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        玉米秸稈和Al2(SO4)3對蘇打鹽堿土 主要鹽堿化指標(biāo)的影響

        2022-07-07 01:11:42劉金華臧金宇趙興敏王鴻斌趙蘭坡
        中國土壤與肥料 2022年5期

        王 楠,張 鑫,劉金華,臧金宇,趙興敏,王鴻斌,趙蘭坡

        [吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部鹽堿土改良與利用(東北內(nèi)陸鹽堿地) 重點實驗室,吉林 長春 130118]

        我國松嫩平原鹽堿地面積約為500萬hm2,而吉林省西部鹽堿土總面積約為173萬hm2,占松嫩平原總面積的34%[1],是世界三大鹽堿地集中區(qū)之一。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,鹽堿化土壤是低產(chǎn)土壤。吉林省西部水田面積占耕地面積的21.9%,受鹽堿地影響,單產(chǎn)僅為3000 kg/hm2[2],其余大部分則是低產(chǎn)低效的旱田[3]。但鹽堿地分布區(qū)大多地勢平坦、土層深厚并且便于灌溉。因此,鹽堿土又是一種開發(fā)利用潛力巨大的土地資源。鹽堿土具有可溶性鹽含量和pH值高等特點,導(dǎo)致土壤肥力弱,糧食產(chǎn)量普遍較低[4]。在土壤眾多理化指標(biāo)中,土壤堿化度是一個重要的土壤性質(zhì),影響土壤養(yǎng)分的有效性[5]。鹽堿土區(qū)土壤pH值、可溶性鹽含量和堿化度能夠體現(xiàn)出蘇打鹽堿土改良的效果[6],探明以上指標(biāo)的變化對于綜合評價鹽堿化的改良效果具有重要意義。

        近年來,鹽堿土改良利用成為人們研究的熱點,許多學(xué)者采用物理、化學(xué)、生物等[7-9]方法對鹽堿土進(jìn)行改良,并取得了一定的成效。本課題組一直致力于蘇打鹽堿土的改良利用,并且在Al2(SO4)3作為化學(xué)改良劑改良蘇打鹽堿土方面已取得了諸多研究成果。研究發(fā)現(xiàn),蘇打鹽堿土加入Al2(SO4)3后,可明顯降低土壤的pH值,并且隨著Al2(SO4)3加入次數(shù)的增加,pH值逐漸降低[10]。鹽堿土中加入Al2(SO4)3后,溶解態(tài)Na+增多[11]。馬玉濤 等[12]通過田間試驗研究施用Al2(SO4)3對新開墾蘇打鹽堿水田的快速改良和培肥效果時發(fā)現(xiàn),施用Al2(SO4)3后土壤堿化度顯著降低。王宇等[13]研究表明,Al2(SO4)3加入鹽堿土后,土壤pH值降低、陽離子交換量呈顯著遞增趨勢,堿化度明顯降低,表明土壤結(jié)構(gòu)得到了良好改善。在土壤鹽堿化程度得以降低的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步增加有機質(zhì)含量,提高鹽堿土肥力,是實現(xiàn)糧食增產(chǎn)的又一重要舉措。目前,提高鹽堿土有機質(zhì)含量切實可行的方法就是秸稈還田[14]。秸稈還田既能改善土壤的理化性質(zhì)[15],又可以為土壤提供養(yǎng)分[16-17],是一種有效的鹽堿土改良方法。秸稈還田對表層土壤pH值的影響較大,且隨著還田年限的延長,土壤pH值表現(xiàn)出一定的下降趨勢[18],同時,秸稈還田增加了土壤中的陽離子交換量,進(jìn)而使土壤的堿化度降低,明顯改良了鹽堿化土壤[19]。

        目前,關(guān)于Al2(SO4)3、秸稈單一使用對鹽堿土的改良已經(jīng)開展了一些研究[12,16-18],但關(guān)于二者同時使用對蘇打鹽堿土的改良效果及機制尚不清楚。因此,本文以吉林省西部蘇打鹽堿土為供試土壤,研究玉米秸稈和Al2(SO4)3對蘇打鹽堿土pH值、可溶性鹽含量和陽離子交換量的復(fù)合作用效果,并進(jìn)一步揭示蘇打鹽堿土鹽分和堿化度的變化,為蘇打鹽堿土高效改良及合理施用提供理論 依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 供試材料

        供試硫酸鋁為工業(yè)Al2(SO4)3。

        供試玉米秸稈取自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田,田間自然風(fēng)干后再放入25oC烘干箱中烘干,取出雜物,粉碎并過1 mm篩,此秸稈的有機碳含量為486.14 g/kg。

        供試蘇打鹽堿土采自吉林省大安市安廣鎮(zhèn)樂勝鄉(xiāng)(45.56° N,123.78° E),采用對角線布點法,共布置36個采樣點,每個采樣點采樣深度為0~20 cm,樣品采集后混合均勻,用四分法獲取4 kg。樣品帶回實驗室后,自然風(fēng)干,研磨過2 mm篩備 用[20],蘇打鹽堿土的主要化學(xué)指標(biāo)如表1所示。

        表1 蘇打鹽堿土的主要化學(xué)指標(biāo)

        1.2 室內(nèi)模擬試驗

        試驗中玉米秸稈和Al2(SO4)3分別設(shè)置4個和6個用量水平,共計24個處理,具體情況見 表2。依據(jù)表2中各處理的設(shè)置情況,向500 g蘇打鹽堿土中分別加入一定量的玉米秸稈和Al2(SO4)3, 并與土壤充分混勻后,向其中加入蒸餾水至土壤含水率為15%。將培養(yǎng)盒置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中,共計培養(yǎng)300 d。期間保持恒定含水量。培養(yǎng)結(jié)束后,將土壤樣品風(fēng)干,進(jìn)行鹽堿化指標(biāo)的分析 測試。

        表2 培養(yǎng)試驗設(shè)計(%)

        1.3 土壤基本理化性質(zhì)的測定方法

        供試蘇打鹽堿土pH值采用電位法(水土比為5∶1)測定[21];Ca2+、Mg2+采用EDTA絡(luò)合滴定 法[21]測 定;Na+、K+采 用 火 焰 光 度 法 測 定[21],CO32-、HCO3-采用雙指示劑中和滴定法測定[22];陽離子交換量(CEC)采用乙酸鈉-火焰光度法測 定[21];交換性鈉采用NH4OAc-NH4OH火焰光度法測定[21]。

        土壤堿化度(ESP)是指土壤膠體吸附的交換性Na+占陽離子交換量的百分率。

        堿化度(%)=交換性鈉含量(Na+cmol/kg)/陽離子交換量(cmol/kg)×100

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        本試驗采用Origin 2018進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 玉米秸稈和Al2(SO4)3施入蘇打鹽堿土后pH值的變化

        圖1為添加玉米秸稈和Al2(SO4)3對蘇打鹽堿土pH值的影響。整體而言,隨著Al2(SO4)3加入量的增加,蘇打鹽堿土pH值明顯降低;而秸稈的引入,也略微促進(jìn)了pH值的降低。當(dāng)Al2(SO4)3加入量≤0.8%時,蘇打鹽堿土的pH值隨 Al2(SO4)3加入量增加表現(xiàn)為急劇下降的趨勢,下降幅度為1.330~1.935個單位。在Al2(SO4)3加入量為0.8%~2.0%時,蘇打鹽堿土pH值基本呈緩慢下降的趨勢,降幅為0.090~0.285個單位。在未添加玉米秸稈時,Al2(SO4)3加入量越大,蘇打鹽堿土pH值降低越多。與A0S0相比,在A0.4~2.0S0這些處理中,蘇打鹽堿土的pH值下降幅度為1.36~2.08個單位。在Al2(SO4)3加入量相同時,蘇打鹽堿土pH值隨玉米秸稈添加量增加而緩慢降低。如當(dāng)Al2(SO4)3加入量為0.8%時,A0.8S0、A0.8S5、A0.8S10和A0.8S15各處理的蘇打鹽堿土pH值分別降低了0.29、0.18和0.24個單位。

        圖1 玉米秸稈和Al2(SO4)3對蘇打鹽堿土pH值的影響

        2.2 玉米秸稈和Al2(SO4)3施入蘇打鹽堿土后可溶性鹽的變化

        圖2為 玉 米 秸 稈 和Al2(SO4)3對 蘇 打 鹽堿土可溶性鹽含量的影響。如圖2所示,玉米秸稈和Al2(SO4)3的施入增加了蘇打鹽堿土的陽離子含量。隨著Al2(SO4)3和玉米秸稈用量的增加,K+含量均呈上升趨勢。在Al2(SO4)3的協(xié)同作用下,隨玉米秸稈添加量的增加,K+含量有所提高,在A2.0S5、A2.0S10和A2.0S15處理中,K+含量與A2.0S0相比分別增加了18.3%、43.3%和188%。另一方面,在玉米秸稈添加量相同時,K+含量隨Al2(SO4)3加入量的增加而升高,在A0.4~2.0S15這些處理中,與A0S15相比,蘇打鹽堿土中K+含量增加了25.4%~158.0%。當(dāng)玉米秸稈添加量相同時,隨Al2(SO4)3加入量的增加,Na+含量呈現(xiàn)比較明顯的上升趨勢。與對照相比,Na+含量在A0.4~2.0S15這些處理中比在A0S15處理中提升了20.4%~68.6%。在Al2(SO4)3加入量相同時,玉米秸稈添加量越多,Na+含量升高得越快。在A2.0S5、A2.0S10和A2.0S15處理中,蘇打鹽堿土中Na+含量比A2.0S0處理分別高出了3.21%、4.44%和 7.10%。

        圖2 玉米秸稈和Al2(SO4)3對蘇打鹽堿土可溶性鹽含量的影響

        Ca2+和Mg2+含量隨著Al2(SO4)3加入量的增加而升高。在Al2(SO4)3加入量相同時,隨著玉米秸稈添加量增加,Ca2+、Mg2+含量均呈上升趨勢。A2.0S15處理的蘇打鹽堿土Ca2+含量最高。與A0S0處理相比,蘇打鹽堿土中Ca2+含量在A2.0S15、A2.0S0和A0S15處理中分別增加了16、6和1倍。由此可知,A2.0S15與A0S0之間的增量遠(yuǎn)大于A2.0S0、A0S15兩者與A0S0的增量的和。而在A0.4S15~A2.0S15這段區(qū)域,Mg2+含量呈現(xiàn)明顯的上升趨勢,并在A2.0S15處理出現(xiàn)最大值。相同情況下,蘇打鹽堿土中Mg2+含量在A2.0S15、A2.0S0和A0S15處理中分別比A0S0高出了566%、415%和41.5%,A2.0S15與A0S0之間的增量大于A2.0S0、A0S15兩者與A0S0的增量的和。以上說明在蘇打鹽堿土中添加玉米秸稈和Al2(SO4)3, 對于增強Ca2+和Mg2+含量有明顯的促進(jìn)作用。

        添加玉米秸稈和Al2(SO4)3降低了蘇打鹽堿土中CO32-和HCO3-的含量。CO32-被Al2(SO4)3水解產(chǎn)生的H+所中和,從而導(dǎo)致CO32-含量降低,因此在土壤pH值相對較低的A1.2~2.0S0、A0.8~2.0S5、 A0.4~2.0S10以及A0~2.0S15處理中,CO32-均未檢出。在未添加Al2(SO4)3的條件下,CO32-含量隨玉米秸稈添加量的增加呈下降趨勢。在Al2(SO4)3加入量小于0.4%時,HCO3-含量隨著玉米秸稈添加量和 Al2(SO4)3的增加而出現(xiàn)大幅度降低。此階段HCO3-含量取決于玉米秸稈和Al2(SO4)3的共同作用。在Al2(SO4)3加入量大于0.4%時,HCO3-含量則主要取決于Al2(SO4)3的加入量。隨著 Al2(SO4)3加入量的增加,HCO3-含量逐漸減小,且各含量之間的差距也隨之減小。

        2.3 玉米秸稈和Al2(SO4)3施入蘇打鹽堿土后CEC的變化

        玉米秸稈和Al2(SO4)3對蘇打鹽堿土CEC的影響如圖3所示。由圖3可知,蘇打鹽堿土CEC隨玉米秸稈和Al2(SO4)3添加量的增加呈上升趨勢。如玉米秸稈添加量為5%時,CEC隨Al2(SO4)3加入量增加而升高,與A0S5相比,蘇打鹽堿土CEC在A0.4~2.0S5這些處理中高出了47.1%~117.7%,表明Al2(SO4)3對蘇打鹽堿土的CEC有一定的促進(jìn)作用。在Al2(SO4)3加入量相同時,玉米秸稈添加量越大,CEC越高。A0.8S5、A0.8S10和A0.8S15處理中CEC與A0.8S0相比分別提高了11.5%、17.5%和27.1%。

        圖3 玉米秸稈和Al2(SO4)3對蘇打鹽堿土陽離子 交換量的影響

        2.4 玉米秸稈和Al2(SO4)3施入蘇打鹽堿土后ESP的變化

        玉米秸稈和Al2(SO4)3對蘇打鹽堿土ESP的影響如圖4所示。從圖4可以看出,隨Al2(SO4)3和玉米秸稈添加量的增加,蘇打鹽堿土ESP呈現(xiàn)下降的趨勢。與A0S0相比,在A0.8S0、A0.8S5、A0.8S10、A0.8S15處理中,蘇打鹽堿土ESP分別下降 了42.2%、37.1%、26.7%、27.8%。與A0S15相比,在A0.8S15、A1.2S15、A1.6S15、A2.0S15處理中,蘇打鹽堿土ESP分別下降了32.8%、30.2%、37.0%、30.9%。在Al2(SO4)3加入量為2.0%時,蘇打鹽堿土ESP分別為22.50%、22.50%、20.2%、19.7%,且A2.0S15處理的蘇打鹽堿土ESP最低。由此可知,在Al2(SO4)3加入量達(dá)到最大時,玉米秸稈的引入對蘇打鹽堿土ESP影響不大。而在Al2(SO4)3加入量為2.0%時,蘇打鹽堿土CEC繼續(xù)增加,說明交換性Na+已達(dá)飽和,這致使ESP趨近相同[23]。 在Al2(SO4)3加入量為0%~0.4%、玉米秸稈添加量為0%~15%時,蘇打鹽堿土ESP有明顯的下降趨勢,降幅為23.8%~33.7%。而在秸稈添加量為0%~15%、Al2(SO4)3加入量分別為0%和0.4%時,蘇打鹽堿土ESP的降幅則分別為8.1%~16.1%和3.68%~14.5%。說明在這段區(qū)域內(nèi),Al2(SO4)3對土壤ESP的降低起到了決定性作用。未加入Al2(SO4)3時,隨著玉米秸稈添加量的增加,蘇打鹽堿土ESP降低,主要體現(xiàn)在A0S5、A0S10和A0S15處理比A0S0處理分別減少了11.6%、25.9%和31.9%。

        3 討論

        3.1 玉米秸稈和Al2(SO4)3對蘇打鹽堿土pH值的影響

        在添加Al2(SO4)3的基礎(chǔ)上,采用秸稈還田是改善鹽堿土土壤鹽分和堿化度的一項有效措施。本試驗研究結(jié)果表明,Al2(SO4)3加入土壤后,土壤溶液中的Al3+會直接進(jìn)行水解作用,隨之出現(xiàn)相應(yīng)的單體鋁、多聚體鋁,以及豐富的H+,H+會和土壤中的OH-進(jìn)行中和反應(yīng),所以降低了土壤的pH值[23],但加入Al2(SO4)3過多時,土壤溶液會通過陽離子交換反應(yīng)發(fā)揮出一定的緩沖性能,使其pH值不發(fā)生明顯變化,這與李秀軍[24]、Recheigl等[25]研究結(jié)果一致。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的另一個原因可能是秸稈在土壤腐解時會產(chǎn)生有機酸和二氧化碳被土壤微生物所利用,產(chǎn)生微生物量多,新陳代謝能力增強,產(chǎn)生的有機酸就越來越多,當(dāng)達(dá)到最高值時趨于平衡狀態(tài),在此過程中產(chǎn)生的二氧化碳會釋放到空氣中[26-27]。

        3.2 玉米秸稈和Al2(SO4)3對蘇打鹽堿土可溶性鹽的影響

        玉米秸稈和Al2(SO4)3的加入增加了蘇打鹽堿土中K+、Na+、Ca2+和Mg2+含量。其原因是 Al2(SO4)3中Al3+的水解作用產(chǎn)生大量的H+,促進(jìn)了土壤中碳酸鹽的溶解,Ca2+置換出土壤膠體所 吸 附 的K+以 及Na+,隨 著Al2(SO4)3不 斷 加入,產(chǎn)生的K+和Na+也逐漸增多[6]。另外,玉米秸稈中原本就含有豐富的鉀,研究表明,每100 g玉米秸稈中含鉀約為150 mg[27],秸稈加入土壤之后,自身的鉀也會釋放出來,這是導(dǎo)致土壤中K+含量增加的另一個原因。由于蘇打鹽堿土中鹽分主要以碳酸鹽為主,秸稈加入土壤后發(fā)生腐解作用產(chǎn)生腐殖物質(zhì),腐殖物質(zhì)的形成也促進(jìn)了碳酸鈣的溶解,激活了土壤中被固化的Ca2+,進(jìn)而提高了Na+的代換量[6]。Al2(SO4)3進(jìn)入土壤后會水解產(chǎn)生大量的H+,H+與土壤中CO32-結(jié)合形成HCO3-,從而使鈣鎂由碳酸鹽沉淀形式轉(zhuǎn)為碳酸氫鹽溶解態(tài)形式,進(jìn)而增加了鈣鎂離子含量[6]。秸稈分解礦化產(chǎn)生有機酸和CO2,其中,CO32-會釋放轉(zhuǎn)化成HCO3-,從而使CO32-含量逐漸減小[23],而 Al2(SO4)3的存在則加速了秸稈的腐解,CO32-轉(zhuǎn)化成HCO3-,HCO3-與Al3+水解產(chǎn)生的H+反應(yīng)生成CO2和H2O,從而使得HCO3-含量降低[26], 導(dǎo)致HCO3-含量逐漸降低的另一個原因是Al2(SO4)3逐漸加入后,Al3+水解產(chǎn)生H+,與HCO3-反應(yīng)進(jìn)而不斷地消耗HCO3-[27]。CO32-和HCO3-含量的減少標(biāo)志著蘇打鹽堿土總堿度(CO32-和HCO3-)的降低,該結(jié)果也從實際上證明了秸稈和Al2(SO4)3可以有效改良土壤總堿度[28]。

        3.3 玉米秸稈和Al2(SO4)3對蘇打鹽堿土CEC和ESP的影響

        玉米秸稈和Al2(SO4)3加入蘇打鹽堿土后,土壤CEC隨玉米秸稈添加量的增加而升高,這是因為陽離子交換能力和土壤有機質(zhì)含量有一定的相關(guān)性[29-31],Al2(SO4)3加速了秸稈在土壤中的腐解,在此過程產(chǎn)生的腐殖物質(zhì)中存在著大量的羧基、酚基、烯醇基以及酚羥基,此類官能團(tuán)能夠使土壤中陽離子的交換位點變多[14],進(jìn)而導(dǎo)致蘇打鹽堿土CEC增加。玉米秸稈進(jìn)入土壤后會形成一定量的CO2及有機酸,有機酸活化土壤碳酸鈣,其中的Ca2+與Mg2+則能夠和土壤膠體中的Na+進(jìn)行置換,最終降低了蘇打鹽堿土ESP[32]。

        4 結(jié)論

        在加入Al2(SO4)3的基礎(chǔ)上,將玉米秸稈還田可以進(jìn)一步有效降低蘇打鹽堿土的pH值。由于土壤pH值的降低,促進(jìn)了土壤中堿土金屬碳酸鹽的溶解,降低了CO32-和HCO3-的含量,使Ca2+和Mg2+等二價陽離子含量增加,改善了土壤中交換性鹽基離子的結(jié)構(gòu),陽離子與土壤膠體上的Na+進(jìn)行置換,以此來實現(xiàn)蘇打鹽堿土ESP的降低。由此可見,玉米秸稈和Al2(SO4)3對土壤化學(xué)性質(zhì)的改良作用顯著。綜合而言,A0.8S15為改良蘇打鹽堿土的最佳處理組合。

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