蚯蚓肥對榆林沙質(zhì)鹽堿地土壤理化性質(zhì)及玉米生長狀況的影響

王曉美李強黃天平艾鋒趙江劉娜陳澤彬

(1.榆林學(xué)院/陜西陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重點實驗室，陜西 榆林 719000；2.榆林學(xué)院/榆林市固體廢棄資源化利用工程技術(shù)研究中心，陜西 榆林 719000；3.榆林市農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心，陜西 榆林 719000；4.榆林市蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，陜西 榆林 719000；5.榆林市馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，陜西 榆林 719000)

土壤鹽堿化是典型的水土資源與生態(tài)環(huán)境問題。有研究表明，蚯蚓肥是一種高效新型土壤改良劑[1]，良好的孔隙特性能夠為鹽堿地微生物提供有益的生存環(huán)境，促進植物根系發(fā)育，增加作物產(chǎn)量，提高植物抗逆性及其品質(zhì)[2-10]。目前國內(nèi)外針對蚯蚓肥改良土壤的指示植物集中在糧食、蔬菜和水果等作物方面，且地塊以濱海鹽堿地為主，對陜北沙質(zhì)鹽堿地的改良鮮有報道[11]。

陜北榆林地處毛烏素沙地東南緣，由于地下水位較高，返鹽現(xiàn)象嚴重，使得沙質(zhì)鹽堿地的治理一直是限制區(qū)域土壤質(zhì)量提升和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的關(guān)鍵。陜西省統(tǒng)計年鑒顯示，2020年全省玉米播種面積占主要糧食作物總播種面積的39.3%，而榆林市玉米播種面積則占了全省玉米播種面積的22.14%[12]，玉米作為榆林市第1大主要糧食作物，種植面積常年穩(wěn)定在26.67萬hm2以上。因此，研究陜北沙質(zhì)鹽堿地土壤改良對于困難立地條件區(qū)域的土地資源高效利用及穩(wěn)糧保糧具有重要意義。鑒于此，本文采用野外大田試驗和室內(nèi)主成分分析相結(jié)合的研究方法，動態(tài)觀測蚯蚓肥對陜北沙質(zhì)鹽堿地土壤物理和化學(xué)性質(zhì)及玉米生長狀況的影響，旨在為陜北沙質(zhì)鹽堿地土壤改良提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于陜西省榆林市榆陽區(qū)芹河鎮(zhèn)黃沙七墩村(E109°54′84″，N38°20′57″)，海拔1131m。試驗地多年平均降水量為414mm，年平均氣溫8.1℃，雨量多集中于7—9月[13]。土壤水解氮、有效磷、速效鉀、含量分別為18.07mg·kg-1、14.5mg·kg-1和67mg·kg-1，有機質(zhì)含量為5.1g·kg-1，土壤總鹽分為2.3g·kg-1，屬于中度鹽堿地，春季地下水位上升，地溫低，容易翻漿，春夏之交容易受鹽堿脅迫。

1.2 試驗材料

供試玉米品種為“九圣禾257”，蚯蚓肥來源于榆林某農(nóng)業(yè)公司，其基本性質(zhì)見表1。

表1 蚯蚓肥基本性質(zhì)

1.3 試驗方法

本試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，將試驗地劃分為6個田塊，每個田塊面積為412.5m2(16.5m×25m)。設(shè)置1個對照(0.0t·667m-2)和5個施肥處理，蚯蚓肥采用人工均勻撒施和旋耕機深翻相結(jié)合方式，其施肥量分別為0.0t·667m-2(CK)、0.6t·667m-2(T1)、1.2t·667m-2(T2)、3t·667m-2(T3)、4.2t·667m-2(T4)和5.4t·667m-2(T5)。玉米于2021年5月19日種植，采用機耕穴播方式播種，密度為3735株·667m-2。玉米種植后每月上旬測定土壤N、P、K、電導(dǎo)率、孔隙度、含水率、pH等。植物指標測量包括成熟期株高、莖粗、植株干物質(zhì)重(分器官)、單株葉面積、收獲后的穗部性狀測量(千粒重、穗行數(shù)、行粒數(shù)等)、產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理在Excel 2010和SPSS 18.0軟件下進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚯蚓肥對鹽堿地土壤物理性質(zhì)的影響

從表2可以看出，相對于CK，T1、T2、T3、T4、T5 5個處理的孔隙度較對照依次增加2.3%，土壤孔隙度增加可能是因為蚯蚓肥孔隙結(jié)構(gòu)合理，從而改善土壤板結(jié)狀態(tài)；土壤含水率整體呈增加趨勢，其中T4處理含水率較CK增加了78.6%；5個處理容重均小于CK，其中T5處理容重較CK減小了10%。

表2 不同處理對土壤物理性質(zhì)的影響

2.2 蚯蚓肥對鹽堿地土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

從表3可以看出，相對于CK，T1、T2、T3、T4、T5 5個處理的土壤有機質(zhì)、速效鉀、有效磷、水解氮含量均有明顯增加，有效磷、水解氮含量隨著施肥量的增加而逐漸增加。其中，T3土壤的有機質(zhì)含量較CK增加了34.11%，T5土壤的速效鉀、有效磷、水解氮含量分別較CK增加了37.61%、463.44%和208.8%；5個處理的pH均小于CK對照組，其中T2處理pH變化最大，較CK減小了7%。

表3 不同處理對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.3 蚯蚓肥對玉米主要農(nóng)藝性狀的影響

2.3.1 蚯蚓肥對玉米生長的影響

從表4可以看出，與CK相比，施用蚯蚓肥對玉米株高影響較小，葉面積、莖粗、行粒數(shù)、穗粒數(shù)整體呈增加趨勢，干物質(zhì)顯著增加，其中T3、T4增長最為明顯，分別較CK增加了50.06%和49.61%?？梢?，通過施用蚯蚓肥對玉米株高影響較小，但能夠顯著增加玉米干物質(zhì)含量。

表4 不同處理對玉米生長性狀的影響(成熟期)

2.3.2 蚯蚓肥對玉米產(chǎn)量的影響

從表5可以看出，與CK相比，施用蚯蚓肥千粒重與玉米產(chǎn)量整體都呈增加趨勢。其中T3的千粒重、產(chǎn)量較CK分別增加了47.91%和72.72%。可見，通過增施蚯蚓肥能夠顯著增加玉米千粒重和產(chǎn)量。

表5 不同處理對玉米產(chǎn)量的影響

2.4 建立改良效果綜合評價體系

由前述可知，不同劑量的蚯蚓肥對鹽堿地土壤理化性質(zhì)及玉米生長均有一定程度的影響，但指標間存在差異，即對某指標而言最優(yōu)的土壤處理在另一指標下改良效果卻不明顯，單一指標無法代表蚯蚓肥的綜合改良效果。在此基礎(chǔ)上，本研究采用主成分分析方法，建立了改良效果綜合評價方程，計算了各處理的改良效果綜合得分，從而得到最優(yōu)量的蚯蚓肥配比。

2.4.1 改良效果評價指標的相關(guān)性分析

表6為所選取的17個改良效果評價指標的相關(guān)性分析，包含5個物理指標：孔隙度X1、含水率X2、容重X3、土壤pH X4、電導(dǎo)率X5，4個化學(xué)指標：有機質(zhì)X6、速效鉀X7、有效磷X8、水解氮X9，8個植物指標：株高X10、莖粗X11、葉面積X12、干物質(zhì)X13、穗行數(shù)X14、行粒數(shù)X15、千粒重X16、產(chǎn)量X17。由表6可知，17個改良指標間存在一定的相關(guān)關(guān)系，因此，可對其進行主成分分析。其中，容重與其余16個指標都存在較好的相關(guān)性，且大部分呈負相關(guān)，說明土壤容重是影響綜合改良效果的決定性指標。

表6 各改良指標相關(guān)系數(shù)矩陣

2.4.2 主成分表達式及其特征向量

表7是所選取的17個初始指標與4個主成分F1、F2、F3、F4的相關(guān)系數(shù)，由表7可知，孔隙度、速效鉀、株高、穗行數(shù)在第1主成分上有較高負荷，代表了土壤物理特性和植物生長狀況，容重、pH、株高和莖粗在第2主成分上有較高負荷，代表了土壤物理特性和植物生長狀況，含水率、電導(dǎo)率、行粒數(shù)在第3主成分上有較高負荷，代表了土壤的物理特性和植物的生長狀況。特征向量表示主成分在各個初始指標中對應(yīng)的得分，因此4個主成分與17項標準化后的初始指標之間的關(guān)系可用線性耦合方程表示，各主成分函數(shù)的表達式：

表7 主成分的特征向量

F1=0.33X9+0.32X1+0.32X7+0.32X14+0.29X8+0.28X16+0.27X12+0.26X6-0.25X3+0.24X11+0.24X17-0.02X10-0.16X4+0.12X5+0.15X15+0.18X2+0.16X13

(1)

F2=0.1X1-0.07X7-0.04X14+0.14X8+0.26X16+0.11X12+0.29X6+0.31X3-0.3X11+0.27X17-0.5X10+0.45X4-0.11X5+0.05X15-0.19X2-0.21X13

(2)

F3=0.06X16+0.2X12-0.08X9-0.15X1-0.21X14-0.15X8-0.09X6-0.12X3-0.18X11+0.26X17+0.11X10-0.12X4+0.51X5+0.5X15-0.44X2+0.08X13

(3)

F4=0.19X14-0.11X9-0.06X1-0.27X7-0.32X8+0.19X16-0.14X12+0.25X6+0.21X3+0.23X11+0.16X17+0.15X10+0.19X4-0.1X5-0.1X2+0.68X13

(4)

2.4.3 改良效果綜合評價

通過各主成分加權(quán)相加得到的綜合評價方程建立了改進效果綜合評價體系，綜合評價方程中的加權(quán)系數(shù)用各主成分的貢獻率與累積貢獻率之比計算，因此，改進效果綜合評價方程為：

F=0.52F1+0.20F2+0.16F3+0.08F4

(5)

由表8可知，T3、T4、T5綜合得分大于0，T3、T5綜合得分大于1且比其他處理大得多，說明這2個處理改良土壤的效果最好。

表8 主成分得分和綜合得分

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

3.1.1 蚯蚓肥對土壤理化性質(zhì)的影響

本試驗所用蚯蚓肥施入土壤后，各處理的水解氮、有機質(zhì)、有效磷、速效鉀的含量均隨著蚯蚓肥施用量的增加而顯著升高。這說明蚯蚓肥的施用可以改善土壤肥力狀況，增加土壤的養(yǎng)分含量，進而改良土壤。本試驗中，鹽堿地pH為8.41，蚯蚓肥pH為7.33，隨著蚯蚓肥施用量的增加，土壤pH并未出現(xiàn)明顯降低，這可能是由于蚯蚓肥中有機質(zhì)含量較多，其機理有待進一步探討。

3.1.2 蚯蚓肥對玉米農(nóng)藝性狀的影響

前人研究結(jié)果[14]指出，在蚯蚓肥與土壤體積比為0∶1～1∶5的范圍內(nèi)，隨著蚯蚓肥施用量的增加，番茄產(chǎn)量和果品品質(zhì)都能提高。本試驗結(jié)果顯示，各處理的玉米地上部分，尤其干物質(zhì)和產(chǎn)量，隨著蚯蚓肥的施入而增加。由此可見，蚯蚓肥施用對于增加植株干物質(zhì)的積累、促進植株生長起了重要作用。其中，3t蚯蚓肥施入最有利于植株干物質(zhì)的積累以及生長。

3.2 結(jié)論

本文以玉米為指示作物，研究施用蚯蚓肥對陜北沙質(zhì)鹽堿地的土壤改良效應(yīng)，結(jié)論如下。

施用蚯蚓肥有效改善了沙質(zhì)鹽堿地土壤理化性質(zhì)。與CK相比，T5處理的土壤容重降幅最大(10%)，土壤孔隙度隨著施肥量增加呈變大趨勢；土壤中的有效磷、水解氮含量隨著施肥量的增加逐漸增大，其中T3處理的土壤有機質(zhì)含量較CK提高了34.11%，T5處理的土壤速效鉀、有效磷、水解氮含量與CK相比分別增加了37.61%、463.44%和208.8%。

施用蚯蚓肥顯著改善了鹽堿地玉米農(nóng)藝性狀。與CK相比，T3、T4處理干物質(zhì)分別增加了50.06%和49.61%，T3處理千粒重、玉米產(chǎn)量分別為增加了47.91%和72.72%。

主成分分析得出T3和T5處理改良鹽堿地的綜合得分為1.27和1.9，其處理大小排序為T5>T3>T4>T1>T2>CK。