俄罗斯黄花草木樨改良退化土壤的多功能研究

2017-03-21梁硕林年丰汤洁李月芬

湖北农业科学 2017年3期

关键词：功能

梁硕++林年丰++汤洁++李月芬

摘要：针对中国土壤退化的严重情况，采用引进的俄罗斯黄花草木樨（Melilotus officinalis）对酸性低盐基土壤、重盐碱化土壤与煤矿区重金属污染土壤相继开展了专项改良试验。结果表明，俄罗斯黄花草木樨可以在酸性土壤中种植，有改良酸性低盐基土壤，使其增盐、增碱，增加矿物质和有机养分的作用，有明显的生态环境改良效果；黄花草木樨可以有效改良重盐碱土（pH 8.5～9.5），使土壤脱盐、脱碱，增加有机养分，提高盐碱撂荒草地的草谷产量，产生经济、环境效益；用俄罗斯黄花草木樨改良煤矿区重金属污染土壤，发现该牧草对重金属元素具有较强的富集、转移功能，对土壤中的Cd、Ni等有毒元素的“排除”效果尤为显著，从而产生了明显的修复效应。系列试验表明，俄罗斯黄花草木樨有改良退化土壤的多种功能，因而具有推广应用价值。

关键词：俄罗斯黄花草木樨（Melilotus officinalis）；退化土壤；改良试验；功能

中图分类号：S156.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）03-0450-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.03.013

Study on the Functions of Melilotus officinalis from Russian on Degraded Soil Improvement

LIANG Shuo1， LIN Nian-feng2， TANG Jie2， LI Yue-fen1

（1.College of Earth Science， Jilin University， Changchun 130061， China；

2.College of Environment and Resource， Jilin University， Changchun 130012， China）

Abstract： To improve the serious situation of soil degradation in China， the improvement effects of Melilotus officinalis form Russian on the low base saturation acid soil， the alkaline-saline soil and the heavy metal contaminated soil were studied. The results showed that Melilotus officinalis form Russian could improve the low base saturation acid soil，increase the salt， alkali content， mineral nutrition and organic nutrient，which indicated that the M. officinalis could grow in the acid soil，and had a significantly ecological effect on soil improvement. M. officinalis has achieved a remarkable effect on improving the alkaline-saline soil（pH 8.5～9.5）， the soil desalted， dealkalized and had more organic nutrient than before， whats more， M. officinalis could improve the alkaline-saline soil and had the ability to enrich and transform heavy metal elements，especially the Cd and Ni. So it also has a repair effect on soil improvement. Therefore，M. officinalis form Russian has multiple-effects on degraded soil improvement，and it is worthy of application and popularization.

Key words： Melilotus officinalis form Russian； soil degradation； soil improvement test； functions

土壤退化是指在人為因素和自然因素的综合作用下所导致的土壤质量和生产力下降的过程。主要的土壤退化类型有侵蚀退化、土壤沙化、土壤盐碱化、土壤污染、肥力退化和生物学退化等[1]。中国土地资源受到严重破坏，耕地日益短缺，生态安全、粮食生产安全受到威胁。为解决土壤退化问题，科学工作者进行了大量研究。例如，针对土壤盐碱化问题，提出了包括电法改良、客土改良、施用改良剂、引水灌溉洗盐、平整土地和生物改良等多种方法[2-5]；对酸性土壤则采用精耕细作、种植绿肥、增施有机肥等栽培措施[6，7]；对矿区重金属污染土壤通过淋洗法、玻璃化技术法、施加化学试剂和植物及微生物修复技术等来解决[8，9]。改良方法涉及物理、化学、农业、生物等诸多方面。实践证明，土壤改良的生物学措施具有效果好、面积大、效率高、无污染等优点，是一种值得推广的土壤改良方法。本研究将对俄罗斯黄花草木樨（Melilotus officinalis）改良退化土壤的多种功能进行讨论。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

本研究包括3个专项试验：①低盐基酸性土壤改良试验（2003-2004年）。采用1999年引进的俄罗斯黄花草木樨斯列金1号的第二代种子，选择吉林省伊通县马场作为酸性土壤种植试验基地，试验区为面积8 hm2的坡谷荒地。改良前的土壤pH 5.67，可溶性盐总量为43.95 mg/L，属典型的酸性低盐基土壤。土质瘠薄，不宜农，可放牧；②重盐碱化土壤改良试验（2011-2013年）。采用俄罗斯黄花草木樨斯列金1号的第三代种子作为试验材料。选择吉林省大安市姜家甸草场为试验基地，试验基地面积100 hm2。该草场位于松嫩平原西南部的低平原，地处原始天然草场腹地，原以羊草（占90%）为优势品种，半个世纪以来该区多已退化为盐碱草地，土壤盐碱化程度较重，pH为8.30～9.89，均值为9.06[10]；③重金属污染土壤的修复试验（2008-2009年）。采用俄罗斯黄花草木樨斯列金1号的第三代种子，选择吉林省中部九台县营城煤矿废弃地的污染土，同时，以紫花苜蓿作对照。在吉林大学试验区（降水、蒸发、日照等气象条件与研究区相近）开展污染土、非污染土（对照）的小区试验。小区试验样方各30 m2，试验组土壤由废弃矿区运入，填土深0～50 cm，土壤取样深度10～30 cm。

1.2 试验方法

1.2.1 田间管理根据黄花草木樨的生长过程，结合3个试验区的具体情况，针对性地进行田间管理。大安试验区于第一年5月初耕翻播种，9月收割牧草，留茬15～20 cm，自然越冬。翌年5月中旬，待试验地全部返青后，追肥1次，两铲两趟（锄地、翻土除草），灌溉保墒。7月开花，9月陆续收割种子，晾晒，打场，归仓。伊通酸性低盐基酸性土壤改良试验区适时翻地、打垄、播种，以磷酸二铵[（NH4）2PO4]作底肥。在生长期追肥1次，因雨量适中，无需灌溉。煤矿区重金属污染土壤的修复试验按正常程序进行栽培管理，在牧草成熟期采样，进行对比观测。

1.2.2 土样采集与测试方法伊通低鹽基酸性土壤改良试验设土质观测点10个，均匀分布，GPS定位。每年5月、10月各采土样1次，共40个；大安重盐碱化土壤改良试验全过程采土样4次，第一次于翻地前，第二次于收割后1个月，第三次于返青前，第四次于收割后1个月。采用GPS定位，均匀布点60个，共240个，取0～30 cm耕作层的混合土样；重金属污染土改良试验面积较小，种植的黄花草木樨全部作为样品。

低盐基酸性土壤改良试验检测项目和方法与重盐碱化土壤改良试验相同，包括9项化学元素含量、pH、总碱度、可溶性盐总量、阳离子交换量、交换性钠离子、有机质总量和氮、磷、钾含量等。土样测定方法参照南京土壤研究所编的《土壤理化分析》，执行国标（GB）或农业部（NY）颁布的标准分析方法。重金属污染土壤的修复试验，对土壤中和植物中的重金属Cu、Zn、Ni、Cd、Pb进行测定，并观察其变化。Cu、Zn、Ni、Cd采用原子吸收-火焰法测定，Pb利用原子吸收-石墨炉法进行测定。

2 结果与分析

2.1 伊通低盐基酸性土壤改良结果

将土壤改良前后的土样检测数据进行分析统计，结果见表1。从表1可以看出，种植俄罗斯黄花草木樨后，土壤中的化学组分变化较大，除有效磷大幅度下降（86.68%）、铵氮略有下降（1.97%）外，其他各项指标均有明显上升。通过种植俄罗斯黄花草木樨改良土壤，土壤pH从5.67上升至5.78，上升了1.94%；交换性钠离子从0.20 cmol/kg上升至0.36 cmol/kg，上升了80.00%；可溶性盐总量从43.95 mg/L上升到83.36 mg/L，上升了89.67%；K、Ca、Mg、Na分别提高了153.89%、124.96%、48.50%和20.58%。以上数据反映了土壤的增盐、脱酸效应。有机质总量提高了7.85%，水解氮提高了38.05%，显示了土壤有机肥力的提高。有效磷下降，这可能是因为该区土壤磷的本底值较低和俄罗斯黄花草木樨的生长对磷需求量大的结果。

2.2 大安重盐碱化土壤改良结果

将试验前后土样的测试数据分为化学成分和微量元素两部分，经分析统计后列入表2和表3中。通过改良试验，发现与改良前相比，改良后土壤的pH、碱化度与可溶性盐总量均明显下降，分别下降了7.92%、33.99%和23.07%，产生了明显的脱盐、脱碱效应；土壤有机质总量及水解氮明显上升，改良后比改良前分别上升了5.91%和11.93%，表明土壤有机营养组分有了提高；土壤总磷、速效钾均有明显下降，改良后比改良前分别下降了14.29%和35.95%，这是因为磷、钾的本底值较低和被俄罗斯黄花草木樨大量吸收的结果。土壤中的Mo、B、Se、Cu、Zn有较大幅度的下降，这与在碱性介质中其生物活性低和俄罗斯黄花草木樨在生长过程中需要吸收大量的微量元素有关。这一推论为后续的增加微量元素提高谷物产量的专项试验结果所证实[11，12]。

2.3 营城矿区重金属污染土壤的修复效果

植物对重金属的富集功能反映其对土壤的修复能力。富集功能以富集系数表示，即以植物体内污染物浓度值与土壤内同种污染物浓度值之比。重金属的转移能力以转移系数表示，即植物地上部重金属含量与其根部该重金属含量的比值。以紫花苜蓿作对比，将所测得的数据经分析整理，列于表4中。

从表4可以看出，种植俄罗斯黄花草木樨第一年与第二年各重金属的平均富集系数分别为1.61和1.94，转移系数分别为5.72和6.11；紫花苜蓿第一年、第二年重金属的平均富集系数分别为1.34和1.33，转移系数分别为4.11和3.90[13]。以上数据表明，黄花草木樨富集能力和转移能力均强于紫花苜蓿，并且相对稳定。对重金属元素富集能力，俄罗斯黄花草木樨第一年Cd>Cu>Ni>Pb>Zn，第二年的顺序Pb与Zn互换；对于重金属转移能力，俄罗斯黄花草木樨第一年、第二年分别为Cu>Cd>Pb>Ni>Zn和Cu>Cd>Zn>Ni>Pb。综合判断，俄罗斯黄花草木樨对Cu、Cd具有较强的转移能力。

3 小结与讨论

采用草木樨改良盐碱土已有较长的历史，而应用俄罗斯斯列金1号黄花草木樨改良盐碱土、沙化土壤，仅仅是近几十年的事[14-18]。兴起于20世纪60年代以后，主要分布于俄罗斯西伯利亚地区[14]。自2000年以来，笔者在松嫩平原西部等地应用斯列金1号黄花草木樨开展了改良各类退化土壤的试验研究。系列研究表明，黄花草木樨对重盐碱化土壤、酸性低盐基退化土壤及煤矿区重金属污染土壤均有较好的改良效果。例如，在改良盐碱化土壤的试验中，土壤的pH、碱化度与可溶性盐总量均明显下降，这可视为土壤脱盐、脱碱的重要标志[16，18]。土壤主要养分含量明显提高，土壤的物理结构和性状有了较大的改善，土壤微团粒体上升27.6%，容重下降4.24%，孔隙度增加6.10%。使坚硬板结的土壤变得疏松，提高了土壤的通透性[19]。首次发现俄罗斯黄花草木樨具有改良酸性低盐基退化土壤的功能，可以提高土壤的盐基含量、pH，增加有机质养分，从而产生改土增产效应。俄罗斯黄花草木樨对煤矿区污染土中的重金属元素有较强的富集、转移能力，对矿区污染土具有修复作用。

在后续的系列研究中发现，在改良后的盐碱地上播种谷类植物，获得了较好的收成，高粱、玉米和豇豆的产量分别为5 000、4 000、900 kg/hm2，鲜草产量为10 000 kg/hm2。使不宜农的退化盐碱地的生产量可以达到低产田的生产水平。在改良后的酸性低盐基退化土壤上，牧草产量达4.0万～4.5万kg/hm2，可作为优质的牧草饲料，有较高的经济效益[11-13，20]。俄罗斯黄花草木樨生命力强，生物量大，黄花密集，香气浓郁，花期长达30～45 d，具有很高的观赏价值，非常适宜在矿区和废弃矿区推广种植。

研究表明，种植俄罗斯黄花草木樨改良退化土壤是一种较好的方法。其优点是适用性广、效果好、成本低、效益高、无污染。因此，建议推广应用。

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