含碳與含硫物料對內陸蘇打鹽化土的改良效果研究

黃高鑒，王 瓊，張 強，楊治平，王 斌*

（1．山西農業大學資源環境學院，山西 太谷 030801；2．山西省農業科學院農業環境與資源研究所山西 太原 030031；3．中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；4．山西農業大學，山西 太原 030031）

鹽堿土是一種在我國分布比較廣泛且難以種植農作物的土壤，其面積可達9.91×107hm2［1］，占全國土地面積的10.9%［2］，并呈現出整體惡化和面積增加的趨勢［3］。鹽堿土面積的增加不僅限制了農業發展［4］，也影響了生態環境。此外，鹽堿土主要分布在地勢平坦且土層厚度適宜耕作的地帶［3］，因此，如何改良和利用鹽堿土，對提高農業綜合能力具有重要意義［5］。

我國鹽堿土改良多采用灌溉排水，構建暗管排水溝等措施，但是這些措施具有投資大、成本高、易反復、治理范圍小等缺點，而土壤改良劑是一種高效、經濟且便捷的新型改良措施，目前正在全世界范圍大力推廣使用［6］。關于改良劑利用方面，國內外學者已對改良劑在土壤的利用方面做了諸多相關研究［7］，土壤改良劑主要是通過改善土壤結構或者減少可溶性鹽類離子濃度來調節土壤pH值［8-9］。郭軍玲等［10］通過大田試驗分析了不同的含碳物料對華北蘇打鹽化土改良效果，指出含碳物料均可顯著降低0 ～20 cm 的土壤容重、pH 值、全鹽量和水溶性Na+、HCO3-含量，以風化煤和牛糞的改良效果最佳。王倩姿等［11］采用田間試驗對不同腐植酸類物質進行了鹽堿地的改良效果分析，發現3 種腐植酸當季對土壤pH 值影響較小，但降低了0 ～40 cm 土壤中電導率、水溶性Na+、K+含量和鈉吸附比（SAR）值。梁龍［12］通過土柱淋溶試驗發現腐植酸改良劑（DS-1997）可有效降低0 ～40 cm 土層重度蘇打鹽化土pH 值、交換性Na+含量和土壤堿化度（ESP），FeSO4可有效降低0 ～10 cm 的土壤水溶性Ca2+、HCO3-、Cl-和Na+含量，0 ～20 cm 的交換性Na+含量和ESP 值，增加土壤有機質、全氮和有效磷含量。Zhao 等［13］通過盆栽試驗，分析了不同用量的粉煤灰和煤矸石對鹽堿地檉柳生長的影響，發現對鹽堿地的改良效果為:15%（粉煤灰+淤泥）＞10%（粉煤灰+煤矸石+淤泥）＞20%粉煤灰，同時可提高檉柳的發芽率和枝條的成活率。土壤改良劑類型較多，其組成、性質和作用機理也不盡相同，這導致其對鹽堿地的改良效果有很大差異。因此，如何因地制宜選取經濟成本低、改良效果顯著的改良劑仍是當前鹽堿地改良研究的熱點問題之一。

山西省鹽堿土面積約有27.36 萬hm2，主要集中在大同盆地，其鹽堿類型主要為重度蘇打型鹽堿土，具有高濃度的鹽分含量和高堿化度值［14］，土壤結構差、土質黏重、通透性差等特點［9，15］，很難治理。因此，篩選適宜的改良物料是高效利用大同盆地蘇打鹽化土的重要手段。目前含碳與含硫物料改良鹽堿土研究報道較少。本研究通過探討FeSO4、Al2（SO4）3、DS-1997 和風化煤4 種含硫或含碳物料對土壤理化性狀和作物生長狀況的影響，找出試驗區最適改良材料，以期為內陸蘇打鹽化土的改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間試驗在大同市天鎮縣蘭玉堡村（113°53′E，49°9′N）山西省農科院鹽堿地改良示范基地進行，該地區屬北溫帶大陸性干旱季風氣候，四季分明，年均降水量為373.3 mm，年均蒸發量為1 937.6 mm，無霜期為90 ～128 d，年均日照時數為2 827 h，年均氣溫為6.4℃。試驗區土壤質地為粘土，按鹽堿土分類為蘇打鹽化土，試驗布置前，已經連續進行了3 年的改良耕作。試驗區耕層土壤的基礎理化性狀見表1。

表1 試驗區土壤基礎理化性狀

本試驗為2015 ～2017 年3 年定位試驗，試驗設5 個處理，分別為:CK、FeSO42 250 kg/hm2（工業用硫酸亞鐵，主要成分為FeSO4·7H2O，含量為70%，水 分 含 量20%，pH 值 為2.8）、Al2（SO4）32 250 kg/hm2［工業用硫酸鋁，主要成分為Al2（SO4）3·18H2O，pH 值 為3］、 風 化 煤22 500 kg/hm2（取自山西靈石，去除雜質，經加工粉碎過2.5 mm 篩后備用，總腐植酸含量為28.20%，游離腐植酸含量為25.62%，黃腐酸含量為0.57%，有機質含量為37.18%，pH 值為4.81）、腐植酸改良劑（DS-1997，主要由腐植酸、硫、糠醛渣及植物生長所需的微量元素組成，有機質含量為37.18%，pH 值為4.81）2 250 kg/hm2。改良物料用量均為項目組前期在該區域田間試驗得出的最佳施用量，每個處理設4 次重復，完全隨機排列。各物料于2015、2016、2017 年播前由人工均勻施入土壤，并進行旋耕灌水，灌水量1 500 m3/hm2。供試飼用玉米品種為雅玉8 號，種植密度為67 500 株/hm2，各處理田間管理措施一致。

1.2 土壤樣品采集與分析

2017 年9 月16 日收獲，每個小區采集3 個4 m2植物樣方，用米尺、游標卡尺和電子秤測定株高、莖粗和產量。玉米收獲后，植物樣根部定點采集0 ～20 cm 土壤樣品，充分混勻，風干后進行分析和測定。土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定、有效磷用Olsen 法測定、土壤pH 值采用電位法（土水比1∶2.5）、土壤EC 采用電導儀測定（土水比1∶5）、水溶性離子（水土比1∶5）:Ca2+、Mg2+采用EDTA 滴定法，Na+、K+采用火焰光度法，CO32-、HCO3-采用稀硫酸中和滴定法，SO42-采用硫酸鋇比濁法，Cl-采用硝酸銀滴定法，陽離子交換量（CEC）采用醋酸鈉火焰光度法，土壤交換性鈉離子（［Nas］）:乙酸銨-氫氧化銨火焰光度法［15］。

1.3 計算公式

式中，［Nas］為交換性鈉離子的數量（cmol/kg）。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2016 和SPSS 20.0 進行數據處理與統計分析，所有的數據均為平均值，采用單因素方差分析（ANOVA）和Duncan 檢驗，比較4 種改良物料在土壤性質和玉米產量的差異（P＜0.05）。由Sigmplot 12.5 進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤pH 值、ESP 值和EC 值變化特征

由圖1 顯示，添加4 種改良物料后，土壤pH值和土壤堿化度（ESP）均顯著降低，與CK 相比，pH 值降低了2.87%～5.39%，依次為:風化煤＞Al2（SO4）3＞DS-1997＞FeSO4，但各處理之間差異不顯著，以添加風化煤處理降低最為明顯，降低至8.22，比CK 處理降低了5.39%，比其他改良處理降低了1.17%～2.60%。與CK 相比，ESP降低了38.71%～75.22%，依次為:風化煤＞DS-1997＞FeSO4＞Al2（SO4）3，以添加風化煤處理降低最為明顯，降低至4.5%，比CK 降低了75.22%，比其他改良劑處理降低了35.12%～59.55%。添加4 種改良物料后，各處理土壤的EC 值變化不盡相同，與CK 相比，添加FeSO4和風化煤后，顯著降低了土壤EC 值，與CK 相比分別降低了47.08%和32.09%，添加Al2（SO4）3和DS-1997 后，土壤EC值略有下降，與CK 相比降低了1.19%～1.78%，但各處理之間無顯著性差異。

圖1 4 種改良物料對土壤pH 值、EC 值和ESP 值的影響

表2 4 種改良物料對土壤鹽基離子的影響

2.2 土壤水溶性鹽基離子含量的變化特征

由表2 可知，添加改良物料后，顯著降低了土壤中的交換性鈉離子數量［Nas］，與CK 相比降低了52.19%～78.06%，以風化煤處理［Nas］降低量 最 大，其 次 為DS-1997＞FeSO4＞Al2（SO4）3。添加改良劑后，FeSO4和風化煤顯著降低了土壤離子總量，與CK 相比降低了51.51%和35.38%，添 加Al2（SO4）3和DS-1997 處理后土壤離子總量略有下降，與CK 相比分別降低了2.29%和13.38%，但差異不顯著。添加FeSO4和風化煤處理后土壤Ca2+和Mg2+含量略有提高，但與CK相比差異不顯著，添 加Al2（SO4）3和DS-1997后，顯著提高了土壤Ca2+和Mg2+含量，與CK 相比分別提高了103.80%和80.95%。添加改良物料都顯著降低了土壤溶液中［Nas］，與CK 相比降低了89.54%～96.61%，以DS-1997 處理降幅最大，但各處理之間差異不顯著。添加FeSO4、風化煤和Al2（SO4）3顯著降低了土壤HCO3-含量，與CK 相比降低了31.18%～38.71%，添加DS-1997增加了土壤HCO3-含量，但與CK 相比差異不顯著。添加改良物料對土壤Cl-含量的影響均不顯著，以風化煤處理Cl-含量最低，與CK 相比降低了30.77%，Al2（SO4）3處理Cl-含量最高，與CK相比提高15.38%。施用FeSO4和風化煤顯著降低了土壤SO42-含量，與CK 相比分別降低了49.41%和12.94%，Al2（SO4）3和DS-1997 處理土壤SO42-含量有所升高，與CK 相比分別提高了31.37%和14.90%，但與CK 處理之間差異不顯著。

2.3 土壤養分含量的變化特征

由圖2 顯示，添加改良物料后，對土壤養分含量影響不盡相同，添加Al2（SO4）3土壤有機質含量略有降低，比CK 降低了16.73%，添加FeSO4與CK 相比提高3.17%，但與CK 差異不顯著。添加風化煤和DS-1997 顯著增加了土壤有機質的含量，分別為21.89 和18.95 g/kg，分別比CK 增加了88.51%和63.18%，以風化煤處理有機質增加量最大，比DS-1997 處理顯著提高了13.43%。添加Al2（SO4）3和FeSO4后土壤有效磷含量有所下降，與CK 相比分別降低了9.30%和12.9%，但與CK相比差異不顯著。添加風化煤和DS-1997 后可顯著提高土壤有效磷含量，分別為36.82 和35.4 mg/kg，分別比CK 處理增加了38.70%和33.33%，以添加風化煤土壤有效磷增加量最大，比DS-1997 處理高4.02%，兩個處理之間無顯著性差異。添加各改良劑后土壤速效鉀含量有所下降，與CK 相比降低了4.40%～13.66%，但均與CK 處理之間差異不顯著。

圖2 4 種改良物料對土壤有機質、有效磷和速效鉀的影響

2.4 玉米生物性狀特征

由表3 可知，與CK 相比，添加改良物料后均顯著提高了玉米的株高、莖粗和生物量（P＜0.05）， 比CK 分 別 增 加 了6.04% ～9.64%、1.58%～7.03%、28.77%～36.79%，各指標值均以FeSO4處理最大，分別為247.53 cm、25.07 mm和46 135.31 kg/hm2，DS-1997 處理各指標值最小，但各處理間均無顯著性差異。

表3 4種改良物料對玉米生物性狀的影響

3 討論

3.1 含碳物料對蘇打鹽化土改良效果的影響

高pH 值和ESP 值是蘇打鹽化土的典型特征，嚴重影響作物的生長發育，一般將pH=8.5 和ESP=15%作為土壤結構惡化的關鍵值［16］。由圖1可知，添加不同改良物料后，土壤pH 值和ESP 值均降低到關鍵值以下，說明4 種改良物料均能起到顯著改良鹽堿地的效果。但不同的改良物料對土壤的改良機理不同。DS-1997 主要成分是硫磺、腐植酸、糖醛渣以及一些微量元素，它對土壤的改良主要是:（1）改良物料施入土壤后，其中的硫磺被逐漸氧化成硫酸根離子，此過程中產生大量的H+中和土壤中高濃度的OH-離子，起到降低土壤pH 值的效果。曹瑩菲等［17］通過對寧夏黃灌區鹽堿土添加不同含量硫磺研究發現，施用3 個不同水平的硫磺均能起到降低土壤pH 值的效果，驗證了本文的結果；此外，水解產生的H+與土壤中的CaCO3發生反應，生成溶解度較大的CaSO4，增加土壤溶液中的Ca2+含量（表2），通過置換出土壤膠體的Na+，降低了土壤ESP 值（圖1），在硫磺被氧化過程中，也會形成易被植物吸收利用的形態，可提高作物的產量，但可能由于試驗時間較短以及改良劑中硫磺含量較低，導致作物產量增加不明顯［18］。（2）DS-1997 中的糖醛渣原材料是玉米芯，其中含有大量的氮、磷、鉀等可被植物吸收的有效養分，增加了土壤溶液中鹽分離子含量，因此土壤的EC 值較CK 有所降低，但未呈現顯著性差異，土壤的有機質、有效磷和速效鉀也呈現出比其他處理顯著增加，降低不明顯的趨勢。（3）DS-1997 和風化煤均含有腐植酸，腐植酸是一種有效的緩沖劑，在土壤pH 值偏高時，其酸性功能團可釋放出H+與土壤中的OH-反應，降低土壤堿性［19］。馬獻發等［20］在黑龍江草甸土發現施用腐植酸可顯著降低土壤堿性，其pH 值比對照處理降低了6.68%～15.3%，這與本文的研究結果一致。腐植酸含有的各種功能團以離子鍵或者共價鍵的形式與土壤中的Na+等金屬離子發生螯合、吸附和絡合反應，一般來說，腐植酸可吸附20%的游離Na+；此外，腐植酸的化學活性和生物活性較強，交換能力比較強，對Ca2+的親和力較強［21-22］，因此，土壤中交換性Na+含量呈顯著降低的趨勢（表2）。孫在金等［23］在濱海鹽堿土上也發現單施腐植酸處理可顯著降低不同堿度土壤的交換性鈉離子含量，與本試驗結果相符。土壤溶液中的Na+含量也是有所降低的，王倩姿等［11］在河北滄州發現施用不同量的腐植酸可顯著降低土壤中水溶性Na+含量，這也驗證了本文結果。這可能由于降雨的作用將其淋洗到更深層的土壤，由于鹽堿土具有“鹽隨水來，鹽隨水去”等特征，因此研究土壤剖面鹽分運移情況是筆者今后的研究重點。

風化煤和DS-1997 中含有大量的腐植酸，添加 風 化 煤 和DS-1997 比 添 加Al2（SO4）3、FeSO4更能顯著增加土壤有機質的含量（圖2）。郭軍玲等［10］在山西省懷仁縣鹽堿地改良利用基地研究發現，施用風化煤后土壤有機質含量較對照顯著提高了32.95%。有機質含量的提高可以促進土壤有效磷含量的增加，腐植酸通過與土壤中的磷酸根競爭土壤膠體表面的吸附位點，降低了土壤對磷的吸附，腐植酸也會在無機膠體表面形成一層膠膜，減少對磷酸根離子的吸附，增加土壤溶液中磷含量（圖2）；王瓊等［24］在黑土長期試驗發現，有機無機肥配施處理通過影響土壤中有機質的含量，降低土壤對磷的最大吸附量，增加土壤溶液中有效磷含量，這也驗證了本試驗結果。土壤中速效鉀含量同樣受土壤性質的影響，腐植酸的施用會減少土壤對鉀的吸附固定，增加土壤溶液中速效鉀含量，提高鉀的有效性。本試驗中，各改良劑添加后土壤速效鉀含量沒有顯著變化，但施用風化煤和DS-1997 后土壤速效鉀含量仍比Al2（SO4）3、FeSO4高4.78%～10.72%。

3.2 含硫物料對蘇打鹽化土改良效果的影響

Al2（SO4）3、FeSO4是兩種典型的含硫改良物料，主要通過水解產生大量的H+，以此降低土壤pH 值［25］。此外，通過溶解土壤中難溶性鈣鎂碳酸鹽，增加了土壤中Ca2+和Mg2+含量，增加了鹽分，但由于Al2（SO4）3和FeSO4所帶的電荷數不同，施用同等量的改良劑，Al2（SO4）3在土壤中離子濃度較FeSO4多，因此，其土壤EC 值、土壤Ca2+、Mg2+、SO42-含量和土壤離子總量均高于FeSO4處理（表2），但其土壤ESP 值以及交換性Na+含量并無顯著性差異（圖1，表2），兩種改良物料添加后玉米產量也未出現顯著差異（表3），說明同等施用量下，Al2（SO4）3和FeSO4對土壤的改良效果相似。

4 結論

施用4 種不同改良物料均能顯著降低土壤pH值，降低土壤堿性，改善土壤水溶性離子組成，有效降低土壤ESP 值，對大同盆地蘇打鹽化土起到很好的改良效果。

由于外源離子輸入量較大，使得DS-1997 和Al2（SO4）3處理EC 值和離子總量顯著高于FeSO4和風化煤處理，但其鹽分組成發生變化，對土壤有毒害作用的Na+有所減少，此外還提供了作物生長所必需的S 元素，提高了作物的抗逆性。

4 種改良物料均能提高作物產量，風化煤和DS-1997 可較對照處理顯著提高土壤有機質和有效磷含量，維持土壤速效鉀含量。

綜合來說，4 種改良劑以風化煤處理改良效果最佳，在0 ～20 cm 土層中，可較CK 處理降低0.47 個單位的pH 值，EC 值降低32.09%，ESP 值降低75.22%。添加風化煤后可改善0 ～20 cm 土壤鹽分組成和含量，較CK 處理減少了78.06%的交換性鈉離子含量，并顯著增加了土壤有機質和有效磷含量，土壤養分情況均得到顯著改善。