竇炳琰，景何仿，李春光，王維紅，張文生

（1寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2北方民族大學土木工程學院，銀川 750021；3北方民族大學數(shù)學與信息科學學院，銀川 750021）

0 引言

全球氣候變化以及人類活動導致的土壤退化（包括污染、侵蝕、沙化、酸化和鹽漬化等）已成為威脅土壤健康的重要因素[1]。目前，全球鹽堿化土地面積約為9.54×109hm2，中國鹽堿化和次生鹽堿化土地分布廣泛，總面積超過0.33×109hm2，占全球鹽堿地總面積的4%左右[2-5]。寧夏引黃灌區(qū)地處中國西北地區(qū)，為典型的大陸性干旱氣候，是中國特大型灌區(qū)之一，也是國家和自治區(qū)重要的商品糧基地，年蒸發(fā)量是降雨量的5～9 倍。受干旱氣候、多年來灌排條件及不合理耕作等因素的影響，寧夏引黃灌區(qū)土壤鹽堿化及次生鹽堿化較為嚴重，該灌區(qū)各類鹽漬化面積達2.55×105hm2，占現(xiàn)有耕地面積的39.72%[6]。油葵是寧夏引黃灌區(qū)的經(jīng)濟作物，土壤鹽堿化嚴重影響其生長和發(fā)育，鹽堿化土壤的改良對于農業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展和保障糧食安全具有重要的理論價值和實踐意義[7-8]。

根據(jù)鹽堿地改良利用方法的不同，可將鹽堿地改良措施分為水利工程、物理、生物、化學措施[9]。水利工程措施主要包括灌溉洗鹽、暗管排水等，對氯化物、硫酸鹽氯化物鹽土改良效果顯著，但對堿土的改良效果不明顯[10]，且寧夏引黃灌區(qū)的土壤鹽堿相伴而生，灌溉滲漏水雖然可以起到淋洗土壤鹽分的作用，但滲漏水又補給土壤水及地下水，使地下水位升高，進而增加了土壤水分向上運移的速度及流量，強化地下水的蒸發(fā)，使下層土體和地下水中鹽分向上積累的數(shù)量增加，進而造成鹽分更易積于土壤表層。近年來，隨著工業(yè)用水不斷增加，農業(yè)灌溉用水壓力在逐年遞增，從提高農業(yè)灌溉的水資源利用效率角度而言，單一的灌水洗鹽方法也不利于農業(yè)的高質量發(fā)展，即灌水洗鹽措施已不能很好地解決該地區(qū)的鹽堿問題，需配合其他改良措施來改良鹽堿土壤。物理措施[11]主要包括土地平整、深耕深翻、客土壓鹽、壓砂改良等措施，其操作簡單，可以改善土壤環(huán)境，但工程量大、投入成本較高且鹽分消除不徹底等原因導致其發(fā)展空間受限。生物措施[12]主要包括種植耐鹽品種、調整農業(yè)結構等措施，其缺點是不能從本質上改變土壤的鹽堿化狀況，周期長，不能快速提高經(jīng)濟效益?；瘜W措施[13]是通過施加土壤改良劑進行鹽堿地改良，其主要作用原理是改變土壤膠體的吸附性離子組成，能夠徹底消除土壤中的鹽分和Na+，從而改善土壤的理化性質，同時土壤改良劑還有實施方便的特點，是一種較為理想的鹽堿地改良措施。

采用不同的土壤改良劑對鹽堿化土壤進行改良已有大量研究[14]。結果表明，施用土壤改良劑能夠對土壤微生物產生積極的影響，從而有效地改善土壤理化性質和土壤養(yǎng)分狀況，提高土壤生產力。但市面上種類層出不窮的鹽堿土壤改良劑的改良機理是不同的[15]。況且中國鹽堿化土壤分布地域廣泛，鹽堿土類型及成因各有不同，盲目的照搬其他地區(qū)的改良鹽堿土經(jīng)驗，勢必會產生適得其反的結果?？啡┰兔摿蚴喔牧见}堿土具有來源廣泛、改良成本低等優(yōu)點，同時可為火力發(fā)電廠和農副產品資源化提供解決方案[16-18]。本研究針對寧夏引黃灌區(qū)的實際情況和鹽堿土的特點，借鑒前人的研究成果，選用效果較好且市面上常見的改良劑糠醛渣、脫硫石膏以及兩者的二元混合改良劑，以耐鹽堿的向日葵為供試作物，進行鹽堿地土壤改良試驗。寧夏引黃灌區(qū)地勢平坦，當?shù)馗珊档臍夂驐l件及長期引水灌溉使得地下水位較高，土壤多受鹽漬化危害，尤其地勢較低的耕地鹽漬化情況更為嚴重。這是由于地勢低處會匯集地勢較高處的灌溉水，同時鹽分無法有效淋洗至更深層土壤，蒸降比過大的氣候條件也會加劇鹽漬化的發(fā)生。通過比較、分析施用不同改良劑處理的土壤鹽堿指標變化，結合油葵生長狀況及產量，篩選改良鹽堿土效果好、向日葵增產量高的改良劑，以期為當?shù)匾约邦愃频貐^(qū)鹽堿地治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)銀川市西夏區(qū)南梁農場一隊(38°66′05″N，106°19′78″E)，為典型的大陸性氣候，屬于中溫帶干旱氣候區(qū)，年均降水量202.6 mm，年均蒸發(fā)量1583.2 mm，年平均氣溫8.3℃，平均年無霜期159 d，年平均風速1.8 m/s。當?shù)貫橐S灌區(qū)，黃河水平均礦化度為0.5 g/L；作物以油葵、玉米和水稻為主，一年一熟制。試驗在2021年3—10月進行，試驗區(qū)全年地下水埋深1～3 m，4月初和10月初最深，7、8、11月中下旬最淺，試驗期間埋深為1～2 m。在2021 年3月22日、6月15日及9月30日測量試驗地地下水埋深分別為1.76、1.1、2.05 m。試驗地土壤(0～20 cm)基本理化性質見表1，鹽分離子以硫酸鹽為主，試驗地鹽分含量為5.65 g/kg，pH 8.09，依據(jù)《環(huán)境影響評價技術導則—土壤環(huán)境》的土壤鹽化、堿化分級標準可知，試驗田為重度鹽化、輕度堿化；依據(jù)美國農業(yè)部土壤質地分類標準，土壤質地為粉砂壤土。

表1 供試土壤的基本理化性質

1.2 供試材料選擇

試驗采用的糠醛渣為寧夏共享化工有限公司生產糠醛后產生的廢渣，呈黑色散狀，碳含量49.3%；脫硫石膏來自寧夏馬蓮臺發(fā)電廠，主要成分為CaSO4·H2O，附著水含量9.5%（質量含水率），兩者的基本理化性質見表2。

表2 改良劑的基本理化性質

1.3 試驗設計

試驗于2021年4—9月進行，以改良劑為變量進行綜合性試驗。試驗施用的土壤改良劑為糠醛渣、脫硫石膏、復合糠醛渣+脫硫石膏，每一種改良劑設置同樣的施用量，共10個處理組，其中第1組為對照組，每組設3 次重復。本試驗小區(qū)布置采用隨機區(qū)組排列，每個小區(qū)長10 m、寬8 m，小區(qū)間設置1 m寬過道作為隔離帶以避免不同處理組的相互干擾。將改良劑均勻撒在表土上，采用旋耕機深耕使之在土壤0～20 cm 土層范圍內混合均勻，旋耕過程中施加化肥。整個生育期內化肥作為基肥一次性施入N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 30 kg/hm2，播種采用機械播種，行距60 cm、株距55 cm，種植密度30300 株/hm2，試驗后期無改良劑以及化肥的追加施用，其他田間管理方式采用當?shù)爻Ｒ?guī)管理模式，具體試驗設計見表3。

表3 各處理組基本情況

1.4 測定項目與方法

土壤理化性質參照《土壤農化分析》[19]進行。按照水土比5:1浸提水溶鹽，Ca2+和Mg2+采用EDTA滴定法測定；Na+和K+采用火焰光度法測定；CO32-和HCO3-采用雙指示劑中和滴定法測定；土壤pH采用pH計測定；土壤全鹽量采用八大離子加和法得到；總堿度和鈉吸附比(SAR)通過各鹽分離子含量計算得到。

總堿度和鈉吸附比(SAR)用式(1)和式(2)計算[20]。

式中，CO32-、HCO3-單位為cmol/kg；Na+、Ca2+、Mg2+單位為mmol/L。

利用式(3)計算鹽分相對變化率。

1.4.2 油葵生長指標及產量測定油葵生育階段分別于播種后30 d、播種后70 d進行生長指標的測量，包括株數(shù)、株高和莖粗。各小區(qū)株數(shù)采用人工數(shù)苗統(tǒng)計得到，株高和莖粗分別采用刻度尺和游標卡尺進行測量；各小區(qū)隨機選取10株油葵敲打獲得油葵籽粒，進行晾曬后稱取每株油葵的籽粒質量，取10株油葵的平均值作為每個小區(qū)的單株產量，并依據(jù)式(4)計算油葵產量。

油葵產量=平均單株籽粒重×株數(shù) ………… (4)

1.4.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計每個處理各項指標數(shù)據(jù)均為3次重復的平均值。采用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理和作圖。

2 結果與分析

2.1 不同改良劑對土壤鹽分含量的影響

圖1a 為2021 年3 月施加改良劑前試驗田裸土照片，試驗田表層呈明顯的鹽化，且有白色鹽粒析出，其主要原因為當?shù)卣艚当冗^大，伴隨地下水向上運移造成鹽分聚集于土壤表層。圖1b 為2021 年6 月試驗田劃分小區(qū)及施加改良劑后的裸土照片，經(jīng)旋耕機犁作后，土壤呈現(xiàn)平整和松散狀態(tài)。

人才匱乏，已經(jīng)成為印刷業(yè)發(fā)展的制約瓶頸。癥結何在？出路何在？發(fā)展中的問題只能在發(fā)展中解決，辦法總比困難多。

圖1 改良前3月裸土照片以及6月初試驗田劃分小區(qū)照片

圖2 中CK0為種植前的土壤數(shù)據(jù)，并以靜態(tài)的時間表征，CK為同時期的空白對照，兩者對比可得到未添加改良劑組在時間上的變化趨勢。從圖2 可以看出，添加改良劑的各處理組6 月土壤鹽分均高于種植前和同期CK組，這是因為改良劑本身攜帶大量鹽分，且該期間內沒有進行灌溉，僅依靠降雨進行鹽分淋洗，降雨量少伴隨地表蒸發(fā)強烈，鹽分上行導致表層土壤鹽分升高；除CK 組外，9 月鹽分含量相較6 月各處理組均有不同程度的下降，這與改良劑的無機鹽離子與土壤中的鹽分離子的置換反應有關，7、8 月為該地區(qū)降雨最為集中的時間，作物的生長也帶走土壤的一部分鹽分。

圖2 施用不同改良劑處理表層土壤的鹽分含量

不同改良劑處理土壤6月鹽分升高幅度由低到高為對照組(CK)＜糠醛渣(K)＜復合糠醛渣+脫硫石膏(H)＜脫硫石膏(T)；與對照處理相比，6 月脫硫石膏處理組土壤鹽分增加值較大，而糠醛渣和復合糠醛渣+脫硫石膏處理組鹽分增加幅度較小，可能與施用的改良劑本身的無機鹽分離子以及試驗地的土壤狀況有關。由于不可能選擇含鹽量完全一致的地塊，即使在同一小區(qū)內不同地點含鹽量也有一定的差異。因此，采用鹽分相對變化率對各改良材料處理的鹽分改良效果進行比較。從圖2可見，在9月作物收獲時，復合糠醛渣+脫硫石膏處理組鹽分較種植前分別下降10.44%(H1)、10.14%(H2)、0.88%(H3)；脫硫石膏T1、T2組鹽分分別下降1.77%、1.95%，T3組上升3.19%；糠醛渣K1、K2組鹽分分別下降5.31%和1.24%，K3組上升0.18%。復合糠醛渣+脫硫石膏處理組與對照處理相比抑制表層土壤鹽分上升的效果明顯，這是由于脫硫石膏Ca+含量大，可置換出大量Na+，糠醛渣本身的容重小，且疏松可改善土壤結構，從而有利于鹽分淋洗。

2.2 不同改良劑對土壤陽離子及鈉吸附比(SAR)的影響

土壤陽離子交換作用是當土壤用一種鹽溶液淋洗時，土壤具有吸附溶液中陽離子的能力，同時釋放出等量的其他陽離子如Ca2+、Mg2+、K+、Na2+等。各種離子的置換能力為Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+，因此探究改良劑對土壤陽離子的含量影響有助于從理論上分析土壤具體的鹽分運移規(guī)律。土壤鈉吸附比是評價灌溉水水質和土壤鹽堿化程度的重要指標。圖3施用不同改良劑處理的表層土壤陽離子變化和鈉吸附比測定結果顯示，6月糠醛渣組(K3)、復合糠醛渣+脫硫石膏處理組(H3)的Na+含量下降幅度最大，分別為0.94、1.04 g/kg，其他處理組的Na+變化幅度不明顯；9月油葵收獲時，這2組的Na+含量依舊是最小的，分別為0.97、0.92 g/kg。改良劑處理組較CK 組土壤鈉吸附比均有不同程度的下降，其中6月糠醛渣組(K3)的鈉吸附比最小為4.01，9月脫硫石膏組(T2)的鈉吸附比最小為4.20。9 月收獲時表層土壤的SAR值與6 月作物生長期相比，糠醛渣組(K1、K3)、復合糠醛渣+脫硫石膏處理組(H1、H2)、對照組(CK)的鈉吸附比呈上升趨勢，上升幅度為H1＞CK＞K3＞H2＞K1，其中H1組的上升值為0.37 個單位；脫硫石膏組(T1、T2、T3)和復合糠醛渣+脫硫石膏處理組(H3)的鈉吸附比呈下降趨勢，下降幅度為T2＞T1＞T3＞H3，其中T2組的下降值為0.73 個單位，脫硫石膏組(K2)無明顯變化。根據(jù)離子的置換能力，糠醛渣中含有較多的K+，脫硫石膏含有較多的Ca2+，改良劑攜帶的離子含量和種類使得置換進行的程度不同，造成了SAR值的不同變化。

圖3 施用不同改良劑處理表層土壤的陽離子含量和鈉吸附比

2.3 不同改良劑對土壤陰離子及總堿度的影響

采用總堿度來表征土壤的堿化程度，即CO32-和HCO3-含量兩者之和。從圖4中可以看出，各處理表層土壤6 月的Cl-和SO42-均大于同期CK 組，9 月收獲期Cl-和SO42-均呈不同程度下降，其中脫硫石膏組(T2)的Cl-含量最小為1.03 g/kg，復合糠醛渣+脫硫石膏處理組(H2)的SO42-的含量最小為1.40 g/kg；9月各處理組的總堿度均大于同組的6月，9月各改良劑處理組的總堿度均小于CK組，總堿度降低幅度為T3＞K2＞K3＞T2＞K1＞H3＞H2＞H1＞T1＞CK，即脫硫石膏處理組(T3)總堿度降低幅度最大為0.39 個單位，其次為糠醛渣組(K2)為0.37 個單位。表明土壤總堿度以HCO3-為主，CO32-含量較少。

圖4 施用不同改良劑處理表層土壤的陰離子含量和總堿度

2.4 不同改良劑對油葵生長指標和產量的影響

圖5a中，除K3和T2組外，其余處理均較CK組有株數(shù)上的增加，其中H3組的株數(shù)最多，為12000 株/hm2。圖5b中，不同處理組在6月H1組莖粗最大，9月T3組莖粗最大；6 月H1組株高最高為116.0 cm，9 月T2組株高最高為155.3 cm。各處理組產量差異較大，由高到低為H2＞H1＞K2＞H3＞K1＞T2＞T1＞CK＞T3，其中H2組的產量為2248 kg/hm2，CK組為380 kg/hm2。油葵單株產量各組之間差異較小，其影響因素主要是作物在成長中期養(yǎng)分的供應程度，因K3、T1、T2、T3和CK 處理的株數(shù)最少，單個作物所占有的養(yǎng)分較多，促使其單株產量較大。此外，當作物苗期正常發(fā)育之后，作物收獲時單株產量差異較小，表明此時作物已經(jīng)具備較強抗逆性，不利的鹽分脅迫和堿性毒害在苗期之前沒有讓作物壞死，后期則不會對作物的生長及產量產生較大的負作用，但最終的產量有巨大差異。單個小區(qū)的株數(shù)差異反映了出苗率的高低，而作物在生長早期最容易受鹽分脅迫，同時鹽分會延遲種子的萌發(fā)。

圖5 不同改良劑對油葵生長指標和產量的影響

3 結論

本試驗主要研究寧夏引黃灌區(qū)的地勢低洼處土壤的化學改良效果，采用單一改良劑和復合改良劑進行施作，具體為單一施用糠醛渣、單一施用脫硫石膏、復合施用糠醛渣+脫硫石膏，主要分析了土壤的理化性質及作物的生長指標及產量。綜合分析、評價不同改良劑處理在不同施用量下的改良效果，以期尋找改良鹽堿效果顯著、使作物顯著增產的改良劑，增加低洼處的重度鹽堿土的農業(yè)利用價值，為低洼處鹽堿地治理提供理論參考。具體而言，在南梁農場的地勢低洼處試驗田施加不同改良劑對于土壤的理化性質的影響是不同的，油葵產量之間的差異也較大。油葵收獲期復合糠醛渣+脫硫石膏處理組的全鹽量下降明顯，施用量為12572、17960 kg/hm2對油葵的增產是顯著的；單一施用脫硫石膏對油葵的增產無顯著作用；單一施用糠醛渣，油葵產量有較大增加。值得注意的是，試驗初期即作物出苗時，各處理組的鹽分含量均有不同程度的升高，而與其他處理組相比，含有一定量的糠醛渣處理組在鹽分相當時，具有更多的株數(shù)，表明糠醛渣對土壤結構和土壤養(yǎng)分的影響有助于油葵出苗，增強其抗逆性。

（1）不同改良劑改良鹽堿土的效果不同。在降低土壤鹽分含量方面，復合糠醛渣+脫硫石膏組全鹽量下降較為明顯，復合糠醛渣+脫硫石膏（糠醛渣:脫硫石膏=7:3）施用量為12572、17960、23348 kg/hm2與改良前相比鹽分含量降低了10.44%、10.14%、0.88%，單一脫硫石膏和單一糠醛渣抑鹽效果不明顯；在降低鈉吸附比方面，單一脫硫石膏施用量17960 kg/hm2最為顯著，降低了0.73個單位，顯著改善了土壤鹽分的離子組成，復合糠醛渣+脫硫石膏、單一脫硫石膏和單一糠醛渣處理較對照處理下降明顯；總堿度方面脫硫石膏施用量23348 kg/hm2下降最為顯著，下降了0.39個單位。

（2）對于鹽分較大的土壤，并不是所有改良劑都可促進產量增長，改良劑的添加使得土壤鹽分接近作物耐受閾值，會造成初期出苗受阻或死亡，進而降低作物產量。在所有處理組中，復合糠醛渣+脫硫石膏(7:3)、施用量為17960 kg/hm2增產效果最好，相較CK組增產4.9倍。

（3）綜合評價土壤改良和油葵增產效果，以施用復合糠醛渣+脫硫石膏處理降低土壤全鹽量，降低土壤SAR值和提高作物產量效果最好，可以認為復合糠醛渣+脫硫石膏混合（比例7:3）、施用量為17960 kg/hm2適用于研究區(qū)地勢低洼處鹽堿地改良。

4 討論

4.1 不同改良劑對土壤鹽堿指標的影響

油葵收獲期，除T3處理組外，其他處理組土壤全鹽量均小于CK 組，這是因為T3組施用的脫硫石膏含量最多，而石膏類改良劑中Ca2+置換出Na+，可以改善土壤結構，有利于土壤鹽分淋洗，改良初期添加大量的Ca2+，有全鹽量上升的現(xiàn)象，隨著置換反應的進行，油葵成熟期全鹽量明顯下降，但改良時間較短造成T3組仍高于CK處理；糠醛渣本身疏松多孔，可以有效改善表層土壤結構，從而破壞鹽分上升通道，起到隔鹽作用[21-22]，所以K1、K2、K3處理組土壤全鹽量下降明顯，且全鹽量從大到小為K3＞K2＞K1，該試驗結果與南江寬在濱海地區(qū)的研究結果一致[23]；H1和H2處理組的全鹽量下降是最為顯著的，其原因可能是糠醛渣改善土壤結構促進土壤熟化，增加脫硫石膏的溶解量，進而提升Ca2+的置換能力，兩者協(xié)同促進鹽分運移，同時破壞毛細管抑制土壤反鹽。分析2021 年西夏區(qū)6—8 月遇見罕有的干旱氣候，長時間的日照使得耕地的水分大量蒸發(fā)，故地下水通過毛管作用力不斷補充土壤水，“鹽隨水來”同時水分蒸發(fā)，使得CK處理在夏季的全鹽量也無明顯下降趨勢。

4.2 不同改良劑對作物產量的影響

施用改良劑后，K1、K2產量較高，但K3產量急劇下降，6月的全鹽量為K3＞K2＞K1，K3處理組過量的糠醛渣帶來了大量鹽分，此時接近于油葵的耐鹽閾值，因此產量急劇下降，K1、K2處理組的糠醛渣帶來鹽分的同時也攜帶了養(yǎng)分，可能養(yǎng)分有助于油葵種子的發(fā)芽和提升耐鹽度；T1、T2、T3組的油葵產量接近于CK 組產量，脫硫石膏對油葵的增產效果不明顯，甚至有負作用，該現(xiàn)象的產生可能是因為施加改良劑的時間較短，需進行長期觀察，油葵出苗期的土壤鹽分接近油葵的耐鹽閾值，脫硫石膏也不能為油葵提供額外的養(yǎng)分，因為充分的降雨能促進鹽分的淋洗和置換，試驗區(qū)未曾進行灌溉且降雨較少，油葵出苗期土壤全鹽量過大使得油葵產量過低，其添加至土壤能否起到最佳的效果，需要進一步觀察；H1、H2處理組產量有顯著增加，表明糠醛渣+脫硫石膏組合對油葵的產量產生積極作用，糠醛渣可以讓土壤結構改善，同時提供養(yǎng)分，進而提升油葵的抗逆性，使得油葵的株數(shù)和產量明顯增加，同時糠醛渣有助于脫硫石膏離子置換反應的進行。