龐 飛, 李志剛, 李 健, 李金林

(1.寧夏大學 生命科學學院, 銀川 750021; 2.寧夏大學 農(nóng)學院, 銀川 750021;3.寧夏林業(yè)研究院 種苗生物工程國家重點實驗室, 銀川 750004)

作為土壤退化的一種形式，沙漠化成為影響中國社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境發(fā)展的重要問題之一。在中國有近4億人受沙漠化的危害,沙漠化主要發(fā)生在干旱半干旱地區(qū)[1],地處中國干旱半干旱地區(qū)的寧夏同樣受到沙漠化的影響。寧夏的沙漠化面積占寧夏國土面積的24.3%，并且占寧夏國土面積47.17%的天然草地的土壤質(zhì)量并不高,且有向沙漠化發(fā)展的趨勢,這意味著在寧夏沙漠化的治理仍是一項任重而道遠的工作。土壤有機碳含量的下降被認為是土壤沙漠化最主要的表征指標[2]。有機碳的下降會使田間持水率下降[3-4]，尤其在干旱半干旱地區(qū)，加上較大的田間水分蒸發(fā)量，使田間水分進一步的下降。同時造成的土壤物理結構的惡化，會威脅土壤微生物的生存以及造成養(yǎng)分的流失[5-6]。因此改良沙化土地，首要措施是提高土壤中的有機碳[7]。近些年相關研究主要利用秸稈、凋落物、其他有機物料改良土壤，提高土壤有機碳含量[8-9]。而少見利用林木廢棄物改良土壤的研究。防護林的建設是寧夏進行沙漠化治理的一項重要舉措，特別是以楊樹(PopulusL.)為主的三北防護林和農(nóng)田防護林在寧夏廣泛分布[10]，為遏制當?shù)厣衬鸬搅酥匾淖饔?，但這些防護林每年產(chǎn)生的大量林木修剪物多被焚燒或掩埋，造成了環(huán)境污染和資源的極大浪費。而關于林木枝條對沙化土壤的改良的報道則較少，本試驗以寧夏最常見的楊樹枝條為材料，通過模擬試驗將枝條以不同形式施入沙化土壤，通過分析研究其對沙化土壤的物理、化學及微生物性質(zhì)的影響，以期為當?shù)厣郴寥栏牧寂c林木廢棄物循環(huán)利用提供理論基礎。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于賀蘭山東麓銀川腹部沙地(106°08′—107°22′E，38°28′—38°42′N，海拔約1 115 m)，地處我國西北內(nèi)陸，其西、北面分別是騰格里沙漠和烏蘭布和沙漠，中部是毛烏素沙地。主要氣候特點是晝夜溫差大、雨雪稀少、蒸發(fā)強烈、氣候干燥、風大沙多等，為中溫帶半干旱大陸性氣候，是寧夏的沙漠化地區(qū)。年均氣溫10.1℃，年均降水量181.2 mm，年均蒸發(fā)量1 882.5 mm。1月份平均最低氣溫-15.2℃，極端最低氣溫-27.9℃，7月份平均最高氣溫30.1℃，極端最高氣溫37.2℃，土壤pH值9.07，有機質(zhì)含量為1.14 g/kg、全氮含量0.11 g/kg、全磷含量0.08 g/kg、全鉀含量14.51 g/kg[11]。

1.2　試驗設計

本研究于2013年3月在寧夏林業(yè)研究院種苗生物工程國家重點實驗室試驗基地完成試驗布置，供試土壤為銀川腹部沙地的沙化土壤，楊樹枝條收集于當?shù)氐姆雷o林,收集到的枝條曬干后去除葉片后備用。試驗設5個處理(各處理凡是覆蓋的均為2 cm厚，凡翻埋的其添加量均為土壤質(zhì)量的5%)：對照(CK)，即不做任何處理；未粉碎枝條表施(UBM)，覆蓋2層樹枝，兩層呈縱橫交錯狀，覆蓋厚度為2 cm；粉碎枝條表施(GBM)即土表覆蓋約2 cm的楊樹粉碎枝條(粉碎至長度為0.5 cm左右)；粉碎枝條混施(GBI)，即土壤0—20 cm翻埋5%(質(zhì)量比)的楊樹粉碎枝條；混施粉碎枝條+表施未粉碎枝條(GBI+UBM)，即在土壤混施粉碎枝條(5%)的基礎上土表覆蓋2 cm 的未粉碎枝條，覆蓋度為60%～70%。先將采集于研究區(qū)沙化地的土壤混勻以保證土壤性質(zhì)一樣，然后將土添加到基地內(nèi)長×寬×深：1 m×1 m×2 m的水泥池(池內(nèi)之前的土壤已清理干凈)。試驗均在水泥池中進行。水泥池先埋入直徑為15 cm、高度為23 cm且底部不封閉的PVC管。隨后楊樹枝條按照試驗方案處理沙化土壤，混合材料均裝于直徑為10 cm、高度為23 cm且底部封閉的PVC容器中，材料裝置深度為20 cm。所有PVC容器最后全部放置于直徑為15 cm的PVC管中。每個處理4個重復，處理隨機區(qū)組排列，每個處理澆水的量依照寧夏當?shù)氐慕涤炅俊?/p>

1.3　土樣采集與處理

于2014年4月將內(nèi)桶移至室內(nèi)解凍。將土樣混勻后取約500 g土裝入無菌密封袋，一部分土樣去除可見枝條殘體，過2 mm不銹鋼無菌篩后保存于4℃冰箱中用于測定微生物活性指標。一部分土樣自然風干后過1 mm篩用于有機碳、全氮及其他理化性質(zhì)的測定。

1.4　測定指標與方法

土壤物理性質(zhì)指標：土壤密度、總孔隙度、田間持水率和土壤含水量采用環(huán)刀法采集原狀土，帶回實驗室一次性測定[12]。

土壤微生物性質(zhì)指標：微生物量碳、氮的測定采用氯仿熏蒸浸提法[16]。過氧化氫酶的測定采用高錳酸鉀滴定法[17]，纖維素酶的測定采用3,5—二硝基水楊酸比色法[17]；脲酶的測定采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法[17]。土壤可培養(yǎng)微生物(細菌、真菌、放線菌)采用稀釋平板法測定[14]。

1.5　數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2007建立數(shù)據(jù)庫及繪圖。采用SPSS 19.0進行單因素方差分析、相關分析及主成分分析。

2　結果與分析

2.1　楊樹枝條表施與混施對土壤物理特性的影響

表1所示楊樹枝條不同處理方式對沙化土壤物理性質(zhì)影響不同。與CK相比，UBM和GBM的土壤密度和田間持水率均無顯著差異,但兩處理都顯著提高了土壤總孔隙度和土壤含水量，其中GBM較CK土壤含水量顯著提高了5.75倍(p<0.05)。與CK相比，GBI與GBI+UBM對土壤含水量無顯著變化，但GBI較CK土壤密度顯著降低了15.17%(p<0.05)，土壤總孔隙度和田間持水率分別顯著提高了35.64%和101.05%(p<0.05)。GBI+UBM較CK處理的土壤密度顯著降低了14.48%(p<0.05)，土壤總孔隙度和田間持水率分別顯著提高了31.17%和105.23%(p<0.05)，而GBI+UBM與GBI之間土壤物理性質(zhì)差異不顯著。

表1　楊樹枝條表施與混施下沙化土壤的物理性質(zhì)

注：不同字母表示同一時期不同處理間差異顯著(p<0.05),下表同。

2.2　楊樹枝條表施與混施對土壤化學特性的影響

如表2所示，與CK相比，GBI與GBI+UBM有降低土壤pH值趨勢，其中GBI顯著降低了土壤pH值(p<0.05)，UBM與GBM有增加土壤pH值趨勢，UBM顯著增加了土壤pH值(p<0.05)。楊樹枝條不同處理方式對土壤養(yǎng)分含量的影響亦不同。各處理對土壤養(yǎng)分有不同程度的提高。與CK相比，GBI和GBI+UBM顯著提高了有機碳、速效鉀、無機氮、堿解氮含量(p<0.05)，并且GBI+UBM較GBI顯著提高了有機碳、無機氮、速效鉀含量(p<0.05)，分別提高了7.32%，10.55%，11.74%。UBM和GBM與CK相比顯著提高了全鉀含量(p<0.05)，且GBM較UBM全鉀顯著提高了4.15%(p<0.05)?？傮w上各處理對土壤養(yǎng)分含量的提高幅度呈GBI+UBM>GBI>GBM>UBM>CK趨勢。

2.3　楊樹枝條表施與混施對土壤微生物活性的影響

土壤微生物是衡量土壤肥沃程度的重要指標，表3數(shù)據(jù)顯示，各處理均不同程度提高土壤中微生物數(shù)量。GBI，GBI+UBM與CK相比均顯著提高了微生物數(shù)量(細菌、放線菌、真菌)、微生物量氮、微生物量碳(p<0.05)，而且GBI+UBM的細菌、真菌、放線菌、微生物量碳含量較GBI的分別顯著提高了14.54%，16.67%，11.11%，12.54%(p<0.05)，與CK相比，UBM和GBM除對放線菌顯著提高外(p<0.05),對其他微生物數(shù)量及微生物量碳、氮均無顯著提高。土壤酶是土壤生物化學過程中的重要因子，本試驗各處理間脲酶、纖維素酶活性規(guī)律同微生物數(shù)量的變化規(guī)律一致，與CK相比各處理間過氧化氫酶活性則無顯著差異?？傮w上處理間對土壤微生物性質(zhì)的影響呈GBI+UBM>GBI>GBM>UBM>CK趨勢。

表2　楊樹枝條表施與混施下沙化土壤的化學性質(zhì)

表3　楊樹枝條表施和混施下土壤的微生物活性

2.4　楊樹枝條表施與混施對土壤質(zhì)量的綜合評價

采用上述各生理生化指標評價沙化土壤的改良效果具有一定的局限性，因為各處理的眾多指標并非均向同一方向變化，因此需要對各處理的指標做綜合分析，以便直接觀察土壤改良的綜合效果，本文采用隸屬函數(shù)結合因子分析的方法算出各種處理的土壤質(zhì)量綜合評價指數(shù)，以便整體宏觀地觀察土壤的變化，主成分的特征值和貢獻率是選擇主成分的依據(jù)，將5種不同處理方式的21個與土壤改良有關的生理生化指標轉化為20個主成分，前3個主成分貢獻率分別為60.846%，10.258%，7.164%，它們的累計貢獻率為78.268%(表4)。能夠基本包含土壤的肥力信息，因此，選取前3個主成分作為土壤改良效果的重要主成分，對20個土壤肥力因子在各主成分上的因子載荷分析，由表5所示，土壤總孔隙度、田間持水量、細菌、真菌、放線菌、微生物量碳、微生物量氮、脲酶、纖維素酶對第一主成分影響較大，主要包含了土壤物理性質(zhì)及微生物相關信息，可將F1命名為土壤物理性質(zhì)及微生物因子，全磷、全鉀對第二主成分影響較大，包含土壤磷、鉀養(yǎng)分信息，可將F2命名為磷鉀因子，無機氮、水解氮對第三主成分影響較大，包含了土壤中氮元素的含量情況，可將F3命名為氮因子，根據(jù)主成分分析數(shù)學模型，原始變量經(jīng)過標準化處理的值，以每個主成分所對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權重，計算各處理的綜合主成分值作為綜合得分，由表6所示，GBI+UBM的得分最高為2.056，表明其土壤改良的效果最好，GBI處理則次之。

表4　主成分特征值及貢獻率

3　討 論

在本研究中楊樹枝條不同處理方式均降低了土壤密度、提高了土壤總孔隙度、田間持水率，土壤含水量(GBI除外)這與李志剛[11]、陳金海[18]、崔新衛(wèi)[19]等的研究結果相一致，但在不同楊樹枝條施用方式下，土壤密度和總孔隙度、田間持水率、土壤含水量的降低幅度和提高幅度不同。GBI，GBI+UBM較CK顯著降低了土壤密度和顯著提高了總孔隙度、田間持水率(p<0.05)，GBI+UBM的田間持水率是CK的2.05倍。UBM和GBM與CK相比土壤密度、田間持水率變化則不顯著,但GBM較CK土壤含水量提高了5.75倍。這在干旱半干旱地區(qū)對于土壤水分的保持具有重要意義。同時對比GBI+UBM和UBM以及GBI+UBM和GBI發(fā)現(xiàn)混施措施(GBI+UBM，GBI)較表施措施(UBM，GBM)能顯著改善土壤的密度、孔隙度、田間持水率，這是因為楊樹材料混施短期內(nèi)較表施更能與土壤充分接觸，通過土壤微生物的作用分解形成更多腐殖質(zhì)，使得土壤團粒結構更易形成，從而使得其土壤容重較表施處理的土壤容重低，最終使得混施處理的土壤總孔隙度較表施處理的顯著提高[20]。而UBM較CK顯著提高土壤含水量則說明在干旱半干旱地區(qū)土壤水分蒸發(fā)量較大的情況下有機物料覆蓋是較為有效的保水措施。

表5　各因子載荷矩陣

表6　主成分因子得分及土壤質(zhì)量綜合評價指數(shù)得分

楊樹枝條不同方式施入沙化土中會對土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生影響，而土壤的密度、孔隙度等物理性質(zhì)決定著土壤的水、肥、氣、熱及微生物性質(zhì)。有機碳和氮含量是影響土壤肥力的最重要因素[21]。在本試驗中，楊樹枝條的不同施用方式均能提高土壤中的有機碳、氮，其中GBI+UBM，GBI較CK有機碳顯著提高35.34%，26.1%(p<0.05)。這與薄國棟[22]、潘劍玲[23]、徐金強[24]等的研究結果相同。UBM和GBM與CK相比雖然對土壤的化學性質(zhì)影響不顯著，但總體上都有提高趨勢，而UBM和GBM之間養(yǎng)分含量差異不顯著，說明楊樹枝條的外觀性狀對于其分解釋放養(yǎng)分無顯著的影響?；焓┨幚?UBM+GBI，GBI)較表施處理(UBM，GBM)對土壤的化學性質(zhì)改善效果更好，分析是楊樹枝條首先改善了土壤的物理性質(zhì)，因為混施楊樹枝條與土壤接觸面積更大，土壤密度、孔隙度的改善，材料分解更快，直接分解釋放的養(yǎng)分更多，形成更多的腐殖質(zhì)參與土壤顆粒形成，進而參與吸附各種營養(yǎng)元素[21]。此外本試驗中各處理全氮、全磷含量與CK相比均不顯著，可能是楊樹枝條C/N、木質(zhì)素含量較高，難以在短期內(nèi)大量分解氮素[24]。GBI與GBI+UBM較CK顯著提高土壤中無機氮、堿解氮含量(p<0.05)，而作為植物生長過程中所必需的無機氮、堿解氮的含量的提高將對土壤改良后期的植物生長具有重要意義，也說明了楊樹枝條混施措施對土壤改良是有效的。

添加楊樹枝條影響土壤的物理性質(zhì)、化學性質(zhì)，最后通過影響土壤的微生物性質(zhì)表現(xiàn)出來，因此土壤微生物能夠很好地反映外在環(huán)境因子的刺激以及人為作用[25]。土壤微生物在秸稈碳、氮的礦化，腐殖質(zhì)形成、分解等生物化學過程中有著不可替代的作用[26],并且微生物本身的代謝產(chǎn)物對于土壤質(zhì)量有很大的影響。細菌在土壤微生物中占比最大，是土壤微生物中最為活躍的組分；真菌可以分泌產(chǎn)生大量的胞外酶，是分解有機物料的主導微生物種群；放線菌對木質(zhì)素分解起著重要的作用[28-30]。因此研究者多以研究添加秸稈后土壤中細菌、真菌、放線菌的群落結構、組成以及遺傳多樣性等，借此評判秸稈改良土壤的效果。在田中加入秸稈能夠為微生物提供有效的碳源、氮源，這將極大的促進微生物的生長[27]。李曉莎等[31]研究了秸稈還田和無秸稈還田對夏玉米田土壤呼吸及微生物活性的影響。結果表明：秸稈還田和保護性耕作在0—20 cm能明顯提高土壤微生物量碳和微生物數(shù)量。Ocio等[32]將秸稈翻壓還田7 d后研究微生物含量變化，結果顯示微生物數(shù)量增加了2倍。這些結果與本試驗結果一致，在本試驗中，與CK相比，GBI和GBI+UBM均顯著提高土壤中細菌、真菌、放線菌的數(shù)量，UBM和GBM處理與CK相比微生物數(shù)量雖有提高但不顯著。說明楊樹枝條與秸稈一樣在還田后能夠促進土壤微生物的生長與繁殖?；焓┨幚?UBM+GBI，GBI)較表施處理(UBM，GBM)效果較好，特別是UBM+GBI最顯著則是因為混施處理除了較表施處理提供更多的碳、氮等化學養(yǎng)分促進微生物的生長外，其對沙化土壤物理結構的改善較好于表施也會對土壤微生物產(chǎn)生顯著影響，田間持水量、孔隙度、通透性的顯著提高，能夠使得微生物生存環(huán)境改善，從而最終使得混施處理顯著提高微生物數(shù)量與活性，且本試驗中混施的基礎上又做表施的處理(UBM+GBI)會在土壤表面形成一層與大氣熱交換的隔層，阻止太陽長波輻射的同時也會減少土壤熱量的散失，有高溫時“降溫”和低溫時“增溫”的雙重效果[11]，這使得微生物處在溫度相對穩(wěn)定的環(huán)境，更有利于微生物的生長代謝，極大提高了微生物含量，因此使得GBI+UBM較GBI顯著提高土壤微生物數(shù)量(p<0.05)。

微生物量碳、氮與微生物數(shù)量密切相關。在本研究中微生物量碳、氮的變化趨勢與微生物數(shù)量變化趨勢一致。土壤酶是土壤微生物和植物分泌的有機物質(zhì)，與土壤質(zhì)量理化性質(zhì)的大部分指標顯著相關，纖維素酶、脲酶、過氧化氫酶與生物化學過程及養(yǎng)分釋放過程密切相關。在本研究中各處理的3種酶的活性均有提高，其中混施處理(GBI，GBI+UBM)脲酶、纖維素酶活性顯著提高，可能是楊樹枝條施入特別是混施后酶的底物量增加了，也可能改良措施特別是混施措施使土壤微生物含量、物理化學性質(zhì)的改善會促進酶活性的提高，使得混施處理的酶活性顯著提高。總的來看楊樹枝條的施入對沙化土壤生物特性的積極響應是有效的。各處理對土壤微生物特性與土壤物理化學性質(zhì)趨勢基本一致。

4　結 論

綜上所述，本試驗各處理總體上能改善土壤物理性質(zhì)，與CK相比，UBM和GBM的土壤密度和田間持水率均無顯著差異,但兩處理都顯著提高了土壤總孔隙度和土壤含水量。與CK相比，GBI，GBI+UBM對土壤含水量無顯著變化，但GBI，GBI+UBM較CK顯著降低了土壤密度，提高了土壤總孔隙度和田間持水率，而GBI+UBM與GBI之間土壤物理性質(zhì)差異不顯著。各施用方式對土壤化學性質(zhì)各指標變化并不完全是趨于同一方向，但總體上對土壤有機碳、全氮和無機氮、速效鉀均有不同程度提高，其中對于有機碳、無機氮、速效鉀、堿解氮，GBI+UBM是CK的1.35倍、2.65倍、2.51倍、1.13倍，處理間呈現(xiàn)GBI+UBM>GBI>GBM>UBM>CK趨勢。各處理均提高了土壤中細菌、真菌、放線菌數(shù)量以及微生物量碳、氮含量，且各處理間同樣呈現(xiàn)GBI+UBM>GBI>GBM>UBM>CK趨勢。各處理間土壤酶活性變化趨勢呈現(xiàn)同微生物數(shù)量變化趨勢(過氧化氫酶除外)，且GBI+UGM處理效果最顯著。土壤質(zhì)量綜合評價指數(shù)顯示各處理對沙化土壤的改良效果依次為GBI+UBM>GBI>UBM>GBM>CK。這為寧夏當?shù)厣郴寥栏牧技傲帜緩U棄物合理利用提供了可借鑒實例。

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