不同磷石膏掺量对植被混凝土基材肥力和狗牙根生长的影响研究

彭逗逗 许亚坤 杨嘉槊 吴 彬 许文年

（1.三峡大学 边坡生态防护研究中心,湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 生物与制药学院,湖北 宜昌 443002）

道路、矿山、水电工程和城市建设等基础设施的建设促进了地区社会和经济发展的需求,但同样也在破坏生态环境,造成一系列的自然灾害,如水土流失、泥石流和山体滑坡等,此类问题只依靠大自然自身的能力难以得到恢复[1-2].植被混凝土生态防护技术对于这类问题可以较好地予以解决,达到改善工程扰动区环境、保护生物多样性以及稳固边坡的目的,能够使固土护坡的性能与自然生态功能的有机结合,具有较高的应用价值和综合效益[3-6].植被混凝土生态防护技术虽然是在坡地表层构建成能够贮存一定肥力较高的基材,但经过长期监测分析发现,边坡修复年限增加,基材质量逐渐退化,对后期植物的生长存在很大的负面影响[7],再加上基材中水泥的添加,植被混凝土易发生板结,且基材碱性较强,不利于种子的发芽和幼苗生长,影响了植被边坡的可持续发展[8].

磷石膏是运用湿法生产磷酸过程中的副产物,目前全球每年排放的磷石膏高达1.5亿t以上,我国磷石膏年排放量居世界第3位[9].磷石膏中含有磷、氟、硅、镁、铁、铝及有机杂质等,其中磷、氟及游离酸具有腐蚀性,长期堆存不仅占用大面积土地,而且还污染周围环境[10-11].但磷石膏可作为土壤改良剂,能改善土壤的理化性质,利于植被生长[12-14].张涛等[15]研究发现,施用磷石膏能降低滨海盐碱土壤的p H.迟春明等[16]研究发现,加入磷石膏能提高土壤中Ca2＋含量以及土壤大孔隙数量,从而增强土壤通气和透水能力.因此,有关土壤中掺加磷石膏的研究一直受到众多学者的关注.

目前,植物生态修复领域对磷石膏的研究鲜有报道.因此,本研究针对目前植被混凝土生态防护技术后期产生的植被退化和养分流失等现象,以发挥磷石膏的改良特性,对植被混凝土进行改良,研究不同磷石膏掺量对植被混凝土基材肥力和生态修复技术常用先锋植物狗牙根（Cynodon dactylon（L.）Pers.）生物量的影响,为植被混凝土演替初期肥力的研究和植物生态防护技术的改良提供理论支持和科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验样地概况

考虑到试验样地养护、试验取样方便与节约成本等因素,试验样地设置在湖北省三峡大学内地学楼旁空地（111°18′23″E,30°43′06″N）.样地设置点处于中亚热带与北亚热带的过渡区,有季节分明、水热同期、寒旱同季的气候特征,属亚热带季风湿润气候.历年平均降水量为1 215.6 mm 左右,雨量比较充沛.

1.2 试验材料

研究涉及的主要材料包括种植土、水泥、有机物料（稻壳）、润智生态改良剂、活性炭和磷石膏.种植土选用本地常见的地表深度在1 m 内的黄棕壤,去除碎石及枯枝败叶等杂物,经风干过2 mm 筛备用,种植土基本物理性质见表1.

表1 种植土基本理化性质

润智生态改良剂是由湖北润智生态科技有限公司和三峡大学润智生态科技研究院联合研发创新的一种以水泥为胶固材料的生境基材的改良调节产品（专利号:01138343.7）;磷石膏取自宜昌本地磷矿厂,其基本理化性质见表2.所选播种植物为狗牙根（Cynodondactylon（L.）Pers）,购自江苏蓝天种业有限公司.

表2 磷石膏基本理化性质

1.3 试验设计

试验共设置5个磷石膏掺量水平（包括4个试验组和1个对照组）,即以润智生态改良剂与磷石膏的质量比例设置,分别为对照组:1∶0（S0）;试验组:1∶1（S1）,1∶2（S2）,0∶1（S3）,2∶1（S4）.每个处理设置1 m×1 m 框格大小,厚度为10 cm 的样方,其他物料配比参考《水电工程陡边坡植被混凝土生态修复技术规范》[17]添加,所配制的植被混凝土基材各组分配比见表3.试验于2020年5月1日播种植物,在生长期根据天气及植物生长状况适量浇水,进行为期70 d的养护.

表3 植被混凝土基材配比表

1.4 样品获取及其测定方法

1.4.1 样品采集

经过70 d的养护,于2020年8月中旬开始采集土壤样品与植物样品,每月进行一次采样,共7次.每个样方按照蛇形方式选取3个,研究的试验土层厚度较浅仅为10 cm,因此无需分层取样,将所挖取的土壤均匀混合;植物样品按照选取的10 cm×10 cm 样方,小心挖取样方内所有植物,保证植物地上部分和地下部分的完整性.将采集的土壤和植物样品带回实验室进行预处理作试验分析.

取回的土壤样品先剔除土壤以外的杂质,如植物残根、昆虫尸体及水泥石块等,然后进行干燥处理,除测定容重用烘干法外,其他指标均采用自然风干法.土样经过风干后进行磨碎处理,风干土样通过1 mm孔径的筛子,用于测定pH 和速效养分（包括碱解氮、速效磷、速效钾）.

植物样品保护完整,置于冰箱中低温保存.然后105℃进行杀青处理10 min,70℃低温烘干至恒重.

1.4.2 测定方法

容重采用环刀法测定[18].pH 用S-3S pH 仪进行测定[19].有机质采用重铬酸钾氧化外加热法测定[20].养分含量使用san＋＋连续流动分析仪测定:其中土样以0.5 mol/L碳酸氢钠溶液浸提,所得浸提液用于测定速效磷含量;土样以1 mol/L中性醋酸铵溶液浸提,所得抽提液用于测定速效钾含量.土壤碱解氮采用扩散吸收法测定[21].植物生物量采用烘干称重法.

1.5 试验数据处理与分析

应用Micro-excel 2003和SPSS 19.0 软件对数据进行分析处理,应用Origin 2018进行作图.采用单因素方差分析比较不同磷石膏掺量下基材肥力、植物生物量指标.用多元线性回归逐步法分析基材肥力指标对植物生物量的影响.

2 结果与分析

2.1 不同磷石膏掺量对植被混凝土基材肥力的影响

不同处理的基材肥力变化不同,如图1所示.

图1 各处理基材含量变化图

由图1可以看出,5个处理的基材容重随时间变化不大,从全期平均含量来看,S1和S4容重显著小于S0（p＜0.05）,S2、S3与S0基材容重差异不显著.各处理的基材pH 值随时间推移呈现先降低后略微升高的趋势,4个试验组S1、S2、S3和S4的基材p H值显著小于对照组S0（p＜0.05）,且试验组之间的基材pH 值大小差异不明显.各处理的基材有机质从2020年8月到2021年2月呈现先减小后增大的趋势,从有机质含量的增加量和减小量看,S1和S4处理对有机质的消耗利用量和积累量最高.各处理的基材碱解氮含量从2020年8月到2021年2月呈现先减小后增大的趋势,从碱解氮的增加量和减小量看,S1处理对碱解氮的消耗和积累量最高.各处理的基材速效磷含量从2020年8月到2021年2月呈现先增加后减少的趋势,从速效磷含量全期的平均水平来看,S1处理最高,最低的是S2,并随着时间的推移,S1处理的速效磷含量显著高于其他4组.各处理的基材速效钾从2020年8月到2021年2月呈现持续降低的趋势,从速效钾含量全期的平均水平来看,S1处理最高,最低的是S2和S3,并随着时间的推移,S1处理速效钾含量显著高于其他4组.

与对照组S0处理相比,S1处理显著降低基材容重、p H,增加有机质、碱解氮消耗累积量,提高速效磷、速效钾含量,提高了肥力水平,S4处理效果次之,而S2和S3处理的肥力水平相对降低.

2.2 不同磷石膏掺量对植物生物量的影响

各处理的植物地上生物量、地下生物量和总生物量（如图2所示）从2020年8月到2021年2月均呈现先增加后减少的趋势,这跟土壤肥力情况和水文、气候等因素相关.从全期的平均含量来看,植物地上生物量、地下生物量和总生物量均为S1处理的最大,且显著高于其他4组.与对照组S0相比,S1和S4处理的植物生物量升高,S2和S3处理的降低;从地上生物量和地下生物量占总生物量的比例来看,对照组S0的地上生物量占总生物量为72.9%～79.8%,S1处理的为74.0%～77.94%,S2处理的为67.31%～83.18%,S3处理的为66.03%～86.18%,S4处理的为71.55%～77.22%.结果均表现为地上生物量大于地下生物量,这是因为在植物生长早期,根系不够发达,植物拥有更大的地上生物量,以获得更多的光照资源,使其对环境条件实现最大化利用.

图2 各处理植物生物量变化图

2.3 基材肥力指标对植物生物量的影响

各处理的植物地上生物量与肥力因子的逐步多元回归分析结果如下（见表4）:S0处理的地上生物量与基材pH 呈极显著负相关关系（p＜0.01）,与速效磷呈显著正相关关系（p＜0.05）;S1处理的地上生物量与基材有机质存在极显著负相关关系（p＜0.01）;S2处理的地上生物量与基材碱解氮呈极显著负相关关系（p＜0.01）,与速效钾呈显著正相关关系（p＜0.05）;S3处理的地上生物量与基材碱解氮呈极显著负相关关系（p＜0.01）,与速效磷呈显著正相关关系（p＜0.05）;S4处理的地上生物量与基材碱解氮存在极显著负相关关系（p＜0.01）.

各处理的植物地下生物量与肥力因子的逐步多元回归分析结果如下（见表4）:S0处理的地下生物量与基材碱解氮呈极显著负相关关系（p＜0.01）,与pH 呈显著负相关关系（p＜0.05）;S1处理的地下生物量与基材有机质存在极显著负相关关系（p＜0.01）;S2处理的地下生物量与基材碱解氮呈极显著负相关关系（p＜0.01）,与速效钾呈显著负相关关系（p＜0.05）;S3处理的地下生物量与基材碱解氮呈极显著负相关关系（p＜0.01）,与速效钾呈显著负相关关系（p＜0.05）;S4处理的地下生物量与基材碱解氮存在极显著负相关关系（p＜0.01）.

表4 肥力因子对不同处理下植物生物量的影响

各处理的植物总生物量与肥力因子的逐步多元回归分析结果如下（见表4）:S0处理的总生物量与基材pH 呈极显著负相关关系（p＜0.01）;S1处理的总生物量与基材有机质存在极显著负相关关系（p＜0.01）;S2处理的总生物量与基材碱解氮呈极显著负相关关系（p＜0.01）,与速效磷呈显著正相关关系（p＜0.05）;S3处理的总生物量与基材碱解氮呈极显著负相关关系（p＜0.01）,与速效磷呈显著正相关关系（p＜0.05）;S4处理的总生物量与基材碱解氮、有机质存在显著负相关关系（p＜0.05）.

3 讨论

3.1 不同磷石膏掺量对基材肥力的影响

一般说来,土壤容重小说明土体比较疏松,土壤结构、透气性和保水保肥力较好,土壤中水气热状况良好,适合植被生长;土壤容重大,则反之[22].本研究中,基材容重在短期内变化不大,这与邬静淳[23]研究不同树种对三峡库区消落带土壤物理性质的影响结果呈一致性.也有研究认为土壤容重受季节的影响很大[24],这可能与地方的气候、水文以及土地利用类型相关.基材在掺加磷石膏之后,容重有所降低,这与张瑜等[25]在研究不同用量的磷石膏和有机肥对盐碱土理化性质中有相同结果,磷石膏能改善土壤物理性质,不同施加量降低土壤容重效果也不同.磷石膏中含有钙质胶体,它能够促进土壤团聚结构形成,从而改善土壤结构,降低土壤容重,提高土壤孔隙度[26].李旭霖等[27]也认为,磷石膏的添加能降低土壤容重,提高土壤通透性,改善土壤的水、肥、气、热状况.

土壤酸碱状况用pH 值来衡量,土壤pH 值过高或过低都会对土壤养分的存在形态、转化和有效性进行干扰,从而影响植物的生长发育[28-29].本研究中基材pH 呈现先降低而后期略微升高的趋势,这是因为土壤pH 与土壤矿化作用密切相关,后期植物生长受阻,土壤中碱解氮积累,有机氮的矿化会吸收H＋,使得土壤pH 升高[30-31].尹元萍等研究中显示,施用磷石膏后的土壤pH 值明显比仅施用氮磷钾的要小[32].这与本文研究结果保持一致性,这是因为磷石膏中含有少量磷酸氢根、磷酸二氢根、磷酸、氟离子等酸性离子,其pH 介于1.53～4.90,属于酸性物质[33].因此植被混凝土基材中掺加磷石膏能显著降低基材p H.

土壤有机质的矿化、全量养分的转化和肥料施入土壤的速效成分是土壤速效养分的主要来源,它是土壤重要的属性之一[34].短期内土壤对植物的供肥能力也是通过速效养分含量反映[35-36].本研究中,前期植物生长旺盛,对养分的消耗量大,后期植物生长受阻,基材有机质和碱解氮含量先减小后增大;而磷石膏中含有磷肥,可以缓慢释放速效磷,使速效磷含量先上升后下降.郭天云在研究中发现施入磷石膏后显著改善土壤质量;最后土壤脱盐,释放出了土壤中被固定的各种养分,提高了土壤中有机质、速效氮、有效磷和速效钾的含量[37],这与本文研究结果具有相似性.本研究中,按照S1处理,基材有机质、碱解氮消耗积累量增加,速效磷与速效钾含量显著提升,这可能是土壤中掺加磷石膏使其pH 降低,土壤微生物活动增强,加速了被固定养分的释放和有机质的矿化.

3.2 不同磷石膏掺量对植物生物量的影响

植物生物量是单位面积植物积累物质的质量,是生态系统的功能指标和获取能量的集中表现.在本研究中,按照S1处理的磷石膏掺量显著提高植物生物量,其次是S4.吴洪生等[38]在研究中发现,磷石膏改良剂能不同程度地提高植物生物量,促进小麦生长.白来汉等[39]在研究中同样得出,无论接种与否,相同接种状况下玉米地上部分及根系的生物量随着磷石膏添加水平的提高均呈增加趋势.李季等[40]研究发现,一定量的磷石膏可提高生物量,促进小麦生长.崔向超等[41]研究也得出,在土壤中施加磷石膏可促进菌根化苗生长,改善果实品质,这与本文研究结果具有一致性.由前文可知掺加一定量的磷石膏可以改善土壤结构、提高土壤肥力,而植物生物量又受肥力因子的调控,从而间接提高植物生物量.

3.3 植物生物量的影响因素

植物生物量与基材养分之间存在不同的相关关系,不同的基材肥力条件对植物生物量的主要影响因子也有所不同,植物生物量大小受到土壤中多种理化因子的影响[42].本研究中,不同的土壤肥力条件对植物生物量影响不同,植物生物量与有机质、碱解氮、速效磷及速效钾等养分存在不同程度的负相关关系,植物地上生物量占比较大.这可能是因为在生长初期,基材肥力条件充足时,植物吸收土壤中的养分,使土壤养分降低,将更多的向地上部分分配[43-44].

4 结论

1）不同磷石膏掺量对植被混凝土基材肥力有不同程度的影响,其中当以S1处理时,能够显著改善土壤结构和提高土壤肥力,表现为基材容重和pH 减小,基材有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量增加.S4处理次之,肥力状况最差的是S2和S3处理.

2）磷石膏的掺入对植物生物量也有影响,当以润智生态改良剂与磷石膏的比例为S1处理时,显著提高植物生物量,植物生长良好.生物量状况最差的是S2和S3处理.

3）植物生物量与基材养分之间存在不同的相关性关系,基材养分交叉影响植物生物量的大小,不同的基材肥力条件对植物生物量的主要影响因子也有所不同.可根据不同的制约因子进行不同的施肥处理.

综合考虑,在不同磷石膏掺量条件下,合适的磷石膏掺量可以显著优化基材肥力,并提高植物生物量,建议掺入磷石膏的质量比例为润智生态改良剂∶磷石膏为1∶1.