施与不施脱硫废弃物对盐土和碱土上植物耐盐性的影响

施与不施脱硫废弃物对盐土和碱土上植物耐盐性的影响

盐碱热长期影响着植物的生长，是农业环境科学研究的热点和难点之一。目前,全球约25%的土地受盐渍化影响,我国盐渍化面积约为1亿hm2,约占全球盐碱地面积的10%[1uf02d3]。盐碱胁迫对植物生长造成严重伤害,主要表现为植物生长受阻、产量下降及死亡等,导致土地生产力下降,严重影响农业生产和粮食安全[3uf02d9]。国内外学者对盐碱地的改良利用做了大量研究工作,先后提出水盐调控及工程化学等改良措施,并取得显著成效[9uf02d12]。尤其“十一五”期间,清华大学、宁夏大学、宁夏农林科学院等单位联合攻关,遵循循环经济的“3R”原则,把燃煤电厂烟气脱硫装置衍生带来的脱硫废物应用到盐碱地改良研究中,取得显著成效,形成了一套以脱硫废弃物为核心的现代盐碱地改良技术。Chun等在沈阳市康平县的碱化土壤上施用脱硫石膏种植玉米的研究表明,脱硫石膏能够显著降低土壤pH、碱化度(ESP)和交换性Na+,从而提高作物出苗率和产量。王金满等利用盆栽试验研究了脱硫石膏对碱化土壤的改良效果,并在内蒙古长胜区进行了向日葵(HelianthusannuusL.)的大田试验,研究同样发现脱硫石膏可提高作物出苗率,降低土壤ESP和全盐含量等。但是脱硫废弃物本身就是一种盐分,过量施用可能会增加土壤盐分含量,抑制作物生长。近年来,利用耐盐植物种植的盐碱地生物改良利用技术逐渐被重视,张建锋研究发现在黄河三角洲盐碱地上栽植柽柳(TamarixchinensisLour.)后,土壤含盐量下降,物理性状改善,生态修复效果良好。赵芸晨等在河西走廊盐渍化土地上种植老芒麦(ElymussibiricusLinn)、扁穗冰草(AgropyroncristatumL.Gaertn)、碱茅[Puccinelliadistans(L.)Parl.]和紫花苜蓿(MedicagosativaL.)4种优质牧草,对盐渍化程度均有一定的改良效果。以生态经济的理论为基础,把现代盐碱地化学改良技术与生物改良技术结合起来,真正实现“寓改良于利用中,改良与利用并行”的目的,将是未来盐碱地改良的突破口之一。这就要求深入了解大量的耐盐植物生长、生理、生态和经济特性并进行综合评价,根据盐碱地的划分等级确定相应等级的耐盐植物,实现盐碱地的优化修复。但是传统的植物耐盐性都是由单一指标直接鉴定而得,显然不能适应现代改良技术的要求[3,6,18uf02d20]。因此,本试验结合以脱硫废弃物为核心的现代盐碱地改良技术,通过对不同耐盐植物在碱土和盐土上的生长发育特征、生物量和生理特性及土壤养分、盐分特征的研究,探讨不同耐盐植物的耐盐特性及其对脱硫废弃物改良盐碱地的响应,寻求合理的综合评价方法确定各耐盐植物的耐盐等级,为根据盐碱地的类型有针对性地进行耐盐植物的种植格局配置,优化生态修复模式提供理论依据。1材料和方法1.1不同盐碱土类型土壤的一般特征本研究于2008—2010年,分别选择宁夏西大滩前进农场二站七队(简称西大滩)和惠农区礼和乡永平村(简称惠农)2个试验点进行。2个试点均属宁夏银北灌区,区内年太阳辐射总量5711~6096MJ·muf02d2,年日照时数3067.2h,年平均气温8~9℃,≥10℃积温3200~3300℃,平均无霜期155~165d,年平均降水量180.5~277.0mm,多集中在7—9月,年蒸发量1756.8~2387.0mm。试验区90%以上的土地受盐碱胁迫的影响,盐碱荒地植被主要以柽柳、碱蓬(SuaedaglaucaBge.)和芨芨草(AchnatherumsplendensTrin.)等耐盐植物为主,西大滩和惠农分别代表碱土和弱碱性盐土2种盐碱土类型,其表层0~20cm土壤基本性质如下:西大滩碱土的pH7.99~9.41,全盐2.05~11g·kguf02d1,ESP25%~35%,有机质3.35~4.47g·kguf02d1,碱解氮36.7~91.9mg·kguf02d1,速效磷6.3~30.2mg·kguf02d1,速效钾134~230mg·kguf02d1。惠农弱碱性盐土的pH7.9~8.47,全盐5.71~10.7g·kguf02d1,ESP5%~18%,有机质5.48~7.6g·kguf02d1,碱解氮11.9~29.3mg·kguf02d1,速效磷3.5~6.2mg·kguf02d1,速效钾86.4~173mg·kguf02d1。1.2生长生物学特性2个试验点均采用裂区试验设计,以脱硫废弃物改良盐碱地为主处理,设施用脱硫废弃物(T)与未施用脱硫废弃物(CK)2个水平,施用脱硫废弃物在第1年试验前结合秋深耕进行,施用量依据肖国举等的方法计算所得,西大滩和惠农区施用量分别为15000kg·hmuf02d2和3000kg·hmuf02d2;不同类型耐盐植物为副处理,选用9种耐盐植物,分别为灌木类柽柳、枸杞(LyciumchinenseMill.)于2008年4月22日一次性移栽,株高60cm,株行距100cm×200cm;多年生禾本科牧草类苇状羊茅(Festucaarundinaceaschreb.)、披碱草(ElymusdahuricusTurcz.)于2008年4月20日一次性播种,采取条播形式,间距25cm,播种量为75kg·hmuf02d2,每年9月底刈割一次;一年生物质能源类植物甜高粱[Sorghumbicolor(L.)Moench]、高丹草[Sorghumvulgarepers.×Sorghumsudanense(Piper)Stapf.]每年4月播种,播种量30kg·hmuf02d2;一年生以地下部收获为主的饲用甜菜(BetavulgarisL.var.iuteaDc.)每年4月26日播种,株行距分别为60cm×40cm;大葱(AlliumfistulosumL.var.giganteumMakino)每年6月10日采用移栽方式种植,行距75cm;一年生经济作物油葵(HelianthusannuusL.)每年4月26日播种,株行距60cm×40cm。重复3次,每个小区面积50m2,区组间走道宽1m,小区间走道宽0.5m。其余施肥、灌水等田间管理一致,春季播种/返青期人工均匀撒施磷酸二铵(300kg·hmuf02d2)为底肥,施后用机械进行耙耱。生长期间追施尿素(150kg·hmuf02d2)。整个生长期灌水3次,分别在播种前、生长旺盛期和秋收后(冬灌),每次灌水量相同。1.3观测指标和方法1.3.1观察指标出苗/成活率测定出苗/成活率采用标准行法测定,即在每个小区选取1行标准行,确定其播种基数,然后在每年植物出苗期uf02d返青期(多年生植物)实地调查此标准行实际出苗数,依此计算出各植物的出苗/成活率。1.3.2土壤样品的测定分别在春季(5月份)和秋季(10月份)2个时期,采用“×”法采取0~20cm表层土壤样品,于室内自然阴干后过筛,采用常规农化方法测定全盐、有机质、速效钾、速效氮、速效磷含量和pH、碱化度(ESP)。1.3.3束缚水含量测定于每年8月份用打孔器分别从植株上、中、下部位采取生长一致的叶片组织300片,分别装入6个已知重量的干洁密闭称量瓶中,带回实验室采用烘干法测定植物总含水量,然后采用阿贝折射仪测定叶片的自由水(freewater)含量,按公式(1)计算各植物束缚水(boundwater)含量。具体方法见参考文献。1.3.4地上生物量测定于每年10月份收获期,除灌木类植物采用破坏性采样进行称重外,其余类型植物在田间直接采用地上收获的方法,通过称重测定各植物地上生物量鲜重。1.4耐盐评价方法的确定一般地,耐盐植物的耐盐性常用单一指标,如出苗率、成活率等指标来进行评价,随着生态经济理论的深入发展,这种单一指标的评价方法显然对于植物耐盐特性的了解具有一定局限性。因此本研究选择了不同类型耐盐植物的生长指标、生理指标、土壤指标和经济指标建立综合评价指标体系(图1),采用综合评价的方法确定耐盐指数。因本研究所选择的9种耐盐植物类型,不宜直接用具有量纲的一般化指标进行比较分析。为了便于综合评价不同耐盐植物的耐盐特性,引入各评价指标的无量纲相对量进行比较分析。具体指标体系及其计算方法如下:1前后土壤理化指标的变化式中,uf0b1Ci为土壤有机质、全盐和ESP种植前后的变化率,“+”表示增加率,“uf02d”表示下降率,Vi1为种植前土壤有机质、全盐和ESP的基础值,Vi2为种植后土壤有机质、全盐和ESP的测定值。2相对生长速率rgv的计算式中,H2、H1分别为T2、T1时间的植物生长高度。3ry相对于地上生物量ry式中,ue003i为某种植物各样本平均地上生物量鲜重,maxXi为某种植物样本中最大地上生物量鲜重。1.5确定评价单元式中,x为各指标值,m为耐盐植物数,n为指标数。2)指标同趋势性转化后,通过以下公式把矩阵X′归一化,转化成新的矩阵Z。式中,i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,n。4)计算指标值与最优值和最劣值的距离。式中:Diuf02b与Diuf02d分别表示各评价对象与最优方案及最劣方案的距离;向量元素Zjuf02b=maxuf028z1uf02bjz2uf02bjz3uf02bjuf04czuf02bmjuf029;5)计算耐盐指数,并进行综合评价。式中:Ci为耐盐指数。Ci值越大,方案越优。按接近度大小对各评价单元优劣进行排序并根据不同标准划分耐盐等级。本试验确定综合评价标准为:Ci≥0.7为强度耐盐,0.7>Ci≥0.4为较强度耐盐,0.4>Ci≥0.1为中度耐盐,Ci<0.1为弱度耐盐。2结果与分析2.1不同耐盐植物的生长发育特点2.1.1耐盐植物生长情况出苗率是表征植物耐盐能力的最基本特征,常被人们用来直接表示耐盐植物的耐盐性。从不同耐盐植物3年平均的出苗/成活率来看(图2),施用脱硫废弃物条件下耐盐植物出苗率在盐土和碱土上均高于对照,不同耐盐植物的出苗率提高幅度存在差异。在碱土上施用脱硫废弃物的各植物出苗率与对照之间差异比在盐土上显著,表明其在碱土上的改良效果优于盐土。2.1.2不同盐碱土类型及施用脱硫废弃物改良土壤对生长的影响本文采用无量纲的株高相对生长速率对不同类型耐盐植物在不同盐碱地类型上的生长特征进行比较。由表1可知,不同类型耐盐植物的相对生长速率存在很大差异,同时盐碱土类型及施用脱硫废弃物改良土壤对其也有显著影响。在碱土上,相比CK,脱硫废弃物处理披碱草、苇状羊茅、高丹草、甜高粱、大葱、饲用甜菜、油葵、枸杞、柽柳的相对生长速率分别提高3.9%、1.5%、3.9%、2.6%、41.9%、10.9%、16.2%、0.8%、109.1%。在盐土上分别提高77.8%、35.3%、6.3%、7.9%、23.3%、7.7%、30.3%、2.5%、9.6%。2.1.3油葵、枸杞、柳的生物量生物量是耐盐植物最直接的耐盐表现指标。同样地,本文引进无量纲的相对生物量来比较在不同类型盐碱土上不同耐盐植物的产量。由表2可以看出,在碱土上,披碱草、苇状羊茅、高丹草、甜高粱、大葱、饲用甜菜、油葵、枸杞、柽柳的3年平均相对生物量在T处理下相比CK分别增加58.93%、63.27%、18.92%、92.11%、59.02%、30.51%、51.11%、67.57%和35.56%。在盐土上,各耐盐植物的3年平均相对生物量在T处理下相比CK分别增加25.86%、22.86%、33.33%、28.79%、19.44%、26.56%、26.67%、70.59%和78.43%。在本试验期间(2008—2010年),不同盐碱地类型上T和CK两种处理下,各耐盐植物的生物量随着种植时间逐年增加,表现出各自相应的生物改良效应,不同耐盐植物的具体生物改良机理有待进一步深入研究。2.2盐土上的水/束缚水效果植物组织中的水分以自由水和束缚水2种状态存在,自由水与束缚水的比值可以作为衡量植物组织代谢活动及抗逆性强弱的重要指标之一。由表3可知,在碱土上,CK的自由水/束缚水表现为:高丹草<披碱草<甜高粱<枸杞<柽柳<苇状羊茅<大葱<饲用甜菜<油葵;T处理表现为:披碱草<高丹草<枸杞<柽柳<大葱<甜高粱<苇状羊茅<饲用甜菜<油葵。在盐土上,CK的自由水/束缚水表现为:红柳<油葵<高丹草<甜高粱<披碱草<枸杞<大葱<饲用甜菜<苇状羊茅;T处理表现为:红柳<枸杞<披碱草<大葱<油葵<甜高粱<饲用甜菜<高丹草<苇状羊茅。总体来讲,脱硫废弃物降低了耐盐植物的盐碱胁迫,增强了各耐盐植物的组织代谢活动,表现为自由水/束缚水的值高于CK,且在碱土上的改善效果较盐土显著。2.3不同耐盐植物对土壤特性的影响2.3.1不同类型的盐碱土主要耐盐植物,主要种植于不同的甜火线和乳粒过渡见表1由图3可知,2008—2010年试验期间,在碱土上,不同类型耐盐植物的土壤有机质含量在T和CK两种处理下随种植年限均呈增加趋势,种植枸杞的土壤有机质分别增加为125.1%和154.3%,柽柳204.5%和75.1%,大葱267.2%和165.4%,甜高粱276.1%和186.6%,高丹草234.3%和68.0%,饲用甜菜141.8%和89.6%,披碱草207.5%和48.7%,苇状羊茅148.7%和50.9%,油葵163.3%和131.6%。在盐土上,种植枸杞分别增加为8.47%和13.76%,柽柳6.09%和42.31%,大葱13.52%和11.86%,甜高粱22.29%和25.48%,高丹草47.10%和12.59%,饲用甜菜6.84%和10.83%,披碱草10.25%和34.70%,苇状羊茅57.50%和49.34%,油葵54.53%和10.25%。由此可知,与CK相比,碱土上T处理下各耐盐植物的土壤有机质变化幅度高于盐土,这与脱硫废弃物对不同类型盐碱土上的改良效果不同有关。碱土上土壤随种植年限增幅高于盐土的原因,主要是其试验前的土壤基础有机质含量较低所致。2.3.2种植枸杞土壤全盐t和ck对土壤盐分的吸收、运移是耐盐植物对盐碱土独特的生物改良作用,不同耐盐植物对土壤全盐含量的变化影响不同,这与耐盐植物各自的作用机理不同有关。由图4可知,在碱土和盐土上,虽然土壤全盐含量遵循“春来冬去”的返盐规律波动起伏,但是经过3年连续种植,各耐盐植物都表现出使土壤含盐量整体下降的趋势。试验期间(2008—2010年)在碱土上,各耐盐植物在T处理下土壤全盐含量随年限的下降率明显高于CK,在T和CK处理下,种植枸杞土壤全盐分别下降28.3%和14.7%,柽柳26.7%和22.7%,大葱27.4%和17.0%,甜高粱17.8%和12.6%,高丹草22.5%和13.8%,甜菜27.8%和22.7%,披碱草19.9%和6.8%,苇状羊茅37.9%和19.4%,油葵21.2%和10.4%。而在盐土上的作用效果不明显,有些耐盐植物更是表现出土壤全盐下降率低于CK。试验期间(2008—2010年)在T和CK处理下,种植枸杞土壤全盐分别下降了24.20%和44.63%,柽柳51.35%和24.63%,大葱34.15%和44.39%,甜高粱38.94和34.02%,高丹草44.35%和21.34%,甜菜51.35%和70.85%,披碱草54.55%和61.71%,苇状羊茅63.64%和61.51%,油葵16.46%和32.93%。这是由于盐土中没有足够的Na+与脱硫废弃物中的Ca2+发生交换反应及时淋洗脱盐,造成施用脱硫废弃物增加了土壤盐分的结果。2.3.3种植枸杞的土壤碱化度图5表明,土壤碱化度变化与全盐变化一致,随着种植年限的增加呈现波动下降趋势。同样地,不同耐盐植物对碱化度的降低作用在个体之间存在显著差异。在碱土上,T处理下土壤碱化度下降率明显高于CK,试验期间(2008—2010年),在T处理和CK下种植枸杞的土壤碱化度分别随年限下降51.26%和28.28%,柽柳68.88%和65.77%,大葱78.33%和61.12%,甜高粱68.37%和62.37%,高丹草65.40%和66.93%,饲用甜菜64.70%和54.74%,披碱草32.33%和56.70%,苇状羊茅17.81%和47.40%,油葵62.65%和63.12%。在盐土上,T和CK处理种植枸杞的土壤碱化度分别随年限下降了65.82%和47.60%,柽柳64.39%和55.55%,大葱56.25%和50.62%,甜高粱57.07%和49.25%,高丹草65.62%和57.19%,饲用甜菜65.28%和58.49%,披碱草64.05%和58.22%,苇状羊茅64.18%和55.89%,油葵60.70%和40.75%。2.4耐盐植物的种类表4表明,通过综合评价可知,脱硫废弃物通过对土壤的改良作用,提高了耐盐植物的耐盐性,一定程度扩展了耐盐植物在盐碱地上的种植临界范围。碱土与盐土相比,脱硫废弃物在碱土的作用效果优于盐土,但是,盐土对耐盐植物的胁迫危害明显低于碱土。在碱土上,从综合评价得出,CK条件下的强度耐盐植物有枸杞、柽柳2种,较强度耐盐植物有大葱、油葵2种,中度耐盐植物有苇状羊茅、披碱草、饲料甜菜、高丹草3种,弱度耐盐植物有甜高粱。T处理下强度耐盐植物有柽柳、枸杞、大葱、油葵4种,较强度耐盐植物有饲料甜菜、高丹草、甜高粱等3种,中度耐盐植物有苇状羊茅、披碱草等2种。在盐土上,从综合评价得出,CK条件下的强度耐盐植物有柽柳、枸杞2种,较强度耐盐植物有大葱、油葵、苇状羊茅3种,中度耐盐植物有高丹草、披碱草、饲料甜菜3种,弱度耐盐植物有甜高粱。T处理下强度耐盐植物有柽柳、枸杞、大葱、苇状羊茅、油葵5种,较强度耐盐植物有饲用甜菜、甜高粱2种,中度耐盐植物有、高丹草、披碱草2种。3生物量与盐碱地在国际上,有关石膏改良盐碱土已有上百年历史,其基本原理是石膏直接提供Ca2+、Mg2+与土壤胶体中的交换