脫硫石膏與結構改良劑配合施用對龜裂堿土理化性狀和水稻生長的影響

杜雅仙, 黃菊瑩, 康揚眉, 馬凱博, 余海龍, 張俊華

(1.寧夏大學 資源環境學院, 寧夏 銀川 750021; 2.寧夏大學 環境工程研究院, 寧夏 銀川 750021)

鹽堿地的高效利用對中國耕地農業生產力的提升，耕地數量的增加，國家糧食安全的保障，1.20×108hm2耕地紅線的堅守，具有重要意義[1]。中國的鹽堿地資源量多且分布廣泛。據全國第二次土壤普查數據，中國鹽漬土總面積約3.60×107hm2,占全國可利用土地面積的4.88%[2]，主要分布在西北、華北、東北和沿海地區。隨著中國人口數量的不斷增長以及在推進城市化進程中人均耕地面積的減少，作為重要的土地資源之一的鹽堿地，其改良與利用對確保中國耕地“紅線”不被突破及實現農業可持續發展具有重要意義[3]。銀北灌區由于長期的引黃灌溉，灌溉定額大，灌溉水的利用效率低，致使地下水位升高，引起明顯的土壤次生鹽漬化現象[4]。銀北灌區有1.533×106hm2鹽堿荒地，屬于典型的宜墾荒地[5]。銀北灌區土壤的pH值與堿化度較高，質地粘重，土壤肥力較低。這些區域多為低產田或撂荒地，雖然土壤理化性狀不良，但地勢平坦，土層深厚，具有開發利用的潛力。對其進行改良、開發和利用，可緩解人口與土地間的矛盾，對保持農業可持續發展、改善生態環境，推動區域經濟、社會和生態可持續發展具有重要意義。

近年來，利用燃煤煙氣脫硫廢棄物作為鹽堿地土壤改良劑已經得到了廣泛應用。大量研究表明，施用脫硫石膏改良鹽堿地可以在一定程度上提高土壤養分、降低土壤pH和堿化度、改善土壤結構，從而使作物出苗率和產量提高，但由于各地土壤、地下水、氣候和生態環境等主要影響因素不同，改良劑的改良效果差距很大[6-13]。利用脫硫石膏改良堿化土壤，雖然可以消除或減輕交換性Na+對作物的危害，但對堿化土壤“粘、板、瘦”等理化特性導致的作物生長不良問題無明顯改善[14]。當下，堿化土壤改良劑種類多樣，而組成物料的差異性同樣較大，一旦用量不夠，便會減弱改良的效用，乃至沒有任何效用，過多的用量，會增加成本，導致虛耗；一些改良劑甚至會污染土壤，因

此，生產成本較低、效用較高的環保改良劑十分關鍵。所以，根據不同的成因選擇合適的改良措施，并結合綜合的治理方式改良鹽堿地，才會取得較好的改良效果。

因此，針對河套灌區典型鹽堿地土壤特性，研究適合該地區水稻的高效、安全、低成本的功能性結構改良劑，是提高該地區鹽堿地改良效果的迫切需求。基于已有研究中脫硫石膏改良鹽堿地的顯著效果，本研究擬研制以脫硫石膏為主體的鹽堿土改良劑。為探明鹽堿地改良劑改良龜裂堿土的應用效果，本研究于2016年設置了脫硫石膏與不同劑量結構改良劑配合施用對鹽堿地種植水稻效果的田間試驗，以探明改良劑對水稻成活率、生長、生物產量及土壤理化性狀的影響，旨在篩選出最適宜銀北灌區鹽堿地水稻生長的土壤結構改良劑施用量，同時也為中國同類型地區鹽堿地的改良應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

試驗地位于寧夏銀北西大灘，地處賀蘭山東麓洪積扇的邊緣，地理坐標為114°24′E,35°01′N，屬于干旱的暖溫帶季風氣候，年均氣溫13.9 ℃，多年平均降雨量為205 mm，年蒸發量1 875 mm。地下水埋深約1.50 m，地下水主要含氯化物和硫酸鹽。境內分布有典型的龜裂堿土(俗稱白僵土)。土壤堿化度約為15.00%～60.00%，pH值約為8.00～10.40，全鹽約為2.50‰～6.50‰。土壤鹽分分布有明顯的表聚性，鹽分類型主要有NaCl，Na2SO4，Na2CO3，土壤質地粘重，透水性較差[15]。

1.2 試驗材料

供試作物為水稻。

脫硫石膏由寧夏馬蓮臺電廠提供，其pH值為7.95，容重為1.03 g/cm3，含11.10%的結晶水，其化學成分含量見表1[16]。

表1 馬蓮臺電廠脫硫石膏的化學成分

結構改良劑由生化黃腐酸、硝酸銨鈣、微生物菌劑按10∶3∶7的比例配制而成。這些物質可以改善土壤結構，提高土壤養分，促進種子萌發[17-18]。

1.3 研究設計

試驗共設5個處理(如表2)，4次重復(共20個小區)，隨機區組排列。小區面積8 m×8 m。根據處理要求先劃定小區，小區之間打埂，高30 cm，寬50 cm。種植前結合整地將脫硫石膏與有機肥一次性人工均勻施于地表，深翻15—20 cm，保證與土壤充分混勻。再施入所需結構改良劑、有機肥和化肥，深翻混合均勻，然后灌水進行水稻移栽。每個處理除改良劑施用量不同外，其他管理方式均一致。基肥施用量：有機肥(30 t/hm2)和無機肥(含N34%的尿素450 kg/hm2，含P2O512%的過磷酸鈣690 kg/hm2，含K2O 50%的硫酸鉀50 kg/hm2)。在苗期追施45 kg/hm2尿素，在分蘗期追施90 kg/hm2尿素，尿素在孕穗期追施45 kg/hm2。

表2 試驗地脫硫石膏和結構改良劑施用量

注：T1為空白處理； T2為單施22.5 t/hm2脫硫石膏; T3為22.5 t/hm2脫硫石膏和150 kg/hm2土壤結構改良劑配合施用; T4為22.5 t/hm2脫硫石膏和270 kg/hm2土壤結構改良劑配合施用; T5為22.5 t/hm2脫硫石膏和375 kg/hm2土壤結構改良劑配合施用。下同。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤指標的測定 于2016年4月中旬和10月上旬在每個小區不同深度采集土壤樣品，每個小區采集3個土樣混勻，風干后過篩進行土壤指標的測定。土壤有機質、全N、全P、堿解N、速效P、速效K參考鮑士旦的《土壤農化分析》[19]。酸度計法測定pH值、殘渣烘干法測定全鹽、環刀法測定容重、濕篩法測定水穩性團聚體。

1.4.2 植物指標的測定 分別于2016年6月上旬、7月下旬和10月上旬對水稻試驗地進行了水稻成活率、株高和產量的調查。

1.5 數據分析

統計分析和圖表繪制在Excel 2007和SPSS 13.0數據分析軟件中完成。采用one-way ANOVA進行單因素方差分析，采用最小顯著性差異法(LSD)進行多重比較。數據點為平均值±SE(n=4)。

2 結果與分析

2.1 不同處理對水稻生長的影響

分別于2016年6月上旬、7月下旬和10月上旬對2016年水稻試驗地進行了水稻成活率、株高和畝產量的調查(圖1)。結果顯示，脫硫石膏及其與結構改良劑的配合施用下，水稻的成活率、株高和產量較高。單施脫硫石膏后，水稻成活率、株高和產量較對照分別提高了4.90%，9.50%和13.14%。脫硫石膏配合結構改良劑施用下，水稻成活率、株高和產量分別提高了52.00%～58.80%，26.30%～53.80%和57.02%～91.27%，且結構改良劑施用量越大水稻成活率、株高和產量越高，說明脫硫石膏與結構改良劑的配合施用促進了水稻的生長。但T4處理較T3處理的水稻產量增幅為18.32%，而T5處理較T4處理的水稻產量增幅為2.95%，考慮到結構改良劑的成本，說明T4處理為改良劑最佳施用量。

注：小寫字母代表各處理間的差異性,字母不同代表差異顯著(p<0.05)； T1為空白處理； T2為單施22.5 t/hm2脫硫石膏; T3為22.5 t/hm2脫硫石膏和150 kg/hm2土壤結構改良劑配合施用; T4為22.5 t/hm2脫硫石膏和270 kg/hm2土壤結構改良劑配合施用; T5為22.5 t/hm2脫硫石膏和375 kg/hm2土壤結構改良劑配合施用。下同。

圖1不同處理間水稻成活率、株高及產量的比較

2.2 不同處理對土壤性狀的影響

于2016年10月上旬測定了水稻試驗地土壤理化性質，結果顯示：單施脫硫石膏提高了土壤有機C，全P、堿解N和全鹽含量(表3)，降低了速效K，pH值，對全N和速效P含量影響不顯著。脫硫石膏配合結構改良劑施用使有機C含量提高了26.46%以上，且T3處理的施用量下有機C含量最高，這不僅是由于結構改良劑的主要成分為生化黃腐酸等富含有機質的物料，而且結構改良劑中含有大量微生物，促進了根系和地上凋落物的分解。但對全N和全P含量影響不顯著，堿解N、速效P，pH值和全鹽的變化與結構改良劑的施用量密切相關。總體來看，脫硫石膏配合結構改良劑施用提高了堿解N和速效P含量，但降低了速效K含量，這可能是因為水稻的加速生長增加了對土壤速效K的消耗。對土壤容重和孔隙度的測定結果表明(表4)，單施脫硫石膏對土層容重和總孔隙度影響不顯著。

脫硫石膏配合結構改良劑施用后，0—20，20—40和40—60 cm土層容重分別降低了5.76%～11.51%，6.25%～10.42%和4.08%～8.84%，3個土層總孔隙度分別提高了6.35%～12.68%，7.45%～12.40%和5.08%～11.00%。結構改良劑的3個施用量之間，T5處理的施用量下具有最低的土壤容重和最高的總孔隙度。

表3 不同處理間土壤理化性質的比較

表4 不同處理間土壤容重和總孔隙度的比較

同期，對土壤水穩性團聚體的分析表明(表5)，脫硫石膏及其與結構改良劑的配合施用改變了水稻試驗地不同土層各粒級土壤水穩性團聚體的含量。對于0—20 cm土層而言，單施脫硫石膏提高了>5，2～5，1～2和0.25～0.5 mm團聚體的百分比，降低了0.5～1和<0.25 mm級別的團聚體百分比。配合結構改良劑施用后，>5，2～5和0.25～0.5 mm粒級團聚體隨施用量增加而增加，1～2和0.5～1 mm粒級團聚體隨施用量增加而降低，而<0.25 mm粒級團聚體在T3處理的施用量下最低，T4處理的施用量下最高；對于20—40 cm土層而言，脫硫石膏及其與結構改良劑的配合施用提高了>5和1～2 mm粒級團聚體含量，降低了2～5和<0.25 mm粒級團聚體含量；對于40—60 cm土層而言，脫硫石膏及其與結構改良劑的配合施用也提高了>5 mm粒級團聚體含量，但對<0.25 mm粒級團聚體含量的影響不明顯(變化范圍為73.17%～76.34%)。總體而言，脫硫石膏及其與結構改良劑的配合施用提高了大粒級團聚體含量，降低了小粒級團聚體含量，且結構改良劑施用量越大效果越明顯，主要表現在3個土層>5 mm粒級團聚體含量升高，0—20和20—40 cm土層<0.25 mm粒級團聚體含量降低。

表5 不同處理間土壤水穩性團聚體含量的比較%

3 討 論

3.1 單施脫硫石膏對土壤性質和水稻生長的影響

影響龜裂堿土作物生長的兩個關鍵因素是代換性Na+和pH值。龜裂堿土土壤復合體中有較高含量的Na+，致使土壤顆粒高度分散，土壤結構較差。脫硫石膏作為改良劑可以顯著改善堿化土壤的理化性質，促進作物的生長發育[20-21]。土壤微團聚體組成和土壤pH值可作為評價鹽堿地改良效果的綜合指標。脫硫石膏可以降低土壤的pH值和電導率，因其含有高價離子可以使土壤膠體表面的電位勢降低，有助于土壤膠體的凝聚，促進土壤形成團粒結構，改善作物生長環境，促進植物生長[22-23]。這和本研究的結果相似，添加脫硫石膏改良劑可顯著增加土壤水穩性團聚體，且表現為隨施用量的越多，效果越顯著。在評價脫硫石膏改良鹽堿土壤的效果時，必須要考慮到土壤全鹽的變化。脫硫石膏施用量過大反而會導致鹽分的積累，從而抑制作物的出苗和生長。本研究結果發現土壤pH值和全鹽含量的下降幅度并不與脫硫石膏的施用量呈正比，而是表現為施用量過多或過少均達不到最好的改良效果。也即是說僅依賴脫硫石膏這一種改良劑可能在降低土壤pH值的同時增加了全鹽含量。張峰舉等研究發現，施用脫硫石膏降低了土壤容重，提高了團聚體的穩定性，改善了土壤的物理性狀[24]。本研究結果表明：單施脫硫石膏可降低土壤容重，提高總孔隙度和>5 mm粒級團聚體含量，但其影響不顯著，且對水稻的生長發育影響較小，脫硫石膏雖然可以減輕交換性Na+對作物的危害，但對堿化土壤結構改良效果有限。因此，有必要將脫硫石膏配合土壤結構改良劑來改善堿化土壤的結構。

3.2 脫硫石膏配合結構改良劑施用對土壤性質和水稻生長的影響

4 結 論

(1) 脫硫石膏與結構改良劑二者配合施用的效果優于脫硫石膏單施。相較于單施脫硫石膏，脫硫石膏與結構改良劑的配合施用對水稻的生長有更好的促進效果。在生產實踐中，依據當地土壤鹽堿程度，并綜合考慮了水稻種植過程中的產投比，初步確定T4(脫硫石膏22.5 t/hm2+結構改良劑270 kg/hm2)為最佳的施用量。

(2) 不同用量改良劑對鹽堿土壤物理化學性質有不同的影響，施入改良劑后土壤的強堿性得到顯著改善，各項化學指標均向良性趨勢發展，其中pH值、全鹽含量、土壤容重降低，而土壤水穩性團聚體含量顯著增加。當繼續增加用量至一定數值，堿化度不再發生明顯變化。

(3) 脫硫石膏和結構改良劑對土壤理化性質的改良效果和機理各有差異。脫硫石膏可為堿化土壤提供豐富的Ca2+以置換土壤膠體上的Na+并中和堿性離子，進而減少土壤的堿性成分，降低土壤堿化度和pH值，并且對S元素的提供能力較強。硝酸銨鈣的施用是鹽堿土壤中總氮、有效氮的主要來源，尤其對有效氮含量具有顯著影響；生化黃腐酸具有較強的吸附力，能夠作為載體保證堿化土壤膠體吸附Na+與脫硫石膏中Ca2+的置換反應正常進行。微生物菌劑的有益菌群在土壤中定殖后，分泌有機酸可以溶解釋放出被土壤顆粒等吸附的N，P，K養分，從而延長了土壤養分的有效供給。