施用不同土壤改良劑對準格爾盆地鹽堿地的改良作用

王磊元， 李風娟， 秦翠蘭

(新疆理工學院，新疆阿克蘇 843000)

土壤在植被生長發育過程中起著關鍵作用，生產中常常使用改良劑改善土壤理化結構、肥力特征和微生物活性，目前該方法在作物增產方面運用較為廣泛。土壤微生物在調控土壤肥力中起著重要作用，作為土壤微生物的關鍵構成部分，細菌和真菌的占比達到70%以上，微生物的代謝促進了土壤養分的積累，有效改善了土壤肥力。對于土壤菌群而言，具有不同的分類，按照其形狀的差異主要有球菌及桿菌等，此外，其營養方式也呈現尤為突出的差異，不僅包括自養、異養，還包括兼性自養。土壤改良劑的含量不同，其對土壤的作用效果也呈現較大差異，這是微生物及土壤理化特性共同作用的結果，對于植被的生長發育所產生的效果也存在突出差異。

對于準噶爾盆地而言，雖然它具有遼闊的面積，但是它在生態方面具有明顯的脆弱性，無論是其環境容量還是承載力方面均不高，該區域主要的經濟帶集中在南部的天山區域，對于新疆地區經濟而言，超過80%的經濟量分布在此區域，工業方面占比70%以上，同時這也是西部大開發的重點之一。該區域分布著大量的鹽堿土，如何加以利用成為生態研究的重要課題，也是面臨的不可回避的現實問題，更是優化西部生態的關鍵之一。基于此，本研究如何利用土壤改良劑對該區域土壤加以優化，以此提升土壤利用效率，本研究所選取的改良材料不僅包括生物炭、草木灰，還包括牡蠣殼粉，同時采取對照組的研究方式，借助于改良技術開展該區域土壤理化特性優化研究，以增強土壤利用效率，為有效改善鹽堿地現狀提供有益的借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究將新疆準噶爾盆地作為研究對象，對于該區域而言，其海拔達到400 m，綠洲區域主要分布在邊緣地帶，其中心區域大多為沙漠。受地理位置的制約，其季節性溫度差異尤為突出，且早晚溫差較大，采暖期可達次年的4月。該區域整體而言呈現較為突出的溫帶大陸性干旱氣候特點，由于其深處沙漠腹地，導致其年降水量低于100 mm，而高溫大大增強了其年蒸發量。關于研究區域，其植被分布多以原始植被為主，尤其是鹽生耐旱植被，諸如灌木及半灌木等，如多枝檉柳、琵琶柴等。關于該區域土壤，以灰漠土為主，其pH值則達到8.9。該區域豐富的自然資源為區域開發奠定了重要基礎，該區域也是西北地區重要的能源化工基地，尤其是克拉瑪依及烏魯木齊等地區。

1.2 試驗材料

試驗材料：牡蠣殼粉，pH值8.12，有機碳含量5.65%，全氮含量1.2%，粉粒含量34.51%，黏粒含量29.82%，純度99.5%，斯諾特生物技術有限公司生產；生物炭，pH值8.98，有機碳含量9.87%，全氮含量1.34%，粉粒含量39.45%，黏粒含量21.23%，經過800 ℃高溫灰化而成，新疆天然植物保護科技開發有限公司生產；草木灰，pH值9.33，有機碳含量9.09%，全氮含量1.33%，粉粒含量57.56%，黏粒含量21.21%，農家自產。

本試驗將準格爾盆地作為研究對象，試驗時間為2016—2021年，所選擇的樣地共4個，不僅包括牡蠣殼粉樣地、生物炭樣地，還包括草木灰樣地，同時為了開展試驗對比分析，特設置對照組(CK)，樣地的長、寬均為500 m，為了最大程度降低試驗誤差，對各樣地開展5次重復樣方試驗，要求其長、寬均為 10 m，用于長期定位觀測，然后在上述每個樣地上噴灑土壤改良劑，以不添加改良劑作為對照，1年中每3個月噴灑1次，每年噴灑4次，每次噴灑按照 0.5 kg/m的計量進行噴灑，定期(每年)采集土壤樣品進行化驗，連續5年采集土壤樣品。

1.3 土壤養分和微生物特性指標的測定

為了測定土壤理化特性的變化，需要對土壤的有機碳(SOC)、總氮(TN)、總磷(TP)等的含量進行測定，在測定過程中分別采取氧化法、半微量凱式法、比色法；對于有效氮(AK)、有效磷(AP)含量的測定借助于浸提法；而對于微生物量碳(SMBC)、微生物量氮(SMBN)等采取KSO浸提法測定。土壤酶活性的測定參照文獻[11]中的方法。

此外，還需對土壤基礎呼吸狀況進行測定，本研究借助于培養法，具體通過相當于20 g干土的新鮮土樣作為樣品，將其置于培養瓶，之后進行水量調節，直至其達到正常田間持水量的60%，要求其溫度達到 25 ℃，處理時間為24 h，接下來還需要測定CO含量，具體借助于色譜儀，對于代謝熵的計算則通過基礎呼吸/微生物量碳加以計算。

1.4 土壤微生物群落測定

在磷脂的提取過程中，本研究采取的是Bligh等的方法，第1步是將8 g干燥土樣置于試管中，然后將檸檬酸緩沖液、三氯甲烷、甲醇按照 0.8 ∶1.0 ∶2.0 的體積比置于試管中，要求緩沖溶液的pH值達到4.0；然后對混合液進行振蕩處理，從而對總脂類進行提取，接下來借助于固相萃取(SPE)硅膠柱對中性脂、糖脂進行去除處理，最終提取出磷脂；然后還要對其進行堿性甲酯化處理，并借助于氣相色譜儀(型號為Agilent GC-6850)開展磷脂脂肪酸(PLFA)成分分析；之后對各成分脂肪酸開展微生物鑒定，本研究借助于MIDI Sherlock 軟件加以分析。最后對微生物類群進行劃分，主要依據磷脂脂肪酸的分子結構。

1.5 數據分析

本研究采取連續5年取樣并記錄相關研究數據，將其均值作為最終的分析數據源，并對各試驗處理數據進行方差分析，開展顯著性檢驗，同時開展成分分析。

2 結果與分析

2.1 不同改良劑對鹽堿地土壤陰陽離子的影響

表1 不同改良劑對鹽堿地土壤陰陽離子的影響

2.2 不同改良劑對鹽堿地土壤養分的影響

由表2可知，受不同改良劑的影響，不同樣地的土壤養分具有較為突出的差異，但是其促進作用均較為明顯，且在降低土壤pH值方面均具有較為突出的效果，與CK相比差異達到了顯著水平(<0.05)。各處理與對照組相比，無論是有機碳、速效磷含量，還是全氮和堿解氮含量，其差異均達到了顯著水平(<0.05)，且其含量均高于對照組；而其全磷含量而言，差異并不突出。

表2 不同改良劑對鹽堿地土壤養分的影響

2.3 不同改良劑對鹽堿地土壤酶活性的影響

由表3可知，不同改良劑對鹽堿地土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶活性均具有顯著的影響；不同改良劑對鹽堿地土壤蔗糖酶和酸性磷酸酶活性均起到一定的降低作用，其中不同改良劑處理下土壤蔗糖酶和酸性磷酸酶活性差異顯著，并且都顯著低于對照(<0.05)；不同改良劑對鹽堿地土壤脲酶和過氧化氫酶活性均起到一定的增加作用，其中各處理的土壤脲酶和過氧化氫酶活性差異均顯著，且顯著高于對照(<0.05)。

表3 不同改良劑對鹽堿地土壤酶活性的影響

2.4 不同改良劑對鹽堿地土壤微生物量和呼吸的影響

由表4可知，受土壤改良劑的制約，無論是土壤微生物量，還是土壤呼吸，不同樣地的差異較為突出，這說明其作用機制較為突出，但是其促進效果均較為明顯。對于微生物量碳及微生物量氮含量而言，受制于不同改良劑作用，其含量差異尤為突出，且均高于對照組。不同改良劑對鹽堿地基礎呼吸和代謝熵也起到一定的增加作用，其中草木灰和牡蠣殼粉處理下差異不顯著，二者均顯著高于對照(<0.05)；然而不同改良劑處理下土壤微生物量磷含量差異不顯著。

表4 不同改良劑對鹽堿地土壤微生物量和呼吸的影響

2.5 不同改良劑對鹽堿地土壤微生物群落結構的影響

由表5可知，不同改良劑對鹽堿地土壤微生物群落結構具有顯著的影響；不同改良劑對鹽堿地土壤革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌均起到一定的增加作用，其中不同改良劑處理下土壤革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌差異顯著，并且顯著高于對照(<0.05)；然而不同改良劑處理下土壤真菌/細菌比、革蘭氏陰性菌/革蘭氏陽性菌差異不顯著。

表5 不同改良劑對鹽堿地土壤微生物群落結構的影響

2.6 不同改良劑對鹽堿地土壤微生物功能多樣性的影響

由表6可知，不同改良劑對鹽堿地土壤微生物群落多樣性具有顯著的影響；改良劑成分差異突出，其對物種豐富度指數及多樣性指數的影響也存在突出差異，但是其促進作用較為突出，與對照組形成巨大反差；然而不同改良劑對土壤微生物優勢度指數起到一定的降低作用，其中不同改良劑處理下優勢度指數差異均顯著(<0.05)，且均顯著低于對照(<0.05)。

表6 不同改良劑對鹽堿地土壤微生物群落多樣性的影響

在降維的基礎上對因子的作用機制開展主成分(PCA)分析，從而探究微生物的碳源利用能力，從圖1可知，借助于主成分分析，2個主成分因子對變量的解釋度達到了94.57%，其中第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)的方差解釋度分別達到了63.34%、31.23%，說明其對于變量具有較好的解釋度。對于草木灰、牡蠣殼粉而言，其大部分分布在PC軸的負值端，而對照組和生物炭則分布在正值端。在不同改良劑作用下，土壤微生物群落代謝具有一定的差異，但是與對照組相比，其差異并不明顯，綜合而言，說明其在單一碳源利用方面的能力存在一定差異，群落分布差異較為突出。

3 討論與結論

通過連續5年的觀測對比分析得知，土壤改良劑在一定程度上增加了土壤養分含量，進一步分析可知，生物質炭對土壤養分各指標的增加效應達到最大，促進了土壤養分的吸收和利用，其中以土壤微生物量碳和微生物量氮含量對不同改良劑的響應最為明顯，也說明了土壤微生物量碳和微生物量氮含量可以看作不同水平不同改良劑處理后土壤養分變化的敏感指標。主要原因在于改良劑的加入增強了植被對養分的吸收能力，加之根系分泌物促進了養分的積累和微生物活性的增加。

大量的試驗表明，對于微生物量碳而言，其在微生物活性表征方面具有較強的敏感性，而有機碳的轉化效率主要借助于微生物熵加以對比分析，這些指標也能夠對微生物群落特性加以體現。無論是微生物量碳、微生物量氮含量，還是微生物熵，在土壤改良劑的作用下均得到了較為明顯的提升，受不同改良劑成分差異的影響，其差異性也尤為突出；對于土壤微生物熵與微生物量碳含量而言，其變化趨勢較為接近，與微生物多樣性走勢較為一致。與微生物量碳含量相比而言，微生物熵具有更為突出的穩定性，其變化起伏更小；在衡量土壤質量的過程中，土壤呼吸也是常用的衡量指標之一，尤其是在其活性表征方面，這是對土壤氧化能力的體現，是對土壤代謝能力的表征，是衡量土壤活性的關鍵指標之一。此外，通過試驗對比分析發現，雖然改良劑處理不同，但是其基礎呼吸變化態勢與微生物量碳的變化差異極小，二者的相似度較高，對于土壤呼吸亦是如此。

改良劑的差異對于土壤養分狀況的影響程度存在較大差異，對于土壤養分來講，僅有全磷及微生物量磷含量未與對照組的差異達到顯著水平，通過試驗對比得知，在改良劑的作用下，土壤養分狀況得以有效提升，但是全磷及微生物量磷含量則屬于例外，主要在于磷素具有很強的沉積性，短期內磷元素的增加并沒有明顯的提升效果。植被生長過程中需要大量的養分及水分，這就需要土壤質量的提升。對于微生物而言，其對磷元素也具有較強的吸收效應，一定程度上明顯降低了有效磷含量，對于紅壤而言，磷元素含量相對較低，在礦質氮含量不斷增加的情況下，磷含量在植被與微生物之間此起彼伏，形成較為明顯的爭奪效應。通過連續5年的觀測對比分析得知，在改良劑作用下，微生物菌群數量分布得以提升，主要原因在于土壤酸性的降低，在此情況下，土壤中Al含量得以明顯提升，有利于微生物新陳代謝，促進其群落數量分布及其活性的提升，明顯降低了其對磷元素的爭奪。

通過對比分析得知，在土壤改良劑的作用下，微生物對于碳源的利用效率得以明顯提升，這對于微生物菌群分布起著積極作用，進而增強了有機質的降解速率，有利于土壤養分的轉化及積累，生物炭及牡蠣殼粉的效果尤為突出，且其對于碳水化合物具有較強的利用能力。對于多數異養微生物而言，碳水化合物成為其尤為關鍵的營養源之一，制約著其新陳代謝水平，對于其群落分布尤為重要，對于牡蠣殼粉而言，其能夠有效增強微生物活性，其含有的糖胺聚糖利于微生物生長發育。在改良劑的作用下，無論是微生物群落分布的豐度還是多樣性，均得到了較為明顯的提升，利于改善鹽堿土質；在改良劑的作用下，無論是真菌生物量/細菌生物量，還是革蘭氏陰性菌含量/革蘭氏陽性菌含量，其下降態勢尤為突出；這主要是因為在氮素的作用下，植被對真菌的依賴效應明顯降低，根系碳含量下降。對于革蘭氏菌而言，其對有機物降解具有不同的偏好；此外，在改良劑的作用下，植被的凋落物質量也呈現較為明顯的差異，導致有機質降解難度增加，從而導致革蘭氏陰性菌含量/革蘭氏陽性菌含量呈現尤為突出的下降態勢。