董 偉，杜學(xué)軍，王 棟，汪順義，馮浩杰，任雪芹，胡樹文

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100093)

我國鹽堿土地資源總額約為9 913萬hm2，占到耕地總面積的2/3左右[1]，這嚴(yán)重制約我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。松嫩平原位于我國東北部，土壤中鹽分組成以Na2CO3、NaHCO3為主，面積超過300萬hm2，是我國最大的蘇打型鹽堿土分布區(qū)[3-5]。改造治理及合理開發(fā)利用松嫩平原鹽堿土，是東北地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一，也對改善生態(tài)環(huán)境，推動區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[6]。

在具有便利水利條件的地區(qū)，當(dāng)?shù)囟嗖捎谩胺N稻改堿”的傳統(tǒng)改良方式，經(jīng)過灌水壓鹽和灌溉沖洗，3～4年后初步形成淡化耕層[7]，5年后，才能形成明顯淡化耕層，改良時(shí)間過于漫長[8]。反之，添加不同類型土壤改良劑成為有效且快速的改良措施。王文杰等[9]發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酸(PAA)與堿土混合在木醋液阻隔下，顯著減緩了鹽分離子向表層的運(yùn)輸，根系土壤pH值和鹽含量顯著下降。同時(shí)在施加鈣源石膏輔助下，鹽堿地的改良效果顯著提升[10]。王睿彤等[11]利用有機(jī)肥與保水劑等為原料制作的改良劑可顯著提高土壤酶活性，降低土壤pH值。以往化學(xué)改良劑雖見效快，但成本較高。針對松嫩平原水鹽運(yùn)動特征，結(jié)合蘇打型鹽漬土壤理化性質(zhì)，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)、成本較低的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合鹽堿土改良劑。

本文通過將土柱淋洗模擬實(shí)驗(yàn)和改良重度鹽堿地的田間試驗(yàn)方法相結(jié)合，探究新型土壤改良劑對蘇打型鹽堿地土壤養(yǎng)分、土壤理化特性和水稻產(chǎn)量的影響。試從土壤理化性狀及作物生長角度揭示新型改良劑對鹽堿土改良效果并明確該種新型改良劑田間使用的適宜用量，為鹽堿地的快速改良提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間試驗(yàn)于2015年6—9月在吉林省通榆縣八面鄉(xiāng)宏達(dá)村農(nóng)場(N45°03′，E123°37′)進(jìn)行，該地屬大陸性半濕潤半干旱季風(fēng)氣候，年降水量約450 mm，夏季平均最高氣溫為28℃，淺層地下水埋深平均約為2 m，礦化度平均為1.3 g·L-1。該地區(qū)土壤為典型草甸堿土，質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，基礎(chǔ)養(yǎng)分和鹽堿情況如下：pH 10.42，水溶性鹽總量9.21 g·kg-1，堿化度35.7%，有機(jī)質(zhì)7.04 g·kg-1，全氮0.52 g·kg-1，堿解氮151.70 mg·kg-1，有效磷35.60 mg·kg-1，速效鉀103.00 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試土壤改良劑為以硫磺、腐植酸等高分子有機(jī)物為載體，通過磺化、接枝共聚等化學(xué)改性技術(shù)合成的鈣鹽(其中硫磺17%，腐殖酸50%，含鈣物質(zhì)33%)。供試水稻品種為白稻8號。

田間試驗(yàn)：試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，分別為A0(對照，不加改良劑)、A1(改良劑5 t·hm-2)、A2(改良劑7.5 t·hm-2)、A3(改良劑15 t·hm-2)。各小區(qū)面積均為0.1 hm2，插秧密度為30 cm×13 cm，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次，每小區(qū)間隔1 m。施肥量和施肥方法同農(nóng)民常規(guī)施用。每處理小區(qū)均施用100 kg 13-18-14型復(fù)合肥做底肥；在返青期、分蘗期和穗期每小區(qū)均追施15 kg(NH4)2SO4。試驗(yàn)于2015年6月3日施用改良劑，開始灌水、泡田和排水，保持水層厚約5 cm，以3 d為周期，泡田2次；水稻生育期期間按照當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)灌排方式，始終保持水層厚4～6 cm，當(dāng)水體泛紅、出現(xiàn)漂浮泡沫時(shí)，立即換水。6月10日開始插秧，正常田間管理，9月29日收獲并考種計(jì)產(chǎn)。

土柱淋洗試驗(yàn)：試驗(yàn)選取田間試驗(yàn)0～40 cm耕層土壤。在PVC管(內(nèi)徑11 cm，高度50 cm)中進(jìn)行。各處理的改良劑用量分別為0、1.67、2.50、5.00 g·kg-1，依次記為A0、A1、A2、A3，重復(fù)3次。土壤過2 mm篩后，與改良劑混合均勻后按照自然狀態(tài)土壤容重(1.5 g·cm-3)裝填土柱，每次裝填5 cm，共填入40 cm。模擬試驗(yàn)采用間接淋洗法，每隔24 h淋洗1次，淋洗量為800 ml·次-1，淋洗5次之后測定土壤鹽堿指標(biāo)。

1.3 測定指標(biāo)與方法

土壤理化性質(zhì)：土柱淋洗試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分層取樣，每10 cm取一個(gè)土壤樣品。田間試驗(yàn)于2015年泡田前和秋季收獲后兩個(gè)時(shí)期采集土壤樣品，在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，按照“S”形路線設(shè)3個(gè)采樣分點(diǎn)采集表層(0～20 cm)混合土樣。將上述土壤樣品風(fēng)干，采用四分法取樣后，過2 mm和1 mm篩后用于理化性質(zhì)分析。其中土壤pH值采用電位法(土水比1∶2.5)；水溶性鹽總量采用殘?jiān)娓煞?；鈉離子的測定采用火焰光度法；有機(jī)質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀氧化—容量法(硫酸銀做掩蔽劑)；全氮的測定采用凱氏法；堿解氮的測定采用堿解擴(kuò)散法；速效鉀的測定采用醋酸銨浸提—火焰光度法；有效磷的測定采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法；水溶性交換性鈉的測定采用乙酸銨—?dú)溲趸@—火焰光度法；陽離子交換量的測定采用乙酸鈉—火焰光度法。

生物量與產(chǎn)量：收獲期每小區(qū)隨機(jī)選取5處，用1 m×1 m采樣器固定后，統(tǒng)計(jì)該樣方內(nèi)水稻株高，穗長、分蘗數(shù)等生長性狀，烘干后計(jì)算生物量。將每個(gè)小區(qū)完全收獲后計(jì)算產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003進(jìn)行處理，用SPSS(18.0) (SPSS Institute, Inc., Cary, NC, USA)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析, 方差分析比較處理間的效應(yīng)差異，LSD法比較平均數(shù)間的差異顯著性；試驗(yàn)結(jié)果采用origin 8.1作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土柱淋溶條件下不同改良劑對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

pH值是土壤重要的化學(xué)性質(zhì)，也是影響土壤肥力的主要因素之一。如圖1(a)所示，與A0處理相比，三個(gè)施用新型改良劑處理均顯著降低了0～40 cm土層pH值(P<0.05)，且隨改良劑用量增加，同一土層pH值呈降低趨勢。但同處理的不同土層間pH值變化差異不顯著。

淋洗結(jié)束后，比較各處理的水溶性鹽總量的變化圖1(b)。結(jié)果表明，與A0處理相比，添加改良劑后表層土壤(0～20 cm)水溶性鹽總量顯著降低(P<0.05)，同時(shí)，隨取樣深度的增加，水溶性鹽總量呈逐漸上升趨勢。對不同土層水溶性Na+圖1(c)變化特性分析，在土壤脫鹽過程中，土壤Na+含量變化也呈現(xiàn)相似的趨勢。這說明土壤表層中的水溶性鹽離子會隨著水的淋洗向下遷移，到達(dá)一定深度后累積。同時(shí)改良劑中的Ca2+與Na+發(fā)生置換，Na+形成中性鹽，而不會去水合形成氫氧化鈉[13]，同時(shí)被水淋失，進(jìn)而降低土壤pH值。

圖1 不同處理對土壤pH值(a)、水溶性鹽總量(b)和Na+(c)的影響

Fig.1 Effect of different treatments on soil pH(a), total salt(b), Na+(c)

2.2 不同改良劑用量對水田耕層土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

如表1所示，與A0處理相比，施用改良劑較對照可顯著降低耕層土壤pH值(P<0.05)，但各處理間pH值變化差異不顯著(P>0.05)。施用改良劑顯著降低了土壤堿化度(P<0.05)，從34.55%(A0)下降至18.20%(A3)，其中，A2與A3處理間差異不顯著。與A0處理相比，施用改良劑可顯著降低耕層土壤水溶性鹽總量(P<0.05)，其中A2處理降低幅度最大，為46.4%，A3處理次之，為43.6%，A1處理最小，僅為29.8%。

表1 不同改良劑用量對水田耕層土壤化學(xué)性質(zhì)的影響 Table 1 Effect of different treatments on soil chemical properties

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: different small letters meant significant difference among treatments atP<0.05 level; the same below.

如表2所示，與A0處理相比，施用改良劑處理降低了土壤有機(jī)質(zhì)含量(P<0.05)，其中，處理間表現(xiàn)為A20.05)。

2.3 不同改良劑用量對水稻生長狀況及產(chǎn)量性狀的影響

如表3所示，與A0處理相比，施用新型改良劑顯著提高了收獲期水稻株高、穗長和生物量，其中，A1、A2和A3處理株高分別提高18.2%、16.5%和33.6%(P<0.05)；穗長分別提高6.8%、12.6%和20.4%；生物量分別提高87.2%、133.3%和91.0%(P<0.05)?？梢姡┯酶牧紕┯欣谒旧L，其中A2處理下生長狀況最優(yōu)。

由表4可以看出，與A0處理相比，添加改良劑后土壤性質(zhì)得到改善，水稻空癟率顯著降低(P<0.05)，水稻的有效分蘗增加，穗粒數(shù)和千粒重顯著提高(P<0.05)，且各產(chǎn)量構(gòu)成因子均以A2處理最優(yōu)。施用改良劑后，水稻產(chǎn)量顯著提高，由增產(chǎn)幅度來看，A2處理最高，將近三倍(290.8%)，A3處理次之，為252.9%，A1處理最低，僅為189.2%。

表2 不同改良劑用量對水田耕層土壤養(yǎng)分的影響 Table 2 Effects of different treatments on soil nutrient contents

表3 不同處理對作物生長的影響 Table 3 Effects of different treatments on rice growth

3 討 論

長期以來，“種稻改堿”被認(rèn)為是一項(xiàng)促進(jìn)生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展的有利工程。本試驗(yàn)擬通過新型土壤改良劑的田間試驗(yàn)，探究其對鹽堿土改良的效果。

本試驗(yàn)所采用的新型改良劑中的硫磺成分能夠降低土壤pH值[12-14]。Ca2+能與堿性物質(zhì)反應(yīng)，代換出土壤中的Na+，提高Na+的淋洗效率，進(jìn)而降低耕層鹽分含量及堿化度。這與之前的研究[15-17]相吻合。改良劑中的腐殖酸成分易溶于堿，可與水中的金屬離子交換、吸附、螯合，有利于作物吸收營養(yǎng)元素，且硫磺中所含的硫元素在一定程度上能夠促進(jìn)作物的生長[18]；同時(shí)腐殖酸在分散體系中作為聚電解質(zhì)，可通過對土壤的凝聚、膠溶等作用，達(dá)到改善其結(jié)構(gòu)、增加孔隙度和降低鹽分的效果[19-21]；此外，腐殖酸能夠改善土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)酶活性，進(jìn)而促進(jìn)作物的生長發(fā)育。

表4 不同改良劑用量對水稻產(chǎn)量性狀和產(chǎn)量的影響 Table 4 Effects of different treatments on rice yield characters and yield

本試驗(yàn)中土壤有機(jī)質(zhì)含量的降低可能是因?yàn)槭┯酶牧紕┨幚淼耐寥劳杆约訌?qiáng)，較對照處理不易板結(jié)，使得土壤在后期田間干濕交替管理中暴露于更高溫度環(huán)境中，土壤微生物活性增加，從而使土壤有機(jī)質(zhì)分解速率增大[18]，同時(shí)這也可能與施用改良劑后土壤透水性增強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)易被淋失有關(guān)。這與本試驗(yàn)的改良原理相吻合。土壤中的有效磷含量受到土壤粘粒含量的影響，因?yàn)檎沉１砻鎸λ傩Я子形阶饔肹22]。經(jīng)改良后的土壤pH值降低，土壤磷素解吸，活性增強(qiáng)，利于植物吸收。此外，改良劑中的腐殖酸成分能夠提高肥效[23]，使得土壤表層集聚較多氮和鉀的速效成分。但是由于硝態(tài)氮易被淋溶，經(jīng)改良過的土壤孔隙比例有所變化，孔隙度提高，土壤透水性增強(qiáng)，部分氮素能夠經(jīng)水分淋洗向下移動。這也在一定程度上解釋了處理3中氮素含量較低的現(xiàn)象。

本研究證明施用新型土壤改良劑處理蘇打鹽堿土，可降低土壤耕層的pH值、水溶性鹽總量和堿化度，水稻株高分別提高18.2%～33.6%(P<0.05)；穗長分別提高6.8%～20.4%；生物量分別提高87.2%～133.3%。同時(shí)A2處理與對照處理相比，產(chǎn)量提高近三倍(290.8%)。施用改良劑后，土壤pH值、水溶性鹽總量和堿化度的降低，利于水稻對土壤中有效養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而增加生物量，最終提高水稻產(chǎn)量，取得可觀的改良效果。

由于本試驗(yàn)重點(diǎn)觀察和探索該新型改良劑的實(shí)際應(yīng)用效果，未能對其中Ca2+在田間的緩釋機(jī)理作針對性研究，今后將作進(jìn)一步探索，為此改良劑的田間應(yīng)用提供更為豐富的科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 論

1) 土柱淋洗試驗(yàn)表明，供試堿土中加入改良劑，可以降低土壤pH值，增加水溶性鹽總量和提高鈉離子的淋洗效率；比較分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，2.5 g·kg-1的改良劑用量能夠?qū)崿F(xiàn)土柱可溶性鹽分和鈉離子的最佳淋洗效果。

2) 通過田間試驗(yàn)示范，一次性施用此種土壤改良劑能夠?qū)崿F(xiàn)重度鹽堿地水田的快速改良。施用不同用量改良劑均能消除鹽堿危害，進(jìn)而改善土壤透水性，提高鹽分淋溶速率，使水溶性鹽總量顯著降低，土壤性質(zhì)得以改善，作物增產(chǎn)效果突出。結(jié)果表明：施用改良劑適宜田間用量為7.5 t·hm-2。

[1] 王遵親.中國鹽漬土[M].北京:科學(xué)出版社,1993.

[2] 牛東玲,王啟基.鹽堿地治理研究進(jìn)展[J].土壤通報(bào),2002,33(6):449-455.

[3] 徐 璐,王志春,趙長巍,等.東北地區(qū)鹽堿土及耕作改良研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2011,27(27):23-31.

[4] Chi C M, Zhao C W, Sun X J, et al. Reclamation of saline-sodic soil properties and improvement of rice (OrizasativaL.) growth and yield using desulfurized gypsum in the west of Songnen Plain, northeast China [J]. GEODERMA, 2012,187:24-30.

[5] 張 巍,馮玉杰.松嫩平原鹽堿土理化性質(zhì)與生態(tài)恢復(fù)[J].土壤學(xué)報(bào),2009,46(1):169-172.

[6] 李 彬,王志春,孫志高,等.中國鹽堿地資源與可持續(xù)利用研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2005,23(2):154-158.

[7] 周 薇,王鴻斌,樸海淑,等.蘇打鹽堿地水田的快速改良研究[J].吉林農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,40(5):53-57.

[8] 趙蘭坡,馮 君,王 宇,等.不同利用方式的蘇打鹽漬土剖面鹽分組成及分布特征[J].土壤學(xué)報(bào),2011,48(5):904-911.

[9] 王文杰,賀海升,祖元剛,等.施加改良劑對重度鹽堿地鹽堿動態(tài)及楊樹生長的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2009,29(5):2272-2278.

[10] 賀海升,王文杰,朱 虹,等.鹽堿地土壤改良劑施用對種子萌發(fā)和生長的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2008,28(11):5338-5346.

[11] 王睿彤,陸兆華,孫景寬,等.土壤改良劑對黃河三角洲濱海鹽堿土的改良效應(yīng)[J].水土保持學(xué)報(bào),2012,26(4):239-244.

[12] 趙曉進(jìn),李亞芳,買文選,等.ALA增強(qiáng)小麥抗鹽性及硫磺改良堿性鹽土的研究[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2008,17(6):303-308.

[13] 姚曉芹,馬文奇,楚建周.不同酸性物質(zhì)對石灰性土壤的酸化效果研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2006,14(4):68-71.

[14] 田霄鴻,南雄雄,趙曉進(jìn),等.施用硫磺和ALA對堿性鹽土上作物生長發(fā)育及土壤性質(zhì)的影響[J].生態(tài)環(huán)境,2008,17(6):2407-2412.

[15] 李煥珍,徐玉佩,楊偉奇,等.脫硫石膏改良強(qiáng)度蘇打鹽漬土效果的研究[J].生態(tài)學(xué)雜志,1999,18(1):25-29.

[16] 王立志,陳明昌,張 強(qiáng),等.脫硫石膏及改良鹽堿地效果研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2011,27(20):241-245．

[17] 崔 媛,張 強(qiáng),王 斌,等.脫硫石膏對重度蘇打鹽化土中主要離子淋洗的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2016,30(1):310-314.

[18] Barber R G. Soil degradation in the tropical lowlands of Santa-Cruz, Eastern Bolivia[J]. Land Degradation and Rehabilitation, 1995,6(2):95-107.

[19] 岳殷萍,李虹諭,張偉華.脫硫石膏與腐殖酸改良鹽堿土的效果研究[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2016,(14):85-89.

[20] 張繼舟,周連仁,馬獻(xiàn)發(fā).不同施肥處理對設(shè)施土壤鹽分的影響[J].國土與自然資源研究,2009,(3):35-36.

[21] 馬獻(xiàn)發(fā),張繼舟.不同物料組合對設(shè)施土壤鹽分及白菜產(chǎn)量的影響[J].腐植酸,2009,(6):21-24.

[22] 張洪麗.松嫩平原草甸土不同利用方式對土壤性態(tài)特征的影響[D].吉林:吉林農(nóng)業(yè)大學(xué),2006.

[23] 孫煥頃,蘇長青.腐植酸鉀對黃冠梨土壤肥力的影響[J].北方園藝,2009,(7):100-101.