不同施肥組合對科爾沁沙地南緣沙地土壤健康指標的影響*

田佳美, 尹 微, 羅利艷, 齊鷹博, 劉曉潔, 江志陽

(1.遼寧土木啟生物科技有限公司 遼寧沈陽 110000;2.中國科學院沈陽應用生態研究所 遼寧沈陽 110016)

0 前言

彰武縣位于遼寧省的西北部,地處科爾沁沙地南緣,中華人民共和國成立前,風沙肆虐,是沙漠化極其嚴峻的地區,也是典型的生態脆弱區[1]。中華人民共和國成立后,彰武縣的廣大人民響應國家號召,進行了一系列的造林、種草、防沙治沙活動,已完成人工造林面積152.3畝(1畝=667 m2),營造117 km的護岸林,草原植被的覆蓋度提高至80%以上,生態環境明顯好轉[1]。2014年第五次沙化檢測數據顯示,彰武縣土地總面積為351 600 hm2,沙化土地面積占總面積的40.6%,其中固定沙地面積為109 200 hm2[2]。彰武縣土壤類型較豐富,包括8個土類66個土種,其中主要的土壤類型為草甸土(34.20%)、風沙土(33.90%)、褐土(19.30%)和棕壤土(11.60%)。目前,彰武縣存在沙化土地與具有沙化趨勢的土地面積為238 500 hm2,防沙治沙工作仍任重道遠,需要全社會的共同努力。

沙地治理主要采用生物措施與工程措施相結合的方法,其中生物措施以植被修復為主,主要包括種植灌木、播撒草種、防治鼠害和增施肥料等[3]。施肥是退化草地修復的主要修復措施,能夠高效、快速地提高土壤養分,改善土壤結構[4]。通過施肥等方式能夠使土壤養分(氮、磷、鉀、有機質等)含量發生變化,改變土壤微生物的多樣性,進而影響微生物的代謝和功能[5]。

微生物作為土壤的重要組成部分,其多樣性具有控制土壤生態中各種生化過程方向和維持土壤生態系統功能穩定性的作用,是評價土壤肥力與質量的重要指標[6-7]。土壤微生物多樣性與土壤養分含量之間相互作用,如土壤微生物數量下降會引起土壤養分循環被破壞,養分損失加大[8]。有研究表明,在植煙土壤中施用氮磷鉀肥可以改變土壤的酸堿度,影響細菌群落結構[9]。此外,有機無機肥配合施用可以有效提高土壤中有機質的含量,增強微生物對于土壤碳源的代謝能力[10]。本文以遼寧省阜新市彰武縣沙化草地土壤為研究對象,通過施用不同組合的肥料,研究沙地土壤中微生物多樣性和土壤理化性狀的變化,以期為貧瘠土壤生態系統的改良優化提供科學指導。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究地區概述

研究地區位于遼寧省阜新市彰武縣大冷鄉(42°07′～42°51′ N,121°53′～122°58′ E),地勢為北高南低,西北部海拔最高為313.1 m,南部海拔最低為59.3 m,該地區屬于溫帶季風大陸性氣候,具有光照充足和四季分明的特點,平均年降水量為497.4 mm。該縣有棕壤、褐土、草甸土等8個土類,全縣總面積362 300 hm2,其中耕地面積為185 300 hm2[11]。

1.2 試驗設計與土壤樣品采集

選取未翻耕的天然草地,于2020年6月初進行草種補播。草種選擇5種禾草(黑麥草、冰草、披堿草、高羊茅、羊草)和2種非禾草(沙打旺、沙蒿),補播草種量為300 g/區。于6月中旬施用肥料,試驗所用肥料均由遼寧土木啟生物科技有限公司提供。肥料及養分含量：生物有機肥,w(N+P2O5+K2O)≥10%,w(有機質)≥40%,有效活菌數≥2億cfu/g;含腐殖酸肥料,ρ(腐殖酸)≥30 g/L,w(N+P2O5+K2O)≥20%;含聚谷氨酸肥料,w(氨基酸)≥10%,w(Ca+Mg)≥3%;中微量元素肥料(與有機肥料配合施用),w(有機質)≥30%,w(Ca+Mg)≥10%,w(Fe+Zn)≥10%。

試驗共設置4個處理：對照(CK)處理,不施肥料;OH處理,生物有機肥1 000 kg/畝+含腐殖酸肥料500 kg/畝;OP處理,生物有機肥1 000 kg/畝+含聚谷氨酸肥料500 kg/畝;OM處理,生物有機肥1 000 kg/畝+中微量元素肥料500 kg/畝。

2020年12月開始采集土壤樣品,以半年為時間間隔,分3個時間節點(T1、T2和T3)進行,每個處理設置4個樣方(8 m×8 m),使用土鉆(直徑8 cm)在每個樣方內收集5份根際土壤,混合均勻作為1份樣品(500 g)。各處理樣方間不相鄰,以保證樣品的獨立性。共收集16份根際土壤樣品,過2 mm篩子去除植物根系等雜質,置于溫度4 ℃冰箱保存,用于后續微生物多樣性及土壤理化性狀的測定。

1.3 微生物多樣性的測定

采用稀釋平板法[12]對土壤樣品進行有效活菌數量測定,細菌采用營養瓊脂培養基,真菌采用孟加拉紅培養基,放線菌采用高氏一號培養基,每份土壤樣品重復測定3次。在溫度28 ℃條件下,細菌、真菌、放線菌培養平板分別培養2、4、6 d后進行菌落數量統計。

1.4 土壤理化性狀測定

選擇土壤有機質、全磷、全鉀含量及pH作為土壤質量評價指標。有機質含量采用K2Cr2O7-外加熱法測定,全磷含量采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定,全鉀含量采用NaOH熔融-火焰光度法測定,pH采用電極法(水土比2.5∶1)測定,以上指標的測定方法參照《土壤農化分析》[13]。

模型中，壓力容器的材料為16MnR，車體及相關附件的材料為45鋼，表1列出了相關材料的機械性能[2]。

1.5 地上部植物生物量測定

采用樣方收獲法,將T3時間點各處理樣方內的植物分別與地面對齊剪下地上部分,分裝后帶回實驗室,使用百分之一的電子天平稱量其鮮質量,換算得到單位面積地上部生物量。

1.6 數據處理

試驗數據采用Excel 2010軟件進行分析,差異顯著性采用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析,并采用Duncan法進行多重比較。

2 結果與討論

2.1 不同施肥處理對土壤微生物數量的影響

不同施肥處理對土壤微生物數量的影響見表1。

表1 不同施肥處理的土壤微生物數量

從表1可看出：不同施肥處理的土壤中微生物數量分布呈相同的規律,即細菌>放線菌>真菌,細菌的數量顯著高于其他微生物的;不同施肥處理在相同取樣時間點的細菌數量均比CK處理的有增加的趨勢,其中OH處理在T1取樣時間點的細菌數量最高,3個取樣時間點細菌數量平均值約為1.51×107cfu/g,是CK處理的5.2倍;OP處理與OM處理在3個取樣時間點的細菌數量無顯著差異;不同施肥處理的真菌數量在3個取樣時間點的平均值分別為8.42×104、8.53×104、10.19×104cfu/g,均高于CK處理的平均值(5.22×104cfu/g);OM處理在T2取樣時間點的真菌數量最高,是CK處理的1.9倍;放線菌數量在不同處理間的差異不明顯,OP處理在T1取樣時間點的放線菌數量顯著高于CK處理的。

2.2 不同施肥處理對土壤有機質含量的影響

不同施肥處理對土壤有機質含量的影響見表2。

表2 不同施肥處理的土壤有機質含量

從表2可以看出：在不同的取樣時間點,除OP處理在T1取樣時間點的土壤有機質含量低于CK處理的,其他施肥處理在不同取樣時間點的土壤有機質含量均高于CK處理的;OP、OM和CK處理的土壤有機質含量變化趨勢一致,均隨著取樣時間的延長呈明顯的下降趨勢,而OH處理的土壤有機質含量呈先下降后增加的趨勢;在3個施肥處理中,OH處理在T1取樣時間點的土壤有機質含量最高,OM處理在T3取樣時間點的土壤有機質含量最低;OH處理在不同取樣時間點的土壤有機質含量平均值最高,為5.84 g/kg,比CK處理的平均值高68.8%。

2.3 不同施肥處理對土壤全磷含量的影響

不同施肥處理對土壤全磷含量的影響見表3。

表3 不同施肥處理的土壤全磷含量

2.4 不同施肥處理對土壤全鉀含量的影響

不同施肥處理對土壤全鉀含量的影響見表4。

表4 不同施肥處理的土壤全鉀含量

從表4可看出：除了OM處理在T1取樣時間點的土壤全鉀含量與CK處理的相比差異不顯著外,其他施肥處理的土壤全鉀含量均顯著高于CK處理的;OH處理在T1取樣時間點的土壤全鉀含量最高;OP處理在不同取樣時間點的土壤全鉀含量平均值最高,為5.96 g/kg,比CK處理的高44.3%;OP處理的土壤全鉀含量變化趨勢與CK處理的一致,均隨著取樣時間的延長呈先上升后下降的趨勢;OH處理的土壤全鉀含量隨著取樣時間的延長呈下降趨勢,OM處理的土壤全鉀含量變化趨勢與OH處理的相反。

2.5 不同施肥處理對土壤pH的影響

不同施肥處理對土壤pH的影響見表5。

表5 不同施肥處理的土壤pH

從表5可知：3個施肥處理的土壤pH均顯著低于CK處理的,其中OP處理的3個取樣時間點的土壤pH平均值最低,約為6.11,與CK處理的相比下降6.6%;OM處理的3個取樣時間點的土壤pH平均值約為6.34,與CK處理的相比下降3.1%;隨著取樣時間的延長,3個施肥處理的土壤pH呈上升趨勢,其中OP處理在T1取樣時間點的土壤pH最低。

2.6 不同施肥處理對植物地上部生物量的影響

不同施肥處理對植物地上部生物量的影響見圖1。

圖1 不同施肥處理的植物地上部生物量

從圖1可看出：3個施肥處理的植物地上部生物量均高于CK處理的;OM處理的植物地上部生物量最高,為321.25 g/m2,與CK處理的相比差異顯著;其次是OP處理的,為275.00 g/m2,是CK處理的2.4倍。

3 討論

3.1 不同施肥處理對沙地土壤微生物多樣性的影響

土壤微生物多樣性是土壤質量的重要生物評價指標之一[14]。土壤中微生物的數量與土壤類型、田間管理、施肥方法等相關,其中細菌在土壤微生物群落中數量占比最大、分布最廣,可以直接反映土壤的肥力狀況[15]。土壤微生物數量與土壤養分含量呈現一定的正相關關系,微生物的數量會隨著土壤中養分含量的提高而增加[16]。試驗施用多種肥料后,微生物數量也顯著提高,與武鳳霞等[17]的研究結果基本一致,即混合施肥能夠提高玉米種植時土壤中細菌和真菌種類的數量,有利于保護玉米農田生態環境。

3.2 含腐殖酸肥料對沙地土壤健康指標的影響

腐殖酸具有增加土壤有機質含量、增強土壤微生物的生長代謝、提高土壤中細菌的多樣性及豐度等作用[18-19]。孫向春等[20]的研究表明,河西走廊灌漠土中施用腐殖酸后,土壤有機質含量提高3.3%～4.7%。朱銘等[21]的研究結果表明,浙江省紅壤土中施用腐殖酸可以有效改變土壤微生物的群落結構,增強土壤微生物的碳源利用能力,有效提高土壤細菌的豐度。試驗結果表明,隨著腐殖酸肥料的施用,土壤中有機質含量提高,細菌的數量顯著增加,與上述研究結果一致。

3.3 含聚谷氨酸肥料對沙地土壤健康指標的影響

聚谷氨酸作為“環境友好”的新型生物材料,在農業領域中應用具有調節土壤理化性狀和保水保肥的作用,還能夠調控作物的生理代謝和生長發育,進而提高作物的產量和品質[22]。有研究表明,聚谷氨酸發酵液及其顆粒產品的施用,可以增加土壤中微生物的多樣性和均勻度[23]。試驗中施用含聚谷氨酸肥料的處理在T1取樣時間點的放線菌數量顯著高于對照處理的,與陶龍錦等[24]的研究結果基本一致,即通過高通量測序,結果顯示聚谷氨酸配施化肥后的棉花根際土壤中放線菌相對豐度提高12.37%。

3.4 中微量元素肥料對沙地土壤健康指標的影響

中微量元素可以作為土壤調節劑,具有改良土壤、促進植物養分吸收、減輕重金屬污染、提高土壤活力和調節能力的作用[25]。在土壤微生物多樣性方面,中微量元素肥料可以顯著提高細菌豐度、降低真菌豐度。試驗采用有機肥與中微量元素肥料配合施用,所有微生物數量均顯著提高,可能與不同土壤類型反應不一致有關[26]。

3.5 不同施肥組合對沙地土壤pH的影響

4 結語

本文通過研究彰武縣沙化土壤微生物種類多樣性及土壤理化性狀,發現施用不同有機基質的肥料,土壤微生物組成和土壤的營養成分在不同時間取樣存在共性和一定的差異性。整體上,不同組合的肥料施用后,土壤微生物的多樣性提高,土壤中的營養元素含量顯著增加,更利于植物的生長。試驗結果可為遼西北沙化土壤的修復提供科學指導,為沙漠化治理提供經驗,以完善并發展沙地改良優化技術,推進生態文明建設。