蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑對毛烏素沙地土壤性質(zhì)及中科羊草生長的影響

艾 鋒,李 強(qiáng),任浩東，陳占飛,趙 江,劉 娜,劉艷麗,張凱煜，孫利鵬

(1.榆林學(xué)院，陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719000； 2.榆林學(xué)院，榆林市固廢資源化利用工程技術(shù)研究中心，陜西 榆林 719000；3.榆林環(huán)境保護(hù)工程有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000；4.榆林市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，陜西 榆林 719000)

土壤是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，是農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)修復(fù)不可或缺的載體。土壤質(zhì)量決定了我國農(nóng)(林)產(chǎn)品質(zhì)量以及農(nóng)(林)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，但由于長期的土壤侵蝕、環(huán)境污染以及耕作制度等因素，導(dǎo)致了嚴(yán)重的土壤退化[1]。與此同時，隨著我國人口不斷增長，工農(nóng)業(yè)污染矛盾持續(xù)加劇，土壤退化已經(jīng)成為我們亟待解決的問題[2]。

毛烏素沙地是我國西北生態(tài)文明建設(shè)的前沿陣地，也是生態(tài)系統(tǒng)的敏感脆弱區(qū)。在國家“碳達(dá)峰、碳中和”的大背景下，風(fēng)沙區(qū)土壤資源的保護(hù)與生態(tài)再利用顯得尤為重要。然而，風(fēng)沙土缺少膠體，存在土壤質(zhì)地松散、潛在養(yǎng)分貧瘠等一系列問題[3～4]。因此，治理風(fēng)沙土對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)民生活水平的提高有著直接的現(xiàn)實(shí)意義[5]。已有研究表明，風(fēng)沙土中施入土壤調(diào)理劑能夠有效增強(qiáng)其保水保肥能力，改善土壤性質(zhì)，防止土壤退化[6～10]。施用土壤調(diào)理劑還可以有效降低干旱脅迫對作物產(chǎn)量的影響。蚯蚓肥是一種合理結(jié)合有機(jī)物和微生物的高效新型有機(jī)肥，透水通氣效果好，增肥效果佳。Nowshin Laila等[11]認(rèn)為蚯蚓肥可有效激發(fā)植物生長潛能，提高作物產(chǎn)量[12～13]。因此，蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑將充分發(fā)揮二者功效，對于土壤理化性質(zhì)及植物生長改善和提升具有重要的潛在價值[14]。

為此，本研究采用課題組自主研發(fā)土壤調(diào)理劑與市購蚯蚓肥進(jìn)行不同比例復(fù)配，通過田間小區(qū)實(shí)驗(yàn)方法，研究了蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑對土壤性質(zhì)和植物生長的影響。旨在集成一種煤基固廢與蚯蚓肥生態(tài)利用的技術(shù)工藝[15～18]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地位于陜西省榆林市牛家梁(經(jīng)度109°45'27″E，緯度38°22'50″N)，平均海拔1 100 m～1 200 m，年平均溫度10.4℃，年無霜期150 d，年降雨量446.5 mm。供試中科羊草種子來自榆林某種子公司，供試蚯蚓肥來自榆林某公司，土壤調(diào)理劑為課題組自主研發(fā)產(chǎn)品?；咎匦砸姳?。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)布設(shè)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每個處理包括3次獨(dú)立重復(fù)。試驗(yàn)蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑包括對照CK、EC-T1、EC-T2、EC-T3共4個處理。肥料采用撒施的方式，將稱量好的蚯蚓肥與土壤調(diào)理劑施入對應(yīng)小區(qū)中，小區(qū)規(guī)格為3 m*3 m，利用旋耕機(jī)將土壤翻松整平。中科羊 草種子施用量為4.5 g/m2。采用條播方式，行距20 cm，深度為1 cm，試驗(yàn)時間為2021年5月-2021年10月,試驗(yàn)期間降雨和氣溫變化如圖1所示，試驗(yàn)蚯蚓肥和土壤調(diào)理劑施用量如表2所示，播種時間為2021年5月13日。

表1 試驗(yàn)土壤、土壤調(diào)理劑及蚯蚓肥基本性質(zhì)

表2 田間試驗(yàn)蚯蚓肥和土壤調(diào)理劑施用量

圖1 試驗(yàn)期降雨量和氣溫變化

1.3 指標(biāo)測定

待中科羊草出苗后，每月上旬觀測植物、土壤特性指標(biāo)。土壤含水率采用鋁盒烘干法，土壤容重采用環(huán)刀法(V=100 cm3)，土壤pH測定利用電位計法(水土比為2.5∶>1)，有機(jī)質(zhì)采用硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定，速效鉀采用火焰光度法測定，有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法測定，水解氮采用堿解擴(kuò)散法測定。中科羊草株高及葉面積利用卷尺測定，將采集到的中科羊草放入烘箱，殺青后在烘干至恒重，獲得生物量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

Excel2010軟件進(jìn)行統(tǒng)計繪圖，SPSS23.0進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑對土壤物理性狀的影響

2.1.1 不同處理土壤含水率的變化 土壤含水率是土壤肥力重要指標(biāo)之一[19]。由圖2可得，與對照相比，施用蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑處理EC-T1、EC-T2、EC-T3的土壤含水率分別提高了1.8%、3.61%和2.43%；8月相較于CK對照組，EC-T1、EC-T2、EC-T3含水率分別提高了22.96%、11.71%和8.61%；9月相較于CK對照組，EC-T1含水率降低了24.19%，EC-T2含水率降低了37.73%，EC-T3含水率降低32.31%，可能是天氣干旱，EC-T1、EC-T2、EC-T3中的植物長勢較CK更好，用水量較大所導(dǎo)致；10月相較于CK對照組，EC-T1、EC-T2、EC-T3含水率分別提高了29.62%、30.56%和24.76%。綜上分析可得，在7、8、10三個月份中，相對于CK對照組，不同處理對風(fēng)沙土含水率影響存在差異，且EC-T1對于風(fēng)沙土含水率增幅最大。

圖2 不同處理土壤含水率變化

2.1.2 不同處理土壤容重的變化 土壤容重可表示土壤結(jié)構(gòu)狀況，風(fēng)沙土容重通常過大，不利于土壤內(nèi)部的交換調(diào)節(jié)[20]。由圖3可知，與對照相比，施用蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑處理EC-T1、EC-T2、EC-T3的土壤容重分別降低2.55%、9.49%和2.70%；在8月，相較于CK對照組，EC-T1、EC-T2、EC-T3容重分別降低5.29%、4.12%和5.88%；9月相較于CK對照組，EC-T1、EC-T2、EC-T3容重分別降低6.79%、2.47%、0.62%；10月相較于CK對照組，EC-T1、EC-T2、EC-T3容重分別降低1.89%、2.52%和0.63%。綜上與對照相比，施用蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑能夠降低風(fēng)沙地土壤容重，且EC-T2處理對土壤容重的影響最為顯著。

圖3 不同處理土壤容重變化

2.1.3 不同處理土壤孔隙度的變化 土壤孔隙度是評價土壤結(jié)構(gòu)狀況的重要指標(biāo)，孔隙度過低將不利于土壤中水、氣和營養(yǎng)物質(zhì)的交換調(diào)節(jié)。由圖4可知，7月相較于CK對照組，處理EC-T1、EC-T2、EC-T3孔隙度均有提升，分別為4.20%、14.05%和4.40%，其中EC-T2提升最為顯著；8月相較于CK對照組，處理EC-T1、EC-T2、EC-T3孔隙度分別提高11.39%、6.79%和1.01%，EC-T1提升最為顯著；9月相較于CK對照組，處理EC-T1、EC-T2、EC-T3孔隙度分別提高8.65%、6.79%、9.93%，其中EC-T3提升最為顯著；10月相較于CK對照組，EC-T1、EC-T2、EC-T3孔隙度分別提高2.92%、3.34%和0.47%?？梢?，在風(fēng)沙土中添加蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑，對于土壤孔隙度有著顯著提升作用。

圖4 不同處理土壤孔隙度變化

2.2 蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑對土壤化學(xué)性狀的影響

2.2.1 不同處理土壤pH的變化 pH也是土壤質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，對土壤養(yǎng)分和微生物均有著顯著影響[21]。由圖5可知，與對照相比，施用蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑處理EC-T1、EC-T2、EC-T3的pH分別降低了3.64%、3.75%和8.93%；8月與CK相比，EC-T1和EC-T3的pH分別增加了3.44%和1.84%，EC-T2的pH降低了1.84%；9月相較于CK對照組，EC-T3的pH增加了0.84%，EC-T1的pH降低了1.44%，EC-T2的pH降低了2.64%；10月相較于CK對照組，EC-T1的pH降低了3.42%，EC-T2的pH降低了1.82%，EC-T3的pH降低了3.08%?？梢?，在7、8、9、10四個月份中，相對于CK對照組，蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑能有效調(diào)節(jié)風(fēng)沙土pH。

圖5 不同處理土壤pH變化

2.2.2 不同處理土壤有機(jī)質(zhì)變化 土壤中有機(jī)質(zhì)對于土壤養(yǎng)分循環(huán)具有重要作用。由圖6可得，不同處理土壤有機(jī)質(zhì)含量排列順序?yàn)椋篍C-T2>EC-T3>EC-T1>CK，處理EC-T2有機(jī)質(zhì)含量最高。與對照相比，處理EC-T1、EC-T2和EC-T3有機(jī)質(zhì)含量分別提升98.33%、148.33%和133.33%，說明施加蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑對風(fēng)沙土有機(jī)質(zhì)含量有顯著提升。

圖6 不同處理土壤有機(jī)質(zhì)變化

2.2.3 不同處理土壤養(yǎng)分含量變化 土壤養(yǎng)分對土壤肥力的影響至關(guān)重要。由圖7可得，與對照相比，施用蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑處理，速效鉀含量分別提升49.58%、66.73%和41.09%，有效磷含量分別提升38.92%、64.32%和58.38%，水解氮含量分別提升148.82%、150.39%和196.20%，說明蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑能顯著提高風(fēng)沙土養(yǎng)分含量。

圖7 不同處理土壤養(yǎng)分含量變化

2.3 蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑對中科羊草的影響

2.3.1 蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑對中科羊草株高的影響 株高可以直接反映植物生長狀況。由圖8可知，與對照相比，施用蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑處理EC-T1的株高增加了3.68%，EC-T2的株高增加了14.18%，EC-T3的株高增加了8.90%；8月相較于CK對照組EC-T1的株高增加了13.56%，EC-T2的株高增加了19.05%，EC-T3的株高增加了17.82%；9月相較于CK對照組，EC-T1的株高降低了4.65%，EC-T2的株高增加了4.26%，EC-T3的株高增加了5.45%，EC-T1的株高降低可能是由于采樣點(diǎn)的誤差所造成；10月相較于CK對照組，EC-T1的株高增加了8.86%，EC-T2的株高增加了8.00%，EC-T3的株高增加了14.68%。綜上所述，與對照相比，施用蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑對于風(fēng)沙土的中科羊草株高影響各不相同，均能增加中科羊草的株高。

圖8 不同處理中科羊草株高變化

2.3.2 蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑對植物生物量的影響 植物生物量可以直接反映出植物的生長狀況[22]。由圖9可知，不同處理中科羊草的地上生物量排列順序?yàn)镋C-T3>EC-T1>CK>EC-T2，EC-T3的地上生物量表現(xiàn)最好。與對照相比，施用蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑處理EC-T1的地上生物量增加了3.37%，EC-T2的地上生物量降低了20.17%，EC-T3的地上生物量增加了7.56%。不同處理中科羊草的根系生物量排列順序?yàn)椋篍C-T3>EC-T2>EC-T1>CK，EC-T3的根系生物量表現(xiàn)最好，相較于CK對照組，EC-T1的根系生物量增加了14.69%，EC-T2的根系生物量增加了105.92%，EC-T3的根系生物量增加了140.16%?？梢?，蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑能夠有效增加中科羊草生物量，其中以處理EC-T3效果最為顯著量。

圖9 不同處理中科羊草地上/地下生物量變化

2.3.3 蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑對中科羊草葉面積的影響 由圖10可知，不同處理中科羊草的葉面積排列順序?yàn)镋C-T3>EC-T2>EC-T1>CK，EC-T3的葉面積表現(xiàn)最好。相較于CK對照組，施用蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑處理EC-T1的葉面積增加了54.09%，EC-T2的葉面積增加了57.55%，EC-T3的葉面積增加了96.86%。

圖10 不同處理中科羊草葉面積變化

2.4 建立綜合評價體系

由上述可得，試驗(yàn)所設(shè)不同處理對毛烏素沙地土壤性質(zhì)及中科羊草生長均有一定的影響，但沒有一個標(biāo)準(zhǔn)去衡量，也就是某處理的一個指標(biāo)優(yōu)良，其他指標(biāo)卻較差，說明某個指標(biāo)無法代替對應(yīng)處理的綜合改良效果。因此，筆者研究利用主成分分析以及加權(quán)計算，建立綜合評價體系，通過公式計算各處理得分情況，從而得出最優(yōu)的蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑配比。

2.4.1 改良效果評價指標(biāo)相關(guān)性分析 表3為選取的11個改良效果評價指標(biāo)的相關(guān)性分析，包括3個土壤物理指標(biāo)：含水率X1、孔隙度X2、容重X3，5個土壤化學(xué)指標(biāo)：酸堿度X4、有機(jī)質(zhì)X5、速效鉀X6、有效磷X7、水解氮X8，3個植物生長指標(biāo)：株高X9、生物量X10、葉面積X11。由表3可得，11個改良效果評價指標(biāo)具有一定的相關(guān)性，因此可對其進(jìn)行主成分分析。

表3 各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

2.4.2 各成分的特征根與方差貢獻(xiàn)率 11項(xiàng)改良效果評價指標(biāo)進(jìn)行主成分分析后，各主成分特征根與累計貢獻(xiàn)率如表4所示。當(dāng)主成分累計貢獻(xiàn)率大于90%時，可基本反映變異情況。由表4可得，主成分V1特征根為8.41，解釋總變異76.47%；第二主成分V2特征根為2.19，解釋了總變異19.92%，前2個主成分的累計貢獻(xiàn)率達(dá)到了96.39%>90%，因此可代表11個指標(biāo)的大部分信息。

表4 各主成分的特征根和累積貢獻(xiàn)率

2.4.3 特征向量及主成分表達(dá)式 所選的11個初始指標(biāo)和2個主成分V1、V2的相關(guān)系數(shù)如表5所示，由此表可得pH、有機(jī)質(zhì)、有效磷以及水解氮在V1上數(shù)值較高，代表土壤的化學(xué)性質(zhì)和養(yǎng)分狀況，含水率、容重、生物量和葉面積在V2上數(shù)值較高，代表了土壤的物理性質(zhì)以及植物生長狀況。V1、V2兩個主成分與初始指標(biāo)的關(guān)系函數(shù)表達(dá)式如下：

表5 主成分的特征向量

V1=0.16X1+0.32X2-0.25X3-0.34X4+0.34X5+0.30X6+0.34X7+0.34X8+0.32X9+0.29

X10+0.29X11

(1)

V2=-0.58X1+0.26X2+0.46X3-0.08X4-0.07X5-0.28X6-0.03X7-0.06X8+0.07X9+0.38X10+0.38X11

(2)

2.4.4 改良效果綜合評價 主成分加權(quán)求和可得到綜合評價方程:

V=0.793V1+0.206V2

(3)

由圖11可得，不同蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑處理的得分大小排序?yàn)镋C-T3> EC-T2> EC-T1>CK，可以看出施用蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑的處理得分均高于CK，且隨著蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑配比的增大，得分呈現(xiàn)越來越高的趨勢，對照組及蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑配比為1∶>2、1∶>1和2∶>1的處理綜合得分分別為-3.12、-0.31、1.22和2.20。

圖11 不同處理下土壤改良綜合得分

3 結(jié)論

以中科羊草為指示作物，通過田間小區(qū)試驗(yàn)，研究了蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑對土壤性質(zhì)和植物生長的影響，主要結(jié)論：

(1)與對照相比，施用蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑處理的含水率、孔隙度均有不同程度提高，土壤容重顯著降低，說明施用蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑可有效改善風(fēng)沙土物理結(jié)構(gòu)。

(2)與對照相比，施用蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑處理的pH表現(xiàn)較好，處理后土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀、有效磷和水解氮含量顯著提升，說明施用蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑可有效改善風(fēng)沙土化學(xué)性質(zhì)，提升土壤肥力質(zhì)量。

(3)施用蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑能夠顯著增加中科羊草株高、生物量及葉面積，改善植物生長狀況。

(4)施用蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑的處理得分均高于CK對照，且隨著蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑配比的增大，得分呈現(xiàn)越來越高的趨勢，蚯蚓肥復(fù)配土壤調(diào)理劑配比2：1的處理綜合改良效果最好，得分為2.20。