覆膜對渣場生態(tài)恢復(fù)工程土壤及植物影響的試驗(yàn)研究

迪達(dá)爾·西爾地瑪尼 ，周宏鑫，李紹才，孫海龍，孫大遠(yuǎn)，蔣瑜陽, 幸可薇

(1.四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；3.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司, 四川 成都 610041；4.中鐵成都規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，四川 成都 613000)

覆膜播種技術(shù)是將塑料薄膜嚴(yán)密地覆蓋在已播種土壤表面的一種技術(shù)。隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，西南山區(qū)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目也在日益增加，必然會產(chǎn)生大量的棄渣，而棄渣保水能力差、肥力低、表面抗雨水沖刷能力也不強(qiáng)[1-2]，易造成滑坡、泥石流、水土流失等嚴(yán)重的自然災(zāi)害。由此可見，對棄渣場進(jìn)行治理顯得尤為重要[3]。目前，治理?xiàng)壴鼒鲎罡镜姆椒ㄊ巧鷳B(tài)恢復(fù)，即采取一些人為措施，依據(jù)生態(tài)未破壞時的性狀，重新建立生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能以及相關(guān)的物理、化學(xué)和生物學(xué)特征，將受損的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到與未受損時相接近的狀態(tài)。渣場生態(tài)恢復(fù)主要采用的技術(shù)有植生袋以及植生毯、建攔渣堤、擋渣墻并覆土種植等。目前，覆膜技術(shù)已廣泛運(yùn)用于國內(nèi)外農(nóng)林生產(chǎn)中，該技術(shù)具有保水保墑的作用，能明顯改善土壤養(yǎng)分狀況，從而改善植物的生長環(huán)境。覆膜還可以運(yùn)用在棄渣場生態(tài)恢復(fù)工程中，可降解膜在植被穩(wěn)定前能對植物生長起保護(hù)作用，減少土壤水分蒸發(fā)，改善土壤持水保肥能力[4-5]。本試驗(yàn)以紫穗槐為試驗(yàn)植物，研究了6種不同覆膜開孔率對棄渣場生態(tài)恢復(fù)中土壤養(yǎng)分、單位面積植株數(shù)量、植株株高和地徑的影響，以期為該地區(qū)生態(tài)恢復(fù)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于四川省彭州市四川大學(xué)試驗(yàn)基地，地處亞熱帶濕潤氣候區(qū)的四川盆地北部區(qū)。平均海拔594 m，年均氣溫15.9 ℃，最高氣溫25.1 ℃，最低氣溫5.3 ℃，年均降水量867 mm。

1.2 試驗(yàn)材料

本研究試驗(yàn)覆膜為PBAT黑色降解膜，降解周期5～6個月。模擬渣場的渣石為隧道開挖棄渣，渣石類型為砂巖，其中粒徑10～50 mm的砂巖占70%，堆積密度1 850 kg/m3。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)單個試驗(yàn)小區(qū)寬1 m、長2 m，共設(shè)置21個試驗(yàn)小區(qū)。渣石堆積最低處厚度為50 cm，坡度35°，渣石堆積形狀示意見圖1。采用客土噴播方式對渣堆進(jìn)行植被恢復(fù)，客土來源為周邊廢棄地表土，客土厚度12 cm，客土容重1.31 g/cm3。客土中混合有紫穗槐種子和肥料，播種密度15 g/m2，肥料成分為一定比例尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀?？屯羾姴ズ笸寥烙袡C(jī)質(zhì)含量24.71 g/kg、有效磷含量72.83 mg/kg、速效鉀含量122.65 mg/kg、水解性氮含量156.71 mg/kg。

圖1 渣石堆積形狀示意

為了更清楚地了解植物生長及土壤養(yǎng)分情況與覆膜的關(guān)系，本試驗(yàn)只選擇了木本植物，同時地膜在降解前能替代一些草本覆蓋的功能。木本植物為單株，以便能更好地進(jìn)行觀測。試驗(yàn)覆膜不同開孔率為變量，分別是10%、20%、30%、40%、50%和60%六個開孔率，開孔直徑設(shè)為1 cm，以保障降雨入滲，未覆膜為對照組CK，每種覆膜開孔率設(shè)置3個重復(fù)，CK也設(shè)置3個重復(fù)。2019年4月播種，后期不進(jìn)行管理，于播種后1個月(2019年5月)、6個月(2019年10月)和1年(2020年4月)分別進(jìn)行觀測。

1.4 測試項(xiàng)目與方法

植物樣品測定指標(biāo)為單位面積植株數(shù)量、株高和地徑。測定方法為在各個小區(qū)隨機(jī)選取10株測定株高和地徑，計算每個小區(qū)單位面積植株數(shù)量；用電子游標(biāo)卡尺測量地徑(精度 0.01 mm)；用鋼卷尺測量株高(精度0.1 cm)。

土壤樣品測定指標(biāo)為有效磷、速效鉀及水解性氮含量。有效磷含量采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用乙酸浸提-火焰光度法測定，水解性氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定[6]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2019等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜開孔率對土壤水解性氮的影響

氮元素作為植物三大營養(yǎng)元素之一，也是土壤中被植物吸收量最大的元素，因此氮元素對植物的生長發(fā)育有很大的影響[7]。水解性氮是土壤氮素不可或缺的一部分，是易水解的有機(jī)態(tài)氮(氨基酸、酰胺和易水解蛋白質(zhì))與無機(jī)態(tài)氮(銨態(tài)氮、硝態(tài)氮)的總和，能夠準(zhǔn)確反映近期土壤的氮素供應(yīng)情況[8]。由表1可知，隨著時間推移，覆膜開孔率10%、20%、30%、40%、50%、60%和CK的土壤水解性氮逐漸流失。在3個時間段內(nèi)，覆膜開孔率10%土壤水解性氮平均保留量最高，其次是覆膜開孔率20%的，CK土壤水解性氮平均保留量最低。覆膜開孔率10%的在播種后1個月、6個月和1年的水解性氮流失率分別為3.06%、29.17%和43.38%。CK在播種后1個月、6個月和1年的水解性氮流失率分別為23.45%、51.31%和67.63%。對比覆膜開孔率10%與CK可知，在3個時間段內(nèi)，覆膜開孔率10%的土壤水解性氮流失速度比CK的慢，且兩種處理前6個月的流失速度均比后6個月快。針對這樣的現(xiàn)象，有研究表明植物生長吸收土壤養(yǎng)分和降雨淋溶能引起氮素流失[9-10]。前6個月流失速度更快的原因可能是植物生育前期生物量較小，植物氮吸收能力低以及降雨等。但是，與CK比較可知，覆膜組土壤水解性氮保留量較高是因?yàn)楦材ぞ哂斜７使δ躘11]。

表1 覆膜開孔率對土壤水解性氮含量的影響

2.2 覆膜開孔率對土壤速效鉀的影響

鉀元素雖然不是構(gòu)成植物結(jié)構(gòu)的元素之一，但它對植物生理活動至關(guān)重要[12]。土壤中的速效鉀為植物根系直接鉀素供給源[13]。由表2可知，播種后1個月，覆膜開孔率10%土壤速效鉀平均保留量最高，略高于開孔率20%；最低的一組為CK。播種后6個月,土壤速效鉀平均保留量最高的一組為覆膜開孔率20%，速效鉀平均保留量最低的一組為CK。播種后1年,土壤速效鉀平均保留量最高的一組為覆膜開孔率10%，略高于覆膜開孔率20%；最低的一組為CK。綜合表2來看，覆膜開孔率10%和20%在播種后1個月、6個月和1年的速效鉀流失率分別為9.12%、25.39%、30.23%和10.67%、19.85%、31.60%。CK在播種后1個月、6個月和1年的速效鉀失率分別為23.07%、29.47%和41.50%。對比覆膜開孔率10%、20%與CK可知，3個時間段內(nèi)，覆膜開孔率10%與20%速效鉀流失速度相似，且兩者流失速度均慢于CK，CK速效鉀流失速度最快。分析原因可能是播種之后，植物生長對土壤中速效鉀的吸收，使土壤中速效鉀含量減少，同時也可能與速效鉀以鉀離子的形式存在于土壤中，受淋溶作用極易淋失有關(guān)[14]。由各組的表現(xiàn)可知，在地膜降解的前6個月內(nèi)，覆膜具有顯著的保肥能力，覆膜組土壤速效鉀保留量高于CK。

表2 覆膜開孔率對土壤速效鉀含量的影響

2.3 覆膜開孔率對土壤有效磷的影響

磷元素對植物生長發(fā)育過程至關(guān)重要，磷的形態(tài)決定其在土壤中的有效性。有效磷作為能夠被植物吸收利用的部分，其含量是判斷土壤中是否含有豐富磷的主要指標(biāo)和施肥的一個重要依據(jù)[15]。由表3可知，在3個時間段內(nèi)，覆膜開孔率10%土壤有效磷平均保留量均最高，略高于覆膜開孔率20%；CK土壤有效磷平均保留量均最低。覆膜開孔率10%和20%在播種后1個月、6個月和1年的有效磷流失率分別為-0.14%、19.26%、32.95%和-0.08%、20.69%、34.42%。CK在播種后1個月、6個月和1年的有效磷流失率分別為19.57%、36.18%和46.37%。對比覆膜開孔率10%、20%與CK可知，播種后1個月之內(nèi)，覆膜開孔率10%與20%土壤有效磷幾乎沒有流失，甚至有增加，而CK流失較多。播種后1個月至1年之內(nèi)，覆膜的土壤有效磷最終保留量均大于CK。分析原因可能是，前1個月植被生物量低，無法吸收更多的有效磷，到播種后6個月時植被吸收有效磷的能力加強(qiáng)，因此有效磷平均保留量降低，但還是高于CK，說明地膜具有一定的保肥功能。

表3 覆膜開孔率對土壤有效磷含量的影響

2.4 覆膜開孔率對單位面積植株數(shù)量的影響

從表4可知，播種后1個月、6個月和1年，覆膜開孔率10%、20%、30%、40%、50%、60%和CK的單位面積植株數(shù)量均呈遞增趨勢，分析原因可能是黑色地膜遮光性較強(qiáng)，能對內(nèi)部的土壤環(huán)境起到一定程度的降溫作用，這些因素會導(dǎo)致種子發(fā)芽率降低[16]。有研究表明，地膜的機(jī)械阻隔作用以及隨之引起的土壤物理性質(zhì)的改變，能導(dǎo)致植物種子發(fā)芽率低[17]。結(jié)合土壤養(yǎng)分分析部分，對比覆膜開孔率10%、20%和CK在3個時間段的情況可知，播種后1年，覆膜開孔率10%和20%單位面積植株存活率分別為51.11%和54%，高于CK保存率，同時播種后前6個月保存率高于后6個月保存率。

表4 覆膜開孔率對單位面積植株數(shù)量的影響

2.5 覆膜開孔率對植株高度的影響

從表5可知，播種后1個月、6個月和1年，覆膜開孔率10%、20%、30%、40%、50%、60%和CK的平均株高均呈遞減趨勢。覆膜開孔率10%與20%植株平均株高較高，CK平均株高最低。分析原因可能是地膜覆蓋有保水保溫和減少土壤養(yǎng)分流失作用，對植物生長有利。

表5 覆膜開孔率對植株高度的影響

2.6 覆膜開孔率對植株地徑的影響

植株地徑是描述植物生長最基礎(chǔ)的形態(tài)指標(biāo)之一，在一定范圍內(nèi)，地徑越粗，表明植物根系較發(fā)達(dá)，較有活力[18]。從表6可知，播種后1年，覆膜開孔率10%、20%、30%、40%、50%、60%和CK的植株地徑呈遞減趨勢。分析原因可能是覆膜減少了地表水分蒸發(fā)，提高了土壤水分的利用率，促進(jìn)了植物的生長。

表6 覆膜開孔率對植株地徑的影響

3 討 論

3.1 不同覆膜開孔率與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

采用不同開孔率覆膜的方式，可以相對減少徑流，從而可以減少土壤中氮、磷、鉀的流失量[19]。本試驗(yàn)也得出了相似的結(jié)論：播種后1年，覆膜組的水解性氮、速效鉀和有效磷的保留量均多于CK，這主要是因?yàn)椴煌材ら_孔率有如下的保肥機(jī)制：①覆膜在一定程度上減弱了雨水對土壤表面的沖刷力度，覆膜開孔率10%～20%的抗雨水沖刷能力最強(qiáng)，CK抗雨水沖刷能力最弱；②覆膜可以減少土壤徑流，在一定程度上減少了因徑流導(dǎo)致的土壤養(yǎng)分流失。

3.2 不同覆膜開孔率與植物生長的關(guān)系

有研究表明，在陽光照射下，黑色地膜自身增溫較快，但是傳遞給地膜之下土壤的熱量較少，黑色地膜增溫效果較差[20]。馬艷芝[21]對北柴胡種子的研究表明，種子發(fā)芽率與溫度相關(guān)性很高，即地膜增溫效果不理想會導(dǎo)致植物種子發(fā)芽率較低。本試驗(yàn)也得出了相似的結(jié)論：無論是播種后1個月、6個月還是1年，在不同覆膜開孔率下，單位面積植株數(shù)量均顯著少于CK。同時，覆膜可以減少土壤顯熱和潛熱交換，從雨水中收集更多水分的同時還能減少水分的蒸發(fā)。因此，覆膜可以改善土壤溫度和水分狀況，這會極大地促進(jìn)植物生長和植株高度增加。趙聰?shù)萚22]對春玉米的研究表明，覆膜組的植株株高要顯著高于未覆膜組的植株株高。本試驗(yàn)也得出了相似的結(jié)論：覆膜開孔率10%在播種后1個月、6個月和1年進(jìn)行測試，植物平均株高均為最高，而CK植物平均株高均為最矮。朱小強(qiáng)等[23]對山茱萸的研究表明，覆膜與不覆膜相比，山茱萸地徑顯著增粗。趙建榜等[24]對漆樹的研究表明，覆膜與其他處理方式相比，漆樹地徑顯著增粗。本試驗(yàn)也得出了類似的結(jié)論：不同開孔率(10%～60%)，覆膜后的植株地徑顯著粗于CK。這可能是由于覆膜之后，紫穗槐生長所需的水分、養(yǎng)分等條件有了明顯的改善，促進(jìn)了紫穗槐幼苗的生長。

4 結(jié) 論

(1)覆膜開孔率對土壤養(yǎng)分動態(tài)變化影響較明顯。播種后1年，當(dāng)覆膜開孔率為10%時，土壤水解性氮、速效鉀和有效磷保留量均高于其余處理組，覆膜開孔率20%效果略微低于10%，含量最少的是CK。說明覆膜開孔率10%與20%保肥效果佳，CK保肥效果極差。

(2)覆膜開孔率對植物生長的影響較明顯。播種后1年，CK單位面積植株數(shù)量最多，覆膜開孔率10%單位面積植株數(shù)量最少，說明黑色的地膜遮光性較強(qiáng)，導(dǎo)致膜內(nèi)溫度較低，種子發(fā)芽率較低。同時地膜對植物種子發(fā)芽及生長有機(jī)械阻隔作用，導(dǎo)致種子發(fā)芽率降低。覆膜開孔率20%的單位面積植株數(shù)量多于覆膜開孔率10%。當(dāng)覆膜開孔率為10%時，植物平均株高和地徑高于其余處理組，覆膜開孔率20%效果略微低于10%，最小的是CK。說明覆膜開孔率10%有利于植株吸收養(yǎng)分和水分，促進(jìn)生長發(fā)育，但覆膜開孔率20%的植株保存率高于覆膜開孔率10%。

(3)綜上所述，渣場生態(tài)恢復(fù)中覆膜開孔率20%是最佳的，它比覆膜開孔率10%更能保障降雨輸入，增加膜內(nèi)水分，能有效保持土壤養(yǎng)分(N、P、K)，防止養(yǎng)分大量流失，在覆膜降解之前極大地促進(jìn)植物的生長與發(fā)育。