王睿彤,孫景寬,陸兆華

1 濱州學(xué)院山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點實驗室, 濱州 256603 2 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究所, 北京 100083

土壤改良劑對黃河三角洲濱海鹽堿土生化特性的影響

王睿彤1,2,孫景寬1,*,陸兆華1,2

1 濱州學(xué)院山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點實驗室, 濱州 256603 2 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究所, 北京 100083

以黃河三角洲濱海鹽堿土為研究對象,采用4因素4水平正交設(shè)計試驗,將牛糞(A)、石膏(B)、秸稈(C)、保水劑(D)4種改良劑設(shè)置成不同比例,對黃河三角洲濱海鹽堿土生化特性進行改良試驗,以期篩選出適宜的改良方案。結(jié)果表明：牛糞(A)、石膏(B)、秸稈(C)3種改良劑對土壤呼吸強度、土壤磷酸酶、土壤脲酶、土壤脫氫酶和土壤微生物碳氮改良效果明顯,保水劑(D)對土壤微生物碳氮改良效果明顯,各處理間差異顯著。各改良劑對鹽堿土各生化指標(biāo)的貢獻值存在差異,綜合考慮土壤呼吸強度、土壤酶、土壤微生物碳氮適宜配方為A4B3C2D2,土壤呼吸強度、土壤磷酸酶、土壤脲酶、土壤脫氫酶和土壤微生物碳氮分別比對照增高109.64%,89.54%,62.20%,81.75%,60.50%,118.00%,相關(guān)分析表明,除微生物氮和脲酶相關(guān)不顯著外,上述各土壤生化指標(biāo)間均顯著相關(guān),研究結(jié)果可為黃河三角洲鹽堿土的改良利用提供一定的理論依據(jù)。

改良劑；黃河三角洲；濱海鹽堿土；正交設(shè)計；生化特性

我國海岸線漫長,濱海鹽堿地面積約達(dá)1.0×106hm2[1]。濱海鹽堿地是在海洋和陸地的相互作用下由大量泥沙沉積而形成的連接陸地和海洋的緩沖地帶,地貌以平原、河口三角洲和灘涂為主,絕大多數(shù)屬泥質(zhì)海岸帶,土壤類型主要為濱海鹽土類、潮土類等[2],黃河三角洲地區(qū)蒸降比大,地下水位高,礦化度大,土壤鹽漬化高達(dá)70%以上[3]。因此,開發(fā)利用鹽堿土壤對提高土地使用率及保護生態(tài)環(huán)境等具有重要意義。

長期以來,改良鹽堿土壤多采用工程措施,如淡水淋洗壓鹽,客土轉(zhuǎn)移土壤鹽分,添加化學(xué)改良劑,種植耐鹽植物進行生物修復(fù)等多種方法[4-7]。但綜合利用當(dāng)?shù)貜U棄物,進行多因素多水平改良的研究并不多見,本研究針對黃河三角洲工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄物堆積問題,利用石膏、秸稈、牛糞、保水劑4種改良劑,通過4因素4水平正交設(shè)計方案,對黃河三角洲濱海鹽堿土進行土壤改良實驗,分析其改良機理,探索更加高效,成本低廉的改良方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤采自山東省濱州市沾化縣濱海鹽堿地,土壤含鹽量在0.5%—0.6%,土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。鹽堿土壤改良材料包括小麥秸稈、牛糞、勝利油田保水劑以及石膏。小麥秸稈和牛糞由園林綠化中心提供,保水劑由中國礦業(yè)大學(xué)(北京)恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究所提供,石膏由天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司生產(chǎn)。

表1 實驗土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

實驗在人工溫室布置,所用塑料盆直徑為28.2 cm,高19.8 cm,每個塑料盆裝8 kg土壤。4種改良劑均設(shè)計為4個梯度,按L16(4,4)條件實驗正交設(shè)計表設(shè)計,與土壤混合均勻,共16個處理,每個處理重復(fù)3次。處理分別為：A1B1C1D1、A1B2C2D2、A1B3C3D3、A1B4C4D4、A2B1C2D3、A2B2C1D4、A2B3C4D1、A2B4C3D2、A3B1C3D4、A3B2C4D3、A3B3C1D2、A3B4C2D1、A4B1C4D2、A4B2C3D1、A4B3C2D4、A4B4C1D3。

小麥秸稈粉碎成1 cm段,劃分0,1,2,3 g/kg 4個梯度[8]；針對濱州沾化鹽堿土的具體情況,通過測定土壤容重、交換性鈉含量確定石膏添加量[9],純石膏設(shè)置0,1.68,3.37,6.73 t/hm24個梯度,即0,10.5,21,42 g/盆；牛糞設(shè)置0%,2%,3%,4% 4個梯度[10],即0,160,240,320 g/盆；勝利油田生產(chǎn)的保水劑同樣設(shè)置0%,0.01%,0.03%,0.05% 4個梯度[11],即0,0.8,2.4,4.0 g/盆。各改良劑均與盆栽鹽堿土壤(8 kg/盆)混勻。

土壤灌溉按照濱州市當(dāng)?shù)?999—2008年降雨量的變化趨勢進行安排[12]。灌水制度分冬、春、夏和秋4種不同的灌溉方式。濱州冬、春、夏、秋平均降雨量分別為7.29,27.38,111.47,35.27 mm,折合澆灌量分別為0.46,1.71,6.96,2.2 L/盆,最終冬、春、夏、秋各季節(jié)每周每個盆澆灌分別為50,150,550,200 mL?；靹蛲寥琅囵B(yǎng)周期為1a,1a之后采樣進行相關(guān)指標(biāo)分析。

1.3 測定項目與方法

使用采樣器進行“五點法”采樣。采好的土樣自然風(fēng)干,過2 mm篩,裝入塑封袋保存,用于測定土壤的各項指標(biāo)。土壤呼吸強度采用氫氧化鈉吸收法測定[13]；磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法[14]；脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法[14]；脫氫酶采用TTC分光光度法測定[14]；微生物總量采用氯仿熏蒸-K2SO4提取-碳自動分析法。 試驗數(shù)據(jù)采用Excel軟件和SPSS 13.0進行方差分析,應(yīng)用Duncan進行多重比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同處理下鹽堿土土壤呼吸強度的變化

土壤呼吸指土壤產(chǎn)生CO2的所有代謝過程,包括植物的根系呼吸、土壤微生物呼吸和土壤動物呼吸3個生物學(xué)過程和1個非生物學(xué)過程,即少量的土壤有機物氧化而產(chǎn)生的CO2,其中對土壤呼吸強度貢獻最大的是根系的自養(yǎng)呼吸和微生物的異養(yǎng)呼吸[15],土壤呼吸強度是評價土壤生物活性和土壤肥力的總指標(biāo),可衡量土壤有機物的分解速率[16-17]。

圖1 不同處理下鹽堿土壤呼吸強度的變化 Fig.1 Soil respiration intensity in saline-alkali soil under the different treatments

從圖1可以看出,土壤經(jīng)過改良,土壤呼吸強度各處理差異顯著,變化趨勢大致由低到高,且各處理與對照差異顯著,各土壤指標(biāo)值均高于對照。方差分析表明,牛糞(A),石膏(B),秸稈(C)這3個因素對鹽堿土壤呼吸強度改良的影響顯著,保水劑(D)影響不顯著,且其影響程度的大小有差異,這4個因素對鹽堿土壤呼吸強度改良作用的大小依次為：A>C>B>D。其中,A因素中A4均數(shù)最大(1903.49),且A1、A2、A3、A4之間存在顯著性差異(P<0.05)。同理,B因素中B1均數(shù)最大(1345.73),B1與B3、B4之間存在顯著性差異,B2與B3之間存在顯著性差異；C4均數(shù)最大(1412.23),C4與C1、C2、C3之間存在顯著性差異,C1、C3之間存在顯著性差異；D1均數(shù)最大(1343.86),D1與D2、D4之間存在顯著性差異。

2.2 不同處理下鹽堿土土壤酶的變化

酶在土壤中所進行的各種物化反應(yīng)過程中均起著重要的作用,和土壤肥力的演變過程也息息相關(guān),酶活性在一定程度上反映了土壤肥力狀況[7],是土壤生物學(xué)活性的綜合體現(xiàn),可促進生態(tài)系統(tǒng)中能量流動和物質(zhì)循環(huán)[18]。由于土壤酶主要源于土壤微生物,因此可指示土壤環(huán)境中微生物活性[19-20]。

2.2.1 不同處理下鹽堿土土壤磷酸酶的變化

P作為必需的大量營養(yǎng)元素,土壤中的有機P一般占全P 的30%—50%,有的可達(dá)95%,而有機磷酸酯在土壤中必須被水解成無機P后才能被植物吸收,在這一過程中微生物和磷酸酶起著重要作用[21]。從圖2可看出,土壤經(jīng)過改良,土壤磷酸酶各處理差異顯著,變化趨勢大致由低到高,且各處理與對照差異顯著,各土壤指標(biāo)值均高于對照。通過方差分析可知,牛糞,石膏,秸稈這3個因素對鹽堿土壤磷酸酶改良的影響顯著,保水劑影響不顯著,且其影響程度的大小有差異,這4個因素對鹽堿土壤磷酸酶改良作用的大小依次為：A>C>B>D。其中,A因素中A4均數(shù)最大(436.93),且A1與A2、A3、A4之間存在顯著性差異,其中A3與A4之間存在顯著性差異。同理,B因素中B4均數(shù)最大(406.05),B1與B4之間存在顯著性差異；C4均數(shù)最大(410.59),C1與C3、C4之間存在顯著性差異；D2均數(shù)最大(401.85),D2與D3、D4之間存在顯著性差異。

2.2.2 不同處理下鹽堿土壤脲酶的變化

脲酶在土壤中能將尿素轉(zhuǎn)化成氨,成為有機體生命活動的氮源[22]。脲酶是一種最普遍存在的土壤酶,因為土壤脲酶參與土壤中含N有機化合物的轉(zhuǎn)化,其活性強度常用來表征土壤N素供應(yīng)強度[23]。從圖3可看出,土壤經(jīng)過改良,土壤脲酶各處理差異顯著,變化趨勢大致由低到高,且各處理與對照差異顯著,各土壤指標(biāo)值均高于對照。通過方差分析可知,牛糞,石膏,秸稈這3個因素對鹽堿土壤脲酶改良的影響顯著,保水劑影響不顯著,但其影響程度的大小有差異,這4個因素對鹽堿土壤脲酶改良作用的大小依次為：A>C>B>D。其中,A因素中A3均數(shù)最大(598.35),且A1與A2、A3、A4之間存在顯著性差異,其中A2與A3之間存在顯著性差異。同理,B因素中B4均數(shù)最大(552.32),B3與B4之間存在顯著性差異；C4均數(shù)最大(564.68),C2與C3、C4之間存在顯著性差異,其中,C1與C4之間存在顯著性差異；D2均數(shù)最大(530.69),D1、D2、D3、D4之間不存在顯著性差異。

圖2 不同處理下鹽堿土壤磷酸酶活性變化 Fig.2 Phosphatase activities in saline-alkali soil under the different treatments

圖3 不同處理下鹽堿土壤脲酶活性變化 Fig.3 Urease activities in saline-alkali soil under the different treatments

2.2.3 不同處理下鹽堿土土壤脫氫酶的變化

圖4 不同處理下鹽堿土壤脫氫酶活性變化 Fig.4 Dehydrogenase activities in saline-alkali soil under the different treatments

脫氫酶是土壤中主要酶類之一,是氫的中間傳遞體,能催化促進土壤中有機物脫氫。碳水化合物和有機酸可作為氫的供體,脫氫酶能從中析出氫而進行氧化作用,在土壤有機物氧化中發(fā)揮重要作用[24]。長期施肥可增加土壤中微生物活性,提高脫氫酶活性,可表征土壤微生物活性的高低[25]。由圖4可知,土壤脫氫酶隨時間變化幅度較大。土壤經(jīng)過改良,各處理土壤脫氫酶差異顯著,變化趨勢大致由低到高,且各處理與對照差異顯著,各土壤指標(biāo)值均高于對照。通過方差分析可知,牛糞,石膏,秸稈這3個因素對鹽堿土壤脫氫酶改良的影響顯著,保水劑影響不顯著,但其影響程度的大小有差異,這4個因素對鹽堿土壤脫氫酶改良作用的大小依次為：A>C>B>D。其中,A因素中A4均數(shù)最大(194.34),且A1與A2、A3、A4之間存在顯著性差異,其中A2與A3、A3之間存在顯著性差異。同理,B因素中B4均數(shù)最大(166.90),B1與B4之間存在顯著性差異；C4均數(shù)最大(170.34),C4與C1、C2、C3之間存在顯著性差異；D3均數(shù)最大(165.08),且D3、D4之間存在顯著性差異。

2.3 不同改良配方對鹽漬化土壤微生物總碳、總氮的影響

土壤微生物量碳雖然占土壤有機碳的1%—4%[26],但卻是土壤養(yǎng)分和土壤動植物生命活動的養(yǎng)分的主要來源,是反映土壤微生物活性和質(zhì)量的總體指標(biāo),比土壤有機質(zhì)更能有效地反映土壤肥力狀況[27-28]。土壤微生物量的大小一般與土壤肥力水平呈正相關(guān),土壤肥力水平越高,土壤微生物量C、N含量也就越大[29],因此土壤的微生物量也可作為一個評價土壤肥力的指標(biāo)。從圖5、圖6可知,隨著改良劑梯度的變化,微生物碳量變化顯著。土壤經(jīng)過改良,土壤微生物碳量各處理差異顯著,變化趨勢大致由低到高,且各處理與對照差異顯著,各土壤指標(biāo)值均高于對照。因為土壤中添加牛糞和秸稈等有機物質(zhì),土壤微生物活性增強,微生物碳含量變大,微生物氮量的變化規(guī)律與微生物碳量一致。

通過方差分析可知,牛糞,石膏,秸稈,保水劑這4個因素對鹽堿土壤微生物碳改良的影響顯著,但其影響程度的大小有差異,這4個因素對鹽堿土壤微生物碳改良作用的大小依次為：A>B>D>C。其中,A因素中A4均數(shù)最大(213.91),且A1、A2、A3、A4之間存在顯著性差異。同理,B因素中B3均數(shù)最大(135.45),B1和B2分別與B3、B4之間存在顯著性差異；C1均數(shù)最大(127.78),C3與C1、C2之間存在顯著性差異；D3均數(shù)最大(134.62),且D1和D2分別與D3、D4之間存在顯著性差異。

圖5 不同處理下鹽堿土壤微生物碳含量的變化 Fig.5 Microbial biomass C contents in saline-alkali soil under the different treatments

圖6 不同處理下鹽堿土壤微生物氮含量的變化 Fig.6 Microbial biomass N contents in saline-alkali soil under the different treatments

通過方差分析可知,牛糞,石膏,秸稈,保水劑這4個因素對鹽堿土壤微生物氮改良的影響顯著,但其影響程度的大小有差異,這4個因素對鹽堿土壤微生物氮改良作用的大小依次為：A>B>D>C。其中,A因素中A4均數(shù)最大(47.42),且A1與A2、A3、A4之間存在顯著性差異,其中A4與A2、A3之間存在顯著性差異。同理,B因素中B3均數(shù)最大(25.83),B1和B2分別與B3、B4之間存在顯著性差異；C2均數(shù)最大(26.78),C2與C3、C4之間存在顯著性差異,且C1與C4之間存在顯著性差異；D4均數(shù)最大(27.23),D4與D1、D2之間存在顯著性差異,且D2與D3之間存在顯著性差異。

2.4 土壤生化指標(biāo)相關(guān)性分析

從表2可以看出,鹽堿化土壤經(jīng)過改良,土壤呼吸強度與土壤磷酸酶、土壤脲酶、土壤脫氫酶、土壤微生物碳、微生物氮成極顯著性相關(guān)；土壤磷酸酶與土壤脲酶、土壤脫氫酶、土壤微生物碳、微生物氮成極顯著性相關(guān)；土壤脲酶與土壤脫氫酶極顯著性相關(guān),與土壤微生物碳顯著相關(guān),與土壤微生物氮相關(guān)不顯著；土壤脫氫酶與土壤微生物碳、土壤微生物氮成極顯著性相關(guān)；土壤微生物碳與土壤微生物氮成極顯著相關(guān)。其原因與植物根系對養(yǎng)分的活化、吸收以及土壤微生物、土壤酶對土壤有機質(zhì)分解、轉(zhuǎn)化有關(guān)。同時,促進了土壤微生物、土壤酶活性提高；土壤微生物量、土壤酶活性及土壤養(yǎng)分三者之間關(guān)系密切。

表2 鹽堿土壤各生化指標(biāo)的相關(guān)性

* *表示相關(guān)性在置信水平為0.01具有重要意義(雙側(cè)的)。*表示相關(guān)性在置信水平為0.05具有重要意義(雙側(cè)的)

3 結(jié)論

本研究以黃河三角洲工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廢棄物為改良材料,擬通過添加石膏,牛糞,秸稈,保水劑,促進土壤中鈉鈣離子交換率,利于鹽分的淋溶去除,增加土壤的養(yǎng)分含量,改善土壤的物理結(jié)構(gòu),增強改良土壤的保水保肥潛能。研究結(jié)果表明,4種改良劑對鹽堿土土壤呼吸強度、土壤磷酸酶、土壤脲酶、土壤脫氫酶和土壤微生物碳氮等生化指標(biāo)的改良效果存在差異,牛糞(A)、石膏(B)、秸稈(C)3種改良劑對土壤呼吸強度、土壤磷酸酶、土壤脲酶、土壤脫氫酶和土壤微生物碳氮改良效果均顯著,保水劑(D)對土壤微生物碳氮改良效果顯著,對土壤呼吸強度、土壤磷酸酶、土壤脲酶、土壤脫氫酶改良作用不顯著。

4種改良劑對鹽堿土各生化指標(biāo)的貢獻值存在差異,綜合考慮經(jīng)濟效益和改良效果,對土壤呼吸強度、土壤酶、土壤微生物碳氮等生化特性改良的適宜配方為A4B3C2D2,土壤呼吸強度、土壤磷酸酶、土壤脲酶、土壤脫氫酶和土壤微生物碳氮分別比對照增高109.64%,89.54%,62.20%,81.75%,60.50%,118.00%,相關(guān)分析表明,除微生物氮和脲酶相關(guān)不顯著外,上述各土壤生化指標(biāo)間均顯著相關(guān),研究結(jié)果可為黃河三角洲鹽堿土的改良利用提供一定的理論依據(jù)。

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Effect of Soil Ameliorants on the Biochemical Properties of Coastal Saline-alkali Soil in the Yellow River Delta

WANG Ruitong1,2, SUN Jingkuan1,*, LU Zhaohua1,2

1ShandongProvincialKeyLaboratoryofEco-EnvironmentalScienceforYellowRiverDelta,BinzhouUniversity,Binzhou256603,China2InstituteofRestorationEcology,theChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China

The present study analyzed the improved biochemical properties of the coastal saline-alkali soil in the Yellow River Delta using four factors of a four level orthogonal variance analysis. Four kinds of ameliorants, including cow dung (A), gypsum (B), straw (C), and a water-retaining agent (D), were applied with different formulas. The objective of the present study was to determine the most efficient drainage scheme and provide a theoretical basis for the improvement of the coastal saline-alkali soil in the Yellow River Delta. The results indicated that the effect of cow dung, gypsum, and straw on soil respiration intensity, phosphatase, urease, dehydrogenase, and microbial biomass carbon and nitrogen showed significant(P<0.05)differences among the treatments with improvement; and the effect of the water-retaining agent on microbial biomass C and N showed significant (P<0.05)differences among the treatments with improvement. Significantly higher indicator values than the control group were also observed. The contribution of the four kinds of ameliorants differed in the improvement of saline soil conditions. Considering the results, the most efficient formula for soil respiration intensity, enzymes, and microbial biomass C and N was A4B3C2D2. Compared to the control group, soil respiration intensity, phosphatase, urease, dehydrogenase, and microbial C and N increased by 109.64%, 89.54%, 62.20%, 81.75%, 60.50%, and 118.00%, respectively. The correlation analysis indicated that there were significant (P<0.05)correlations between the soil biochemical parameters, except for microbial N and urease. The results of the current study could provide a theoretical basis for the improvement and utilization of saline alkali soil in the Yellow River Delta.

ameliorants; Yellow River Delta; coastal saline-alkali soil; orthogonal design; biochemical properties

國家自然科學(xué)基金項目(41401100)；山東省科技發(fā)展計劃項目(2014GSF117022)；山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2013CQ007)；濱州學(xué)院博士基金項目(2013Y05)

2015-08-03;

日期:2016-06-13

10.5846/stxb201508031633

* 通訊作者Corresponding author.E-mail: sunjingkuan@126.com

王睿彤,孫景寬,陸兆華.土壤改良劑對黃河三角洲濱海鹽堿土生化特性的影響.生態(tài)學(xué)報,2017,37(2):425-431.

Wang R T, Sun J K, Lu Z H.Effect of Soil Ameliorants on the Biochemical Properties of Coastal Saline-alkali Soil in the Yellow River Delta.Acta Ecologica Sinica,2017,37(2):425-431.