覆膜對渣場生態恢復工程土壤及植物影響的試驗研究

迪達爾·西爾地瑪尼 ，周宏鑫，李紹才，孫海龍，孫大遠，蔣瑜陽, 幸可薇

(1.四川大學 生命科學學院，四川 成都 610065；2.四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；3.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司, 四川 成都 610041；4.中鐵成都規劃設計院有限責任公司，四川 成都 613000)

覆膜播種技術是將塑料薄膜嚴密地覆蓋在已播種土壤表面的一種技術。隨著我國經濟飛速發展，西南山區生產建設項目也在日益增加，必然會產生大量的棄渣，而棄渣保水能力差、肥力低、表面抗雨水沖刷能力也不強[1-2]，易造成滑坡、泥石流、水土流失等嚴重的自然災害。由此可見，對棄渣場進行治理顯得尤為重要[3]。目前，治理棄渣場最根本的方法是生態恢復，即采取一些人為措施，依據生態未破壞時的性狀，重新建立生態系統的結構和功能以及相關的物理、化學和生物學特征，將受損的生態系統恢復到與未受損時相接近的狀態。渣場生態恢復主要采用的技術有植生袋以及植生毯、建攔渣堤、擋渣墻并覆土種植等。目前，覆膜技術已廣泛運用于國內外農林生產中，該技術具有保水保墑的作用，能明顯改善土壤養分狀況，從而改善植物的生長環境。覆膜還可以運用在棄渣場生態恢復工程中，可降解膜在植被穩定前能對植物生長起保護作用，減少土壤水分蒸發，改善土壤持水保肥能力[4-5]。本試驗以紫穗槐為試驗植物，研究了6種不同覆膜開孔率對棄渣場生態恢復中土壤養分、單位面積植株數量、植株株高和地徑的影響，以期為該地區生態恢復提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于四川省彭州市四川大學試驗基地，地處亞熱帶濕潤氣候區的四川盆地北部區。平均海拔594 m，年均氣溫15.9 ℃，最高氣溫25.1 ℃，最低氣溫5.3 ℃，年均降水量867 mm。

1.2 試驗材料

本研究試驗覆膜為PBAT黑色降解膜，降解周期5～6個月。模擬渣場的渣石為隧道開挖棄渣，渣石類型為砂巖，其中粒徑10～50 mm的砂巖占70%，堆積密度1 850 kg/m3。

1.3 試驗設計

本試驗單個試驗小區寬1 m、長2 m，共設置21個試驗小區。渣石堆積最低處厚度為50 cm，坡度35°，渣石堆積形狀示意見圖1。采用客土噴播方式對渣堆進行植被恢復，客土來源為周邊廢棄地表土，客土厚度12 cm，客土容重1.31 g/cm3。客土中混合有紫穗槐種子和肥料，播種密度15 g/m2，肥料成分為一定比例尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀。客土噴播后土壤有機質含量24.71 g/kg、有效磷含量72.83 mg/kg、速效鉀含量122.65 mg/kg、水解性氮含量156.71 mg/kg。

圖1 渣石堆積形狀示意

為了更清楚地了解植物生長及土壤養分情況與覆膜的關系，本試驗只選擇了木本植物，同時地膜在降解前能替代一些草本覆蓋的功能。木本植物為單株，以便能更好地進行觀測。試驗覆膜不同開孔率為變量，分別是10%、20%、30%、40%、50%和60%六個開孔率，開孔直徑設為1 cm，以保障降雨入滲，未覆膜為對照組CK，每種覆膜開孔率設置3個重復，CK也設置3個重復。2019年4月播種，后期不進行管理，于播種后1個月(2019年5月)、6個月(2019年10月)和1年(2020年4月)分別進行觀測。

1.4 測試項目與方法

植物樣品測定指標為單位面積植株數量、株高和地徑。測定方法為在各個小區隨機選取10株測定株高和地徑，計算每個小區單位面積植株數量；用電子游標卡尺測量地徑(精度 0.01 mm)；用鋼卷尺測量株高(精度0.1 cm)。

土壤樣品測定指標為有效磷、速效鉀及水解性氮含量。有效磷含量采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用乙酸浸提-火焰光度法測定，水解性氮含量采用堿解擴散法測定[6]。

1.5 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2019等進行數據處理與分析。

2 結果與分析

2.1 覆膜開孔率對土壤水解性氮的影響

氮元素作為植物三大營養元素之一，也是土壤中被植物吸收量最大的元素，因此氮元素對植物的生長發育有很大的影響[7]。水解性氮是土壤氮素不可或缺的一部分，是易水解的有機態氮(氨基酸、酰胺和易水解蛋白質)與無機態氮(銨態氮、硝態氮)的總和，能夠準確反映近期土壤的氮素供應情況[8]。由表1可知，隨著時間推移，覆膜開孔率10%、20%、30%、40%、50%、60%和CK的土壤水解性氮逐漸流失。在3個時間段內，覆膜開孔率10%土壤水解性氮平均保留量最高，其次是覆膜開孔率20%的，CK土壤水解性氮平均保留量最低。覆膜開孔率10%的在播種后1個月、6個月和1年的水解性氮流失率分別為3.06%、29.17%和43.38%。CK在播種后1個月、6個月和1年的水解性氮流失率分別為23.45%、51.31%和67.63%。對比覆膜開孔率10%與CK可知，在3個時間段內，覆膜開孔率10%的土壤水解性氮流失速度比CK的慢，且兩種處理前6個月的流失速度均比后6個月快。針對這樣的現象，有研究表明植物生長吸收土壤養分和降雨淋溶能引起氮素流失[9-10]。前6個月流失速度更快的原因可能是植物生育前期生物量較小，植物氮吸收能力低以及降雨等。但是，與CK比較可知，覆膜組土壤水解性氮保留量較高是因為覆膜具有保肥功能[11]。

表1 覆膜開孔率對土壤水解性氮含量的影響

2.2 覆膜開孔率對土壤速效鉀的影響

鉀元素雖然不是構成植物結構的元素之一，但它對植物生理活動至關重要[12]。土壤中的速效鉀為植物根系直接鉀素供給源[13]。由表2可知，播種后1個月，覆膜開孔率10%土壤速效鉀平均保留量最高，略高于開孔率20%；最低的一組為CK。播種后6個月,土壤速效鉀平均保留量最高的一組為覆膜開孔率20%，速效鉀平均保留量最低的一組為CK。播種后1年,土壤速效鉀平均保留量最高的一組為覆膜開孔率10%，略高于覆膜開孔率20%；最低的一組為CK。綜合表2來看，覆膜開孔率10%和20%在播種后1個月、6個月和1年的速效鉀流失率分別為9.12%、25.39%、30.23%和10.67%、19.85%、31.60%。CK在播種后1個月、6個月和1年的速效鉀失率分別為23.07%、29.47%和41.50%。對比覆膜開孔率10%、20%與CK可知，3個時間段內，覆膜開孔率10%與20%速效鉀流失速度相似，且兩者流失速度均慢于CK，CK速效鉀流失速度最快。分析原因可能是播種之后，植物生長對土壤中速效鉀的吸收，使土壤中速效鉀含量減少，同時也可能與速效鉀以鉀離子的形式存在于土壤中，受淋溶作用極易淋失有關[14]。由各組的表現可知，在地膜降解的前6個月內，覆膜具有顯著的保肥能力，覆膜組土壤速效鉀保留量高于CK。

表2 覆膜開孔率對土壤速效鉀含量的影響

2.3 覆膜開孔率對土壤有效磷的影響

磷元素對植物生長發育過程至關重要，磷的形態決定其在土壤中的有效性。有效磷作為能夠被植物吸收利用的部分，其含量是判斷土壤中是否含有豐富磷的主要指標和施肥的一個重要依據[15]。由表3可知，在3個時間段內，覆膜開孔率10%土壤有效磷平均保留量均最高，略高于覆膜開孔率20%；CK土壤有效磷平均保留量均最低。覆膜開孔率10%和20%在播種后1個月、6個月和1年的有效磷流失率分別為-0.14%、19.26%、32.95%和-0.08%、20.69%、34.42%。CK在播種后1個月、6個月和1年的有效磷流失率分別為19.57%、36.18%和46.37%。對比覆膜開孔率10%、20%與CK可知，播種后1個月之內，覆膜開孔率10%與20%土壤有效磷幾乎沒有流失，甚至有增加，而CK流失較多。播種后1個月至1年之內，覆膜的土壤有效磷最終保留量均大于CK。分析原因可能是，前1個月植被生物量低，無法吸收更多的有效磷，到播種后6個月時植被吸收有效磷的能力加強，因此有效磷平均保留量降低，但還是高于CK，說明地膜具有一定的保肥功能。

表3 覆膜開孔率對土壤有效磷含量的影響

2.4 覆膜開孔率對單位面積植株數量的影響

從表4可知，播種后1個月、6個月和1年，覆膜開孔率10%、20%、30%、40%、50%、60%和CK的單位面積植株數量均呈遞增趨勢，分析原因可能是黑色地膜遮光性較強，能對內部的土壤環境起到一定程度的降溫作用，這些因素會導致種子發芽率降低[16]。有研究表明，地膜的機械阻隔作用以及隨之引起的土壤物理性質的改變，能導致植物種子發芽率低[17]。結合土壤養分分析部分，對比覆膜開孔率10%、20%和CK在3個時間段的情況可知，播種后1年，覆膜開孔率10%和20%單位面積植株存活率分別為51.11%和54%，高于CK保存率，同時播種后前6個月保存率高于后6個月保存率。

表4 覆膜開孔率對單位面積植株數量的影響

2.5 覆膜開孔率對植株高度的影響

從表5可知，播種后1個月、6個月和1年，覆膜開孔率10%、20%、30%、40%、50%、60%和CK的平均株高均呈遞減趨勢。覆膜開孔率10%與20%植株平均株高較高，CK平均株高最低。分析原因可能是地膜覆蓋有保水保溫和減少土壤養分流失作用，對植物生長有利。

表5 覆膜開孔率對植株高度的影響

2.6 覆膜開孔率對植株地徑的影響

植株地徑是描述植物生長最基礎的形態指標之一，在一定范圍內，地徑越粗，表明植物根系較發達，較有活力[18]。從表6可知，播種后1年，覆膜開孔率10%、20%、30%、40%、50%、60%和CK的植株地徑呈遞減趨勢。分析原因可能是覆膜減少了地表水分蒸發，提高了土壤水分的利用率，促進了植物的生長。

表6 覆膜開孔率對植株地徑的影響

3 討 論

3.1 不同覆膜開孔率與土壤養分的關系

采用不同開孔率覆膜的方式，可以相對減少徑流，從而可以減少土壤中氮、磷、鉀的流失量[19]。本試驗也得出了相似的結論：播種后1年，覆膜組的水解性氮、速效鉀和有效磷的保留量均多于CK，這主要是因為不同覆膜開孔率有如下的保肥機制：①覆膜在一定程度上減弱了雨水對土壤表面的沖刷力度，覆膜開孔率10%～20%的抗雨水沖刷能力最強，CK抗雨水沖刷能力最弱；②覆膜可以減少土壤徑流，在一定程度上減少了因徑流導致的土壤養分流失。

3.2 不同覆膜開孔率與植物生長的關系

有研究表明，在陽光照射下，黑色地膜自身增溫較快，但是傳遞給地膜之下土壤的熱量較少，黑色地膜增溫效果較差[20]。馬艷芝[21]對北柴胡種子的研究表明，種子發芽率與溫度相關性很高，即地膜增溫效果不理想會導致植物種子發芽率較低。本試驗也得出了相似的結論：無論是播種后1個月、6個月還是1年，在不同覆膜開孔率下，單位面積植株數量均顯著少于CK。同時，覆膜可以減少土壤顯熱和潛熱交換，從雨水中收集更多水分的同時還能減少水分的蒸發。因此，覆膜可以改善土壤溫度和水分狀況，這會極大地促進植物生長和植株高度增加。趙聰等[22]對春玉米的研究表明，覆膜組的植株株高要顯著高于未覆膜組的植株株高。本試驗也得出了相似的結論：覆膜開孔率10%在播種后1個月、6個月和1年進行測試，植物平均株高均為最高，而CK植物平均株高均為最矮。朱小強等[23]對山茱萸的研究表明，覆膜與不覆膜相比，山茱萸地徑顯著增粗。趙建榜等[24]對漆樹的研究表明，覆膜與其他處理方式相比，漆樹地徑顯著增粗。本試驗也得出了類似的結論：不同開孔率(10%～60%)，覆膜后的植株地徑顯著粗于CK。這可能是由于覆膜之后，紫穗槐生長所需的水分、養分等條件有了明顯的改善，促進了紫穗槐幼苗的生長。

4 結 論

(1)覆膜開孔率對土壤養分動態變化影響較明顯。播種后1年，當覆膜開孔率為10%時，土壤水解性氮、速效鉀和有效磷保留量均高于其余處理組，覆膜開孔率20%效果略微低于10%，含量最少的是CK。說明覆膜開孔率10%與20%保肥效果佳，CK保肥效果極差。

(2)覆膜開孔率對植物生長的影響較明顯。播種后1年，CK單位面積植株數量最多，覆膜開孔率10%單位面積植株數量最少，說明黑色的地膜遮光性較強，導致膜內溫度較低，種子發芽率較低。同時地膜對植物種子發芽及生長有機械阻隔作用，導致種子發芽率降低。覆膜開孔率20%的單位面積植株數量多于覆膜開孔率10%。當覆膜開孔率為10%時，植物平均株高和地徑高于其余處理組，覆膜開孔率20%效果略微低于10%，最小的是CK。說明覆膜開孔率10%有利于植株吸收養分和水分，促進生長發育，但覆膜開孔率20%的植株保存率高于覆膜開孔率10%。

(3)綜上所述，渣場生態恢復中覆膜開孔率20%是最佳的，它比覆膜開孔率10%更能保障降雨輸入，增加膜內水分，能有效保持土壤養分(N、P、K)，防止養分大量流失，在覆膜降解之前極大地促進植物的生長與發育。