脱硫石膏配施聚马来酸酐对碱化土壤的改良效果研究

田 野，刘善江*，冯浩杰

(1.北京市农林科学院植物营养与资源研究所，北京 100097；2.中国农业大学资源与环境学院，北京 100094)

根据农业部组织的第二次全国土壤普查资料统计，我国盐渍土面积为0.35亿hm2(不包括滨海滩涂)，其中碱土86.7万hm2，各类盐化、碱化土壤面积为0.18亿hm2[1]。面对城市化、经济发展带来的强劲土地需求，数以亿公顷计的碱土及碱化土壤的巨大开发潜力，是保障1.2亿hm2耕地和粮食安全的重要途径[2]。盐碱地改良是世界性难题，其顽固性和反复性是治理盐碱的主要障碍因素。

脱硫石膏是目前应用较为广泛的盐渍化土壤改良剂[3-4]，含有丰富的Ca、S等植物必需的中量元素，为植物的生长提供养分[5]，提高作物产量[6]。脱硫石膏作为碱化土壤改良剂已经越来越受到重视[2，7-11]，具有十分广泛的应用前景[12]。脱硫石膏通过增加土壤中的Ca2+浓度，置换土壤胶体上的交换性Na+，降低土壤碱化度，加快土体排盐效率，从而达到改良盐碱土的目的，但脱硫石膏在碱化土壤中的溶解速率是改良过程中的限速环节，如何增加脱硫石膏的溶解速率成为提高碱土改良速度、降低改良年限的关键。聚马来酸酐原作为水体除垢剂使用，与碳酸钙、硫酸钙相互作用使之溶解不产生沉淀；聚马来酸酐在田间试验是否能明显提高脱硫石膏的溶解速率、增强脱硫石膏的改良效果，目前尚缺乏研究。本试验结合了目前国内对碱化土壤改良的评价方法[13-15]，研究了水稻种植模式下不同用量脱硫石膏对碱土的改良效果，同时进行了脱硫石膏配施聚马来酸酐对降低土壤盐碱危害、提高改良效率的研究。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于吉林省大安市四棵树乡建设村。该地区海拔高度130～140 m，气候类型属于温带大陆性季风气候，年平均降水量为413.7 mm，年蒸发量超过1 200 mm。试验地全年日照时数平均3 012.8 h，年平均气温4.3℃，全年日平均气温≥10℃的积温为2 921.3℃。试验地土壤pH值在9.0以上，碱化度在20%以上；土壤湿黏干硬，通透性极差，地表常有白色盐分积淀。

1.2 供试材料

供试土壤：供试土壤类型为草甸碱土，具有碱化、盐化同时存在的特点。土壤的基本理化性质为：pH值9.41，电导率(EC)1.029 mS·cm-1，阳离子交换总量(CEC)20.2 cmol·kg-1，碱化度27.1%，可溶性盐总量9.22 g·kg-1，碱解氮36.7 mg·kg-1，有效磷17.5 mg·kg-1，速效钾 155 mg·kg-1，容重1.42 g·cm-3。

供试作物：种植作物为水稻，水稻品种为“白稻8号”。

供试肥料：供试肥料为普通尿素(N 46%)，复合肥(N 15%，P2O518%，K2O 12%)。

供试土壤改良剂：脱硫石膏(Desulfurization gypsum，简称DG)，其主要成分见表1。聚马来酸酐(Polymaleic anhydride，下文简称“HPMA”)是一种高分子聚合物，可以活化土壤中的Ca2+，取代土壤胶体表面的交换性钠，实现促进脱硫石膏改良碱化土壤的作用。

1.3 试验设计

本试验设7个处理：对照(不施用脱硫石膏)，施脱硫石膏3.0×104、6.0×104、9.0×104、1.2×105kg·hm-2，6.0×104kg·hm-2+低量HPMA，脱硫石膏6.0×104kg·hm-2+高量HPMA。脱硫石膏的施用量是参照本单位往年盐碱地改良试验研究的基础上进行梯度用量设计。各试验小区面积为0.066 7 hm2，每个处理3 次重复，共计21个小区，采用田间随机排列，具体试验设计见表2。

表2 试验方案

注：“—”表示处理中无值。

试验时间为2014年4月至2015年10月。按照试验设计，2014年插秧前结合整地将脱硫石膏一次性均匀撒施于地表，耕翻20 cm，使其与土壤充分混合，灌水打浆并排水洗盐。聚马来酸酐在水稻田打浆泡田前均匀喷施。各处理施肥用量采用当地农民常规用量，基肥使用复混肥(N 15%，P2O518%，K2O 12%)，用量为450 kg·hm-2；水稻返青期、分蘖期、灌浆期分别追施尿素(N 46%)，用量为75 kg·hm-2。2014年5月中上旬插秧，10 月30 日收获测产。2015 年种植与收获时间基本与2014 年一致，不再施用脱硫石膏和聚马来酸酐，其他田间管理同当地。

1.4 样品采集与处理

分别于2014 年4、10 月和2015 年10 月采集深度为0～20 cm土壤样品。取样方法：每试验小区采用“S”5点取样，充分混匀后装入密封袋中，运回实验室。自然风干、磨细后，分别过2 mm和1 mm筛，密封袋保存待用。

1.5 数据分析及处理

试验数据采用Excel 2003 和SAS 6.12统计软件进行处理和分析。

1.6 样品检测方法

土壤指标测定方法见表3。

表3 土壤指标测定方法[16]

2 结果与分析

2.1 施用脱硫石膏对耕层土壤pH值的影响

松嫩平原西部地区苏打碱土的特点之一是具有很高的pH值，主要原因是土壤普遍含有碳酸氢钠及碳酸钠，这两种强碱弱酸盐水解后显碱性；土壤胶体上吸附的交换性Na+水解，也增加了土壤的碱性。从表4数据可以看出，未施用脱硫石膏条件下种植水稻改良碱化土壤，碱化土壤的渗透性较差，淋洗作用对降低土壤交换性Na+、碳酸氢根离子的效果有限， CK处理的土壤pH值降低幅度仅为0.24；单独施用脱硫石膏处理的土壤pH值降低幅度与用量呈正相关性，4%DG处理pH值降低幅度最大，用量处理间差异不显著。2%DG+TS、2%DG+TL处理的土壤pH值降幅略低于2%DG处理，但处理

表4 脱硫石膏对耕层(0～20 cm)土壤pH值的影响

注：同一列不同小写字母表示差异达0.05显著水平，下同。

间差异不显著，说明脱硫石膏相同用量条件下配施HPMA较单独施用脱硫石膏对降低碱化土壤pH值的作用无明显差异。2014 ～2015 年耕层土壤pH值的变化趋势表明，pH值降低幅度随施用年限增加逐步降低，第一年土壤pH值降低幅度为72%～85%，脱硫石膏的添加对降低土壤pH值起主要作用。

2.2 施用脱硫石膏对耕层土壤碱化度和可溶性盐总量的影响

从表5数据可以看出，试验地土壤碱化度背景值在27.2%～29.0%之间，2014 年水稻收获后土壤碱化度降至13.3%～25.0%，2015 年碱化度降至12.9%～25.2%，与pH值变化规律基本一致：降低幅度与脱硫石膏用量呈正比，第一年改良的降低幅度占绝对优势。单独施用脱硫石膏处理的土壤可溶性盐总量随用量呈先降低后增加的趋势，4%DG处理可溶性盐总量最高为9.09 g·kg-1；脱硫石膏在一定范围内可以显著降低土壤含盐量，但过量施用显著增加土壤的可溶性盐总量，对作物的生长发育起到抑制作用。脱硫石膏配施HPMA处理的碱化度相比2%DG处理无显著差异，而2%DG+TL处理的土壤可溶性盐总量在2014～2015年均显著低于2%DG处理，说明HPMA对耕层土壤可溶性盐的淋洗具有一定促进作用。

表5 脱硫石膏对耕层(0～20 cm)土壤碱化度和可溶性盐总量的影响

2.3 施用脱硫石膏对耕层土壤水溶性阳离子含量的影响

从图1可以看出，改良前后试验地碱化土壤水溶性K+、Na+、Mg2+大幅降低，脱硫石膏处理的土壤水溶性Ca2+含量明显增加。脱硫石膏理论上可以加速土壤中Mg2+的淋洗，但脱硫石膏优先交换土壤中的交换性K+、Na+，田间试验中脱硫石膏与土壤达不到理想的混匀程度，土壤本身浓度不高的Mg2+在田间试验条件下不易表现出理想的规律性。

图1b可以看出，试验地土壤的水溶性钠离子含量背景值在696.7 cmol·kg-1。2014～2015 年水稻收获后，CK处理土壤水溶性Na+含量较2014年插秧前仅分别降低7.1%、6.6%，而施用脱硫石膏处理的土壤水溶性Na+含量降幅均在30%以上，而且脱硫石膏用量越大，土壤的水溶性Na+含量降低幅度越大。图1c显示，改良前土壤水溶性Ca2+含量背景值在101.5～104.0 cmol·kg-1之间，CK处理的土壤水溶性Ca2+含量降低是水稻种植过程中的淋洗作用所致；脱硫石膏处理的土壤水溶性Ca2+含量显著增加，相比CK脱硫石膏处理的土壤水溶性Ca2+含量分别增加56.2%、169.4%、397.5%、857.8%。

图1 脱硫石膏对耕层(0～20 cm)土壤水溶性阳离子含量的影响

图1b、c表明，脱硫石膏配施HPMA 处理与2%DG处理相比，水溶性Na+含量无显著变化，水溶性Ca2+含量有一定幅度的提升，2015年收获后HPMA 处理土壤水溶性Ca2+含量显著高于2%DG处理，说明HPMA对提高土壤中含钙物质溶解速率具有一定的持续作用，可以显著增加土壤可溶性Ca2+含量。

2.4 施用脱硫石膏对耕层土壤水溶性阴离子的影响

改良前试验地碱化土壤的氯离子含量背景值在222.7 cmol·kg-1。2014 年水稻收获后，各处理土壤水溶性氯离子含量均大幅下降，降幅在53.1%～74.5%之间；4%DG处理的土壤水溶性氯离子含量显著低于其他处理，过量的脱硫石膏施入土壤后与交换性Na+发生置换反应，改变了土壤渗水性能和通透性，加快了耕层土壤氯离子的淋洗速率。

试验地基础土壤碳酸根离子含量背景值在580～640 cmol·kg-1之间，施入脱硫石膏后土壤碳酸根离子均未检出，耕层土壤碳酸根离子转换为碳酸氢根离子。从图2c可以看出，水稻收获后各处理土壤碳酸氢根离子含量除1%DG处理外均大幅降低，其他脱硫石膏处理降幅在63.2%～82.3%之间，说明脱硫石膏的改良效果必须建立在一定用量的基础上；脱硫石膏配施HPMA对土壤碳酸氢根离子含量无显著影响，理论上HPMA促进碳酸钙的溶解导致土壤水溶性碳酸根或碳酸氢根离子显著增加，可能是土壤中的碳酸氢根离子背景含量太高，一定程度上掩盖了碳酸钙溶解增加的碳酸根或碳酸氢根离子相对较小幅度的变化。

图2 脱硫石膏对耕层(0～20 cm)土壤水溶性阴离子含量的影响

2.5 施用脱硫石膏对耕层土壤速效养分含量的影响

土壤中速效养分的有效化程度受土壤有机质、酸碱度、土壤矿物母质类型等因素的影响，脱硫石膏改善了土壤的盐碱环境，极大地提高了土壤养分的有效性。从表6可以看出，施用脱硫石膏后各处理碱解氮、有效磷、速效钾含量均显著高于CK。2014 年水稻收获后各处理土壤碱解氮大幅降低7.0～15.7 mg·kg-1，盐碱荒地在水田利用条件下土壤中部分碱解氮素随水流失，导致耕层土壤碱解氮含量下降，但2015 年水稻收获后各处理的土壤碱解氮含量逐步上升。2014～2015 年两年收获后的土壤有效磷含量均与脱硫石膏用量呈正相关关系，与土壤pH值的变化规律基本一致，可能是脱硫石膏主要通过降低土壤pH值，活化土壤中的磷素来提高土壤有效磷含量。2014 年施用脱硫石膏处理的土壤速效钾含量大小顺序依次为3%DG>2%DG>1%DG>CK>4%DG，施用过量脱硫石膏会引起土壤速效钾的淋失量增加，这与李谟志等[17]的研究结果基本一致。

表6 脱硫石膏对耕层(0～20 cm)土壤速效养分含量的影响 (mg·kg-1)

脱硫石膏配施HPMA处理中，2%DG+TS、2%DG+TL处理碱解氮含量略高于2%DG处理，但处理间差异不显著；2%DG+TS、2%DG+TL处理对土壤有效磷、速效钾含量变化规律基本一致：脱硫石膏配施低用量HPMA显著提升有效磷、速效钾含量，配施高用量HPMA与单独施用脱硫石膏无显著性差异。

3 讨论与结论

3.2 脱硫石膏的脱盐效果在一定用量范围内不断增强，过量施用会导致土壤含盐量迅速增加。有关研究表明，在盐渍化土壤中施用脱硫石膏可以增大土壤孔隙，提高水的渗透速率[20-21]，增强脱盐效果，显著降低土壤全盐含量[22]；程镜润等[23]认为过量脱硫石膏颗粒还会堵塞部分土壤孔隙，不但不能提高改良效果，而且会有大量的盐分积累，增加了改良难度。要达到理想的改良效果，脱硫石膏改良碱化土壤的用量必须控制在合理范围内，以达到改碱与降低含盐量两方面改良效果的平衡。

3.4 施用脱硫石膏改良碱化土壤，土壤盐碱环境得到改善，与水稻的根系分泌物、土壤微生物等因素共同作用，可以显著提高土壤碱解氮、有效磷、速效钾的有效活性，但过量施用会降低土壤碱解氮、速效钾含量[8，24-25]。

3.5 脱硫石膏配施HPMA可以显著增加土壤水溶性钙离子含量，但与硫酸根离子含量增加幅度不一致，依据牟静等[26]的研究结果可以推理HPMA同时与脱硫石膏、土壤中的碳酸钙反应，导致土壤水溶性钙离子大于硫酸根离子的增加幅度。从试验结果来看， HPMA对增强脱硫石膏的钙交换性能、降低土壤pH值与碱化度、活化土壤养分方面均未取得理想效果，还需从HPMA的施用方式、用量或施用时期等方面对提高脱硫石膏改良效果作进一步的探讨。

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