鄭敏娜， 梁秀芝， 韓志順， 康佳惠， 陳燕妮

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高寒區(qū)作物研究所， 山西 大同 037008)

土壤是人類賴以生存的重要資源。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著我國工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，耕地面積不斷縮減，逐漸逼近1.2×108km2紅線，著手開發(fā)可利用的土地，對保證我國生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)安全具有重要意義[1]。其中，中、低度鹽堿地作為一種重要的土地資源，具有巨大的開發(fā)潛力，是草牧業(yè)發(fā)展的優(yōu)先區(qū)域。大同盆地位于山西省北部，是我國北方農(nóng)牧交錯帶的重要組成部分，該區(qū)域蘇打型鹽堿地面積占比較大，蘇打含量高[2]，對于草-田生產(chǎn)系統(tǒng)來說，土壤鹽度高會嚴(yán)重制約土壤中氮素、磷素、鉀素等元素形態(tài)的轉(zhuǎn)化，降低肥料利用率[3]，致使土地生產(chǎn)力低下，影響到草牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，通過采取合理的措施或方法修復(fù)受鹽分影響的低效土壤，并進(jìn)行改良利用，有利于緩解人地矛盾、草糧矛盾，有助于農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展和提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

目前國內(nèi)外關(guān)于單獨使用改良劑和種植綠肥對于鹽堿地土壤理化性狀和氮素利用率的影響研究較多[9-10,13-14]，但將二者同時運用到鹽堿土土壤改良中的研究較少。生物質(zhì)炭、石膏類物質(zhì)等作為土壤改良劑，操作簡便、成本較低、改良效果最穩(wěn)定；綠肥作為生物改良方式，投入成本低，并且對土壤恢復(fù)具有更顯著的正向促進(jìn)作用[2]。因此，本研究將土壤改良劑和生物改良方式相結(jié)合，開展了不同改良調(diào)控措施對鹽堿田鹽堿障礙的消減和作物氮素吸收利用效率的研究，以期選取一套北方農(nóng)牧交錯帶適用的改鹽增效增產(chǎn)的改良-種植模式，達(dá)到改良鹽堿耕地及高效利用養(yǎng)分和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗地位于山西省朔州市山陰縣后所鄉(xiāng)后張堡村(9°25′28″ N，112°55′34″ E)，海拔920 m，該區(qū)域地處雁門關(guān)農(nóng)牧交錯核心區(qū)，農(nóng)業(yè)區(qū)劃為中溫帶干旱區(qū)；年均降雨量為350～600 mm，年蒸發(fā)量大于1 600 mm，年均氣溫7.0℃，無霜期130 d左右；土壤屬堿化潮土，質(zhì)地輕壤偏砂型，土壤中鈉吸附比值較高，鹽堿化程度較嚴(yán)重，經(jīng)測定，樣地0～60 cm耕層土壤中平均含鹽量為2.12 g· kg-1，土壤容重為1.48 g·cm-3，pH值9.13，土壤有機(jī)質(zhì)含量為4.32 g·kg-1，堿化度為13.4%。

1.2 試驗材料

本試驗中供試青貯玉米品種為‘中玉88號’，綠肥選用毛葉苕子，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)綠肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系太原試驗站提供。生物炭由江蘇溧陽生物質(zhì)炭制備有限公司提供；石膏(CaSO4)由大同市第二發(fā)電廠提供；化肥(尿素，N：46.4%)由山東史丹利公司提供。

1.3 試驗設(shè)計

試驗于2019—2020年進(jìn)行，試驗以內(nèi)陸中度蘇打型鹽漬土(Z)為研究對象，設(shè)對照處理(CK，不施肥，單播青貯玉米)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)置化肥+CaSO4+生物炭(L，單播青貯玉米)、化肥+CaSO4+生物炭+綠肥(LC1，2行青貯玉米間作2行綠肥)、化肥+CaSO4+生物炭+綠肥(LC2，2行青貯玉米間作3行綠肥)、化肥+CaSO4+生物炭+綠肥(LC3，2行青貯玉米間作4行綠肥)處理(表1)，其中：處理LC1，LC2，LC3為玉米和毛葉苕子間作，第二年玉米種植帶和毛葉苕子種植帶進(jìn)行輪換。試驗處理按照完全隨機(jī)的方式排列，小區(qū)面積為4.4 m×6 m，每個處理重復(fù)3次，共計15個小區(qū)。

表1 試驗各處理的具體信息

試驗期間，于每年5月初進(jìn)行播種。各小區(qū)，在播種前將各改良劑和肥料混勻后施入土壤，其中：化肥(尿素，N：46.4%)施用量為385 kg·hm-2，CaSO4的施用量為4 500 kg·hm-2，生物炭的施用量為10 000 kg·hm-2；各小區(qū)玉米播種株距為50 cm，玉米種植帶間行距為50 cm；各小區(qū)毛葉苕子播種量均為60 kg·hm-2，毛葉苕子種植帶間及玉米與毛葉苕子之間的行距為30 cm。其他管理措施與當(dāng)?shù)氐某Ｒ?guī)管理模式相同。

1.4 樣品采集與測定

土壤電導(dǎo)率與pH測定采用1∶5土水比電導(dǎo)法(PHS-25酸度計)和電極法(DDS-11A電導(dǎo)儀)測定，其余指標(biāo)參照魯如坤[15]和鮑士旦[16]的分析方法進(jìn)行測定；參照高珊[8]的方法計算土壤全鹽量、鈉吸附比、植株吸氮量、氮肥利用率、氮肥偏生產(chǎn)力等，具體計算公式如下：

土壤全鹽量(g·kg-1)=2.47×EC1∶5+0.26

土壤脫鹽率(%)=[播種前土壤鹽分含量(g·kg-1)—收獲后土壤鹽分含量(g·kg-1)]/播種前土壤鹽分含量(g·kg-1)×100%

式中，[Na+]、[Ca2+]、[Mg2+]為土壤Na+，Ca2+，Mg2+含量，cmol·kg-1。

植株地上部吸氮量(kg·hm-2)=地上部植株產(chǎn)量(kg·hm-2)×地上部植株全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)

氮肥利用率(%)=[處理區(qū)地上部吸氮量(kg·hm-2)—對照區(qū)地上部吸氮量(kg·hm-2)]/處理區(qū)施氮量(kg·hm-2)×100%

1.5 數(shù)據(jù)分析

本研究的數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析均采用Microsoft Excel 2010 軟件和IBM SPSS Statistics 20.0軟件進(jìn)行，不同處理間的差異顯著性水平運用鄧肯(Duncan)法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改良措施對土壤pH的調(diào)控作用

不同改良措施對播種前和收獲后0～40 cm土壤pH產(chǎn)生了顯著影響(表2)。2019年，不同改良措施能顯著降低0～20 cm土壤pH(P<0.05)，其中，CL3處理收獲后降低表層(0～20 cm)土壤pH的效果最明顯，較播種前降低了0.73，L處理，CL1，CL2處理收獲后PH分別較播種前降低了0.13，0.19和0.28。4種改良措施對20～40 cm土壤pH的調(diào)控作用不明顯，僅CL3處理下，土壤pH顯著降低(P<0.05)，較播種前降低了0.55。而在CL2處理下20～40 cm土壤pH比播種前高。2020年，除CK，L處理外，CL1,CL2和CL3處理均能顯著降低0～20 cm土壤pH(P<0.05)，且CL3處理降低的幅度最大，達(dá)到0.16。各處理20～40 cm土壤pH播種前與收獲后無顯著差異，其中，CK和L處理呈現(xiàn)出上升趨勢。

表2 不同改良措施下0～40 cm土壤pH變化情況

2.2 不同改良措施對土壤鹽分的調(diào)控作用

在作物生長周期內(nèi)，土壤鹽分呈季節(jié)性規(guī)律，各處理的土壤鹽分均表現(xiàn)出“春季積鹽—夏季淋鹽—秋季返鹽—冬季穩(wěn)鹽”的變化規(guī)律(圖1)，即春季(3—5月)土壤鹽分強(qiáng)烈表聚，夏季(6—8月)土壤快速淋洗脫鹽，秋季(9—11月)土壤緩慢積鹽，冬季(12—次年2月)土壤鹽分穩(wěn)定，且0～20 cm土壤含鹽量的變化較20～40 cm土壤劇烈。CaSO4、生物炭、綠肥等改良措施對0～40 cm土壤鹽分含量有一定的調(diào)控作用，與對照相比，各改良措施實施2年后，土壤鹽分均有不同程度的下降。在2019—2020年，作物生長周期內(nèi)，對照(CK)0～20 cm，20～40 cm土壤均呈積鹽狀態(tài)，積鹽率分別達(dá)到7.94%和13.02%；其余處理0～20 cm，20～40 cm土壤均呈脫鹽狀態(tài)，0～20 cm土壤，L，CL1，CL2和CL3脫鹽率分別為22.05%，41.16%，39.18%和38.88%；20～40 cm土壤比0～20 cm土壤脫鹽率低，L，CL1，CL2和CL3等處理的脫鹽率分別為10.48%，18.80%，21.92%和18.95%。

圖1 不同改良措施下0～40 cm土壤含鹽量變化情況

2.3 不同改良措施對土壤鈉吸附比的調(diào)控作用

考慮到試驗中種植的綠肥作物(毛葉苕子)根系分布較淺，且各改良劑主要施入0～20 cm的土壤表層，因此，在本研究中主要研究了0～20 cm土壤Na+，Ca2+，Mg2+等鹽分離子組成情況。土壤鈉吸附比(SAR)比值越大，土壤的鹽堿化程度越嚴(yán)重。在本試驗中，與對照相比，4種改良措施均顯著降低了土壤的SAR(表3，P<0.05)。2019年，青貯玉米收獲后，在4種改良調(diào)控措施中，CL3處理SAR降幅最大，達(dá)到了38.01%，CL1處理次之，為30.13%；2020年，青貯玉米收獲后，在4種改良調(diào)控措施中，CL2處理SAR降幅最大，達(dá)到了45.45%，CL1處理次之，為39.65%。從2年的試驗結(jié)果來看，LC1處理對降低SAR的效果最為明顯，其次為CL3，CL2，L。

表3 不同改良措施下0～20 cm土壤鈉吸附比變化情況

2.4 不同改良措施對青貯玉米產(chǎn)量與氮素吸收的調(diào)控作用

與對照相比，4種改良措施均能顯著提高作物的生物產(chǎn)量(表4)。2019年，常規(guī)施肥下添加生物炭、CaSO4及種植不同行距的綠肥均能顯著提高青貯玉米的產(chǎn)量(P<0.05)。L，CL1，CL2，CL3處理下青貯玉米的產(chǎn)量較對照(CK)分別提高了26.71%，89.29%，58.72%和21.96%，其中，CL1處理增產(chǎn)效果最顯著，CL2處理次之；2020年，經(jīng)改良后的各小區(qū)青貯玉米產(chǎn)量有明顯提高，L，CL1，CL2和CL3處理玉米產(chǎn)量分別較2019年提高了26.56%，9.97%，28.30%和27.42%；2020年，在4種改良措施中，仍以CL1處理的增產(chǎn)效果最好，與對照相比，青貯玉米產(chǎn)量增加了88.92%，CL2處理次之，二者之間差異不顯著，但與其他處理間差異顯著(P<0.05)。

由表4可知，4種改良措施均能顯著促進(jìn)玉米地上部吸氮量(P<0.05)。2019年，L，CL1，CL2和CL3處理中，CL1和CL2處理的地上部吸氮量較高，分別較對照(CK)提高了87.02%和69.02%；至2020年，經(jīng)持續(xù)改良后的玉米地上部吸氮量進(jìn)一步提高，與對照(CK)間差異顯著(P<0.05)。經(jīng)過兩年的改良，4種改良措施明顯提高了鹽漬土氮肥的利用率，CL1處理對氮素吸收利用的提升作用優(yōu)于其他處理，分別為L，CL2和CL3處理的1.90倍，1.22倍和1.47倍。

表4 不同改良措施對青貯玉米產(chǎn)量和氮肥利用率的影響

3 討論

3.1 不同改良措施對蘇打型土壤鹽堿障礙的削減作用

很多鹽堿地由于無法從事作物生產(chǎn)而成為撂荒地。但是，只要選擇適宜的牧草品種，并加以改良，這類土地可以成為草牧業(yè)生產(chǎn)的重要場所[2,17]。

蘇打型鹽堿土具有土壤交換性Na+含量高的特點[18]，會使得蘇打型鹽堿土壤通透性差、質(zhì)地偏砂，并造成土壤養(yǎng)分低，土壤保水力差，嚴(yán)重影響到了作物的生長環(huán)境[19]。通過向鹽堿土壤中添加具有特殊功能的物質(zhì)或植物是改變土壤營養(yǎng)元素含量、改善土壤肥力的有效途徑。一方面，生物炭或石膏作為鹽堿地改良中廣泛利用的改良劑[20]，其物質(zhì)中含有的Mg2+或Ca2+可以置換土壤膠體上Na+，提高土壤陽離子交換量，以減輕單鹽毒害，改善土壤鹽堿障礙[8]。高珊等[8]在蘇北鹽堿地的研究結(jié)果表明，添加生物炭的處理土壤SAR降低了38.99%，與本試驗結(jié)果規(guī)律基本一致。另一方面，石膏、生物炭等材料，由于其自身結(jié)構(gòu)能起到增加土壤孔隙度，降低土壤容重等作用，可以明顯提高土壤導(dǎo)水導(dǎo)鹽系數(shù)，促進(jìn)土壤脫鹽，岳燕等[21]的試驗結(jié)果表明，添加生物炭的土柱淋洗后，電導(dǎo)率顯著降低。在本試驗條件下，添加石膏和生物炭后，各改良處理的脫鹽效果均較好，且0～20 cm土壤的降鹽效果優(yōu)于20～40 cm。此外，本研究在應(yīng)用土壤改良劑的同時，結(jié)合了生物改良措施，通過種植具有固氮作用的毛葉苕子來進(jìn)一步增加土壤養(yǎng)分輸入，提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量，起到改善土壤生態(tài)環(huán)境的作用。從本試驗結(jié)果來看，種植綠肥作物(毛葉苕子)的綜合改良處理(CL1，CL2，CL3)對土壤鹽分的調(diào)控作用顯著優(yōu)于僅使用土壤改良劑的處理(L)(圖1，表3)。

3.2 不同改良措施對作物氮素吸收利用的調(diào)控

本試驗中各改良措施均對青貯玉米的增產(chǎn)和氮素吸收起到了正向促進(jìn)作用，其中以CL1處理的成效最好(表4)。氮肥利用率的高低會受土壤類型、種植方式、施氮量等因素的影響，而在鹽堿環(huán)境下，玉米產(chǎn)量及生物量顯著低于非鹽堿環(huán)境[22-23]，本試驗條件下，作物的氮肥利用效率非常低，經(jīng)過2年的改良，氮肥利用率最高的CL1處理，也僅為19.54%，大大低于全國平均氮素利用率(35%～51%)[24]，這一方面可能是由于鹽堿土中鹽分含量高限制了玉米對養(yǎng)分的吸收，另一方面可能是由于鹽堿土土壤結(jié)構(gòu)差，6～8月水熱同期時，肥料養(yǎng)分損失量大[23]。在本試驗中，與其他改良處理相比，LC1處理下地上總生物量顯著增加，這可能是因為LC1處理的種植結(jié)構(gòu)更加合理，一方面有利于植物進(jìn)行光合作用，另一方面在改良土壤生態(tài)的同時更加有效地利用了土地資源，使生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到平衡，進(jìn)而顯著提高了生物產(chǎn)量。而CL2和CL3處理雖然對土壤起到了良好的調(diào)控作用，但是土地資源利用不充分，未能取到較高的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

本研究通過對不同改良措施下鹽堿地土壤化學(xué)性質(zhì)及氮素吸收利用研究，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用土壤改良劑的同時結(jié)合生物改良的措施能有效促進(jìn)鹽漬土降鹽脫堿，改善土壤結(jié)構(gòu)，尤以常規(guī)施肥下添加生物炭和CaSO4且以2∶2間作種植毛葉苕子和青貯玉米的處理對鹽堿地土壤的改良效果最好，其不僅降低了土壤電導(dǎo)率，而且明顯提高了青貯玉米生物產(chǎn)量和氮肥利用率。