度等,本研究中用相對(duì)多度計(jì)算[9]。
利用SPSS 20.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,不同液態(tài)地膜處理下植物地上生物量、Shannon-Wiener指數(shù)、播種期和收獲期土壤蓄水量、水分利用效率的差異顯著性采用單因素方差分析(One-way ANOVA)、Duncan法多重比較進(jìn)行分析;采用相關(guān)性分析進(jìn)一步分析地上群落多樣性與水分利用效率間的相關(guān)程度。
圖表制作采用Origin 2018軟件處理,數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。
由圖1可知,液態(tài)地膜噴施顯著影響地上生物量(P<0.05)。隨著液態(tài)地膜噴施量的增加,地上生物量呈增加趨勢(shì),且在Y1.5處理下顯著最高。與CK相比,Y1.5處理的地上生物量提高了65.3%,增加生物量515.6 g/m2;Y0.5和Y3處理也顯著高于對(duì)照,比CK分別提高了39.0%和56.1%。
圖1 液態(tài)地膜噴施對(duì)地上生物量的影響
由圖2可知,液態(tài)地膜噴施顯著影響植物群落多樣性(P<0.05)。植物群落多樣性在Y3處理下顯著最高,與CK相比,Y3處理下多樣性指數(shù)提高了57.2%;但其余液態(tài)地膜噴施處理與CK均無(wú)顯著差異。
圖2 液態(tài)地膜噴施對(duì)群落多樣性的影響
通過(guò)對(duì)生長(zhǎng)初期到生長(zhǎng)旺盛期土壤蓄水量的分析(見(jiàn)表1)可知,液態(tài)地膜顯著影響植物生長(zhǎng)初期(5月初)土壤蓄水量,與CK相比,Y1、Y1.5、Y3處理顯著降低了植物生長(zhǎng)初期土壤蓄水量(P<0.05);而生長(zhǎng)旺盛期(8月底)土壤蓄水量在不同處理之間無(wú)顯著差異。
表1 液態(tài)地膜對(duì)土壤蓄水量的影響
由圖3可知,液態(tài)地膜噴施顯著提高了水分利用效率(P<0.05)。隨著液態(tài)地膜噴施量的增加,水分利用效率呈升高趨勢(shì),且在Y1.5處理下顯著最高,比CK提高了69.67%,Y3處理也顯著高于CK,比CK提高了57.86%。
圖3 液態(tài)地膜噴施對(duì)水分利用效率的影響
對(duì)地上植物群落與水分利用效率之間進(jìn)行相關(guān)性分析可知(見(jiàn)表2),水分利用效率與植物地上生物量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與植物群落多樣性呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),且植物群落多樣性與地上生物量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。
表2 地上植物群落與水分利用效率的相關(guān)性分析
研究結(jié)果表明,在弱鹽堿地噴施562.5 kg/hm2的液態(tài)地膜,地上生物量顯著高于對(duì)照65.3%。很多研究也發(fā)現(xiàn)相似結(jié)果。吳春花等[10]研究表明液態(tài)地膜提高了馬鈴薯的產(chǎn)量;王國(guó)強(qiáng)[11]在植物固沙植被研究中發(fā)現(xiàn)液態(tài)地膜覆蓋可以使產(chǎn)量增加20%左右;張春艷等[12]研究表明,噴施液態(tài)地膜使玉米產(chǎn)量比對(duì)照增加了17.4%。但是由于地上群落特征、氣候環(huán)境的不同,生物量增加比例存在差異。液態(tài)地膜對(duì)生物量的影響主要體現(xiàn)在莖葉上,有研究表明噴施液態(tài)地膜后的沙地柏莖葉生長(zhǎng)狀態(tài)好于對(duì)照組[13],液態(tài)地膜處理下的馬鈴薯地上莖葉產(chǎn)量顯著高于露地栽培[14]。
有報(bào)道表明鹽堿地植物地上生物量和群落多樣性有顯著線性關(guān)系[15]。本研究結(jié)果表明,噴施液態(tài)地膜能顯著增加植物群落多樣性,且相關(guān)性分析表明植物群落多樣性與地上生物量之間有顯著正相關(guān)關(guān)系。這說(shuō)明液態(tài)地膜從兩方面提高植物地上生物量:一方面通過(guò)促進(jìn)莖葉生長(zhǎng)提高地上生物量,另一方面通過(guò)增加植物群落多樣性提高地上生物量。
目前有關(guān)液態(tài)地膜影響植物群落多樣性的相關(guān)報(bào)道較少。環(huán)境因子的干擾會(huì)影響種子庫(kù)的組成、數(shù)量及出芽率,并直接影響地上植被的恢復(fù)[16]。液態(tài)地膜的噴施可有效提高出芽率[17-18],液態(tài)地膜對(duì)種子庫(kù)的出芽個(gè)體數(shù)和出芽植物種類影響較大,且在后期依然保持較顯著影響。綜合分析,液態(tài)地膜改變土壤環(huán)境、影響出芽率和出芽種類,從而影響植物群落多樣性。
液態(tài)地膜噴施后,在土壤表層阻礙了土壤水分的蒸發(fā),能夠有效保蓄土壤水分,提高水分利用效率[19]。本研究發(fā)現(xiàn)液態(tài)地膜降低了生長(zhǎng)初期土壤蓄水量。李飛翔[20]研究壟溝覆蓋對(duì)土壤水熱動(dòng)態(tài)的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在植物生長(zhǎng)前期,對(duì)照樣地的蓄水量高于覆蓋樣地。劉娜[21]的研究也發(fā)現(xiàn)土壤環(huán)境較好的情況下通常會(huì)降低生長(zhǎng)初期的土壤儲(chǔ)水量。與對(duì)照樣地相比,液態(tài)地膜促使植物提前出芽,且植物生長(zhǎng)狀況良好,所以對(duì)照樣地儲(chǔ)水量高的原因可能是該樣地植物生長(zhǎng)較少,植株蒸騰喪失的水分也較少,而液態(tài)地膜處理樣地的植株生長(zhǎng)較多,除通過(guò)土壤水分蒸發(fā)喪失水分外,還有較強(qiáng)的植株蒸騰作用。本研究發(fā)現(xiàn)液態(tài)地膜噴施顯著提高土壤水分利用效率,噴施562.5 kg/hm2液態(tài)地膜提高了69.67%的水分利用效率。很多研究也發(fā)現(xiàn)相似結(jié)果:霍軼珍等[22]通過(guò)研究馬鈴薯田發(fā)現(xiàn)噴施液態(tài)地膜后的水分利用效率較裸地處理提高35%;尹光華等[23]的研究也發(fā)現(xiàn),花生田中噴施液態(tài)地膜能提高土壤含水量103%~167%,且隨液態(tài)地膜噴施量的增大保水效果增加。
有研究發(fā)現(xiàn)噴施液態(tài)地膜處理均提高了玉米產(chǎn)量和水分利用效率,且玉米產(chǎn)量與水分利用效率之間呈一定的線性關(guān)系[24]。本研究也發(fā)現(xiàn)水分利用效率與群落多樣性和地上生物量之間有顯著正相關(guān)關(guān)系,隨著水分利用效率的增加,植物群落多樣性和生物量也隨之增加。在噴施液態(tài)地膜后,水分利用效率和地上群落的關(guān)系更為緊密,液態(tài)地膜的噴施促進(jìn)了地上地下的聯(lián)系和相互影響。液態(tài)地膜具有保溫保水作用,在有效提高水分利用效率的同時(shí)使土壤環(huán)境生態(tài)位變寬,促使更多樣的植物發(fā)芽生長(zhǎng)。同時(shí)植物多樣性的增加使得根系多樣性增加,又會(huì)反過(guò)來(lái)改變土壤水分分配格局,提高植物對(duì)水分的利用效率。
液態(tài)地膜噴施顯著提高植物地上生物量、群落多樣性和水分利用效率。在噴施562.5 kg/hm2液態(tài)地膜的情況下,植物地上生物量和水分利用效率最高,與對(duì)照相比提高了65%以上;植物群落多樣性在噴施1 125 kg/hm2液態(tài)地膜情況下顯著最高。說(shuō)明以提高植物地上生物量為目的噴施562.5 kg/hm2液態(tài)地膜就可以滿足,要想顯著提高植物群落多樣性則需要繼續(xù)增加噴施量。
在農(nóng)業(yè)方面,液態(tài)地膜的使用效果不及傳統(tǒng)塑料地膜,液態(tài)地膜產(chǎn)品還在不斷優(yōu)化和規(guī)范化。接下來(lái)將繼續(xù)探討液態(tài)地膜長(zhǎng)期使用的累積效應(yīng),并將繼續(xù)研制具有更多功能的液態(tài)地膜,以適應(yīng)不同地區(qū)和不同退化土地的需求,為防治“白色污染”貢獻(xiàn)力量。