桑树、三叶草及松针土对盐碱土的修复

2021-03-11郑冬梅

沈阳大学学报(自然科学版) 2021年1期

郑冬梅, 辛愿, 毛莹, 施柳

(沈阳大学环境学院, 辽宁沈阳 110044)

土壤的盐碱化是一个十分严峻的国际生态问题.在我国,盐碱地通常被认为是经济社会生态环境可持续发展的主要障碍之一[1].近些年来,随着城市化、工业化的快速发展,城市用地面积不断增加,农村可利用耕地不断减少[2].我国东北地区、西北地区、黄淮海平原以及东部沿海地区均分布着大量盐碱地,总面积高达9.913×107hm2[3],约占全国土地面积的1/10[4],在耕地面积不断减少的形势下,大量的盐碱地可作为我国重要的潜在后备土地资源.现有的改良盐碱地的方法主要有:施用有机肥料[5]、水利措施[6-7]、生物措施[8-9]等.其中利用生物措施对其进行有效的改良和生态修复具有成本低、无二次污染、生态价值和经济投资价值显著等优点,可作为盐碱地修复再利用的重要方法.

对盐碱地利用生物措施进行修复主要集中在对耐盐碱植物的选择、耐盐植物的脱盐以及对盐碱的耐受性等方面.景宇鹏等[10]利用湖南稷子、田菁、高丹草等5种植物对河套灌区盐碱土的改良结果表明,5种植物均可以有效降低土壤的盐碱化程度,提高土壤肥力水平.何海锋等[11]选取种植柳枝稷来对盐碱土进行改良,结果显示,种植柳枝稷有利于土壤pH值和盐分的降低,有利于土壤有机质等养分的增加,对盐碱土的改良效果明显.肖克飚等[12]利用怪柳、苇状羊茅等对盐碱土进行生物改良,改良作用也比较显著.

本研究采用桑树、三叶草施加松针土来改良盐碱土.桑树对土壤酸碱度适应性较强且果实和叶片均具有经济效益[13],种植豆科植物三叶草可以有效增加氮肥来源,提高水土保持能力[14].三叶草对盐碱胁迫亦有一定的抗性[15],并且也是目前最具有开发前景的保健食品和医药新资源之一[16],松针土是酸性土壤,与盐碱土混合可以起到中和作用,在一定程度上能够优化土壤环境.因此,本研究采用桑树-三叶草2种植物进行模拟试验,拟为盐碱地改良和利用提供一定参考.

1 材料与方法

1.1 试验设计

采用盆栽试验,在不同比例的盐碱土-松针土中种植桑树及三叶草,研究其对盐碱土的修复情况.试验设计每盆土壤重1 kg;单种模式,按照盐碱土质量占土壤总质量的100%(H1)、75%(H2)、50%(H3)、45%(H4)、35%(H5)、25%(H6)、0%(H7)进行均匀混合配比,H1～H7代表单种模式下不同处理的土壤样品;混种模式,按照盐碱土质量占土壤总质量的100%(W1)、75%(W2)、50%(W3)、45%(W4)、35%(W5)、25%(W6)、0%(W7)进行均匀混合配比,W1～W7代表混种模式下不同处理的土壤样品.以棕壤(H8,W8)为对照组(H8为桑树单种土壤样品,W8为桑树-三叶草混种土壤样品),观察单种、混种模式下改良后的土壤各个指标与正常土壤是否相近.每组平行试验重复3次.

试验所用盐碱土为松嫩平原(肇州)重盐碱土(pH>10),松针土取自松树底下带有松针的土壤(pH=6.85,干基有机质质量分数为20.67%).选用3月份当年生等高桑树幼苗,每盆种植2株,3～4 d浇1次水.试验进行半年,在此期间,H1、W1、H2、W2中桑苗未存活,W2中三叶草及其他组植物全部存活.H6、W6的2组桑苗长势最好.

1.2 测定内容与方法

土壤pH值采用玻璃电极法[17]测定;土壤全铁质量分数采用重铬酸钾容量法测定;土壤全钾质量分数采用氢氟酸消解法测定.

有机质采用灼烧法测定.将土壤样品中土壤与松针共同研磨,过100目(孔径为0.150 mm)筛,放入马弗炉中,于450 ℃灼烧3 h至恒重.计算公式为

(1)

式中:w为有机质质量分数;m1为样品灼烧后减少的质量,g;m2为烘干后样品质量,g.

1.3 统计分析

运用Excel 2003和皮尔逊相关性分析对试验数据进行分析.

2 结果与分析

2.1 对土壤pH值的影响

盐碱土不同处理条件下的pH值如图1所示,从图中可以看到,土壤pH值总体上呈下降趋势,主要原因为松针土呈酸性,透气性好,在一定程度上可以改良盐碱土,增加土壤的有机质.未种植前,棕壤的pH值高于松针土,低于各组盐碱土-松针土土壤,种植半年后,棕壤的pH值均有小幅度的增加,pH值分别增加了1.71%、1.18%,这可能与桑树根际土壤中的菌株能产生低温碱性纤维素酶有关[18].H1、W1没有植物存活,pH值却有所下降,较未种植分别下降了0.88%、0.68%,可能因为松针土能中和一部分碱,浇入的水分在渗透过程中带走了少量的碱分.种植半年后,除棕壤外,其余土壤pH值均有所下降,下降幅度为0.51%～7.73%,但混种与单种相比,除H3、W3外,混种更加明显地降低了桑树根际土壤pH值,这与李鑫等[19]对桑树-大豆混种研究一致.

2.2 对土壤中全钾的影响

经过半年的种植,土壤中全钾的质量分数总体上呈现上升趋势(图2).由于H1、W1、H2、W2的桑树植株未存活,因而其土壤中全钾质量分数无明显变化;在剩下的土壤中,除棕壤外,其余土壤中全钾的质量分数均是增加的.种植半年后,H4土壤中全钾的质量分数增加最多,较之前增加了33.65%;全钾质量分数增加最少的为W3,较之前增加了0.38%.盐碱土-松针土土壤中,松针土质量分数小于盐碱土质量分数时,单种土壤全钾质量分数增幅大于混种,但随着松针土质量分数的增加,混种土壤中全钾的质量分数大于单种.种植半年后,无论是单种还是混种,H7、W7中全钾的质量分数都是最小的,这可能是由于钾在酸性土壤中更容易被植物吸收利用.

图1 不同处理条件下土壤中的pH值Fig.1 Soil pH value under different treatment conditions

图2 不同处理条件下土壤中全钾的质量分数Fig.2 Mass fraction of total potassium in soil under different treatment conditions

2.3 对土壤中全铁的影响

铁元素是植物正常生命活动所必需的微量矿物元素,在诸多生理代谢过程中发挥着重要作用[20],并且也是土壤养分的重要表征.在不同比例土壤中,全铁质量分数总体上呈现上升趋势(见图3).由于H1、W1、H2植株未存活,因而其土壤中全铁质量分数无明显变化,无论是单种还是混种,全铁质量分数均高于纯盐碱土.种植半年后,W7土壤中全铁质量分数最大,高达34.6 μg·kg-1,并且也是全铁质量分数增加最多的,较之前增加了39.88%.在盐碱土-松针土土壤中,W2中全铁质量分数增加也较多,比之前增加了8.16%,W4中全铁质量分数增加最少,比之前增加了0.43%.单种中H2、H4、H5、H6的全铁质量分数有小幅度的减小,其余土壤中全铁质量分数均上升;但混种中全铁质量分数均有所增加.由此可说明,混种在一定程度上更有助于盐碱土的修复.

2.4 对土壤中有机质的影响

种植半年后,不同处理条件下土壤中有机质的质量分数如图4所示,从图中可以看到,H1、W1、H2土壤中有机质质量分数比未种植前分别增加了0.12%、0.24%、0.09%.这与桑苗死后,根部与枝叶在土壤中腐烂,加上松针土腐烂有关.松针土中松针逐渐腐化,可以有效降低土壤pH值,增加土壤有机质,在无植物存活时,也能有效地提升盐碱土肥力.

种植半年后,盐碱土-松针土模式下,土壤中有机质质量分数总体上呈下降趋势.单种模式下,H6土壤中有机质质量分数下降最多,较之前下降了32.60%;H2有机质质量分数未下降反而上升.混种模式下,W6中有机质质量分数下降最显著,较之前下降了27.78%;W3土壤中有机质质量分数下降最少,较之前下降了3.82%;同时H6、W6这2组的桑苗长势最好,H2无桑苗长出.由此可推断,有机质的减少是由于植物在生长旺盛期对有机质的需求较大造成的.虽然有机质质量分数在半年后有所减小,但整体上均高于纯盐碱土中有机质质量分数.

图3 不同处理条件下土壤中全铁的质量分数Fig.3 Mass fraction of total iron in soil under different treatment conditions

图4 不同处理条件下土壤中有机质的质量分数Fig.4 Mass fraction of organic matter in the soil under different treatment conditions

种植半年后,混种模式中土壤有机质质量分数要比单种模式中有机质质量分数多.左玉环等[14]对果园种植三叶草的实验结果表明,种植4年后,生长三叶草果园的土壤有机质质量分数增加41.60%.据此推测可能是三叶草的存在,使混种模式中有机质质量分数增加.

2.5 各元素之间的相关关系

单种模式下各元素之间的相关系数如表1所示,从表中可知,有机质质量分数和钾质量分数、pH值和铁质量分数、有机质质量分数和pH值分别呈显著负相关.混种模式下各元素之间的相关系数如表2所示,从表中可知,有机质质量分数和钾质量分数、pH值和铁质量分数之间分别呈显著的负相关.

表1 单种模式下各参素之间的多元相关系数

表2 混种模式下各参素之间的多元相关系数

值较修复前有所下降,铁、钾、有机质质量分数均有上升趋势,混种结果尤为明显(见图1～图4),与相关性分析结果一致.这说明土壤在种植植物后,其有机质质量分数、钾质量分数、pH值和铁质量分数之间存在着相关性,若只测定其中1个指标,是不能准确评价不同模式下对盐碱土的改良效果,需要测量多个指标来进行综合评价.