液体地膜对黄土丘陵沟壑区侧柏林土壤性质影响

张国全,韦丹,聂立水†,朱清科,张岩,孙宾,高培鑫

(1.北京林业大学林学院,100083,北京；2.北京林业大学水土保持学院,100083,北京)

液体地膜对黄土丘陵沟壑区侧柏林土壤性质影响

张国全1,韦丹2,聂立水1†,朱清科2,张岩2,孙宾1,高培鑫1

(1.北京林业大学林学院,100083,北京；2.北京林业大学水土保持学院,100083,北京)

干旱缺水是影响黄土丘陵沟壑区植被恢复的主要因素。在黄土丘陵沟壑区侧柏林地喷施液体地膜，采用随机区组设计，通过分析处理与对照的试验数据，研究液体地膜对侧柏林土壤水分及养分的影响，解决在植被恢复过程中缺水少肥的状况。结果表明：1)喷施液体地膜后初次测量0～10、>10～20、>20～40、>40～60 cm土层的土壤含水量降低量处理比对照少0.26%、0.04%、0.08%、0.05%；降水后再次测量发现各土层土壤含水量降低量处理比对照少1.35%、1.28%、0.52%、0.23%；2)液体地膜降解后能有效增加土壤表层有机碳、全氮的质量分数，0～10 cm土层的土壤全氮质量分数处理比对照高0.11 g/kg,土壤有机碳质量分数处理比对照高4.27 g/kg；3)试验期间8—9月、9—10月侧柏树高平均增量处理分别为对照的231%、224%；8—9月、9—10月地径平均增量处理分别为对照的305%、261%。建议在黄土高原地区造林时合理使用液体地膜。

液体地膜； 土壤有机碳； 全氮； 黄土丘陵沟壑区

植被恢复，尤其干旱地区植被恢复是世界性难题，人们通过各种措施来恢复植被[1-2]，而黄土高原水土流失严重、自然环境条件恶劣一直是我国生态建设中植被恢复的重点区[3]，水资源短缺是主要限制因素[4]。黄土高原地区土壤质地疏松均一,对植物有效的土壤含水量多在12%～15%之间[5],土壤保持水分的能力较高,持水空隙可达25%～30%[6]；但同时黄土高原土壤疏松多孔,毛细孔隙发达,具有极强的蒸发性能,水分易散失,保水能力差。尤其沟壑区土壤支离破碎，植被覆盖稀少，土壤涵养水源的能力较低，水分蒸发严重，并且该地区黄土厚度一般为50～140 m,而地下水埋藏较深,无法对上层土壤进行补给；因此降水成为补充该地区土壤水分的唯一来源[7]。黄土高原地区降水量年内分布极不均匀，秋季、春季、冬季各占全年降水量的26.7%、4.5%、2.1%。此外，降水量年际变化率大，丰水年降水量可达695 mm，干旱年只有200 mm，500～550 mm降水量的保证率只有17.7%[8]。黄土高原地区多年平均降水量350～650 mm，其中7—9月降水量占年降水量的50%以上，降水一直处于“秋多春少”的状态[6，7，9]；因此，春季土壤水分缺乏成为黄土高原造林中的关键因素。

目前用于解决干旱土壤的材料方法有很多，其中以保水剂的应用最为广泛，保水剂一个优点就是能在进入土壤后反复吸水放水供给植物根系[10]，但同时造成了对土壤环境的污染。近年兴起的液体地膜从另外的角度能够解决土壤水分的相关问题。液体地膜属于高分子混合物，通过水稀释喷施于土壤表面后能够在土壤的表层形成黑色的保水固化膜，有效防止土壤水分的蒸发；并且能够经过自然降解转化为植物生长需要的有机物质，可以在减少污染的同时在较短时间内改善土壤结构[11-13]。塑料地膜覆盖栽培技术对调控农田生态环境和促进作物增产等均具有显著的效果[14]；但是，塑料地膜在农业生产中的长期应用已经导致严重的白色污染，残留在土壤中的塑料农膜严重的影响着土壤的物理性质,破坏了植物生长所需的正常土壤结构[12，15]。黄土高原地区生态非常脆弱，植被恢复过程中在注意成本和施工同时要注意环保问题；因此在造林过程中选择合适的地膜覆盖措施不仅能够节约材料成本、节省人力，还能够在改善植被恢复效果的同时减少对生态环境的破坏，符合科学发展观的要求。液体地膜相对于其他工程措施、生物措施还有成本低、施工简单、容易推广的优点，十分适合应用于丘陵地区的破碎地貌[16]。

液体地膜覆盖的研究在农业生产中已比较成熟：其对桑树(MorusalbaL.)生长有促进作用[15]；对辣椒(Capsicumannuum)植株的株高、茎粗生长有促壮效应，并能显著的提高其产量和品质[17]；在棉花(Gossypiumspp.)、花生(Arachishypogaea)、玉米(Zeamays)苗期的作用也十分明显[13，14，18-20]。但是，在黄土丘陵沟壑区造林上的应用很少。笔者通过喷施液体地膜，研究其对黄土丘陵沟壑区造林中土壤含水量及养分质量分数的影响，旨在为该地区的生态环境植被恢复提供技术支持。

1 试验地概况

试验设在吴起县合沟沟口,吴起县位于陕西省延安市的西北部，E 107°38′57″～108°32′49″,N 36°33′49″～37°24′27″，总面积约3 791.5 km2[21]。吴起县的地质结构属于鄂尔多斯地台，地貌类型属陕北黄土高原梁状丘陵沟壑区，地势大体西北高，东南低。全县沟壑密度2.54 km/km2，是黄河中游的水土流失重点县。吴起县属温带大陆性季风气候，降水量十分稀少，多年平均降水量为478.3 mm，并且降水随时间的分布不均匀，主要集中在夏季，降水量为301.7 mm，能够占全年降水量的62.4%。年均温在7.8 ℃，无霜期96～146 d，多年平均陆地蒸发量在400～450 mm之间。该县土壤类型主要为黄绵土，质地为轻壤[22]。

2 研究方法

2.1 试验材料

试验地为2008年春季造林的侧柏(Platycladusorientalis)林地。整地方式为鱼鳞坑整地,规格为长0.8 m、宽0.6 m、深0.6 m。处理前处理区和对照区的土壤的养分质量分数见表1。

试验所需液体地膜由河南农业大学农学院提供，属于不透明材料，棕褐色，见光后会变为黑色，黏度14.76 s(稀释5倍)，体积质量为0.992 4 g/cm3，pH值为7，覆盖地面保水的有效时间约为60 d左右[12]。

表1 处理前试验地土壤的养分质量分数

2.2 试验设计

试验在坡度、坡向基本一致的阳坡地形上进行，设置宽(与等高线平行)6.0 m、长(与等高线垂直)20.0 m、面积为120 m2的小区，每个小区选取20棵侧柏作为试验对象，选生长环境、水分条件相似的20 棵作为对照，试验设计采用随机区组设计。小区沿等高线进行3次重复，分别标记为A组、B组、C组。在处理区侧柏鱼鳞坑内喷施375 kg/hm2、稀释倍数25倍的液体地膜,在对照区喷施与处理等量的清水。在长20.0 m、宽6.0 m的长方形各小区中间设2行侧柏为保护行。小区中侧柏的密度为0.3棵/m2。每个小区随机选取20棵侧柏为试验观测对象。

2.3 土壤样品测定方法

于2012年8—10月，在各小区随机选点分层混合取样。采用烘干法测定土壤含水量，采用凯氏定氮仪测定土壤全氮质量分数，采用重铬酸钾容量法——外加热法测定土壤有机质[23]。

2.4 数据处理

应用SPSS18.0统计软件进行数据统计分析，图表采用Excel2007绘制。

3 结果与分析

3.1 对土壤含水量的影响

8月2日试验开始时先分0～10、>10～20、>20～40、>40～60 cm 4个土层测定土壤含水量，再喷施液体地膜。在试验的第4、6、14天分别测定土壤含水量，结果见图1。

图中数据表示该日期在相应土壤层次的土壤含水量。Data in the graph represents the corresponding level of soil water content of the data/%图1 液体地膜对土壤含水量的影响Fig.1 Effect of liquid film mulching on soil water content

可以看出，在初始各土壤层含水量基本一致的情况下,8月5日处理区0～10、>10～20、>20～40、>40～60 cm土层的土壤含水量降低量比对照区少0.26%、0.04%、0.08%、0.05%；图中显示8月5日后土壤含水量明显升高，是因为在试验的第5天有降雨。在喷施液体地膜2周后的8月15日再次测定土壤含水量，与8月7日比较，发现处理区0～10、>10～20、>20～40、>40～60 cm土层土壤含水量降低量比对照区少1.35%、1.28%、0.52%、0.23%。

可知，处理区和对照区土壤含水量有明显的差异。降雨前，0～10 cm土层的土壤含水量差异最明显，说明液体地膜覆盖能够有效地降低土壤水分蒸发；降雨后，0～10、>10～20 cm的处理与对照的含水量降低量差异最明显，并且>20～40、>40～60 cm土层的土壤含水量处理与对照之间也有差异。说明喷施液体地膜能够有效的防止土壤表层水分的蒸发，并且当降雨后对土壤各个层次的含水量均有保水作用。

3.2 对土壤有机碳质量分数的影响

喷施液体地膜后土壤有机碳质量分数测定结果见图2。

图2 喷施液体地膜后土壤有机碳质量分数Fig.2 Effect of liquid film mulching on soil organic carbon content

可以看出，土壤有机碳质量分数0～10、>10～20、>20～40、>40～60 cm土层处理比对照分别高4.27、3.24、0.45和0.91 g/kg。可知，喷施液体地膜对0～10、>10～20 cm土层土壤有机碳质量分数影响明显，而>20～40、>40～60 cm土层土壤有机碳质量分数增加较少，说明喷施液体地膜对>20～40、>40～60 cm土层的有机碳质量分数影响较小。

结果表明，在黄土丘陵沟壑区植树造林过程中，喷施液体地膜能够明显地增加土壤表层的有机碳质量分数，在造林时喷施液体地膜能够明显提高表层土壤有机碳的质量分数,为苗木成活后的生长增加必需的养分来源。

3.3 对土壤全氮质量分数的影响

喷施液体地膜后土壤全氮质量分数测定结果见图3。

图3 喷施液体地膜土壤全氮质量分数Fig.3 Effect of liquid film mulching on soil total nitrogen content

可以看出，土壤全氮质量分数0～10、>10～20、>20～40、>40～60 cm处理分别比对照高0.11、0.06、0.01和0.01 g/kg。可知，对0～10、>10～20、>20～40、>40～60 cm土层喷施液体地膜的全氮质量分数仅比空白对照分别高出0.11、0.06、0.01和0.01 g/kg，可见喷施液体地膜对0～10、>10～20 cm土层的土壤全氮质量分数的影响比>20～40、>40～60 cm要显著。

因此,在黄土丘陵沟壑区造林初期采用喷施液体地膜覆盖不仅能提高土壤表层有机碳质量分数，为苗木的生长提供所需有机质；同时还能增加土壤中氮元素的质量分数，从而为苗木早期生长提供足量的氮元素。

3.4 对侧柏树高、地径的影响

在喷施液体地膜后,分别在8、9、10月测定试验地侧柏的树高、地径，并进行相关分析,结果见表2。

可以看出：试验期间侧柏林地8—9月、9—10月树高平均增量处理分别为对照的231%、224%；试验期间侧柏林地8—9月、9—10月地径平均增量处理分别为对照的305%、261%。

表2 喷施液体地膜后侧柏树高、地径的增量

注：样本数n=60,A代表液体地膜的覆盖对植物生长的影响达到极显著水平(P<0.01)。Note：Sample size:n=60, A shows that the effect of liquid film covering on plant growth reaches extremely significant level.

可知，喷施液体地膜后的侧柏林地，侧柏的树高、地径与对照区均有极显著差异,喷施液体地膜能够明显促进侧柏林地树高、地径的生长。由于液体地膜在喷施后60 d左右会发生降解，因此，在造林前期对于苗木的生长具有明显的促进效应，在其效应作用完毕应采取其他有效措施保证苗木生长良好。

4 结论与讨论

1)喷施液体地膜能有效保水，并且在有降水的情况下能有效减缓土壤中的水分散失。

2)液体地膜降解后能有效增加土壤中有机碳、全氮的质量分数，为侧柏提供生长所需养分。

3)喷施液体地膜能显著提高侧柏的树高、地径的生长。

4)在黄土高原丘陵沟壑区植被恢复过程造林中喷施液体地膜能有效保水，并改善土壤相关养分状况，显著促进树木的生长，加速植被恢复的进程。

本研究是在室内试验研究基础上的一个短期的大田验证试验，试验证明液体地膜在黄土高原地区造林中确实能够有效保水，并能改善相关土壤养分质量分数、促进植物生长；但是仍存在一些问题，在喷施过程中是大面积喷施，还是单个种植坑面进行喷施，在降雨量大时会否对液体地膜造成冲刷，在旱季使用时是否效果更显著，这些均需要进一步的研究与讨论。

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(责任编辑：宋如华)

Effects of liquid film mulching on soil properties ofPlatycladusorientalisstand in the hilly-gully region of Loess Plateau, western China

Zhang Guoquan1, Wei Dan2, Nie Lishui1, Zhu Qingke2, Zhang Yan2, Sun Bin1, Gao Peixin1

(1.School of Forestry, Beijing Forestry University,100083, Beijing, China； 2.School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China)

Water shortage is the main factor influencing vegetation restoration in the hilly and gully region of Loess Plateau of western China. Understanding the effect of spraying liquid film in thePlatycladusorientalisforest land on soil moisture and nutrient status would help us solve the problem of water and nutrition deficiencies in the course of vegetation restoration. The results showed that: 1) In the first measurement after spraying liquid film, the amounts of decrease in the soil moisture content in the 0-10 cm, >10-20 cm, >20-40 cm, >40-60 cm soil layers were 0.26%, 0.04%, 0.08% and 0.05% less than that in control. Measurement after rain found that the decrease in soil moisture content of each soil layer was 1.35%, 1.28%, 0.52% and 0.23% less compared to the control, respectively. 2) Liquid film after decomposition can effectively increase the contents of soil organic carbon (SOC) and total N. Soil total N content was 0.11 g/kg higher and SOC content was 4.27 g/kg higher than the control in 0-10 cm layer. 3) After treatment, the average increment of the height ofP.orientaliswas 231% from August to September and 224% from September to October, compared to the control, and the average increment of diameter was 305% and 261% during the corresponding periods. Our study suggests that the liquid film should be applied in the loess plateau region.

liquid film; soil organic carbon; total nitrogen； hilly-gully region of Loess Plateau

2014-12-19

2015-05-11

张国全(1986—)，男，硕士研究生。主要研究方向：植物营养与施肥。E-mail:zhgqshuaige@126.com

†通信作者简介：聂立水(1963—)，男，教授，博士生导师。主要研究方向：植物营养与施肥，植被恢复。E-mail:nielishui@sohu.com

S157.5

A

1672-3007(2015)05-0140-05

项目名称：“十二五”农村领域国家科技计划课题“陕北黄土丘陵沟壑区保水固土水土保持植被研究与示范”(2011BAD38B0601)。