自制环保型土壤改良剂对一年生黑麦草生长的作用

袁耀，郭建斌，尹诗萌，牟夏

(北京林业大学水土保持学院，水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京 100083)

自制环保型土壤改良剂对一年生黑麦草生长的作用

袁耀，郭建斌*，尹诗萌，牟夏

(北京林业大学水土保持学院，水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京 100083)

摘要：为探索自制环保型土壤改良剂应用于黄土高原半干旱区后对土壤的改良效果，选用一年生黑麦草进行盆栽试验，统计分析一年生黑麦草生长生理指标，比较3种自制土壤改良剂(A,B,C)和1种市场土壤改良剂(D)的作用效果，以筛选出适宜的土壤改良剂。研究结果表明，土壤改良剂能改善土壤的通透性，对一年生黑麦草出苗率影响不大；添加土壤改良剂能显著提高一年生黑麦草的株高、分蘖数、生物量、含水率、P肥和N肥表观利用率；与市场改良剂和对照CK相比，添加自制环保型土壤改良剂C的处理，其植株株高分别提高了16.6%和33.7%，分蘖数提高了18.5%和33.8%，生物量提高了40%和185%，土壤改良剂C作用下P肥表观利用率达到10.28%，说明自制环保型土壤改良剂C的促进作用最佳。研究结果将为黄土半干旱区土壤改良剂的研发以及植被恢复提供理论指导作用。

关键词：环保型土壤改良剂;土壤容重;黑麦草;分蘖;生物量

Effect of soil conditioner on the growth ofLoliummultiflorum

YUAN Yao, GUO Jian-Bin*, YIN Shi-Meng, MOU Xia

SchoolofSoilandWaterConservation,KeyLab.ofSoil&WaterConservationandDesertificationCombatingofMinistryofEducation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China

Abstract:To explore the effect of soil conditioners which are applied to semiarid regions of the Loess Plateau, this study compared pots planted with Lolium multiflorum seed with and without the soil conditioners. Three self-made soil conditioners (A, B, C) and a standard soil conditioner (D) were compared. The results showed that soil conditioner application can significantly improve soil perviousness, but there was no difference in seedling emergence rates between untreated and soil conditioner treated pots. Soil conditioner C produced significantly better height growth in L. multiflorum plants, 16.6% and 33.7% higher than that of the standard soil conditioner and the untreated soil respectively. Tiller numbers in pots treated with soil conditioner C were 18.5% and 33.8% higher than that of standard soil conditioner and the untreated soil respectively while the biomass was 40% and 185% higher, respectively. The appearance utilization rate of phosphorus was 10.28% treated with soil conditioner C. Therefore, self-made environment-friendly soil conditioner C was the best soil conditioner among them. The study will provide a theoretical guide for soil conditioner application and vegetation restoration in semiarid regions of the Loess Plateau.

Key words:environment-friendly soil conditioner; volume weight of soil; ryegrass; tiller; biomass

早在人类定居农业开始之时，土地退化问题就已出现。尤其是最近几十年，随着我国人口急剧增长，耕地面积日益减少[1-2]，过度开垦加上不合理的人为利用，加快了土地退化的进程，致使土地生产能力局部或全部丧失，极大影响了农林业的可持续发展。研制高效土壤改良剂来改善土壤结构[3]，提高土壤肥力，对推进我国农林业的发展具有重要意义。

土壤改良剂的研究始于19世纪末，经过100多年的研究和应用实践[4]，土壤改良剂的产品种类越来越多，从天然结构改良剂[5]、人工合成改良剂[6-7]到后来的生物改良剂[8]等，能有效改良土壤的理化性状、促进植物对水分、养分的吸收，同时提高土壤的生产能力，展示出了土壤改良剂良好的应用潜能和发展前景[9]。但是，多数土壤改良剂还存在或多或少的缺陷，使用量过多导致成本提高、改良效果不全面或存在不同程度的负面影响等[10-11]。因此，从高效环保的角度入手[12-13]，本文将天然黏土矿物、农用污泥和城市一级生活污水作为营养基质，按照一定的比例并通过特殊方法处理，制成3种环保型土壤改良剂。通过试种一年生黑麦草(Loliummultiflorum)，分析土壤改良剂对植物生长的影响，研究其作用机理，同时为我国生活污水处理、环保型土壤改良剂的开发利用提供技术支撑。

1材料与方法

1.1　供试土壤

本研究试验地位于北京林业大学八家苗圃，盆栽试验基质来源于山西省吕梁山西麓的方山县花果山，属黄河中游黄土丘陵沟壑区[14]，该区土壤为典型的黄绵土，质地均匀，土壤容重1.23 g/cm3，其各项化学性质见表1。

表1　供试土壤的基本理化性质

1.2　供试材料

试验植物为一年生黑麦草。本试验所用的土壤改良剂有4种，其中1种为市场上购买的改良剂，主要由蛭石粉构成，该种改良剂为天然无毒矿物，在高温下易膨胀，能够较好地进行阳离子交换和吸附，并且能改善土壤的通透性；另外3种改良剂(A，B，C)是自制改良剂，由不同的黏土矿物、农用污泥、城市一级生活污水，按照一定的比例，通过特殊的生产工艺制作而成。其中所用的城市生活污水符合《城市污水再生利用农田灌溉用水水质》标准(GB20922-2007)，农用污泥符合《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》标准(GB/T23486-2009)[15]。因此，自制的改良剂产品符合环保、肥力高效的特点，故也称为环保型土壤改良剂，其化学性质见表2。

表2　自制土壤改良剂的理化性质

1.3　试验设计

本试验于2013年5-10月进行，为了便于观测和控制试验条件，采用盆栽法，花盆规格为上口径30 cm、下底径25 cm、高30 cm，按照试验设置将土壤改良剂和黄绵土充分混合后装入盆中，装满花盆的90%，轻轻压实，使盆中土壤容重与自然土壤类似，约为1.25 g/cm3，土壤基质总质量为5 kg。

试验共设5个处理(1、2、3、4、CK)。分别添加相应的土壤改良剂：自制改良剂A 300 g、自制改良剂B 300 g、自制改良剂C 300 g、市场改良剂300 g、对照不添加。土壤改良剂的添加量占土壤基质的6%，每个处理设置6个重复，对照试验设计详见表3。

黑麦草采用点穴种植方式[16]，每盆均匀点播15个穴，每个穴种黑麦草草种4粒，共60粒。在黑麦草出苗之前，每天浇水，使浇水后土壤含水率达到田间持水量的45%左右[17]，之后每3 d浇水1次。在测定出苗率之后，对每个穴进行间苗，使得每个穴只留1株黑麦草，幼苗继续生长。

表3　对照试验设计

1.4　土壤理化性质测定方法

采用环刀法测定土壤容重[18]，种植60 d之后进行取土；土壤含水率使用便携式土壤水分测定仪RQ-SQ01进行测量。

1.5　出苗率、株高、分蘖数、生物量测定方法

出苗率的测定：播种后待黑麦草出苗时，测定每个处理草种出苗数与播种数的比值。

株高的测定：植物生长15 d之后，每隔15 d测定1次株高，共测量6次。

分蘖数的测定：植物生长30 d之后，每隔15 d测定1次分蘖数，共测量6次。

生物量的测定：到10月份，待黑麦草株高基本不变的时候，将每个组取2盆植物截取其地上部分，用水洗的方法取其地下部分，尽量保持其根部的完整性，用电子天平(精度0.01 g)测定其生物量[19]。

1.6　植物体内部分营养元素的测定

对黑麦草地上部分进行烘干粉碎，将黑麦草粉碎样本进行化学分析，测量黑麦草N、P、K元素含量。植物全N测定采用H2SO4-H2O2消煮法，全P采用钼锑抗吸光光度计法，全K采用火焰光度法[19]。

1.7　数据分析

观测取得的数据应用Origin 8.6软件，Excel 2010软件和SPSS 18.0软件分析处理。

2结果与分析

2.1　不同处理对土壤容重的影响

土壤容重是土壤重要的物理性质之一，能够反映土壤肥力、结构和紧实程度，而孔隙度影响土壤水分和养分的扩散[20]。比较不同处理对土壤容重的作用如表4所示，土壤容重大小依次为：处理1<3<4<2

2.2　不同处理对出苗率的影响

将各处理下黑麦草出苗率进行统计分析(表4)。处理1的出苗率最低，为79.44%，处理4的出苗率最高，为84.44%，方差检验分析显示，对照CK与其他处理之间没有显著性差异。结果表明，黑麦草的出苗率受添加土壤改良剂的影响不大。

2.3　不同处理对株高的影响

不同土壤改良剂处理下一年生黑麦草株高变化规律如图1所示。在整个生长期， 添加土壤改良剂的黑麦草生长趋势具有相似性，表现为从出苗到生长30 d期间生长速度较快，后期长势趋于平缓的特点，而CK则从出苗到生长30 d期间生长平缓，后期生长迅速的情况，但是在整个观测期内株高生长速度明显低于改良剂处理组，显然由于施用土壤改良剂之后，基质不仅能提供充足的营养元素，并改善土壤的通透性，有利于植物对营养元素的吸收和利用，使黑麦草初期能迅速生长，随着营养元素的消耗及苗根生长空间的限制，后期生长速度相对减小；相反，对照(CK)一方面土壤通透性差、表层容易结皮，另一方面基质营养元素相对缺乏，是导致黑麦草后期生长不良的重要因素。添加改良剂处理的黑麦草株高均高于CK，其中处理3株高比CK提高了 33.7%，效果最为明显。与处理4相比，处理3提高了16.6%，尤其是在出苗30 d的时候，处理3比CK提高了87%，此结果表明自制土壤改良剂C对株高的促进效果最佳。

表4　不同处理对土壤容重和一年生黑麦草出苗率的影响

注：不同小写字母表示用LSD多重比较法分析得出的不同处理间差异显著(P<0.05)，下同。

图1　不同处理对一年生黑麦草株高的影响Fig.1　Effect of different treatments on plant height of annual ryegrass

图2　不同处理对一年生黑麦草分蘖数的影响Fig.2　Effect of different treatments on tiller number of annual ryegrass

Note: Different small letters indicate significant differences at 0.05 level with multiple comparison method，The same below.

2.4　不同处理对分蘖数的影响

不同土壤改良剂处理下一年生黑麦草分蘖数变化规律如图2所示。从整体来看，黑麦草分蘖数变化呈现先缓慢后迅速增长的规律。从出苗到生长60 d期间，分蘖数增加缓慢，这主要是由于这段时间黑麦草所吸收的营养元素和光合作用累积产物主要用于植物的纵向生长，即体现在株高的生长量上，后期黑麦草纵向生长减缓，分蘖数呈现出线性增长趋势,这与刘月梅和张兴昌[21]对黑麦草的研究结果相一致。与CK相比，施用土壤改良剂的处理，其分蘖数明显增加，这与黑麦草株高生长规律是相一致的。各处理的分蘖数排序为：处理3>2>4>1>CK，其中处理4比CK提高了13%，除了处理1低于处理4外，其余2种处理2、3分别比CK提高了20.4%和33.8%，处理3效果最为显著，体现了自制改良剂C的优越性。

在黑麦草生长季结束后，选取不同处理下黑麦草的生长指标(株高、分蘖数)进行方差分析和多重比较，结果如图3。从平均株高来看，处理4与CK差异显著,但与处理1差异不显著，处理2与处理3、4差异不显著，但与CK差异显著，处理1与2、CK差异不显著，处理3与1、4、CK差异显著。从分蘖数来看，处理1与4、CK差异不显著，但与处理2、3差异显著，处理2与处理3、CK差异显著，与处理4差异不显著，处理3与CK差异显著。说明施用土壤改良剂会对黑麦草生长产生较大的影响，而处理3对黑麦草生长的促进作用尤为明显，也就说明自制土壤改良剂C作用效果最佳。

图3　不同处理下黑麦草生长指标Fig.3　Growth index on annual ryegrass of different treatments

2.5　不同处理对生物量的影响

在黑麦草生长季结束以后，对其地上部分进行刈割，而地下部分则通过水冲刷获得。将收集到的黑麦草地上和地下部分在实验室进行生物量的测定，分别统计得到每10株黑麦草的地上部分、地下部分的鲜重和干重(每盆总生物量与该盆黑麦草株数的比值再乘以10)[22]，如图4所示。从图4可以看出：与对照CK相比，其他4种处理均有助于提高植株的生物量，其中处理3>2>4>1>CK，处理1与处理4差异不显著，其他处理之间均差异性显著。就地上部分来说，处理3高出CK 189%，比处理4高出45%。

图4　不同处理一年生黑麦草植株生物量 Fig.4　Biomass on annual ryegrass of different treatments

不同小写字母表示用LSD多重比较法分析得出的不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。Different small letters indicate significant differences atP<0.05 level with multiple comparison method. The same below.

植物体的根部除了为植物提供生长所需的水、无机盐之外，还具有固定土壤，减少地表径流，防治水土流失等作用[23]。根系越发达，改善土壤结构、固土效果越好。通过对植株地下部分生物量的比较分析，由图4可以看出，添加土壤改良剂处理的黑麦草地下部分更发达，平均高出CK 0.7~1.8倍，说明土壤改良剂能有效改善土壤结构，促进根系生长；毛根数量增多又能松土保水，提高土壤渗透性，促进植物养分吸收。其中，处理2、处理3较处理4分别提高了24%,47%，显示出自制环保土壤改良剂的优越性。

植物体的含水量体现了植物的抗旱能力、光合蒸腾的强度，同时植物体内水势的高低又能影响植物对土壤中无机盐的吸收[24]。根据黑麦草地上部分鲜重和干重得出不同处理下一年生黑麦草植物体含水率：处理1(45.9%)、处理2(49.2%)、处理3(48.4%)、处理4(44.72%)、CK(39.78%)，作用程度：处理2>3>1>4>CK。由此可见，土壤改良剂作为基质应用于黑麦草，使其体内含水量较CK有一定的提升，并且自制环保改良剂对黑麦草含水率的提升要明显优于市场改良剂。结果表明，土壤改良剂所含营养元素能有效促进根系生长，提高了根系对水分的吸收利用率，从而提高了植物体内含水量及水势。

2.6　不同处理对黑麦草营养元素含量的影响

植物营养物质表观利用率能够反映不同处理对营养物质的吸收利用效果[25]，植物营养元素的表观利用率为处理组植物体内某种元素含量(g/kg)与空白对照中该元素含量(g/kg)的差值比上施肥量。通过比较不同处理作用下营养物质表观利用率的差异来解释土壤改良剂的作用效果。将黑麦草植物样本在60℃下烘24 h，并对其地上部分进行研磨粉碎，分析测量其营养物质N、P、K元素的含量，并计算各营养元素的表观利用率，如表5所示。

根据表5可得，施用土壤改良剂的处理均提高了P肥的表观利用率，其中处理3的表观利用率最高，达到10.28%，是处理4的1.71倍。4组处理均提高了黑麦草K肥的表观利用率，其中处理3作用最为明显，为2.19%，较 CK提高了2.13倍。而处理1、2、3对N元素吸收量明显的低于CK，其中处理1的N肥表观利用率降低最多，达到-16.01%。所以施用自制土壤改良剂提高了黑麦草对P、K肥的吸收量，反而减少了对N肥的吸收作用，对于N肥利用率下降的原因还有待于进一步研究商榷。

表5　不同处理营养物质表观利用率

注：表观利用率=[不同处理植物体营养元素含量(g/kg)-空白对照处理植物体营养元素含量(g/kg)]/施肥量。

Note：Appearance utilization=[Content of plant nutrients of different treatment-content of plant nutrients of CK]/fertilization.

3讨论与结论

不同土壤改良剂处理下，与对照(CK)相比，土壤容重降低，孔隙度增大，土壤通透性提高，这与土壤改良剂带有较多的电荷离子有关，离子形成的微电场能够吸附较小的土壤颗粒，聚成小团块，从而使孔隙度增大，提高土壤保蓄水肥和通气的能力[26]，这与蒋坤云等[27]的研究结果一致。但黑麦草的出苗率受土壤改良剂的影响不大。

土壤改良剂有利于一年生黑麦草的生长，不论株高还是分蘖数较对照CK都有显著的增长，自制环保土壤改良剂A、B、C中，除了改良剂A的增长量低于市场改良剂，其他两种的改良效果均优于市场改良剂。作为试验的唯一变量，土壤改良剂的加入，一方面有效改善了土壤孔性，提高了土壤持水能力和供水水平，另一方面，土壤改良剂中吸附的营养元素为植物生长提供了必备的养分，所包含的电荷离子，能较好地进行离子交换[28]，从而提高了土壤营养元素的利用效率，加速了植物的生长发育,这与岳征文等[17]的研究结果一致，而本文从纵向生长(株高)、植物横向(分蘖数)方面研究黑麦草的生长状况，发现生长季前期主要是纵向生长，后期为横向生长，并且生长趋势前者先快后缓，后者先缓后快。

施用土壤改良剂之后，黑麦草的地上、地下生物量都有显著提高，含水率也要高于对照，自制环保土壤改良剂C对黑麦草生物量和含水率有较大的促进作用。含水率的提高，有助于改善植物的渗透压，从而影响植物对土壤中养分的吸收利用，促进植物地上、地下部分的生长，而地下根系生长旺盛又能改善土壤物理结构[21]，确保土壤中水肥的合理流通，提高水肥的利用效率，增加植株的生物量。

对比施用不同改良剂后的黑麦草植物体元素含量，可以得出，自制土壤改良剂C能够显著增加P、K的营养物质表观利用率，略微减少N的营养物质表观利用率。这主要是由于土壤改良剂所含较多的离子电荷，增加土壤肥力的同时能较好地进行离子交换，还能有效改善土壤的通透性，最终实现营养物质利用率的提升，从而促进了植物生长。

综上所述，自制环保土壤改良剂C对黑麦草的生长促进作用最为显著，作为一种利用城市废弃物制作的环保型改良剂，有效地改善了黄土区土壤的理化性状，达到了其应有的效果。本研究采用盆栽试验，和外界生长环境存在一定差异，但是对黄土半干旱区贫瘠土壤的改良和改良剂的研究以及植被恢复有一定理论指导意义和应用价值。

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通讯作者*Corresponding author. E-mail: jianbinguo@bjfu.edu.cn

作者简介：袁耀(1990-)，男，山西吕梁人，硕士。E-mail: yuany221@126.com

基金项目：“948”国家林业局引进国际先进林业科学技术项目“天然高效环保土壤改良剂及应用技术引进”(2008-4-44)资助。

收稿日期：2014-12-03；改回日期：2015-02-11

DOI：10.11686/cyxb2014503