喷施液态地膜对盐碱地植被和土壤理化因子的影响

黎 轩,刘福德,宋 莉,赵 斌,武晓燕,李德生,秦 洁*

(1.中华全国供销合作总社天津再生资源研究所,天津 300191;2.天津理工大学环境科学与安全工程学院,天津 300384)

土地盐碱化已成为严重的全球性环境问题之一,盐碱地治理作为一项世界性难题。盐渍土的理化和生物学性质差,生产力水平低,对粮食安全、生态安全和耕地保障等均有重要影响,直接危及人类的生存基础和生存环境[1]。全球约有9.543 8亿hm2的盐碱地,有超100个国家受到盐渍化土壤的困扰,而我国盐碱地的碱化度也较高,约有9 913万hm2盐碱地,约占全国土地总面积的10%。研究发现能进行开垦种植的盐渍化土地仅占盐碱地总面积的20%[2]。因此,在不同尺度、不同水平上改良盐碱地,确保粮食安全、维护生态环境健康也越来越受到广泛关注[3]。

液态地膜是一种多功能可降解的新型地膜,主要原料为富含腐殖酸的风化煤添加多种活性剂、交联剂等[4]。液态地膜受光、热、土壤中微生物的作用可自行降解,降解后产物及液态地膜本身无毒无污染,对土壤、地下水质和环境无不良影响[5]。另外,液态地膜既可以人工操作也可以用于机械喷施,不受地势地貌的限制,对地形地貌适应能力强。液态地膜应用前景广阔,生产和应用液态地膜可以变废为宝,实现资源再生利用,在改良土壤方面具有以下优势:利用工业生产中的废弃物、城镇生活污水污泥[6]、农业生产中的秸秆等为液态地膜的原材料,实现资源利用最大化;全降解液体地膜无残留,可达到改善土壤退化现状、资源综合利用的目的[7]。面对严重的环境污染和土壤盐碱化,起到覆盖作用的可降解地膜成为改善这种现象的措施之一[8]。液态地膜还可以起到保护生态和恢复生态环境的作用[9]。液态地膜避免了塑料残膜对土壤环境和生态环境带来的污染和破坏,能够在一定程度上改善土壤有机质[10]。喷洒液态地膜显著增加了土壤有机质含量[11],可以提高土壤养分,增强土壤的自我恢复能力,改善土壤的理化性质,有助于盐碱地的改良[12]。为进一步验证液态地膜在盐碱地土壤改良和固碳增汇方面的实际应用效果,该研究在弱盐碱土地进行不同量的液态地膜喷施试验,探讨不同液态地膜喷施量对盐碱化土壤地上植被生物量、有机碳含量、土壤养分和酸碱度等指标的影响,探讨液态地膜在盐碱地改良方面的实际应用效果。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况试验样地位于天津市静海区子牙镇 (38°57′11″N、 117°00′13″E),地势平坦,海拔约3 m,属北半球暖温带半湿润大陆性季风气候。研究样地为轻度盐碱地,植被物种单一,样地于2015年渣土回填以后,曾有过种植绿化,但是很快演替成原生芦苇为优势的群落,该样地目前以耐盐碱的芦苇(Phragmitesaustralis)为建群种,土壤类型为褐色草甸土。检测发现原有土壤有机碳含量较低,土壤肥力不足[13-15],且为轻度盐碱地。

于2021年5月开始进行液态地膜喷施试验,液态地膜选自辽宁中台千越生物科技有限公司生产的腐殖酸液态地膜,以聚乙烯醇、可溶性淀粉和腐殖酸(腐殖酸约占原液的7%)为主要原料制备而成。将试验样地进行划分,每个处理设置5个重复小区,重复间距设0.5 m的隔离带,小区面积4.0 m×4.0 m,各小区之间间隔0.5 m。喷施液态地膜前在试验样地进行播种,播种选用常见耐寒耐旱菊科的花草混播,主要有波斯菊、百日草等。参考农田标准喷施量(375.0 kg/hm2),设置3个不同喷施浓度,分别是LF(375.0 kg/hm2)、HF(562.5 kg/hm2)、对照组CK(0 kg/hm2)。将液态地膜原液2倍的清水化开搅拌使原液完全分散开,再加6倍清水搅拌均匀,用高压喷雾器均匀喷施。最后对每块样地均匀补喷等量水以保证水分添加保持一致,对照样地(CK)喷施等量水。

1.2 研究方法

1.2.1植被调查和土壤取样。于8月底植物生长旺盛期,在15个小区中央分别布设1个20 cm×20 cm的样方,记录每个样方内的物种以及样方中每个物种的株数和地上生物量。在清理完地上植被的样方中,依“S”型采集10个点的原状土样轻微混合,采样深度为0～15 cm。土壤取出后剥除土块外围挤压变形的土壤,并去除植物根系及其他土壤入侵物,较大的土块沿着自然断裂面掰成直径约为1 cm的小块。

1.2.2样品的制备。待测采集的土壤样品带回实验室后,将土壤样品置于洁净白色搪瓷托盘中,平摊成2～3 cm厚的薄层。先剔除植物、昆虫、石块等残体,用木棒压碎土块,自然风干,风干时每天翻动几次,充分混匀风干土壤,划分成四分法小方格,用小勺在每个方格中取出等量土样(总量大于20 g),在土壤粉碎机(或球磨机)中进行研磨,根据不同的检测标准要求通过不同孔径的土壤筛,混匀后装入磨口瓶中,备用。制备好的样品不使用时,密封保存,以免受大气中氨和酸性气体的影响,同时避免日晒、高温、潮湿的影响[16]。

1.2.3土壤理化性质检测方法。

1.2.3.1pH的测定。采用电位法进行测定。以水为浸提剂,水土比为2.5∶1,将指示电极和参比电极(或pH复合电极)浸入土壤悬浊液时,构成原电池,在一定的温度下,其电动势与悬浊液的pH有关,通过测定原电池的电动势即可得到土壤的pH。

1.2.3.2有机碳含量的测定。采用重铬酸钾氧化-分光光度法进行测定。在加热条件下,土壤样品中的有机碳被过量重铬酸钾-硫酸溶液氧化,重铬酸钾中的Cr6+被还原为Cr3+,其含量与样品中有机碳含量成正比,于585 nm波长处测定吸光度,根据Cr3+的含量计算有机碳含量。

1.2.3.3全氮含量的测定。采用半微量凯氏法(GB 7113—87)进行测定。土壤中的全氮在硫代硫酸钠、浓硫酸、高氯酸和催化剂的作用下,经氧化还原反应全部转化为铵态氮。消解后的溶液碱化蒸馏出的氨被硼酸吸收,用标准盐酸溶液滴定,根据标准盐酸溶液的用量来计算土壤中全氮含量。

1.2.3.4全磷含量的测定。采用碱熔-钼锑抗分光光度法进行测定。经氢氧化钠熔融,土壤样品中的含磷矿物及有机磷化合物全部转化为可溶性的正磷酸盐,在酸性条件下与钼锑抗显色剂反应生成磷钼蓝,在波长700 nm 处测定吸光度。在一定浓度范围内,样品中的总磷含量与吸光度符合朗伯-比尔定律。

1.2.3.5有效磷含量的测定。采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法[16]进行测定。用0.5 mol/L碳酸氢钠溶液(pH=8.5)浸提土壤中的有效磷。浸提液中的磷与钼锑抗显色剂反应生成磷钼蓝,在波长880 nm处测定吸光度。在一定浓度范围内,磷的含量与吸光度符合朗伯-比尔定律。

1.3 数据统计分析利用SPSS和Excel对试验数据进行整理和统计分析。对不同液态地膜喷施量的土壤理化性质(有机碳、全氮、pH、有效磷、全磷)、地上生物量和多样性的数据进行差异性分析;采用相关性分析进一步分析土壤理化指标和地上指标的关系。图表制作采用Excel 2016和Origin 2018软件处理。

2 结果与分析

2.1 液态地膜对群落地上生物量和植物多样性的影响由表1可知,喷施液态地膜对群落地上生物量和植物多样性有一定的影响。随着液态地膜喷施量的增加,地上生物量呈增加趋势,且在HF处理下效果显著,提高了65.3%,增加生物量515.55 g/m2。喷施液态地膜对植物多样性的影响不明显。

2.2 液态地膜对土壤理化性质的影响从图 1 可以看出,喷施液态地膜后,在不同处理下土壤有机碳含量有明显变化。与对照相比,HF处理下土壤有机碳含量提高了7.79%。施用液态地膜能够在一定程度上改善土壤全氮,施用液态地膜的土壤全氮含量与CK相比均有提高;在LF处理下土壤全氮比CK提高了46.2%,但是没有达到显著水平(P>0.05)。喷施液态地膜后,在不同的喷施梯度下土壤全磷有显著变化;液态地膜喷施HF处理土壤全磷含量提高了111.11%,效果显著;但是LF处理土壤全磷含量降低了44.44%。液态地膜喷施HF处理土壤有效磷含量提高了20%,但是没有达到显著水平(P>0.05)。液态地膜喷施梯度对土壤pH的影响不显著,推测液态地膜对土壤酸碱度的影响可能是一个长期累积的过程。

注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

2.3 植被和土壤理化性质的相关性分析对植被和土壤理化性质进行相关性分析,结果表明(表2),土壤有机碳和全磷呈极显著正相关(P<0.01),土壤全氮与有机碳和生物量均呈显著负相关(P<0.05),群落多样性与液态地膜喷施浓度呈极显著正相关(P<0.01)。其他理化性质之间的相关性没有达到显著水平。

表2 植被和土壤理化性质的相关性分析

3 讨论

盐碱土壤熟化程度低,植物生长缓慢,植被覆盖少,限制了土壤有效碳氮的输入和积累[11,17-18]。所以盐碱土有机碳含量普遍较低,自然状况下的盐碱土的植物生长受到抑制,有机碳矿化速率慢,土壤外源碳输入小,因而其潜在固碳能力相比其他陆地生态系统更高。而我国盐碱地的土壤碳密度整体较低,在盐碱地治理改良进程中,土壤碳库存的增加对提升我国土壤碳汇功能具有重要意义[19]。该研究发现喷施液态地膜后土壤中全氮含量均高于对照样地,有机碳含量HF处理高于对照样地,说明液态地膜促进土壤有机碳和全氮的积累,提高了土壤肥力,盐碱地土壤得到一定程度的改善。白秀梅等[11]研究发现液态地膜可以显著增加土壤碳氮,改善土壤理化性质;杨娜[10]研究也发现液态地膜可以提高土壤中有机碳含量,对土壤中氮元素影响显著。很多研究发现有机物覆盖如秸秆[20]、液态地膜喷施[10]、复垦[21]等措施可提高土壤碳氮含量,是改良盐碱地的有效措施。

喷施液态地膜后,土壤全磷含量变化趋势极为显著。液态地膜喷施量在562.5 kg/hm2情况下全磷含量显著高于其他处理,说明高喷施量对土壤全磷积累有一定的促进作用。杨娜[10]的研究结果与该研究一致,均发现高喷施量液态地膜可以显著提高土壤中的磷含量。但是土壤有效磷含量变化趋势与全磷不同,在不同液态地膜喷施量下土壤有效磷变化幅度不大。该研究还发现土壤酸碱度也在不同喷施处理下没有显著变化。液态地膜本身为中性添加物,对酸碱度的改良是缓慢积累的过程。该样地为第一次喷施液态地膜,推测经过长期喷施液态地膜后,土壤有效磷和酸碱度等指标可能会有不同程度的响应,这也需要后续进行长期研究去验证。

喷施液态地膜后地上生物量得到了明显提高,在高喷施量(562.5 kg/hm2)下较CK提高了65.3%,增加生物量515.55 g/m2。很多研究也发现相似结果,霍轶珍等[22]研究表明液态地膜显著提高马铃薯产量46.26%;苗建利等[23]研究表明液态地膜对花生有增产的效果;张春艳等[24]研究表明液态地膜提高玉米产量17.4%,王萍莉等[25]研究也表明液态地膜对玉米有一定的增产作用。

土壤有机碳、全氮和全磷以及地上生物量都一定程度地对液态地膜有积极的响应。喷施液态地膜后盐碱地土壤有效养分在不同喷施梯度下的变化和地上生物量的增加都能说明该盐碱地得到一定程度的改良[26]。盐碱地普遍缺磷,是盐碱地地上植物生长的主要限制因子之一[27]。有研究发现,土壤磷含量的提高可以有效提高土壤有机碳含量,而土壤全磷和有机碳含量之间显著正相关关系也证明了土壤磷和有机碳的相互促进关系[28-29]。土壤有机碳是土壤极其重要的组成部分,不仅与土壤肥力密切相关,而且对地球碳循环有巨大影响,既是温室气体“源”,也是其重要的“汇”[30-31]。液态地膜的喷施不仅对盐碱地有一定的改良作用,还可能对碳 “汇”有积极的影响,说明液态地膜喷施可能也是一种减少“碳排放”、加快“碳中和”的有效措施[32-35],液态地膜在改善土壤的同时对环境进行一定程度改善,达到了双赢的局面。

4 结论

该研究发现,在562.5 kg/hm2液态地膜喷施量下地上生物量提高了65.3%;土壤有机碳含量提高了7.79%,全磷含量提高了111.11%;在液态地膜375.0 kg/hm2的喷施情况下土壤全氮提高了46.2%;进一步相关分析表明全磷与有机碳呈相互促进关系。综合分析表明,液态地膜喷施显著提高了盐碱地植物的地上生物量、土壤有机碳储量和土壤磷含量,有助于盐碱地土壤改良和固碳增汇能力的提升。