楊祥波

(吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 農(nóng)學(xué)院，吉林 吉林 132101)

吉林省西部蘇打鹽堿土總面積為170萬hm2，約占松嫩平原鹽堿土總面積的34%[1]，該區(qū)域地處溫帶半干旱氣候區(qū)，蒸發(fā)量是降水量的2～3倍，成土母質(zhì)風(fēng)化釋放的可溶性鹽無法淋溶，強(qiáng)烈的蒸發(fā)條件使土壤中的可溶性鹽通過毛管孔隙隨水上升至地表，待水分蒸發(fā)后，鹽分在地表聚集，主要鹽分組成為Na2CO3和NaHCO3，含有少量硫酸鹽和氯化物。由于較高的堿性和惡劣的理化性質(zhì)，自然肥力極度貧瘠。水稻是鹽堿地先鋒作物[2]，長期種稻通過“以水洗鹽、以水壓鹽”不僅使劣質(zhì)土壤得到改善，而且土壤表層鹽堿度得以淡化，更好發(fā)揮土地資源的潛力[3]。對鹽堿地實(shí)施種稻改良是擴(kuò)充吉林省后備耕地資源、突破吉林省糧食總產(chǎn)的重要途徑。然而，僅通過種稻改良鹽堿地的效果十分有限，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行化學(xué)改良劑和有機(jī)物料的施用是將種稻、改良與培肥相結(jié)合，更好發(fā)揮鹽堿地經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益的最佳途徑。

這里做出假設(shè)，以菌糠為吸附載體搭載適量的Al2(SO4)3改良劑，結(jié)合機(jī)械深埋技術(shù)將附著Al2(SO4)3的菌糠施于鹽堿地較深土層(>15 cm)，菌糠質(zhì)輕且疏松多孔，在鹽堿地土層易形成“空氣隔離層”，進(jìn)而達(dá)到“上可培肥、下能阻斷毛管上升水”的目的[6]，在充分抑制返鹽作用的同時培肥耕作層，最終創(chuàng)建適宜水稻生長的良好環(huán)境。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，本研究采用田間試驗(yàn)法，將自制的亞克力管套作在水田中，在其中施用等量化肥以及不同配比的菌糠與Al2(SO4)3，設(shè)置16個配比，在水稻苗期、孕穗期和成熟期對土壤速效氮磷鉀、有機(jī)碳(SOC)、陽離子交換量(CEC)、堿化度(ESP)以及交換性Ca2+、Mg2+含量進(jìn)行動態(tài)分析，進(jìn)而揭示菌糠與Al2(SO4)3在新開堿地稻田土壤性狀上有優(yōu)化作用的最佳配比，相關(guān)成果可為 “生態(tài)互利”農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的探索提供技術(shù)參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地選址吉林省鎮(zhèn)賚縣坦途鎮(zhèn)向陽村好斯臺屯，選擇尚未開墾的撂荒堿地(123°26′21″E，46°11′27″N)進(jìn)行稻作試驗(yàn)，新開堿地經(jīng)過3次灌、排水，土壤基本性質(zhì)如下：有機(jī)質(zhì)含量11.2 g/kg、堿解氮含量65.6 mg/kg、有效磷含量8.6 mg/kg、速效鉀含量132.6 mg/kg、pH值9.36。采用自制中空的亞克力透明管(外徑380 mm，壁厚5 mm，半徑0.185 m，面積為0.107 5 m2)套在灌水的新開堿地稻田中。硫酸鋁采用國藥試劑Al2(SO4)3·18H2O，用Al表示；菌糠取自吉林市豐滿區(qū)旺起鎮(zhèn)，是栽培木耳的廢棄袋料經(jīng)粉碎過0.25 mm篩制得，與雞糞干粉末按照1∶1質(zhì)量比混合，制成菌糠混料(Chicken manure∶Spent mushroom substrates=1∶1，用Cs表示)，以下簡稱菌糠，經(jīng)檢測，有機(jī)質(zhì)含量為57.4%，N、P2O5、K2O含量分別為1.76%、0.87%、1.91%，pH值為7.55。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)16個處理，每個處理3次平行，依據(jù)不同處理在管內(nèi)施入相應(yīng)的改良劑、有機(jī)物料(表1)及肥料(N、P2O5、K2O分別由硫酸銨、磷酸二銨、硫酸鉀分析純試劑提供，施用量為160、80、90 kg/hm2)，施入3 d后進(jìn)行插秧，每個管內(nèi)按4穴插秧，株、行距為20 cm×30 cm，上下通透，管壁封閉，進(jìn)行半封閉管內(nèi)水稻栽培試驗(yàn)。結(jié)合水稻生育關(guān)鍵時期：苗期(6月10日)、孕穗期(8月4日)、成熟期(9月28日)，用塑封袋采集管內(nèi)0～20 cm耕層土樣，立即攤開風(fēng)干，磨細(xì)過0.10 mm篩，備用。

表1 菌糠與Al2(SO4)3不同配比對應(yīng)的處理編號

1.3 測試方法

堿解氮、有效磷、速效鉀、SOC含量分別采用堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法、乙酸銨浸提—火焰光度法、重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定；CEC、交換性Na+含量分別采用乙酸鈉—火焰光度法、乙酸銨-氫氧化銨交換—火焰光度法測定，根據(jù)交換性Na+與CEC含量之比計(jì)算ESP；交換性Ca2+、Mg2+含量采用EDTA浸提—原子吸收分光光度法測定[17]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2003對數(shù)據(jù)整理，ANOVA進(jìn)行差異顯著性(P<0.05)比較，用SPSS 18.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，所有數(shù)值均為3次重復(fù)的平均值(平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差)。

2 結(jié)果與分析

2.1 改良劑與有機(jī)物料結(jié)合對新開堿地稻田土壤速效養(yǎng)分的影響

由表2可知，在水稻苗期，Al2(SO4)3用量為0、2.0、3.0 t/hm2的條件下，增施菌糠可有效增加土壤堿解氮的含量。與水稻苗期相比，在Al2Cs0和Al2Cs4處理?xiàng)l件下，成熟期新開堿地土壤堿解氮含量分別增加了25.9%、10.3%，此外，在其余處理影響下，成熟期新開堿地土壤堿解氮含量均較水稻苗期有所降低，降低幅度最大的為Al3Cs8處理，降幅達(dá)49.1%，其次為Al0Cs0、Al3Cs0、Al3Cs12處理，三者降幅均約為46.1%。可見，基于3.0 t/hm2Al2(SO4)3的施用條件，菌糠用量為0、8.0、12.0 t/hm2時均可促進(jìn)土壤堿解氮的消耗。

與水稻苗期相比，Al0Cs4、Al0Cs8、Al0Cs12、Al3Cs12處理下的土壤有效磷含量在水稻成熟期均有所降低，降低幅度分別為21.7%、12.5%、41.5%、32.1%，Al2Cs0和Al3Cs4處理下的結(jié)果差異不顯著，而其余處理均有利于土壤有效磷含量的顯著增加，其中，增幅較大的是Al2Cs8和Al1Cs0處理下的48.3%、44.0%。值得一提的是，當(dāng)Al2(SO4)3用量為1.0 t/hm2時，無論菌糠用量是多少，歷經(jīng)水稻生長季均有利于土壤有效磷的保蓄。

在速效鉀方面，與苗期相比，Al2Cs12、Al3Cs0、Al3Cs8和Al3Cs12處理均可顯著增加水稻成熟期土壤速效鉀的含量，其中增幅較大的是Al3Cs0處理，達(dá)到了37.1%，Al3Cs4處理下的變化不顯著，而其余處理均有利于土壤速效鉀的消耗，其中Al0Cs0—Al0Cs12處理下速效鉀含量降幅在35.9%～60.4%，Al1Cs0—Al1Cs12處理下的降幅在20.4%～34.7%，Al2Cs0—Al2Cs8的降幅在21.8%～30.4%，由此可見，增加Al2(SO4)3用量更有利于降低新開堿地土壤速效鉀含量的消耗，在Al2(SO4)3用量達(dá)到3.0 t/hm2時，甚至使速效鉀含量在一個水稻生長季后仍然穩(wěn)中有增。此外，在苗期對比各處理間的差異可以發(fā)現(xiàn)，在施用等量Al2(SO4)3前提下，增施菌糠可有效提高土壤速效鉀的含量水平。

表2 不同處理對新開堿地稻田土壤堿解氮、有效磷及速效鉀含量的動態(tài)影響Tab.2 Dynamic effects of different treatments on the available N,P and K contents in newly reclaimed alkali paddy field mg/kg

注：表格中數(shù)據(jù)格式為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差，數(shù)據(jù)后的不同小寫字母表示同一處理在不同水稻生育期間的結(jié)果差異顯著(P<0.05,Duncan’s法)，不同大寫字母代表同一Al2(SO4)3用量下，不同處理之間的結(jié)果差異顯著(P<0.05,Duncan’s法)，下同。

Note：The expression of data in the table is mean±standard deviation.The different lowercase letters after data indicate significant differences among different rice growth periods under the same treatment (P<0.05,Duncan’s method).The different uppercase letters represent significant differences among different treatments at the same dosage of Al2(SO4)3(P<0.05,Duncan’s method),the same below.

2.2 改良劑與有機(jī)物料結(jié)合對新開堿地稻田土壤有機(jī)碳(SOC)含量的影響

由圖1可以看出，在水稻苗期，基于等量Al2(SO4)3，增施菌糠均有利于SOC含量的增加。與水稻苗期相比，成熟期Al0Cs0—Al0Cs12處理下新開堿地稻田土壤SOC含量下降了13.3%～48.6%，Al1Cs0—Al1Cs12處理下SOC含量降低了8.6%～24.9%，其中較大的降幅分別出現(xiàn)在Al0Cs12和Al1Cs12處理，可見，基于Al2(SO4)3用量為0或1.0 t/hm2時，最大的菌糠施用量(12.0 t/hm2)能夠最大程度地促進(jìn)SOC的礦化分解。然而，繼續(xù)增加Al2(SO4)3用量后，SOC的變化規(guī)律恰好相反，隨水稻生育時期的推進(jìn)表現(xiàn)為漸趨增加的趨勢，由Al2Cs0至Al2Cs12，有機(jī)碳增加幅度介于51.8%～68.5%，其中，Al2Cs4處理下的SOC增加幅度最大，而在Al3Cs0—Al3Cs12處理中，SOC增加幅度為13.3%～54.9%，對SOC含量提升幅度最大達(dá)到Al3Cs12處理下的54.9%。

不同小寫字母表示同一處理在不同水稻生育期間的結(jié)果差異顯著(P<0.05, Duncan’s法)，不同大寫字母代表同一Al2(SO4)3用量下，不同處理之間的結(jié)果差異顯著(P<0.05, Duncan’s法)，下同The different lowercase letters indicate the significant differences among the different rice growth periods at the same treatment (P<0.05, Duncan’s method). The different uppercase letters represent the significant differences among the different treatments at the same dosage of Al2(SO4)3(P<0.05, Duncan’s method), the same below圖1 不同處理對新開堿地稻田土壤SOC含量的動態(tài)影響Fig.1 Dynamic effects of different treatments on the SOC content in newly reclaimed alkali paddy field

2.3 改良劑與有機(jī)物料結(jié)合對新開堿地稻田土壤陽離子交換量(CEC)、堿化度(ESP)的影響

由圖2可知，Al3Cs4、Al3Cs8和Al3Cs12處理能夠使新開堿地稻田CEC隨水稻生育期進(jìn)行而漸趨增加，水稻成熟期土壤CEC比苗期分別高出17.0%、53.2%、72.6%，而其余處理下的土壤CEC均有逐漸降低的規(guī)律，相比較而言，Al0Cs12和Al1Cs0處理在各自Al2(SO4)3用量下對于土壤CEC在整個水稻生育期均有顯著促進(jìn)。與水稻苗期相比，在成熟期土壤CEC降低幅度最大的為Al0Cs0處理，可見，Al2(SO4)3和菌糠的施用能夠緩解CEC的降低，甚至通過適宜的配比可使CEC增加，如Al3Cs4、Al3Cs8和Al3Cs12處理。由上述規(guī)律可知，菌糠和Al2(SO4)3用量均為0 t/hm2時，歷經(jīng)水稻生長季，土壤CEC降低幅度最大，而菌糠與Al2(SO4)3用量均為最大時，土壤CEC的增加幅度最大。結(jié)合Al3Cs4、Al3Cs8和Al3Cs12處理對于CEC的促進(jìn)作用來看，Al2(SO4)3用量的增加對于新開堿地土壤CEC的促進(jìn)作用更大，當(dāng)Al2(SO4)3用量為3.0 t/hm2時，輔以4.0、8.0、12.0 t/hm2的菌糠均可隨水稻生育期的進(jìn)行而增加新開堿地土壤的CEC。

圖2 不同處理對新開堿地稻田土壤CEC的動態(tài)影響Fig.2 Dynamic effects of different treatments on the CEC in newly reclaimed alkali paddy field

由圖3可知，與苗期相比，在水稻成熟期，Al0Cs0—Al0Cs12處理能夠使新開堿地稻田ESP降低24.1%～86.9%，其中，使ESP降低幅度達(dá)到最大的處理是Al0Cs4，其次是Al2Cs0和Al1Cs8處理下的72.5%、72.3%，而在Al3Cs0—Al3Cs12處理下，土壤ESP反而增加了23.8%～435.3%，其中，增加幅度最大的是來自于Al3Cs0處理下的435.3%，其次是Al1Cs12處理下的243.4%。可見，在不施用Al2(SO4)3的情況下，施用0～12.0 t/hm2菌糠可有效降低新開堿地稻田的ESP，尤其是4.0 t/hm2菌糠的施入對土壤ESP的降低效果更為明顯。

圖3 不同處理對新開堿地稻田土壤ESP的動態(tài)影響Fig.3 Dynamic effects of different treatments on the ESP in newly reclaimed alkali paddy field

2.4 改良劑與有機(jī)物料結(jié)合對新開堿地稻田土壤交換性Ca2+、Mg2+含量的影響

由表3可知，與苗期相比，各處理在水稻成熟期土壤交換性Ca2+含量均有所增加，Al0Cs0處理下的增加幅度為33.0%，其他處理的增加幅度均小于該處理，Al1Cs4處理的增加幅度為32.1%，其次是Al0Cs4處理的30.4%，增加幅度較低的為Al2Cs0處理的5.9%以及Al3Cs12處理的6.2%?？梢?，歷經(jīng)水稻生長季，各處理下的土壤交換性Ca2+含量均有所增加，增加幅度最大的來自于不施菌糠和Al2(SO4)3的對照處理，而施用菌糠或(及)Al2(SO4)3的處理盡管也可以增加土壤交換性Ca2+含量，但增加幅度要低于對照處理。在供試處理中，Al3Cs0處理可顯著降低水稻苗期土壤的交換性Ca2+含量，其次為Al3Cs4和Al3Cs8處理，可推斷，大劑量施用Al2(SO4)3且配施較少的菌糠不利于土壤交換性Ca2+含量的增高。

表3 不同處理對新開堿地稻田土壤交換性Ca2+、Mg2+含量的動態(tài)影響

在交換性Mg2+離子方面，Al0Cs0處理在水稻生育期表現(xiàn)穩(wěn)定，并無顯著變化，其余處理與苗期相比，在水稻成熟期均有所增加，增加幅度均大于不施菌糠和Al2(SO4)3的對照處理，交換性Mg2+增加幅度最大的是來自于Al3Cs0處理下的19.1%，增加幅度最小的是Al3Cs12處理下的8.6%。Al1Cs0—Al1Cs12處理下土壤交換性Mg2+的增加幅度為11.5%～12.6%，相應(yīng)低于Al2Cs0—Al2Cs12處理下的13.8%～16.6%，即施用2.0 t/hm2Al2(SO4)3的系列處理，其在增加土壤交換性Mg2+水平上要高于施用1.0 t/hm2Al2(SO4)3的系列處理。

3 結(jié)論與討論

Al2(SO4)3和菌糠的施入能夠緩解CEC的降低，甚至通過適宜配比的調(diào)控可使CEC增加，3.0 t/hm2Al2(SO4)3和12.0 t/hm2菌糠的配比對CEC的促進(jìn)作用最為顯著，這說明，菌糠經(jīng)過1 a腐解可形成疏松多孔的結(jié)構(gòu)[11]，其輸入可增加陽離子的吸附點(diǎn)位，然而，Al2(SO4)3的施入又會帶入Al3+，占據(jù)一部分吸附點(diǎn)位，因此兩者間適宜的配比可以增加土壤的CEC。李月芬等[24]研究指出，Al2(SO4)3施入土壤后會水解產(chǎn)生大量H+，促進(jìn)了土壤中堿土金屬碳酸鹽的溶解，使交換性Ca2+、Mg2+等二價(jià)陽離子與Na+產(chǎn)生交換作用，降低了土壤的ESP。然而，在本試驗(yàn)中，施用較大量的Al2(SO4)3并不利于ESP降低以及交換性Ca2+濃度的增高，前文提到在土壤膠體陽離子交換能力上，Al3+遠(yuǎn)大于Na+，大量Al3+的引入能夠?qū)⑻K打鹽堿土中的Na+置換出來[1]，成為游離態(tài)，在水稻生長后期淺水層灌溉時，Na+淋溶作用降低，更多滯留在土壤中，不利于ESP的降低。而在不施用Al2(SO4)3的情況下，菌糠的施用更益于ESP的降低，這與菌糠降解產(chǎn)生游離酸和腐解產(chǎn)生有機(jī)酸促進(jìn)Ca2+、Mg2+交換Na+的作用有關(guān)。經(jīng)過水稻生長季，施用Al2(SO4)3和菌糠后的土壤交換性Ca2+、Mg2+濃度均有所增加，這與李月芬等[24]、王帥等[6]報(bào)道的結(jié)果相似，即含有相當(dāng)數(shù)量CaCO3的蘇打鹽堿土經(jīng)Al2(SO4)3改良后，交換性Ca2+有所增加。雖然，3.0 t/hm2Al2(SO4)3和12.0 t/hm2菌糠的施入更有利于新開堿地稻田保肥與供肥協(xié)調(diào)，考慮到降低ESP對水稻生產(chǎn)的益處，可適當(dāng)減少Al2(SO4)3的用量。