液態地膜對退化土地植物群落特征和土壤水分利用效率的影響

秦 潔，宋 莉，黎 軒，武曉燕，趙 斌

(中華全國供銷合作總社 天津再生資源研究所，天津 300191)

腐植酸液態地膜為一種褐色膏狀物，是一種以有機高分子物質為主要材料合成的乳狀懸濁液，噴施后與土壤顆粒發生聯結，形成特殊的土膜結構，起到地膜覆蓋的作用[1]。該膜具有長期有效的吸熱增溫、保墑、保苗的作用。腐植酸液態地膜具備以下優點：一是液態地膜是一種環保產品，在陽光和微生物作用下可自然降解成植物生長所需的腐植酸肥料，有效改善土壤團粒結構[2]；二是在地膜噴施前可以添加對應的農藥、肥料等，配置成為農藥、肥料和農膜綜合型地膜[3]；三是在使用時省工省時，在作物出苗時可自然出苗，減少人工放苗的農作強度；四是液態地膜在荒漠化治理方面的效果尤為明顯，適用于農、林、牧、防風固沙、水土保持等領域，可緩解干旱地區缺水問題[4]。綜上所述，液態地膜可有效控制“白色污染”，用于農業增產增收；同時液態地膜還可與造林結合，用于荒漠化治理，有效提高苗木成活率，促進土地的可持續利用。但是，目前人們對液態地膜的認識普遍還比較少。

天津市與北京市和河北省接壤，受京津冀協同發展政策和環渤海經濟圈影響，發展迅速。但是近幾年天津城郊土地退化問題越來越嚴重，退化土地面積占比逐年增加，所以天津市退化土地的生態恢復也受到廣泛關注。天津市退化土地表現為土壤貧瘠、水土保持能力較差、土壤鹽堿化嚴重、植物多樣性低等。本研究以天津市長期撂荒的弱鹽堿地為研究對象，進行液態地膜噴施試驗，擬通過分析不同液態地膜噴施梯度對植物地上生物量、植物群落多樣性及水分利用效率的影響，篩選出有效恢復生態、提高水分利用效率的高效低成本液態地膜使用模式，為退化土地的生態恢復提供理論依據和技術參考。

1 試驗設置與研究方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于天津市靜海縣子牙經濟技術園區(地理位置117°00′13′′E、38°57′11′′N，海拔約3 m)，地勢平坦。屬北半球暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，年均降水量約580 mm，其中6、7、8月降水量占年降水量的71.4%；年均蒸發量961.8 mm，其中6、7、8月蒸發量占年蒸發量的34.7%；平均氣溫11.5～14.5 ℃，最高溫度38 ℃；年均無霜期為196～246 d，最長無霜期為267 d，最短無霜期為171 d。該地區土壤類型為褐色草甸土，鹽堿地面積占總耕地面積的50%以上，試驗地為弱鹽堿地，植被單一，以耐鹽堿的蘆葦為絕對優勢種(試驗地于2015年渣土回填后，曾有過種植綠化，但是很快演替成以原生蘆葦為優勢的群落)。

1.2 試驗設置

于2021年5月開始進行液態地膜噴施試驗，共設置5個噴施水平，采用隨機區組設計，每個水平5個重復。液態地膜噴施量按產品常規噴施量375 kg/hm2的0.5倍(187.5 kg/hm2)、1倍(375 kg/hm2)、1.5倍(562.5 kg/hm2)、3倍(1 125 kg/hm2)設置，分別用Y0.5、Y1、Y1.5、Y3表示；以不噴施液態地膜為對照(CK)。液態地膜選自遼寧中臺千越生物科技有限公司生產的腐植酸液態地膜，以聚乙烯醇、可溶性淀粉和腐植酸(腐植酸約占原液的7%)為主要原料制備而成。噴施液態地膜前在試驗地進行播種，播種選用常見的耐寒耐旱菊科花草混播，主要有波斯菊、百日草。試驗小區面積4 m×4 m，各小區之間設0.5 m的隔離帶，共25個小區。先將固定量原液用2倍的清水化開攪拌使原液完全分散開溶于水，再加清水至6倍攪拌均勻，經18目篩子過濾后，用高壓噴霧器均勻噴覆，最后在各小區補噴水，以保證每個小區的水分添加一致，對照小區噴施等量水。覆膜后需要40 d圍欄保護，防止踩踏。

1.3 研究方法

1.3.1 地上植被調查取樣

于2021年8月底植物生長旺盛期，在25個小區中央分別布設1個20 cm×20 cm的樣方，對植物群落物種組成進行監測。記錄每個樣方內的物種數量及其名稱，以及樣方內每個物種的株數(即多度)。

測定完樣方內的植物群落組成后，立即齊地面分種刈割，裝入信封袋，迅速帶回實驗室，將植物進行0.5 h殺青(105 ℃)，然后進行48 h烘干(65 ℃)至恒定質量，稱量就可得每個物種的地上生物量。

1.3.2 土壤樣品采集和水分利用效率計算

在2021年的5月初(生長初期)和8月底(生長末期)分別進行土壤容重和土壤含水量測定。在每個小區中央分別用鋁盒、環刀采土樣，測定表層0～15 cm土壤的含水量和容重。

土壤蓄水量計算公式[5]為

W=10hab

(1)

式中：W為土壤蓄水量，指一定土地面積內儲存水分的數量，用水深表示，即儲存水分相當于相同面積水層的厚度，mm；10為換算系數；h為土層深度，cm；a為土壤容重，g/cm3；b為土壤質量含水率，%；水密度為1 g/cm3。

耗水量的計算是基于植物生長初期到生長旺盛期表層土壤蓄水量的變化，再加上此期間的降水量，減去徑流和滲透量而得的。計算公式為

ETa=W1-W2+P-R

(2)

式中：ETa為生長初期到生長旺盛期耗水量，mm[6-7]；W1、W2分別為植物生長初期和生長旺盛期0～15 cm土壤蓄水量，mm；P為生育期降水量，mm；R為徑流和滲透量，根據馬海霞研究發現，草地徑流和滲透量占降水量的36.86%[8]。

水分利用效率計算公式為

WUE=Y/ETa

(3)

式中：WUE為水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為植物地上生物量，kg/hm2。

1.3.3 植物群落多樣性的計算方法

植物群落多樣性采用Shannon-Wiener指數來表示，公式為

H=-∑PilnPi

(4)

式中：Pi可代表相對蓋度、相對多度等，本研究中用相對多度計算[9]。

1.4 數據處理與分析

利用SPSS 20.0對試驗數據進行統計分析，不同液態地膜處理下植物地上生物量、Shannon-Wiener指數、播種期和收獲期土壤蓄水量、水分利用效率的差異顯著性采用單因素方差分析(One-way ANOVA)、Duncan法多重比較進行分析；采用相關性分析進一步分析地上群落多樣性與水分利用效率間的相關程度。

圖表制作采用Origin 2018軟件處理，數據為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 液態地膜對地上生物量和植物群落多樣性的影響

由圖1可知，液態地膜噴施顯著影響地上生物量(P<0.05)。隨著液態地膜噴施量的增加，地上生物量呈增加趨勢，且在Y1.5處理下顯著最高。與CK相比，Y1.5處理的地上生物量提高了65.3%，增加生物量515.6 g/m2；Y0.5和Y3處理也顯著高于對照，比CK分別提高了39.0%和56.1%。

圖1 液態地膜噴施對地上生物量的影響

由圖2可知，液態地膜噴施顯著影響植物群落多樣性(P<0.05)。植物群落多樣性在Y3處理下顯著最高，與CK相比，Y3處理下多樣性指數提高了57.2%；但其余液態地膜噴施處理與CK均無顯著差異。

圖2 液態地膜噴施對群落多樣性的影響

2.2 液態地膜對水分利用效率的影響

通過對生長初期到生長旺盛期土壤蓄水量的分析(見表1)可知，液態地膜顯著影響植物生長初期(5月初)土壤蓄水量，與CK相比，Y1、Y1.5、Y3處理顯著降低了植物生長初期土壤蓄水量(P<0.05)；而生長旺盛期(8月底)土壤蓄水量在不同處理之間無顯著差異。

表1 液態地膜對土壤蓄水量的影響

由圖3可知，液態地膜噴施顯著提高了水分利用效率(P<0.05)。隨著液態地膜噴施量的增加，水分利用效率呈升高趨勢，且在Y1.5處理下顯著最高，比CK提高了69.67%，Y3處理也顯著高于CK，比CK提高了57.86%。

圖3 液態地膜噴施對水分利用效率的影響

2.3 地上植物群落與地下水分利用效率的關系

對地上植物群落與水分利用效率之間進行相關性分析可知(見表2)，水分利用效率與植物地上生物量呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與植物群落多樣性呈顯著正相關關系(P<0.05)，且植物群落多樣性與地上生物量之間存在顯著正相關關系(P<0.05)。

表2 地上植物群落與水分利用效率的相關性分析

3 討 論

研究結果表明，在弱鹽堿地噴施562.5 kg/hm2的液態地膜，地上生物量顯著高于對照65.3%。很多研究也發現相似結果。吳春花等[10]研究表明液態地膜提高了馬鈴薯的產量；王國強[11]在植物固沙植被研究中發現液態地膜覆蓋可以使產量增加20%左右；張春艷等[12]研究表明，噴施液態地膜使玉米產量比對照增加了17.4%。但是由于地上群落特征、氣候環境的不同，生物量增加比例存在差異。液態地膜對生物量的影響主要體現在莖葉上，有研究表明噴施液態地膜后的沙地柏莖葉生長狀態好于對照組[13]，液態地膜處理下的馬鈴薯地上莖葉產量顯著高于露地栽培[14]。

有報道表明鹽堿地植物地上生物量和群落多樣性有顯著線性關系[15]。本研究結果表明，噴施液態地膜能顯著增加植物群落多樣性，且相關性分析表明植物群落多樣性與地上生物量之間有顯著正相關關系。這說明液態地膜從兩方面提高植物地上生物量：一方面通過促進莖葉生長提高地上生物量，另一方面通過增加植物群落多樣性提高地上生物量。

目前有關液態地膜影響植物群落多樣性的相關報道較少。環境因子的干擾會影響種子庫的組成、數量及出芽率，并直接影響地上植被的恢復[16]。液態地膜的噴施可有效提高出芽率[17-18]，液態地膜對種子庫的出芽個體數和出芽植物種類影響較大，且在后期依然保持較顯著影響。綜合分析，液態地膜改變土壤環境、影響出芽率和出芽種類，從而影響植物群落多樣性。

液態地膜噴施后，在土壤表層阻礙了土壤水分的蒸發，能夠有效保蓄土壤水分，提高水分利用效率[19]。本研究發現液態地膜降低了生長初期土壤蓄水量。李飛翔[20]研究壟溝覆蓋對土壤水熱動態的影響，結果發現在植物生長前期，對照樣地的蓄水量高于覆蓋樣地。劉娜[21]的研究也發現土壤環境較好的情況下通常會降低生長初期的土壤儲水量。與對照樣地相比，液態地膜促使植物提前出芽，且植物生長狀況良好，所以對照樣地儲水量高的原因可能是該樣地植物生長較少，植株蒸騰喪失的水分也較少，而液態地膜處理樣地的植株生長較多，除通過土壤水分蒸發喪失水分外，還有較強的植株蒸騰作用。本研究發現液態地膜噴施顯著提高土壤水分利用效率，噴施562.5 kg/hm2液態地膜提高了69.67%的水分利用效率。很多研究也發現相似結果：霍軼珍等[22]通過研究馬鈴薯田發現噴施液態地膜后的水分利用效率較裸地處理提高35%；尹光華等[23]的研究也發現，花生田中噴施液態地膜能提高土壤含水量103%～167%，且隨液態地膜噴施量的增大保水效果增加。

有研究發現噴施液態地膜處理均提高了玉米產量和水分利用效率，且玉米產量與水分利用效率之間呈一定的線性關系[24]。本研究也發現水分利用效率與群落多樣性和地上生物量之間有顯著正相關關系，隨著水分利用效率的增加，植物群落多樣性和生物量也隨之增加。在噴施液態地膜后，水分利用效率和地上群落的關系更為緊密，液態地膜的噴施促進了地上地下的聯系和相互影響。液態地膜具有保溫保水作用，在有效提高水分利用效率的同時使土壤環境生態位變寬，促使更多樣的植物發芽生長。同時植物多樣性的增加使得根系多樣性增加，又會反過來改變土壤水分分配格局，提高植物對水分的利用效率。

4 結 論

液態地膜噴施顯著提高植物地上生物量、群落多樣性和水分利用效率。在噴施562.5 kg/hm2液態地膜的情況下，植物地上生物量和水分利用效率最高，與對照相比提高了65%以上；植物群落多樣性在噴施1 125 kg/hm2液態地膜情況下顯著最高。說明以提高植物地上生物量為目的噴施562.5 kg/hm2液態地膜就可以滿足，要想顯著提高植物群落多樣性則需要繼續增加噴施量。

在農業方面，液態地膜的使用效果不及傳統塑料地膜，液態地膜產品還在不斷優化和規范化。接下來將繼續探討液態地膜長期使用的累積效應，并將繼續研制具有更多功能的液態地膜，以適應不同地區和不同退化土地的需求，為防治“白色污染”貢獻力量。