不同改良措施對鹽漬化土壤水熱碳與葵花產量的影響

屈忠義 胡 敏 王麗萍 丁艷宏 高曉瑜

(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018；2.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100)

0 引言

內蒙古河套灌區是黃河流域最大的灌區，是我國3個特大型灌區之一，也是我國重要的糧油生產基地。該地區氣候干燥、降水稀少、蒸發量大，且水土流失較為嚴重。灌溉主要以引黃漫灌為主，排水不暢和渠道滲漏使得灌區地下水位抬高，導致土壤鹽漬化較為嚴重[1]。土壤鹽漬化導致農田土壤保水、保肥能力和農業生產力不斷降低，嚴重制約著河套灌區農業的可持續發展。因此，亟需通過施加適當的土壤改良產品來蓄水保墑、保肥。

近年來，關于不同改良產品對鹽漬化土壤改良效應的研究受到廣泛關注[2-3]。如生物炭含有有機碳，具有多孔隙結構和較大的表面積[4]，施入土壤后可有效增加土壤有機碳含量、提高土壤的養分吸持容量及持水能力[5]，因此廣泛應用于土壤的修復與農業生產。李昌見等[6]、勾芒芒等[7]研究表明，施用生物炭對改善土壤透水和透氣性、提高土壤肥力均有較好的效果。脫硫石膏作為燃煤脫硫廢棄物，是一種即經濟又環保的土壤改良劑，已被證實是有效的鹽堿土壤改良產品[8]。毛玉梅等[9]研究表明，脫硫石膏可以改善土壤理化性質、增加鹽漬化土壤有機質，提高作物產量。作物秸稈含有豐富的營養元素，將其還田不但可以減少環境污染、增加土壤碳庫，還可以改善土壤的水、肥、氣、熱狀況[10]，已有大量研究表明，秸稈還田可以改善土壤性狀[11]、抑制水分蒸發、提高土壤持水率[12]、有效平抑地溫變化[13]、增加土壤有機碳含量[14]。

目前，針對單一措施對鹽漬土的改良效應研究較多，而同時選用不同改良措施，綜合分析和比較其對鹽漬化農田土壤水熱碳和葵花產量的研究則鮮有報道。鑒于此，本文在內蒙古自治區巴彥淖爾市杭錦后旗三道橋澄泥村開展田間試驗，探究生物炭(C)、脫硫石膏(S)、秸稈還田(J)3種常用的改良措施對鹽漬化土壤水熱碳環境和葵花產量的影響，以期篩選出更加適合該地區的土壤改良措施，為改善干旱地區鹽漬化土壤水熱條件、提高土壤肥力和葵花產量提供科學依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

表1 土壤性質

圖1 研究區平均氣溫和日降雨量

圖2 地下水埋深變化曲線

1.2 供試材料

試驗選用的生物炭為遼寧金和福農業開發有限公司使用玉米秸稈經熱解處理制備而成，團隊多年試驗結果顯示田間最佳施用量為22.5 t/hm2[15]；脫硫石膏來自包頭市第二熱電廠廢棄的脫硫石膏，根據離子交換反應原理計算得出最佳施用量為37.5 t/hm2；秸稈選用當地收獲的經鍘草機鍘碎成5 cm左右小段的玉米秸稈，施用量為20.625 t/hm2(施用量參照當地農民經驗)。

1.3 試驗設計

試驗于2017年和2018年的4—10月進行，各種改良劑均于2017年4月施于土壤表面，用旋耕機將其與耕層土壤均勻混合，主要采樣日期為2018年4—10月。采用大田小區試驗，設置生物炭(C)、脫硫石膏(S)、秸稈還田(J)以及不施加任何土壤改良劑的空白對照(CK)4個處理，每個處理3個重復，隨機區組排列，小區面積為150 m2(30 m×5 m)。2017—2018年種植作物均為葵花，采用當地普遍種植的品種“902”。5月1日進行春匯壓鹽，在播前2 d進行人工耕翻，深度約30 cm。耕翻后松土施肥，磷酸二胺和復合肥均作為底肥一次性施入，施入量分別為450 kg/hm2和337.5 kg/hm2。5月25日播種，人工點播，種植株距50 cm，行距60 cm。在葵花整個生育期內，灌水方式為膜下滴灌，灌水定額為225 m3/hm2。葵花生育期內各處理田間管理保持一致。

1.4 測定指標與方法

1.4.1土壤含水率

葵花的每個生育期在不同處理采用土鉆進行多點采集土樣，取樣深度為0～100 cm，每20 cm為一層，每層土壤混合均勻后帶回實驗室，在105℃恒溫條件下，干燥8 h至干燥狀態，計算土壤質量含水率。

1.4.2土壤溫度

土壤溫度采用曲管式地溫計，在各生育期內連續3 d每日08:00—20:00讀取土層深度5、15、25、35 cm處土壤溫度，每隔2 h讀一次，最后求取其平均值。

1.4.3土壤有機碳含量

在葵花各生育期按照多點法對不同處理用土鉆分別于0～20 cm和20～40 cm土層取樣，將土樣破碎混勻，經自然風干研磨，采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機碳含量。分別計算某土層i的有機碳密度和土壤剖面的總有機碳密度，計算公式分別為

DSOCi=CiDiEi/100

(1)

(2)

式中DSOCi——某土層i的有機碳密度，kg/m2

DSOCt——土壤剖面的總有機碳密度，kg/m2

Ci——第i層土壤有機碳含量，g/kg

Di——第i層土壤容重，g/cm3

Ei——第i層土層厚度，cm

n——第i層土壤剖面土層數

1.4.4葵花百粒質量、產量

在葵花成熟收獲時，在各小區選取2 m×2 m進行考種，各小區單打單收，曬干脫粒測產。百粒質量為隨機選100粒葵花稱其質量，重復3次，取其平均值。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2010進行數據整理，利用SPSS 20.0對數據進行單因素方差分析，采用LSD法進行差異顯著性檢驗(P<0.05)。采用Surfer 12和Origin 2017作圖。

2 結果與分析

2.1 不同改良措施對土壤含水率的影響

2.1.1葵花生育期土壤含水率動態變化特征

圖3 全生育期內不同處理土壤含水率動態變化

圖3(圖中不同小寫字母表示同一生育期不同處理間差異達到P<0.05顯著水平，下同)為各處理葵花生育期在0～20 cm和20～40 cm土層土壤含水率的動態變化情況。從圖中可以看出，土壤含水率的變化趨勢與降雨量的變化趨勢基本一致。葵花苗期植株矮小，耗水量低，CK處理在0～20 cm和20～40 cm土層含水率低于C、S和J處理。這可能是由于改良處理可顯著降低土壤蒸發，減少水分的消耗。現蕾期降雨量減少，葵花各項生長指標逐漸增大，作物耗水使含水率呈下降趨勢，3種改良處理與對照差異顯著，但三者無顯著性差異，說明各改良措施均有較好的保墑效果，而此階段是葵花生長關鍵期，適宜的水分更利于作物生長發育；在開花期和灌漿期，降雨量增加，但由于此階段作物生長旺盛，耗水量增加，兩者綜合作用使得土壤含水率變化不大，開花期在0～20 cm土層C處理的土壤含水率增幅最大，達24.39%，20～40 cm土層各處理無顯著差異；灌漿期各土層各處理的土壤含水率均較對照有顯著性差異；成熟期降雨量減小，作物耗水量開始減少，使得土壤含水率變化不大，在0～20 cm土層J、C處理分別較CK顯著提高15.85%和17.56%，S處理差異不顯著，在20～40 cm土層C處理顯著高于CK，增幅為16.00%，C、S和J處理之間無顯著差異。

圖4 不同處理的土壤含水率空間分布

2.1.2土壤含水率剖面分布特征

為探究土壤水分在垂直方向上的分布特征，通過含水率等值線圖來說明土壤剖面含水率的變化趨勢。在葵花生育期110 d內，分析不同處理0～100 cm土層土壤水分空間分布特點可以看出(圖4)，各處理在0～40 cm土層土壤水分空間分布規律較為明顯，此土層主要受外界及作物根系等因素的影響，土壤改良措施起到了較好的蓄水、保水作用，蓄貯了較多的水分，各改良處理的土壤含水率較CK高，隨著土層深度的增加土壤受外界影響程度逐漸減弱，在40～100 cm土層內，各處理間土壤含水率發生波動變化，處理間無明顯規律。播種后10d左右，各處理0～100 cm土層土壤含水率均較高，且CK處理0～100 cm土壤含水率低于C、S、J處理，這可能由于春灌后，各改良處理可顯著降低土壤水分蒸發，起到了保墑作用。苗期葵花根系較淺，主要吸收表層土壤水分，對深層土壤水分影響較小。現蕾期，各改良處理在0～40 cm土層土壤含水率普遍高于對照，能有效保持作物耕層土壤水分，其中10～20 cm土層效果最明顯，含水率由大到小依次為C處理、J處理、S處理、CK處理，原因可能與不同土壤改良措施的特性有關。隨著作物生長，水分需求量增大，在開花期和灌漿期，各處理土壤含水率與CK相比，均有所提高(除S處理0～30 cm土層含水率較低)，生物炭處理在灌漿期10～30 cm土層含水率等值線較密，反映了土壤含水率梯度較大，在空間上變化劇烈，且土壤含水率顯著高于CK處理，增幅最高達到80.47%。此外，各處理剖面土壤水分空間分布格局均表現下濕上干的特點，但不同處理間干濕土層的空間分布位置和土壤含水率差異較小。

2.2 不同改良措施對葵花各生育期土壤溫度的影響

表2為不同處理各生育期土壤多日平均溫度的變化。由表可知，在苗期C處理和S處理保溫效果相當，各土層深度溫度無顯著性差異，但均高于CK處理，J處理與CK處理在25 cm深度處土壤溫度有顯著差異；在現蕾期S處理和J處理保溫效果相當，且在15 cm處土壤溫度顯著高于CK，分別增加了2.5℃和2.44℃；說明與對照相比，C、S、J處理均可有效提高葵花生育前期土壤溫度，可使葵花提前出苗并為前期生長提供良好的土壤溫度條件；在開花期C、S、J處理在5～25 cm深度土壤溫度較對照組CK低0.02～1.3℃，此生育階段對應的外界氣溫達到了全年的峰值。有研究表明[16]，過高的土壤溫度會抑制作物正常的代謝，從而加快老化進程，影響對養分和水分的吸收，最終影響產量的形成，此時各改良處理在一定程度上達到了降溫效果，可使葵花避免高溫的危害，為作物生長創造適宜的溫度環境；在灌漿期到成熟期，由于此時氣溫下降，同時受到植物生長過程中蒸騰作用等生理活動的影響，增加了近地面的相對濕度，使得土壤溫度降低，其中C和S處理保溫效果相當，J處理在5～15 cm土層與對照CK差異顯著；成熟期，C、S、J處理在25 cm土層處與CK差異顯著，增幅分別為1.85、1.74、1.89℃。

表2 不同處理下葵花各生育期土壤溫度對比

注：同列不同小寫字母表示同一土層深度不同處理間差異在P<0.05水平顯著，下同。

2.3 不同改良措施對土壤有機碳含量的影響

圖5為整個生育期各處理在0～20 cm和20～40 cm土層土壤有機碳含量的變化規律。在0～20 cm土層，在苗期C處理和S處理的土壤有機碳含量顯著高于CK，增幅分別為52.58%和24.96%，J處理與CK無顯著差異；在20～40 cm土層只有C處理顯著高于CK處理，增幅為17.34%。在現蕾期和開花期0～20 cm土層C、S、J處理的土壤有機碳含量比CK分別增加了52.22%、27.12%、15.72%和36.90%、16.85%、20%，均達到了顯著性差異；在20～40 cm土層，C、S、J處理較CK的最大增幅分別為29.42%、18.18%、19.37%。在灌漿期各處理的土壤有機碳含量在土層0～20 cm和20～40 cm較CK均有顯著差異，增幅在12.95%～47.12%。成熟期，在0～20 cm土層，J、C處理的土壤有機碳含量顯著高于CK處理，分別增加了15.92%和16.90%，S處理增幅較小；在20～40 cm土層，C、S、J處理較CK分別增加了26.22%、15.18%、10.05%。

圖5 不同處理下土壤有機碳含量動態變化

2.4 不同改良措施下土壤有機碳密度的變化

由表3可知，各處理不同土層的土壤有機碳總密度較對照CK均有所增加。CK、C、S、J處理在0～40 cm土層的土壤有機碳總密度分別為3.77、4.43、4.12、4.00 kg/m2，其中C處理顯著高于CK處理，增加了17.46%，C、S、J處理間無顯著性差異。在0～20 cm土層，各處理間的土壤有機碳密度波動范圍為1.93～2.19 kg/m2，其中S和C處理顯著高于CK處理，增幅分別為10.80%和13.46%；在20～40 cm土層，各處理間的土壤有機碳密度波動范圍為1.84～2.24 kg/m2，其中C處理顯著高于其他處理，比CK、S、J處理分別高出21.64%、12.99%、13.86%，J和S處理間土壤有機碳密度保持在同一水平(無顯著差異)。可以看出，0～20 cm土層土壤有機碳含量均高于20～40 cm土層(除處理C外)，說明添加改良劑是引起土壤有機碳密度變化的主要原因。

表3 不同處理的土壤有機碳密度

2.5 不同改良措施對葵花產量的影響

不同改良措施下葵花產量如表4所示，與CK相比，不同改良措施對葵花產量以及百粒質量均有促進作用，各處理增幅較對照相比差異顯著。不同處理下葵花的百粒質量保持在16.01～21.79 g之間，C、S、J處理的百粒質量和產量顯著高于CK，增幅分別為36.10%、29.67%、25.11%和32.28%、30.68%、21.94%，且三者之間差異不顯著。這是由于在苗期各處理的保溫效果明顯優于空白處理，可導致提前出苗，并且施加改良劑后土壤含水率有效提高，有機碳含量增加，促進了葵花的生長發育，故各改良處理下的產量優于空白處理。

表4 不同改良措施下的葵花產量

3 討論

3.1 不同改良措施對土壤含水率和土壤溫度的影響

水熱條件是影響作物出苗率、生長發育和提高作物產量的關鍵性因素。鹽漬化土壤結構板結，保墑保肥能力差。本試驗發現，施入生物炭、脫硫石膏和秸稈還田均能不同程度地改善土壤水分和溫度狀況，起到保墑保溫作用。綜合來看，生物炭處理的保水、持水性更好，尤其在苗期，葵花植株矮小，根系較淺且蒸騰量較小，土壤顆粒間的蒸發成為土壤水分流失的主要原因，此時生物炭處理能夠顯著增加土壤含水率，主要由于生物炭具有多孔性、親水性和較強的吸附力，可以增加土壤孔隙度，有利于提高土壤的持水能力。這與魏永霞等[17]和KIMETU等[18]研究結果一致。脫硫石膏在一定程度上也可提高土壤含水率，主要由于其含有高價離子，可增強土壤的離子吸附能力，改善土壤團粒結構，提高土壤持水性。秸稈還田處理在生育前期能較顯著地增加土壤含水率，后期增加效應稍有減弱。主要原因是后期葵花葉片生長茂盛，遮陰了土壤，植株蒸騰是土壤含水率降低的主要原因，而后期氣溫逐漸升高，秸稈增強了土壤的通氣能力，且植株需水量增加，使秸稈本身的水分逐漸減小，而在滴灌條件下，灌水量不足以抵掉土壤蒸發和作物的吸水量，導致秸稈還田處理土壤含水率降低，這與高利華等[10]研究結果基本一致。分析土壤水分在垂直方向上的分布特征發現，與CK處理相比，各改良處理在0～40 cm可以通過不同程度地聚集降水，減少土壤水分蒸發，為葵花生長創造良好的水分環境。40 cm以下，各處理間土壤水分含量發生波動變化，處理間無明顯規律。通過土壤含水率等值線圖可以直觀發現，這種保水現象在生物炭處理更為顯著。在我國干旱半干旱地區土壤生產力和土壤肥力較差，水土流失較嚴重，追其原因，大部分是因為土壤持水能力差，土壤有機質淋洗流失所致。鹽漬化土壤中施加生物炭可有效緩解這種矛盾。

不同改良措施可以明顯地調節土壤溫度。綜合整個生育期，3種改良措施在一定程度上均可提高土壤溫度，主要原因是生物炭本身為黑色，脫硫石膏為淺灰色，加入土壤后，可使土壤的吸熱能力增強，從而提高土壤溫度；另一方面，可能由于生物炭的多孔結構為微生物的生存提供了有利的場所，微生物在活動過程中會釋放出大量熱量，從而增加土壤溫度。秸稈還田1年后，所形成的腐殖質使得土壤變得疏松，改善了土壤通透性，且秸稈分解形成有機質使得土壤顏色變暗，增加了土壤吸熱。這與高利華等[19]研究結果一致。此外，試驗發現各改良措施在生育前期起到了增溫保溫的效果，可促進葵花出苗和生長發育，而在溫度最高階段(開花期)又起到了一定的降溫作用，避免高溫的危害，能較好地調節土壤溫度。且各處理的調溫作用主要在5～25 cm土層，在35 cm處作用減弱，分析原因可能是土壤表層溫度受太陽輻射和添加的改良措施影響較大，隨著土層深度的增加，對土壤溫度的影響逐漸減小。

3.2 不同改良措施對土壤有機碳的影響

農田土壤有機碳庫是土壤中較活躍的組分，是作物高產穩產的基礎[20]。試驗表明，施入不同改良措施后均能提高土壤有機碳含量和有機碳總密度，其中生物炭的效果最好，由于生物炭保墑保溫效果好，改善了土壤結構，且所帶負電荷能夠提高土壤陽離子交換量，減少土壤的養分流失[21]，柯躍進等[22]研究結果表明，施入生物炭可增加土壤總有機碳含量，有利于土壤碳的固定，與本研究結果一致；隨著葵花生育進程，秸稈逐漸腐解，增加了土壤有機碳含量；脫硫石膏用Ca2+置換Na+，改善土壤團粒結構，且含有大量微量元素，可通過改變土壤理化性質，增加土壤有機碳含量[23]。此外，脫硫石膏處理的土壤有機碳含量高于秸稈還田處理，原因可能是脫硫石膏通過降低土壤鹽分含量，使受鹽堿脅迫程度降低，從而增加了鹽漬化土壤培肥的效果。試驗還發現，表層土壤有機碳含量較高，隨著土層深度的增加，土壤有機碳含量呈降低趨勢。分析原因可能是由于0～20 cm耕層土壤有機碳含量的變化主要受到改良措施的影響，這也進一步說明改良措施對提高土壤有機碳很有幫助。

3.3 不同改良措施對葵花產量的影響

在鹽漬化土壤中施加各種不同改良措施的主要目的是通過改善土壤物理結構和化學離子環境，來提高土壤的可持續肥力，而土壤改良和培肥效果最直接的衡量標準就是作物產量。本試驗中，與對照相比，3種改良措施均能顯著提高葵花產量和百粒質量，生物炭的增產率最高，達到32.28%，這主要由于生物炭在整個生育期對土壤的保水保肥能力最佳，從而顯著提高葵花產量。這與唐光木等[24]的研究結果相似。石婧等[25]研究表明，脫硫石膏在改善土壤性狀和提高作物產量效果顯著。趙宏波等[26]研究得出，秸稈還田可顯著提高作物產量。本研究結果表明脫硫石膏和秸稈還田較對照分別增產30.68%、21.94%，與以上研究結果相似。相關分析表明，土壤有機碳含量與葵花產量呈顯著性正相關(P<0.05)，相關系數為0.985。可見，不同改良措施下，葵花產量的增加與土壤有機碳含量的增加存在密切的關系。

面臨河套灌區大面積農業種植過程中造成的土壤鹽漬化問題，為提高鹽漬化土壤保墑保溫、保肥能力，開展鹽堿地改土培肥和增產理論與技術的研究意義重大。生物炭和秸稈是促進農田可持續發展、資源循環利用的重要措施，具有廣闊的研究前景。脫硫石膏作為燃煤脫硫廢棄物，被認為是一項既經濟又環保、且修復速率快的土壤改良措施之一。也有研究表明[27]，脫硫石膏應與有機肥、耕作措施等相結合，效果更顯著。本試驗主要在河套灌區施加3種不同改良措施，對鹽漬化土壤水熱碳和葵花生長的影響進行研究，結果顯示生物炭處理能更好地為葵花生長創造良好的水熱條件，增加土壤有機碳，可大幅提高葵花產量。

4 結論

(1)3種改良處理均具有良好的蓄水作用，能顯著提高整個生育期內0～20 cm和20～40 cm土層的土壤含水率，其中，施加生物炭增幅最大，較對照增加了24.39%，脫硫石膏在整個生育期能較穩定地增加土壤含水率，而秸稈還田在生育前期較顯著地增加土壤含水率，后期增加效應有所減弱；在土壤垂直剖面上，0～40 cm土層各改良措施保水、蓄水作用效果更好，40 cm以下，各處理間土壤含水率發生波動變化，處理間無明顯規律。

(2)整個生育期內，3種改良措施對5～25 cm土層土壤溫度有較好的平抑作用，均表現出低溫時具有“增溫效應”、高溫時具有“降溫效應”。

(3)3種改良措施均可以增加土壤有機碳含量和有機碳密度，且0～20 cm土層增幅大于20～40 cm土層，施加生物炭效果最顯著，秸稈還田處理增幅最小，不同處理間的土壤有機碳密度由大到小為C、S、J、CK處理。

(4)3種改良措施均能提高葵花的產量和百粒質量。與對照CK相比，C、S、J處理的百粒質量分別增加36.10%、29.67%、25.11%，產量分別增加32.28%、30.68%、21.94%。施加生物炭處理增產率最高，其次為脫硫石膏處理，秸稈還田處理可能由于施加年限太短，秸稈尚未充分分解，導致增產率最低。綜合分析，在河套灌區施入生物炭22.5 t/hm2，對鹽漬土壤提高肥力、保墑保溫、持水效果更好，能顯著提高葵花產量。