不同施肥組合對(duì)科爾沁沙地南緣沙地土壤健康指標(biāo)的影響*

田佳美, 尹 微, 羅利艷, 齊鷹博, 劉曉潔, 江志陽

(1.遼寧土木啟生物科技有限公司 遼寧沈陽 110000;2.中國(guó)科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所 遼寧沈陽 110016)

0 前言

彰武縣位于遼寧省的西北部,地處科爾沁沙地南緣,中華人民共和國(guó)成立前,風(fēng)沙肆虐,是沙漠化極其嚴(yán)峻的地區(qū),也是典型的生態(tài)脆弱區(qū)[1]。中華人民共和國(guó)成立后,彰武縣的廣大人民響應(yīng)國(guó)家號(hào)召,進(jìn)行了一系列的造林、種草、防沙治沙活動(dòng),已完成人工造林面積152.3畝(1畝=667 m2),營(yíng)造117 km的護(hù)岸林,草原植被的覆蓋度提高至80%以上,生態(tài)環(huán)境明顯好轉(zhuǎn)[1]。2014年第五次沙化檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示,彰武縣土地總面積為351 600 hm2,沙化土地面積占總面積的40.6%,其中固定沙地面積為109 200 hm2[2]。彰武縣土壤類型較豐富,包括8個(gè)土類66個(gè)土種,其中主要的土壤類型為草甸土(34.20%)、風(fēng)沙土(33.90%)、褐土(19.30%)和棕壤土(11.60%)。目前,彰武縣存在沙化土地與具有沙化趨勢(shì)的土地面積為238 500 hm2,防沙治沙工作仍任重道遠(yuǎn),需要全社會(huì)的共同努力。

沙地治理主要采用生物措施與工程措施相結(jié)合的方法,其中生物措施以植被修復(fù)為主,主要包括種植灌木、播撒草種、防治鼠害和增施肥料等[3]。施肥是退化草地修復(fù)的主要修復(fù)措施,能夠高效、快速地提高土壤養(yǎng)分,改善土壤結(jié)構(gòu)[4]。通過施肥等方式能夠使土壤養(yǎng)分(氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)等)含量發(fā)生變化,改變土壤微生物的多樣性,進(jìn)而影響微生物的代謝和功能[5]。

微生物作為土壤的重要組成部分,其多樣性具有控制土壤生態(tài)中各種生化過程方向和維持土壤生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性的作用,是評(píng)價(jià)土壤肥力與質(zhì)量的重要指標(biāo)[6-7]。土壤微生物多樣性與土壤養(yǎng)分含量之間相互作用,如土壤微生物數(shù)量下降會(huì)引起土壤養(yǎng)分循環(huán)被破壞,養(yǎng)分損失加大[8]。有研究表明,在植煙土壤中施用氮磷鉀肥可以改變土壤的酸堿度,影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)[9]。此外,有機(jī)無機(jī)肥配合施用可以有效提高土壤中有機(jī)質(zhì)的含量,增強(qiáng)微生物對(duì)于土壤碳源的代謝能力[10]。本文以遼寧省阜新市彰武縣沙化草地土壤為研究對(duì)象,通過施用不同組合的肥料,研究沙地土壤中微生物多樣性和土壤理化性狀的變化,以期為貧瘠土壤生態(tài)系統(tǒng)的改良優(yōu)化提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究地區(qū)概述

研究地區(qū)位于遼寧省阜新市彰武縣大冷鄉(xiāng)(42°07′～42°51′ N,121°53′～122°58′ E),地勢(shì)為北高南低,西北部海拔最高為313.1 m,南部海拔最低為59.3 m,該地區(qū)屬于溫帶季風(fēng)大陸性氣候,具有光照充足和四季分明的特點(diǎn),平均年降水量為497.4 mm。該縣有棕壤、褐土、草甸土等8個(gè)土類,全縣總面積362 300 hm2,其中耕地面積為185 300 hm2[11]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與土壤樣品采集

選取未翻耕的天然草地,于2020年6月初進(jìn)行草種補(bǔ)播。草種選擇5種禾草(黑麥草、冰草、披堿草、高羊茅、羊草)和2種非禾草(沙打旺、沙蒿),補(bǔ)播草種量為300 g/區(qū)。于6月中旬施用肥料,試驗(yàn)所用肥料均由遼寧土木啟生物科技有限公司提供。肥料及養(yǎng)分含量：生物有機(jī)肥,w(N+P2O5+K2O)≥10%,w(有機(jī)質(zhì))≥40%,有效活菌數(shù)≥2億cfu/g;含腐殖酸肥料,ρ(腐殖酸)≥30 g/L,w(N+P2O5+K2O)≥20%;含聚谷氨酸肥料,w(氨基酸)≥10%,w(Ca+Mg)≥3%;中微量元素肥料(與有機(jī)肥料配合施用),w(有機(jī)質(zhì))≥30%,w(Ca+Mg)≥10%,w(Fe+Zn)≥10%。

試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理：對(duì)照(CK)處理,不施肥料;OH處理,生物有機(jī)肥1 000 kg/畝+含腐殖酸肥料500 kg/畝;OP處理,生物有機(jī)肥1 000 kg/畝+含聚谷氨酸肥料500 kg/畝;OM處理,生物有機(jī)肥1 000 kg/畝+中微量元素肥料500 kg/畝。

2020年12月開始采集土壤樣品,以半年為時(shí)間間隔,分3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)(T1、T2和T3)進(jìn)行,每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)樣方(8 m×8 m),使用土鉆(直徑8 cm)在每個(gè)樣方內(nèi)收集5份根際土壤,混合均勻作為1份樣品(500 g)。各處理樣方間不相鄰,以保證樣品的獨(dú)立性。共收集16份根際土壤樣品,過2 mm篩子去除植物根系等雜質(zhì),置于溫度4 ℃冰箱保存,用于后續(xù)微生物多樣性及土壤理化性狀的測(cè)定。

1.3 微生物多樣性的測(cè)定

采用稀釋平板法[12]對(duì)土壤樣品進(jìn)行有效活菌數(shù)量測(cè)定,細(xì)菌采用營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基,真菌采用孟加拉紅培養(yǎng)基,放線菌采用高氏一號(hào)培養(yǎng)基,每份土壤樣品重復(fù)測(cè)定3次。在溫度28 ℃條件下,細(xì)菌、真菌、放線菌培養(yǎng)平板分別培養(yǎng)2、4、6 d后進(jìn)行菌落數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

1.4 土壤理化性狀測(cè)定

選擇土壤有機(jī)質(zhì)、全磷、全鉀含量及pH作為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。有機(jī)質(zhì)含量采用K2Cr2O7-外加熱法測(cè)定,全磷含量采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定,全鉀含量采用NaOH熔融-火焰光度法測(cè)定,pH采用電極法(水土比2.5∶1)測(cè)定,以上指標(biāo)的測(cè)定方法參照《土壤農(nóng)化分析》[13]。

模型中，壓力容器的材料為16MnR，車體及相關(guān)附件的材料為45鋼，表1列出了相關(guān)材料的機(jī)械性能[2]。

1.5 地上部植物生物量測(cè)定

采用樣方收獲法,將T3時(shí)間點(diǎn)各處理樣方內(nèi)的植物分別與地面對(duì)齊剪下地上部分,分裝后帶回實(shí)驗(yàn)室,使用百分之一的電子天平稱量其鮮質(zhì)量,換算得到單位面積地上部生物量。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010軟件進(jìn)行分析,差異顯著性采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析,并采用Duncan法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同施肥處理對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

不同施肥處理對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響見表1。

表1 不同施肥處理的土壤微生物數(shù)量

從表1可看出：不同施肥處理的土壤中微生物數(shù)量分布呈相同的規(guī)律,即細(xì)菌>放線菌>真菌,細(xì)菌的數(shù)量顯著高于其他微生物的;不同施肥處理在相同取樣時(shí)間點(diǎn)的細(xì)菌數(shù)量均比CK處理的有增加的趨勢(shì),其中OH處理在T1取樣時(shí)間點(diǎn)的細(xì)菌數(shù)量最高,3個(gè)取樣時(shí)間點(diǎn)細(xì)菌數(shù)量平均值約為1.51×107cfu/g,是CK處理的5.2倍;OP處理與OM處理在3個(gè)取樣時(shí)間點(diǎn)的細(xì)菌數(shù)量無顯著差異;不同施肥處理的真菌數(shù)量在3個(gè)取樣時(shí)間點(diǎn)的平均值分別為8.42×104、8.53×104、10.19×104cfu/g,均高于CK處理的平均值(5.22×104cfu/g);OM處理在T2取樣時(shí)間點(diǎn)的真菌數(shù)量最高,是CK處理的1.9倍;放線菌數(shù)量在不同處理間的差異不明顯,OP處理在T1取樣時(shí)間點(diǎn)的放線菌數(shù)量顯著高于CK處理的。

2.2 不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響見表2。

表2 不同施肥處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量

從表2可以看出：在不同的取樣時(shí)間點(diǎn),除OP處理在T1取樣時(shí)間點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)含量低于CK處理的,其他施肥處理在不同取樣時(shí)間點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于CK處理的;OP、OM和CK處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量變化趨勢(shì)一致,均隨著取樣時(shí)間的延長(zhǎng)呈明顯的下降趨勢(shì),而OH處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量呈先下降后增加的趨勢(shì);在3個(gè)施肥處理中,OH處理在T1取樣時(shí)間點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高,OM處理在T3取樣時(shí)間點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)含量最低;OH處理在不同取樣時(shí)間點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)含量平均值最高,為5.84 g/kg,比CK處理的平均值高68.8%。

2.3 不同施肥處理對(duì)土壤全磷含量的影響

不同施肥處理對(duì)土壤全磷含量的影響見表3。

表3 不同施肥處理的土壤全磷含量

2.4 不同施肥處理對(duì)土壤全鉀含量的影響

不同施肥處理對(duì)土壤全鉀含量的影響見表4。

表4 不同施肥處理的土壤全鉀含量

從表4可看出：除了OM處理在T1取樣時(shí)間點(diǎn)的土壤全鉀含量與CK處理的相比差異不顯著外,其他施肥處理的土壤全鉀含量均顯著高于CK處理的;OH處理在T1取樣時(shí)間點(diǎn)的土壤全鉀含量最高;OP處理在不同取樣時(shí)間點(diǎn)的土壤全鉀含量平均值最高,為5.96 g/kg,比CK處理的高44.3%;OP處理的土壤全鉀含量變化趨勢(shì)與CK處理的一致,均隨著取樣時(shí)間的延長(zhǎng)呈先上升后下降的趨勢(shì);OH處理的土壤全鉀含量隨著取樣時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì),OM處理的土壤全鉀含量變化趨勢(shì)與OH處理的相反。

2.5 不同施肥處理對(duì)土壤pH的影響

不同施肥處理對(duì)土壤pH的影響見表5。

表5 不同施肥處理的土壤pH

從表5可知：3個(gè)施肥處理的土壤pH均顯著低于CK處理的,其中OP處理的3個(gè)取樣時(shí)間點(diǎn)的土壤pH平均值最低,約為6.11,與CK處理的相比下降6.6%;OM處理的3個(gè)取樣時(shí)間點(diǎn)的土壤pH平均值約為6.34,與CK處理的相比下降3.1%;隨著取樣時(shí)間的延長(zhǎng),3個(gè)施肥處理的土壤pH呈上升趨勢(shì),其中OP處理在T1取樣時(shí)間點(diǎn)的土壤pH最低。

2.6 不同施肥處理對(duì)植物地上部生物量的影響

不同施肥處理對(duì)植物地上部生物量的影響見圖1。

圖1 不同施肥處理的植物地上部生物量

從圖1可看出：3個(gè)施肥處理的植物地上部生物量均高于CK處理的;OM處理的植物地上部生物量最高,為321.25 g/m2,與CK處理的相比差異顯著;其次是OP處理的,為275.00 g/m2,是CK處理的2.4倍。

3 討論

3.1 不同施肥處理對(duì)沙地土壤微生物多樣性的影響

土壤微生物多樣性是土壤質(zhì)量的重要生物評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[14]。土壤中微生物的數(shù)量與土壤類型、田間管理、施肥方法等相關(guān),其中細(xì)菌在土壤微生物群落中數(shù)量占比最大、分布最廣,可以直接反映土壤的肥力狀況[15]。土壤微生物數(shù)量與土壤養(yǎng)分含量呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系,微生物的數(shù)量會(huì)隨著土壤中養(yǎng)分含量的提高而增加[16]。試驗(yàn)施用多種肥料后,微生物數(shù)量也顯著提高,與武鳳霞等[17]的研究結(jié)果基本一致,即混合施肥能夠提高玉米種植時(shí)土壤中細(xì)菌和真菌種類的數(shù)量,有利于保護(hù)玉米農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。

3.2 含腐殖酸肥料對(duì)沙地土壤健康指標(biāo)的影響

腐殖酸具有增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、增強(qiáng)土壤微生物的生長(zhǎng)代謝、提高土壤中細(xì)菌的多樣性及豐度等作用[18-19]。孫向春等[20]的研究表明,河西走廊灌漠土中施用腐殖酸后,土壤有機(jī)質(zhì)含量提高3.3%～4.7%。朱銘等[21]的研究結(jié)果表明,浙江省紅壤土中施用腐殖酸可以有效改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu),增強(qiáng)土壤微生物的碳源利用能力,有效提高土壤細(xì)菌的豐度。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著腐殖酸肥料的施用,土壤中有機(jī)質(zhì)含量提高,細(xì)菌的數(shù)量顯著增加,與上述研究結(jié)果一致。

3.3 含聚谷氨酸肥料對(duì)沙地土壤健康指標(biāo)的影響

聚谷氨酸作為“環(huán)境友好”的新型生物材料,在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用具有調(diào)節(jié)土壤理化性狀和保水保肥的作用,還能夠調(diào)控作物的生理代謝和生長(zhǎng)發(fā)育,進(jìn)而提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[22]。有研究表明,聚谷氨酸發(fā)酵液及其顆粒產(chǎn)品的施用,可以增加土壤中微生物的多樣性和均勻度[23]。試驗(yàn)中施用含聚谷氨酸肥料的處理在T1取樣時(shí)間點(diǎn)的放線菌數(shù)量顯著高于對(duì)照處理的,與陶龍錦等[24]的研究結(jié)果基本一致,即通過高通量測(cè)序,結(jié)果顯示聚谷氨酸配施化肥后的棉花根際土壤中放線菌相對(duì)豐度提高12.37%。

3.4 中微量元素肥料對(duì)沙地土壤健康指標(biāo)的影響

中微量元素可以作為土壤調(diào)節(jié)劑,具有改良土壤、促進(jìn)植物養(yǎng)分吸收、減輕重金屬污染、提高土壤活力和調(diào)節(jié)能力的作用[25]。在土壤微生物多樣性方面,中微量元素肥料可以顯著提高細(xì)菌豐度、降低真菌豐度。試驗(yàn)采用有機(jī)肥與中微量元素肥料配合施用,所有微生物數(shù)量均顯著提高,可能與不同土壤類型反應(yīng)不一致有關(guān)[26]。

3.5 不同施肥組合對(duì)沙地土壤pH的影響

4 結(jié)語

本文通過研究彰武縣沙化土壤微生物種類多樣性及土壤理化性狀,發(fā)現(xiàn)施用不同有機(jī)基質(zhì)的肥料,土壤微生物組成和土壤的營(yíng)養(yǎng)成分在不同時(shí)間取樣存在共性和一定的差異性。整體上,不同組合的肥料施用后,土壤微生物的多樣性提高,土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素含量顯著增加,更利于植物的生長(zhǎng)。試驗(yàn)結(jié)果可為遼西北沙化土壤的修復(fù)提供科學(xué)指導(dǎo),為沙漠化治理提供經(jīng)驗(yàn),以完善并發(fā)展沙地改良優(yōu)化技術(shù),推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。