高寒草地沙化土壤的改良配方技术研究

陶 欢，马 丽

(1.昆明理工大学环境科学与工程学院，云南昆明 650000；2.绵阳师范学院资源环境工程学院，四川绵阳 621006)

0 引言

在自然和人为因素的影响下，多类脆弱生态环境地区的土壤中细粒物质流失，土地资源遭到破坏[1-2].现今土地沙化是我国最受关注的生态环境问题之一，第五次全国荒漠化和沙化监测结果显示：截至2014年，我国重度与极重度沙化土地占全国沙化土地总面积的70.09%[3].

草地是沙化土地类型之一，为早日恢复退化草地，诸多学者向受损草地系统施加废弃生物质改良其性质.秸秆作为最常见废弃生物质资源，施加后对土壤容重的降低，土壤微生物种类的增加，土壤孔隙度的增大有促进效果，还可有效增加土壤内氮素含量[4-9].我国是食用菌生产与消费大国，废弃菌渣仍具有很高利用价值[10].菌渣(未处理)混合施用于土壤作为基肥比直接施用化肥效果更显著，同时还可避免化肥使用带来的板结问题[11]；菌渣经处理后施用还可降低沙化土容重,增加土壤孔隙度和团聚体粒级，提高土壤团粒结构的稳定性，提升其根际环境质量和减少作物虫害现象[11-14].畜禽粪便随着养殖业的兴起而成为新环境难题，堆肥化处理畜禽粪便后施于土壤，可使其中养分得到有效利用，土壤中的磷、钾元素含量会有所增加[5,15].

本文针对红原县重度沙化土壤，以不同质量比的废弃生物质、矿物质组合进行试验，分析不同处理下土壤特征指标的变化，为资源化利用废弃生物质改良沙化土壤提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域

研究区红原县隶属于四川省阿坝藏族羌族自治州，坐落于北纬32°80′,东经102°56′，位于四川省西北部，平均海拔约3 600 m，年均气温约1.4 ℃，属大陆性高原寒温带季风气候，降水主要集中于夏季，是我国典型的生态脆弱地区.该地是四川省现代草原畜牧业试点示范县，其中农牧民约占总人口的80%，由于往年过度放牧和不合理资源利用的累加效应，使得当地生态环境受损严重，草地退化程度增加，高质量草地在逐年减少(见图1).

图1 研究区域卫星图Fig.1 Satellite map of research region

1.2 试验材料

沙化土壤：取自川西北红原县高寒重度沙化草地.

菌渣：取自四川新都区某蘑菇种植基地.

奶牛牛粪：购自四川眉山某牧场，其中矿物质(全磷、全钾、钙、镁)、营养物质(有机质、全氮、粗蛋白质、粗脂肪、粗纤维)分别占4.06%、95.94%.

混合秸秆粉：购于四川阿坝州某农场，其中无氮浸出物、粗纤维、粗脂肪、钙和磷分别占40%、29.54%、2.80%、0.36%和0.41%.

蒙脱石粉：购于湖南某工厂.

1.3 研究方法

1.3.1 试验设计 称取3 kg沙化土壤样品，分别与外源添加物质(见表1)混匀后在直径25 cm×高16.5 cm花盆中进行堆肥化处理，采取户外培养，共分为6个实验组，每组3个平行样(见图2).

表1 实验分组Tab.1 Experimental grouping

图2 试验设计流程图Fig.2 Flow chart of test design

1.3.2 分析项目及方法 在试验进行的不同阶段(2、8、15月)，通过碱解扩散法(DB51/T 1975—2014)测定碱解氮含量、电沙浴法(NY/T85—1988)测定有机质含量、干筛法及四分法测定团聚体粒径分布以及钼酸铵分光光度法(NY/T1121.7—2006)测定有效磷含量.

1.3.3 数据分析 原始数据采用Excel 2019对测定数据进行简单数据处理，后续通过Origin 2021、SPSS 22进行相关数据统计与分析.

2 结果与讨论

2.1 土壤改良配方对土壤团聚体的影响

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，是表征土壤性质的有力指标之一，与土壤固碳息息相关.其中，大团聚体(粒径>0.25 mm)与土壤的团粒结构的生成及其稳定性之间呈正相关.

随着培养时间的延长，不同改良配方下土壤大团聚体含量相较于A组存在显著差异(图3).经过2个月的培养后，实验组(C1、D1、E1、F1)大团聚体含量分别由原来的4.71%增加到了28.87%、25.42%、11.66%和14.78%；培养8个月后，实验组(C2、D2、E2、F2)土样中的大团聚体比例总体呈现下降趋势，与培养两月相比较下降到了2.15%、11.25%、5.00%和6.41%，其中C组大团聚体比例降至最低，甚至低于了对照组1(4.71%)(图3B)；但再经过7个月(共15月)培养后C组大团聚体比例有一定回升，其余各组均下降(E、F组最终低于A组)，其大团聚体比例依次为10.13%、8.75%、3.02%和2.93%(图3C).图3A中，实验组大团聚体比例增加，其中以C组增势最为显著，由此说明菌渣、蒙脱石粉能够在短时间堆肥化处理内有效促进大团聚体的形成；结合图3B和图3C可以看出，随着培养时间的延长土壤中大团聚体的比例呈现下降再回升的趋势；而结合整个培养周期来看，E、F组土壤中的大团聚体比例下降，最终低于A组(4.71%).

图3 团聚体粒径分布Fig.3 Aggregate size distribution注：图左上标号 A、B、C 分别表示不同实验期(A：2 个月、B：8 个月、C：15 个月)，下同.

总的来看，添加外源物质后初期对于大团聚体的增加有一定作用.比较C与D、E、F组的整体数据来看，C组前期效果最好，后期大团聚体比例也是最高，由此可见“菌渣+蒙脱石粉”对于大团聚体的生成作用力度较高，这与其他学者观点相同，即认为菌渣可以促进大团聚体的形成[11,13].但秸秆、牛粪、木屑在中后期作用不显著，甚至可能外源物质间存在相互作用，降低了整体作用效果.综上可以看出，各配方中所添加物质对于外界的环境变化稳定性不强或者相互间存在抑制作用，这需要进一步研究外源添加物之间的相互作用机理来得出相关结论.

2.2 土壤改良配方对土壤有机质的影响

土壤中有机质的含量是土壤肥力及其他理化性质的重要限制条件之一，土壤中有机质含量的高低在一定程度上决定了农作物的产量状况、土壤的长久有效利用性.

随着培养时间从2个月到15个月，实验组的有机质含量相较于对照组均呈现上升趋势，其中以E组增长最稳定(图4).相比对照组，培养两个月后实验组土壤中有机质含量均有不同程度的提升，粒径<2 mm土壤有机质以C组增势最明显，而粒径<0.25 mm土壤有机质以D组增势最显著，增长率分别为207.02%、261.72%；培养中、后期(图B、C)与培养前期相比，都有一定上升，但仅有部分实验组在整个培养周期内一直呈现上升：C组(粒径<0.25 mm)、D组(粒径<2 mm)、E组.B组粒径<0.25 mm土壤有机质含量在整个培养周期内基本无变化，但粒径<2 mm土壤有机质增势明显，甚至最终超过部分实验组(C组)，由此可见“蒙脱石粉+菌渣”对于有机质影响不显著,自然堆肥对于土壤中小团聚体中有机质的增加基本无影响，但对于大团聚体中有机质生成有一定的促进作用；比较实验组(C—F)可知，秸秆、木屑、牛粪对于有机质增加有一定促进作用.整个周期看来：粒径<2 mm土壤有机质变化呈现不一致的上升趋势，如C、D、F组在整个培养周期看来均有升有降，同样粒径<0.25 mm土壤有机质含量的变化趋势也不确定，以E组(蒙脱石粉+菌渣+牛粪)有机质含量增长最稳定.B、C组相比，在大团聚体中对有机质生成的作用B>C，由此说明“蒙脱石粉+菌渣”的作用小于自然堆肥.

图4 不同配方处理的土壤有机质含量变化Fig.4 Changes of soil organic matter content under different formula treatments

2.3 土壤改良配方对土壤碱解氮的影响

土壤碱解氮与土壤中有机质含量有一定关联，同时可用于反映土壤中的氮素近况，是作物生长过程中必要营养元素之一.不同配方处理后，从整个培养周期看来，土壤中的碱解氮含量大多呈现“升高—升高—升高”的趋势(图5).培养两月后，与对照组1相比，实验组配方下的碱解氮含量随着处理时间的推移成阶梯状增加，其中E组的增势最快，增率达44.44%；经8个月盆栽培养后，B组中碱解氮含量出现下降且低于A组(12.6 mg/kg)，而实验组中碱解氮含量逐渐增加，与实验初期相比，增势最明显组别更替为F组，其增率显著高于其他组别，增长率依序为152.38%(F组)>57.14%(C组)>47.64%(D组)>42.86%(E组)；到培养后期，各实验组均呈现出良好增势，以15个月来看，各实验组增长率依次为：283.33%(D组)>277.78%(F组)>216.67%(E组)>150%(C组).

图5A可见在沙化土中配施一定的生物质和矿物质对于碱解氮具有一定的改善作用，其中以“菌渣+蒙脱石粉+牛粪”作用最显著，相比实验组，D、F组与C组效果一致，说明在培养初期秸秆、木屑对于土壤碱解氮的生成基本无影响，而牛粪(E组)对于碱解氮的生成作用显著高于前两种生物质；随着培养时间的递进，B组呈现先增加再降低再回升状态，说明仅仅堆肥化处理对于碱解氮的影响可近乎于忽略不计；与C组相比，D、F组下的碱解氮含量增长幅度前期相近，E组最突出，到中、后期增长有较大的差距，其中以F组在中期增长势最好，到后期D、F两组几近持平，由此说明“菌渣+蒙脱石粉”对于碱解氮有一定的改善效果，且具有持续稳定性，在添加秸秆、木屑、牛粪后会加强对于土壤中碱解氮生成的作用效果，其中以D组(蒙脱石粉+菌渣+秸秆)最终效果最佳.

图5 不同配方处理的土壤碱解氮含量变化Fig.5 Changes of Alkali-hydrolyzable N content in soil treated with different formulas

2.4 土壤改良配方对土壤有效磷的影响

土壤有效磷在很大程度上可以显现出土壤的磷储量，土壤中的磷素对于作物生长发育不可或缺，其重要性仅次于氮、钾.由图6可得，不同配方处理的土壤有效磷含量变化随机性机率较大.培养2个月后与A组相比，各组(除E组外)土壤中的有效磷含量均有小幅度增长，各组增长率分别为20.5%(B组)、3.33%(C组)、13.67%(D组)、-0.83%(E组)、30%(F组).在整个培养周期的中、后期，B组呈明显下降趋势，C呈现缓慢上升，其余配方处理下有效磷的含量未呈现出一定的变化规律可循.

图6A表明木屑在培养初期对有效磷的增长作用最快，比较B、C、D、E组可知，堆肥对于有效磷的生成具有积极作用，而菌渣、蒙脱石粉、秸秆和牛粪在前期参与堆肥后对有效磷的增加作用不明显.图6B和图6C中可看出，在培养8月后添加的外源物质开始发挥作用，仅仅自然堆肥对于最终土壤有效磷作用不显著，F、C组相比可知，木屑在中、后期对于有效磷的增加几乎无作用，甚至低于“菌渣+蒙脱石粉”的功效.

总的来看，实验初期有效磷总体呈现出增长趋势，但从整个实验周期来看，B、F组最终有效磷含量甚至低于A组，而C组呈现出稳定缓缓上升趋势，由此说明“菌渣+蒙脱石粉”对于土壤中有效磷含量的增加有稳定且持续作用效果，而秸秆、木屑和牛粪组均出现有升有降且最终作用效果并不显著，故“菌渣+蒙脱石粉”(C组)对于土壤有效磷的改良效果最佳.

图6 不同配方处理的土壤有效磷含量变化Fig.6 Changes of available P content in soils treated with different formulas

2.5 土壤团聚体与土壤养分相关性分析

2.5.1 Pearson相关分析 将实验数据通过SPSS 22进行Pearson相关分析发现(表2)，有效磷含量与大团聚体(粒径>2 mm)比例呈现显著正相关(p<0.05)，即有效磷的含量随着土壤中大团聚体占比的增加而增加；碱解氮含量与有机质(粒径<2 mm)含量表现出显著正相关性(p<0.05)，说明有机质含量(粒径<2 mm)会影响土壤中碱解氮的含量；微团聚体(粒径<0.25 mm)比例与有机质含量呈现显著负相关(p<0.05)，即认为微团聚体不利于土壤中有机质的积累.

表2 Pearson相关性分析Tab.2 Pearsoncorrelation analysis

2.5.2 独立样本T检验 将各组整个周期平均数据组经SPSS22进行独立样本T检验(表3)，结果可知(p<0.05)：(1)F组处理较A组而言，碱解氮、团聚体、有机质(粒径<0.25 mm)具有显著差异，即认为F组处理有利于沙化土这三种性质的改良；F组相较于B、C组，仅有碱解氮具有显著差异；F组与D、E组相比，也是仅有碱解氮具有显著差异.(2)与A组相比，其余各组对其中一定性质都具有不同的改良效果，但全都对于有效磷的改良效果均不显著，这可能是因为处理时间过短，所以对其影响效果并不显著[16].

表3 独立样本T检验显著性结果Tab.3 Independent sample t test significance results

3 结论

(1)前期添加菌渣、蒙脱石粉后各组对于大团聚体的生成有一定作用，但在中后期数据显示，叠加牛粪、木屑、秸秆后对于大团聚体的生成出现反作用，整体来看“菌渣+蒙脱石粉”不仅能够促进大团聚体的生成，还具有持续性.

(2)对比分析B组、C组知“菌渣+蒙脱石粉”对有机质基本无作用效果，根据实验组数据得其余外源物质(秸秆、木屑和牛粪)对于有机质均有一定的促进作用，其中以E组(“牛粪+蒙脱石粉+菌渣”)效果最为显著.

(3)实验组对于碱解氮均具有改良效果，说明“菌渣+蒙脱石粉”能够有效的改善碱解氮生成，其中以D组改良效果最显著，则说明秸秆对于氮的改良有积极作用.

(4)实验初期大多数配方对于土壤有效磷具有一定改良效果，但中后期改良效果下降，“菌渣+蒙脱石粉”的组合不仅能够有效提高土壤中有效磷含量，并相较于其他配方更具有稳定性.

综上，“菌渣+蒙脱石粉”对于团聚体、碱解氮、有效磷均具有改良效果，是对于沙化土壤改良的最佳改良配方.同时论证了牛粪、秸秆分别对于有机质、碱解氮的改良效果，这不仅为农牧废弃物综合利用提供了一种新思路，同时为后续沙化土壤改良技术研究提供理论依据.