施用不同土壤改良劑對(duì)準(zhǔn)格爾盆地鹽堿地的改良作用

王磊元， 李風(fēng)娟， 秦翠蘭

(新疆理工學(xué)院，新疆阿克蘇 843000)

土壤在植被生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，生產(chǎn)中常常使用改良劑改善土壤理化結(jié)構(gòu)、肥力特征和微生物活性，目前該方法在作物增產(chǎn)方面運(yùn)用較為廣泛。土壤微生物在調(diào)控土壤肥力中起著重要作用，作為土壤微生物的關(guān)鍵構(gòu)成部分，細(xì)菌和真菌的占比達(dá)到70%以上，微生物的代謝促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的積累，有效改善了土壤肥力。對(duì)于土壤菌群而言，具有不同的分類，按照其形狀的差異主要有球菌及桿菌等，此外，其營(yíng)養(yǎng)方式也呈現(xiàn)尤為突出的差異，不僅包括自養(yǎng)、異養(yǎng)，還包括兼性自養(yǎng)。土壤改良劑的含量不同，其對(duì)土壤的作用效果也呈現(xiàn)較大差異，這是微生物及土壤理化特性共同作用的結(jié)果，對(duì)于植被的生長(zhǎng)發(fā)育所產(chǎn)生的效果也存在突出差異。

對(duì)于準(zhǔn)噶爾盆地而言，雖然它具有遼闊的面積，但是它在生態(tài)方面具有明顯的脆弱性，無(wú)論是其環(huán)境容量還是承載力方面均不高，該區(qū)域主要的經(jīng)濟(jì)帶集中在南部的天山區(qū)域，對(duì)于新疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)而言，超過(guò)80%的經(jīng)濟(jì)量分布在此區(qū)域，工業(yè)方面占比70%以上，同時(shí)這也是西部大開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)之一。該區(qū)域分布著大量的鹽堿土，如何加以利用成為生態(tài)研究的重要課題，也是面臨的不可回避的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，更是優(yōu)化西部生態(tài)的關(guān)鍵之一?；诖耍狙芯咳绾卫猛寥栏牧紕?duì)該區(qū)域土壤加以優(yōu)化，以此提升土壤利用效率，本研究所選取的改良材料不僅包括生物炭、草木灰，還包括牡蠣殼粉，同時(shí)采取對(duì)照組的研究方式，借助于改良技術(shù)開(kāi)展該區(qū)域土壤理化特性優(yōu)化研究，以增強(qiáng)土壤利用效率，為有效改善鹽堿地現(xiàn)狀提供有益的借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究將新疆準(zhǔn)噶爾盆地作為研究對(duì)象，對(duì)于該區(qū)域而言，其海拔達(dá)到400 m，綠洲區(qū)域主要分布在邊緣地帶，其中心區(qū)域大多為沙漠。受地理位置的制約，其季節(jié)性溫度差異尤為突出，且早晚溫差較大，采暖期可達(dá)次年的4月。該區(qū)域整體而言呈現(xiàn)較為突出的溫帶大陸性干旱氣候特點(diǎn)，由于其深處沙漠腹地，導(dǎo)致其年降水量低于100 mm，而高溫大大增強(qiáng)了其年蒸發(fā)量。關(guān)于研究區(qū)域，其植被分布多以原始植被為主，尤其是鹽生耐旱植被，諸如灌木及半灌木等，如多枝檉柳、琵琶柴等。關(guān)于該區(qū)域土壤，以灰漠土為主，其pH值則達(dá)到8.9。該區(qū)域豐富的自然資源為區(qū)域開(kāi)發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)，該區(qū)域也是西北地區(qū)重要的能源化工基地，尤其是克拉瑪依及烏魯木齊等地區(qū)。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料：牡蠣殼粉，pH值8.12，有機(jī)碳含量5.65%，全氮含量1.2%，粉粒含量34.51%，黏粒含量29.82%，純度99.5%，斯諾特生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)；生物炭，pH值8.98，有機(jī)碳含量9.87%，全氮含量1.34%，粉粒含量39.45%，黏粒含量21.23%，經(jīng)過(guò)800 ℃高溫灰化而成，新疆天然植物保護(hù)科技開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)；草木灰，pH值9.33，有機(jī)碳含量9.09%，全氮含量1.33%，粉粒含量57.56%，黏粒含量21.21%，農(nóng)家自產(chǎn)。

本試驗(yàn)將準(zhǔn)格爾盆地作為研究對(duì)象，試驗(yàn)時(shí)間為2016—2021年，所選擇的樣地共4個(gè)，不僅包括牡蠣殼粉樣地、生物炭樣地，還包括草木灰樣地，同時(shí)為了開(kāi)展試驗(yàn)對(duì)比分析，特設(shè)置對(duì)照組(CK)，樣地的長(zhǎng)、寬均為500 m，為了最大程度降低試驗(yàn)誤差，對(duì)各樣地開(kāi)展5次重復(fù)樣方試驗(yàn)，要求其長(zhǎng)、寬均為 10 m，用于長(zhǎng)期定位觀測(cè)，然后在上述每個(gè)樣地上噴灑土壤改良劑，以不添加改良劑作為對(duì)照，1年中每3個(gè)月噴灑1次，每年噴灑4次，每次噴灑按照 0.5 kg/m的計(jì)量進(jìn)行噴灑，定期(每年)采集土壤樣品進(jìn)行化驗(yàn)，連續(xù)5年采集土壤樣品。

1.3 土壤養(yǎng)分和微生物特性指標(biāo)的測(cè)定

為了測(cè)定土壤理化特性的變化，需要對(duì)土壤的有機(jī)碳(SOC)、總氮(TN)、總磷(TP)等的含量進(jìn)行測(cè)定，在測(cè)定過(guò)程中分別采取氧化法、半微量凱式法、比色法；對(duì)于有效氮(AK)、有效磷(AP)含量的測(cè)定借助于浸提法；而對(duì)于微生物量碳(SMBC)、微生物量氮(SMBN)等采取KSO浸提法測(cè)定。土壤酶活性的測(cè)定參照文獻(xiàn)[11]中的方法。

此外，還需對(duì)土壤基礎(chǔ)呼吸狀況進(jìn)行測(cè)定，本研究借助于培養(yǎng)法，具體通過(guò)相當(dāng)于20 g干土的新鮮土樣作為樣品，將其置于培養(yǎng)瓶，之后進(jìn)行水量調(diào)節(jié)，直至其達(dá)到正常田間持水量的60%，要求其溫度達(dá)到 25 ℃，處理時(shí)間為24 h，接下來(lái)還需要測(cè)定CO含量，具體借助于色譜儀，對(duì)于代謝熵的計(jì)算則通過(guò)基礎(chǔ)呼吸/微生物量碳加以計(jì)算。

1.4 土壤微生物群落測(cè)定

在磷脂的提取過(guò)程中，本研究采取的是Bligh等的方法，第1步是將8 g干燥土樣置于試管中，然后將檸檬酸緩沖液、三氯甲烷、甲醇按照 0.8 ∶1.0 ∶2.0 的體積比置于試管中，要求緩沖溶液的pH值達(dá)到4.0；然后對(duì)混合液進(jìn)行振蕩處理，從而對(duì)總脂類進(jìn)行提取，接下來(lái)借助于固相萃取(SPE)硅膠柱對(duì)中性脂、糖脂進(jìn)行去除處理，最終提取出磷脂；然后還要對(duì)其進(jìn)行堿性甲酯化處理，并借助于氣相色譜儀(型號(hào)為Agilent GC-6850)開(kāi)展磷脂脂肪酸(PLFA)成分分析；之后對(duì)各成分脂肪酸開(kāi)展微生物鑒定，本研究借助于MIDI Sherlock 軟件加以分析。最后對(duì)微生物類群進(jìn)行劃分，主要依據(jù)磷脂脂肪酸的分子結(jié)構(gòu)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

本研究采取連續(xù)5年取樣并記錄相關(guān)研究數(shù)據(jù)，將其均值作為最終的分析數(shù)據(jù)源，并對(duì)各試驗(yàn)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，開(kāi)展顯著性檢驗(yàn)，同時(shí)開(kāi)展成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改良劑對(duì)鹽堿地土壤陰陽(yáng)離子的影響

表1 不同改良劑對(duì)鹽堿地土壤陰陽(yáng)離子的影響

2.2 不同改良劑對(duì)鹽堿地土壤養(yǎng)分的影響

由表2可知，受不同改良劑的影響，不同樣地的土壤養(yǎng)分具有較為突出的差異，但是其促進(jìn)作用均較為明顯，且在降低土壤pH值方面均具有較為突出的效果，與CK相比差異達(dá)到了顯著水平(<0.05)。各處理與對(duì)照組相比，無(wú)論是有機(jī)碳、速效磷含量，還是全氮和堿解氮含量，其差異均達(dá)到了顯著水平(<0.05)，且其含量均高于對(duì)照組；而其全磷含量而言，差異并不突出。

表2 不同改良劑對(duì)鹽堿地土壤養(yǎng)分的影響

2.3 不同改良劑對(duì)鹽堿地土壤酶活性的影響

由表3可知，不同改良劑對(duì)鹽堿地土壤蔗糖酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶、酸性磷酸酶活性均具有顯著的影響；不同改良劑對(duì)鹽堿地土壤蔗糖酶和酸性磷酸酶活性均起到一定的降低作用，其中不同改良劑處理下土壤蔗糖酶和酸性磷酸酶活性差異顯著，并且都顯著低于對(duì)照(<0.05)；不同改良劑對(duì)鹽堿地土壤脲酶和過(guò)氧化氫酶活性均起到一定的增加作用，其中各處理的土壤脲酶和過(guò)氧化氫酶活性差異均顯著，且顯著高于對(duì)照(<0.05)。

表3 不同改良劑對(duì)鹽堿地土壤酶活性的影響

2.4 不同改良劑對(duì)鹽堿地土壤微生物量和呼吸的影響

由表4可知，受土壤改良劑的制約，無(wú)論是土壤微生物量，還是土壤呼吸，不同樣地的差異較為突出，這說(shuō)明其作用機(jī)制較為突出，但是其促進(jìn)效果均較為明顯。對(duì)于微生物量碳及微生物量氮含量而言，受制于不同改良劑作用，其含量差異尤為突出，且均高于對(duì)照組。不同改良劑對(duì)鹽堿地基礎(chǔ)呼吸和代謝熵也起到一定的增加作用，其中草木灰和牡蠣殼粉處理下差異不顯著，二者均顯著高于對(duì)照(<0.05)；然而不同改良劑處理下土壤微生物量磷含量差異不顯著。

表4 不同改良劑對(duì)鹽堿地土壤微生物量和呼吸的影響

2.5 不同改良劑對(duì)鹽堿地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

由表5可知，不同改良劑對(duì)鹽堿地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)具有顯著的影響；不同改良劑對(duì)鹽堿地土壤革蘭氏陽(yáng)性菌、革蘭氏陰性菌均起到一定的增加作用，其中不同改良劑處理下土壤革蘭氏陽(yáng)性菌、革蘭氏陰性菌差異顯著，并且顯著高于對(duì)照(<0.05)；然而不同改良劑處理下土壤真菌/細(xì)菌比、革蘭氏陰性菌/革蘭氏陽(yáng)性菌差異不顯著。

表5 不同改良劑對(duì)鹽堿地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

2.6 不同改良劑對(duì)鹽堿地土壤微生物功能多樣性的影響

由表6可知，不同改良劑對(duì)鹽堿地土壤微生物群落多樣性具有顯著的影響；改良劑成分差異突出，其對(duì)物種豐富度指數(shù)及多樣性指數(shù)的影響也存在突出差異，但是其促進(jìn)作用較為突出，與對(duì)照組形成巨大反差；然而不同改良劑對(duì)土壤微生物優(yōu)勢(shì)度指數(shù)起到一定的降低作用，其中不同改良劑處理下優(yōu)勢(shì)度指數(shù)差異均顯著(<0.05)，且均顯著低于對(duì)照(<0.05)。

表6 不同改良劑對(duì)鹽堿地土壤微生物群落多樣性的影響

在降維的基礎(chǔ)上對(duì)因子的作用機(jī)制開(kāi)展主成分(PCA)分析，從而探究微生物的碳源利用能力，從圖1可知，借助于主成分分析，2個(gè)主成分因子對(duì)變量的解釋度達(dá)到了94.57%，其中第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)的方差解釋度分別達(dá)到了63.34%、31.23%，說(shuō)明其對(duì)于變量具有較好的解釋度。對(duì)于草木灰、牡蠣殼粉而言，其大部分分布在PC軸的負(fù)值端，而對(duì)照組和生物炭則分布在正值端。在不同改良劑作用下，土壤微生物群落代謝具有一定的差異，但是與對(duì)照組相比，其差異并不明顯，綜合而言，說(shuō)明其在單一碳源利用方面的能力存在一定差異，群落分布差異較為突出。

3 討論與結(jié)論

通過(guò)連續(xù)5年的觀測(cè)對(duì)比分析得知，土壤改良劑在一定程度上增加了土壤養(yǎng)分含量，進(jìn)一步分析可知，生物質(zhì)炭對(duì)土壤養(yǎng)分各指標(biāo)的增加效應(yīng)達(dá)到最大，促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的吸收和利用，其中以土壤微生物量碳和微生物量氮含量對(duì)不同改良劑的響應(yīng)最為明顯，也說(shuō)明了土壤微生物量碳和微生物量氮含量可以看作不同水平不同改良劑處理后土壤養(yǎng)分變化的敏感指標(biāo)。主要原因在于改良劑的加入增強(qiáng)了植被對(duì)養(yǎng)分的吸收能力，加之根系分泌物促進(jìn)了養(yǎng)分的積累和微生物活性的增加。

大量的試驗(yàn)表明，對(duì)于微生物量碳而言，其在微生物活性表征方面具有較強(qiáng)的敏感性，而有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化效率主要借助于微生物熵加以對(duì)比分析，這些指標(biāo)也能夠?qū)ξ⑸锶郝涮匦约右泽w現(xiàn)。無(wú)論是微生物量碳、微生物量氮含量，還是微生物熵，在土壤改良劑的作用下均得到了較為明顯的提升，受不同改良劑成分差異的影響，其差異性也尤為突出；對(duì)于土壤微生物熵與微生物量碳含量而言，其變化趨勢(shì)較為接近，與微生物多樣性走勢(shì)較為一致。與微生物量碳含量相比而言，微生物熵具有更為突出的穩(wěn)定性，其變化起伏更小；在衡量土壤質(zhì)量的過(guò)程中，土壤呼吸也是常用的衡量指標(biāo)之一，尤其是在其活性表征方面，這是對(duì)土壤氧化能力的體現(xiàn)，是對(duì)土壤代謝能力的表征，是衡量土壤活性的關(guān)鍵指標(biāo)之一。此外，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，雖然改良劑處理不同，但是其基礎(chǔ)呼吸變化態(tài)勢(shì)與微生物量碳的變化差異極小，二者的相似度較高，對(duì)于土壤呼吸亦是如此。

改良劑的差異對(duì)于土壤養(yǎng)分狀況的影響程度存在較大差異，對(duì)于土壤養(yǎng)分來(lái)講，僅有全磷及微生物量磷含量未與對(duì)照組的差異達(dá)到顯著水平，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比得知，在改良劑的作用下，土壤養(yǎng)分狀況得以有效提升，但是全磷及微生物量磷含量則屬于例外，主要在于磷素具有很強(qiáng)的沉積性，短期內(nèi)磷元素的增加并沒(méi)有明顯的提升效果。植被生長(zhǎng)過(guò)程中需要大量的養(yǎng)分及水分，這就需要土壤質(zhì)量的提升。對(duì)于微生物而言，其對(duì)磷元素也具有較強(qiáng)的吸收效應(yīng)，一定程度上明顯降低了有效磷含量，對(duì)于紅壤而言，磷元素含量相對(duì)較低，在礦質(zhì)氮含量不斷增加的情況下，磷含量在植被與微生物之間此起彼伏，形成較為明顯的爭(zhēng)奪效應(yīng)。通過(guò)連續(xù)5年的觀測(cè)對(duì)比分析得知，在改良劑作用下，微生物菌群數(shù)量分布得以提升，主要原因在于土壤酸性的降低，在此情況下，土壤中Al含量得以明顯提升，有利于微生物新陳代謝，促進(jìn)其群落數(shù)量分布及其活性的提升，明顯降低了其對(duì)磷元素的爭(zhēng)奪。

通過(guò)對(duì)比分析得知，在土壤改良劑的作用下，微生物對(duì)于碳源的利用效率得以明顯提升，這對(duì)于微生物菌群分布起著積極作用，進(jìn)而增強(qiáng)了有機(jī)質(zhì)的降解速率，有利于土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化及積累，生物炭及牡蠣殼粉的效果尤為突出，且其對(duì)于碳水化合物具有較強(qiáng)的利用能力。對(duì)于多數(shù)異養(yǎng)微生物而言，碳水化合物成為其尤為關(guān)鍵的營(yíng)養(yǎng)源之一，制約著其新陳代謝水平，對(duì)于其群落分布尤為重要，對(duì)于牡蠣殼粉而言，其能夠有效增強(qiáng)微生物活性，其含有的糖胺聚糖利于微生物生長(zhǎng)發(fā)育。在改良劑的作用下，無(wú)論是微生物群落分布的豐度還是多樣性，均得到了較為明顯的提升，利于改善鹽堿土質(zhì)；在改良劑的作用下，無(wú)論是真菌生物量/細(xì)菌生物量，還是革蘭氏陰性菌含量/革蘭氏陽(yáng)性菌含量，其下降態(tài)勢(shì)尤為突出；這主要是因?yàn)樵诘氐淖饔孟?，植被?duì)真菌的依賴效應(yīng)明顯降低，根系碳含量下降。對(duì)于革蘭氏菌而言，其對(duì)有機(jī)物降解具有不同的偏好；此外，在改良劑的作用下，植被的凋落物質(zhì)量也呈現(xiàn)較為明顯的差異，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)降解難度增加，從而導(dǎo)致革蘭氏陰性菌含量/革蘭氏陽(yáng)性菌含量呈現(xiàn)尤為突出的下降態(tài)勢(shì)。