1.1研究区概况

内蒙古河套灌区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市,引黄灌溉面积76.93万hm2 ,是我国三个特大型灌区之一。本研究试验地位于内蒙古河套平原腹地五原县境内,地理坐标范围为40*46*-41°16'N , 107935'70"-108*37*50"E , 其土壤盐渍化类型为硫酸盐氯化物型。属于中温带大陆性气候,常年受西风环流的影响,年平均温度为9.24℃ ,年均日照时间3176.41 h ,年均降雨量177.66 mm,雨水主要集中在7、8月,光照充足,干燥多风,降雨量少,无霜期短。试验地土壤本底状况见表1。

1.2试验材料

内蒙古阿尔格生命科学有限公司提供3种”多株蓝藻和绿藻活性细胞光合营养复合体”液体肥,肥料主要成分和性状如表2。

1.3试验设计

选取地势平坦、形状整齐、地力水平均匀的地块布设随机区组试验,每个小区面积为280m2 ( 4mx70m)。田间试验分别设置3种微藻肥( A、B、C )的单因素试验,且每种微藻肥设置三个施用量( 15 L/hm2、30 L/hm2、45 L/hm2),分别记作A1、 A2、 A3, B1、B2、B3 , C1、C2、C3 ,以不施加微藻肥作为对照(CK) ,试验共10个处理,每个处理3个重复,共计30个试验小区。试验地种植玉米,在播种前,完成整地并均匀施加底肥后,随漫灌水施入微藻肥,且整个试验期仅施用一次微藻肥,整个作物生长期内不再施加其他肥料。除微藻肥种类和施用量为可变闼素外,各处理底肥施加、播种规格、田间管理等措施一致。

1.4样品采集与指标观测

样品采集。2024年6月25日,在每个试验小区内按"S" 形布点法布设土壤采样点,在每个采样点上开挖土壤剖面,用环刀分别采集20-30cm、10-20cm和0-10 cm土层土壤样品,用于测定土壤容重、孔隙度,另取相应土层样品装入自封袋,带回实验室进行阴干、除杂等预处理后用于土壤化学性状指标测试分析。

指标测试分析。土壤容重、孔隙度采用烘干法测定; pH值采用电位法测定;有机质含量采用重铬酸钾氧化外加热法测定;全氮含量采用半微开氏法测定;全磷含量采用NaOH熔融-钼锑抗比色法法测定;全钾含量采用NaOH熔融火焰光度法测定;碱解氮含量采用碱解扩散法测定;有效磷含量采用钼锑抗比色法测定;速效钾含量采用火焰光度法测定;含盐量采用质量法进行测定。

1.5数据处理与分析

采用Excel 2021进行数据处理、整合、图形绘制,用IBM SPSS Statistics 27.0进行单因素方差分析和皮尔逊相关性分析。

2.1不同微藻肥及用量对土壤物理特性的影响

2.1.1施用微藻肥对盐渍化土壤容重的影响

如图1 ,施用微藻肥降低了土壤容重,不同微藻肥处理的土壤容重在1.52- 1.66 g/cm3范围内。同一处理不同土层之间,土壤容重随土层深度加深呈增大趋势。在同一微藻肥处理下,土壤容重随施用量的增加均呈现出先降低后升高的趋势,具体表现为:在0-10 cm土层中, A2处理较CK下降3.73% , B2处理土壤容重显著低于CK且较CK下降5.94% , C2处理较CK下降5.23%。在10-20 cm土层中, A2处理较CK下降2.05% , B2处较CK下降6.21% , C2处理较CK下降4.3%。在20-30 cm土层中, A2处理较CK下降3.62% , B2处理较CK下降4.22% , C2处理较CK下降2.61%。

图1 土壤容重变化特征

2.1.2施用微藻肥对盐渍化土壤孔隙度的影响

如图2 ,施用微藻肥提升了土壤孔隙度,不同微藻肥处理的土壤孔隙度在35.65%-41.94%之间,同一处理不同土层间,土壤孔隙度随土层加深呈减小趋势。相同微藻肥不同施用量下,土壤孔隙度随施用量的增加呈现出先增大后减小的趋势。其中0-10cm土层具有显著差异,具体而言A2处理较CK处理士壤孔隙度增加10% , B2处理使土壤孔隙度增加了9.76% , C2处理较CK增加了8.58%。在10-20cm士层中A、B、 C三种肥均呈现出随施用量的增加,土壤孔隙度呈现先增大后减小的趋势。而在20-30 cm士层中A呈现出随微藻肥施用量的增加土壤孔隙度呈现出持续下降的趋势,但均高于CK处理。

图2 土壤孔隙度变化特征

2.2不同微藻肥及施用水平对土壤化学性质影响

2.2.1施用微藻肥对盐渍化土壤pH的影响

如图3 ,施用微藻肥降低了土壤pH ,不同微藻肥处理的土壤pH在8.45-8.77之间。同一处理不同土层间,土壤pH值随着土层深度的增加呈上升的趋势。这表明表土壤层的土壤pH值相对较低,或者微藻肥的影响在较深层土壤中减弱。在相同土层深度下,微藻肥A、B随着施用量的增加呈现出先下降后升高的趋势,表明施用水平在30 L/hm2时对盐渍化土壤pH改善效果达到峰值; C肥随着施用量的增加呈现出持续下降的趋势,施用量在45 L/hm2时达到峰值。

图3 土壤pH变化特征

2.2.2施用微藻肥对盐渍化土壤有机质的影响

如图4 ,施用微藻肥增加了土壤有机质,有机质含量在10.1-19.4 g/kg之间,从士层深度总体来看,在0-10 cm的土层深度,有机质含量普遍较高,随着土层深度的增加,有机质含量呈现下降趋势。从同一土层来看,在0-10 cm土层中,微藻肥A随着施用量的增加，土壤中的有机质含量呈现持续升高变化。微藻肥B和C在士壤中施用时,随着施用量的增加,土壤中的有机质含量呈现出先升高后降低的变化。A3处理较CK提升 了30.93% , B2处理较CK提升了21.58% , C2处理较CK提升了34.09% ( P<0.05)。在10-20 cm土层中,微藻肥A随着施用量的增加,土壤中的有机质含量表现为先减后增的趋势,并且在施肥量达到45 L/hm2时达到峰值。在20-30 cm土层中,微藻肥A随着施用量的增加,土壤中的有机质含量表现为先增后减的趋势。而微藻肥B和C在10-20 cm和20-30 cm土层表现得趋势和土壤表层趋势相同,在施肥量达到30 L/hm2时达到峰值

图4 土壤有机质变化特征

2.2.3施用微藻肥对盐渍化土壤氮素的影响

如图5 ,施用微藻肥增加了土壤的全氮含量,试验地土壤的全氮含量在0.26-0.55 g/kg之间,在0-10 cm土层,全氮含量较高,随着土层深度的增加，氫含量呈现下降趋势。在0-10 cm土层,微藻肥A和C处理随着施用量的增加，土壤氮含量呈现出持续上升的趋势,微藻肥B处理随着施用量的增加,土壤全氮含量呈现出先升高后降低的趋势, A3处理使土壤全氮增加了41.47% , B2处理增加了23.9% , C3处理增加了15.62% ,与CK相比各处理差异较CK达到显著性水平(P<0.05 )。在10-20 cm和20-30 cm土层,三种微藻肥随施用量的变化趋势与土壤表层一致。

图5 土壤全氮变化特征

如图6 ,施加微藻肥显著增加了0-30cm土层:土壤的碱解氮的含量( P<0.05 ) , 土壤碱解氮含量在10.97 -68.6 mg/kg之间。在0-10 cm土层中,土壤中碱解氮含量随微藻肥的施用量增加呈现上升的趋势,在施肥量为45 L/hm2时对土壤碱解氮提升效果较好。在10-20 cm士层中,土壤碱解氮含量随微藻肥的施用量增加均呈现先升高后降低上升的趋势,在施肥量为30 L/hm2时对土壤碱解氮提升效果较好。在20-30 cm土层中,微藻肥A和C的变化趋势与10-20 cm土层相同,而微藻肥B则随施用量的增加呈现出缓慢下降的趋势。

图6 土壤碱解氮变化特征

2.2.4施用微藻肥对盐渍化土壤磷索的影响

如图7 ,施用微藻肥增加了土壤全磷含量,试验地土壤的全磷含量在0.35-0.67 g/kg之间,在0-10 cm土层,全磷含量较高,随着土层深度的增加,全磷含量呈现下降趋势。不同微藻肥种类对全磷含量具体表现:在0-10 cm土层,微藻肥A和B的全磷含量相对较高，而藻肥C较低。在10-20 cm土层,微藻肥A的全磷含量相对较高,微藻肥B和C相对较低。在20-30 cm土层,三种微藻肥的全磷含差异不明显。同一微藻肥不同施肥量方面,在0-10 cm土层,微藻肥A处理随着施用量的增加,全磷含量呈现出持续上升的趋势,其中A3处理较CK增加了38.93% ;微藻肥B和C处理随着施用量的增加,全磷含量呈现出先升高后降低的趋势,其中B2处理较CK增加了35.24% ( P<0.05) ;在10-20 cm土层,三种微藻肥变化趋势与表层一致;在20-30 cm土层,三种微藻肥随着施用量增加,全磷含量均呈现出先增加后降低的趋势。

图7 土壤全磷变化特征

如图8 ,施加微藻肥增加了0-30cm土层土壤的速效磷的含量( P<0.05 ) , 土壤速效磷含在11.01 -45.87 mg/kg之间。在0-10 cm土层,微藻肥A和C随施用量的增加，土壤速效磷含量呈现出先降低后升高的趋势,微藻肥B则呈现出先升高后降低的趋势。在10-20cm和20-30 cm士层,土壤速效磷含量在部分施用量出现下降趋势,但均高于CK ,这可能与微藻肥中磷素的释放速率和植物对磷素的吸收利用有关。

图8 土壤速效磷变化特征

2.2.5施用微藻肥对盐渍化土壤钾素的影响

如图9 ,施用微藻肥增加了土壤全钾含量,试验地土壤的全钾含量在9.68-15.93 g/kg之间,在0-10 cm土层,全钾含量较高,随着土层深度的增加，全钾含量呈现下降趋势。不同微藻肥种类对全钾含具体表现:在0-10 cm土层,微藻肥A和B的全钾含量相对较高,而藻肥C较低。在10-20 cm和20-30 cm土层,微藻肥A的全钾含量相对较高,微藻肥B和C相对较低。同一微藻肥不同施肥仿面，在0-10 cm土层,微藻肥A、B的处理随着施用量的增加,钾含量呈现出先增加后减少的趋势,其中A2处理较CK增加了48.33%( P<0.05) , B2处理较CK增加了29.98% (P<0.05) ;在10-20 cm土层,三种微藻肥随施用量增加其变化趋势与表层一 致;在20-30cm土层,微藻肥A全钾含量在施肥量为30L/hm2时达到峰值,微藻肥B和微藻肥C随施用 量增加士壤中全钾含量均呈现出先降低后增加的趋势,且均高于CK处理。

图9 土壤全钾变化特征

如图10 ,施加微藻肥增加了0-30cm土层土壤的速效钾含量( P<0.05).土壤中速效钾含 量在50.26-95.5mg/kg之间。在0-10 cm和20-30 cm土层,三种微藻肥随着施用量的增加,速效钾含量呈先升高后降低的趋势,其中在施用量为30 L/hm2时对提高速效钾含量最显著。在10-20 cm土层,微藻肥A随着施用量增加,速效钾含量升高趋势。说明通过施加微藻肥,能够显著提升土壤中速效钾含量,在提供农作物所需要的钾素同时提高士壤肥力。

图10 土壤速效钾变化特征

2.2.6施用微藻肥对盐渍化土壤含盐量的影响

如图11 , 与未施用微藻肥处理相比,施用微藻肥处理显著降低了土壤含盐量( P<0.05)。随着土层深度加深,各处理含盐量整体呈现下降的趋势。在0-10 cm土层,微藻肥A随着施用量的增加,含盐量逐渐降低,且在施用量为45 L/hm2时较其他处理水平差异显著(P<0.05) ; 微藻肥B、C随着施用量的增加,含盐量呈现出降低后升高的趋势,在施用量为30L/hm2时出现最小值。在10-20 cm、20-30 cm土层的趋势与0-10 cm土层一致。

图11 土壤含盐量变化特征

2.2.7施用微藻肥对盐渍化土壤氮磷钾有效性的影响

速效养分与全效养分的比值升高,说明土壤中速效养分的相对含量增加,在一定程度上能够衡量元素有效性。如表3 ,施加三种微藻肥均提升了0-30cm土层土壤的氮素有效性,且随着施用量的增加，微藻肥A和C处理的土 壤氮素有效性呈现出先升高后降低的趋势,其中A2处理较CK提升了37.75% , C2处理较CK提升了34.68% ;微藻肥B处理的土壤氮素有效性呈现出持续上升的趋势,其中B3处理较CK提升了79.52%。

表3 土壤速效养分与全效养分比值

施加三种微藻肥均提升了0-30cm土层土壤的磷素有效性,且随着施用量的增加,微藻肥A处理的土壤磷素有效性呈现出先降低后升高的趋势,中A3处理有效性较高,较CK提升了35.21% ;微藻肥B处理的土壤磷素有效性呈现出先升高后降低的趋势;微藻肥C处理的土壤磷素有效性呈现出持续升高的趋势。施加三种微藻肥对0-30 cm土层:土壤钾素有效性的影响不如对氮素、磷素有效性的影响规律明显,仅有A1、B3、 C2三个处理的土壤速效钾:与全钾比值高于CK ,处理均低于CK。

2.3土壤质量综合评价

表4为土壤各指标的相关系数,表5为评价指标相关系数的平均值和权重系数。通过计算得出不同施肥处理的土壤综合质量指数如表6。

表4 土壤各指标的相关性分析

表5 评价指标的相关系数平均值和权重系数

表6 土壤综合质量指数

通过表6可知,不同施肥处理的土壤质量综合指数变幅为0.2680-0.481 1 ,反映了不同施肥处理对河套灌区盐渍化土壤的改良效果。土壤质量综合指数由高至低依次为: A2> A3> B2>C2>C3>B3>A1>B1>C1>CK.从三种微藻肥以及三种施用量来看A2表现效果最好,对于微藻肥A的三种施用量的土壤质量指数排名为A2>A3>A1 ;微藻肥B的三种施用量的土壤质量指数排名为B2>B3>B1 ;微藻肥C的三种施用量的土壤质量指数排名为C2>C3>C1。综给来看,微藻肥A对河套灌区 盐渍化土壤的改良效果更好,并且最佳的施肥为30 L/hm2。

3.1讨论

3.1.1微藻肥对土壤物理特性的影响

土壤容重和孔隙度是评估土壤物理属性的关键参数,其数值能较好地反映土壤质地与土壤的通透性。盐渍化土壤存在容重大、孔隙度小、板结严重、通气不良等问题[24] ,从而阻碍植物对水分、养分的吸收和根系呼吸,降低肥效。罗光宏研究表明,与空白对照相比,施用微藻肥能够降低土壤容重,提高土壤孔隙度。这与本研究结果一致,本研究结果表明,在0-30cm土层中,与CK相比,不同的微藻肥及用量均能使土壤容重下降,提高土壤的孔隙度,可能原因有:第一,微藻在 土壤中生长繁殖增加了土壤有机质从而提高土壤孔隙度,降低了土壤容重;第二,微藻在土壤中生长繁殖， 改变 了土壤性状,为微生物生存创造了条件,微生物在土壤中活动和繁殖，提高 了土壤的疏松度和孔隙度,降低了土壤容重;第三,活性微藻细胞在自身生命代谢活动中产生大量的次生代谢产物,这些代谢产物促使士壤微粒相互黏结,改善土壤结构,从而提升土壤的孔隙度,降低土壤容重。

3.1.2微藻肥对土壤化学特性的影响

土壤pH是衡量土壤酸碱性的重要指标,对土壤的微生物环境和养分的有效性有重要影响。边建文等2研究表明,小球藻可以通过自身的光合作用吸收一氧化碳,从而调节土壤pH值。蔺方春等28]通过对盐碱土施用微藻肥的试验,结果表明施用微藻肥能显著降低土壤pH值。这与本试验的结果相吻合。这可能是由于微藻在生长过程中会分泌一些酸性代谢产物,从而降低土壤pH值。磷素在较低的土壤pH环境下有效性更高,而微藻肥具有降低土壤pH值的作用,因此能够显著提升磷素的有效性。

土壤有机质含量作为评估土壤肥力的重要参数之一,在 土壤学研究中至关重要。研究发现,三种微藻肥在不同施肥水平下对土壤有机质含量的影响存在显著差异。有机质含量随着土层深度的增加呈现出逐渐降低的趋势。反映了有机质在表层土壤更为富集,而随着土层深度的增加，有机质的含量逐渐减少,这与张恩的研究结果一致。 但在深层土壤中效果有限,这可能是微藻通过光合作用将二氧化碳(CO2 )转化为有机物,在深层土壤微藻利用的光能较少,进而转化有机物较少,限制了有机物质的输入和积累。

刘淑芳通过田间试验研究三种微藻液体肥对土壤理化性状的影响,结果表明施用微藻液体肥的土壤速效钾、速效磷、碱解氮含量明显增加。唐东等B32通过接种土壤微藻进行培养,发现土壤微藻能矿化有机磷,增加土壤的速效磷含量和改善供磷状况。大量研究表明,土壤中的蓝藻有固氮作用,在土壤中接种固氮蓝藻后可显著提高土壤氮含量。本研究也表明施用微藻肥后土壤氮素、磷素、钾素的含量较CK有不同程度增加,这是因为微藻本身含有丰富的氮、磷、钾等大量元素,进而提高土壤的养分水平。特别是微藻的固氮能力,能够显著提升土壤氮素含量。此外,微藻肥的缓释作用能够增强土壤中氮素、磷素、钾素的有效性,减少养分流失。本研究中,大部分施用微藻肥处理的土壤速效钾与全钾比值低于对照,这可能是由于种的玉米在生长过程中吸收了大量的游离态钾素,导致土壤中速效钾含量减少。微藻生长过程中会分泌多糖类的生物活性物质,这些物质能提高土壤过氧化物酶、脲酶、蔗糖酶和磷酸酶的活性, 这些酶的活性提升有助于土壤中氮素、磷素的转化,从而提高氮素和磷素的有效性。

本研究还表明,施用微藻肥后:土壤的含盐量较CK呈现下降的趋势,这可能是由于微藻能够分泌胞外聚合物(EPS) , 通过EPS与Ca2+、Mg2+结合,在一定程度上将其从可溶性状态转化为非可溶性状态,从而降低了可溶性盐的含量。微藻本身具有调节渗透压的能力和Na +/ H+和Na+/ H+- K+反向载体系统,通过改变土壤中的离子组成,降低土壤溶液中的Na+浓度,可能会降低土壤盐分含量。

活性微藻在土壤中繁殖生长,改善了土壤通气透水性、持水保水性,降低了土壤pH值和水溶性盐含量,这些结果都有利于使土壤微生物、土壤酶维持较高的活性,从而使土壤物理、化学和生物学性状得到综合改良。另外,微藻活性细胞生物肥作为生态友好型的土壤肥料,活性微藻在土壤中繁殖生长,通过固氮、固碳和分泌生长剌激素等途径为作物提供营养,提高作物对养分的吸收能力,可有效降低农业生产对化学肥料的依赖,进而降低农业生产对环境的负面影响,有助于实现农业生产与生态环境的协调。

3.2结论

( 1 )施用三种微藻肥均能降低河套灌区盐渍化土壤容重、pH值和可溶性盐含量,提高土壤孔隙度和有机质、氮素、磷素和钾素含量,提高土壤氮素、磷素的有效性。随施肥量升高,土壤容重呈先降低后升高的总体变化趋势,土壤孔隙度呈先升高后降低的总体变化趋势。

( 2 )施用不同微藻肥对土壤理化性状指标的影响规律存在差异,对不同土层土壤理化性状的影响也存在差异。总体来看, 对0-10cm土层的影响最为明显,随土层渐深影响渐弱。

(3 )施用三种微藻肥均能提升河套灌区盐渍化土壤质量综合指数。三种微藻肥均在30 L/hm2的施用量下土壤质量综合指数最高,但不同微藻肥对河套灌区盐渍化土壤改良的效果存在差异,施用30 L/hm2的微藻肥A表现最佳,其土壤质量综合指数达到0.4811 ,与CK相比提升了0.213 1。