鹽堿土施用硅鈣渣對披堿草生長的影響及機(jī)制

范朕連，賈陽杰，范遠(yuǎn)，宋慧平，馮政君

（1.山西大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所，國家環(huán)境保護(hù)煤炭廢棄物資源化高效利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西資源循環(huán)與生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地，山西太原030006；2.山西瑞恩澤科技有限公司，山西 太原030006；3.山西大學(xué)黃土高原研究所，山西太原030006）

據(jù)第二次全國土壤普查，我國鹽堿土約為34666667 hm2［1］。鹽堿土包括堿化土壤和鹽化土壤［2］，堿化主要由Na2CO3和NaHCO3引起，鹽化主要由NaCl 和Na2SO4引起［3］。鹽化土壤電導(dǎo)率（electrical conductivity，EC）>4，pH<8.5、堿 化度（exchange sodium percentage，ESP）<15.0；堿 化 土 壤 電導(dǎo) 率（EC）<4，pH>8.5、堿 化度（ESP）>15.0［2］。受到鹽脅迫時(shí)，植物被迫吸收鹽離子并在體內(nèi)積累，過量鹽離子會產(chǎn)生離子毒害作用，破壞活性氧代謝系統(tǒng)的動態(tài)平衡并抑制植物吸收部分營養(yǎng)元素；此外，土壤中大量的可溶性鹽分會降低土壤滲透勢，使植物難以吸收水分而形成滲透脅迫［4］。而堿脅迫不僅包括滲透脅迫和離子毒害，還包括高pH 脅迫［5］。研究表明，堿脅迫的危害遠(yuǎn)高于鹽脅迫［6?7］，其根本原因是堿脅迫在鹽脅迫的基礎(chǔ)上增加了高pH 脅迫［8］，高pH 對植物的危害比離子毒害和滲透脅迫更強(qiáng)烈［9］。

鹽堿地的改良和利用一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。利用化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)改良是常見的手段之一，其特點(diǎn)是見效快且降低鹽堿度效果明顯。脫硫石膏改良鹽堿地已取得一定成效，其改良機(jī)制主要是通過脫硫石膏產(chǎn)生的Ca2+與土壤中的CO32?、HCO3?發(fā)生沉淀反應(yīng)，降低因CO32?、HCO3?引起的土壤高pH 值［10］；同時(shí)Ca2+可增強(qiáng)植物“富鉀拒鈉”過程［11］，緩解其受到的Na+毒害。在鹽堿地上種植一些耐鹽堿的經(jīng)濟(jì)作物，可以在產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)改善鹽堿地的土壤性質(zhì)。披堿草（Elymus nutans）是北方地區(qū)常見的一種牧草［12］，具有抗旱、耐寒、耐鹽堿的特性［13?14］。

硅鈣渣是粉煤灰提鋁過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，富含Ca2+，且其用于煙氣脫硫之后pH 約為6～7［15］，與脫硫石膏性質(zhì)相近。硅鈣渣施用到鹽堿土后可能與脫硫石膏產(chǎn)生類似的改良效應(yīng)。此外，硅鈣渣富含硅（Si）元素，大量研究表明，硅可提高許多植物對生物脅迫（病、蟲害等）和非生物脅迫（干旱、重金屬、冷害等）的抗性［16?20］；此外，硅可改善多種植物的光合氣體交換，提高植物對鹽脅迫的抗性，降低作物的鹽害［21?22］。因此，硅鈣渣有潛力應(yīng)用于鹽堿土的改良。

本研究擬探究硅鈣渣對鹽堿地的改良效應(yīng)并與脫硫石膏進(jìn)行對比，以披堿草為受試植物，考察了硅鈣渣對鹽堿土土壤性質(zhì)及披堿草生長生理指標(biāo)的影響，為硅鈣渣的資源化利用提供新途徑及理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料來源

鹽堿土采自山西省忻州市（pH=8.6，碳含量為0.02%，氮含量為0.49%，電導(dǎo)率為25.48 ms·cm?1，含鹽量0.69%）；硅鈣渣由大唐國際高鋁煤炭資源開發(fā)利用研發(fā)中心提供（表1），脫硫后pH=5.47；脫硫石膏由山西省長治市襄垣固廢處理基地提供（表2），pH=6.80；披堿草種子采購于西安彩虹草業(yè)有限公司；試劑盒采購于南京建成生物有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采取盆栽試驗(yàn)，于2019 年進(jìn)行，將硅鈣渣添加到鹽堿土中，添加量為0、10、25、50 g·kg?1，同時(shí)添加脫硫石膏50 g·kg?1作為對照（DG）。披堿草種子浸泡于H2O2溶液中消毒10 min，然后用去離子水沖洗干凈待用。種植時(shí)將不同添加量的硅鈣渣與600 g 鹽堿土混合均勻，加水使土壤含水量保持在20%，放置1～2 d 之后翻土并取出2～3 cm 表層土，將處理后的披堿草種子2 g 均勻鋪開，再用表層土覆蓋，稍微壓實(shí)即可。種植期間每天澆水使土壤含水量始終保持在20%，設(shè)置3 個重復(fù)，種植2 個月之后收割植物。

表1 硅鈣渣化學(xué)成分組成Table 1 Chemical composition of silica-calcium slag

1.3 指標(biāo)測定與方法

在植物生長過程中，用米尺測量株高，收割植物之后測定植物和土壤的指標(biāo)。

植物與土壤的鉀、鈣、鈉和鎂含量采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（ICAP6000，美國）測定，具體如下：1）收割后的植物清洗干凈擦干之后，稱取0.1 g 剪碎后裝入消解管，使用5 mL 硝酸進(jìn)行消解，將消解液稀釋5 倍并用0.45 μm 的濾膜過濾，然后進(jìn)行測定；2）將風(fēng)干后的土壤研磨后過10 目篩，稱取20 g 用100 mL 去離子水浸提，150 r·min?1振蕩30 min，3500 r·min?1離心取上清液稀釋5 倍，用0.45 μm 的濾膜過濾之后進(jìn)行測定。

植物葉綠素、可溶性糖、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（peroxidase，POD）均采用試劑盒進(jìn)行測定。植物葉綠素：研磨新鮮植物0.1 g，用無水乙醇和丙酮1∶2（V∶V）10 mL 避光浸提3 h，用分光光度計(jì)測定663 和645 nm 處的吸光度，通過計(jì)算即可得到葉綠素含量；可溶性糖：新鮮植物0.1 g，加入10 mL 蒸餾水研磨后沸水浴10 min，冷卻后4000 r·min?1離心10 min，取上清液稀釋合適倍數(shù)后按試劑盒操作方法加入試劑，混合均勻后沸水浴10 min，流水冷卻后于620 nm 處測定吸光度，經(jīng)計(jì)算可得可溶性糖的含量；SOD：新鮮植物0.1 g 加入8 mL 磷酸緩沖液，在冰水浴中研磨后3500 r·min?1離心10 min，取上清液按操作方法加入試劑盒中的試劑，混合均勻后37 ℃水浴40 min，加入顯色劑混合均勻，室溫放置10 min 后于550 nm 處測定吸光度，經(jīng)計(jì)算得到SOD 活性；POD：新鮮植物0.1 g 加入8 mL 磷酸緩沖液，在冰水浴中研磨后3500 r·min?1離心10 min，取上清液按操作方法加入試劑盒中的試劑，混合均勻后3500 r·min?1離心10 min，取上清液于420 nm 處測定吸光度，經(jīng)計(jì)算得到POD 活性。

表2 脫硫石膏化學(xué)成分組成Table 2 Chemical composition of desulphurized gypsum

土壤電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀測定，將風(fēng)干后的土壤研磨后過孔徑2 mm 篩，稱取20 g 用100 mL 去離子水浸提，150 r·min?1振蕩30 min，3500 r·min?1離心取上清液用電導(dǎo)率儀檢測電導(dǎo)率。

土壤的pH 采用pH 計(jì)測定，將風(fēng)干后的土壤研磨后過孔徑2 mm 篩，稱取10 g 用25 mL 去離子水浸提，間歇攪拌30 min，靜置30 min 后用pH 計(jì)測定。

土壤全鹽量采用烘干法測定，將風(fēng)干后的土壤研磨后過孔徑2 mm 篩，稱取20 g 用100 mL 去離子水浸提，150 r·min?1震蕩30 min，3500 r·min?1離心取上清液25 mL 于燒杯中，待液體蒸發(fā)之后燒杯的重量差值即為土壤含鹽量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010、Origin 2018 和IBM SPSS Statistics 21 等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加硅鈣渣對鹽堿土化學(xué)性質(zhì)的影響

施用硅鈣渣顯著降低土壤pH（圖1），硅鈣渣添加量為50 g·kg?1時(shí)pH 降低程度小于同添加量的脫硫石膏對照組。土壤的全鹽量和電導(dǎo)率都呈增加趨勢（圖2），施用硅鈣渣的處理組全鹽量和電導(dǎo)率均高于脫硫石膏對照組，可能原因是硅鈣渣中所含的離子種類較多（表1），使土壤中可溶性鹽含量增加，從而使電導(dǎo)率升高；隨著硅鈣渣添加量的增加，土壤中的鈣、鎂和鈉元素均呈升高趨勢，鉀元素呈降低趨勢，鈣含量升高2.94%～97.06%，鎂含量升高7.69%～23.08%，鈉含量升高8.82%～52.94%（表3），鉀元素降低17.65%～35.29%，硅鈣渣添加量為50 g·kg?1時(shí)鈣元素含量顯著低于同添加量的脫硫石膏中的鈣元素含量，而鈉、鎂、鉀元素含量則高于同添加量的脫硫石膏對照組，結(jié)合硅鈣渣和脫硫石膏的成分組成（表1～2），脫硫石膏中鈣元素含量豐富，而鈉、鎂、鉀元素含量較少，與結(jié)果相符。

圖1 不同處理組的土壤pHFig.1 The pH of soil with different treatment groups

圖2 不同處理組的土壤全鹽量和土壤電導(dǎo)率Fig.2 The total salt content and the electrical conductivity of soil with different treatment groups

表3 不同改良劑處理組的土壤中鉀、鈣、鈉和鎂元素含量Table 3 The content of potassium，calcium，sodium and magnesium in soil of different treatment groups with different modifiers

2.2 添加硅鈣渣對披堿草生長的影響

隨著硅鈣渣添加量增加，披堿草的株高、根長以及生物量都呈升高趨勢，且在硅鈣渣添加量為50 g·kg?1時(shí)株高、根長以及生物量均達(dá)到最大，單株生物量增加了約0.4～1.6 倍，總生物量增加了約2.8～6.8 倍，根長增加了約3.16%～40.21%，株高增加了約9.07%～17.35%，說明植物長勢良好（表4），硅鈣渣添加量為50 g·kg?1時(shí)植物各項(xiàng)生長指標(biāo)均優(yōu)于同添加量的脫硫石膏對照組，說明硅鈣渣促進(jìn)披堿草生長的效果更好，且添加量為50 g·kg?1時(shí)改良效果最佳。

2.3 添加硅鈣渣對披堿草礦質(zhì)元素含量及比例的影響

隨著硅鈣渣添加量增加，披堿草中鈣、鎂、鉀元素含量分別升高31.25%～50.00%、0.51%～5.13%、1.59%～11.11%，同時(shí)鈉含量降低10.00%～20.00%（表5），（K+Na）/（Ca+Mg）降低24.66%～32.75%，Ca/Na 提高18.26%～45.14%，K/Na 提高25.26%～57.09%（圖3），且在硅鈣渣添加量為50 g·kg?1時(shí)，鈣、鉀元素含量達(dá)到最大，而鈉元素含量達(dá)到最小。硅鈣渣添加量為50 g·kg?1時(shí)披堿草中鉀、鈉、鈣、鎂元素含量以及Ca/Na均高于同添加量的脫硫石膏對照組，而K/Na 和（K+Na）/（Ca+Mg）則低于同添加量的脫硫石膏對照組，根據(jù)硅鈣渣成分（表1）和脫硫石膏成分（表2）分析可能是因?yàn)楣桠}渣中的硅和鈣同時(shí)作用于披堿草的生長，促進(jìn)其吸收鉀、鈣、鎂元素，同時(shí)減少了鈉含量，同時(shí)使K/Na 和（K+Na）/（Ca+Mg）降低更顯著。

表4 不同改良劑處理組的植物株高、根長和生物量Table 4 The plant height，root length and biomass of plant with different treatment groups

表5 不同改良劑處理組的植物中鉀、鈣、鈉和鎂元素含量Table 5 The content of potassium，calcium，sodium and magnesium in plant of different treatment groups with different modifiers

圖3 不同處理組的植物Ca/Na、K/Na 和（K+Na）/（Ca+Mg）Fig.3 The Ca/Na、K/Na and（K+Na）/（Ca+Mg）of different treatment groups

2.4 添加硅鈣渣對披堿草生理指標(biāo)的影響

隨著硅鈣渣添加量增加，披堿草中可溶性糖、葉綠素含量和抗氧化酶活性均呈降低趨勢（圖4～6），POD 活 性 降 低5.93%～21.57%，SOD 活 性 降 低12.57%～16.00%，且在硅鈣渣添加量為50 g·kg?1時(shí)降到最低，結(jié)合土壤pH 變化（圖1），說明添加硅鈣渣可顯著降低鹽堿土壤對披堿草的堿脅迫作用，但是披堿草中可溶性糖含量降低24.71%～27.26%、葉綠素a 含量降低28.59%～58.56%，葉綠素b 含量降低35.53%～63.77%，總?cè)~綠素含量降低36.47%～60.05%，且在硅鈣渣添加量為50 g·kg?1時(shí)含量最低，綜合土壤全鹽量、電導(dǎo)率（圖2）和各元素含量變化（表3），分析原因可能是施用硅鈣渣之后，土壤中可溶性鹽分增加，在緩解堿脅迫的同時(shí)，形成了鹽脅迫，導(dǎo)致植物的可溶性糖和葉綠素含量降低。硅鈣渣添加量為50 g·kg?1時(shí)披堿草中可溶性糖含量和POD 活性均高于同添加量的脫硫石膏對照組，而葉綠素含量和SOD 活性含量則低于同添加量的脫硫石膏對照組。

3 討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，施用脫硫石膏和硅鈣渣促進(jìn)了披堿草的生長。從表4 可以看出，施用硅鈣渣后披堿草的株高、生物量都明顯高于空白組，以50 g·kg?1的添加量最好，而添加脫硫石膏的對照組只有總生物量顯著增加，其他指標(biāo)效果不明顯。表5 顯示披堿草中鈣、鎂、鉀等對植物生長有益的元素都呈升高趨勢。從圖6 看出披堿草中抗氧化酶SOD 和POD 的活性降低，而研究表明，鹽脅迫下植物體內(nèi)SOD 等活性與植物的抗氧化脅迫能力呈正相關(guān)［23］，這說明披堿草受到的鹽堿脅迫程度降低。

土壤pH 值降低是改良劑促進(jìn)披堿草生長的主要原因之一。研究顯示，盆栽試驗(yàn)中添加脫硫石膏4 g·kg?1與空白相比pH 由8.95 降低至8.08［24］；大田試驗(yàn)中添加脫硫石膏1.5 t·hm?2與空白相比pH 由10.26降低至8.17，下降了20.4%［25］。圖1 顯示，硅鈣渣和脫硫石膏都可以顯著降低鹽堿土的pH，王彬等［24］研究發(fā)現(xiàn)，施用脫硫石膏后其中的Ca2+可與堿土中的CO32?、HCO3?發(fā)生沉淀反應(yīng)，使土壤的pH 值顯著降低。與脫硫石膏類似，硅鈣渣也富含Ca2+，通過其釋放的Ca2+可以以相同的原理降低土壤pH 值。土壤pH 降低緩解了披堿草受到的堿脅迫，從而改善了披堿草的生長。

圖4 不同處理組的植物可溶性糖含量Fig.4 The content of soluble sugar in plant with different treatment groups

圖5 不同處理組的植物葉綠素含量Fig.5 The content of chlorophyll in plant with different treatment groups

圖6 不同處理組的植物POD 和SOD 活性Fig.6 The activities of POD and SOD in plant with different treatment groups

此外，硅鈣渣中的鈣可以提高披堿草的鹽堿脅迫抗性，從而促進(jìn)其生長。表5 的結(jié)果顯示，施用硅鈣渣后披堿草中的Ca 元素含量升高。研究顯示，Ca2+可以介導(dǎo)鹽脅迫信號，調(diào)節(jié)植物體細(xì)胞內(nèi)離子平衡［6］，平衡細(xì)胞膜正常的跨膜電化學(xué)梯度，維持細(xì)胞滲透壓；另一方面Ca2+的吸收可以緩解土壤中過量Na+的吸收［26］，提高K/Na，緩解鈉積累對植物的毒害作用［27］。王靜等［28］發(fā)現(xiàn)脫硫石膏可以通過增加鈣聚集、消除鈉毒害和保持水稻（Oryza sa?tiva）植物營養(yǎng)平衡來改善土壤性質(zhì)，提高水稻的產(chǎn)量；陳永偉等［29］研究發(fā)現(xiàn)，施用脫硫廢棄物制得的改良劑可降低土壤的（K+Na）/（Ca+Mg），促進(jìn)水稻生長，本試驗(yàn)披堿草中的（K+Na）/（Ca+Mg）顯著降低，說明硅鈣渣改良鹽堿土的機(jī)制與脫硫石膏類似，即增加鈣離子、消除鈉離子的危害，進(jìn)一步說明硅鈣渣對披堿草生長有促進(jìn)作用。

施用硅鈣渣促進(jìn)披堿草生長的另一個重要原因是硅鈣渣富含Si。Si 是提高植物抗鹽堿脅迫能力的重要元素。研究表明，Si 能降低植物對Na+的吸收和積累、提高K+含量以及抗氧化防御能力，在一定程度上可緩解鹽脅迫對植物的損傷［22］；朱瀟等［30］研究發(fā)現(xiàn)Si 可促進(jìn)植物對Ca、Mg 等其他營養(yǎng)元素的吸收，促進(jìn)植物的生長；張倩等［31］也研究發(fā)現(xiàn)施用外源硅后可減輕鹽脅迫對棉苗（Gossypiumspp.）的損傷程度，促進(jìn)其正常生長，提高棉花苗期抗逆性。此外pH 的降低也可以促進(jìn)植物對硅的吸收，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤溶液的pH<9 時(shí)，硅通常以H4SiO4的形式被植株所吸收，之后以無定型SiO2的形式沉積在植物體內(nèi)，因此土壤pH 降低可以促進(jìn)植物對硅的吸收，進(jìn)一步促進(jìn)披堿草生長［22］。

硅鈣渣在促進(jìn)披堿草生長的同時(shí)也會對植物體系產(chǎn)生負(fù)面影響。雖然結(jié)果顯示硅鈣渣添加量最大時(shí)（50 g·kg?1），植物生長最佳，但是從圖2 可以看出，施用硅鈣渣會導(dǎo)致土壤的全鹽量和電導(dǎo)率升高，添加量為50 g·kg?1全鹽量升高45.52%，電導(dǎo)率升高32.18%。李玉波等［32］研究發(fā)現(xiàn)，脫硫石膏本身是一種無機(jī)鹽類，可溶性鹽含量較高，施用后會增加土壤含鹽量。硅鈣渣與脫硫石膏相似，都屬于鹽類，因此施用硅鈣渣后的鹽堿土?xí)捎诤}量升高而使植物的部分指標(biāo)變差，如可溶性糖和葉綠素含量降低。

4 結(jié)論

1）硅鈣渣可以降低土壤pH，改善土壤理化性質(zhì)，緩解堿脅迫，以50 g·kg?1的添加量效果最好；2）硅鈣渣可為披堿草提供豐富的Ca、Si 等抗鹽堿脅迫的元素，顯著增強(qiáng)其富鉀拒鈉能力，改善細(xì)胞滲透壓，從而減輕鹽堿脅迫對披堿草的傷害并促進(jìn)其生長。本研究為我國北方地區(qū)硅鈣渣等煤基固廢的資源化利用及鹽堿土的改良提供了借鑒。