作物定植提升滨海盐土质量的研究——以覆盖条件下的甜高粱定植为例

陈立华,苏伟霞,姚宇阗,郭士伟,韩 瑞,尚 辉,周龙祥,王 栋,张风革

作物定植提升滨海盐土质量的研究——以覆盖条件下的甜高粱定植为例

陈立华1,苏伟霞1,姚宇阗2,郭士伟3,韩 瑞1,尚 辉4,周龙祥4,王 栋4,张风革5*

(1.河海大学农业科学与工程学院,江苏 南京 210098；2.江苏省沿海开发集团有限公司,江苏 南京 210019；3.江苏省农业科学院,江苏 南京 210014；4.江苏省沿海开发(东台)有限公司,江苏 盐城 224237；5.南京农业大学草业学院,江苏 南京 210095)

通过开展田间试验,探究了耐盐作物甜高粱单个生长季(4月中旬～8月中旬)定植对新围垦滩涂盐土土壤理化、生物性状以及地表生物量提升作用.结果表明:高粱定植对垦区盐土土壤理化性状有显著改良效果.与NP(无覆盖+无甜高粱定植)和NPC(有覆盖+无甜高粱定植)处理相比,PC(有覆盖+甜高粱定植)显著降低了土壤含盐量、土壤容重,而显著增加了土壤含水量、总孔隙度、饱和含水量、田间持水量和有机质含量(0.05);PC处理显著提高土壤可培养微生物(细菌、真菌、放线菌、纤维素分解菌和固氮菌)的数量;甜高粱收获前,PC土壤呼吸强度较NP和NPC分别增加35.71%、26.67%(<0.05);PC处理的地表生物量较NP和NPC处理分别增加3.86倍和3.16倍(<0.05).甜高粱定植可有效提升盐土土壤地力和生物功能,为新围垦区土地农业化利用提供一条生态可行的途径.

盐碱地；定植；土壤；微生物；地表生物量

由于人口基数大,经济发展迅速,我国耕地资源紧张的问题愈显突出[1].江苏滨海滩涂面积广阔,后备土地资源丰富,若合理开发将会缓解耕地、粮食压力[2].然而,新围垦区土壤重盐问题突出,土壤肥力低下、结构松散,植被生长环境恶劣[3-4],不适合直接土地利用,须进行土壤质量提升.目前国内外对滨海滩涂盐土的改良已进行了一些研究,主要包括水利改良、化学改良和生物改良等方法[5-7].传统灌水洗盐可以在短时间内降低耕层土壤盐分[7],但会消耗大量淡水资源,在带走盐分的同时也降低了土壤养分含量,而且排水中过量的养分会增加周域水环境负荷[8].此外,江苏滨海围垦区土壤为粉砂质,结构差,孔隙率低,水分难以短时间下渗,易通过地表径流流走.腐殖酸、聚丙烯酰胺等改良剂[9-10]可有效降低土壤盐分、改善土壤孔隙结构,提高地力,但作为土壤外来物质,其对当地土壤生态的影响没有长时间尺度的充分研究.

盐碱垦区耐盐植被定植因其生态友好性在盐碱地改良技术中脱颖而出,杨策等[11]发现盐地碱蓬定植明显增加土壤孔隙度、加速水分入渗、降低土壤含盐量;柽柳、杜梨等耐盐乔木可改善盐碱地土壤的理化性质,增加土壤通透性,利于养分转化[12];盐碱地种植水稻可降低土壤盐碱度,增加土壤养分含量和微生物多样性[13].然而,在重盐碱地区耐盐碱植物存活率不高.有研究表明生物及非生物等两种或多种改良措施

结合对盐碱地土壤质量提升有较好效果[9].覆盖材料在改良盐碱土、控制外侵物种方面有重要作用,可调节土壤、湿度及其他理化指标[14].其中,在地下水位浅、蒸发强烈区域,盐碱地微生物基覆盖材料的使用可有效降低土壤含盐量[15],促进植被定植;滨海区秸秆覆盖/掩埋可有效抑制盐分表聚、提高养分利用率[16],调节土壤温度、增加作物产量[17].高粱(())作为我国主要粮食作物之一,具有较强的耐盐性,但目前针对覆盖条件下的耐盐高粱定植对滨海垦区盐碱地的土壤质量影响报道相对较少.本研究以“BJ-18”耐盐甜高粱为材料,通过田间试验,研究微生物基材料覆盖条件下的高粱定植对江苏东台滨海新围垦区土壤质量的影响,旨在为围垦区盐碱地生态改良提供技术与理论支撑.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于江苏东台条子泥垦区(32°50' 15.87″N, 120°57' 33.68″E),属于温带季风气候,雨热同期,年均降水量1060mm,常年均温15.0℃,夏季台风频繁,垦区地块易受水流冲蚀导致塌陷.研究区平均海拔-9m,地势低洼,地下水位0.9～1.0m,土壤盐渍化程度高.试验地土壤为粉砂质潮盐土,可溶性盐含量3.57～10.66g/kg,有机质2.30g/kg,全氮115mg/kg,速效钾173mg/kg,容重1.45g/cm3,田间持水量22.0%.

1.2 供试材料

为提高植被定植成活率,实验使用了微生物基覆盖材料,主要试验材料如下:

微生物基覆盖材料:将小麦秸秆、甜叶菊糖提取渣、菜籽粕按照7:2.5:1 (:)混合均匀(原料属性见表1),按照1%(:)的比例向混合物中接种高大毛霉菌种(含菌量³9.0×108cfu/g),机械混匀,采用无菌塑料薄膜覆盖保湿,静置培养30d,形成的整体基质为微生物基覆盖材料.高粱品种:选用“BJ-18”耐盐甜高粱.

1.3 试验设计

实验设置3个处理,分别为:无覆盖+无高粱定植(NP),土壤常规农业耕作措施;有覆盖+无高粱定植(NPC),耕作措施同上,土壤覆盖微生物基覆盖材料7.5t/hm2;有覆盖+甜高粱定植(PC),穴播甜高粱,土壤覆盖微生物基覆盖材料7.5t/hm2.3个处理土壤施用有机肥15t/hm2,播种行距10～15cm,株距15～20cm,垄宽5m,垄沟宽30cm、深40cm,每个处理设置3个重复,每个重复面积1800m2.

1.4 样品采集与测定

地表植被采集与生物量测定:甜高粱收获前(8月12日),每个处理随机选取3个1m×1m 的样方,齐地收割地表植被,带回实验室于65 ℃烘干48h称重.土样采集与测定:分别于高粱播种前(4月13日)、播种后60d(6月17日)和收获前(8月12日)3个时期,在不同处理中采集表层0～20cm土壤及环刀,测定3个时期的土壤含水量、土壤呼吸强度以及收获前的土壤微生物数量、饱和含水量、孔隙度、田间持水量、有机质含量、土壤容重;收获前(8月12日)在不同处理中离垄中心0.3,0.6,0.9,1.2和1.5m的距离处采集表层土壤测定可溶性盐含量,并在离垄中心1.2m处,对0～20, 20～40, 40～60, 60～80及80～100cm土壤深层取样测定含盐量.

每个样地按“S”形取样法取5个500g样品并混合成1个样品.一部分自然风干过筛后测定土壤理化性质,一部分新鲜土样测定土壤呼吸,剩余部分新鲜土样过2mm筛测定土壤微生物数量.参照《土壤农化分析》[18],土壤容重、孔隙度和田间持水量采用环刀法,土壤可溶性盐含量采用电导法,有机质采用外加热重铬酸钾氧化法,土壤呼吸采用静态碱液吸收法.土壤微生物数量测定采用稀释平板计数法[19].

1.5 数据分析

试验数据用SPSS 20.0(Chicago,USA)统计软件进行方差分析,差异显著性比较采用Duncan’s测验,使用Microsoft Excel 软件进行绘图.

表1 微生物基覆盖材料原料的性质

注:“-”表示未检测指标.

2 结果与分析

2.1 不同处理对地表生物量的影响

NP、NPC、PC处理地表生物量分别为1.02, 1.19与4.96t/hm2.其中PC处理的地表生物量较NP和NPC处理分别增加3.86倍和3.16倍(<0.05);NPC处理与NP处理之间无显著差异(0.05),表明纯覆盖处理对原始盐碱土无明显植被促生作用,而甜高粱定植可以极大增加地表生物量.

2.2 不同处理对土壤理化性质的影响

2.2.1 容重、总孔隙率、饱和含水量与田间持水量变化 高粱定植改变了原始土壤的理化性质(表2).容重的结果显示,高粱定植后,土壤容重约为1.35g/cm3,相较于NP和NPC处理分别降低了14.56%和9.62% (0.05).PC处理的土壤总孔隙度为50.26%,显著(0.05)高于NP(40.62%)和NPC(42.36%),表明甜高粱定植改变了围垦盐土的物理结构,使土壤变得疏松.PC处理的土壤饱和含水量和田间持水量均显著(0.05)高于NP和NPC处理,分别较NP增加显著14.61%和23.27%,较NPC增加9.81%和7.22%.关于土壤有机质含量,PC与NP处理间存在显著差异,前者较后者增加了28.99%,但同NPC处理间无明显差异,说明覆盖材料和甜高粱定植均能增加土壤有机质的含量,但覆盖材料发挥主要作用.

表2 不同处理对表层土壤理化性质的影响

注:同列不同小写字母表示差异显著(<0.05),下同.

图1 不同处理表层土壤可溶性盐含量

2.2.2 土壤可溶性盐空间分布 土壤可溶性盐含量影响作物的生长发育,是改良盐碱土的重要依据.3种处理的可溶性盐总量水平与垂直空间分布有明显差异性.在水平分布上,不同处理土壤表层可溶性盐含量处于1.63～6.27g/kg范围,3个处理均呈现出土壤含盐量随离垄中心点距离增大而增加的趋势(图1),且在离垄中心点同一距离,均有NP>NPC> PC的特征,高粱定植后,土壤可溶性盐含量大幅度降低,相对于NP和NPC处理,PC处理的垄中心处土壤可溶性盐含量分别降低48.98%和37.50%(<0.05),在离垄中心处0.3,0.6,0.9,1.2和1.5m的距离上,PC处理的土壤盐分含量分别比NP处理减少了52.88%、37.61%、37.29%、37.76%、39.36%,比NPC处理分别减少了39.51%、26.09%、18.68%、19.82%、27.39%.在垂直方向上,高粱收获后测定土层0～100cm可溶性盐含量变化(图2),不同处理不同土层土壤可溶性盐含量处于2.15～11.13g/kg范围,在0～60cm土层中,PC与NPC处理均可降低土壤中盐分含量,在同一土层,可溶性盐分含量有NP>NPC>PC的特征,其中在0～40cm土层,3个处理之间有显著差异(<0.05),在0～20cm土层,PC处理的盐分含量比NP和NPC分别降低57.45%和41.89%,在20～40cm土层则分别降低40.24%和19.34%,而在60～100cm 土层,3个处理的土壤盐分含量无显著差异,说明高粱定植与覆盖材料均能促进土壤脱盐,两者结合使用的脱盐效率更高;在高粱根系层有较好的脱盐效果,这有利于将盐分淋洗到更深层土壤.

图2 不同处理土壤垂向可溶性盐含量

2.2.3 土壤含水量变化 土壤含水量是指示土壤健康状况的重要指标,与土壤通气度、养分分解率以及土壤微生物活动息息相关.高粱播种期,3种处理表层土壤含水量无明显差异(图3);高粱播种后60d,PC处理的土壤含水量显著高于NP和NPC处理(<0.05),分别增加41.11%和20.28%,而PC与NPC处理间无显著差异,PC处理可能是受覆盖材料、高粱叶面覆盖以及高粱根系对土壤的共同作用;高粱收获前,相较于NP处理,NPC和PC处理的土壤含水量显著提高(<0.05),分别增加了36.85%、73.18%.以上结果表明,甜高粱定植与覆盖均能够有效抑制土壤蒸发,蓄留土壤水分,能长时间影响土壤含水量.

图3 不同处理不同取样时间土壤含水量

不同小写字母表示差异显著(<0.05),下同

2.3 不同处理土壤微生物数量

图4 不同处理土壤表层可培养微生物数量

土壤微生物的数量可预测土壤发展潜力,评价土壤健康状况[21].本研究表明,高粱定植可改良土壤的生态环境,促进土壤微生物繁殖(图4).不同处理中细菌数量为7×106～17×107cfu/g,真菌数量为9×104～14× 105cfu/g,放线菌数量为9×105～73×105cfu/g,纤维素分解菌数量为13×103～17×103cfu/g,固氮菌数量为13× 103～81×103cfu/g,其中,各处理间土壤微生物细菌占比最大,其次为放线菌,真菌占比最小.3个处理间土壤微生物数量均有显著性差异,呈现PC>NPC>NP的趋势.相较于NP和NPC处理,PC处理的土壤微生物数量显著提高(<0.05),细菌数量分别增加了23.29倍和1.05倍,真菌数量分别增加14.56倍和4.00倍,放线菌数量分别增加7.11倍和2.65倍,纤维素分解菌分别增加了9.85倍和4.22倍,固氮菌分别增加了5.23倍和3.26倍.结果显示,原始盐碱土中微生物数量较少,覆盖条件下的高粱定植改善了土壤微生态环境,为土壤微生物提供了良好的繁衍场所,增加了土壤相关微生物的数量.

2.4 不同处理土壤呼吸强度

土壤呼吸是衡量土壤微生物活性的重要指标之一,也能间接反映土壤肥力状况.高粱播种期,3种处理土壤呼吸强度无明显差异,均为0.68mg/(kg·h) (图5);高粱播种后60d和收获前,NP和NPC处理之间没有显著差异,而PC处理的土壤呼吸强度显著增加(<0.05),相较于NP处理,PC处理在2个时期土壤呼吸强度分别增加64.43%和35.71%,相较于NPC处理,PC处理在2个时期土壤呼吸强度分别增加36.39%和26.67%;另外,不同处理在3个时期的土壤呼吸强度逐渐增加,这可能与季节因素有关.因此,高粱定植处理有利于提升土壤呼吸强度.

图5 不同处理土壤呼吸强度

3 讨论

在相同的施肥条件下,同纯覆盖处理相比,甜高粱定植增加了地表生物量和土壤有机质含量.植被在生长过程中,随着生物量的增加从土壤中吸收大量养分,而3个处理中,PC处理土壤中有机质含量较高,这主要是因为纯覆盖材料中微生物数量相对较少,限制了养料的分解利用,定植高粱增加了土壤微生物活动,促进了覆盖材料的降解,增加矿质养分含量,提高了养分的利用效率.另外,高粱定植处理措施使土壤有机质含量增加了1.17g/kg(表2),以往研究中有秋耕覆盖处理措施使土壤有机质含量增加了2.22g/kg[20],轻中度、重度盐碱土壤中秸秆覆盖可使土壤有机质含量分别增加了2.18, 4.05g/kg[16],与本研究结果范围一致;植被定植后地表植被覆盖度增加,降低了夏季暴雨对地表的冲刷强度[22],蓄养地力;高粱收获后,根系留存土壤形成腐殖质,向土壤输送营养物质.地表生物量是植被生长状况的直接反映,与土壤养分含量相互影响.植被根际土壤微生物活动剧烈,易形成土壤腐殖质层,可为植物提供充足的养分[23],促进地上部分的生长.土壤容重是反映土壤质量状况的重要指标,过于紧实的土壤无法使水分快速下渗[24],抑制土壤脱盐效果,高粱定植增加了土壤微生物数量,微生物活动过程中产生的菌丝等胞外产物粘结土粒,促进大颗粒团聚体形成;植物根系的生长可以疏松土壤,增加土壤通透性,降低容重.本研究中,土壤理化性质是影响地表生物量的重要原因之一,纯覆盖处理一定程度增加了土壤中有机质含量,但对原始盐碱土的地上生物量无较大影响,表明单纯依靠该区域原始盐碱土的自然更替不能够在短时间内修复生态环境,需要人工干预,这间接体现了耐盐高粱对盐土及其生态环境的快速改良作用.

高盐分含量会对植物根系产生渗透胁迫,降低水分有效性[25],因此盐分的洗脱是植被定植的重要条件,而土壤返盐是盐碱地改良的难题之一.虽然普遍认为土壤结构的改善会加速盐分的洗脱,但也有研究[26]发现微团聚体间的毛管孔隙也是造成旱季返盐的因素.传统的灌溉洗盐在短时间内降低土壤盐分,但当蒸发量大于降水量时,土壤盐分随蒸发被带到表层.覆盖材料结合高粱地上部分覆盖,减小了地面裸露面积,有效抑制土壤水分蒸发,从而增加了土壤含水量,抑制地下水在毛细管作用下上升,减少地下返盐[27].在本研究中3个处理土壤可溶性盐含量均随深度的增加而增加,

前人对环渤海棉田土壤的分析也得到类似规律[28],而杨策等[11]进行野外碱蓬地土壤理化分析发现盐分有表聚现象,经分析可知这主要与当地气候、土壤含水量、土壤结构及地下水矿化程度有关,并且各因素的影响大小不同:滨海地带受海水影响,地下水矿化度高,因此深度越深,土壤中盐分越高;若土壤微团聚体多,土壤中形成水盐运移通道,大气干燥水势较低时,深层水分向地表运输,会造成盐分表聚现象,室内土柱实验蒸发量小,同样有土壤可溶性盐含量均随深度的增加而增加的规律[11].水分含量的不同导致了盐分分布的差异[26],如上文所述,覆盖结合高粱定植相较原始土壤表层含水量显著增加,从而抑制表层土壤蒸发与土壤返盐.高粱定植主要影响根系层土壤盐分的分布,在60～100cm土层深度,该区域土壤盐分主要受地下水影响,原始盐碱土壤与高粱定植土壤的盐分含量趋于一致.因此,甜高粱定植可降低耕作层土壤对植被根系的盐胁迫影响,有利于后续垦区土地的多样化利用.

土壤中微生物数量是土壤质量的直接反映.甜高粱定植后,根系分泌物可分解土壤矿物质,为微生物提供充足的养分以促进繁殖,显著增加土壤根际微生物数量与活性[23];土壤中盐分的洗脱降低土壤渗透压,进一步为微生物营造适宜生长环境;此外,土壤水分通过影响土壤水势和含水量调节微生物活性与群落组成,低水势(土壤溶液浓度高)及低含水量均会抑制微生物生化功能[29-30],甜高粱定植增加土壤表层水分含量及土壤微生物数量证实了这一点.土壤呼吸表征了微生物的代谢活性,通过呼吸作用,微生物分解有机物质.甜高粱定植60d与收获后,原始盐土与纯覆盖处理间土壤呼吸无明显差距,但高粱定植处理的土壤呼吸显著高于前2种处理,这与土壤中细菌、真菌及放线菌等微生物数量增加的结果一致.甜高粱根系的生长促进根际微生物活动,表现为微生物数量和呼吸强度的增加;疏松的土壤亦加快气体的迁移[31],促进微生物活动,其中纤维素分解菌以覆盖材料及其他土壤有机残体为碳源[32],将纤维素分解为单糖等简单物质,这亦可为固氮菌提供碳源,增加固氮菌数量与活性,并加速土壤熟化.值得注意的是,本研究时间尺度囿于单个生长周期,可为新围垦区快速改良土壤提供可靠理论依据,后续研究将聚焦于长时间尺度下的土壤营养物质含量的动态问题,如连续几年进行高粱定植会使土壤有机质含量达到动态平衡,以及土壤在养分达到动态平衡后停止添加覆盖材料是否会再次退化等.

4 结论

4.1 在单个生长周期内,微生物基材料覆盖下的高粱定植可有效改良滨海围垦区土壤理化性质.甜高粱定植显著降低土壤可溶性盐分在水平与垂直空间的含量和容重,提高表层土壤含水量、饱和含水量、田间持水量、总孔隙度.

4.2 在单个生长周期内,甜高粱定植结合覆盖处理显著提高滨海围垦区表层土壤微生物活性,土壤细菌、真菌、放线菌、纤维素分解菌、固氮菌数量以及土壤呼吸强度均有显著增加.

4.3 在单个生长周期内,纯覆盖处理对土壤的改良效果有限,短时间内不能使垦区土壤恢复生态平衡,微生物基材料覆盖结合高粱定植显著增加土壤地表生物量.

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Crops planting on improvement of saline soil in coastal reclamation area: A case of sorghum planting under covering conditions.

CHEN Li-hua1, SU Wei-xia1, YAO Yu-tian2, GUO Shi-wei3, HAN Rui1, SHANG Hui4, ZHOU Long-xiang4, WANG Dong4, ZHANG Feng-ge5*

(1.College of Agricultural Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China；2.Jiangsu Coastal Development Group Co., Ltd. Nanjing 210019, China；3.Institute of Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China；4.Jiangsu Coastal Development (Dongtai) Co., Ltd. Yancheng 224237, China；5.College of Agro-grassland Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)., 2021,41(5)：2336～2342

To investigate the effect of sorghum planting on coastal saline soil physicochemical properties, biological characteristics and surface biomass, a field experiment was carried out during single growth period (from middle April to middle August) in coastal reclamation area. The results showed that sorghum planting significantly (<0.05) improved the soil physicochemical properties. Compared with NP (without covering and sorghum planting) and NPC (only covering), salt content and bulk density were significantly (<0.05) decreased, while the water content, total porosity, maximum moisture capacity, field water capacity and organic matter content were significantly (<0.05) increased in the treatment of PC (covering and sorghum planting). The populations of culturable microorganism (soil bacteria, fungi, actinomycetes, cellulose decomposition bacteria and nitrogen fixation bacteria ) were significantly (<0.05) increased in the PC treatment. Before sorghum harvest, soil respiration intensity in the PC treatment was significantly (<0.05) increased by 35.71% and 26.67%, respectively, as compared with NP and NPC. Surface biomass in the PC was 3.86 and 3.16 times higher than that of NP and NPC, respectively. In conclusion, sorghum planting efficiently improved soil quality and biological function, which provided an ecological and feasible way for agricultural utilization of land in new reclamation area.

saline-alkali soil；colonization；soil；microorganism；surface biomass

X53

A

1000-6923(2021)05-2336-07

陈立华(1982-),男,江苏宿迁人,副教授,博士,主要从事土壤、水环境修复研究.发表论文20余篇.

2020-10-15

江苏省重点研发项目(BE2018736);国家自然科学基金资助项目(51309079)

* 责任作者, 讲师, fgzhang20@hotmail.com