蚯蚓肥对榆林沙质盐碱地土壤理化性质及玉米生长状况的影响

王晓美李强黄天平艾锋赵江刘娜陈泽彬

(1.榆林学院/陕西陕北矿区生态修复重点实验室，陕西 榆林 719000；2.榆林学院/榆林市固体废弃资源化利用工程技术研究中心，陕西 榆林 719000；3.榆林市农业技术服务中心，陕西 榆林 719000；4.榆林市蔬菜产业发展中心，陕西 榆林 719000；5.榆林市马铃薯产业发展中心，陕西 榆林 719000)

土壤盐碱化是典型的水土资源与生态环境问题。有研究表明，蚯蚓肥是一种高效新型土壤改良剂[1]，良好的孔隙特性能够为盐碱地微生物提供有益的生存环境，促进植物根系发育，增加作物产量，提高植物抗逆性及其品质[2-10]。目前国内外针对蚯蚓肥改良土壤的指示植物集中在粮食、蔬菜和水果等作物方面，且地块以滨海盐碱地为主，对陕北沙质盐碱地的改良鲜有报道[11]。

陕北榆林地处毛乌素沙地东南缘，由于地下水位较高，返盐现象严重，使得沙质盐碱地的治理一直是限制区域土壤质量提升和农业增产的关键。陕西省统计年鉴显示，2020年全省玉米播种面积占主要粮食作物总播种面积的39.3%，而榆林市玉米播种面积则占了全省玉米播种面积的22.14%[12]，玉米作为榆林市第1大主要粮食作物，种植面积常年稳定在26.67万hm2以上。因此，研究陕北沙质盐碱地土壤改良对于困难立地条件区域的土地资源高效利用及稳粮保粮具有重要意义。鉴于此，本文采用野外大田试验和室内主成分分析相结合的研究方法，动态观测蚯蚓肥对陕北沙质盐碱地土壤物理和化学性质及玉米生长状况的影响，旨在为陕北沙质盐碱地土壤改良提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于陕西省榆林市榆阳区芹河镇黄沙七墩村(E109°54′84″，N38°20′57″)，海拔1131m。试验地多年平均降水量为414mm，年平均气温8.1℃，雨量多集中于7—9月[13]。土壤水解氮、有效磷、速效钾、含量分别为18.07mg·kg-1、14.5mg·kg-1和67mg·kg-1，有机质含量为5.1g·kg-1，土壤总盐分为2.3g·kg-1，属于中度盐碱地，春季地下水位上升，地温低，容易翻浆，春夏之交容易受盐碱胁迫。

1.2 试验材料

供试玉米品种为“九圣禾257”，蚯蚓肥来源于榆林某农业公司，其基本性质见表1。

表1 蚯蚓肥基本性质

1.3 试验方法

本试验采用随机区组设计，将试验地划分为6个田块，每个田块面积为412.5m2(16.5m×25m)。设置1个对照(0.0t·667m-2)和5个施肥处理，蚯蚓肥采用人工均匀撒施和旋耕机深翻相结合方式，其施肥量分别为0.0t·667m-2(CK)、0.6t·667m-2(T1)、1.2t·667m-2(T2)、3t·667m-2(T3)、4.2t·667m-2(T4)和5.4t·667m-2(T5)。玉米于2021年5月19日种植，采用机耕穴播方式播种，密度为3735株·667m-2。玉米种植后每月上旬测定土壤N、P、K、电导率、孔隙度、含水率、pH等。植物指标测量包括成熟期株高、茎粗、植株干物质重(分器官)、单株叶面积、收获后的穗部性状测量(千粒重、穗行数、行粒数等)、产量。

1.4 数据分析

数据处理在Excel 2010和SPSS 18.0软件下进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 蚯蚓肥对盐碱地土壤物理性质的影响

从表2可以看出，相对于CK，T1、T2、T3、T4、T5 5个处理的孔隙度较对照依次增加2.3%，土壤孔隙度增加可能是因为蚯蚓肥孔隙结构合理，从而改善土壤板结状态；土壤含水率整体呈增加趋势，其中T4处理含水率较CK增加了78.6%；5个处理容重均小于CK，其中T5处理容重较CK减小了10%。

表2 不同处理对土壤物理性质的影响

2.2 蚯蚓肥对盐碱地土壤化学性质的影响

从表3可以看出，相对于CK，T1、T2、T3、T4、T5 5个处理的土壤有机质、速效钾、有效磷、水解氮含量均有明显增加，有效磷、水解氮含量随着施肥量的增加而逐渐增加。其中，T3土壤的有机质含量较CK增加了34.11%，T5土壤的速效钾、有效磷、水解氮含量分别较CK增加了37.61%、463.44%和208.8%；5个处理的pH均小于CK对照组，其中T2处理pH变化最大，较CK减小了7%。

表3 不同处理对土壤化学性质的影响

2.3 蚯蚓肥对玉米主要农艺性状的影响

2.3.1 蚯蚓肥对玉米生长的影响

从表4可以看出，与CK相比，施用蚯蚓肥对玉米株高影响较小，叶面积、茎粗、行粒数、穗粒数整体呈增加趋势，干物质显著增加，其中T3、T4增长最为明显，分别较CK增加了50.06%和49.61%。可见，通过施用蚯蚓肥对玉米株高影响较小，但能够显著增加玉米干物质含量。

表4 不同处理对玉米生长性状的影响(成熟期)

2.3.2 蚯蚓肥对玉米产量的影响

从表5可以看出，与CK相比，施用蚯蚓肥千粒重与玉米产量整体都呈增加趋势。其中T3的千粒重、产量较CK分别增加了47.91%和72.72%。可见，通过增施蚯蚓肥能够显著增加玉米千粒重和产量。

表5 不同处理对玉米产量的影响

2.4 建立改良效果综合评价体系

由前述可知，不同剂量的蚯蚓肥对盐碱地土壤理化性质及玉米生长均有一定程度的影响，但指标间存在差异，即对某指标而言最优的土壤处理在另一指标下改良效果却不明显，单一指标无法代表蚯蚓肥的综合改良效果。在此基础上，本研究采用主成分分析方法，建立了改良效果综合评价方程，计算了各处理的改良效果综合得分，从而得到最优量的蚯蚓肥配比。

2.4.1 改良效果评价指标的相关性分析

表6为所选取的17个改良效果评价指标的相关性分析，包含5个物理指标：孔隙度X1、含水率X2、容重X3、土壤pH X4、电导率X5，4个化学指标：有机质X6、速效钾X7、有效磷X8、水解氮X9，8个植物指标：株高X10、茎粗X11、叶面积X12、干物质X13、穗行数X14、行粒数X15、千粒重X16、产量X17。由表6可知，17个改良指标间存在一定的相关关系，因此，可对其进行主成分分析。其中，容重与其余16个指标都存在较好的相关性，且大部分呈负相关，说明土壤容重是影响综合改良效果的决定性指标。

表6 各改良指标相关系数矩阵

2.4.2 主成分表达式及其特征向量

表7是所选取的17个初始指标与4个主成分F1、F2、F3、F4的相关系数，由表7可知，孔隙度、速效钾、株高、穗行数在第1主成分上有较高负荷，代表了土壤物理特性和植物生长状况，容重、pH、株高和茎粗在第2主成分上有较高负荷，代表了土壤物理特性和植物生长状况，含水率、电导率、行粒数在第3主成分上有较高负荷，代表了土壤的物理特性和植物的生长状况。特征向量表示主成分在各个初始指标中对应的得分，因此4个主成分与17项标准化后的初始指标之间的关系可用线性耦合方程表示，各主成分函数的表达式：

表7 主成分的特征向量

F1=0.33X9+0.32X1+0.32X7+0.32X14+0.29X8+0.28X16+0.27X12+0.26X6-0.25X3+0.24X11+0.24X17-0.02X10-0.16X4+0.12X5+0.15X15+0.18X2+0.16X13

(1)

F2=0.1X1-0.07X7-0.04X14+0.14X8+0.26X16+0.11X12+0.29X6+0.31X3-0.3X11+0.27X17-0.5X10+0.45X4-0.11X5+0.05X15-0.19X2-0.21X13

(2)

F3=0.06X16+0.2X12-0.08X9-0.15X1-0.21X14-0.15X8-0.09X6-0.12X3-0.18X11+0.26X17+0.11X10-0.12X4+0.51X5+0.5X15-0.44X2+0.08X13

(3)

F4=0.19X14-0.11X9-0.06X1-0.27X7-0.32X8+0.19X16-0.14X12+0.25X6+0.21X3+0.23X11+0.16X17+0.15X10+0.19X4-0.1X5-0.1X2+0.68X13

(4)

2.4.3 改良效果综合评价

通过各主成分加权相加得到的综合评价方程建立了改进效果综合评价体系，综合评价方程中的加权系数用各主成分的贡献率与累积贡献率之比计算，因此，改进效果综合评价方程为：

F=0.52F1+0.20F2+0.16F3+0.08F4

(5)

由表8可知，T3、T4、T5综合得分大于0，T3、T5综合得分大于1且比其他处理大得多，说明这2个处理改良土壤的效果最好。

表8 主成分得分和综合得分

3 结论与讨论

3.1 讨论

3.1.1 蚯蚓肥对土壤理化性质的影响

本试验所用蚯蚓肥施入土壤后，各处理的水解氮、有机质、有效磷、速效钾的含量均随着蚯蚓肥施用量的增加而显著升高。这说明蚯蚓肥的施用可以改善土壤肥力状况，增加土壤的养分含量，进而改良土壤。本试验中，盐碱地pH为8.41，蚯蚓肥pH为7.33，随着蚯蚓肥施用量的增加，土壤pH并未出现明显降低，这可能是由于蚯蚓肥中有机质含量较多，其机理有待进一步探讨。

3.1.2 蚯蚓肥对玉米农艺性状的影响

前人研究结果[14]指出，在蚯蚓肥与土壤体积比为0∶1～1∶5的范围内，随着蚯蚓肥施用量的增加，番茄产量和果品品质都能提高。本试验结果显示，各处理的玉米地上部分，尤其干物质和产量，随着蚯蚓肥的施入而增加。由此可见，蚯蚓肥施用对于增加植株干物质的积累、促进植株生长起了重要作用。其中，3t蚯蚓肥施入最有利于植株干物质的积累以及生长。

3.2 结论

本文以玉米为指示作物，研究施用蚯蚓肥对陕北沙质盐碱地的土壤改良效应，结论如下。

施用蚯蚓肥有效改善了沙质盐碱地土壤理化性质。与CK相比，T5处理的土壤容重降幅最大(10%)，土壤孔隙度随着施肥量增加呈变大趋势；土壤中的有效磷、水解氮含量随着施肥量的增加逐渐增大，其中T3处理的土壤有机质含量较CK提高了34.11%，T5处理的土壤速效钾、有效磷、水解氮含量与CK相比分别增加了37.61%、463.44%和208.8%。

施用蚯蚓肥显著改善了盐碱地玉米农艺性状。与CK相比，T3、T4处理干物质分别增加了50.06%和49.61%，T3处理千粒重、玉米产量分别为增加了47.91%和72.72%。

主成分分析得出T3和T5处理改良盐碱地的综合得分为1.27和1.9，其处理大小排序为T5>T3>T4>T1>T2>CK。