施與不施脫硫廢棄物對鹽土和堿土上植物耐鹽性的影響

施與不施脫硫廢棄物對鹽土和堿土上植物耐鹽性的影響

鹽堿熱長期影響著植物的生長，是農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)研究的熱點和難點之一。目前,全球約25%的土地受鹽漬化影響,我國鹽漬化面積約為1億hm2,約占全球鹽堿地面積的10%[1uf02d3]。鹽堿脅迫對植物生長造成嚴(yán)重傷害,主要表現(xiàn)為植物生長受阻、產(chǎn)量下降及死亡等,導(dǎo)致土地生產(chǎn)力下降,嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全[3uf02d9]。國內(nèi)外學(xué)者對鹽堿地的改良利用做了大量研究工作,先后提出水鹽調(diào)控及工程化學(xué)等改良措施,并取得顯著成效[9uf02d12]。尤其“十一五”期間,清華大學(xué)、寧夏大學(xué)、寧夏農(nóng)林科學(xué)院等單位聯(lián)合攻關(guān),遵循循環(huán)經(jīng)濟的“3R”原則,把燃煤電廠煙氣脫硫裝置衍生帶來的脫硫廢物應(yīng)用到鹽堿地改良研究中,取得顯著成效,形成了一套以脫硫廢棄物為核心的現(xiàn)代鹽堿地改良技術(shù)。Chun等在沈陽市康平縣的堿化土壤上施用脫硫石膏種植玉米的研究表明,脫硫石膏能夠顯著降低土壤pH、堿化度(ESP)和交換性Na+,從而提高作物出苗率和產(chǎn)量。王金滿等利用盆栽試驗研究了脫硫石膏對堿化土壤的改良效果,并在內(nèi)蒙古長勝區(qū)進行了向日葵(HelianthusannuusL.)的大田試驗,研究同樣發(fā)現(xiàn)脫硫石膏可提高作物出苗率,降低土壤ESP和全鹽含量等。但是脫硫廢棄物本身就是一種鹽分,過量施用可能會增加土壤鹽分含量,抑制作物生長。近年來,利用耐鹽植物種植的鹽堿地生物改良利用技術(shù)逐漸被重視,張建鋒研究發(fā)現(xiàn)在黃河三角洲鹽堿地上栽植檉柳(TamarixchinensisLour.)后,土壤含鹽量下降,物理性狀改善,生態(tài)修復(fù)效果良好。趙蕓晨等在河西走廊鹽漬化土地上種植老芒麥(ElymussibiricusLinn)、扁穗冰草(AgropyroncristatumL.Gaertn)、堿茅[Puccinelliadistans(L.)Parl.]和紫花苜蓿(MedicagosativaL.)4種優(yōu)質(zhì)牧草,對鹽漬化程度均有一定的改良效果。以生態(tài)經(jīng)濟的理論為基礎(chǔ),把現(xiàn)代鹽堿地化學(xué)改良技術(shù)與生物改良技術(shù)結(jié)合起來,真正實現(xiàn)“寓改良于利用中,改良與利用并行”的目的,將是未來鹽堿地改良的突破口之一。這就要求深入了解大量的耐鹽植物生長、生理、生態(tài)和經(jīng)濟特性并進行綜合評價,根據(jù)鹽堿地的劃分等級確定相應(yīng)等級的耐鹽植物,實現(xiàn)鹽堿地的優(yōu)化修復(fù)。但是傳統(tǒng)的植物耐鹽性都是由單一指標(biāo)直接鑒定而得,顯然不能適應(yīng)現(xiàn)代改良技術(shù)的要求[3,6,18uf02d20]。因此,本試驗結(jié)合以脫硫廢棄物為核心的現(xiàn)代鹽堿地改良技術(shù),通過對不同耐鹽植物在堿土和鹽土上的生長發(fā)育特征、生物量和生理特性及土壤養(yǎng)分、鹽分特征的研究,探討不同耐鹽植物的耐鹽特性及其對脫硫廢棄物改良鹽堿地的響應(yīng),尋求合理的綜合評價方法確定各耐鹽植物的耐鹽等級,為根據(jù)鹽堿地的類型有針對性地進行耐鹽植物的種植格局配置,優(yōu)化生態(tài)修復(fù)模式提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1不同鹽堿土類型土壤的一般特征本研究于2008—2010年,分別選擇寧夏西大灘前進農(nóng)場二站七隊(簡稱西大灘)和惠農(nóng)區(qū)禮和鄉(xiāng)永平村(簡稱惠農(nóng))2個試驗點進行。2個試點均屬寧夏銀北灌區(qū),區(qū)內(nèi)年太陽輻射總量5711~6096MJ·muf02d2,年日照時數(shù)3067.2h,年平均氣溫8~9℃,≥10℃積溫3200~3300℃,平均無霜期155~165d,年平均降水量180.5~277.0mm,多集中在7—9月,年蒸發(fā)量1756.8~2387.0mm。試驗區(qū)90%以上的土地受鹽堿脅迫的影響,鹽堿荒地植被主要以檉柳、堿蓬(SuaedaglaucaBge.)和芨芨草(AchnatherumsplendensTrin.)等耐鹽植物為主,西大灘和惠農(nóng)分別代表堿土和弱堿性鹽土2種鹽堿土類型,其表層0~20cm土壤基本性質(zhì)如下:西大灘堿土的pH7.99~9.41,全鹽2.05~11g·kguf02d1,ESP25%~35%,有機質(zhì)3.35~4.47g·kguf02d1,堿解氮36.7~91.9mg·kguf02d1,速效磷6.3~30.2mg·kguf02d1,速效鉀134~230mg·kguf02d1。惠農(nóng)弱堿性鹽土的pH7.9~8.47,全鹽5.71~10.7g·kguf02d1,ESP5%~18%,有機質(zhì)5.48~7.6g·kguf02d1,堿解氮11.9~29.3mg·kguf02d1,速效磷3.5~6.2mg·kguf02d1,速效鉀86.4~173mg·kguf02d1。1.2生長生物學(xué)特性2個試驗點均采用裂區(qū)試驗設(shè)計,以脫硫廢棄物改良鹽堿地為主處理,設(shè)施用脫硫廢棄物(T)與未施用脫硫廢棄物(CK)2個水平,施用脫硫廢棄物在第1年試驗前結(jié)合秋深耕進行,施用量依據(jù)肖國舉等的方法計算所得,西大灘和惠農(nóng)區(qū)施用量分別為15000kg·hmuf02d2和3000kg·hmuf02d2;不同類型耐鹽植物為副處理,選用9種耐鹽植物,分別為灌木類檉柳、枸杞(LyciumchinenseMill.)于2008年4月22日一次性移栽,株高60cm,株行距100cm×200cm;多年生禾本科牧草類葦狀羊茅(Festucaarundinaceaschreb.)、披堿草(ElymusdahuricusTurcz.)于2008年4月20日一次性播種,采取條播形式,間距25cm,播種量為75kg·hmuf02d2,每年9月底刈割一次;一年生物質(zhì)能源類植物甜高粱[Sorghumbicolor(L.)Moench]、高丹草[Sorghumvulgarepers.×Sorghumsudanense(Piper)Stapf.]每年4月播種,播種量30kg·hmuf02d2;一年生以地下部收獲為主的飼用甜菜(BetavulgarisL.var.iuteaDc.)每年4月26日播種,株行距分別為60cm×40cm;大蔥(AlliumfistulosumL.var.giganteumMakino)每年6月10日采用移栽方式種植,行距75cm;一年生經(jīng)濟作物油葵(HelianthusannuusL.)每年4月26日播種,株行距60cm×40cm。重復(fù)3次,每個小區(qū)面積50m2,區(qū)組間走道寬1m,小區(qū)間走道寬0.5m。其余施肥、灌水等田間管理一致,春季播種/返青期人工均勻撒施磷酸二銨(300kg·hmuf02d2)為底肥,施后用機械進行耙耱。生長期間追施尿素(150kg·hmuf02d2)。整個生長期灌水3次,分別在播種前、生長旺盛期和秋收后(冬灌),每次灌水量相同。1.3觀測指標(biāo)和方法1.3.1觀察指標(biāo)出苗/成活率測定出苗/成活率采用標(biāo)準(zhǔn)行法測定,即在每個小區(qū)選取1行標(biāo)準(zhǔn)行,確定其播種基數(shù),然后在每年植物出苗期uf02d返青期(多年生植物)實地調(diào)查此標(biāo)準(zhǔn)行實際出苗數(shù),依此計算出各植物的出苗/成活率。1.3.2土壤樣品的測定分別在春季(5月份)和秋季(10月份)2個時期,采用“×”法采取0~20cm表層土壤樣品,于室內(nèi)自然陰干后過篩,采用常規(guī)農(nóng)化方法測定全鹽、有機質(zhì)、速效鉀、速效氮、速效磷含量和pH、堿化度(ESP)。1.3.3束縛水含量測定于每年8月份用打孔器分別從植株上、中、下部位采取生長一致的葉片組織300片,分別裝入6個已知重量的干潔密閉稱量瓶中,帶回實驗室采用烘干法測定植物總含水量,然后采用阿貝折射儀測定葉片的自由水(freewater)含量,按公式(1)計算各植物束縛水(boundwater)含量。具體方法見參考文獻。1.3.4地上生物量測定于每年10月份收獲期,除灌木類植物采用破壞性采樣進行稱重外,其余類型植物在田間直接采用地上收獲的方法,通過稱重測定各植物地上生物量鮮重。1.4耐鹽評價方法的確定一般地,耐鹽植物的耐鹽性常用單一指標(biāo),如出苗率、成活率等指標(biāo)來進行評價,隨著生態(tài)經(jīng)濟理論的深入發(fā)展,這種單一指標(biāo)的評價方法顯然對于植物耐鹽特性的了解具有一定局限性。因此本研究選擇了不同類型耐鹽植物的生長指標(biāo)、生理指標(biāo)、土壤指標(biāo)和經(jīng)濟指標(biāo)建立綜合評價指標(biāo)體系(圖1),采用綜合評價的方法確定耐鹽指數(shù)。因本研究所選擇的9種耐鹽植物類型,不宜直接用具有量綱的一般化指標(biāo)進行比較分析。為了便于綜合評價不同耐鹽植物的耐鹽特性,引入各評價指標(biāo)的無量綱相對量進行比較分析。具體指標(biāo)體系及其計算方法如下:1前后土壤理化指標(biāo)的變化式中,uf0b1Ci為土壤有機質(zhì)、全鹽和ESP種植前后的變化率,“+”表示增加率,“uf02d”表示下降率,Vi1為種植前土壤有機質(zhì)、全鹽和ESP的基礎(chǔ)值,Vi2為種植后土壤有機質(zhì)、全鹽和ESP的測定值。2相對生長速率rgv的計算式中,H2、H1分別為T2、T1時間的植物生長高度。3ry相對于地上生物量ry式中,ue003i為某種植物各樣本平均地上生物量鮮重,maxXi為某種植物樣本中最大地上生物量鮮重。1.5確定評價單元式中,x為各指標(biāo)值,m為耐鹽植物數(shù),n為指標(biāo)數(shù)。2)指標(biāo)同趨勢性轉(zhuǎn)化后,通過以下公式把矩陣X′歸一化,轉(zhuǎn)化成新的矩陣Z。式中,i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,n。4)計算指標(biāo)值與最優(yōu)值和最劣值的距離。式中:Diuf02b與Diuf02d分別表示各評價對象與最優(yōu)方案及最劣方案的距離;向量元素Zjuf02b=maxuf028z1uf02bjz2uf02bjz3uf02bjuf04czuf02bmjuf029;5)計算耐鹽指數(shù),并進行綜合評價。式中:Ci為耐鹽指數(shù)。Ci值越大,方案越優(yōu)。按接近度大小對各評價單元優(yōu)劣進行排序并根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)劃分耐鹽等級。本試驗確定綜合評價標(biāo)準(zhǔn)為:Ci≥0.7為強度耐鹽,0.7>Ci≥0.4為較強度耐鹽,0.4>Ci≥0.1為中度耐鹽,Ci<0.1為弱度耐鹽。2結(jié)果與分析2.1不同耐鹽植物的生長發(fā)育特點2.1.1耐鹽植物生長情況出苗率是表征植物耐鹽能力的最基本特征,常被人們用來直接表示耐鹽植物的耐鹽性。從不同耐鹽植物3年平均的出苗/成活率來看(圖2),施用脫硫廢棄物條件下耐鹽植物出苗率在鹽土和堿土上均高于對照,不同耐鹽植物的出苗率提高幅度存在差異。在堿土上施用脫硫廢棄物的各植物出苗率與對照之間差異比在鹽土上顯著,表明其在堿土上的改良效果優(yōu)于鹽土。2.1.2不同鹽堿土類型及施用脫硫廢棄物改良土壤對生長的影響本文采用無量綱的株高相對生長速率對不同類型耐鹽植物在不同鹽堿地類型上的生長特征進行比較。由表1可知,不同類型耐鹽植物的相對生長速率存在很大差異,同時鹽堿土類型及施用脫硫廢棄物改良土壤對其也有顯著影響。在堿土上,相比CK,脫硫廢棄物處理披堿草、葦狀羊茅、高丹草、甜高粱、大蔥、飼用甜菜、油葵、枸杞、檉柳的相對生長速率分別提高3.9%、1.5%、3.9%、2.6%、41.9%、10.9%、16.2%、0.8%、109.1%。在鹽土上分別提高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鹽植物最直接的耐鹽表現(xiàn)指標(biāo)。同樣地,本文引進無量綱的相對生物量來比較在不同類型鹽堿土上不同耐鹽植物的產(chǎn)量。由表2可以看出,在堿土上,披堿草、葦狀羊茅、高丹草、甜高粱、大蔥、飼用甜菜、油葵、枸杞、檉柳的3年平均相對生物量在T處理下相比CK分別增加58.93%、63.27%、18.92%、92.11%、59.02%、30.51%、51.11%、67.57%和35.56%。在鹽土上,各耐鹽植物的3年平均相對生物量在T處理下相比CK分別增加25.86%、22.86%、33.33%、28.79%、19.44%、26.56%、26.67%、70.59%和78.43%。在本試驗期間(2008—2010年),不同鹽堿地類型上T和CK兩種處理下,各耐鹽植物的生物量隨著種植時間逐年增加,表現(xiàn)出各自相應(yīng)的生物改良效應(yīng),不同耐鹽植物的具體生物改良機理有待進一步深入研究。2.2鹽土上的水/束縛水效果植物組織中的水分以自由水和束縛水2種狀態(tài)存在,自由水與束縛水的比值可以作為衡量植物組織代謝活動及抗逆性強弱的重要指標(biāo)之一。由表3可知,在堿土上,CK的自由水/束縛水表現(xiàn)為:高丹草<披堿草<甜高粱<枸杞<檉柳<葦狀羊茅<大蔥<飼用甜菜<油葵;T處理表現(xiàn)為:披堿草<高丹草<枸杞<檉柳<大蔥<甜高粱<葦狀羊茅<飼用甜菜<油葵。在鹽土上,CK的自由水/束縛水表現(xiàn)為:紅柳<油葵<高丹草<甜高粱<披堿草<枸杞<大蔥<飼用甜菜<葦狀羊茅;T處理表現(xiàn)為:紅柳<枸杞<披堿草<大蔥<油葵<甜高粱<飼用甜菜<高丹草<葦狀羊茅。總體來講,脫硫廢棄物降低了耐鹽植物的鹽堿脅迫,增強了各耐鹽植物的組織代謝活動,表現(xiàn)為自由水/束縛水的值高于CK,且在堿土上的改善效果較鹽土顯著。2.3不同耐鹽植物對土壤特性的影響2.3.1不同類型的鹽堿土主要耐鹽植物,主要種植于不同的甜火線和乳粒過渡見表1由圖3可知,2008—2010年試驗期間,在堿土上,不同類型耐鹽植物的土壤有機質(zhì)含量在T和CK兩種處理下隨種植年限均呈增加趨勢,種植枸杞的土壤有機質(zhì)分別增加為125.1%和154.3%,檉柳204.5%和75.1%,大蔥267.2%和165.4%,甜高粱276.1%和186.6%,高丹草234.3%和68.0%,飼用甜菜141.8%和89.6%,披堿草207.5%和48.7%,葦狀羊茅148.7%和50.9%,油葵163.3%和131.6%。在鹽土上,種植枸杞分別增加為8.47%和13.76%,檉柳6.09%和42.31%,大蔥13.52%和11.86%,甜高粱22.29%和25.48%,高丹草47.10%和12.59%,飼用甜菜6.84%和10.83%,披堿草10.25%和34.70%,葦狀羊茅57.50%和49.34%,油葵54.53%和10.25%。由此可知,與CK相比,堿土上T處理下各耐鹽植物的土壤有機質(zhì)變化幅度高于鹽土,這與脫硫廢棄物對不同類型鹽堿土上的改良效果不同有關(guān)。堿土上土壤隨種植年限增幅高于鹽土的原因,主要是其試驗前的土壤基礎(chǔ)有機質(zhì)含量較低所致。2.3.2種植枸杞土壤全鹽t和ck對土壤鹽分的吸收、運移是耐鹽植物對鹽堿土獨特的生物改良作用,不同耐鹽植物對土壤全鹽含量的變化影響不同,這與耐鹽植物各自的作用機理不同有關(guān)。由圖4可知,在堿土和鹽土上,雖然土壤全鹽含量遵循“春來冬去”的返鹽規(guī)律波動起伏,但是經(jīng)過3年連續(xù)種植,各耐鹽植物都表現(xiàn)出使土壤含鹽量整體下降的趨勢。試驗期間(2008—2010年)在堿土上,各耐鹽植物在T處理下土壤全鹽含量隨年限的下降率明顯高于CK,在T和CK處理下,種植枸杞土壤全鹽分別下降28.3%和14.7%,檉柳26.7%和22.7%,大蔥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%,披堿草19.9%和6.8%,葦狀羊茅37.9%和19.4%,油葵21.2%和10.4%。而在鹽土上的作用效果不明顯,有些耐鹽植物更是表現(xiàn)出土壤全鹽下降率低于CK。試驗期間(2008—2010年)在T和CK處理下,種植枸杞土壤全鹽分別下降了24.20%和44.63%,檉柳51.35%和24.63%,大蔥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%,披堿草54.55%和61.71%,葦狀羊茅63.64%和61.51%,油葵16.46%和32.93%。這是由于鹽土中沒有足夠的Na+與脫硫廢棄物中的Ca2+發(fā)生交換反應(yīng)及時淋洗脫鹽,造成施用脫硫廢棄物增加了土壤鹽分的結(jié)果。2.3.3種植枸杞的土壤堿化度圖5表明,土壤堿化度變化與全鹽變化一致,隨著種植年限的增加呈現(xiàn)波動下降趨勢。同樣地,不同耐鹽植物對堿化度的降低作用在個體之間存在顯著差異。在堿土上,T處理下土壤堿化度下降率明顯高于CK,試驗期間(2008—2010年),在T處理和CK下種植枸杞的土壤堿化度分別隨年限下降51.26%和28.28%,檉柳68.88%和65.77%,大蔥78.33%和61.12%,甜高粱68.37%和62.37%,高丹草65.40%和66.93%,飼用甜菜64.70%和54.74%,披堿草32.33%和56.70%,葦狀羊茅17.81%和47.40%,油葵62.65%和63.12%。在鹽土上,T和CK處理種植枸杞的土壤堿化度分別隨年限下降了65.82%和47.60%,檉柳64.39%和55.55%,大蔥56.25%和50.62%,甜高粱57.07%和49.25%,高丹草65.62%和57.19%,飼用甜菜65.28%和58.49%,披堿草64.05%和58.22%,葦狀羊茅64.18%和55.89%,油葵60.70%和40.75%。2.4耐鹽植物的種類表4表明,通過綜合評價可知,脫硫廢棄物通過對土壤的改良作用,提高了耐鹽植物的耐鹽性,一定程度擴展了耐鹽植物在鹽堿地上的種植臨界范圍。堿土與鹽土相比,脫硫廢棄物在堿土的作用效果優(yōu)于鹽土,但是,鹽土對耐鹽植物的脅迫危害明顯低于堿土。在堿土上,從綜合評價得出,CK條件下的強度耐鹽植物有枸杞、檉柳2種,較強度耐鹽植物有大蔥、油葵2種,中度耐鹽植物有葦狀羊茅、披堿草、飼料甜菜、高丹草3種,弱度耐鹽植物有甜高粱。T處理下強度耐鹽植物有檉柳、枸杞、大蔥、油葵4種,較強度耐鹽植物有飼料甜菜、高丹草、甜高粱等3種,中度耐鹽植物有葦狀羊茅、披堿草等2種。在鹽土上,從綜合評價得出,CK條件下的強度耐鹽植物有檉柳、枸杞2種,較強度耐鹽植物有大蔥、油葵、葦狀羊茅3種,中度耐鹽植物有高丹草、披堿草、飼料甜菜3種,弱度耐鹽植物有甜高粱。T處理下強度耐鹽植物有檉柳、枸杞、大蔥、葦狀羊茅、油葵5種,較強度耐鹽植物有飼用甜菜、甜高粱2種,中度耐鹽植物有、高丹草、披堿草2種。3生物量與鹽堿地在國際上,有關(guān)石膏改良鹽堿土已有上百年歷史,其基本原理是石膏直接提供Ca2+、Mg2+與土壤膠體中的交換