蚯蚓肥复配土壤调理剂对盐碱地土壤性质及中科羊草生长的影响

艾 锋 ，张 生 ，李 强 ，陈占飞 ，张潇逸 ，赵 俞 ，张凯煜

（1.榆林学院 陕西省陕北矿区生态修复重点实验室，陕西 榆林 719000；2.榆林学院 榆林市固废资源化利用工程技术研究中心，陕西 榆林 719000；3.陕西未来能源化工有限公司，陕西 榆林 719000；4.榆林市农业科学研究院，陕西 榆林 719000）

盐碱地是指土壤中盐分超过植物耐受度而影响植物生长的一类土壤[1-2]。我国盐碱地面积9.15×107hm2，同时还有大量土壤处于次生盐碱化状态，预计到2040年约43%以上的耕地将受到盐碱化影响，盐碱地不仅是生态环境的敏感脆弱区，也限制了我国农业的可持续发展[3-5]。因此，盐碱地土壤资源的保护与利用显得尤为紧迫和重要。有研究表明，经盐碱化后的土壤，在地表形成一层板结物质，降低了土壤通气透水能力，导致土壤肥力以及有效养分含量的下降，同时盐胁迫也会影响土壤微生物和酶活性[6]。土壤盐碱化会降低植物水分利用率，抑制植物进行光合作用，引发渗透胁迫、离子毒害等原初效应，并影响植物体内正常生理生化过程，进而引起氧化胁迫、营养亏缺等次生胁迫，严重时可导致作物死亡[7]。因此，治理盐碱地对生态可持续发展具有重要意义[8]。

盐碱地施用土壤调理剂后，土壤保水保肥能力及增温效应得到显著提升，改善土壤理化性质的同时也提高了作物越冬返青能力[9-13]。蚯蚓肥是一种将有机物和微生物合理结合的高效有机肥，透水通气性好，具有良好的通风透水性及增肥效应[14]。姚澜等[15]研究发现，蚯蚓肥可有效激发植物生长潜能，提高作物产量。张玉凤等[16]及杜利霞等[17]研究认为，在盐碱土中施用土壤调理剂及蚯蚓肥可有效降低电导率及水溶性金属离子含量，提高盐碱土的养分有效性，促进植物生长。因此，蚯蚓肥复配土壤调理剂对土壤理化性质及植物生长改善和提升可能具有重要价值[18-21]。

中科羊草（Leymus chinensisZhongke）属于禾本科赖草属，研究表明，其具有较强的耐盐碱性，可在pH值8.5～11.5的盐碱地上生长，是非盐生植物中耐盐性较高的物种，是优质的牧草兼生态草[22]。因此，可通过大面积推广种植中科羊草来改良盐碱化土壤。

本研究以中科羊草为指示植物，通过榆林学院多源固废协同修复课题组自主研发土壤调理剂与蚯蚓肥进行不同比例复配，采用田间小区试验方法，探究蚯蚓肥复配土壤调理剂对盐碱土理化性质和中科羊草生长的影响，以期为蚯蚓肥复配土壤调理剂在盐碱地的示范推广提供理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于陕西省榆林市黄沙七墩村（经度109°32′52″E，纬度38°12′22″N），海拔1125 m，年平均温度10.1 ℃，年无霜期152 d，年降水量431.5 mm。试验地土壤为盐碱土，小区内土壤总盐分在1.2～2.8 g/kg，属于轻、中度盐碱地[23]。

1.2 试验材料

供试中科羊草种子购于当地某农业公司。蚯蚓肥购于榆林某肥料公司。土壤调理剂由榆林学院多源固废协同修复课题组自主研发。盐碱土、调理剂及蚯蚓肥基本特性如表1所示。

表1 盐碱土、调理剂及蚯蚓肥基本组成Tab.1 Basic composition of saline alkali soil， conditioner and earthworm fertilizer

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，设置4个施肥处理，分别为SA1.蚯蚓肥1.50 kg/m2，土壤调理剂3.00 kg/m2；SA2.蚯 蚓 肥2.25 kg/m2，土 壤 调 理 剂2.25 kg/m2；SA3.蚯蚓肥3.00 kg/m2，土壤调理剂1.50 kg/m2；CK为对照组，不施肥。所有肥料一次底肥施入。小区面积为3 m×3 m，每个处理设3个重复。将称量好的蚯蚓肥与土壤调理剂撒施在对应小区中，再将土壤翻松整平，耕作深度40 cm。中科羊草于5月播种，播种量为6.0 g/m2，采用条播方式，深度为1 cm，行距25 cm，铺设滴灌带浇水，8月5日除草，小区内不施加其他底肥。试验期间降水量和气温变化如图1所示。

图1 试验期降水量和气温变化Fig.1 Changes in rainfall and temperatureduring the test period

1.4 测定项目及方法

待中科羊草出苗后，每月10日观测植物生物学及盐碱土特性指标。土壤指标按照S型五点法采样，含水率利用烘干法测定，土壤容重采用环刀法（V环刀=100 cm3）测定，土壤pH利用电位计法测定，有机质采用硫酸-重铬酸钾外加热法测定，速效钾采用火焰光度法测定，有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法测定，水解氮采用碱解扩散法测定。每个小区按照五点法采样5株，利用卡尺测定中科羊草株高及叶面积，将采集到的中科羊草放入烘箱，杀青后烘干24 h至恒质量，获得生物量。

1.5 数据分析

试验采用Excel 2010进行统计绘图，采用SPSS 23.0进行方差分析、多重比较以及主成分分析。

2 结果与分析

2.1 蚯蚓肥复配土壤调理剂对盐碱地土壤物理性质的影响

2.1.1 土壤含水率 土壤含水率是体现土壤肥力的重要指标之一。从图2可以看出，在不同月份中，施用蚯蚓肥复配土壤调理剂对盐碱土含水率有一定提升，由于复配土壤调理剂有优良的保水性，因此，土壤含水率随着蚯蚓肥复配土壤调理剂的比例增加呈上升趋势。综合平均3次独立重复及各月份情况，与CK相比，SA1、SA2、SA3处理土壤含水率分别提升3.32%、12.96%和27.68%，其中，SA3处理土壤含水率提升最为明显，7、8、9、10月土壤含水率均显著高于对照，土壤含水率分别提升31.13%、20.79%、38.05%和24.46%。

图2 不同处理土壤含水率比较Fig.2 Comparison of soil moisture content under different treatments

2.1.2 土壤容重 不同处理下土壤容重变化如图3所示。

图3 不同处理下土壤容重变化Fig.3 Change of soil bulk density under different treatments

从图3可以看出，施用蚯蚓肥复配土壤调理剂后，盐碱地土壤容重得到一定程度的降低，有效提升了盐碱土通气透水性。综合平均3次独立重复及各月情况后可知，与CK相比，SA1、SA2、SA3处理土壤容重分别降低4.61%、3.31%、6.62%，其中，SA3处理土壤容重降低最为明显，在7、8、9、10月土壤容重分别降低5.96%、6.00%、0.65%和5.41%，在8、10月达到显著水平。9月SA1、SA2处理的土壤容重相较于对照反而增加，可能是因为采样点误差所致。

2.2 蚯蚓肥复配土壤调理剂对土壤化学性质的影响

2.2.1 土壤pH pH是盐碱土碱化程度的重要评价标准之一，对土壤微生物及养分均有影响[24]。从图4可以看出，综合平均3次独立重复及各月情况，与对照相比，施用蚯蚓肥复配土壤调理剂SA1、SA2和SA3处理的pH分别降低5.18%、8.15%和5.73%；与CK相比，7月SA1、SA2、SA3处理的pH分别降低1.53%、2.95%、5.69%，其中，SA3处理较CK显著降低；8月SA2处理的pH显著降低，SA1、SA2、SA3处理的pH较CK分别降低4.90%、11.94%、7.04%；9月与CK相比，SA1、SA2处理的pH分别降低1.77%和3.66%，SA3处理反而提升1.73%，可能是由于采样点的误差所造成；10月与CK相比，SA1、SA2、SA3处理的pH分别降低12.03%、13.28%、11.02%，SA1、SA2、SA3处理pH均得到显著降低，由此可见，在7、8、9、10月这4个月份中，相对于CK，蚯蚓肥复配土壤调理剂能有效降低盐碱土pH，SA2处理效果最为明显。

图4 不同处理下土壤pH变化Fig.4 Change of soil pH under different treatments

2.2.2 土壤有机质 有机质作为土壤的重要组成部分，是影响土壤的决定性因子[25]。从图5可以看出，由于蚯蚓肥和土壤调理剂中均含有大量有机质，不同处理下盐碱土有机质含量随着蚯蚓肥复配土壤调理剂的配比增加而提升。综合平均3次独立重复及各月情况，与对照相比，SA1、SA2和SA3处理均能显著提升有机质含量，其增幅在29.41%～69.02%，其中，SA3处理的有机质含量最高，相较于对照提高了69.02%。说明施加蚯蚓肥复配土壤调理剂对盐碱土有机质含量有显著提升作用。

图5 不同处理土壤有机质变化Fig.5 Soil organic matter changes under different treatments

2.2.3 土壤速效养分含量 土壤养分是土地生产力的根本[26]。由图6可知，施用蚯蚓肥复配土壤调理剂可有效提升盐碱土养分含量。综合平均3次独立重复及各月情况，与对照相比，SA1、SA2和SA3处理的速效钾含量分别提升63.64%、78.14%和92.64%，有效磷含量分别提升54.67%、105.95%和129.76%，水解氮含量分别提升84.84%、57.17%和28.39%。土壤速效养分总含量相较于CK均得到显著提升。可见，盐碱地施用蚯蚓肥复配土壤调理剂可显著提升土壤速效养分，且养分总量随着蚯蚓肥复配土壤调理剂的比例增加而提升。

图6 不同处理下土壤养分含量变化Fig.6 Changes in soil nutrient content under different treatments

2.3 蚯蚓肥复配土壤调理剂对中科羊草生物学特征的影响

2.3.1 株高 株高是植物生长状况的直观表现。由图7可知，中科羊草株高在7—8月增长最快。7月和10月相较于CK，中科羊草株高得到显著提升。综合不同月份与CK相比，SA1、SA2、SA3处理的株高分别提升5.51%、4.68%、10.69%，其中，SA3处理株高提升最快，在7、8、9、10月分别提升28.01%、12.58%、4.17%和4.66%。说明施加蚯蚓肥复配土壤调理剂可有效提升植物株高。

图7 不同处理中科羊草株高变化Fig.7 Changes of plant height of Leymus chinensisunder different treatments

2.3.2 生物量 由图8可知，综合平均3次独立重复及各月情况后与对照相比，SA1、SA2和SA3处理均能显著提升中科羊草生物量，其增幅在54.06%～141.69%，SA2处理的生物量最高，SA3处理次之，相较于对照分别提高了141.69%和140.07%，不同处理中科羊草生物量排序为：SA2>SA3>SA1>CK。其中，SA1、SA2和SA3处理地上生物量相较于对照分别增加了34.60%、161.59%和175.08%，地下生物量相较于对照分别增加了92.77%、112.85%和97.59%。说明施加蚯蚓肥复配土壤调理剂可显著提升中科羊草的生物量。

图8 不同处理中科羊草地上/地下生物量变化Fig.8 Changes of aboveground / underground biomass of Leymus chinensis under different treatments

2.3.3 叶面积 由图9可知，综合平均3次独立重复及各月情况后与对照相比，SA1、SA2和SA3处理均能显著提升中科羊草叶面积，其中，SA3处理的叶面积提升最为显著，相较于对照提高了96.53%，不同处理中科羊草叶面积排序为：SA3>SA2>SA1>CK。说明蚯蚓肥复配土壤调理剂可有效提升中科羊草叶面积，且随着土壤调理剂复配比例增加而不断提升。

图9 不同处理中科羊草叶面积变化Fig.9 Changes of leaf area of Leymus chinensis under different treatments

2.4 建立综合评价体系

由以上可知，本研究所设置的不同处理对盐碱地土壤理化性质以及中科羊草生长均有影响，但某一个指标却无法说明该处理的综合改良效果。因此，利用主成分分析以及加权计算，建立综合评价体系，通过各处理得分情况得出最优配比。

2.4.1 改良效果评价指标相关性分析 表2为选取的10个评价指标的相关性分析，其中，有2个土壤物理指标（含水率（X1）、容重（X2）），5个土壤化学指标（酸碱度（X3）、有机质（X4）、速效钾（X5）、有效磷（X6）、水解氮（X7）），3个植物生长指标（株高（X8）、生物量（X9）、叶面积（X10））。从表2可以看出，10个改良效果评价指标具有一定的相关性，因此，可对其进行主成分分析。

表2 各指标相关系数矩阵Tab.2 Correlation coefficient matrix of each index

2.4.2 各成分的特征根与方差贡献率 各主成分的特征根和贡献率如表3所示。

表3 各主成分的特征根和贡献率Tab.3 Characteristic roots and cumulative contribution rates of each principal component

从表3可以看出，主成分P1、P2特征根分别为8.14、1.30，贡献率分别为81.84%和13.03%，累计贡献率达到了94.43%，大于85%，因此，可代表10个指标的大部分信息。

2.4.3 特征向量及主成分表达式 所选的10个初始指标对应2个主成分P1、P2的相关系数如表4所示。由表4可知，叶面积、有机质、有效磷以及速效钾在P1上数值较高，代表植物生长状况和土壤养分状况，含水率、酸碱度在P2上数值较高，代表了土壤的理化性质。P1和P2主成分与初始指标的关系函数表达式如公式（1）（2）所示，其中，各项指标系数为特征向量除以特征根的开方值。

表4 主成分的特征向量Tab.4 Characteristic vectors of principal components

2.4.4 改良效果综合评价 主成分加权求和可得到综合评价方程。各项指标的数据标准化处理后，将主成分P1、P2代入综合评价方程，得出各处理的综合得分。

不同处理的得分依次为SA3>SA2>SA1>CK，可以看出施用蚯蚓肥复配土壤调理剂后，处理得分均高于CK，且随着蚯蚓肥复配土壤调理剂配比的增大呈现提升趋势，对照组及蚯蚓肥复配土壤调理剂配比为1∶2、1∶1和2∶1处理的综合得分分别为-3.20、-0.26、0.77和2.70。

3 结论与讨论

工农业固废经蚯蚓消化后产生的蚯蚓肥，拥有较好的物质结构、丰富的有机质和养分，可极大促进作物的生理生化活动[27]。近年来，学者们针对蚯蚓肥保水增温效应进行了大量有益的探索。吴军虎等[28]研究表明，蚯蚓肥可有效提升土壤孔隙度，增强土壤团聚体抗水蚀稳定性，改善盐碱土物质性状。李彦霈等[29]研究发现，蚯蚓肥的合理利用可有效增强土壤保水能力。此外，蚯蚓肥在番茄、草莓及小白菜等栽培中已有广泛应用且效果显著，但针对盐碱地施用蚯蚓肥复配土壤调理剂后土壤性质变化及植物生长特征响应方面的研究报道较少。更重要的是，本试验拟通过设置不同比例蚯蚓肥复配土壤调理剂，探究其对盐碱土理化性质的改良以及对中科羊草生态学指标的影响，旨在集成一种煤基固废与蚯蚓肥生态利用的技术工艺。因为土壤调理剂是煤基固废改性制备而成，其在高温激冷的工艺过程中拥有了丰富的比表面积，加之营养、结构功能改造后有助于植物的生长。例如，在本试验中，施用蚯蚓肥复配土壤调理剂后，盐碱地物理结构、化学养分含量及中科羊草生物学特性都得到极大的提高或改善，这一发现与黄赛花等[30]的研究结果相似。

在本试验中，施用蚯蚓肥复配土壤调理剂后，盐碱土容重随着蚯蚓肥复配土壤调理剂比例增加有降低趋势，但部分月份未达到统计学显著性水平，可能与调理剂施用量有关，有待进一步研究。

施用蚯蚓肥复配土壤调理剂可有效改善盐碱土物理及化学性质，与对照相比，施用蚯蚓肥复配土壤调理剂处理的土壤含水率均得到显著提升，容重和pH得到降低，有机质和速效养分得到显著提升，中科羊草株高、生物量和叶面积均得到显著提升，其中，SA3处理综合改良效果最佳，主成分综合得分为2.70。综上，施用蚯蚓肥复配土壤调理剂可以作为一种改良盐碱地及促进中科羊草生长的有效措施。