生物、物理措施协同作用下的盐碱地改良

生物、物理措施协同作用下的盐碱地改良摘要：盐碱地是一种潜在的土地资源，对其改良方法的探索一定程度上能有效促进盐碱地的开发利用，对于环境改善和经济发展具有重要应用价值。该研究以黄绵土为改良客土，以紫花苜蓿为改良生物，采用客土与生物改良协同的控制试验，通过量化生育期供试植被的叶面积指数(LAI)、株高,及其与供试土壤质地、氮、磷、钾等营养元素间的相关性，探讨盐碱地改良生物与物理措施协同的科学合理的配方。结果表明：在黄棉土与盐碱土的混合比例达到2:1及以上时，紫花苜蓿的出苗率与LAI有显著改善，但对苜蓿生育后期生长的影响不大。从营养元素的剖面分布看，黄绵土混合比例的增加能显著提高有效磷的表土聚集效应，同时有机肥的施加可能促进表土速效钾的显著增加，进而促进苜蓿生长。关键词：盐碱土;黄绵土；营养元素;苜蓿;ENVIStudyontheSynergisticEffectofBiologicalandPhysical

MeasuresontheSaline-alkaliSoilImprovementAbstract:Saline-alkalisoilisthepotentiallandresource.Tosomeextent,theexplorationoftheimprovementmethodcaneffectivelypromotethedevelopmentandtheutilizationofsaline-alkaliland,whichhasimportantapplicationvalue.Thedevelopmentandutilizationofalfalfahasimportantapplicationvalueforenvironmentalimprovementandeconomicdevelopment.Inthisstudy,Huangmiansoilwasusedastheimprovedguestsoil,andalfalfawasusedastheimprovedorganism,andthecontroltestofthesynergybetweenguestsoilandbiologicalimprovementwasconducted.Throughquantificationoftheleafareaindex(LAI),plantheight,anditsrelationshiptothesoiltexture,nitrogen,phosphorus,andpotassiumofthetestvegetationatthereproductivestage,thecorrelationsbetweennutrientswereinvestigatedtofindoutthescientificandrationalformulationsforthesynergyofbiologicalandphysicalmeasuresforsaline-alkalisoilimprovement.TheresultsshowthattheseedlingemergencerateofalfalfaandLAIweresignificantlyhigherwhenthemixratioofloamysoiltosalinesoilwas2:1andabove.Theeffectonthegrowthofalfalfainthelatereproductiveperiodwasnotsignificant.Fromthenutrientprofiledistribution,anincreaseintheproportionofloessialsoilmixsignificantlyincreasedthetopsoilaggregationeffectofeffectivephosphorus,whileorganicfertilizerandorganicmatterwerenotsignificantlyaffected.TheapplicationofENVImaypromoteasignificantincreaseintopsoilfast-actingpotassiumandthuspromotealfalfagrowth.Keywords:saline-alkalisoil;loessialsoil;nutrients;alfalfa;ENVI样品编号混合比土壤质地样品编号混合比土壤质地LAI株高/cm0.01〜2/呻2〜50/呻50~2000/呻T11:313.5865.8220.600.273.60T21:215.1864.587T31:116.2060.4323.380.203.27T42:119.9660.4919.560.875.97T53:122.5458.4319.030.535.73T65:124.3654.7820.870.606.27T7(CK1)黄绵土31.2043.5125.290.857.50T8(CK2)盐碱土13.1076.4210.480.043.00表1供试土壤特征性状及紫花苜蓿部分生育过程生理指标注：“混合比”为黄绵土与盐碱土的体积混合比例，“LAI”和“株高”为播种后第35天的测量结果。土壤盐渍化是世界土地资源管理和生态系统保护的一项重要议题叫。根据联合国科教文组织和粮农组织不完全统计，世界盐碱地面积近9.5亿hm2,其中我国约3600万hm2,占全国可利用土地面积达4.88%r3,o盐碱地作为一种重要的潜在土地资源「气对其开发利用和修复技术的探索具有现实的经济和社会价值，也是潜在保障土地资源和经济可持续发展的重要措施之一。根据已有研究，盐渍化发生主要是强烈土壤蒸发引起的盐分离子随水分沿土壤毛细管上移，土壤盐分离子或可溶性盐分在表层土壤的聚集，从而在土壤表层形成积盐，当其浓度达到一定程度时，就危害植物生长的土壤演化过程r5-6,o目前,国内外关于盐碱地改良的研究较多，主要包括基于生物措施的改良，如以豆科等耐盐作物为主的植被改良［7,，以耐盐菌增强作物的耐盐性［8,等。还有以物理措施调整土壤结构进行的改良，如深耕晒垡、微区改土、客土改良、秸秆覆盖、添加物理改良剂［9,等，以及基于化学改良剂的改良网等。对比已有方法发现,生物改良技术因投入成本低、环保等优点被认为是最有效的改良途径叫。其中基于植被的改良措施被认为不仅能够提高当地的生产力水平，而且可以促进植被一土壤的良性循环，但由于其见效慢，改良周期长，应用范围受限。物理改良利于工程操作见效快，成果显著,相对安全且容易推广，但其应用成本较高，改良效果的可持续性有待进一步验证和评估。而化学改良虽然见效快,但由于可能造成二次土壤污染,应用中具有较高风险,仍处在试验阶段。根据近期的研究成果，单一措施改良效果有限,多种措施协同并举是未来盐碱地改良探索的重要方向"'3,。其中，物理改良和生物改良相结合可以实现优势互补，具有良好的生态效益和社会经济效益叫。但是，关于物理和生物措施在改良盐碱土在何种配方协同之下效果最大化方面的探索未见报道,本研究的试验区选择在陕西省富平县,这里存在盐碱土（轻壤土）和黄绵土（中壤土）两种土壤，以紫花苜蓿为试种作物,对改良盐碱土属性进行测试，探索苜蓿与改良土壤营养元素之间的内在关系和相互作用，探讨生物和物理两种方法协同作用的综合性改良技术。1材料与方法1.1试验设计本试验的供试土壤为黄土性土（黄绵土）和砂性土（盐碱土），黄绵土来自陕西富平褚家塬地表0~30cm的土层,盐碱土来自横跨陕西蒲城、富平两县的卤泊滩地表0~30cm土层。采集土样经过自然风干、碾压后过2mm筛备用，按照设计比例混合均匀装桶（表1）o试验桶为高度30cm、体积215L的塑料桶，底部留有用于水分渗漏直径为2mm的小孔,为保证桶内土壤具有良好的水汽通路，从而模拟真实外界土壤环境,在桶底先用2层滤纸封底,再平铺厚3cm的沙层，最后加入试验土壤。试验共设置8个处理样本。其中6个混合处理样本中黄绵土与盐碱土的比例分别为1：3、1：2、1：1、2：1、3：1、5：1,2个对照处理样本为:纯黄绵土（CK1）与纯盐碱土（CK2）o每个处理样品3个重复，试验共计24个样品。为了提高苜蓿种子的萌发率，在播种前先用30龙的温水在恒温箱中浸泡12h催芽。播种时，每桶均匀撒入50颗种子，用小铲刀均匀翻动,确保种子埋入表土。为保证苜蓿在试验期正常生长的营养需求,在供试土壤表层混合经过消毒处理的定量羊粪（500g/桶）。试验在物联网自动控制下的温室内进行，白天温度设定为25~35龙，夜间温度控制为10~25龙。

1.2测量项目和分析测量万法试验主要测量指标包括：株高、LAI、分层土壤质地、全氮、有效磷和速效钾。生育期不同时刻的株高采用直尺测量,每桶选择3个代表其平均水平的株高，再求平均值。LAI的测定。首先在样品正上方固定高度（100cm）处拍照获取代表作物生长状态的影像;其次在ENVI软件中采用固定面积大小的面要素（掩膜）对影像进行裁剪，获的用于样品分析的影像，并将其输出为ENVI格式（.dat）,以备后期分析和统计;第三，采用ENVI中的最大似然法监督分类工具对影像中的苜蓿和其他地物进行分类；最后，对分类结果进行统计，计算LAI,处理过程见图1。试验土壤由上到下分为3层：0〜5。^（（第1层）,5~10cm（第2层），10〜20cm（第3层），取样时将每层土样混合均匀，再按照四分法取出足够的样品量,每个处理样品3个重复。土壤质地采用Mastersizer2000激光粒度分析仪测定，全氮采用半微量开氏法测定，速效磷采用0.5mol•L-1NaHCO3浸提法测定，土壤速效钾采用1mol・L-1NH4OAc浸提-火焰光度法测定［16］。获取影像 获取感兴趣区域格式转换感兴趣区选择定矩拍照Mask获取影像 获取感兴趣区域格式转换感兴趣区选择定矩拍照Mask裁剪另存为.dat选择ROI叶面积指数分类结果统计分析结果出图Maximumlikelihood监督分类ComputeROI通过Separability~分离度评估图1基于ENVI叶面积指数分类结果统计分析结果出图Maximumlikelihood监督分类ComputeROI通过Separability~分离度评估1.3数据处理与分析数据整理采用Excel2013办公软件，指标统计和分析采用SPSS19软件,LAI提取和分析采用ENVI5.3软件完成,相关制图采用OriginPro9.0实现。2结果与分析2.1紫花苜蓿的生理特征LAILAI不仅可以反映植被的生长状况，也是反映植被冠层结构变化的重要参数，是生态过程研究的关键参数。LAI数据在紫花苜蓿的分枝期（播种后到第35天，之所以在这个阶段测量LAI和株高，是因为当紫花苜蓿长大之后，样桶几乎被完全覆盖，各处理样品间的LAI差异不显著，无法提取有效的LAI）测量获取,此时的LAI也可代表了实验处理样品的苜蓿出苗率。统计分析发现分枝期不同处理样品间LAI和株高均表现出显著差异（图2）,当黄绵土与盐碱土的混合比例达到2：1及以上时，紫花苜蓿的LAI和株高表现出显著生长优势，紫花苜蓿发育状况与黄绵土（CK1）无显著差异。该结果意味着在基于黄绵土的盐碱土客土改良中,2：1的混合比例既可以显著提高紫花苜蓿在改良土壤中的出苗率和生长状况，同时也能最大限度地节约工程成本。—I—I I I i i i i i i i i i i i T_T1T2T3T4T5T6T7T8图2紫花苜蓿的LAI与株高之间的关系裁罪翼E#2.1.2株高405035305-分枝期、现蕾期-T8T1T2T3T4T5T6T7标准偏差30 60 90 120150 180210240天数图3紫花苜蓿生长过程的株高变化4350502211UICVWS紫花苜蓿株高作为反映苜蓿生长状况的一个重要指标，在整个生长季我们共测量了15次（图3）,对比各处理样品间的标准偏差发现，不同处理样品间随着生长季的延长,株高差异不断增大。生长季结束,所有处理样品的平均株高为26.2±4.1cm，CK1的株高为37cm,显著大于除T6外的其余处理样品,CK2株高为29.7cm,并未表现出显著差异，各处理样品中T4株高最小（成熟期株高为20cm）。统计结果表明，物理改良处理随着黄绵土混合比例的增加有一定的改善但差异不显著。根据紫花苜蓿的株高可以将生育期分为以下3个阶段:405035305-分枝期、现蕾期-T8T1T2T3T4T5T6T7标准偏差30 60 90 120150 180210240天数图3紫花苜蓿生长过程的株高变化4350502211UICVWS2.2营养元素的空间分布2.2.1全氮紫花苜蓿根系具备一定的固氮作用且能改善种植土壤的物理环境,提高后茬植物的质量和品质，是提高地力的重要备选植被［17-18］O图4中，苜蓿生长状况（株高）较好处理样品的表层氮含量显著高于其他处理样品,如黄绵土第一层全氮含量为0.91±0.03mg/kg,其余处理第一层全氮含量平均为0.6±0.07mg/kgo土壤全氮含量随着黄绵土混合比例的增加，呈增加趋势，但处理样品间差异不显著。不同土层间全氮随土壤深度的增加逐渐减小，其中,T1处理、T5处理、T6处理和CK1处理减小显著，其余不显著。总之，对比各处理全氮含量发现，改良处理间并没有显著差异。磷磷是植物体内许多重要化合物的组成元素，是作物生长必需的营养元素之一［19］，有效磷是土壤中可被植被吸收的磷总量。图4中各处理间磷含量差异显著，当黄绵土的混合比增加至1：1及以上时，有效磷的表聚现象表现显著，这可能是因为土壤黏粒含量和大量有机胶体吸附的增加提高了磷的含量,因此大量磷元素被吸附在表层，非表层的磷含量相对较低。钾钾是植物生长的主要限制元素［20］，速效钾包括被土壤胶体吸附的钾和土壤溶液中的钾。速效钾在土壤剖面的分布与其他两种元素不同，所有处理的表聚现象都非常显著，平均含量为43.4±9.8mg/kg，第2层（22.9±6.3mg/kg）和第3层（17.3±4.1mg/kg）含量接近。钾元素的表聚现象很可能主要来自表层有机肥，因为有机肥中富含钾元素，同时，钾元素又具备良好的吸附特征，故而形成该现象。图4中CK2的速效钾含量显著低于其他处理，表层含量仅23.1mg/kg,这可能是因为在砂质土壤中速效钾更容易被淋溶所致。速效钾的匮乏会限制土壤对植物的钾供给，钾元素的缺乏会影响植被的正常生长，这也是盐碱土不利于植被生长的原因之一［19］o2.3紫花苜蓿生理特征与环境因子分析在苜蓿的生育期,LAI、表层有效磷与株高、黏粒、粉砂粒均呈显著相关，与其他因子关系不明确（表2）oLAI与株高间存在极显著正相关。LAI、表层有效磷与黏粒呈显著正相关，与粉砂粒呈显著负相关，表明粘粒含量的增加有益于苜蓿的生长和表土的磷聚集，而粉砂粒含量的增加不利于苜蓿的生长和磷的吸附聚集。株高作为衡量苜蓿生长状况的另一指标，其与粘粒、粉砂粒含量之间的关系与LAI一致。土壤质地方面，砂粒与土壤各层速效钾之间存在极显著正相关，表明砂粒含量的增加会提高土壤中速效钾的含量和层间运移。3结果与结论ooooooooo87654321WWW昌T8T2T3T4粒粒砂粒粘粉砂T664200000(沙温IU)撮争T8T1T2T3(c)ooooooooo87654321(喜MSM层层层一一三第第第T8T2T3T4T5T6T7图4供试土壤质地与营养元素的剖面分布T3T4T5T6(d)T7r70ooooooooo87654321WWW昌T8T2T3T4粒粒砂粒粘粉砂T664200000(沙温IU)撮争T8T1T2T3(c)ooooooooo87654321(喜MSM层层层一一三第第第T8T2T3T4T5T6T7图4供试土壤质地与营养元素的剖面分布T3T4T5T6(d)T7r70层层层一一三第第第■LAI1234567LAI1234567891011121.株高0.94**2.黏粒0.83*0.95**3.粉砂粒0.79*0.855**-0.93**4砂粒0.520.480.57-0.84**5.第一层速效钾0.510.400.42-0.710.92**6.第二层速效钾0.320.240.33-0.610.84**0.90**7.第三层速效钾0.270.280.38-0.630.81*0.88**0.91**8.第一层全氮0.540.610.67-0.700.560.610.72*0.76*9.第二层全氮8-0.430.530.630.88**0.76*0.79*10.第三层全氮0.080.190.36-0.440.440.410.640.76*0.76*0.78*11.第一层有效磷0.670.85**0.89**-0.76*0.370.160.030.090.45-0.060.0912.第二层有效磷0.280.460.48-0.370.100.05-0.11-0.050.20-0.27-0.260.7013.第三层有效磷0.150.390.47-0.320.02-0.01-0.040.090.38-0.070.010.640.93**表2供试处理物理特性与紫花苜蓿生理指标、营养元素间的相关性注：**表示变量在P<0.01水平下显著相关性；*表示变量在P<0.05水平下显著相关性。氮磷钾的表聚效应在试验中表现非常显著，但各营养元素间的比例关系不尽相同。全氮含量在各处理间除了CK1以外并没有显著差异，这可能是因为我们的土样采集在苜蓿生育期的第90天，此时，土壤各层的氮含量还主要取决于试验前期的有机肥施入量，苜蓿根系的固氮作用还尚未体现出来，各处理间的差异主要反映不同土壤质地在灌溉过程中对氮的淋溶差异剖。在黄绵土的混合比例达到1:1及以上时,有效磷表现出极显著的表聚现象（图4），可能是因为随着土壤质地中黏粒含量的增加，有效态的磷酸离子更容易被土壤上层的大量有机胶体所聚集和吸附,同时，相比于粉砂粒含量较高的盐碱土，黄绵土比例高的土壤中，磷不易从土壤剖面上层因淋溶而下移，从而在土壤表层形成显著聚集［25商。前期土粪肥的施加，土壤中的腐殖质与难溶性磷反应，生成可溶性磷酸盐，进而增加了磷的有效性"。因此，当黄绵