礦物類風(fēng)沙土改良劑對小葉錦雞兒生理特性和生長狀況的影響

蔣坤云，郭建斌，張賓賓，曹曉霞，李文斌

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京100083)

人類的發(fā)展，造成了大范圍的土壤鹽漬化、沙化和水土流失等［1］，而其中土地沙化是最為重要的生態(tài)問題之一［2］。我國沙地面積廣大，新中國建立后開展了大規(guī)模的流沙治理工作，通過生物、機(jī)械和化學(xué)固沙，有效地控制了沙漠的擴(kuò)張，并利用引水拉沙、機(jī)械推沙和人工平整等辦法辟沙造田開墾荒地。但是沙地土壤貧瘠、肥料短缺，嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量，故人們在實(shí)踐中通過人工墊土、引洪淤漫、種植綠肥植物等措施對風(fēng)沙土進(jìn)行改良，此外還開展了利用煤矸石、泥炭和酒精廢渣等材料對風(fēng)沙土進(jìn)行改良的試驗(yàn)［3］。

土壤改良劑的使用近年來引起了人們的普遍關(guān)注，它是一種在現(xiàn)代化工的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的有別于傳統(tǒng)土壤改良方法的新方法。國內(nèi)外的土壤改良劑品種繁多，不同的土壤改良劑的性質(zhì)與組成、作用機(jī)理以及在不同的土壤類型上的施用效果相差較大［4］。為了研究從德國引進(jìn)的環(huán)保型土壤改良劑Arkadolith在中國沙化土壤區(qū)的應(yīng)用前景，通過盆栽試驗(yàn)分析了Arkadolith改良劑對風(fēng)沙土的改良作用，以及對小葉錦雞兒生理、生長狀況的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)設(shè)在北京市鷲峰國家森林公園北京林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)溫室內(nèi)。鷲峰年平均氣溫12.2℃，最高氣溫39.7℃，最低氣溫－19.6℃，年降水量近700 mm。試驗(yàn)用土壤為內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗庫布齊沙漠東緣的風(fēng)沙土，供試植物為小葉錦雞兒(Caragana microphylla Lam.)。

1.2 土壤改良劑

本試驗(yàn)采用的是Arkadolith土壤改良劑。Arkadolith土壤改良劑為德國研發(fā)的一種高效環(huán)保型土壤改良劑，此種改良劑為天然礦物的混合物，由9種以上最常見的天然礦物組成，其中最主要的成分為鋁土礦。該種土壤改良劑可以根據(jù)植物對養(yǎng)分的需求釋放適量營養(yǎng)物質(zhì)，改善土壤的水文特性，提高保水、持水能力，且不造成二次污染。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了便于觀測和控制試驗(yàn)條件，選擇盆栽試驗(yàn)，用盆規(guī)格為30 cm(內(nèi)徑)×22 cm(高)。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理，土壤改良劑含量分別為0(CK)、2.5%(A1)、5%(A2)、10%(A3)、12.5%(A4)，每個(gè)處理重復(fù)5次，進(jìn)行對比試驗(yàn)。試驗(yàn)于2009年5月開始，種植小葉錦雞兒的同時(shí)施加土壤改良劑;結(jié)束時(shí)間為2009年10月，即小葉錦雞兒停止生長為止。

1.4 樣品分析、測定方法

1.4.1 土壤樣品測定

種植前用環(huán)刀在表層取土樣測容重和總孔隙度，并用內(nèi)徑為1 cm、長25 cm的土壤采樣器采集土樣，每盆中隨機(jī)取樣3次，均勻混合后，測定其含水量、pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀，測定方法均為常規(guī)法，各處理樣品的數(shù)據(jù)均為5盆的平均值。

1.4.2 小葉錦雞兒葉片蒸騰速率的測定與數(shù)據(jù)處理

小葉錦雞兒生長至葉片展開階段，使用美制LI－1600穩(wěn)態(tài)氣孔計(jì)測定葉片的蒸騰速率，測定日期為9月6—8日，早上8時(shí)到下午6時(shí)每隔2 h測定1次。最后將實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，得到3天內(nèi)各處理的上午、中午和下午的蒸騰速率平均值。

1.4.3 小葉錦雞兒高生長和生物量測定與數(shù)據(jù)處理

從5月種植起，每隔1個(gè)月，用直尺(精確到1 mm)測小葉錦雞兒的高度。停止生長后先用電子天平(精確到0.01 g)稱地上部分的鮮質(zhì)量，然后放入70℃恒溫箱內(nèi)烘48 h，再稱量，作為地上部分的生物量。取根系時(shí)，倒出盆中的土壤，用水沖洗，再用濾紙吸干水后稱鮮質(zhì)量，然后放入70℃恒溫箱內(nèi)烘48 h，再稱量，作為地下部分的生物量［5］。各指標(biāo)為每個(gè)處理5盆25株的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤的理化性質(zhì)

2.1.1 各處理對土壤物理性質(zhì)的影響

施土壤改良劑后，土壤物理性狀有了明顯改善，見表1。從表1可知，隨著施用量的增加，土壤容重呈下降趨勢，下降幅度為5.39%～16.77%。容重變小，表明土壤疏松多孔，土壤水分的滲透性和通氣狀況有很大的改善。隨著土壤改良劑用量的遞增，施后土壤孔隙度較對照分別提高了9.90%、17.37%、24.44%、24.28%;土壤中＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量依次增加了9.83%、36.96%、41.07%、37.58%，即土壤團(tuán)聚度增大;同時(shí)，土壤含水量最大增加了30.51%。方差分析表明，施土壤改良劑后土壤的容重、孔隙度、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、風(fēng)干土含水量與對照相比達(dá)顯著差異水平(P＜0.05)。

土壤緊實(shí)度不同，將引起土壤水分、通氣性、溫度、生物活性等差異，明顯影響土壤的生產(chǎn)性能。土壤緊實(shí)度降低，孔隙度增加，將有利于土壤通氣、保水、增溫，因而將明顯提高土壤肥力，為作物根系和土壤微生物的生命活動(dòng)創(chuàng)造良好的生存條件。

表1 不同處理對土壤物理、化學(xué)性質(zhì)的影響

風(fēng)沙土土質(zhì)疏松，土壤部分或幾乎全由細(xì)砂顆粒組成，土壤透水性、透氣性高。施加Arkadolith土壤改良劑后，因其中含有多種礦物(如高嶺石、水鋁礦等)，而這些礦物具有較大的比表面和較強(qiáng)的靜電場，施用后可以把細(xì)土和黏粒吸附到它們的周圍，漸漸形成微團(tuán)聚體，使得水穩(wěn)性團(tuán)聚體較對照顯著增加，因而土壤物理性質(zhì)得到明顯改善。

土壤pH值和電導(dǎo)率是反映土壤鹽堿化程度的主要指標(biāo)。土壤pH值是土壤重要的化學(xué)性質(zhì)，也是影響土壤肥力的因素之一，它直接影響土壤養(yǎng)分的存在狀態(tài)、轉(zhuǎn)化和有效性，因此對植物的生長發(fā)育有著直接的影響。而土壤可溶性鹽的含量達(dá)到一定數(shù)量后，會對植物產(chǎn)生明顯的危害，特別是當(dāng)化肥施用過多后，土壤溶液濃度過大，影響植物正常生長，因此土壤EC值的測定對植物的生長及其管理有著十分重要的意義。

由表1可知，施用土壤改良劑后土壤pH值下降，下降幅度為10.41%～12.30%。使土壤pH值下降的原因是所用改良劑中含有一定的陰離子，其易于和各種陽離子結(jié)合，調(diào)節(jié)和穩(wěn)定了土壤的pH值，減緩了土壤堿度的急劇變化。

由表1可見，隨著土壤改良劑用量的增加，供試土壤的電導(dǎo)率呈明顯下降趨勢，施后電導(dǎo)率比對照分別減少了7.14%、28.57%、35.71%、21.43%。依靠改良劑，土壤中的鹽分含量有所下降。一方面，土壤改良劑的加入改善了土壤結(jié)構(gòu)，使得水鹽運(yùn)動(dòng)方向得以改變，土體上流水的量和速度減小，抑制了鹽的上升;另一方面，加入改良劑降低了土壤表面的水分蒸發(fā)，減弱了地下水中的鹽分向地表積聚。

2.1.2 各處理對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

從表1可以看出，施土壤改良劑后，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量均有明顯提高，土壤有機(jī)質(zhì)含量較對照分別增加了3.08%、6.17%、11.01%、8.96%，全氮的增加幅度為2.78%～19.44%。施土壤改良劑顯著影響土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量(P＜0.05)。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中各種營養(yǎng)元素特別是氮、磷的重要來源，對保持土壤肥力和改善土壤結(jié)構(gòu)也有重要的意義［6］。從試驗(yàn)結(jié)果來看，Arkadolith土壤改良劑在改善土壤物理性質(zhì)的同時(shí)，也為土壤提供了大量養(yǎng)分，對土壤改良具有較好的效果。施土壤改良劑能夠明顯增加風(fēng)沙土的有機(jī)質(zhì)含量和氮素含量，使土壤有機(jī)質(zhì)和氮素含量得到進(jìn)一步提高，原因是改良劑能夠降低腐殖質(zhì)中有機(jī)質(zhì)分解速率、提高腐殖化系數(shù)，從而提高土壤有機(jī)質(zhì)含量;同時(shí)土壤改良劑帶有較多的電荷，有機(jī)質(zhì)含量越高的土壤，陽離子交換量也越大，土壤的保肥性也越強(qiáng)，相應(yīng)地也會提高速效養(yǎng)分的含量。

速效養(yǎng)分是指當(dāng)季作物吸收的養(yǎng)分，它們對作物早期的生長發(fā)育起著重要的作用［7］。土壤速效磷也稱土壤有效磷，包括水溶性磷和弱酸溶性磷，土壤速效磷含量可以反映出土壤磷素的供應(yīng)能力，為合理使用磷肥提供依據(jù)。土壤速效鉀易被植物吸收利用，是土壤鉀素供應(yīng)水平的主要指標(biāo)之一，因此測定土壤中速效鉀的含量，可以反映土壤鉀素的供應(yīng)狀況。

表1表明，施土壤改良劑后，土壤有效磷、速效鉀都較對照增幅明顯，有效磷增幅為2.12%～14.13%，速效鉀增幅為1.82%～5.12%。經(jīng)過方差分析，施土壤改良劑后的處理與對照相比差異達(dá)顯著水平(P＜0.05)。

Arkadolith土壤改良劑是一種比較穩(wěn)定的礦物質(zhì)復(fù)合體，因?yàn)槠浔砻嫖接写罅康年庪x子(NO3－、PO43－)，而這些物質(zhì)增加了土壤的肥力，促進(jìn)了土壤中各種有效物質(zhì)的富集。

2.2 小葉錦雞兒的蒸騰速率

蒸騰速率大小與植物的生理活動(dòng)強(qiáng)度有密切的關(guān)系，蒸騰速率的差別和日變化幅度可以間接反映各處理的植物生理強(qiáng)度差異［5，8］。施入土壤改良劑的風(fēng)沙土所種植的小葉錦雞兒同對照比，一天中各個(gè)時(shí)段的蒸騰速率及其變化規(guī)律存在明顯的差異。對照蒸騰速率最低，平均值為1.96 g/(cm2·s);處理A3的蒸騰速率最大，平均值為2.34 g/(cm2·s)(圖1)。這說明施加10%土壤改良劑的處理植物蒸騰速率大，光合作用旺盛，有利于小葉錦雞兒的生長和干物質(zhì)的積累。從蒸騰速率的日變化來看，一天中14:00蒸騰速率達(dá)到峰值，15:00后光照開始下降，溫度也開始降低，植物的蒸騰速率下降，18:00下降到一天中的最低值。而施加10%土壤改良劑的處理日變化最大，14:00后蒸騰速率明顯下降。施用土壤改良劑能改善小葉錦雞兒的自我調(diào)節(jié)作用，增強(qiáng)小葉錦雞兒的生存能力以及對外界的適應(yīng)能力。根據(jù)植物生理學(xué)的一般規(guī)律，土壤養(yǎng)分和水分條件優(yōu)越，將有利于提高蒸騰速率，同時(shí)表現(xiàn)出來的日變化規(guī)律也更為明顯，這可從各處理的日變化中得到體現(xiàn)。

2.3 小葉錦雞兒的高生長

植株高度的變化反映了植物生長的快慢［9］。自5月9日至11月9日，每隔1個(gè)月對小葉錦雞兒的高度測量1次，結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，土壤改良劑對小葉錦雞兒的生長有明顯的促進(jìn)作用，小葉錦雞兒的高生長在7月到8月之間達(dá)到峰值，施加改良劑的植物平均高生長增加量為7.14 cm，而對照僅為4.66 cm。8月后，植物的生長減緩，11月后基本停止生長。在觀測的7個(gè)月中，施加10%改良劑的小葉錦雞兒平均每月的高生長增加量為4.97 cm，而對照為3.27 cm。隨土壤改良劑用量的增加，小葉錦雞兒高度呈明顯遞增趨勢，但施加12.5%土壤改良劑的植物高生長小于施加10%的，說明施加10%土壤改良劑對植物的高生長促進(jìn)作用最大，施加多于10%的土壤改良劑反而會抑制小葉錦雞兒的高生長。

2.4 小葉錦雞兒的生物量

地上生物量可反映出植物莖葉干物質(zhì)積累情況，進(jìn)而看出其光合作用的強(qiáng)弱。根系在植物生活中起著非常重要的作用，植被根部發(fā)育狀況對植被生活力影響很大，在植被生長過程中，良好的根系有利于水分和營養(yǎng)元素的吸收，發(fā)達(dá)的根系可以增強(qiáng)植物的抗逆性。因此，通過對植被地上、地下生物量及其比值的研究，可進(jìn)一步了解根部的生長發(fā)育狀況［10］。由表2可以看出，小葉錦雞兒地上部分和地下部分的質(zhì)量隨著土壤改良劑施用量的增加呈遞增的趨勢，各處理之間的差異達(dá)顯著水平(P＜0.05)。

植物地下部分與地上部分的鮮質(zhì)量或干質(zhì)量的比值，即根冠比，是牧草適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)之一，同時(shí)也反映了地上生物量和地下生物量的相對變化情況［11］。由表2可知，經(jīng)過改良后的土壤中的根冠比較對照有增大的趨勢，并且差異較為顯著(P＜0.05)。這說明加入改良劑后，土壤中的養(yǎng)分增加，改善了植物根系的生長環(huán)境，使根系分生出更多的須根，為地上部分的生長輸送了更多的營養(yǎng)成分。在沙區(qū)中，相對多的根系，更有利于植物的生長。

表2 5種處理方式對小葉錦雞兒生物量的影響

但當(dāng)土壤改良劑的施入量大于10%時(shí)，植物的產(chǎn)量和根冠比都有所下降，致使處理A4和A2對植物產(chǎn)量的影響相當(dāng)，說明施加過多的土壤改良劑對小葉錦雞兒的生長有一定的抑制作用。

3 結(jié)論與討論

(1)Arkadolith土壤改良劑對風(fēng)沙土的理化性質(zhì)有明顯的改良作用:能改變土壤的質(zhì)地，提高土壤孔隙度，加快滲透速度，增加土壤水分;能增加土壤中的養(yǎng)分含量，提高速效養(yǎng)分含量，平衡土壤中各種養(yǎng)分;能降低土壤EC值和pH值，減輕土壤鹽分含量過高的危害。

(2)Arkadolith土壤改良劑能有效提高植物的蒸騰速率，促進(jìn)植物生物量的累積。

(3)施用Arkadolith土壤改良劑明顯地促進(jìn)了小葉錦雞兒的高生長和根系的生長。施加10%Arkadolith土壤改良劑最有利于小葉錦雞兒的生長，當(dāng)施入量大于10%時(shí)，對土壤的改良和小葉錦雞兒的生長有一定的抑制作用。

(4)不同植物種對Arkadolith土壤改良劑的需求量不同，在Arkadolith土壤改良劑的推廣中，要建立起內(nèi)蒙古沙區(qū)常見植物種的土壤改良劑的最佳配比量，尤其是要增加土壤改良劑對沙區(qū)常見喬木生長狀況的研究。同時(shí)應(yīng)該進(jìn)一步補(bǔ)充研究土壤中礦物質(zhì)的含量，以及在加入Arkadolith土壤改良劑后風(fēng)沙土中礦物質(zhì)含量的變化，為今后礦物類土壤改良劑的研發(fā)和改進(jìn)提供參考。

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