液态地膜对退化土地植物群落特征和土壤水分利用效率的影响

秦 洁，宋 莉，黎 轩，武晓燕，赵 斌

(中华全国供销合作总社 天津再生资源研究所，天津 300191)

腐植酸液态地膜为一种褐色膏状物，是一种以有机高分子物质为主要材料合成的乳状悬浊液，喷施后与土壤颗粒发生联结，形成特殊的土膜结构，起到地膜覆盖的作用[1]。该膜具有长期有效的吸热增温、保墒、保苗的作用。腐植酸液态地膜具备以下优点：一是液态地膜是一种环保产品，在阳光和微生物作用下可自然降解成植物生长所需的腐植酸肥料，有效改善土壤团粒结构[2]；二是在地膜喷施前可以添加对应的农药、肥料等，配置成为农药、肥料和农膜综合型地膜[3]；三是在使用时省工省时，在作物出苗时可自然出苗，减少人工放苗的农作强度；四是液态地膜在荒漠化治理方面的效果尤为明显，适用于农、林、牧、防风固沙、水土保持等领域，可缓解干旱地区缺水问题[4]。综上所述，液态地膜可有效控制“白色污染”，用于农业增产增收；同时液态地膜还可与造林结合，用于荒漠化治理，有效提高苗木成活率，促进土地的可持续利用。但是，目前人们对液态地膜的认识普遍还比较少。

天津市与北京市和河北省接壤，受京津冀协同发展政策和环渤海经济圈影响，发展迅速。但是近几年天津城郊土地退化问题越来越严重，退化土地面积占比逐年增加，所以天津市退化土地的生态恢复也受到广泛关注。天津市退化土地表现为土壤贫瘠、水土保持能力较差、土壤盐碱化严重、植物多样性低等。本研究以天津市长期撂荒的弱盐碱地为研究对象，进行液态地膜喷施试验，拟通过分析不同液态地膜喷施梯度对植物地上生物量、植物群落多样性及水分利用效率的影响，筛选出有效恢复生态、提高水分利用效率的高效低成本液态地膜使用模式，为退化土地的生态恢复提供理论依据和技术参考。

1 试验设置与研究方法

1.1 试验地概况

试验地位于天津市静海县子牙经济技术园区(地理位置117°00′13′′E、38°57′11′′N，海拔约3 m)，地势平坦。属北半球暖温带半湿润大陆性季风气候区，年均降水量约580 mm，其中6、7、8月降水量占年降水量的71.4%；年均蒸发量961.8 mm，其中6、7、8月蒸发量占年蒸发量的34.7%；平均气温11.5～14.5 ℃，最高温度38 ℃；年均无霜期为196～246 d，最长无霜期为267 d，最短无霜期为171 d。该地区土壤类型为褐色草甸土，盐碱地面积占总耕地面积的50%以上，试验地为弱盐碱地，植被单一，以耐盐碱的芦苇为绝对优势种(试验地于2015年渣土回填后，曾有过种植绿化，但是很快演替成以原生芦苇为优势的群落)。

1.2 试验设置

于2021年5月开始进行液态地膜喷施试验，共设置5个喷施水平，采用随机区组设计，每个水平5个重复。液态地膜喷施量按产品常规喷施量375 kg/hm2的0.5倍(187.5 kg/hm2)、1倍(375 kg/hm2)、1.5倍(562.5 kg/hm2)、3倍(1 125 kg/hm2)设置，分别用Y0.5、Y1、Y1.5、Y3表示；以不喷施液态地膜为对照(CK)。液态地膜选自辽宁中台千越生物科技有限公司生产的腐植酸液态地膜，以聚乙烯醇、可溶性淀粉和腐植酸(腐植酸约占原液的7%)为主要原料制备而成。喷施液态地膜前在试验地进行播种，播种选用常见的耐寒耐旱菊科花草混播，主要有波斯菊、百日草。试验小区面积4 m×4 m，各小区之间设0.5 m的隔离带，共25个小区。先将固定量原液用2倍的清水化开搅拌使原液完全分散开溶于水，再加清水至6倍搅拌均匀，经18目筛子过滤后，用高压喷雾器均匀喷覆，最后在各小区补喷水，以保证每个小区的水分添加一致，对照小区喷施等量水。覆膜后需要40 d围栏保护，防止踩踏。

1.3 研究方法

1.3.1 地上植被调查取样

于2021年8月底植物生长旺盛期，在25个小区中央分别布设1个20 cm×20 cm的样方，对植物群落物种组成进行监测。记录每个样方内的物种数量及其名称，以及样方内每个物种的株数(即多度)。

测定完样方内的植物群落组成后，立即齐地面分种刈割，装入信封袋，迅速带回实验室，将植物进行0.5 h杀青(105 ℃)，然后进行48 h烘干(65 ℃)至恒定质量，称量就可得每个物种的地上生物量。

1.3.2 土壤样品采集和水分利用效率计算

在2021年的5月初(生长初期)和8月底(生长末期)分别进行土壤容重和土壤含水量测定。在每个小区中央分别用铝盒、环刀采土样，测定表层0～15 cm土壤的含水量和容重。

土壤蓄水量计算公式[5]为

W=10hab

(1)

式中：W为土壤蓄水量，指一定土地面积内储存水分的数量，用水深表示，即储存水分相当于相同面积水层的厚度，mm；10为换算系数；h为土层深度，cm；a为土壤容重，g/cm3；b为土壤质量含水率，%；水密度为1 g/cm3。

耗水量的计算是基于植物生长初期到生长旺盛期表层土壤蓄水量的变化，再加上此期间的降水量，减去径流和渗透量而得的。计算公式为

ETa=W1-W2+P-R

(2)

式中：ETa为生长初期到生长旺盛期耗水量，mm[6-7]；W1、W2分别为植物生长初期和生长旺盛期0～15 cm土壤蓄水量，mm；P为生育期降水量，mm；R为径流和渗透量，根据马海霞研究发现，草地径流和渗透量占降水量的36.86%[8]。

水分利用效率计算公式为

WUE=Y/ETa

(3)

式中：WUE为水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y为植物地上生物量，kg/hm2。

1.3.3 植物群落多样性的计算方法

植物群落多样性采用Shannon-Wiener指数来表示，公式为

H=-∑PilnPi

(4)

式中：Pi可代表相对盖度、相对多度等，本研究中用相对多度计算[9]。

1.4 数据处理与分析

利用SPSS 20.0对试验数据进行统计分析，不同液态地膜处理下植物地上生物量、Shannon-Wiener指数、播种期和收获期土壤蓄水量、水分利用效率的差异显著性采用单因素方差分析(One-way ANOVA)、Duncan法多重比较进行分析；采用相关性分析进一步分析地上群落多样性与水分利用效率间的相关程度。

图表制作采用Origin 2018软件处理，数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 液态地膜对地上生物量和植物群落多样性的影响

由图1可知，液态地膜喷施显著影响地上生物量(P<0.05)。随着液态地膜喷施量的增加，地上生物量呈增加趋势，且在Y1.5处理下显著最高。与CK相比，Y1.5处理的地上生物量提高了65.3%，增加生物量515.6 g/m2；Y0.5和Y3处理也显著高于对照，比CK分别提高了39.0%和56.1%。

图1 液态地膜喷施对地上生物量的影响

由图2可知，液态地膜喷施显著影响植物群落多样性(P<0.05)。植物群落多样性在Y3处理下显著最高，与CK相比，Y3处理下多样性指数提高了57.2%；但其余液态地膜喷施处理与CK均无显著差异。

图2 液态地膜喷施对群落多样性的影响

2.2 液态地膜对水分利用效率的影响

通过对生长初期到生长旺盛期土壤蓄水量的分析(见表1)可知，液态地膜显著影响植物生长初期(5月初)土壤蓄水量，与CK相比，Y1、Y1.5、Y3处理显著降低了植物生长初期土壤蓄水量(P<0.05)；而生长旺盛期(8月底)土壤蓄水量在不同处理之间无显著差异。

表1 液态地膜对土壤蓄水量的影响

由图3可知，液态地膜喷施显著提高了水分利用效率(P<0.05)。随着液态地膜喷施量的增加，水分利用效率呈升高趋势，且在Y1.5处理下显著最高，比CK提高了69.67%，Y3处理也显著高于CK，比CK提高了57.86%。

图3 液态地膜喷施对水分利用效率的影响

2.3 地上植物群落与地下水分利用效率的关系

对地上植物群落与水分利用效率之间进行相关性分析可知(见表2)，水分利用效率与植物地上生物量呈极显著正相关关系(P<0.01)，与植物群落多样性呈显著正相关关系(P<0.05)，且植物群落多样性与地上生物量之间存在显著正相关关系(P<0.05)。

表2 地上植物群落与水分利用效率的相关性分析

3 讨 论

研究结果表明，在弱盐碱地喷施562.5 kg/hm2的液态地膜，地上生物量显著高于对照65.3%。很多研究也发现相似结果。吴春花等[10]研究表明液态地膜提高了马铃薯的产量；王国强[11]在植物固沙植被研究中发现液态地膜覆盖可以使产量增加20%左右；张春艳等[12]研究表明，喷施液态地膜使玉米产量比对照增加了17.4%。但是由于地上群落特征、气候环境的不同，生物量增加比例存在差异。液态地膜对生物量的影响主要体现在茎叶上，有研究表明喷施液态地膜后的沙地柏茎叶生长状态好于对照组[13]，液态地膜处理下的马铃薯地上茎叶产量显著高于露地栽培[14]。

有报道表明盐碱地植物地上生物量和群落多样性有显著线性关系[15]。本研究结果表明，喷施液态地膜能显著增加植物群落多样性，且相关性分析表明植物群落多样性与地上生物量之间有显著正相关关系。这说明液态地膜从两方面提高植物地上生物量：一方面通过促进茎叶生长提高地上生物量，另一方面通过增加植物群落多样性提高地上生物量。

目前有关液态地膜影响植物群落多样性的相关报道较少。环境因子的干扰会影响种子库的组成、数量及出芽率，并直接影响地上植被的恢复[16]。液态地膜的喷施可有效提高出芽率[17-18]，液态地膜对种子库的出芽个体数和出芽植物种类影响较大，且在后期依然保持较显著影响。综合分析，液态地膜改变土壤环境、影响出芽率和出芽种类，从而影响植物群落多样性。

液态地膜喷施后，在土壤表层阻碍了土壤水分的蒸发，能够有效保蓄土壤水分，提高水分利用效率[19]。本研究发现液态地膜降低了生长初期土壤蓄水量。李飞翔[20]研究垄沟覆盖对土壤水热动态的影响，结果发现在植物生长前期，对照样地的蓄水量高于覆盖样地。刘娜[21]的研究也发现土壤环境较好的情况下通常会降低生长初期的土壤储水量。与对照样地相比，液态地膜促使植物提前出芽，且植物生长状况良好，所以对照样地储水量高的原因可能是该样地植物生长较少，植株蒸腾丧失的水分也较少，而液态地膜处理样地的植株生长较多，除通过土壤水分蒸发丧失水分外，还有较强的植株蒸腾作用。本研究发现液态地膜喷施显著提高土壤水分利用效率，喷施562.5 kg/hm2液态地膜提高了69.67%的水分利用效率。很多研究也发现相似结果：霍轶珍等[22]通过研究马铃薯田发现喷施液态地膜后的水分利用效率较裸地处理提高35%；尹光华等[23]的研究也发现，花生田中喷施液态地膜能提高土壤含水量103%～167%，且随液态地膜喷施量的增大保水效果增加。

有研究发现喷施液态地膜处理均提高了玉米产量和水分利用效率，且玉米产量与水分利用效率之间呈一定的线性关系[24]。本研究也发现水分利用效率与群落多样性和地上生物量之间有显著正相关关系，随着水分利用效率的增加，植物群落多样性和生物量也随之增加。在喷施液态地膜后，水分利用效率和地上群落的关系更为紧密，液态地膜的喷施促进了地上地下的联系和相互影响。液态地膜具有保温保水作用，在有效提高水分利用效率的同时使土壤环境生态位变宽，促使更多样的植物发芽生长。同时植物多样性的增加使得根系多样性增加，又会反过来改变土壤水分分配格局，提高植物对水分的利用效率。

4 结 论

液态地膜喷施显著提高植物地上生物量、群落多样性和水分利用效率。在喷施562.5 kg/hm2液态地膜的情况下，植物地上生物量和水分利用效率最高，与对照相比提高了65%以上；植物群落多样性在喷施1 125 kg/hm2液态地膜情况下显著最高。说明以提高植物地上生物量为目的喷施562.5 kg/hm2液态地膜就可以满足，要想显著提高植物群落多样性则需要继续增加喷施量。

在农业方面，液态地膜的使用效果不及传统塑料地膜，液态地膜产品还在不断优化和规范化。接下来将继续探讨液态地膜长期使用的累积效应，并将继续研制具有更多功能的液态地膜，以适应不同地区和不同退化土地的需求，为防治“白色污染”贡献力量。