不同秸稈利用方式下江蘇濱海鹽堿地鹽堿障礙調控

葛 云， 程知言， 胡 建， 孫豐瑞， 楊晉煒

(江蘇省有色金屬華東地質勘查局地球化學勘查與海洋地質調查研究院，江蘇南京 210007)

鹽堿土是指一系列受土體中鹽堿成分作用的，包括各種鹽土、堿土以及不同程度鹽化、堿化土壤的總稱。當前，土壤鹽堿化已成為一個全球性的問題。全世界鹽堿地的總面積高達9.54億hm2，我國約為9 900萬hm2[1]。其中，濱海鹽堿地在我國沿海地區廣泛分布，除了海平面自然淤漲形成外，大部分是由人類圍墾產生的，隨著沿海大開發戰略的實施，此類型鹽堿地的面積還在不斷增長中。在國家經濟社會快速發展對土地需求和耕地紅線趨緊的大趨勢下，自然形成和人工灘涂圍墾產生的濱海鹽堿地是我國重要的后備土地資源，具有極大的經濟價值和社會價值。

濱海鹽堿地大多由于退海而形成，積鹽過程的鹽分補給方式主要是海水浸漬和溯河倒灌。濱海鹽漬土具有不同于內陸鹽土的一系列特性，不僅表層土積鹽重，心土含鹽量也很高，土壤積鹽程度受氣候影響較多[2]。同時，由于土壤內積累了大量的鹽分，引起一系列土壤物理性狀的惡化，嚴重妨礙農業生產，如土壤通氣性差、容重高、好氣性微生物活性差、飽和導水率低、毛細作用強等，加劇了表層土壤的鹽漬化[3]，嚴重影響土地生產力和作物生長。目前沿海大部分新圍墾區尚無法直接進行農業生產和開發利用，嚴重制約了沿海地區社會經濟迅速發展對土地資源的迫切需求。

我國是秸稈資源最為豐富的國家之一，一年可生產 6億～8億t 秸稈，且隨著農作物產量的提高，秸稈量還將增加[4]。傳統上作物秸稈是農村的生活燃料與牲畜粗飼料的主要來源，近年來，為了有效利用秸稈這項資源，農業部大力向全國農村推薦秸稈還田技術[5-6]。國內外研究學者針對秸稈等生物質材料改良鹽漬土已經進行了大量的研究，并取得了一定的研究成果[7-8]。作物秸稈中含有大量有機質、氮、磷、鉀和微量元素，是農業生產重要的有機肥源之一。據分析，100 kg鮮秸稈所含營養成分相當于2.4 kg氮肥、3.8 kg磷肥和3.4 kg鉀肥。將500 kg農作物秸稈還田，相當于給土壤施入標準肥50 kg以上，土壤有機質含量可提高0.03%左右，并且使土壤的容重減少，透水性、透氣性、團粒結構增加，蓄水保墑能力增強[5]。秸稈還田利用方式有多種，如秸稈覆蓋、整株還田、根茬粉碎還田、秸稈生物質反應堆等[2]。但在對濱海鹽堿地改良應用方面，秸稈還田利用方式與其他改良劑相比研究尚顯不足。本研究針對濱海鹽堿地土壤鹽漬化障礙，擬通過對比不同覆蓋材料、秸稈利用方式等，在排堿降鹽的基礎上，探討不同改良方式對自然條件變化的響應，尋找一種低成本、高效且持久的濱海鹽堿地降鹽和抑制返鹽途徑，以期為江蘇濱海鹽堿地改良應用提供依據。

1 研究區概況及方法介紹

1.1 研究區概況

研究區位于南通市通州灣江海聯動開發示范區內(121°24′16″～121°26′16″E，32°14′23″～32°16′42″N)。試驗地于2008年圍墾，后進行海產養殖，2013年原地推平復墾。進場伊始，研究區土壤pH值8.06～8.57，初期表層土壤鹽度較高(11‰～32‰)，平均值為23‰，屬于重度鹽土級別。

通州灣地處我國南黃海輻射沙脊群南翼，地處中緯度地帶，屬亞熱帶濕潤氣候區，受海洋和季風環流影響，四季分明，氣候溫和，降水充沛，光照充足。年平均氣溫15.2～16.6 ℃，最低氣溫-10.6 ℃，最高氣溫38.6 ℃。年降水量976.6～1 258.1 mm，且雨熱同季，汛期(6—9月)雨量相對集中，約占全年降水量的55%～80%。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 本試驗采取定點小區試驗方式，于2015年10月在通州灣鹽堿地改良示范基地進行。試驗設置：空白、鉀硅鈣微孔礦物肥(簡稱礦物肥)、聚氯乙烯(PVC)地膜覆蓋(簡稱地膜覆蓋)、秸稈覆蓋、秸稈還田、秸稈還田+秸稈覆蓋，共計6個處理，每個處理重復3次，小區采用隨機排列方式，面積為0.1 hm2，小區之間以50 cm的淺溝相隔，試驗區周圍設置2 m的保護行。試驗種植作物品種為冬季綠肥作物大麥。詳細試驗方案見表1。

表1 試驗方案設計

1.2.2 試驗材料 主要為礦物肥、聚乙烯薄膜和小麥秸稈。礦物肥為一種純天然鉀硅鈣微孔礦物肥，能夠為土壤補充中微量元素，促進全營養平衡施肥，在我國北方鹽堿地區有較大范圍的推廣，具有明顯的土壤改良效果；秸稈為本試驗區附近收購的小麥秸稈；聚乙烯薄膜于周邊農具店購置。

1.2.3 試驗方法 由于本試驗區臨近海邊，初始地下潛水水位較高，本試驗是在本試驗區整體排灌系統建立完成后，抽水排澇至本試驗區地下水位控制在1.5 m之后進行的。首先平整土地，礦物肥和秸稈還田方案是在播種之前進行的，PVC地膜覆蓋和秸稈覆蓋在作物播種后實施。

試驗時間：2015年10月開始至2016年5月為止。

測試分析：試驗中所涉及到的土壤蒸發量測試方法為土壤蒸發器測定法(田間法)；降水量使用水量筒現場實際測量記錄；土壤水溶性鹽總量的測定采用陰陽離子質量之和法(水土質量比5 ∶1浸提)，監測頻率為7～14 d監測1次；土壤有機質含量在實驗室采用重鉻酸鉀容量法進行測定。

2 結果與分析

2.1 鉀硅鈣礦物肥與秸稈還田效果對比

對比鉀硅鈣微孔礦物肥、秸稈還田以及空白處理下土壤鹽度在3個典型季節間的變化。結果如圖1、表2所示，礦物肥處理下土壤表層鹽度在秋冬季階段(當年11月至次年2月)呈現緩慢下降趨勢，土壤鹽度由初始的13.36‰降低至7.46‰，下降率為 44.16%；空白處理與之表現類似，其表層鹽度下降率為 49.99%；秸稈還田處理鹽度降幅更大，下降率達到57.62%。春季(3月至4月)受外界自然條件變化影響，不同處理土壤鹽度均呈現明顯起伏，4月空白處理返鹽鹽度高值達到13.19‰，較3月表層鹽度低值增長率為92.59%；礦物肥處理返鹽也比較明顯，增長率達到81.80%；相比之下，秸稈還田處理鹽度曲線較為平穩，返鹽增長率僅為33.58%。最終，3種處理方案鹽度穩定在6‰～9‰。

2.2 秸稈不同利用方式土壤改良效果對比

對比秸稈3種不同處理方式，結果如圖2、表2所示。可以看出，秋冬兩季在3種處理方式下，土壤鹽度均呈現緩慢降低趨勢，鹽度由初始的11‰～13‰下降為4‰～7‰，鹽度下降率均值達到50%。然而在第2年的春季，受自然條件變化影響，3種處理方式下土壤表層鹽度均呈現了一定的提升趨勢，秸稈覆蓋處理鹽度較之前提升83.33%，秸稈還田處理鹽度提升33.58%，秸稈還田+秸稈覆蓋提升50.92%。最終，3種處理土壤鹽度均穩定在5‰左右，總體土壤鹽度下降率為44‰～55‰。

2.3 不同覆蓋材料土壤改良效果對比

本試驗對比了PVC地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理下的土壤表層鹽度變化，結果如圖3、表2所示。秋冬兩季，2種覆蓋處理下表層土壤鹽度均呈較穩定下行趨勢，表層土壤鹽度由12‰降低為6‰左右；在第2年春季，受自然條件影響，2種處理下表層土壤鹽度有了一定提升， 鹽度較之前均上升了80%左右。最終秸稈覆蓋和PVC地膜覆蓋處理鹽度分別穩定在6.55‰和6.93‰，總下降率分別為44.68%和47.54%。

表2 不同處理下表層土壤鹽度變化分析

2.4 改良前后土壤有機質含量變化

有機質是土壤的重要組成部分，含有植物生長所需要的各種營養元素，其數量和質量是表征土壤質量的重要指標。根據《江蘇省補充耕地質量評定技術規程》(試行)要求，0～20 cm土壤有機質含量需大于6 g/kg；根據《農用地質量分等規程》，土壤有機質含量可以劃分為6個級別，分級界限如表3所示。

表3 土壤有機質級別

圖4為試驗前后土壤表層有機質含量的變化，可見不同處理對土壤有機質含量變化的影響不同。試驗開始前，不同處理方案土壤中有機質含量較為均一，平均值在5 g/kg左右，為6級土壤。經過1季改良試驗，空白處理土壤中有機質含量較試驗前變化不大；礦物肥處理土壤有機質含量反而降低；PVC地膜覆蓋處理下有機質含量有少量提升；而秸稈還田、秸稈覆蓋+秸稈還田、秸稈覆蓋方案土壤有機質含量均得到了提高，分別為7.70、8.06、7.03 g/kg，與試驗前相比分別升高40.02%、60.14%、59.76%，均達到了5級以上土壤。由于作物秸稈富含纖維素、木質素等富碳物質，秸稈還田對土壤有機質含量有較好的提升效果，秸稈表層覆蓋模式下土壤中有機質含量升高幅度較大，另外秸稈深埋后分解緩慢，腐化程度高，肥效長，損失少。綜上，不同處理過程土壤有機質增加量排序表現為秸稈還田+秸稈覆蓋>秸稈還田>秸稈覆蓋>PVC地膜覆蓋。

3 討論

3.1 秸稈綜合利用與鉀硅鈣礦物肥改良對比討論

在本試驗區，秸稈還田處理在對表層土壤鹽堿障礙抑制方面比鉀硅鈣礦物肥表現好。如圖1所示，礦物肥處理下土壤鹽度曲線波動起伏明顯，整體表現與空白處理類似，雖然最終土壤表層鹽度降低至8.38‰，但在春季時，曾經一度返鹽升高至14‰～15‰，因此從整體上看，鹽度并沒有呈現明顯的下行趨勢。對比之下，秸稈還田處理下表層土壤鹽度基本上呈現明顯的下行趨勢，雖然也有一定波動，但是波動幅度小很多，說明秸稈還田對返鹽等情況有明顯的抑制作用。本試驗區土壤理化性狀差，土壤板實，孔隙度極低，改良土壤物理性質不僅關系到作物生長，而且對洗鹽、淋鹽也尤為重要。秸稈還田后質地疏松多孔，能夠有效地增加土壤孔隙度，促進團粒結構形成，更能夠促進鹽分的淋洗和排鹽，同時還能夠抑制返鹽發生，相比之下，礦物肥改良只是提高了土壤養分含量，在改良土壤物理性質方面表現不足。

3.2 秸稈不同利用方式優選

本試驗結果表明，在同樣的秸稈使用量條件下，對鹽分的抑制作用排序依次為秸稈還田>秸稈還田+秸稈覆蓋>秸稈覆蓋。秸稈還田處理方案在整個試驗期，雖然會因自然氣候原因稍有浮動，但整體呈穩定下降狀態；而秸稈覆蓋處理較空白處理在前期表現較好，而至次年4月時(特大降水)，鹽度發生較大波動；秸稈覆蓋+秸稈還田處理的表現介于這兩者之間。前人對比3種秸稈利用方式的表現也發現，秸稈覆蓋能夠切斷蒸發面與下層土壤的毛管聯系，減弱土壤空氣與大氣間的對流交換程度，有效抑制蒸發[9-10]。一方面降低了返鹽發生，另一方面能涵養田面水分，提高土壤水分利用效率。覆蓋對抑制土壤鹽分上行的效果是顯著且直接的，而在后期，隨著覆蓋時間的延長，秸稈自然腐爛加上降水影響可能將覆蓋表層的秸稈沖散，使降鹽的效果有所降低，故此種方式的持續性不佳。而秸稈還田處理，更側重改變土壤物理性質，降低土壤容重，增加孔隙度和大粒徑的微團聚體，改善耕層土壤環境[11-12]，促進鹽分淋洗，降低蒸發。在初始階段，由于秸稈剛被打入地下，受降水和日照的影響，土壤鹽度會出現一定的波動。到后期，隨著秸稈有效轉變為有機質等作物生長的肥料，對綠肥作物生長有促進作用，促進作物生物量的最大化、地下根系的生長，切斷鹽分上行，實現對鹽分的淋洗和轉化，從而最終達到降堿排鹽的目的，效果更加持久。

上述對比表明，3種秸稈綜合利用方式均對土壤降堿排鹽有一定的作用。秸稈覆蓋對降低表層蒸發、表層鹽分具有顯著的效果；秸稈還田可以對土壤進行改良，效果較慢但持續性良好。綜合對比可知，秸稈還田+秸稈覆蓋在本試驗區內更受推薦。

3.3 不同覆蓋材料對比

地面覆蓋法是在地表人為地鋪設一層與原地面物理性質不同的適當介質，通過改變地表的孔隙特性及其對太陽輻射的吸收-反射比率和地表長波輻射系數，以調節地面吸熱和蒸發條件，從而改善地層水分和熱狀況的措施。地面覆蓋可以改善土壤結構，促進作物生長和根系發育，減少地面蒸發以及抑制鹽分向地表聚積，是改良鹽漬土的一項重要方法[2，9]。地表覆蓋材料主要包括沙礫、PVC薄膜、紙漿、秸稈等。隨著化學工藝的發展，目前市場上推廣應用較多的覆蓋措施主要為PVC地膜覆蓋，無論是在對土壤增溫、抑鹽保墑、提高膜下土壤和空隙的溫度，還是加快作物生長發育和增加作物產量方面均具有較好的效果[13-15]。但PVC薄膜覆蓋利用中同樣存在問題，如地膜覆蓋容易造成后期脫肥，同時傳統地膜對環境造成了“白色污染”等一系列負面影響，隨著使用量增大，這個問題尤為突出，因此對無公害可降解地膜的使用技術和與其配套的農資技術研究就極為迫切。近些年，為了有效利用秸稈資源，農業部大力推廣秸稈綜合利用方式，秸稈覆蓋措施受到推薦。

如圖3所示，從2015年11月至次年2月，2種覆蓋處理下表層土壤鹽度均呈下降趨勢，秸稈覆蓋處理表層土壤鹽度下降趨勢表現更加平穩一些。而次年3月之后，秸稈覆蓋處理土壤鹽度浮動較大。其原因可能是秸稈覆蓋時間較長，受降水、大風影響上覆秸稈容易被吹散，造成地表裸露。結果表明，秸稈覆蓋與PVC地膜覆蓋對土壤鹽分的抑制表現較為相當，所以從降鹽和生態環保這2個角度來評價，秸稈覆蓋仍在濱海鹽堿地改良上更受推薦，覆蓋后期加強管護能夠取得較好的改良成果。

3.4 不同改良方案應對同等自然條件變化的響應

鹽堿地改良工程嚴重受自然條件變化影響，有學者研究發現，蘇北灘涂氣候濕潤，本是有利于土壤自然脫鹽的，但由于降水量和蒸發量在年內分布不均勻，形成土壤水鹽運動的季節性變化，且由于海潮的頻繁進退也使土壤呈現出潮退脫鹽和潮進積鹽的更替特征，導致土壤淡化過程十分緩慢[16]。圍墾后，人工海堤阻隔了上侵海潮，鹽分來源大幅度減少，使土壤水鹽運動轉入主要由氣候控制的脫鹽、返鹽階段[2]。本試驗區處于亞熱帶向暖溫帶過度的季風氣候區，氣候溫暖濕潤，日照充分，降水量分布不均。因夏季降水量大于蒸發量和春秋兩季降水量小于蒸發量的特點，形成了夏季脫鹽和春秋兩季積鹽的季節性水鹽動態特征。在本試驗中，筆者對比了不同種改良方案條件下表層土壤鹽度變化與降水量、蒸發量之間的關系，探討不同改良方案對返鹽因素的響應平穩性。

如圖5所示，本改良試驗由2015—2016年橫跨了秋冬春三季。從降水量來看，2015年秋冬兩季，該試驗區降水較多，現場雨量筒收集數據顯示，2015年11月至12月底共降水318 mm，其中超過10 mm的有效降水多達12次。據歷史同期數據比對可知，較往年偏多。本試驗開始時，伴隨著均勻的降水，土壤鹽度呈現平穩下降趨勢，但不難看出，幾種處理方案的表層土壤鹽度在幾次較大的降水后均出現了一定提升(如圖3中的陰影條帶)，以空白、礦物肥和PVC地膜覆蓋處理較為明顯。2016年春季開始，降水頻率和降水量明顯下降，而與此同時土壤蒸發量日益增大，部分方案的土壤鹽度呈現明顯上行趨勢，其中空白、礦物肥、PVC地膜覆蓋和秸稈覆蓋這4種處理均呈現這一情況，而秸稈還田與秸稈還田+秸稈覆蓋方案土壤表層鹽度較為穩定，顯示對本試驗區較為適應的平穩性。

濱海鹽堿地改良過程中有非常關鍵的2個因素：降堿排鹽和改變土壤性質。改變土壤性質包含2個方面，即改良土壤的物理屬性(土壤結構等理化性狀)和化學屬性(水分、肥力等)，這兩者缺一不可。其中，改良土壤結構一方面關系到作物生產的環境和條件，另一方面也直接關系到改良鹽分淋洗的效率和降低土壤毛細作用以減少鹽分的上行表聚，從而抑制返鹽。如圖3所示，在幾次較大的降水后，部分方案(空白、礦物肥及PVC地膜覆蓋)土壤表層鹽度均有提升，可能由于本試驗區地下潛水位埋深較淺，單次降水量較大或者多次較為密集的降水條件下，周邊溝渠及內河水位提升會導致潛水水位抬升，同時，在此情況下，地表田面積水會與地下潛水發生水力貫通，在雨后導致嚴重返鹽，從而使表層土壤鹽度升高。而在PVC地膜覆蓋、秸稈覆蓋和秸稈還田措施下，覆蓋能夠降低和減少表層土壤的水分蒸發，從而抑制鹽分上移，在雨后鹽度未發生明顯浮動；而在秸稈還田方案中，大量疏松多孔的秸稈被翻耕到地下，能夠降低土壤容重，增加土壤的孔隙度和大粒徑微團聚體[11-12]，也有效地抑制了毛細作用， 從而抑制了返鹽發生。綜上所述，不同改良方案應對自然條件變化導致返鹽發生的表現排序依次為秸稈還田>秸稈還田+秸稈覆蓋>秸稈覆蓋>PVC地膜覆蓋>礦物肥>空白。

4 結論

通過本研究，針對濱海鹽堿地原生土壤鹽漬化障礙，對比了不同處理，包括空白、礦物肥、PVC地膜覆蓋、秸稈覆蓋、秸稈還田、秸稈還田+秸稈覆蓋6種利用方式，得出以下結論：

(1)秸稈綜合利用較鉀硅鈣礦物肥在江蘇濱海鹽堿地改良中具有明顯優勢，說明在濱海鹽堿地改良中，改善土壤物理性質比單純提高土壤肥力更為重要。

(2)對比PVC地膜覆蓋與秸稈覆蓋處理，兩者在抑制蒸發、降堿排鹽方面的效果基本類似，秸稈覆蓋的效果更加趨于穩定。在當前強調生態文明建設和農業廢棄物循環利用大背景下，仍是一種較為推崇的改良方式。

(3)試驗對比6種處理方式，在江蘇濱海鹽堿地降堿排鹽以及應對自然條件變化影響較少且持續穩定的方式表現依次為秸稈還田>秸稈還田+秸稈覆蓋>秸稈覆蓋>PVC地膜覆蓋>礦物肥，可見生物質材料在濱海鹽堿地改良方面存在較大的應用前景。

(4)返鹽是鹽堿地改良過程中最常見的問題。在對比各種不同處理方式中發現，通過有效的表層覆蓋方式(秸稈覆蓋)以及改善土壤物理性質(秸稈還田)，能夠達到較好的抑制返鹽效果。

(5)相對于其他幾種改良措施，本試驗涉及的3種秸稈綜合利用方式均取得了較好的改良效果。綜合對比效果持久性表現為秸稈還田>秸稈還田+秸稈覆蓋>秸稈覆蓋。秸稈的綜合利用方式一方面能夠有效改善土壤理化性狀，促進鹽分的淋洗，有效抑制返鹽；另一方面，能夠提高鹽堿地中有機質含量，提高土地質量和產量。秸稈綜合利用改良鹽堿地全程生態環保無污染，效果良好，可在今后江蘇濱海鹽堿地改良中有效推廣。

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