覆膜对渣场生态恢复工程土壤及植物影响的试验研究

迪达尔·西尔地玛尼 ，周宏鑫，李绍才，孙海龙，孙大远，蒋瑜阳, 幸可薇

(1.四川大学 生命科学学院，四川 成都 610065；2.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；3.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司, 四川 成都 610041；4.中铁成都规划设计院有限责任公司，四川 成都 613000)

覆膜播种技术是将塑料薄膜严密地覆盖在已播种土壤表面的一种技术。随着我国经济飞速发展，西南山区生产建设项目也在日益增加，必然会产生大量的弃渣，而弃渣保水能力差、肥力低、表面抗雨水冲刷能力也不强[1-2]，易造成滑坡、泥石流、水土流失等严重的自然灾害。由此可见，对弃渣场进行治理显得尤为重要[3]。目前，治理弃渣场最根本的方法是生态恢复，即采取一些人为措施，依据生态未破坏时的性状，重新建立生态系统的结构和功能以及相关的物理、化学和生物学特征，将受损的生态系统恢复到与未受损时相接近的状态。渣场生态恢复主要采用的技术有植生袋以及植生毯、建拦渣堤、挡渣墙并覆土种植等。目前，覆膜技术已广泛运用于国内外农林生产中，该技术具有保水保墒的作用，能明显改善土壤养分状况，从而改善植物的生长环境。覆膜还可以运用在弃渣场生态恢复工程中，可降解膜在植被稳定前能对植物生长起保护作用，减少土壤水分蒸发，改善土壤持水保肥能力[4-5]。本试验以紫穗槐为试验植物，研究了6种不同覆膜开孔率对弃渣场生态恢复中土壤养分、单位面积植株数量、植株株高和地径的影响，以期为该地区生态恢复提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于四川省彭州市四川大学试验基地，地处亚热带湿润气候区的四川盆地北部区。平均海拔594 m，年均气温15.9 ℃，最高气温25.1 ℃，最低气温5.3 ℃，年均降水量867 mm。

1.2 试验材料

本研究试验覆膜为PBAT黑色降解膜，降解周期5～6个月。模拟渣场的渣石为隧道开挖弃渣，渣石类型为砂岩，其中粒径10～50 mm的砂岩占70%，堆积密度1 850 kg/m3。

1.3 试验设计

本试验单个试验小区宽1 m、长2 m，共设置21个试验小区。渣石堆积最低处厚度为50 cm，坡度35°，渣石堆积形状示意见图1。采用客土喷播方式对渣堆进行植被恢复，客土来源为周边废弃地表土，客土厚度12 cm，客土容重1.31 g/cm3。客土中混合有紫穗槐种子和肥料，播种密度15 g/m2，肥料成分为一定比例尿素、过磷酸钙和硫酸钾。客土喷播后土壤有机质含量24.71 g/kg、有效磷含量72.83 mg/kg、速效钾含量122.65 mg/kg、水解性氮含量156.71 mg/kg。

图1 渣石堆积形状示意

为了更清楚地了解植物生长及土壤养分情况与覆膜的关系，本试验只选择了木本植物，同时地膜在降解前能替代一些草本覆盖的功能。木本植物为单株，以便能更好地进行观测。试验覆膜不同开孔率为变量，分别是10%、20%、30%、40%、50%和60%六个开孔率，开孔直径设为1 cm，以保障降雨入渗，未覆膜为对照组CK，每种覆膜开孔率设置3个重复，CK也设置3个重复。2019年4月播种，后期不进行管理，于播种后1个月(2019年5月)、6个月(2019年10月)和1年(2020年4月)分别进行观测。

1.4 测试项目与方法

植物样品测定指标为单位面积植株数量、株高和地径。测定方法为在各个小区随机选取10株测定株高和地径，计算每个小区单位面积植株数量；用电子游标卡尺测量地径(精度 0.01 mm)；用钢卷尺测量株高(精度0.1 cm)。

土壤样品测定指标为有效磷、速效钾及水解性氮含量。有效磷含量采用NaHCO3浸提钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用乙酸浸提-火焰光度法测定，水解性氮含量采用碱解扩散法测定[6]。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2019等进行数据处理与分析。

2 结果与分析

2.1 覆膜开孔率对土壤水解性氮的影响

氮元素作为植物三大营养元素之一，也是土壤中被植物吸收量最大的元素，因此氮元素对植物的生长发育有很大的影响[7]。水解性氮是土壤氮素不可或缺的一部分，是易水解的有机态氮(氨基酸、酰胺和易水解蛋白质)与无机态氮(铵态氮、硝态氮)的总和，能够准确反映近期土壤的氮素供应情况[8]。由表1可知，随着时间推移，覆膜开孔率10%、20%、30%、40%、50%、60%和CK的土壤水解性氮逐渐流失。在3个时间段内，覆膜开孔率10%土壤水解性氮平均保留量最高，其次是覆膜开孔率20%的，CK土壤水解性氮平均保留量最低。覆膜开孔率10%的在播种后1个月、6个月和1年的水解性氮流失率分别为3.06%、29.17%和43.38%。CK在播种后1个月、6个月和1年的水解性氮流失率分别为23.45%、51.31%和67.63%。对比覆膜开孔率10%与CK可知，在3个时间段内，覆膜开孔率10%的土壤水解性氮流失速度比CK的慢，且两种处理前6个月的流失速度均比后6个月快。针对这样的现象，有研究表明植物生长吸收土壤养分和降雨淋溶能引起氮素流失[9-10]。前6个月流失速度更快的原因可能是植物生育前期生物量较小，植物氮吸收能力低以及降雨等。但是，与CK比较可知，覆膜组土壤水解性氮保留量较高是因为覆膜具有保肥功能[11]。

表1 覆膜开孔率对土壤水解性氮含量的影响

2.2 覆膜开孔率对土壤速效钾的影响

钾元素虽然不是构成植物结构的元素之一，但它对植物生理活动至关重要[12]。土壤中的速效钾为植物根系直接钾素供给源[13]。由表2可知，播种后1个月，覆膜开孔率10%土壤速效钾平均保留量最高，略高于开孔率20%；最低的一组为CK。播种后6个月,土壤速效钾平均保留量最高的一组为覆膜开孔率20%，速效钾平均保留量最低的一组为CK。播种后1年,土壤速效钾平均保留量最高的一组为覆膜开孔率10%，略高于覆膜开孔率20%；最低的一组为CK。综合表2来看，覆膜开孔率10%和20%在播种后1个月、6个月和1年的速效钾流失率分别为9.12%、25.39%、30.23%和10.67%、19.85%、31.60%。CK在播种后1个月、6个月和1年的速效钾失率分别为23.07%、29.47%和41.50%。对比覆膜开孔率10%、20%与CK可知，3个时间段内，覆膜开孔率10%与20%速效钾流失速度相似，且两者流失速度均慢于CK，CK速效钾流失速度最快。分析原因可能是播种之后，植物生长对土壤中速效钾的吸收，使土壤中速效钾含量减少，同时也可能与速效钾以钾离子的形式存在于土壤中，受淋溶作用极易淋失有关[14]。由各组的表现可知，在地膜降解的前6个月内，覆膜具有显著的保肥能力，覆膜组土壤速效钾保留量高于CK。

表2 覆膜开孔率对土壤速效钾含量的影响

2.3 覆膜开孔率对土壤有效磷的影响

磷元素对植物生长发育过程至关重要，磷的形态决定其在土壤中的有效性。有效磷作为能够被植物吸收利用的部分，其含量是判断土壤中是否含有丰富磷的主要指标和施肥的一个重要依据[15]。由表3可知，在3个时间段内，覆膜开孔率10%土壤有效磷平均保留量均最高，略高于覆膜开孔率20%；CK土壤有效磷平均保留量均最低。覆膜开孔率10%和20%在播种后1个月、6个月和1年的有效磷流失率分别为-0.14%、19.26%、32.95%和-0.08%、20.69%、34.42%。CK在播种后1个月、6个月和1年的有效磷流失率分别为19.57%、36.18%和46.37%。对比覆膜开孔率10%、20%与CK可知，播种后1个月之内，覆膜开孔率10%与20%土壤有效磷几乎没有流失，甚至有增加，而CK流失较多。播种后1个月至1年之内，覆膜的土壤有效磷最终保留量均大于CK。分析原因可能是，前1个月植被生物量低，无法吸收更多的有效磷，到播种后6个月时植被吸收有效磷的能力加强，因此有效磷平均保留量降低，但还是高于CK，说明地膜具有一定的保肥功能。

表3 覆膜开孔率对土壤有效磷含量的影响

2.4 覆膜开孔率对单位面积植株数量的影响

从表4可知，播种后1个月、6个月和1年，覆膜开孔率10%、20%、30%、40%、50%、60%和CK的单位面积植株数量均呈递增趋势，分析原因可能是黑色地膜遮光性较强，能对内部的土壤环境起到一定程度的降温作用，这些因素会导致种子发芽率降低[16]。有研究表明，地膜的机械阻隔作用以及随之引起的土壤物理性质的改变，能导致植物种子发芽率低[17]。结合土壤养分分析部分，对比覆膜开孔率10%、20%和CK在3个时间段的情况可知，播种后1年，覆膜开孔率10%和20%单位面积植株存活率分别为51.11%和54%，高于CK保存率，同时播种后前6个月保存率高于后6个月保存率。

表4 覆膜开孔率对单位面积植株数量的影响

2.5 覆膜开孔率对植株高度的影响

从表5可知，播种后1个月、6个月和1年，覆膜开孔率10%、20%、30%、40%、50%、60%和CK的平均株高均呈递减趋势。覆膜开孔率10%与20%植株平均株高较高，CK平均株高最低。分析原因可能是地膜覆盖有保水保温和减少土壤养分流失作用，对植物生长有利。

表5 覆膜开孔率对植株高度的影响

2.6 覆膜开孔率对植株地径的影响

植株地径是描述植物生长最基础的形态指标之一，在一定范围内，地径越粗，表明植物根系较发达，较有活力[18]。从表6可知，播种后1年，覆膜开孔率10%、20%、30%、40%、50%、60%和CK的植株地径呈递减趋势。分析原因可能是覆膜减少了地表水分蒸发，提高了土壤水分的利用率，促进了植物的生长。

表6 覆膜开孔率对植株地径的影响

3 讨 论

3.1 不同覆膜开孔率与土壤养分的关系

采用不同开孔率覆膜的方式，可以相对减少径流，从而可以减少土壤中氮、磷、钾的流失量[19]。本试验也得出了相似的结论：播种后1年，覆膜组的水解性氮、速效钾和有效磷的保留量均多于CK，这主要是因为不同覆膜开孔率有如下的保肥机制：①覆膜在一定程度上减弱了雨水对土壤表面的冲刷力度，覆膜开孔率10%～20%的抗雨水冲刷能力最强，CK抗雨水冲刷能力最弱；②覆膜可以减少土壤径流，在一定程度上减少了因径流导致的土壤养分流失。

3.2 不同覆膜开孔率与植物生长的关系

有研究表明，在阳光照射下，黑色地膜自身增温较快，但是传递给地膜之下土壤的热量较少，黑色地膜增温效果较差[20]。马艳芝[21]对北柴胡种子的研究表明，种子发芽率与温度相关性很高，即地膜增温效果不理想会导致植物种子发芽率较低。本试验也得出了相似的结论：无论是播种后1个月、6个月还是1年，在不同覆膜开孔率下，单位面积植株数量均显著少于CK。同时，覆膜可以减少土壤显热和潜热交换，从雨水中收集更多水分的同时还能减少水分的蒸发。因此，覆膜可以改善土壤温度和水分状况，这会极大地促进植物生长和植株高度增加。赵聪等[22]对春玉米的研究表明，覆膜组的植株株高要显著高于未覆膜组的植株株高。本试验也得出了相似的结论：覆膜开孔率10%在播种后1个月、6个月和1年进行测试，植物平均株高均为最高，而CK植物平均株高均为最矮。朱小强等[23]对山茱萸的研究表明，覆膜与不覆膜相比，山茱萸地径显著增粗。赵建榜等[24]对漆树的研究表明，覆膜与其他处理方式相比，漆树地径显著增粗。本试验也得出了类似的结论：不同开孔率(10%～60%)，覆膜后的植株地径显著粗于CK。这可能是由于覆膜之后，紫穗槐生长所需的水分、养分等条件有了明显的改善，促进了紫穗槐幼苗的生长。

4 结 论

(1)覆膜开孔率对土壤养分动态变化影响较明显。播种后1年，当覆膜开孔率为10%时，土壤水解性氮、速效钾和有效磷保留量均高于其余处理组，覆膜开孔率20%效果略微低于10%，含量最少的是CK。说明覆膜开孔率10%与20%保肥效果佳，CK保肥效果极差。

(2)覆膜开孔率对植物生长的影响较明显。播种后1年，CK单位面积植株数量最多，覆膜开孔率10%单位面积植株数量最少，说明黑色的地膜遮光性较强，导致膜内温度较低，种子发芽率较低。同时地膜对植物种子发芽及生长有机械阻隔作用，导致种子发芽率降低。覆膜开孔率20%的单位面积植株数量多于覆膜开孔率10%。当覆膜开孔率为10%时，植物平均株高和地径高于其余处理组，覆膜开孔率20%效果略微低于10%，最小的是CK。说明覆膜开孔率10%有利于植株吸收养分和水分，促进生长发育，但覆膜开孔率20%的植株保存率高于覆膜开孔率10%。

(3)综上所述，渣场生态恢复中覆膜开孔率20%是最佳的，它比覆膜开孔率10%更能保障降雨输入，增加膜内水分，能有效保持土壤养分(N、P、K)，防止养分大量流失，在覆膜降解之前极大地促进植物的生长与发育。