矿物类风沙土改良剂对小叶锦鸡儿生理特性和生长状况的影响

蒋坤云，郭建斌，张宾宾，曹晓霞，李文斌

(北京林业大学水土保持学院，北京100083)

人类的发展，造成了大范围的土壤盐渍化、沙化和水土流失等［1］，而其中土地沙化是最为重要的生态问题之一［2］。我国沙地面积广大，新中国建立后开展了大规模的流沙治理工作，通过生物、机械和化学固沙，有效地控制了沙漠的扩张，并利用引水拉沙、机械推沙和人工平整等办法辟沙造田开垦荒地。但是沙地土壤贫瘠、肥料短缺，严重影响作物产量，故人们在实践中通过人工垫土、引洪淤漫、种植绿肥植物等措施对风沙土进行改良，此外还开展了利用煤矸石、泥炭和酒精废渣等材料对风沙土进行改良的试验［3］。

土壤改良剂的使用近年来引起了人们的普遍关注，它是一种在现代化工的基础上发展起来的有别于传统土壤改良方法的新方法。国内外的土壤改良剂品种繁多，不同的土壤改良剂的性质与组成、作用机理以及在不同的土壤类型上的施用效果相差较大［4］。为了研究从德国引进的环保型土壤改良剂Arkadolith在中国沙化土壤区的应用前景，通过盆栽试验分析了Arkadolith改良剂对风沙土的改良作用，以及对小叶锦鸡儿生理、生长状况的影响。

1 材料与方法

1.1 试验区与试验材料

试验设在北京市鹫峰国家森林公园北京林业大学实验温室内。鹫峰年平均气温12.2℃，最高气温39.7℃，最低气温－19.6℃，年降水量近700 mm。试验用土壤为内蒙古达拉特旗库布齐沙漠东缘的风沙土，供试植物为小叶锦鸡儿(Caragana microphylla Lam.)。

1.2 土壤改良剂

本试验采用的是Arkadolith土壤改良剂。Arkadolith土壤改良剂为德国研发的一种高效环保型土壤改良剂，此种改良剂为天然矿物的混合物，由9种以上最常见的天然矿物组成，其中最主要的成分为铝土矿。该种土壤改良剂可以根据植物对养分的需求释放适量营养物质，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 试验设计

为了便于观测和控制试验条件，选择盆栽试验，用盆规格为30 cm(内径)×22 cm(高)。试验设置5个处理，土壤改良剂含量分别为0(CK)、2.5%(A1)、5%(A2)、10%(A3)、12.5%(A4)，每个处理重复5次，进行对比试验。试验于2009年5月开始，种植小叶锦鸡儿的同时施加土壤改良剂;结束时间为2009年10月，即小叶锦鸡儿停止生长为止。

1.4 样品分析、测定方法

1.4.1 土壤样品测定

种植前用环刀在表层取土样测容重和总孔隙度，并用内径为1 cm、长25 cm的土壤采样器采集土样，每盆中随机取样3次，均匀混合后，测定其含水量、pH值、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾，测定方法均为常规法，各处理样品的数据均为5盆的平均值。

1.4.2 小叶锦鸡儿叶片蒸腾速率的测定与数据处理

小叶锦鸡儿生长至叶片展开阶段，使用美制LI－1600稳态气孔计测定叶片的蒸腾速率，测定日期为9月6—8日，早上8时到下午6时每隔2 h测定1次。最后将实测数据进行算术平均，得到3天内各处理的上午、中午和下午的蒸腾速率平均值。

1.4.3 小叶锦鸡儿高生长和生物量测定与数据处理

从5月种植起，每隔1个月，用直尺(精确到1 mm)测小叶锦鸡儿的高度。停止生长后先用电子天平(精确到0.01 g)称地上部分的鲜质量，然后放入70℃恒温箱内烘48 h，再称量，作为地上部分的生物量。取根系时，倒出盆中的土壤，用水冲洗，再用滤纸吸干水后称鲜质量，然后放入70℃恒温箱内烘48 h，再称量，作为地下部分的生物量［5］。各指标为每个处理5盆25株的平均值。

2 结果与分析

2.1 土壤的理化性质

2.1.1 各处理对土壤物理性质的影响

施土壤改良剂后，土壤物理性状有了明显改善，见表1。从表1可知，随着施用量的增加，土壤容重呈下降趋势，下降幅度为5.39%～16.77%。容重变小，表明土壤疏松多孔，土壤水分的渗透性和通气状况有很大的改善。随着土壤改良剂用量的递增，施后土壤孔隙度较对照分别提高了9.90%、17.37%、24.44%、24.28%;土壤中＞0.25 mm水稳性团聚体含量依次增加了9.83%、36.96%、41.07%、37.58%，即土壤团聚度增大;同时，土壤含水量最大增加了30.51%。方差分析表明，施土壤改良剂后土壤的容重、孔隙度、水稳性团聚体含量、风干土含水量与对照相比达显著差异水平(P＜0.05)。

土壤紧实度不同，将引起土壤水分、通气性、温度、生物活性等差异，明显影响土壤的生产性能。土壤紧实度降低，孔隙度增加，将有利于土壤通气、保水、增温，因而将明显提高土壤肥力，为作物根系和土壤微生物的生命活动创造良好的生存条件。

表1 不同处理对土壤物理、化学性质的影响

风沙土土质疏松，土壤部分或几乎全由细砂颗粒组成，土壤透水性、透气性高。施加Arkadolith土壤改良剂后，因其中含有多种矿物(如高岭石、水铝矿等)，而这些矿物具有较大的比表面和较强的静电场，施用后可以把细土和黏粒吸附到它们的周围，渐渐形成微团聚体，使得水稳性团聚体较对照显著增加，因而土壤物理性质得到明显改善。

土壤pH值和电导率是反映土壤盐碱化程度的主要指标。土壤pH值是土壤重要的化学性质，也是影响土壤肥力的因素之一，它直接影响土壤养分的存在状态、转化和有效性，因此对植物的生长发育有着直接的影响。而土壤可溶性盐的含量达到一定数量后，会对植物产生明显的危害，特别是当化肥施用过多后，土壤溶液浓度过大，影响植物正常生长，因此土壤EC值的测定对植物的生长及其管理有着十分重要的意义。

由表1可知，施用土壤改良剂后土壤pH值下降，下降幅度为10.41%～12.30%。使土壤pH值下降的原因是所用改良剂中含有一定的阴离子，其易于和各种阳离子结合，调节和稳定了土壤的pH值，减缓了土壤碱度的急剧变化。

由表1可见，随着土壤改良剂用量的增加，供试土壤的电导率呈明显下降趋势，施后电导率比对照分别减少了7.14%、28.57%、35.71%、21.43%。依靠改良剂，土壤中的盐分含量有所下降。一方面，土壤改良剂的加入改善了土壤结构，使得水盐运动方向得以改变，土体上流水的量和速度减小，抑制了盐的上升;另一方面，加入改良剂降低了土壤表面的水分蒸发，减弱了地下水中的盐分向地表积聚。

2.1.2 各处理对土壤化学性质的影响

从表1可以看出，施土壤改良剂后，土壤有机质、全氮含量均有明显提高，土壤有机质含量较对照分别增加了3.08%、6.17%、11.01%、8.96%，全氮的增加幅度为2.78%～19.44%。施土壤改良剂显著影响土壤全氮和有机质含量(P＜0.05)。土壤有机质是土壤中各种营养元素特别是氮、磷的重要来源，对保持土壤肥力和改善土壤结构也有重要的意义［6］。从试验结果来看，Arkadolith土壤改良剂在改善土壤物理性质的同时，也为土壤提供了大量养分，对土壤改良具有较好的效果。施土壤改良剂能够明显增加风沙土的有机质含量和氮素含量，使土壤有机质和氮素含量得到进一步提高，原因是改良剂能够降低腐殖质中有机质分解速率、提高腐殖化系数，从而提高土壤有机质含量;同时土壤改良剂带有较多的电荷，有机质含量越高的土壤，阳离子交换量也越大，土壤的保肥性也越强，相应地也会提高速效养分的含量。

速效养分是指当季作物吸收的养分，它们对作物早期的生长发育起着重要的作用［7］。土壤速效磷也称土壤有效磷，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应能力，为合理使用磷肥提供依据。土壤速效钾易被植物吸收利用，是土壤钾素供应水平的主要指标之一，因此测定土壤中速效钾的含量，可以反映土壤钾素的供应状况。

表1表明，施土壤改良剂后，土壤有效磷、速效钾都较对照增幅明显，有效磷增幅为2.12%～14.13%，速效钾增幅为1.82%～5.12%。经过方差分析，施土壤改良剂后的处理与对照相比差异达显著水平(P＜0.05)。

Arkadolith土壤改良剂是一种比较稳定的矿物质复合体，因为其表面吸附有大量的阴离子(NO3－、PO43－)，而这些物质增加了土壤的肥力，促进了土壤中各种有效物质的富集。

2.2 小叶锦鸡儿的蒸腾速率

蒸腾速率大小与植物的生理活动强度有密切的关系，蒸腾速率的差别和日变化幅度可以间接反映各处理的植物生理强度差异［5，8］。施入土壤改良剂的风沙土所种植的小叶锦鸡儿同对照比，一天中各个时段的蒸腾速率及其变化规律存在明显的差异。对照蒸腾速率最低，平均值为1.96 g/(cm2·s);处理A3的蒸腾速率最大，平均值为2.34 g/(cm2·s)(图1)。这说明施加10%土壤改良剂的处理植物蒸腾速率大，光合作用旺盛，有利于小叶锦鸡儿的生长和干物质的积累。从蒸腾速率的日变化来看，一天中14:00蒸腾速率达到峰值，15:00后光照开始下降，温度也开始降低，植物的蒸腾速率下降，18:00下降到一天中的最低值。而施加10%土壤改良剂的处理日变化最大，14:00后蒸腾速率明显下降。施用土壤改良剂能改善小叶锦鸡儿的自我调节作用，增强小叶锦鸡儿的生存能力以及对外界的适应能力。根据植物生理学的一般规律，土壤养分和水分条件优越，将有利于提高蒸腾速率，同时表现出来的日变化规律也更为明显，这可从各处理的日变化中得到体现。

2.3 小叶锦鸡儿的高生长

植株高度的变化反映了植物生长的快慢［9］。自5月9日至11月9日，每隔1个月对小叶锦鸡儿的高度测量1次，结果见图2。由图2可以看出，土壤改良剂对小叶锦鸡儿的生长有明显的促进作用，小叶锦鸡儿的高生长在7月到8月之间达到峰值，施加改良剂的植物平均高生长增加量为7.14 cm，而对照仅为4.66 cm。8月后，植物的生长减缓，11月后基本停止生长。在观测的7个月中，施加10%改良剂的小叶锦鸡儿平均每月的高生长增加量为4.97 cm，而对照为3.27 cm。随土壤改良剂用量的增加，小叶锦鸡儿高度呈明显递增趋势，但施加12.5%土壤改良剂的植物高生长小于施加10%的，说明施加10%土壤改良剂对植物的高生长促进作用最大，施加多于10%的土壤改良剂反而会抑制小叶锦鸡儿的高生长。

2.4 小叶锦鸡儿的生物量

地上生物量可反映出植物茎叶干物质积累情况，进而看出其光合作用的强弱。根系在植物生活中起着非常重要的作用，植被根部发育状况对植被生活力影响很大，在植被生长过程中，良好的根系有利于水分和营养元素的吸收，发达的根系可以增强植物的抗逆性。因此，通过对植被地上、地下生物量及其比值的研究，可进一步了解根部的生长发育状况［10］。由表2可以看出，小叶锦鸡儿地上部分和地下部分的质量随着土壤改良剂施用量的增加呈递增的趋势，各处理之间的差异达显著水平(P＜0.05)。

植物地下部分与地上部分的鲜质量或干质量的比值，即根冠比，是牧草适应环境能力强弱的重要指标之一，同时也反映了地上生物量和地下生物量的相对变化情况［11］。由表2可知，经过改良后的土壤中的根冠比较对照有增大的趋势，并且差异较为显著(P＜0.05)。这说明加入改良剂后，土壤中的养分增加，改善了植物根系的生长环境，使根系分生出更多的须根，为地上部分的生长输送了更多的营养成分。在沙区中，相对多的根系，更有利于植物的生长。

表2 5种处理方式对小叶锦鸡儿生物量的影响

但当土壤改良剂的施入量大于10%时，植物的产量和根冠比都有所下降，致使处理A4和A2对植物产量的影响相当，说明施加过多的土壤改良剂对小叶锦鸡儿的生长有一定的抑制作用。

3 结论与讨论

(1)Arkadolith土壤改良剂对风沙土的理化性质有明显的改良作用:能改变土壤的质地，提高土壤孔隙度，加快渗透速度，增加土壤水分;能增加土壤中的养分含量，提高速效养分含量，平衡土壤中各种养分;能降低土壤EC值和pH值，减轻土壤盐分含量过高的危害。

(2)Arkadolith土壤改良剂能有效提高植物的蒸腾速率，促进植物生物量的累积。

(3)施用Arkadolith土壤改良剂明显地促进了小叶锦鸡儿的高生长和根系的生长。施加10%Arkadolith土壤改良剂最有利于小叶锦鸡儿的生长，当施入量大于10%时，对土壤的改良和小叶锦鸡儿的生长有一定的抑制作用。

(4)不同植物种对Arkadolith土壤改良剂的需求量不同，在Arkadolith土壤改良剂的推广中，要建立起内蒙古沙区常见植物种的土壤改良剂的最佳配比量，尤其是要增加土壤改良剂对沙区常见乔木生长状况的研究。同时应该进一步补充研究土壤中矿物质的含量，以及在加入Arkadolith土壤改良剂后风沙土中矿物质含量的变化，为今后矿物类土壤改良剂的研发和改进提供参考。

［1］于阳辉，李永霞，张俊红，等.非金属矿物在土壤改良中的应用现状与发展前景［J］.中国非金属矿工业导刊，2005(1):37－39.

［2］严振英.试论风沙土对我省草原及环境的影响［J］.青海草业，1994(4).

［3］王志，彭茹燕，王蕾，等.毛乌素沙地南缘改良与利用风沙土性质研究［J］. 水土保持学报，2006，20(2):14 －16，21.

［4］李长洪，李华兴，张新明.天然沸石对土壤及养分有效性的影响［J］.土壤与环境，2000，9(2):163－165.

［5］陈伏生，曾德慧，陈广生，等.风沙土改良剂对白菜生理特性和生长状况的影响［J］.水土保持学报，2003，17(2):152－155.

［6］高永恒，孙吉雄，王有国，等.土壤改良剂对草坪床土理化性质的影响［J］.草原与草坪，2004(2):34－36.

［7］苏加楷，张文淑.牧草良种引种指导［M］.北京:金盾出版社，2007:9，26，135.

［8］中国科学院上海植物生理研究所，上海市植物生理学会.现代植物生理学实验指南［M］.北京:科学出版社，1999:58－62.

［9］田福平，武高林，杨志强，等.4种土壤改良剂对多年生黑麦草的生长特性影响研究［J］.草业科学，2006，23(11):28－34.

［10］郭建斌，周洁，蒋坤云，等.Arkadolith土壤改良剂对内蒙沙区常见牧草生长状况的影响［J］.生态环境学报，2010，19(9):2085－2090.

［11］彭永欣，郭文善，严六零，等.小麦产量生理调节机理及应用技术研究［J］.麦类作物学报，1995(2):36－39.