杜雅仙, 黃菊瑩, 康揚(yáng)眉, 馬凱博, 余海龍, 張俊華

(1.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 寧夏 銀川 750021; 2.寧夏大學(xué) 環(huán)境工程研究院, 寧夏 銀川 750021)

鹽堿地的高效利用對(duì)中國(guó)耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提升，耕地?cái)?shù)量的增加，國(guó)家糧食安全的保障，1.20×108hm2耕地紅線的堅(jiān)守，具有重要意義[1]。中國(guó)的鹽堿地資源量多且分布廣泛。據(jù)全國(guó)第二次土壤普查數(shù)據(jù)，中國(guó)鹽漬土總面積約3.60×107hm2,占全國(guó)可利用土地面積的4.88%[2]，主要分布在西北、華北、東北和沿海地區(qū)。隨著中國(guó)人口數(shù)量的不斷增長(zhǎng)以及在推進(jìn)城市化進(jìn)程中人均耕地面積的減少，作為重要的土地資源之一的鹽堿地，其改良與利用對(duì)確保中國(guó)耕地“紅線”不被突破及實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[3]。銀北灌區(qū)由于長(zhǎng)期的引黃灌溉，灌溉定額大，灌溉水的利用效率低，致使地下水位升高，引起明顯的土壤次生鹽漬化現(xiàn)象[4]。銀北灌區(qū)有1.533×106hm2鹽堿荒地，屬于典型的宜墾荒地[5]。銀北灌區(qū)土壤的pH值與堿化度較高，質(zhì)地粘重，土壤肥力較低。這些區(qū)域多為低產(chǎn)田或撂荒地，雖然土壤理化性狀不良，但地勢(shì)平坦，土層深厚，具有開發(fā)利用的潛力。對(duì)其進(jìn)行改良、開發(fā)和利用，可緩解人口與土地間的矛盾，對(duì)保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、改善生態(tài)環(huán)境，推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

近年來，利用燃煤煙氣脫硫廢棄物作為鹽堿地土壤改良劑已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。大量研究表明，施用脫硫石膏改良鹽堿地可以在一定程度上提高土壤養(yǎng)分、降低土壤pH和堿化度、改善土壤結(jié)構(gòu)，從而使作物出苗率和產(chǎn)量提高，但由于各地土壤、地下水、氣候和生態(tài)環(huán)境等主要影響因素不同，改良劑的改良效果差距很大[6-13]。利用脫硫石膏改良?jí)A化土壤，雖然可以消除或減輕交換性Na+對(duì)作物的危害，但對(duì)堿化土壤“粘、板、瘦”等理化特性導(dǎo)致的作物生長(zhǎng)不良問題無明顯改善[14]。當(dāng)下，堿化土壤改良劑種類多樣，而組成物料的差異性同樣較大，一旦用量不夠，便會(huì)減弱改良的效用，乃至沒有任何效用，過多的用量，會(huì)增加成本，導(dǎo)致虛耗；一些改良劑甚至?xí)廴就寥?，?/p>

此，生產(chǎn)成本較低、效用較高的環(huán)保改良劑十分關(guān)鍵。所以，根據(jù)不同的成因選擇合適的改良措施，并結(jié)合綜合的治理方式改良鹽堿地，才會(huì)取得較好的改良效果。

因此，針對(duì)河套灌區(qū)典型鹽堿地土壤特性，研究適合該地區(qū)水稻的高效、安全、低成本的功能性結(jié)構(gòu)改良劑，是提高該地區(qū)鹽堿地改良效果的迫切需求。基于已有研究中脫硫石膏改良鹽堿地的顯著效果，本研究擬研制以脫硫石膏為主體的鹽堿土改良劑。為探明鹽堿地改良劑改良龜裂堿土的應(yīng)用效果，本研究于2016年設(shè)置了脫硫石膏與不同劑量結(jié)構(gòu)改良劑配合施用對(duì)鹽堿地種植水稻效果的田間試驗(yàn)，以探明改良劑對(duì)水稻成活率、生長(zhǎng)、生物產(chǎn)量及土壤理化性狀的影響，旨在篩選出最適宜銀北灌區(qū)鹽堿地水稻生長(zhǎng)的土壤結(jié)構(gòu)改良劑施用量，同時(shí)也為中國(guó)同類型地區(qū)鹽堿地的改良應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

試驗(yàn)地位于寧夏銀北西大灘，地處賀蘭山東麓洪積扇的邊緣，地理坐標(biāo)為114°24′E,35°01′N，屬于干旱的暖溫帶季風(fēng)氣候，年均氣溫13.9 ℃，多年平均降雨量為205 mm，年蒸發(fā)量1 875 mm。地下水埋深約1.50 m，地下水主要含氯化物和硫酸鹽。境內(nèi)分布有典型的龜裂堿土(俗稱白僵土)。土壤堿化度約為15.00%～60.00%，pH值約為8.00～10.40，全鹽約為2.50‰～6.50‰。土壤鹽分分布有明顯的表聚性，鹽分類型主要有NaCl，Na2SO4，Na2CO3，土壤質(zhì)地粘重，透水性較差[15]。

1.2 試驗(yàn)材料

供試作物為水稻。

脫硫石膏由寧夏馬蓮臺(tái)電廠提供，其pH值為7.95，容重為1.03 g/cm3，含11.10%的結(jié)晶水，其化學(xué)成分含量見表1[16]。

表1 馬蓮臺(tái)電廠脫硫石膏的化學(xué)成分

結(jié)構(gòu)改良劑由生化黃腐酸、硝酸銨鈣、微生物菌劑按10∶3∶7的比例配制而成。這些物質(zhì)可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤養(yǎng)分，促進(jìn)種子萌發(fā)[17-18]。

1.3 研究設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理(如表2)，4次重復(fù)(共20個(gè)小區(qū))，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)面積8 m×8 m。根據(jù)處理要求先劃定小區(qū)，小區(qū)之間打埂，高30 cm，寬50 cm。種植前結(jié)合整地將脫硫石膏與有機(jī)肥一次性人工均勻施于地表，深翻15—20 cm，保證與土壤充分混勻。再施入所需結(jié)構(gòu)改良劑、有機(jī)肥和化肥，深翻混合均勻，然后灌水進(jìn)行水稻移栽。每個(gè)處理除改良劑施用量不同外，其他管理方式均一致。基肥施用量：有機(jī)肥(30 t/hm2)和無機(jī)肥(含N34%的尿素450 kg/hm2，含P2O512%的過磷酸鈣690 kg/hm2，含K2O 50%的硫酸鉀50 kg/hm2)。在苗期追施45 kg/hm2尿素，在分蘗期追施90 kg/hm2尿素，尿素在孕穗期追施45 kg/hm2。

表2 試驗(yàn)地脫硫石膏和結(jié)構(gòu)改良劑施用量

注：T1為空白處理； T2為單施22.5 t/hm2脫硫石膏; T3為22.5 t/hm2脫硫石膏和150 kg/hm2土壤結(jié)構(gòu)改良劑配合施用; T4為22.5 t/hm2脫硫石膏和270 kg/hm2土壤結(jié)構(gòu)改良劑配合施用; T5為22.5 t/hm2脫硫石膏和375 kg/hm2土壤結(jié)構(gòu)改良劑配合施用。下同。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 土壤指標(biāo)的測(cè)定 于2016年4月中旬和10月上旬在每個(gè)小區(qū)不同深度采集土壤樣品，每個(gè)小區(qū)采集3個(gè)土樣混勻，風(fēng)干后過篩進(jìn)行土壤指標(biāo)的測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P、堿解N、速效P、速效K參考鮑士旦的《土壤農(nóng)化分析》[19]。酸度計(jì)法測(cè)定pH值、殘?jiān)娓煞y(cè)定全鹽、環(huán)刀法測(cè)定容重、濕篩法測(cè)定水穩(wěn)性團(tuán)聚體。

1.4.2 植物指標(biāo)的測(cè)定 分別于2016年6月上旬、7月下旬和10月上旬對(duì)水稻試驗(yàn)地進(jìn)行了水稻成活率、株高和產(chǎn)量的調(diào)查。

1.5 數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)分析和圖表繪制在Excel 2007和SPSS 13.0數(shù)據(jù)分析軟件中完成。采用one-way ANOVA進(jìn)行單因素方差分析，采用最小顯著性差異法(LSD)進(jìn)行多重比較。數(shù)據(jù)點(diǎn)為平均值±SE(n=4)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響

分別于2016年6月上旬、7月下旬和10月上旬對(duì)2016年水稻試驗(yàn)地進(jìn)行了水稻成活率、株高和畝產(chǎn)量的調(diào)查(圖1)。結(jié)果顯示，脫硫石膏及其與結(jié)構(gòu)改良劑的配合施用下，水稻的成活率、株高和產(chǎn)量較高。單施脫硫石膏后，水稻成活率、株高和產(chǎn)量較對(duì)照分別提高了4.90%，9.50%和13.14%。脫硫石膏配合結(jié)構(gòu)改良劑施用下，水稻成活率、株高和產(chǎn)量分別提高了52.00%～58.80%，26.30%～53.80%和57.02%～91.27%，且結(jié)構(gòu)改良劑施用量越大水稻成活率、株高和產(chǎn)量越高，說明脫硫石膏與結(jié)構(gòu)改良劑的配合施用促進(jìn)了水稻的生長(zhǎng)。但T4處理較T3處理的水稻產(chǎn)量增幅為18.32%，而T5處理較T4處理的水稻產(chǎn)量增幅為2.95%，考慮到結(jié)構(gòu)改良劑的成本，說明T4處理為改良劑最佳施用量。

注：小寫字母代表各處理間的差異性,字母不同代表差異顯著(p<0.05)； T1為空白處理； T2為單施22.5 t/hm2脫硫石膏; T3為22.5 t/hm2脫硫石膏和150 kg/hm2土壤結(jié)構(gòu)改良劑配合施用; T4為22.5 t/hm2脫硫石膏和270 kg/hm2土壤結(jié)構(gòu)改良劑配合施用; T5為22.5 t/hm2脫硫石膏和375 kg/hm2土壤結(jié)構(gòu)改良劑配合施用。下同。

圖1不同處理間水稻成活率、株高及產(chǎn)量的比較

2.2 不同處理對(duì)土壤性狀的影響

于2016年10月上旬測(cè)定了水稻試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)，結(jié)果顯示：?jiǎn)问┟摿蚴嗵岣吡送寥烙袡C(jī)C，全P、堿解N和全鹽含量(表3)，降低了速效K，pH值，對(duì)全N和速效P含量影響不顯著。脫硫石膏配合結(jié)構(gòu)改良劑施用使有機(jī)C含量提高了26.46%以上，且T3處理的施用量下有機(jī)C含量最高，這不僅是由于結(jié)構(gòu)改良劑的主要成分為生化黃腐酸等富含有機(jī)質(zhì)的物料，而且結(jié)構(gòu)改良劑中含有大量微生物，促進(jìn)了根系和地上凋落物的分解。但對(duì)全N和全P含量影響不顯著，堿解N、速效P，pH值和全鹽的變化與結(jié)構(gòu)改良劑的施用量密切相關(guān)?？傮w來看，脫硫石膏配合結(jié)構(gòu)改良劑施用提高了堿解N和速效P含量，但降低了速效K含量，這可能是因?yàn)樗镜募铀偕L(zhǎng)增加了對(duì)土壤速效K的消耗。對(duì)土壤容重和孔隙度的測(cè)定結(jié)果表明(表4)，單施脫硫石膏對(duì)土層容重和總孔隙度影響不顯著。

脫硫石膏配合結(jié)構(gòu)改良劑施用后，0—20，20—40和40—60 cm土層容重分別降低了5.76%～11.51%，6.25%～10.42%和4.08%～8.84%，3個(gè)土層總孔隙度分別提高了6.35%～12.68%，7.45%～12.40%和5.08%～11.00%。結(jié)構(gòu)改良劑的3個(gè)施用量之間，T5處理的施用量下具有最低的土壤容重和最高的總孔隙度。

表3 不同處理間土壤理化性質(zhì)的比較

表4 不同處理間土壤容重和總孔隙度的比較

同期，對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分析表明(表5)，脫硫石膏及其與結(jié)構(gòu)改良劑的配合施用改變了水稻試驗(yàn)地不同土層各粒級(jí)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量。對(duì)于0—20 cm土層而言，單施脫硫石膏提高了>5，2～5，1～2和0.25～0.5 mm團(tuán)聚體的百分比，降低了0.5～1和<0.25 mm級(jí)別的團(tuán)聚體百分比。配合結(jié)構(gòu)改良劑施用后，>5，2～5和0.25～0.5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體隨施用量增加而增加，1～2和0.5～1 mm粒級(jí)團(tuán)聚體隨施用量增加而降低，而<0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體在T3處理的施用量下最低，T4處理的施用量下最高；對(duì)于20—40 cm土層而言，脫硫石膏及其與結(jié)構(gòu)改良劑的配合施用提高了>5和1～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量，降低了2～5和<0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量；對(duì)于40—60 cm土層而言，脫硫石膏及其與結(jié)構(gòu)改良劑的配合施用也提高了>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量，但對(duì)<0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量的影響不明顯(變化范圍為73.17%～76.34%)?？傮w而言，脫硫石膏及其與結(jié)構(gòu)改良劑的配合施用提高了大粒級(jí)團(tuán)聚體含量，降低了小粒級(jí)團(tuán)聚體含量，且結(jié)構(gòu)改良劑施用量越大效果越明顯，主要表現(xiàn)在3個(gè)土層>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量升高，0—20和20—40 cm土層<0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量降低。

表5 不同處理間土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的比較%

3 討 論

3.1 單施脫硫石膏對(duì)土壤性質(zhì)和水稻生長(zhǎng)的影響

影響龜裂堿土作物生長(zhǎng)的兩個(gè)關(guān)鍵因素是代換性Na+和pH值。龜裂堿土土壤復(fù)合體中有較高含量的Na+，致使土壤顆粒高度分散，土壤結(jié)構(gòu)較差。脫硫石膏作為改良劑可以顯著改善堿化土壤的理化性質(zhì)，促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育[20-21]。土壤微團(tuán)聚體組成和土壤pH值可作為評(píng)價(jià)鹽堿地改良效果的綜合指標(biāo)。脫硫石膏可以降低土壤的pH值和電導(dǎo)率，因其含有高價(jià)離子可以使土壤膠體表面的電位勢(shì)降低，有助于土壤膠體的凝聚，促進(jìn)土壤形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，改善作物生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)植物生長(zhǎng)[22-23]。這和本研究的結(jié)果相似，添加脫硫石膏改良劑可顯著增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體，且表現(xiàn)為隨施用量的越多，效果越顯著。在評(píng)價(jià)脫硫石膏改良鹽堿土壤的效果時(shí)，必須要考慮到土壤全鹽的變化。脫硫石膏施用量過大反而會(huì)導(dǎo)致鹽分的積累，從而抑制作物的出苗和生長(zhǎng)。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤pH值和全鹽含量的下降幅度并不與脫硫石膏的施用量呈正比，而是表現(xiàn)為施用量過多或過少均達(dá)不到最好的改良效果。也即是說僅依賴脫硫石膏這一種改良劑可能在降低土壤pH值的同時(shí)增加了全鹽含量。張峰舉等研究發(fā)現(xiàn)，施用脫硫石膏降低了土壤容重，提高了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，改善了土壤的物理性狀[24]。本研究結(jié)果表明：?jiǎn)问┟摿蚴嗫山档屯寥廊葜兀岣呖偪紫抖群?5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量，但其影響不顯著，且對(duì)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育影響較小，脫硫石膏雖然可以減輕交換性Na+對(duì)作物的危害，但對(duì)堿化土壤結(jié)構(gòu)改良效果有限。因此，有必要將脫硫石膏配合土壤結(jié)構(gòu)改良劑來改善堿化土壤的結(jié)構(gòu)。

3.2 脫硫石膏配合結(jié)構(gòu)改良劑施用對(duì)土壤性質(zhì)和水稻生長(zhǎng)的影響

4 結(jié) 論

(1) 脫硫石膏與結(jié)構(gòu)改良劑二者配合施用的效果優(yōu)于脫硫石膏單施。相較于單施脫硫石膏，脫硫石膏與結(jié)構(gòu)改良劑的配合施用對(duì)水稻的生長(zhǎng)有更好的促進(jìn)效果。在生產(chǎn)實(shí)踐中，依據(jù)當(dāng)?shù)赝寥利}堿程度，并綜合考慮了水稻種植過程中的產(chǎn)投比，初步確定T4(脫硫石膏22.5 t/hm2+結(jié)構(gòu)改良劑270 kg/hm2)為最佳的施用量。

(2) 不同用量改良劑對(duì)鹽堿土壤物理化學(xué)性質(zhì)有不同的影響，施入改良劑后土壤的強(qiáng)堿性得到顯著改善，各項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)均向良性趨勢(shì)發(fā)展，其中pH值、全鹽含量、土壤容重降低，而土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著增加。當(dāng)繼續(xù)增加用量至一定數(shù)值，堿化度不再發(fā)生明顯變化。

(3) 脫硫石膏和結(jié)構(gòu)改良劑對(duì)土壤理化性質(zhì)的改良效果和機(jī)理各有差異。脫硫石膏可為堿化土壤提供豐富的Ca2+以置換土壤膠體上的Na+并中和堿性離子，進(jìn)而減少土壤的堿性成分，降低土壤堿化度和pH值，并且對(duì)S元素的提供能力較強(qiáng)。硝酸銨鈣的施用是鹽堿土壤中總氮、有效氮的主要來源，尤其對(duì)有效氮含量具有顯著影響；生化黃腐酸具有較強(qiáng)的吸附力，能夠作為載體保證堿化土壤膠體吸附Na+與脫硫石膏中Ca2+的置換反應(yīng)正常進(jìn)行。微生物菌劑的有益菌群在土壤中定殖后，分泌有機(jī)酸可以溶解釋放出被土壤顆粒等吸附的N，P，K養(yǎng)分，從而延長(zhǎng)了土壤養(yǎng)分的有效供給。