施用不同土壤改良剂对准格尔盆地盐碱地的改良作用

王磊元， 李风娟， 秦翠兰

(新疆理工学院，新疆阿克苏 843000)

土壤在植被生长发育过程中起着关键作用，生产中常常使用改良剂改善土壤理化结构、肥力特征和微生物活性，目前该方法在作物增产方面运用较为广泛。土壤微生物在调控土壤肥力中起着重要作用，作为土壤微生物的关键构成部分，细菌和真菌的占比达到70%以上，微生物的代谢促进了土壤养分的积累，有效改善了土壤肥力。对于土壤菌群而言，具有不同的分类，按照其形状的差异主要有球菌及杆菌等，此外，其营养方式也呈现尤为突出的差异，不仅包括自养、异养，还包括兼性自养。土壤改良剂的含量不同，其对土壤的作用效果也呈现较大差异，这是微生物及土壤理化特性共同作用的结果，对于植被的生长发育所产生的效果也存在突出差异。

对于准噶尔盆地而言，虽然它具有辽阔的面积，但是它在生态方面具有明显的脆弱性，无论是其环境容量还是承载力方面均不高，该区域主要的经济带集中在南部的天山区域，对于新疆地区经济而言，超过80%的经济量分布在此区域，工业方面占比70%以上，同时这也是西部大开发的重点之一。该区域分布着大量的盐碱土，如何加以利用成为生态研究的重要课题，也是面临的不可回避的现实问题，更是优化西部生态的关键之一。基于此，本研究如何利用土壤改良剂对该区域土壤加以优化，以此提升土壤利用效率，本研究所选取的改良材料不仅包括生物炭、草木灰，还包括牡蛎壳粉，同时采取对照组的研究方式，借助于改良技术开展该区域土壤理化特性优化研究，以增强土壤利用效率，为有效改善盐碱地现状提供有益的借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究将新疆准噶尔盆地作为研究对象，对于该区域而言，其海拔达到400 m，绿洲区域主要分布在边缘地带，其中心区域大多为沙漠。受地理位置的制约，其季节性温度差异尤为突出，且早晚温差较大，采暖期可达次年的4月。该区域整体而言呈现较为突出的温带大陆性干旱气候特点，由于其深处沙漠腹地，导致其年降水量低于100 mm，而高温大大增强了其年蒸发量。关于研究区域，其植被分布多以原始植被为主，尤其是盐生耐旱植被，诸如灌木及半灌木等，如多枝柽柳、琵琶柴等。关于该区域土壤，以灰漠土为主，其pH值则达到8.9。该区域丰富的自然资源为区域开发奠定了重要基础，该区域也是西北地区重要的能源化工基地，尤其是克拉玛依及乌鲁木齐等地区。

1.2 试验材料

试验材料：牡蛎壳粉，pH值8.12，有机碳含量5.65%，全氮含量1.2%，粉粒含量34.51%，黏粒含量29.82%，纯度99.5%，斯诺特生物技术有限公司生产；生物炭，pH值8.98，有机碳含量9.87%，全氮含量1.34%，粉粒含量39.45%，黏粒含量21.23%，经过800 ℃高温灰化而成，新疆天然植物保护科技开发有限公司生产；草木灰，pH值9.33，有机碳含量9.09%，全氮含量1.33%，粉粒含量57.56%，黏粒含量21.21%，农家自产。

本试验将准格尔盆地作为研究对象，试验时间为2016—2021年，所选择的样地共4个，不仅包括牡蛎壳粉样地、生物炭样地，还包括草木灰样地，同时为了开展试验对比分析，特设置对照组(CK)，样地的长、宽均为500 m，为了最大程度降低试验误差，对各样地开展5次重复样方试验，要求其长、宽均为 10 m，用于长期定位观测，然后在上述每个样地上喷洒土壤改良剂，以不添加改良剂作为对照，1年中每3个月喷洒1次，每年喷洒4次，每次喷洒按照 0.5 kg/m的计量进行喷洒，定期(每年)采集土壤样品进行化验，连续5年采集土壤样品。

1.3 土壤养分和微生物特性指标的测定

为了测定土壤理化特性的变化，需要对土壤的有机碳(SOC)、总氮(TN)、总磷(TP)等的含量进行测定，在测定过程中分别采取氧化法、半微量凯式法、比色法；对于有效氮(AK)、有效磷(AP)含量的测定借助于浸提法；而对于微生物量碳(SMBC)、微生物量氮(SMBN)等采取KSO浸提法测定。土壤酶活性的测定参照文献[11]中的方法。

此外，还需对土壤基础呼吸状况进行测定，本研究借助于培养法，具体通过相当于20 g干土的新鲜土样作为样品，将其置于培养瓶，之后进行水量调节，直至其达到正常田间持水量的60%，要求其温度达到 25 ℃，处理时间为24 h，接下来还需要测定CO含量，具体借助于色谱仪，对于代谢熵的计算则通过基础呼吸/微生物量碳加以计算。

1.4 土壤微生物群落测定

在磷脂的提取过程中，本研究采取的是Bligh等的方法，第1步是将8 g干燥土样置于试管中，然后将柠檬酸缓冲液、三氯甲烷、甲醇按照 0.8 ∶1.0 ∶2.0 的体积比置于试管中，要求缓冲溶液的pH值达到4.0；然后对混合液进行振荡处理，从而对总脂类进行提取，接下来借助于固相萃取(SPE)硅胶柱对中性脂、糖脂进行去除处理，最终提取出磷脂；然后还要对其进行碱性甲酯化处理，并借助于气相色谱仪(型号为Agilent GC-6850)开展磷脂脂肪酸(PLFA)成分分析；之后对各成分脂肪酸开展微生物鉴定，本研究借助于MIDI Sherlock 软件加以分析。最后对微生物类群进行划分，主要依据磷脂脂肪酸的分子结构。

1.5 数据分析

本研究采取连续5年取样并记录相关研究数据，将其均值作为最终的分析数据源，并对各试验处理数据进行方差分析，开展显著性检验，同时开展成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对盐碱地土壤阴阳离子的影响

表1 不同改良剂对盐碱地土壤阴阳离子的影响

2.2 不同改良剂对盐碱地土壤养分的影响

由表2可知，受不同改良剂的影响，不同样地的土壤养分具有较为突出的差异，但是其促进作用均较为明显，且在降低土壤pH值方面均具有较为突出的效果，与CK相比差异达到了显著水平(<0.05)。各处理与对照组相比，无论是有机碳、速效磷含量，还是全氮和碱解氮含量，其差异均达到了显著水平(<0.05)，且其含量均高于对照组；而其全磷含量而言，差异并不突出。

表2 不同改良剂对盐碱地土壤养分的影响

2.3 不同改良剂对盐碱地土壤酶活性的影响

由表3可知，不同改良剂对盐碱地土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶活性均具有显著的影响；不同改良剂对盐碱地土壤蔗糖酶和酸性磷酸酶活性均起到一定的降低作用，其中不同改良剂处理下土壤蔗糖酶和酸性磷酸酶活性差异显著，并且都显著低于对照(<0.05)；不同改良剂对盐碱地土壤脲酶和过氧化氢酶活性均起到一定的增加作用，其中各处理的土壤脲酶和过氧化氢酶活性差异均显著，且显著高于对照(<0.05)。

表3 不同改良剂对盐碱地土壤酶活性的影响

2.4 不同改良剂对盐碱地土壤微生物量和呼吸的影响

由表4可知，受土壤改良剂的制约，无论是土壤微生物量，还是土壤呼吸，不同样地的差异较为突出，这说明其作用机制较为突出，但是其促进效果均较为明显。对于微生物量碳及微生物量氮含量而言，受制于不同改良剂作用，其含量差异尤为突出，且均高于对照组。不同改良剂对盐碱地基础呼吸和代谢熵也起到一定的增加作用，其中草木灰和牡蛎壳粉处理下差异不显著，二者均显著高于对照(<0.05)；然而不同改良剂处理下土壤微生物量磷含量差异不显著。

表4 不同改良剂对盐碱地土壤微生物量和呼吸的影响

2.5 不同改良剂对盐碱地土壤微生物群落结构的影响

由表5可知，不同改良剂对盐碱地土壤微生物群落结构具有显著的影响；不同改良剂对盐碱地土壤革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌均起到一定的增加作用，其中不同改良剂处理下土壤革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌差异显著，并且显著高于对照(<0.05)；然而不同改良剂处理下土壤真菌/细菌比、革兰氏阴性菌/革兰氏阳性菌差异不显著。

表5 不同改良剂对盐碱地土壤微生物群落结构的影响

2.6 不同改良剂对盐碱地土壤微生物功能多样性的影响

由表6可知，不同改良剂对盐碱地土壤微生物群落多样性具有显著的影响；改良剂成分差异突出，其对物种丰富度指数及多样性指数的影响也存在突出差异，但是其促进作用较为突出，与对照组形成巨大反差；然而不同改良剂对土壤微生物优势度指数起到一定的降低作用，其中不同改良剂处理下优势度指数差异均显著(<0.05)，且均显著低于对照(<0.05)。

表6 不同改良剂对盐碱地土壤微生物群落多样性的影响

在降维的基础上对因子的作用机制开展主成分(PCA)分析，从而探究微生物的碳源利用能力，从图1可知，借助于主成分分析，2个主成分因子对变量的解释度达到了94.57%，其中第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)的方差解释度分别达到了63.34%、31.23%，说明其对于变量具有较好的解释度。对于草木灰、牡蛎壳粉而言，其大部分分布在PC轴的负值端，而对照组和生物炭则分布在正值端。在不同改良剂作用下，土壤微生物群落代谢具有一定的差异，但是与对照组相比，其差异并不明显，综合而言，说明其在单一碳源利用方面的能力存在一定差异，群落分布差异较为突出。

3 讨论与结论

通过连续5年的观测对比分析得知，土壤改良剂在一定程度上增加了土壤养分含量，进一步分析可知，生物质炭对土壤养分各指标的增加效应达到最大，促进了土壤养分的吸收和利用，其中以土壤微生物量碳和微生物量氮含量对不同改良剂的响应最为明显，也说明了土壤微生物量碳和微生物量氮含量可以看作不同水平不同改良剂处理后土壤养分变化的敏感指标。主要原因在于改良剂的加入增强了植被对养分的吸收能力，加之根系分泌物促进了养分的积累和微生物活性的增加。

大量的试验表明，对于微生物量碳而言，其在微生物活性表征方面具有较强的敏感性，而有机碳的转化效率主要借助于微生物熵加以对比分析，这些指标也能够对微生物群落特性加以体现。无论是微生物量碳、微生物量氮含量，还是微生物熵，在土壤改良剂的作用下均得到了较为明显的提升，受不同改良剂成分差异的影响，其差异性也尤为突出；对于土壤微生物熵与微生物量碳含量而言，其变化趋势较为接近，与微生物多样性走势较为一致。与微生物量碳含量相比而言，微生物熵具有更为突出的稳定性，其变化起伏更小；在衡量土壤质量的过程中，土壤呼吸也是常用的衡量指标之一，尤其是在其活性表征方面，这是对土壤氧化能力的体现，是对土壤代谢能力的表征，是衡量土壤活性的关键指标之一。此外，通过试验对比分析发现，虽然改良剂处理不同，但是其基础呼吸变化态势与微生物量碳的变化差异极小，二者的相似度较高，对于土壤呼吸亦是如此。

改良剂的差异对于土壤养分状况的影响程度存在较大差异，对于土壤养分来讲，仅有全磷及微生物量磷含量未与对照组的差异达到显著水平，通过试验对比得知，在改良剂的作用下，土壤养分状况得以有效提升，但是全磷及微生物量磷含量则属于例外，主要在于磷素具有很强的沉积性，短期内磷元素的增加并没有明显的提升效果。植被生长过程中需要大量的养分及水分，这就需要土壤质量的提升。对于微生物而言，其对磷元素也具有较强的吸收效应，一定程度上明显降低了有效磷含量，对于红壤而言，磷元素含量相对较低，在矿质氮含量不断增加的情况下，磷含量在植被与微生物之间此起彼伏，形成较为明显的争夺效应。通过连续5年的观测对比分析得知，在改良剂作用下，微生物菌群数量分布得以提升，主要原因在于土壤酸性的降低，在此情况下，土壤中Al含量得以明显提升，有利于微生物新陈代谢，促进其群落数量分布及其活性的提升，明显降低了其对磷元素的争夺。

通过对比分析得知，在土壤改良剂的作用下，微生物对于碳源的利用效率得以明显提升，这对于微生物菌群分布起着积极作用，进而增强了有机质的降解速率，有利于土壤养分的转化及积累，生物炭及牡蛎壳粉的效果尤为突出，且其对于碳水化合物具有较强的利用能力。对于多数异养微生物而言，碳水化合物成为其尤为关键的营养源之一，制约着其新陈代谢水平，对于其群落分布尤为重要，对于牡蛎壳粉而言，其能够有效增强微生物活性，其含有的糖胺聚糖利于微生物生长发育。在改良剂的作用下，无论是微生物群落分布的丰度还是多样性，均得到了较为明显的提升，利于改善盐碱土质；在改良剂的作用下，无论是真菌生物量/细菌生物量，还是革兰氏阴性菌含量/革兰氏阳性菌含量，其下降态势尤为突出；这主要是因为在氮素的作用下，植被对真菌的依赖效应明显降低，根系碳含量下降。对于革兰氏菌而言，其对有机物降解具有不同的偏好；此外，在改良剂的作用下，植被的凋落物质量也呈现较为明显的差异，导致有机质降解难度增加，从而导致革兰氏阴性菌含量/革兰氏阳性菌含量呈现尤为突出的下降态势。