蚯蚓肥复配土壤调理剂对毛乌素沙地土壤性质及中科羊草生长的影响

2022-09-15任浩东陈占飞刘艳丽张凯煜孙利鹏

陕西农业科学 2022年8期

艾锋,李强,任浩东，陈占飞,赵江,刘娜,刘艳丽,张凯煜，孙利鹏

(1.榆林学院，陕西省陕北矿区生态修复重点实验室，陕西榆林 719000； 2.榆林学院，榆林市固废资源化利用工程技术研究中心，陕西榆林 719000；3.榆林环境保护工程有限责任公司，陕西榆林 719000；4.榆林市农业科学研究院，陕西榆林 719000)

土壤是人类赖以生存的物质基础，是农林业生产和生态修复不可或缺的载体。土壤质量决定了我国农(林)产品质量以及农(林)业的可持续发展，但由于长期的土壤侵蚀、环境污染以及耕作制度等因素，导致了严重的土壤退化[1]。与此同时，随着我国人口不断增长，工农业污染矛盾持续加剧，土壤退化已经成为我们亟待解决的问题[2]。

毛乌素沙地是我国西北生态文明建设的前沿阵地，也是生态系统的敏感脆弱区。在国家“碳达峰、碳中和”的大背景下，风沙区土壤资源的保护与生态再利用显得尤为重要。然而，风沙土缺少胶体，存在土壤质地松散、潜在养分贫瘠等一系列问题[3～4]。因此，治理风沙土对农业可持续发展和农民生活水平的提高有着直接的现实意义[5]。已有研究表明，风沙土中施入土壤调理剂能够有效增强其保水保肥能力，改善土壤性质，防止土壤退化[6～10]。施用土壤调理剂还可以有效降低干旱胁迫对作物产量的影响。蚯蚓肥是一种合理结合有机物和微生物的高效新型有机肥，透水通气效果好，增肥效果佳。Nowshin Laila等[11]认为蚯蚓肥可有效激发植物生长潜能，提高作物产量[12～13]。因此，蚯蚓肥复配土壤调理剂将充分发挥二者功效，对于土壤理化性质及植物生长改善和提升具有重要的潜在价值[14]。

为此，本研究采用课题组自主研发土壤调理剂与市购蚯蚓肥进行不同比例复配，通过田间小区实验方法，研究了蚯蚓肥复配土壤调理剂对土壤性质和植物生长的影响。旨在集成一种煤基固废与蚯蚓肥生态利用的技术工艺[15～18]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地位于陕西省榆林市牛家梁(经度109°45'27″E，纬度38°22'50″N)，平均海拔1 100 m～1 200 m，年平均温度10.4℃，年无霜期150 d，年降雨量446.5 mm。供试中科羊草种子来自榆林某种子公司，供试蚯蚓肥来自榆林某公司，土壤调理剂为课题组自主研发产品。基本特性见表1。

1.2 试验设计

试验布设采用随机区组设计，每个处理包括3次独立重复。试验蚯蚓肥复配土壤调理剂包括对照CK、EC-T1、EC-T2、EC-T3共4个处理。肥料采用撒施的方式，将称量好的蚯蚓肥与土壤调理剂施入对应小区中，小区规格为3 m*3 m，利用旋耕机将土壤翻松整平。中科羊草种子施用量为4.5 g/m2。采用条播方式，行距20 cm，深度为1 cm，试验时间为2021年5月-2021年10月,试验期间降雨和气温变化如图1所示，试验蚯蚓肥和土壤调理剂施用量如表2所示，播种时间为2021年5月13日。

表1 试验土壤、土壤调理剂及蚯蚓肥基本性质

表2 田间试验蚯蚓肥和土壤调理剂施用量

图1 试验期降雨量和气温变化

1.3 指标测定

待中科羊草出苗后，每月上旬观测植物、土壤特性指标。土壤含水率采用铝盒烘干法，土壤容重采用环刀法(V=100 cm3)，土壤pH测定利用电位计法(水土比为2.5∶>1)，有机质采用硫酸-重铬酸钾外加热法测定，速效钾采用火焰光度法测定，有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法测定，水解氮采用碱解扩散法测定。中科羊草株高及叶面积利用卷尺测定，将采集到的中科羊草放入烘箱，杀青后在烘干至恒重，获得生物量。

1.4 数据分析

Excel2010软件进行统计绘图，SPSS23.0进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 蚯蚓肥复配土壤调理剂对土壤物理性状的影响

2.1.1 不同处理土壤含水率的变化土壤含水率是土壤肥力重要指标之一[19]。由图2可得，与对照相比，施用蚯蚓肥复配土壤调理剂处理EC-T1、EC-T2、EC-T3的土壤含水率分别提高了1.8%、3.61%和2.43%；8月相较于CK对照组，EC-T1、EC-T2、EC-T3含水率分别提高了22.96%、11.71%和8.61%；9月相较于CK对照组，EC-T1含水率降低了24.19%，EC-T2含水率降低了37.73%，EC-T3含水率降低32.31%，可能是天气干旱，EC-T1、EC-T2、EC-T3中的植物长势较CK更好，用水量较大所导致；10月相较于CK对照组，EC-T1、EC-T2、EC-T3含水率分别提高了29.62%、30.56%和24.76%。综上分析可得，在7、8、10三个月份中，相对于CK对照组，不同处理对风沙土含水率影响存在差异，且EC-T1对于风沙土含水率增幅最大。

图2 不同处理土壤含水率变化

2.1.2 不同处理土壤容重的变化土壤容重可表示土壤结构状况，风沙土容重通常过大，不利于土壤内部的交换调节[20]。由图3可知，与对照相比，施用蚯蚓肥复配土壤调理剂处理EC-T1、EC-T2、EC-T3的土壤容重分别降低2.55%、9.49%和2.70%；在8月，相较于CK对照组，EC-T1、EC-T2、EC-T3容重分别降低5.29%、4.12%和5.88%；9月相较于CK对照组，EC-T1、EC-T2、EC-T3容重分别降低6.79%、2.47%、0.62%；10月相较于CK对照组，EC-T1、EC-T2、EC-T3容重分别降低1.89%、2.52%和0.63%。综上与对照相比，施用蚯蚓肥复配土壤调理剂能够降低风沙地土壤容重，且EC-T2处理对土壤容重的影响最为显著。

图3 不同处理土壤容重变化

2.1.3 不同处理土壤孔隙度的变化土壤孔隙度是评价土壤结构状况的重要指标，孔隙度过低将不利于土壤中水、气和营养物质的交换调节。由图4可知，7月相较于CK对照组，处理EC-T1、EC-T2、EC-T3孔隙度均有提升，分别为4.20%、14.05%和4.40%，其中EC-T2提升最为显著；8月相较于CK对照组，处理EC-T1、EC-T2、EC-T3孔隙度分别提高11.39%、6.79%和1.01%，EC-T1提升最为显著；9月相较于CK对照组，处理EC-T1、EC-T2、EC-T3孔隙度分别提高8.65%、6.79%、9.93%，其中EC-T3提升最为显著；10月相较于CK对照组，EC-T1、EC-T2、EC-T3孔隙度分别提高2.92%、3.34%和0.47%。可见，在风沙土中添加蚯蚓肥复配土壤调理剂，对于土壤孔隙度有着显著提升作用。

图4 不同处理土壤孔隙度变化

2.2 蚯蚓肥复配土壤调理剂对土壤化学性状的影响

2.2.1 不同处理土壤pH的变化 pH也是土壤质量的主要指标之一，对土壤养分和微生物均有着显著影响[21]。由图5可知，与对照相比，施用蚯蚓肥复配土壤调理剂处理EC-T1、EC-T2、EC-T3的pH分别降低了3.64%、3.75%和8.93%；8月与CK相比，EC-T1和EC-T3的pH分别增加了3.44%和1.84%，EC-T2的pH降低了1.84%；9月相较于CK对照组，EC-T3的pH增加了0.84%，EC-T1的pH降低了1.44%，EC-T2的pH降低了2.64%；10月相较于CK对照组，EC-T1的pH降低了3.42%，EC-T2的pH降低了1.82%，EC-T3的pH降低了3.08%。可见，在7、8、9、10四个月份中，相对于CK对照组，蚯蚓肥复配土壤调理剂能有效调节风沙土pH。

图5 不同处理土壤pH变化

2.2.2 不同处理土壤有机质变化土壤中有机质对于土壤养分循环具有重要作用。由图6可得，不同处理土壤有机质含量排列顺序为：EC-T2>EC-T3>EC-T1>CK，处理EC-T2有机质含量最高。与对照相比，处理EC-T1、EC-T2和EC-T3有机质含量分别提升98.33%、148.33%和133.33%，说明施加蚯蚓肥复配土壤调理剂对风沙土有机质含量有显著提升。

图6 不同处理土壤有机质变化

2.2.3 不同处理土壤养分含量变化土壤养分对土壤肥力的影响至关重要。由图7可得，与对照相比，施用蚯蚓肥复配土壤调理剂处理，速效钾含量分别提升49.58%、66.73%和41.09%，有效磷含量分别提升38.92%、64.32%和58.38%，水解氮含量分别提升148.82%、150.39%和196.20%，说明蚯蚓肥复配土壤调理剂能显著提高风沙土养分含量。

图7 不同处理土壤养分含量变化

2.3 蚯蚓肥复配土壤调理剂对中科羊草的影响

2.3.1 蚯蚓肥复配土壤调理剂对中科羊草株高的影响株高可以直接反映植物生长状况。由图8可知，与对照相比，施用蚯蚓肥复配土壤调理剂处理EC-T1的株高增加了3.68%，EC-T2的株高增加了14.18%，EC-T3的株高增加了8.90%；8月相较于CK对照组EC-T1的株高增加了13.56%，EC-T2的株高增加了19.05%，EC-T3的株高增加了17.82%；9月相较于CK对照组，EC-T1的株高降低了4.65%，EC-T2的株高增加了4.26%，EC-T3的株高增加了5.45%，EC-T1的株高降低可能是由于采样点的误差所造成；10月相较于CK对照组，EC-T1的株高增加了8.86%，EC-T2的株高增加了8.00%，EC-T3的株高增加了14.68%。综上所述，与对照相比，施用蚯蚓肥复配土壤调理剂对于风沙土的中科羊草株高影响各不相同，均能增加中科羊草的株高。

图8 不同处理中科羊草株高变化

2.3.2 蚯蚓肥复配土壤调理剂对植物生物量的影响植物生物量可以直接反映出植物的生长状况[22]。由图9可知，不同处理中科羊草的地上生物量排列顺序为EC-T3>EC-T1>CK>EC-T2，EC-T3的地上生物量表现最好。与对照相比，施用蚯蚓肥复配土壤调理剂处理EC-T1的地上生物量增加了3.37%，EC-T2的地上生物量降低了20.17%，EC-T3的地上生物量增加了7.56%。不同处理中科羊草的根系生物量排列顺序为：EC-T3>EC-T2>EC-T1>CK，EC-T3的根系生物量表现最好，相较于CK对照组，EC-T1的根系生物量增加了14.69%，EC-T2的根系生物量增加了105.92%，EC-T3的根系生物量增加了140.16%。可见，蚯蚓肥复配土壤调理剂能够有效增加中科羊草生物量，其中以处理EC-T3效果最为显著量。

图9 不同处理中科羊草地上/地下生物量变化

2.3.3 蚯蚓肥复配土壤调理剂对中科羊草叶面积的影响由图10可知，不同处理中科羊草的叶面积排列顺序为EC-T3>EC-T2>EC-T1>CK，EC-T3的叶面积表现最好。相较于CK对照组，施用蚯蚓肥复配土壤调理剂处理EC-T1的叶面积增加了54.09%，EC-T2的叶面积增加了57.55%，EC-T3的叶面积增加了96.86%。

图10 不同处理中科羊草叶面积变化

2.4 建立综合评价体系

由上述可得，试验所设不同处理对毛乌素沙地土壤性质及中科羊草生长均有一定的影响，但没有一个标准去衡量，也就是某处理的一个指标优良，其他指标却较差，说明某个指标无法代替对应处理的综合改良效果。因此，笔者研究利用主成分分析以及加权计算，建立综合评价体系，通过公式计算各处理得分情况，从而得出最优的蚯蚓肥复配土壤调理剂配比。

2.4.1 改良效果评价指标相关性分析表3为选取的11个改良效果评价指标的相关性分析，包括3个土壤物理指标：含水率X1、孔隙度X2、容重X3，5个土壤化学指标：酸碱度X4、有机质X5、速效钾X6、有效磷X7、水解氮X8，3个植物生长指标：株高X9、生物量X10、叶面积X11。由表3可得，11个改良效果评价指标具有一定的相关性，因此可对其进行主成分分析。

表3 各指标相关系数矩阵

2.4.2 各成分的特征根与方差贡献率 11项改良效果评价指标进行主成分分析后，各主成分特征根与累计贡献率如表4所示。当主成分累计贡献率大于90%时，可基本反映变异情况。由表4可得，主成分V1特征根为8.41，解释总变异76.47%；第二主成分V2特征根为2.19，解释了总变异19.92%，前2个主成分的累计贡献率达到了96.39%>90%，因此可代表11个指标的大部分信息。

表4 各主成分的特征根和累积贡献率

2.4.3 特征向量及主成分表达式所选的11个初始指标和2个主成分V1、V2的相关系数如表5所示，由此表可得pH、有机质、有效磷以及水解氮在V1上数值较高，代表土壤的化学性质和养分状况，含水率、容重、生物量和叶面积在V2上数值较高，代表了土壤的物理性质以及植物生长状况。V1、V2两个主成分与初始指标的关系函数表达式如下：

表5 主成分的特征向量

V1=0.16X1+0.32X2-0.25X3-0.34X4+0.34X5+0.30X6+0.34X7+0.34X8+0.32X9+0.29

X10+0.29X11

(1)

V2=-0.58X1+0.26X2+0.46X3-0.08X4-0.07X5-0.28X6-0.03X7-0.06X8+0.07X9+0.38X10+0.38X11

(2)

2.4.4 改良效果综合评价主成分加权求和可得到综合评价方程:

V=0.793V1+0.206V2

(3)

由图11可得，不同蚯蚓肥复配土壤调理剂处理的得分大小排序为EC-T3> EC-T2> EC-T1>CK，可以看出施用蚯蚓肥复配土壤调理剂的处理得分均高于CK，且随着蚯蚓肥复配土壤调理剂配比的增大，得分呈现越来越高的趋势，对照组及蚯蚓肥复配土壤调理剂配比为1∶>2、1∶>1和2∶>1的处理综合得分分别为-3.12、-0.31、1.22和2.20。