稻壳深施改良苏打碱土理化性质长期效应

王秋菊，刘 峰，常本超，新家宪，刘艳霞，姜 辉，焦 峰



稻壳深施改良苏打碱土理化性质长期效应

王秋菊1,2，刘 峰1，常本超1，新家宪3，刘艳霞4，姜 辉5，焦 峰6※

（1. 黑龙江省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，哈尔滨 150086； 2. 黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室， 哈尔滨 150086； 3. 日本NICH研究所，日本札幌 079-01； 4. 黑龙江省农业科学院遥感技术中心，哈尔滨 150086； 5. 黑龙江省农业科学院科研处，哈尔滨 150086； 6. 黑龙江八一农垦大学，大庆 163319）

盐渍土是中国重要耕地土壤，由于土壤中盐基离子含量高，影响植物生育，为此改良盐渍土意义重大。该研究以黑龙江省苏打碱土为供试土壤，采用土层置换犁将稻壳埋于20~30cm土层中，以单独的机械耕作不埋稻壳为对照，田间作业8 a后再次调查土壤理化性质，研究结果：土壤有机碳、速效氮、磷、钾含量与对照比有增加趋势，各层土壤pH值降低0.37～0.41，Na+降低40.68～212.35 mg/kg；土壤固相率约40%，与对照比下降了3.68%～8.86%，土壤总孔隙度增加到57.38%～60.58%之间，有效孔隙比例大，占总孔隙的22.7%～26.8%，对照有效孔隙占总孔隙的19.0%～23.7%；土壤通气、透水性分别是对照的10～121 5倍和118～173 5倍，0～30 cm土层水库容量高于对照18.58 mm；速效水库容高于对照10.71 mm；稻壳深施持续后效长，改善苏打碱土比单一机械耕作有效，是适合盐渍土改良的一项技术，而且可以通过机械手段得以实现。

耕作；土壤；盐分；苏打碱土；稻壳；深施；孔隙

0 引 言

盐渍土是中国重要土壤资源。据《中国盐渍土》记述[1]，中国盐渍土的面积为9.91×107hm2。在中国东北地区(辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古），盐渍土面积约为8.05×106hm2，占全国盐渍土总面积的7.12%或7.19%[2]。盐渍土按照自然条件可以分为内陆盐渍土和滨海盐渍土[3]。黑龙江省盐渍土属于内陆型盐渍土，包括盐土、碱土，总面积2.43×106hm2，已垦为耕地的面积为1.6×106hm2，占第二次土壤普查盐渍土总面积的66.03%。主要分布在松嫩平原的安达、肇东、肇源、大庆、富裕、杜蒙等市县，以及三江平原也有零星分布[4]。各级政府和科研部门非常重视盐渍土的改良，先后提出了各种改良盐渍土的技术与方法。在盐渍土改良中主要采用施有机肥、石膏、土壤调理剂进行改良[5-6]；耕作改土方面以深松技术为主，但后效短[7-8]；在有的地方采用暗管排盐工程技术[9-11]，效果虽好，成本高，推广难；在盐渍土利用方面东北地区种植水稻的效果明显[12]，但受到水源等因素制约。稻壳深施技术是作者所在课题组提出的一种改良盐渍土的技术[13]。选用稻壳为改土物料，一是利用稻壳二氧化硅（10%～21%）、纤维素和半纤维素（34%～42%、16%～22%）以及木质素（21%～26%）含量高，耐腐烂和通气透水性好的特性[14-16]，可以促进土壤形成稳定大孔隙，利于土壤排盐和降低毛管力，减轻盐分表聚；二是稻壳来源广、成本低，资源丰富[17]，利于大面积推广应用。

为探索改良盐渍土的新途径，笔者等在苏打碱土上开展了稻壳机械深施试验，结果证明，稻壳深施区在降低土壤容重、增加通透性、改善三相比的效果明显；连续2a调查苜蓿产量，稻壳深施区比对照平均增产25.4%～33.2%[13]。但其持续的改土后效尚未见报道。本文在上述改土试验区上继续开展土壤理化性质调查，意图通过比较改土后第8年的改土区与对照区土壤理化性质变化，明确稻壳深施的持续效果，为盐渍土改良提供可靠技术参考。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验设在黑龙江省兰西县远大乡胜利村黑龙江省农业科学院草业研究所试验基地院内的撂荒农田进行（125°28′24″E，46°32′17″N)。研究区为温带大陆性季风气候，近10a平均降雨量450mm，年平均气温3.1 ℃，≥10 ℃有效活动积温2 760 ℃[18]。

供试土壤为苏打碱土，黑土层厚度为20～25 cm，表层疏松，下层为紧实的柱状结构，具备典型的苏打碱土剖面构造。试验地土壤基本性质如表1。

表1 试验地土壤基本性质

1.2 试验处理

试验2个处理，分别为深耕和稻壳深施处理，试验区采用大区对比研究，每区面积2 000 m2。

深耕区（对照）：采用土层置换犁，将0～20 cm表层土与下面的20～40 cm心土层进行土层置换，耕深40 cm。

稻壳深施区：采用土层置换犁将铺在地表稻壳深施作业，总耕深约40 cm。首先在试验区表面平铺约10 cm厚稻壳（100 t/hm2)，然后根据土层置换犁作业原理将稻壳翻埋到25～30 cm土层中。

试验处理时间为2009年11月10－15日，2010年4月下旬用组合耙交叉耙2次，平整土地。在播种前施肥硫酸铵（含N 21%）100 kg/hm2、过磷酸钙（P2O514%）1 000 kg/hm2，之后耙平，播种苜蓿，2014年秋草地更新，2015年改种玉米（先玉335），2016、2017年种植大豆（黑农48），施肥及田间管理同一般大田。

1.3 调查项目

在实施改土后第2年和第3年分别对处理土壤进行了物理、化学性质调查。本次调查是在改土后第8年(2017年)进行。调查项目与方法如下：

土壤化学样品取样方法：按照0～10、>10～20、>20～30 cm土层土壤随机取样，每个处理取样5点，混合后按四分法留500 g左右带回实验室风干、备用。

图1 稻壳深施田间作业

化学指标分析方法：土壤全氮含量测定采用凯氏定氮法测定；全磷含量采用HF-硝酸混合消煮，钼锑蓝比色法测定；全钾含量采用HF-硝酸混合消煮，原子吸收分光光度法测定；碱解氮含量采用扩散吸收法测定；速效磷含量测定采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定[19]；速效钾含量测定采用乙酸铵浸提-原子吸收分光光度法测定；土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定；水溶性钾、钙、钠、镁离子采用原子吸收分光光度法测定；氯离子采用硝酸银滴定法测定；碳酸根和碳酸氢根采用双指示剂滴定法测定，硫酸根采用硫酸钡比浊法测定[20]；土壤pH值采用pH指示剂法测定。

土壤物理样品取样方法：参照日本的《土壌および作物の診断基準-分析法》一书[21]，在取化学样品的各点中，选取有代表性的一点挖长、宽、高为60 cm×60 cm×60 cm土壤剖面，用100mL环刀分层取原状土样测定土壤物理性质。取样层次分别为0～10、>10～20、>20～30 cm土层，每个土层取3个重复样品，环刀样扣盖后用胶带密封，带回实验室备用。

土壤物理指标测定方法：土壤容重采用环刀称重法测定；土壤通气系数采用DIK-5001土壤透气性测定仪测定；饱和导水率采用DIK-4012土壤透水性测定仪测定；土壤三相比采用DIK-1130土壤三相测定仪测定[22]；土壤孔隙分布测定方法：采用砂柱和压力膜仪测定不同压力下土壤水分含量，得出土壤水分-吸力关系曲线，根据该曲线求得土壤孔隙当量直径（=3/），得出不同当量直径孔隙（%），即土壤不同孔隙的分布，注：为孔隙当量直径（mm），为水柱高度（cm）。

各个土层土壤储水量计算方法如下

=×××10 （1）

式中为储水量，mm；为土壤容重，g/cm3；为土层厚度，cm；为土壤质量含水量，%[23]。

土壤储水量划分标准为：

重力水含水量（%）=饱和含水量（%）−田间持水量（%，水吸力：63 cm） （2）

速效水含水量=田间持水量（%）−初期凋萎含水量（%，水吸力：6 618 cm） （3）

迟效水含水量=初期凋萎含水量（%）−永久凋萎含水量（%，水吸力：16 544 cm） （4）

无效水含水量为水吸力超过16 544 cm以上的植物不能吸收的土壤水分[24]。上述数据均可通过土壤水分—吸力关系曲线求得。

2 结果与分析

2.1 对土壤化学性质的影响

从表2中看出，稻壳深施土壤有机质含量高于对照；各土层土壤速效氮、磷、钾含量高于对照；稻壳深施可以降低土壤pH值，土壤pH值降低0.37～0.41。

表2 不同处理土壤养分

从图2中看出，苏打碱土盐基离子组成以Na+为主，稻壳深施增加了土壤大孔隙比例，改善了土壤通透性和排水能力，降低了土体中的盐基离子总量，特别是降低了土体中的Na+和HCO3-浓度，其中Na+质量浓度降低40.68～212.35 mg/kg，HCO3-也有明显降低的趋势。由于土壤pH值与Na+和HCO3-离子浓度呈正相关[25-26]，因此认为土壤pH值降低主要是Na+浓度降低带来的结果。

图2 不同土层盐基离子含量

2.2 对土壤物理性质的影响

从图3中看出，稻壳深施处理8 a后，土壤固相率约40%，明显低于对照，与对照比土壤固相率下降3.68%～8.86%；气相率高达20%，也明显高于对照，说明土壤通气性良好；土壤总孔隙度，稻壳深施区为57.38%～60.58%之间，对照仅为48.52%～56.89%。

图3 不同处理土壤三相

从土壤孔隙组成看（图4），0～10、>10～20、>20～30 cm土壤通气孔隙（>0.05 mm）占总孔隙比例分别为28.34%、16.36%和20.76%，分别是对照的5.91倍和9.52倍；有效孔隙（0.000 2～0.05 mm）比例分别占总孔隙的26.8%、25.6%、22.7%，对照有效孔隙分别占总孔隙比例的22.2%、23.7%、19.0%，稻壳深施可以增加土壤有效孔隙比例，降低无效孔隙（<0.000 2 mm）比例。土壤大孔隙和有效孔隙增加，可以促进水分的流动，利于土壤洗盐。

从表3看出，稻壳深施区土壤容重比对照低0.16～0.23 g/cm3，其中20～30 cm土层降低幅度最大。土壤的通气系数，稻壳深施区165×10-6～243×10-6cm/s，比对照高10～1 215倍。土壤饱和导水率，稻壳深施区是对照的118～1 735倍，>10～20和>20～30 cm的土层差异明显。

图4 不同处理土壤孔隙分布

表3 土壤容重、通气、透水性

不同处理区0～30 cm土壤水库容储水测定结果如图5所示，稻壳深施区总储水库容164.06 mm，比对照高18.58 mm；其中有效储水库容41.14 mm，比对照高9.6 mm。稻壳深施增加速效水库容，为33.19 mm，高于对照10.71 mm，保证了土壤的供水能力增强。

图5 不同处理土壤水库容

3 讨 论

稻壳深施技术是通过机械将稻壳这种不宜腐烂的物质铺在25～30 cm土层土壤中，在土壤中构建稳定的大孔隙，形成阻隔层，在提高土壤排水能力同时，切断上土层的水力联系。剖面调查看出，稻壳不易腐烂，即使是施入土壤8 a后仍保持原来状态（图6），由此可见，稻壳是可以保证改土具有长期效果的资源。稻壳深施8a后调查结果，土壤有机质、速效氮、磷、钾含量均比对照高（表1）。由于稻壳在土壤中分解程度比较低，因此表1中土壤有机质含量的差异可能来源是机械作业精度差导致的取样误差或是苜蓿根系量的差异所致，有待于进一步研究。另一方面稻壳自身养分含量低，土壤速效养分增加可能不是稻壳腐解释放养分的结果，最大的可能性是由于土壤通气性提高增强了土壤微生物活性，促进了土壤养分有效化[27-29]。稻壳深施区比对照土壤水溶性盐基离子总量低，尤其是土壤中Na+和HCO3-降低是改善土壤pH的重要原因，前期试验表明，稻壳深施技术可以保持土壤形成大孔隙，使深层紧实的土壤变得疏松，增加土壤由上向下的透水能力[13]；8a后调查结果，土壤孔隙度、通气、透水性仍明显高于对照。早年采用深松改良盐渍土[30]，后效短，需要连年深松；也有研究认为深松效果可持续2 a[31]，深松等深耕技术改良苏打碱土的持续后效短与这类土壤高分散特性有关。苏打碱土钠离子含量高，土壤以单粒存在，土壤在扰动后会很快恢复原状[4]。所以单一的机械耕作对苏打碱土改良效果不理想，需要一定的介质为改土物料。改良盐渍土的材料也很多，如石膏、腐殖酸、秸秆、有机肥等，都可作为改良盐渍土的材料[32-34]，但这些材料或存在成本较高问题或效果不明显或改良土壤时期长的问题。稻壳也是一种有机物料，无污染，不易腐烂，成本低，利用稻壳为介质，埋入土壤后可以在土壤中长时间保持原状态，扰动后土壤恢复性差，能长时间改变土壤的结构，从而调节土壤的水、气、热等环境，改变土壤的不良性状和障碍因子，从而达到适合植物生长的环境，改土8a后土壤紧实度仍低于对照处理，大孔隙和有效孔隙数量占有比例大，土壤储水容高，可被植物吸收利用的有效水分多，能保证植物生长对水分的需求。稻壳深施技术是一项工省效宏的盐碱地治理技术。

图6 稻壳深施后土壤剖面

另外，研究区物理性质具有比较大的稳定性，空间变异小，故本文原状土取样方法参照文献[21]挖取一个剖面，取样缺少重复性可能会对研究结果产生一定误差，今后对土壤原状土田间取样过程和方法会适当进行改进，增加取样位点。

本研究是在大田条件下采用机械作业的田间对比试验，由于机械作业存在不均一性，不如小区模拟试验精准，测定的数据误差较大是本研究的缺憾，但总的规律是真实可信的，试验结果更能反映生产实际情况。为了避免田间机械作业的精确度差的问题，在今后的研究中，应采用大田机械作业试验与人工模拟相结合的方式，以提高研究的精确度。

4 结 论

稻壳深施技术是一项有效的改良盐渍土不良状态的改土技术，改土后效长，效果好。

1）与深耕对照相比，稻壳深施土壤有机碳、速效氮、磷、钾含量增加，10～30 cm的土层盐基离子总量、土壤pH值及Na+降低，稻壳深施8 a后效果依然明显。

2）稻壳深施可降低土壤固相比率，土壤固相达40%左右，土壤总孔隙度增加、有效孔隙比例大，达总孔隙的22.7%～26.8%，土壤通气、透水性明显高于对照，土壤贮水能力增加，0～30 cm土层水库容量高于对照18.58 mm；速效水分供给量大，为33.19 mm，高于对照10.71 mm。

3）稻壳深施一次作业后，比单一的机械作业后效期长，改善土壤效果明显，即可改善土壤物理性质，又可调节土壤化学性质，是一项综合改良土壤的技术。

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Long-term effect of deep application of rice husk improving physical and chemical properties of soda alkaline soil

Wang Qiuju1,2, Liu Feng1, Chang Benchao1, Ken Araya3,Liu Yanxia4, Jiang Hui5, Jiao Feng6※

(1.,,150086,; 2150086,; 3.079-01,; 4.150086,; 5.150086,; 6,163319,)

Saline soil is an important soil resource in China. The area of saline soil in China is 9.91×106 hm2. The total area of saline soil in Heilongjiang province is 2.43×106 hm2, and the area cultivated for cultivated land is 1.6×106 hm2. The saline soil in Heilongjiang province is mainly distributed in Anda, Zhaodong, Zhaoyuan, Daqing in the Songnen Plain, and the Sanjiang plain also has a small amount of distribution. Because of the high content of exchange base in saline soil, it is harmful to the growth of crops. Therefore, governments at all levels and scientific research departments have spent great amount of resources to the improvement of saline soil, and have developed various techniques and methods for improving saline soil, such as subsoiling, gypsum, soil conditioner, salt pipe disposal and so on. However, there are some problems with these methods. Rice husk deep application technology is the technology for improving saline soil developed by our research group for many years. Rice husk has many advantages, such as ample source of material, low cost and resistance to decay. In this study, soda alkaline soil of Heilongjiang province was used as test soil, and rice husk was embedded in 20-30 cm soil layer by a special machine, and the single mechanical tillage without rice husk was used as the control. The results of two years’ investigation showed that rice husk deep application had significant effects on improving soil physical and chemical properties and forage yield. Based on that, field with rice husk amendment conducted eight years ago was investigated for soil physical and chemical properties. The results showed that after eight years of deep application of rice husks, the effects on the physical and chemical properties of the modified soda alkaline soil were still obvious. The soil organic carbon, available nitrogen, phosphorus and potassium content of rice hull deep application showed an increasing trend compared with treatments without rice husk applications. The total amount of exchange base decreased in 0 - 30 cm soil layer, and the pH value of each layer decreased by 0.37-0.41, and the content of Na+decreased by 40.68 - 212.35 mg/kg soil. After eight years of deep application of rice husk, the soil solid phase rate was still in a downward trend, the solid phase of soil was about 40% and decreased 3.68% - 8.86% than control soil. The total soil porosity increased between 57.38% - 60.58%. The proportion of effective pores is large, accounting for 22.7%-26.8% of the total porosity. The soil aeration and water permeability were obviously higher than those of control, and were 10-1 215 times and 118-1 735 times as much as those of the control. The reservoir capacity of 0-30 cm soil layer was increased, 18.58 mm higher than that of the control. The available reservoir capacity was 33.19 mm, 10.71 mm higher than that of the control. Rice hull deep application has long lasting effect, and the improved effect of soda alkaline soil is obvious. The effectiveness of rice husk application with single mechanical tillage is a technique suitable for the improvement of saline soil and can be achieved by mechanical means.

cultivation; soils; salts; soda alkaline soil; rice husk; deep application; pore

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.020

S156.4

A

1002-6819(2018)-02-0147-06

2017-08-30

2017-12-20

公益性行业专项（201303126-7），科技支撑项目（2014BAD11B01-A027），省招标项目（GA14B101-A04）

王秋菊，博士，副研究员，从事土壤改良研究。Email：bqjwang@126.com

焦 峰，博士，副研究员，从事土壤和作物营养生理研究。Email：jiaofeng1980@163.com

王秋菊，刘 峰，常本超，新家宪，刘艳霞，姜 辉，焦 峰. 稻壳深施改良苏打碱土理化性质长期效应[J]. 农业工程学报，2018，34(2)：147－152. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.020 http://www.tcsae.org

Wang Qiuju, Liu Feng, Chang Benchao, Ken Araya, Liu Yanxia, Jiang Hui, Jiao Feng. Long-term effect of deep application of rice husk improving physical and chemical properties of soda alkaline soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 147－152. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.020 http://www.tcsae.org