淹水條件下改良劑對蘇打鹽化草甸土的洗鹽效應

張明聰，周 偉，石禮文，王承昊，杜吉到，吳耀坤，張玉先

(1.黑龍江八一農墾大學農學院，黑龍江 大慶 163319; 2.黑龍江省鹽堿地改良工程技術研究中心,黑龍江 大慶 163319; 3.大慶市啟隆農業科技有限公司，黑龍江 大慶 163000; 4.黑龍江省農業科學院大慶分院，黑龍江 大慶 163319)

松嫩平原是世界三大蘇打鹽漬土分布區域之一[1]，屬中溫帶半濕潤氣候向半干旱氣候過渡區，受長白山阻隔，大陸性季風氣候特征明顯，春秋多風少雨，冬季嚴寒少雪，地質構造屬中生代的沉陷地帶，為易溶性鹽分在土壤中大量聚集創造了極為有利的條件[2-3]。蘇打鹽漬土主要鹽分為Na2CO3和NaHCO3，主要表現為土壤pH高，堿性強，物理結構惡化，滲透性極差等特點[4-6]。大量研究已證實堿性鹽對作物萌發及根系生長的抑制作用顯著大于中性鹽[5-7]，因此蘇打鹽漬土生產能力低，土地資源難以得到充分利用，造成大量土地資源浪費[8]。灌溉洗鹽是解決鹽分表層聚集的有效方法之一[9-11]。針對這一問題，Mermond[12]和Letey[13]等認為，高頻少量的淋洗方式在蒸發強烈的條件下使水層停留在土壤表層，從而起不到洗鹽的目的；彭振陽[14-15]等也認為間歇淋洗能否提高淋洗效率不能一概而論，針對松嫩平原特殊的氣候條件，土壤水分蒸發量遠大于降雨量，而且地下水埋藏較淺，在鹽堿土水稻種植中為降低因水分蒸發而引起二次返鹽現象，一般水田僅在陰天進行適當晾田，因此亟需探討淹水條件下蘇打鹽化草甸土中鹽分的淋洗效應。蘇打鹽漬土質地粘重，土壤顆粒組成以粉粒和黏粒為主，透水性極差[16]，導致很難通過灌溉洗鹽實現改良的目的，但可通過施加外源物質對土壤物理、化學性質進行改良。趙蘭坡[17]認為，為提高灌溉洗鹽效率，首要任務是改善鹽漬土結構，以提高質地粘重土壤團聚體數量，增強土壤通透性。為解決這個問題，已研制出具有自主知識產權、成本較低的鹽堿土壤改良劑，能有效增加土壤水穩性團聚體數量，增大土壤孔隙，降低土壤容重，提高土壤水分入滲速率，降低土壤交換性鈉含量，達到較好的洗鹽效果[18]。但關于改良劑在不同土層的土壤孔隙度、pH、交換性Na+含量和水穩性團聚體數量等指標的改良效果尚不明晰。為了進一步探究改良劑在鹽堿土不同深度土層中的改良效果，本研究采用松嫩平原典型的蘇打鹽化草甸土進行室內土柱淋溶試驗，在淹水條件下，設置添加不同劑量的改良劑處理，測定不同深度土層土壤物理化學等相關指標，探明淹水條件下不同用量的改良劑對蘇打鹽化草甸土鹽分的淋洗效應，以期為松嫩平原干旱區鹽堿地改良及鹽堿地種植水稻提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試土壤 取自黑龍江省大慶市龍鳳區落荒地土壤(124°19′～125°12′E，45°46′～46°55′N)，地表作物為堿蓬和羊草，供試土壤類型為蘇打鹽化草甸土。該地區位于松嫩平原中部，海拔126～165 m，地勢較平坦，春秋多風少雨，冬季嚴寒少雪，蒸發量較大，平均年蒸發量為1 635 mm，年平均降水量427.5 mm，年平均風速為3.3 m·s-1。試驗土壤位于季節性凍土區，凍融作用較為強烈，鹽堿地分布廣泛，土壤多為鹽化草甸土，鹽分組成以碳酸鹽為主，土壤鹽分分布呈明顯的表聚性。按卡慶斯基分類制分類方法，該土壤為粉質黏壤土。土壤樣品分別取自0～10、10～20、20～30、30～40 cm和40～50 cm土層，取樣同時用環刀采集不同土層原狀土用于土壤容重的測定。土壤樣品自然晾干，分別過2 mm篩待測。供試土壤交換性Na+含量、pH和電導率[19]見表1。

表1 土壤交換性Na+含量、pH和電導率

1.1.2 供試改良劑 以硫酸銨和凹凸棒土為載體，按一定比例加入生物炭基肥、褪黑素、檸檬酸、硫酸鋁、硫酸鋅、硫酸亞鐵、2-N,N-二乙氨基乙基己酸酯和脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸酯鹽等，合成制作土壤改良劑。由大慶市啟隆農業科技有限公司生產。圖1A為澆灌自來水處理，表現為土壤粘重，孔隙小;圖1B為自來水+改良劑處理，表現為土壤疏松，孔隙大，水分入滲速率大。

圖1 改良劑改良蘇打鹽化草甸土效果Fig.1 Effects of a soil ameliorants on improvement of soda-salinized meadow soil

1.2 試驗設計

試驗于2019年4—7月采用土柱在實驗室進行淋洗試驗，設置6個不同改良劑處理S0、S1、S2、S3、S4、S5(每個土柱分別施用改良劑0.00、0.01、0.05、0.10、0.50、1.00 g，依據土柱代表面積換算成公頃用量分別為0.0、8.9、44.3、88.5、442.5、885.1 kg·hm-2)，每個處理均重復3次。

淋溶試驗裝置由土柱和馬氏瓶兩部分組成(圖2)。試驗土柱為有機玻璃材質，柱高70 cm，內徑12 cm，管壁厚1 cm，管壁單側具有4個圓形取樣孔，間距10 cm，試驗時用磨砂玻璃塞堵實，涂抹凡士林，防止水分流失，容器底部墊2層紗布，防止漏土，放置于直徑15 cm、高5 cm的培養皿中，用于接淋出液。

從土柱底端開始向上分層裝填過2 mm篩的風干土，共裝填50 cm，10～20 cm土層按試驗處理加入改良劑，充分混合均勻，40～50、30～40、20～30、10～20 cm和0～10 cm土層按原土壤剖面土層順序依次加入土柱，根據原位土壤自然條件下的0～10、10～20、20～30、30～40 cm和40～50 cm的土壤容重1.4739、1.5560、1.6073、1.6721 g·cm-3和1.7011 g·cm-3，風干后土壤含水量和土柱體積計算每10 cm深度填裝風干土質量，使土柱內各層土壤容重與自然情況下的容重基本相符。裝填之前在土柱內壁涂抹凡士林，裝填土柱時將土柱內壁邊緣的土壤壓實，確保無貼壁水流現象發生；在實際裝填時每5 cm深度進行一次填土，并用夯實器將土樣夯實，在填入下一層土壤時，使用毛刷將上一層界面刮毛，讓相鄰兩層土壤緊密接觸，以保證上下兩層之間無明顯分層，確保灌溉時土壤水鹽運移的連續性。填裝完畢后，在土表放置一張與土柱內徑相同的帶孔濾紙以防止灌水時對表土的沖刷。

試驗用馬氏瓶供水(為防止自來水中水溶性離子對本試驗的干擾，灌溉水使用去離子水)，其橫截面積0.0113 cm2，高60 cm，供水水頭控制在1.5～2.0 cm，每2 d打開馬氏瓶開關進行灌水，保證各處理灌溉時間相同，使土面淹水深度維持在20 cm，表層土壤始終處于飽和狀態(模擬水稻田灌水洗鹽)，試驗周期為15 d，試驗結束后在土柱10、20、30、40 cm孔隙處采集土樣(50 cm沒取樣是因為水分沒有滲入40～50 cm土層中，不存在洗鹽的效應，在前期預備試驗中，土柱淹水1個月僅S5處理水分滲入到40～50 cm土層，因此本試驗未測定該層次相關指標)，將土樣分為兩部分，一部分經風干后過1 mm篩放入封口袋中，用于土壤理化指標的測定；一部分置于通風陰涼處自然風干，風干過程中沿土壤自然裂痕剝離為1 cm3左右的小塊，將土樣混合均勻，用于水穩性團聚體的測定。

1.進氣孔；2.進氣管；3.輸水軟管；4.取土口；5.試驗土柱；6.馬氏瓶 1. Air inlet; 2. Air inlet vent; 3. Water hose; 4. Soil extraction; 5. Soil column; 6. Markov bottle圖2 淋溶試驗裝置圖Fig.2 Diagram of leaching experiment

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤理化指標的測定 采用環刀法測定土壤容重及土壤孔隙度，從土柱上部用定制環刀(直徑30 mm，高40 mm，體積28.26 cm3)進行分層取土，依次測定0～10、10～20、20～30 cm和30～40 cm深度土層4～7、14～17、24～27 cm和34～37 cm土壤容重，用夯實器慢慢向下敲打環刀，待環刀全部沒入土壤，用自制鐵鉤將環刀取出，土壤烘干稱重，計算孔隙度[19]；采用pH計(Sartorius PB-10,德國賽多利斯公司生產)測定土壤pH(水土比5∶1)；使用電導率儀(雷磁DDS-307，上海儀電科學儀器股份有限公司生產)測定土壤電導率(水土比5∶1)；采用烘干法測定土壤含水量；采用NH4OAc-NH4OH火焰光度法測定土壤交換性鈉含量[19]；采用雙指示劑-中和滴定法測定碳酸根和碳酸氫根含量[19]。

1.3.2 水穩性團聚體的測定 采用濕篩法[20]測定，每個樣品取4份50 g風干土樣置于4套孔徑自上而下分別為5、2、1、0.5、0.25 mm套篩的頂層篩上，將套篩靜止浸沒在蒸餾水中5 min，濕篩15 min(振幅5 cm，頻率30次·min-1，XY-100 型土壤團聚體分析儀，北京祥宇偉業儀器設備公司)，分別得到5個團聚體粒徑組分。將各個篩網的團聚體土樣轉移到鋁盒中，置于60℃烘箱中烘干，稱重，記錄各團聚體粒徑的質量，用于計算各團聚體組分的占比。

(1)

(2)

(3)

式中,Wi為某級水穩性團聚體的質量分數(%)；mi為該級水穩性團聚體的質量(g)；MWD(mean weight diameter)為團粒均重直徑(mm)；GMD(geometric mean diameter)為幾何平均直徑；xi為各級別團聚體的平均直徑(mm)。

1.4 統計分析

用Microsoft Excel 2013進行原始數據的處理，Origin 2018進行圖例繪制，SPSS 17.0數據處理軟件進行相關數據統計分析，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異(LSD)法比較不同土層間和處理間土壤脫鹽率的差異。

2 結果與分析

2.1 淹水條件下改良劑對鹽化草甸土容重和孔隙度的影響

容重表示土壤疏松程度，如圖3A所示，施用改良劑處理均可一定程度上降低土壤容重。在0～40 cm土層范圍內，相同土層條件下，S1與S0處理相比差別不大，當改良劑施用量增加到每個土柱施用0.05 g以上時(S2)，與S0相比，土壤容重顯著降低(30～40 cm除外)，其中，與0～10、10～20 cm和20～30 cm土層S0處理土壤容重相比，S3處理分別降低5.47%、5.38%和3.88%，S4處理分別降低8.0%、7.87%和6.35%，S5處理分別降低8.87%、9.60%和8.07%(P<0.05)。從圖3B可以看出，不同土層土壤孔隙度隨改良劑施用量的增加而呈增加趨勢，與0～10、10～20 cm和20～30 cm土層S0處理孔隙度相比，S3分別增加5.38%、5.47%和3.82%，S4分別增加7.69%、7.81%和6.11%，S5處理分別增加8.46%、9.38%和7.63%(P<0.05)。說明施用改良劑后可以顯著降低土壤容重，增加土壤孔隙，利于水分下滲；從土壤容重和改良劑用量上來看，S3處理為最優改良劑施用劑量。

圖3 淹水條件下改良劑對鹽化草甸土容重和孔隙度的影響Fig.3 Effects of a soil ameliorant on bulk density and porosity of soda-salinized meadow soil under flooding condition

2.2 淹水條件下改良劑對鹽化草甸土pH和土壤質量含水量的影響

如圖4A所示，土壤pH隨改良劑用量的增加呈降低趨勢，在不同深度土層pH值S1處理與S0相比差別不大，而當改良劑增加到S2處理用量之后，土壤pH呈顯著降低趨勢，其中與S0處理相比，S3、S4和S5不同深度土層pH降幅分別達到2.36%～3.89%、5.47%～9.58%(P<0.05)和7.39%～10.7%(P<0.05)，說明施用適宜改良劑可顯著降低土壤pH。如圖4B所示，施用改良劑處理0～10 cm土層土壤含水量均高于S0處理，其中S2、S3、S4和S5分別增加6.94%、16.0%、18.2%和26.5%(P<0.05)，10～20 cm土層S0處理土壤含水量仍為各處理最低(20.19%)，當土壤深度增加到20 cm以下時，S0處理20～30 cm和30～40 cm含水量僅為10.2%和8.04%，極顯著低于施用改良劑處理(S2、S3、S4和S5)(P<0.01)。綜上可知，未施改良劑處理蘇打鹽化草甸土土壤高度分散，土壤質地粘重，使水分滲入率低，土壤含水量遠低于其他處理，而施用改良劑處理(S3、S4和S5)土壤孔隙度大，水分滲入率增大，使20～40 cm土層土壤含水量與0～20 cm土層相差不大。

圖4 淹水條件下改良劑對鹽化草甸土pH和土壤含水量的影響Fig.4 Effects of a soil ameliorant on pH and soil moisture content of soda-salinized meadow soil under flooding condition

2.3 淹水條件下改良劑對蘇打鹽化草甸土交換性鈉、電導率和Na+淋失比率的影響

如圖5A所示，10～20 cm土層交換性鈉含量較0～10 cm土層顯著增加，說明在淹水條件下土壤表層Na+隨水而淋洗，降低表層土壤鹽濃度，但未施用改良劑處理(S0)在0～10 cm和10～20 cm交換性鈉含量均顯著高于其他處理，增幅分別為5.88%～56.5%和4.84%～30.5%(P<0.05)；而當土壤深度達到20～30 cm時S0處理交換性鈉含量與施用改良劑處理相比顯著降低，表明施用改良劑處理表層土壤的交換性鈉隨水分而淋洗，并淀積在20～30 cm以下，洗鹽效果顯著；S5處理交換性鈉含量最高，與S0處理相比，S3、S4和S5處理的交換性鈉含量分別增加7.37%、12.8%和17.1%(P<0.05)，表明適量的改良劑施用量在增加水分入滲的同時可淋洗土壤溶液中交換性鈉，降低土壤Na+含量。

如圖5B所示，土壤10～20 cm的電導率與交換性鈉含量變化趨勢相同，均表現出淹水條件下10～20 cm土層電導率要高于0～10 cm土層，說明在淹水條件下0～10 cm蘇打鹽化草甸土鹽基離子可被水淋洗至10～20 cm或以下土層，其中，0～10 cm土層中，S3、S4和S5處理電導率較S0處理分別降低49.0%、60.4%和58.2%(P<0.01)，10～20 cm土層S5處理電導率為各處理最高，較其他處理增幅6.69%～37.5%(P<0.05)，20～40 cm土層各處理均表現為S3、S4和S5電導率高于S0處理，而S1和S2低于S0處理。

圖5 淹水條件下改良劑對鹽化草甸土交換性鈉含量和電導率的影響Fig.5 Effects of a soil ameliorant on exchangeable sodium content and electrical conductivity of soda-salinized meadow soil under flooding condition

表2為相同土層條件下施用改良劑處理與對照(S0)處理相比的Na+淋失比率。可以看出，0～10 cm和10～20 cm土層施用改良劑處理均可顯著提高Na+淋失比率，而20～30 cm和30～40 cm土層各處理Na+淋失比率均顯著低于對照，表明施用改良劑處理使0～20 cm土層Na+淋失至20～40 cm土層，0～20 cm土層作物根系活躍脫鹽效果顯著，其中，20～30 cm土層S4和S5處理Na+淋失比率較S1、S2和S3相比顯著增加，說明改良劑施用數量對Na+淋失比率影響較大。從0～40 cm土層可以看出，S3、S4、S5處理Na+淋失比率遠高于其他處理，表明施用適量改良劑有利于土壤中Na+淋失。

表2 不同土層Na+淋失比率/%

2.4 淹水條件下改良劑對鹽化草甸土和的影響

圖6 淹水條件下改良劑對鹽化草甸土碳酸根和碳酸氫根的影響Fig.6 Effects of a soil ameliorant on content and content of soda-salinized meadow soil under flooding condition

2.5 淹水條件下改良劑對鹽化草甸土水穩性團聚體含量、MWD和GMD的影響

水穩性團聚體數量和分布狀況反映了土壤結構的穩定性、持水性、通透性和抗侵蝕的能力[21]。從表3可以看出，施用不同用量改良劑對不同深度土層不同級別水穩性團聚體影響較大，0～10 cm表現為施用改良劑處理≥0.25 mm水穩性團聚體的百分數均高于S0處理，其中S2、S3、S4和S5處理較S0相比分別增加25.6%、61.5%、115.8%和159.0%(P<0.01)，從不同級別水穩性團聚體可以看出，S1、S2和S3的≥0.25 mm水穩性團聚體數量提高主要是通過增加0.25～1.00 mm團聚體數量，而改良劑用量增加到S4以上時，可以提高所有級別團聚體的數量；10～20 cm土層表現與0～10 cm土層表現相一致，但施用改良劑處理的≥0.25 mm水穩性團聚體百分數均高于S0處理(P<0.05)；20～30 cm土層表現出與0～20 cm土層相類似的規律，其中S2、S3、S4和S5處理的≥0.25 mm水穩性團聚體百分數較S0分別增加15.9%、37.0%、67.7%和82.3%(P<0.01)；30～40 cm土層S0與S1、S2和S3相比無顯著差別，而S4和S5顯著高于S0處理，表明改良劑施用量低則30～40 cm土層水分入滲率低，而改良劑施用量增加至S4(0.5 g)以上時，水溶液可滲入30～40 cm，明顯調節土壤水穩性團聚體數量，提高土壤保水和滲水能力。

表3 淹水條件下改良劑對鹽化草甸土水穩性團聚體含量的影響

圖7A為不同土層土壤平均質量直徑(MWD)，如圖所示，MWD隨改良劑施用量增加呈增加的趨勢，在0～10、10～20 cm和20～30 cm土層，S3比S0分別增加5.78%、6.85%和6.17%,S4分別增加24.6%、18.4%和12.1%，S5分別增加23.3%、34.4%和17.7%(P<0.05)差異達顯著水平；在30～40 cm土層與S0相比，僅S4和S5分別增加16.7%和22.9%(P<0.01)，其他處理與S0差異均未達顯著水平。圖7B為不同土層土壤幾何平均直徑(GMD)，GMD隨改良劑施用無規律性變化，0～10 cm表現為S0處理最高，顯著高于S2、S3、S4和S5處理，分別增加11.0%、18.5%、7.03%和18.4%(P<0.05)，10～20 cm土層各處理未達顯著差異水平，20～30 cm土層表現為S0處理最高，顯著高于S2、S3、S4和S5，分別增加10.7%、14.7%、17.0%和13.6%(P<0.05)，而30～40 cm土層表現為S4和S5顯著高于其他處理，且分別較S0處理增加21.6%和23.7%(P<0.01)。

注：*代表差異顯著(P<0.05)。Note:* indicates significant differences (P<0.05).圖7 淹水條件下改良劑對鹽化草甸土MWD和GMD的影響Fig.7 Effects of a soil ameliorant on MWD and GMD of soda-salinized meadow soil under flooding condition

3 討 論

長期以來，通過種植水稻改良鹽堿地是一項促進生態環境發展的有利工程之一[22]。本試驗通過室內土柱方法模擬水稻淹水環境，探究改良劑對鹽堿土的改良效果。一般認為淹水條件下的淋洗效應受土壤結構、鹽基離子種類和團聚體狀況等因素的影響[1]。本研究表明每個土柱施用改良劑0.05 g以上(S3、S4和S5)處理(圖3)顯著降低0～30 cm土層土壤容重，增加土壤孔隙度，利于水分入滲。一般認為同一灌溉條件和同一土壤類型條件下，相同深度土壤含水量基本相同[23]，但本研究結果表明施用改良劑后提高不同深度土層的土壤含水量效果不同，主要因為鹽化草甸土具有土壤粘重，孔隙度小，土壤高度分散、透水性差等特點[24-25]，在淹水條件下，水分滯留于20 cm左右土層，無法下滲，而施用改良劑后(0.1 g以上)土壤容重降低，孔隙度增加，在淹水條件下增加的孔隙被毛管水充滿，使改良劑處理入滲量顯著增加，利于鹽分的淋洗，與趙金星[18]和董偉[26]等關于改良劑可以提高土壤水分入滲量的研究結果相一致，而與羅雪園[10]和王鵬山[11]等的研究結論相反，這種差異主要是由于供試土壤的質地條件及環境條件的差異所造成的。

電導率可用來表示土壤中可溶性鹽分的溶出狀況，可在一定程度上反映鹽離子的含量。在前期趙金星等[18]的研究表明，盆栽水稻施用改良劑后0～20 cm土壤電導率顯著增加，而本試驗中，除S5處理外其他施用改良劑處理在0～10 cm和10～20 cm的電導率均低于S0處理，原因可能是盆栽水稻盆底封死不漏水，使鹽基離子不能通過淋洗的方式洗脫而殘留在盆中，使電導率高于不施改良劑處理，而本試驗采用原位土柱模擬的方式，鹽基離子均隨水淋洗到下層，因而使電導率低于S0處理；而10～20 cm土層的S5處理和20～40 cm的S3、S4和S5處理電導率均高于S0處理(圖5B)，這與大多數研究關于外源改良物質降低土壤電導率的結果不一致[32-33]，原因是本改良劑中含有的鋁、鐵和鈣等離子，一部分與土壤Na+發生置換，置換Na+及部分鋁、鐵、鈣等離子在水分的淋洗下，滲到下層使電導率提高，而S5處理電導率遠高于其他處理，說明S5處理改良劑施用過多，易造成土壤污染和產品浪費。

土壤中水穩性團聚體是評定土壤微生物資源和土壤肥沃程度的重要指標，其值越高，土壤透水性和穩定性越強[34]。一般認為>0.25 mm的團聚體被稱為土壤團粒結構體，>0.25 mm級別團聚體的質量百分比可以衡量土壤結構的優劣[20]。本試驗中增施改良劑可以顯著改善土壤結構，增加水穩性團聚體數量，在30～40 cm土層中(表3)，S0處理與S1、S2和S3處理相比，各級別水穩性團聚體的質量百分比均未達到顯著水平，但與S4和S5處理相比均達顯著水平，說明適當加大改良劑用量可以增加土壤孔隙，增強水分入滲強度，改良劑溶液淋洗至的土層均有明顯改善土壤結構的功能。一般認為水穩定性團聚體的平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)是反映土壤團聚體穩定性的常用指標，團聚體的穩定性越好越有利于土壤對水分、養分的轉化，促進植物的生長，達到改善土壤生產力的目的[35]。本試驗中MWD與前人研究的結果相一致[34-35]，施用改良劑處理后獲得較大的MWD，因此具有相對穩定的土壤結構；而GMD與前人研究結果不完全一致[34-35]，這可能與鹽化草甸土土壤質地黏粒含量高有關，在0～30 cm土層中施用改良劑處理與S0處理相比，0.5～1.0 mm和0.25～0.50 mm水穩性團聚體數量增加高于1.0 mm以上的水穩性團聚體數量，因而使得S0處理GMD的值有高于施用改良劑的趨勢，而30～40 cm土層S4和S5處理要遠高于S0處理，原因主要是改良劑溶液滲入改善土壤結構，而S0處理水分未滲入該層，土壤仍保持原結構。

由于本試驗研究土壤為重度蘇打鹽化草甸土，重點探索改良劑的應用效果，未能針對不同鹽漬化程度的蘇打鹽化草甸土給出改良劑的施用數量，今后將作進一步探索，為改良蘇打鹽化草甸土和鹽堿地種水稻提供更為豐富的科學依據。

4 結 論