8種耐鹽植物與脫硫石膏對河套灌區鹽堿土水穩定性團聚體的影響

肖弘揚，李謨志，林啟美，李二珍，李貴桐，趙小蓉

（1中國農業大學土地科學與技術學院，北京 100193；2內蒙古五原縣農牧業技術推廣中心，內蒙古 巴彥淖爾 015100）

0 引言

種植耐鹽植物不僅是利用鹽堿土的途徑之一，也是改良培肥鹽堿土的重要舉措，對降低土壤鹽分含量和培肥地力具有明顯作用。研究表明，種植耐鹽植物可顯著地降低表層土壤鹽分，如鹽爪爪每季可從土壤中吸收Na+9345.6 kg/hm2，鹽地堿蓬吸收Na+6851.4 kg/hm2，西伯利亞白刺吸收Na+6019.2 kg/hm2[1]，同時還能增加土壤有機質、速效氮磷鉀含量[2]，提高土壤肥力。在耐鹽飼草作物中，常見的一年生作物有油葵、燕麥、毛苕子和豬毛菜，而草木犀、柳枝稷、羊草、紫花苜蓿是內蒙草原上典型的多年生耐鹽作物，顯然，種植不同的耐鹽植物不僅經濟效益差異很大，而且改良培肥土壤的作用也有所不同[3-4]。

水穩定性團聚體是土壤肥力的基礎，鹽堿土由于鹽分含量高，土壤顆粒團聚作用微弱，水穩定性團聚體不僅數量很少，而且大多為較小的團聚體[5]，從而有利于形成發達的毛管孔隙，一方面有利于鹽分表聚，另一方面抑制鹽分淋洗[6]。顯然，加強土壤顆粒團聚作用，提高大團聚體數量，是鹽堿土改良的關鍵[7]。許多措施如合理輪作、科學施肥、施用生物質炭、種植耐鹽植物等均能夠改善土壤團聚體性狀。李景等[8]的研究結果顯示，免耕和小麥-花生輪作可提高>0.25 mm團聚體數量，降低<0.053 mm團聚體數量，土壤團聚體平均質量直徑(MWD)分別提高了18.0%和50.4%。苑亞茹[9]報道，種植耐鹽植物可以降低土壤容重，增加有機質含量，提高土壤大團聚體的比例和有機碳含量。同時不同耐鹽植物的作用與效果有明顯的差異[10]，選擇合適的耐鹽植物十分重要。

河套灌區是中國西北部主要糧食產區之一，面積為5.7×106hm2，一半左右的耕地遭受不同程度的鹽漬化，合理利用和改良培肥鹽堿土迫在眉睫[11]。施用石膏是人們熟知的堿土改良技術之一，脫硫石膏是燃煤電廠的廢棄物，具有與石膏相同的性質，前期研究結果顯示，脫硫石膏對內蒙古河套地區鹽堿土具有良好的改良作用[12-14]。本研究在內蒙古河套黃河灌溉區種植8種典型的耐鹽植物，包括一年生的燕麥、油葵、毛苕子和豬毛菜及多年生的草木犀、柳枝稷、羊草和紫花苜蓿，配合施用脫硫石膏，比較種植后土壤水穩定性團聚體分布特征及養分含量的變化。筆者假設種植不同的耐鹽植物，主要是由于輸入土壤有機物質的差異以及土壤鹽分的變化，導致土壤水穩定性團聚體及其有機碳氮含量發生改變。通過本研究，可以了解：（1）鹽堿土水穩定性團聚體分布隨種植不同耐鹽植物變化的特點與差異，（2）不同水穩定性團聚體有機碳及全氮含量的變化特征與規律，（3）篩選出適宜的耐鹽植物，用于改良本地區的鹽堿土。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于內蒙古自治區鄂爾多斯市十二連城鄉東不拉村黃河灘地，屬于典型的溫帶大陸半干旱氣候，冬春季嚴寒少雪，夏季高溫干熱，多年平均降水量384.4 mm，主要分布在7—9月，年均蒸發量1973.5 mm，每年8級以上大風50天以上，最大風速21.3 m/s。由于受黃河水的補給，潛水埋深一般為1.5～2.0 m。土壤鹽分表聚十分強烈，尤其是多大風的3—5月，土壤解凍后，地表蒸發極其強烈，70%以上的表層土壤鹽分在此期間聚集。因此，在春季播種前，一般必須進行灌溉洗鹽。

供試土壤為硫酸鈉鹽土，粘壤土，實測得土壤pH 8.46，EC0.95mS/cm，有機碳和全氮含量分別為2.36g/kg和0.42 g/kg，主要可溶性鹽分離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-濃度分別為 0.09、42.76、7.55、1.30、0.00、0.47、0.63、49.45 mmol/kg。供試的8種耐鹽植物分別為燕麥(Avena sativa，AS)、油葵(Helianthus annuus，HA)、毛苕子(Vicia villosa，VV)、豬毛菜(Salsola collina，SC)、二年生草木犀(Melilotus officinalis，MO)、柳枝稷(Panicum virgatum，PV)、羊草(Leymus chinensis，LC)、紫花苜蓿 (Medicago sativa，MS)。

1.2 試驗設計

本研究在2016年4—10月開展，設置8個處理分別種植8種耐鹽植物，3次重復，隨機區組排列，小區面積80 m2。春季土壤解凍后，地表撒施脫硫石膏(22.5 t/hm2)，耕翻混合均勻后灌溉洗鹽（約3750 m3/hm2），落干后采集0～25 cm土層土壤，洗鹽后土壤pH 8.15，EC0.41 mS/cm，主要可溶性鹽分離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-濃度分別為0.43、17.98、6.20、5.30、0.13、2.53、3.09、28.68 mmol/kg，有機碳(OC)2.14 g/kg，全氮(TN)0.25 g/kg。再撒施氮磷復合肥(N:P2O5=75:75)，旋耕后條播供試植物，播種量分別為毛苕子37 kg/hm2，油葵10 kg/hm2，燕麥 100 kg/hm2，豬毛菜 3 kg/hm2，草木犀20 kg/hm2，紫花苜蓿30 kg/hm2，羊草50 kg/hm2，柳枝稷7 kg/hm2。當年10月中旬植物成熟后，用土鉆從各個處理小區隨機多點采集0～25 cm土層土壤。采集的土樣室內風干后，沿自然裂隙掰成<5 mm的土塊，并剔除根系和石塊，測定水穩定性團聚體。取約200 g樣品過篩后測定土壤pH、EC、有機碳、全氮及8種鹽分離子含量。

1.3 測定方法

土壤pH和EC用5:1水土比浸提，分別用UB-7精密pH計和雷磁DDS-307A電導儀測定。土壤8種離子：稱取<2 mm風干土樣100.00 g于1000 mL三角瓶中，加入500 mL無CO2蒸餾水（水土比5:1），充分振蕩5 min，濾液中的K+、Na+用火焰光度法測定，Ca2+、Mg2+用EDTA滴定法測定，SO42-用EDTA間接絡合滴定法測定，Cl-用硝酸銀滴定法測定，HCO3-、CO32-用雙指示劑-中和滴定法測定[16]。有機碳和全氮含量用元素分析儀測定(ElementarVario EL Ⅲ)，其中有機碳測定前，土壤樣品用稀鹽酸充分處理，以去除無機碳。

土壤水穩定性團聚體的分離采用改進的Yoder濕篩法[15]。稱取80.00 g風干土壤放入裝有3個直徑為13 cm孔徑分別為1、0.25、0.053 mm的套篩的頂層，再放入裝有足量的去離子水的自動震蕩裝置（TTF-100型）中，室溫下震蕩8 min（振幅3.2 cm，30次/min）。用去離子水洗脫滯留在各級篩子上的土壤，收集于燒杯中，獲得>0.25 mm（>1 mm和1～0.25 mm比較少，將其合并）和0.25～0.053 mm和<0.053 mm的團聚體，其中<0.053 mm團聚體用沉降法繼續分離出0.053～0.01 mm和<0.01 mm 2個組分。所有團聚體60℃下烘至恒重(12～24 h)，稱取質量，并測定有機碳和全氮含量。

1.4 數據處理及分析

所有指標用烘干土壤質量表示，為3個平行的平均值。用SPSS 12.0軟件進行單因素方差分析，用LSD0.05表示置信度達到95%的顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 土壤基礎化學性質

種植耐鹽植物后，供試的鹽堿土基礎化學性質發生了顯著的變化，不同耐鹽植物之間也有明顯的差異（表1）。有機碳、全氮及Ca2+比種植前分別平均提高了24%、28%和28%，其中，種植紫花苜蓿的土壤有機碳和全氮的增加幅度比較大，而種植豬毛菜的土壤Ca2+含量增加比較多。與之不同，大部分土壤其余指標都有所降低，其中，pH和EC值比種植前平均分別降低了8%和30%，種植燕麥的土壤降低的幅度比較大；K+、Na+平均分別降低了59%和41%，種植紫花苜蓿和油葵的土壤降低的幅度比較大；種植燕麥、油葵和柳枝稷的土壤Mg2+分別提高了73%、52%和7%，但種植其他植物降低了13%～65%，CO32-降低至零，Cl-、HCO3-和SO42-平均分別降低了56%、29%和20%，種植柳枝稷和紫花苜蓿的效果較好。顯然，可能是不同植物吸收與轉移養分離子特性的差異，導致對土壤養分及鹽分離子的影響有所區別。總體來看，紫花苜蓿不僅有利于降低鹽分尤其是Na+的含量，而且還可提高土壤有機碳和全氮的含量。

表1 種植不同耐鹽植物1年后河套灌區鹽堿土的化學性質

2.2 土壤水穩定性團聚體質量分數

種植耐鹽植物改變了土壤不同粒徑水穩性團聚體的質量分數，不同耐鹽植物間差異很大（表2）。所有處理土壤中主要是0.053～0.01 mm水穩定性團聚體，質量分數66.08%～72.26%，平均為69.52%；其次是0.25～0.053 mm團聚體，質量分數16.78%～27.83%，平均為22.58%；>0.25 mm和<0.01 mm的團聚體含量較少，質量分數平均分別為2.11%和3.45%（表2）。種植耐鹽植物后，0.053～0.01 mm團聚體質量分數沒有發生顯著的變化，但>0.25 mm和0.25～0.053 mm團聚體顯著增加了95%～203%和21%～66%，平均為157%和39%。其中，種植多年生植物草木犀、柳枝稷和紫花苜蓿，>0.25 mm團聚體增加的幅度明顯大于種植一年生的油葵和毛苕子；而<0.01 mm團聚體含量降低了44%～65%，平均54%，種植一年生耐鹽植物降低的幅度明顯大于多年生耐鹽植物，其中，種植燕麥和油葵的土壤<0.01 mm的團聚體降幅最大，達到65%。總體來看，種植不同耐鹽植物都降低了<0.01 mm微團聚體質量分數，但提高了大團聚體質量分數，一年生耐鹽植物對微團聚體影響更大，而多年生耐鹽植物更有利于增加大團聚體，可能是由于多年生耐鹽植物地下部生物量高，根系分泌物和凋落物輸入的有機物質較多，更有利于大團聚體形成。

表2 種植不同耐鹽植物1年后河套灌區鹽堿土水穩性團聚體的質量分數及其有機碳含量

2.3 土壤水穩定性團聚體有機碳含量

所有處理土壤中>0.25 mm團聚體有機碳含量最高，13.97～26.58 g/kg，平均20.23 g/kg，其次是<0.01 mm團聚體，有機碳含量6.24～7.04 g/kg，平均6.71 g/kg；而0.25～0.01mm團聚體有機碳含量比較低(1.74～2.64g/kg)（表2）。種植耐鹽植物提高了幾乎所有團聚體有機碳含量，尤其是>0.25 mm水穩性團聚體，有機碳含量增加13%～90%，平均達50%，其余團聚體平均分別增加了20%、9%和8%。其中，種植油葵、豬毛菜和草木犀土壤>0.25 mm團聚體有機碳含量增幅超過74%，而種植紫花苜蓿、柳枝稷和毛苕子的土壤，0.25～0.053 mm團聚體有機碳含量也增加了32%～37%。

由于0.053～0.01 mm質量分數較高，49.36%～63.76%的有機碳分布在此團聚體中，種植耐鹽植物不僅降低了0.053～0.01 mm團聚體有機碳份額4.3～14.4個百分點，平均近10個百分點，也降低了<0.01 mm團聚體有機碳份額10～13個百分點。但促使更多的有機碳分布在>0.053 mm團聚體中，尤其是>0.250 mm團聚體有機碳占比提高了8～17個百分點，平均提高了近12個百分點，種植草木犀最為顯著。由此可見，種植耐鹽植物明顯地提高土壤各級團聚體尤其是大團聚體有機碳含量，更多的有機碳分布在大團聚體內。

2.4 土壤水穩定性團聚體全氮含量

與有機碳含量類似，>0.25 mm和<0.01 mm團聚體全氮含量比較高，平均分別為1.68 g/kg和0.86 g/kg，0.25～0.053 mm和0.053～0.01 mm團聚體全氮含量比較低，平均為0.29 g/kg和0.26 g/kg（表3）。種植耐鹽植物后，幾乎所有土壤各級水穩性團聚體全氮含量都有所增加，尤其是>0.25 mm團聚體，全氮含量增加了75%～179%，平均118%，其中種植草木犀的效果最好。

表3 種植不同耐鹽植物1年后河套灌區鹽堿土水穩性團聚體中的全氮含量以及C/N比

土壤氮素主要分布在0.053～0.01 mm團聚體內，種植耐鹽植物大幅度降低了<0.01 mm團聚體全氮份額，平均降低了11.88個百分點，但>0.25 mm和0.25～0.053 mm團聚體全氮份額平均分別提高了9.49和5.77個百分點，豆科植物草木犀、紫花苜蓿及毛苕子提高的幅度更大一些。

所有土壤>0.25 mm團聚體C/N比較高，平均12.35，其余團聚體比較相近，平均約7.83，種植耐鹽植物土壤各級團聚體C/N比值均有所降低，大團聚體降低的幅度更大一些，平均降低了5.44個百分點，草木犀、紫花苜蓿及毛苕子豆科植物更為明顯。這說明種植耐鹽植物增加了氮素輸入，尤其是種植豆科植物，不僅提高了各級團聚體尤其是大團聚體全氮含量，降低了C/N比，也提高了大團聚體的氮素份額。

2.5 相關性分析

表4的結果顯示，>0.25 mm團聚體質量分數與土壤pH、EC值、Na+、Mg2+、SO42-、Cl-含量呈顯著至極顯著的負相關關系(P<0.01)，但與有機碳和全氮含量呈極顯著正相關關系，0.25～0.053 mm團聚體也有相似的相關性。與之相反，<0.01 mm團聚體質量分數與pH、EC值、Na+、K+、HCO3-、Cl-含量呈顯著至極顯著的正相關關系，但與Ca2+含量呈顯著的負相關關系。0.053～0.01 mm團聚體質量分數與有機碳和全氮呈顯著負相關，而與EC值及Cl-含量呈顯著的正相關。這說明供試的鹽堿土氯化物和硫酸鹽促進形成小團聚體尤其是<0.01 mm團聚體，而有機質則在大團聚體尤其是>0.25 mm團聚體形成中起重要作用。

表4 土壤水穩定性團聚體質量分數與有關化學參數的Pearson相關性分析結果

3 結論

內蒙古河套灌區鹽堿土主要是<0.053 mm團聚體，施用脫硫石膏種植8種耐鹽植物1年后，>0.25 mm和0.25～0.053 mm團聚體質量分數顯著增加，而<0.053 mm小團聚體質量分數則明顯降低。這是種植鹽生植物降低土壤鹽分和增加有機物質輸入雙重作用的結果，耐鹽植物輸入的有機物質優先進入大團聚體。多年生耐鹽植物如柳枝稷、草木犀和紫花苜蓿可能由于發達的根系，以及輸入土壤的有機物質較多，改良鹽堿土的效果最為顯著。

4 討論

4.1 種植不同耐鹽植物對土壤基礎化學性質的影響

耐鹽植物一般作為先鋒植物用于改良鹽堿土，大量研究結果顯示，種植耐鹽植物能夠有效地降低土壤尤其是表層土壤鹽分含量，降低土壤pH，改善土壤結構，提高土壤肥力[17-19]。尤其是一些鹽生植物如中亞濱藜每季能從鹽漬化土壤中吸收攜帶Na+高達6098.4 kg/hm2[1]，從而逐漸降低土壤鹽分含量。研究表明，種植耐鹽植物還具有富集土壤全氮和全鉀等養分含量的作用[20]，種植黃花草木犀后土壤堿化度下降15.18%，總鹽量下降10.11%，而有機質和全氮含量分別提高了13.58%和11.92%，土壤孔隙度增加了15.42%[21]。本研究也獲得了相似的結果，種植8種耐鹽植物均能夠顯著地降低河套灌區鹽堿土pH、EC值及鹽分離子含量，同時提高土壤有機質和全氮含量，不同耐鹽植物有明顯的差異，這顯然取決于植物吸收鹽分離子特性及輸入土壤的有機物質種類和數量。多年生植物根系發達，輸入土壤的有機物質較多，不僅促進礦質土粒團聚作用，形成大團聚體，而且也有利于鹽分淋洗，改良鹽堿土的效果比一年生植物的效果更好一些；尤其是多年生的豆科植物如紫花苜蓿，由于其固氮作用，還有利于提高土壤全氮含量，降低C/N比值。

4.2 種植不同耐鹽植物對土壤水穩定性團聚體分布的影響

水穩定性團聚體是反映土壤結構狀況的重要指標，由于Na+等一價鹽分離子的分散膠體作用，抑制礦質土粒團聚作用，容易形成較小的電解質穩定性的團聚體，導致遇水分散；而很難形成較大的水穩定性團聚體，主要是<0.053 mm的小團聚體，一般占80%以上[22-23]。微團聚體有利于形成發達的毛管孔隙，活躍的毛管運動必然引起鹽分隨水分蒸發而向表層土壤聚集，這是包括河套地區在內的幾乎所有地區土壤鹽堿化的主要原因[24]。顯然，促進礦質土粒團聚作用，增加大團聚體數量，是改良鹽堿土的關鍵。大量研究結果顯示，除了施用土壤調理劑如脫硫石膏等能夠直接團聚礦質土粒[25-26]，施用有機肥料[27]、秸稈還田[28]、根茬還田[29]等均可增加土壤有機物質含量，從而促進礦質土粒團聚作用，改善水穩定團聚體品質，提高土壤肥力。種植耐鹽植物一方面可降低鹽分含量，從而減輕鹽堿土膠體的分散作用；另一方面通過根系分泌物、根茬及殘體還田，可增加土壤有機質含量，促進礦質土粒團聚作用，有利于形成大的水穩定性團聚體[29]。本研究也獲得類似的結果，種植8種耐鹽植物后，<0.01 mm微團聚體質量分數顯著減少，而大團聚體質量分數大幅度提高，這顯然與不同耐鹽植物在鹽分去除及輸入土壤的有機物質種類和數量有關，團聚體質量分數與土壤pH、EC、鹽分離子含量、有機碳和全氮含量的相關性就證實了這一點（表4）。多年生耐鹽植物地下部生物量高，根系分泌物和凋落物輸入的有機物質較多，更有利于大團聚體形成。

4.3 種植不同耐鹽植物對土壤水穩定性團聚體有機碳和全氮含量的影響

水穩定性團聚體的膠結物質包括無機和有機物質，小團聚體主要由黏土礦物、多價金屬離子及腐殖質膠結而成，而大團聚體尤其是>0.25 mm的團聚體，其膠結物質主要是各種有機物質，包括微生物及其殘體、根系分泌物、多糖、蛋白質及腐殖質等有機物質[30]。前者十分穩定，C/N比較低，變化很慢，而后者不穩定，C/N比高，周轉快，極容易受到土壤擾動的影響[31-32]。一些研究結果顯示，秸稈還田、施用有機肥料等輸入土壤的有機質，優先進入>0.25 mm大團聚體，不僅提高大團聚體質量分數，而且提高其有機碳含量[29]。本研究也獲得類似的結果，種植耐鹽植物顯著地提高了各級水穩定性團聚體有機碳和全氮含量，C/N比值降低，尤其是>0.25 mm團聚體增加的幅度更大，多年生耐鹽植物的效果更好，說明耐鹽植物輸入土壤的有機物質首先進入大團聚體，而多年生耐鹽植物輸入土壤有機物質較多，尤其是豆科植物，所固定的氮也優先進入大團聚體中。