降堿抑鹽改良劑對重度鹽化堿土的改良效果

秦 萍，張俊華，孫兆軍，賈萍萍

(1. 寧夏大學(xué)環(huán)境工程研究院，寧夏 銀川 750021；2. 寧夏旱區(qū)資源評價與環(huán)境調(diào)控重點實驗室，寧夏 銀川 750021；3. 寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

土壤鹽漬化通常發(fā)生在干旱、半干旱、排水困難地區(qū)[1]。鹽漬化土壤由于其高pH值、高含鹽量、肥力低下而嚴(yán)重影響植被生長[2]。采取有效措施改良鹽漬化土壤，提高土壤質(zhì)量是一項長期工作[1]。王文杰等[3]以聚馬來酸酐和聚丙烯酸兩種高分子聚合物配合木焦油、木醋液等為降、阻鹽堿劑, 對重度鹽堿地進行改良收到良好效果。孫在金等[4]在黃河三角洲濱海鹽堿土壤改良中，在保證灌溉量的基礎(chǔ)上采用脫硫石膏與腐植酸配施可達(dá)到良好的鹽堿地改良效果。張濤[5]得出磷石膏可以降低鹽漬化土壤的pH值和電導(dǎo)率，能夠增加作物Ca和Na含量，降低其K含量。張丹等[6]研究發(fā)現(xiàn)文冠果果殼、古龍酸母液、截短側(cè)耳素發(fā)酵廢水能夠顯著降低土壤pH 值、堿化度、可溶性鹽含量，顯著提高土壤養(yǎng)分含量。董偉等[7]通過磺化、接枝共聚等化學(xué)改性技術(shù)合成的鈣鹽(其中硫磺17%，腐殖酸50%，含鈣物質(zhì)33%)也可以達(dá)到改良鹽漬化土壤的效果。此外，石膏、生物炭、無水鉀鎂礬、硫磺、堆肥、鋁土礦、廄肥、沸石、膨潤土、方解石、醋糟、沼氣渣等都能夠降低鹽漬化土壤pH值、EC，增加土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量[8-15]。打孔灌沙、噴灌淋洗等也是土壤脫鹽的有效工程措施[16-17]。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗設(shè)在寧夏銀北西大灘，位于寧夏賀蘭山東麓洪積扇邊緣，屬于黃河中上游灌溉地區(qū)(106°24′ E，38°50′ N)，該地區(qū)屬干旱的暖溫帶季風(fēng)氣候。年平均降水量為205 mm，年蒸發(fā)量1 875 mm。一般地下水埋深1.5 m左右。供試土壤為重度堿化鹽土，土壤基本理化性狀見表1和表2。

1.2 研究方案

試驗共設(shè)置6個處理，其中處理1：CK(不施用脫硫石膏和改良劑)；處理2：脫硫石膏；處理3：脫硫石膏+糠醛渣+菌肥；處理4：脫硫石膏+醋糟+菌肥；處理5：脫硫石膏+糠醛渣+醋糟+菌肥；處理6：脫硫石膏+菌肥。3種改良劑的基本性質(zhì)見表3。

表1 試驗地土壤基本理化性狀背景值

表2 試驗地土壤鹽分離子含量

表3 改良劑原料基本性質(zhì)

小區(qū)面積為5 m×8 m(40 m2)，各小區(qū)之間間隔0.5 m。試驗采用隨機區(qū)組排列，4次重復(fù)，共24個小區(qū)。小區(qū)之間打埂，高30 cm，寬50 cm。改良劑施用量：脫硫石膏30 t·hm-2，糠醛渣15 t·hm-2，醋糟15 t·hm-2，菌肥150 kg·hm-2。菌肥為市場購買的普通菌肥。

2013年種植前施基肥：有機肥30 t·hm-2，N-P2O5-K2O為13-7-2。有機肥與改良劑結(jié)合整地施用，全部磷肥、鉀肥和60%氮肥在撒播前施用，40%氮肥分別在苗期、分蘗期和孕穗期追施。對照處理除不施用脫硫石膏和改良劑外，肥料施用與管理措施均與其他處理完全相同。2014年和2015年沒有施用任何基肥、改良劑，出苗穩(wěn)定后追肥2次；2016年播種前施用基肥和2013年量相同，但未施用改良劑。水稻于每年5月10日前后均勻撒播，每年收獲時用小型收割機按小區(qū)收獲，實測小區(qū)產(chǎn)量。品種為吉特605，播種量為300 kg·hm-2。

1.3 測定指標(biāo)

在水稻撒播前采集基礎(chǔ)土壤樣品(土層分別為0～20、20～40、40～60 cm)，水稻收獲后在每個小區(qū)采集不同層次土壤樣品，每層采集5個土樣混勻后作為該層土樣，風(fēng)干后過篩進行理化性狀的測定。pH值—酸度計法，EC—電導(dǎo)率儀，分鹽—EDTA絡(luò)合滴定法等；有機質(zhì)—外加熱法，堿解氮—堿解擴散法，有效磷—Oslen法，速效鉀—火焰光度計法[19]。分別于2013年6月20日、2014年6月22日、2015年6月22日和2016年6月21日進行各小區(qū)水稻保苗率的調(diào)查；于2013年7月30日、2014年8月4日、2015年8月13日和2016年8月10日測定各小區(qū)水稻株高。

1.4 數(shù)據(jù)分析

測定數(shù)據(jù)采用SAS軟件進行差異性顯著分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改良劑對土壤鹽堿指標(biāo)的影響

改良4年間第1年各處理0～20 cm土層pH值就比對照降低，但降幅均未達(dá)顯著水平，其中T5相對降幅最大，T6最小，T3與T4基本持平；第四年表層pH值較第三年略有上升。土壤ESP變化趨勢與pH值相似，但降幅明顯大于pH值降幅。經(jīng)過4年改良，T3～T5中0～60 cm土層土壤pH值平均降低0.54～1.46，該土層ESP較初始值平均降低16.87%～32.60%；除了對照外，其他處理0～20 cm土層pH值均小于8.5，ESP小于10%，達(dá)到輕度堿化土壤水平。本研究所選用的主要改良劑原料為酸性物質(zhì)，可以在一定程度上中和土壤堿度，降低鈉對鈣鎂離子的比值，并能活化CaCO3中的Ca2+離子，使其與堿化土壤膠體吸附的鈉進行交換[20]，通過排水將交換出的鹽堿成分排走，從而降低土壤交換性Na+的含量，降低土壤pH值和堿化度。T5中糠醛渣和醋糟2種酸性改良劑都有，故改良效果優(yōu)于其他處理，而T6中只有脫硫石膏和菌肥，原料呈弱酸性，對土體中Na+的代換有限，故pH值和EC與對照差異較小。

改良第1年，各處理0～20 cm土層EC高于20～40 cm土層(圖2)，施用改良劑后EC均有不同程度的降低，其中T5 EC最低，只施用脫硫石膏的處理T2降幅最小，T6土壤EC略低于T2。改良第2年和第3年各土層各處理EC不斷降低，其中第3年T5只有200 μS·cm-1左右，第4年土體EC整體比第3年有所升高，但低于第2年水平。4年間0～60 cm土體T2～T6分別比T1降低19.26%、27.70%、25.08%、38.92%和22.95%。“鹽隨水來，鹽隨水去”，種稻本身就是洗鹽的有效措施[21]；此外，施用脫硫石膏、糠醛渣等改良劑會降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤滲透速度[18]，使洗出的鹽分盡快排出，也會起到降低土壤EC的作用。改良前三年各改良劑改良效果明顯，到第4年各原料已基本消耗殆盡，所以土體EC開始上升，故文中改良劑施用有效期限為3～4 a。

注：相同年份相同土層不同字母表示差異顯著(P<0.05),下同。 Note: Different letters at same layer in same year represent significant difference P<0.05, the same below.圖1 不同處理下土壤pH值和堿化度的變化Fig.1 Variation of soil pH values and ESP in different treatments

圖2 不同處理下EC的變化Fig.2 Variation of soil EC under different treatments

2.2 不同改良劑對土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分的影響

各處理0～20 cm土層土壤有機質(zhì)顯著高于20～60 cm土層(圖3)。施用改良劑均可以使土壤有機質(zhì)含量增加，其中T5增幅最大，T3略低于T4，T6和T2增量相近。除了T5外，其他5個處理20～60 cm土層有機質(zhì)基本持平。4年間0～20 cm土層T2～T6有機質(zhì)分別比T1增加了1.30、3.97、4.03、5.16 g·kg-1和2.15 g·kg-1。不同處理土壤速效養(yǎng)分含量的變化趨勢與有機質(zhì)相似，但增幅大于有機質(zhì)增幅，T5堿解氮、速效鉀增幅最大，其次為T4；施用醋糟對土壤速效磷的增幅大于糠醛渣T3的增幅。4年間0～20 cm土層T2～T6堿解氮分別比T1增加了16.16%、52.21%、74.45%、118.15%和34.32%；0～20 cm土層T2～T6速效磷分別比T1增加了11.18%、41.48%、31.71%、70.53%和28.86%；0～20 cm土層T2～T6速效鉀分別比T1增加了5.47%、21.33%、21.74%、23.97%和13.29%。由于第3年仍然沒有施用基肥，追肥時追施了硫酸銨和少量過磷酸鈣，所以土壤速效鉀和速效磷含量低于第2年；第3年冬灌前施用量有機肥(30 t·hm-2)，第4年播種前底肥與第1年相同，所以第4年有機質(zhì)和養(yǎng)分含量均較第3年有不同程度的增加。醋糟和糠醛渣有機質(zhì)含量分別高達(dá)704.88、523.88 g·kg-1，所以施用后土壤有機質(zhì)有明顯的提升，醋糟中還含有大量養(yǎng)分，故施用醋糟的處理土壤氮、磷、鉀含量也較高。大量研究指出，糠醛渣和醋糟中含有大量腐殖酸，能夠同時增加土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量，從而改善土壤的理化性狀[22-23]。

圖3 不同處理土壤養(yǎng)分含量的變化Fig.3 Variation of soil nutrients contents in different treatments

2.3 不同改良劑對水稻保苗率和株高的影響

從不同年限保苗情況來看(表4)，不同處理水稻保苗率有較大差異，在2013年和2014年試驗期間，水稻出苗后的大概1個月中，T1出苗率大約為35%，然后秧苗逐漸變黃至最后枯萎，到6月下旬保苗率低于5%，保苗率最低，與其他處理呈極顯著差異；經(jīng)過2年的灌水洗鹽、種稻，到2015年和2016年對照保苗率有顯著提高，分別達(dá)到39.3%和49.2%，但都低于單施脫硫石膏和改良劑配合施用的處理，且均呈極顯著差異。4年試驗中T2保苗率顯著高于對照，但普遍低于改良劑配合施用的處理。T3和T4在4年的試驗中保苗情況均較高，說明脫硫石膏+糠醛渣(或醋糟)對水稻出苗及保苗的促進效果最佳，且效果穩(wěn)定。整體來講，T5保苗率最高，T4保苗率略優(yōu)于T3。

試驗前2年單施脫硫石膏、施用脫硫石膏和改良劑配合施用的處理株高都顯著高于對照，其中T5處理株高最高；2015年和2016年對照T1的株高較前兩年有顯著提高，但仍顯著低于施用脫硫石膏和改良劑的處理。4年試驗結(jié)果表明T5處理株高均高于其他處理，T4次之。可以看出，改良劑的施用對水稻保苗率的提高效果顯著，但對株高提升效果不及保苗率明顯。作物受鹽堿脅迫主要致害因素是滲透脅迫、離子毒害和高pH值脅迫[24]，施用改良劑后土壤Na+、pH值和全鹽含量下降，作物根系生長條件得到不同程度改善。此外，改良劑中大量的腐殖酸不僅能夠增加土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分，滿足作物吸收的需要，還可以減少土壤對磷的固定，能緩沖土壤溶液高濃度的危害[25]，促進作物生長發(fā)育。

2.4 不同改良劑對水稻產(chǎn)量指標(biāo)的影響

T1穗長普遍較短(表5)，其次為T2，其它4個處理穗長基本相同。在試驗的4年期間，各處理的穗長普遍隨著改良年限的延長而增大，第二年增幅最大，后2 a增幅很小。每穗粒數(shù)T5處理相對較多，T1處理最少，且與其他處理呈顯著性差異。T1處理空秕數(shù)最多，4年平均達(dá)到每穗16粒，T5和T2處理空秕數(shù)最少，T3和T4差異不大。從結(jié)實率整體情況來看，隨著改良年限的延長，各處理水稻結(jié)實率都逐漸增大，T1和T6處理結(jié)實率偏低，其它3個處理結(jié)實率相近，4年平均值接近80%。

表4 不同處理下水稻保苗率和株高

注：相同年份不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Difference letters in same year represent significant difference (P<0.05), the same below.

表5 不同處理水稻產(chǎn)量性狀的變化

水稻產(chǎn)量是表征水稻長勢的最直接指標(biāo)。雖然各個處理播種前耕作措施和播種后水肥管理完全相同，但不同處理水稻產(chǎn)量高低不同(如圖4)。不同處理2013年產(chǎn)量從高到低的順序為T5 > T3 > T4 > T6 > T2 > T1，4年后產(chǎn)量平均值順序為T5> T4 > T3 >T6 > T2 >T1。從4年的產(chǎn)量平均值來看，對照平均產(chǎn)量為1 154 kg·hm-2，處理T2～T6分別較對照增產(chǎn)77.92%、118.48%、128.93%、158.10%和102.13%。本研究選用的改良劑活性基團多、并有較強的螯合力和親合力，形成不溶性有機螯合物，對養(yǎng)分和微量元素的運轉(zhuǎn)與吸收具有較強的生理功能及生物活性[25]，這些都可以促進作物生長發(fā)育，從而達(dá)到增產(chǎn)的目的。

2.5 不同改良劑處理經(jīng)濟效益分析

各處理除了施用改良劑不同外，平田整地、化肥、有機肥、灌排措施等都完全相同，所以此處只計算改良劑的成本，其他成本忽略不計，以此計算各個處理的收入情況(見表6)。雖然T5產(chǎn)量最高，但由于投入很大，4年來收入?yún)s非最高，T4純收入最高，達(dá)到26 933 元·hm-2，其次為T5，與T4無顯著性差異，只施用脫硫石膏的處理T2純收入也達(dá)到25 135 元·hm-2，顯著高于對照T1。從短期投入來看，施用脫硫石膏、糠醛渣、醋糟、菌肥的處理收入差異不大，但施用脫硫石膏+糠醛渣+菌肥的處理土壤基本理化性狀明顯優(yōu)于其他處理，在保證產(chǎn)量的前提下后期投入將會明顯減少。

圖4 不同處理下水稻的產(chǎn)量Fig.4 Variation of yield of rice in different treatments

3 結(jié) 論

1)改良4年間第1年各處理0～20 cm土層pH值就比對照降低，但降幅均未達(dá)顯著水平，其中T5相對降幅最大，T6最小。土壤ESP和EC變化趨勢與pH值相似，但降幅明顯大于pH值降幅。

2)施用改良劑可以使土壤有機質(zhì)含量增加，其中T5增幅最大，T6和T2增量相近。不同處理土壤速效養(yǎng)分含量的變化趨勢與有機質(zhì)相似，但增幅大于有機質(zhì)增幅，T5堿解氮、速效鉀增幅最大，其次為T4；醋糟對土壤速效磷的提升效果大于糠醛渣。

3)施用改良劑對水稻保苗率的提高效果顯著，但對株高提升效果不及保苗率明顯。施用改良劑可以增大水稻穗長、每穗粒數(shù)和結(jié)實率，降低空秕數(shù)；水稻產(chǎn)量顯著提高，T2～T6分別較對照T1增產(chǎn)77.92%、118.48%、128.93%、158.10%和102.13%。T4純收入最高，其次為T5，T2純收入也顯著高于T1。

表6 不同處理下重度鹽化堿土改良四年總產(chǎn)投情況