不同模式对盐碱地土壤环境改良效应的研究

2018-10-12叶胜兰

中国农村水利水电 2018年9期

李娟，叶胜兰，牛岩

(1. 陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，西安 710075；2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075； 3. 国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室, 西安 710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，西安 710075)

中国人多地少，城市化进程的推进使土地面积持续减少，寻找有效的耕地后备资源及整治、利用是保持耕地动态平衡的重要途径[1,2]。由于我国的国情及气候分布特点，土壤荒漠化、盐碱化以及水资源分布不均已经是我国耕地和农业发展所面临的重要问题[3-6]。针对土壤荒漠化的治理技术目前研究形式比较多样化，如增加有机肥、引进区域先锋作物等等，对于盐碱地，大多还是依靠修建排水设施减少土壤中盐分的含量，但这种技术存在很大的弊端如要大量引水，浪费水资源，促使了盐碱水迁移，以至于造成其他水体的污染，并且使土壤容重增加，土壤透气性减小，不利于作物生长[7-10]。

陕西卤泊滩属于天然及人工抽水而形成的重度盐碱地，其区域内土壤主要由中度盐土和重度盐化潮土组成，另有苏打盐土呈斑状分布[11]。传统的排水处理可有效降低盐分，但容易造成土壤的板结，影响作物的出苗和根系的生长，并且对人力、物力和财力浪费比较严重；生态的蓄水模式则有效地节约了成本，并且能保持土壤紧实度较为适宜，有利于作物的生长和对养分吸收。通过分析区域内自然环境特点，立足土壤盐渍化问题，从问题出发，以改善生态环境为目的，在综合考虑传统排水模式的基础上，提出蓄水生态治理技术，实现把水留住，水土分离，水地共处，动态平衡[12,13]。

土壤理化性质是衡量土壤结构和评价土壤质量及生产性能的重要参数，良好的土壤理化性质有利于作物生长发育和产量的提高及品质的改善[14,15]。现阶段对于利用蓄水模式治理盐碱地主要是针对其工程技术、体系及建设规程，针对蓄水模式下土壤理化特征的改善却鲜有报道。本文通过分析传统排水和蓄水生态模式下土壤容重、水分、含盐量及主要养分特征，说明不同治理模式下土壤理化特征的差异性，从而为适宜区域治理盐碱地提供科学依据及治理模式的可行性和准确性。

1 材料与方法

1.1 试验站概况

试验设置于富平中试基地，位于陕西省渭南市富平县杜村镇褚塬村。该区属暖温带半湿润气候区，年均降雨量和蒸发量分别为472.97和1 213.35 mm，降雨主要集中在7-9月份，占全年降雨量的49%，无霜期225 d，年平均气温13.4 ℃，年光能辐射总量526.8 kJ/cm2，适宜棉花、小麦、玉米等作物生长。

1.2 试验设计

1.2.1 试验设置

本试验于2009年10月实施，自制试验装置模拟卤泊滩土地状况，长宽高分别为23、1.5和2 m，采用砖混结构水泥浇筑制成。设置蓄水处理和排水处理小区分别为2个，共计4个试验装置。试验装置由蓄水部分(排水部分)和试验土槽组合而成，一端为水槽蓄水(排水)，中间段为土槽。为了防止土壤流失和水体混合，采用土工布将两者分开，且装置各界面作防水处理。试验处理为传统排水和生态蓄水处理2种，即蓄水处理是在水沟里放入定量水，利用水体-土壤之间的主导作用——弥散作用，控制土壤盐分的运移；排水处理则利用大水漫灌，利用水体-土壤间的对流作用排水洗盐，且在整个试验期间，保持蓄水与排水处理水量一致。各处理下盐分运移及变化见图1。

图1 蓄水与排水处理土壤盐分运移示意图Fig.1 Water storage and drainage treatment of soil salt movement diagram

1.2.2 试验材料及肥力设置

试验期供试小麦品种为小偃22，千粒重为38 g，小麦发芽率90.1%，小麦播量为150 kg/hm2，行距为20 cm。播种采用开沟条播。

试验小区施肥量均为：N为255 kg/hm2、P2O5为180 kg/hm2、K2O为90 kg/hm2。其中磷肥、氮肥、钾肥依次分别为磷酸二铵、尿素和氯化钾。

2009年10月，冬小麦播种时，按小区规划撒施肥料用量，通过人工整地和对试验田深松，使地表平整和肥料充分混合，试验田全部采用人工播种。小麦生长期不施肥，冬季小麦分蘖前灌溉1次。

1.3 测定项目与方法

(1)土壤贮水量及容重测定[16]。在2015年春玉米收获后，采用土钻取土，各小区取样点设置5个，取样深度为160 cm，取样间隔为20 cm，烘干法测定土壤含水率，并计算各处理下土壤贮水量；采用环刀取土法测定土壤0～30 cm土层容重，取样间隔为10 cm。土壤贮水量计算。

SW=(M1-M2)/M2×100%

(1)

W=SWiPiHi10/100

(2)

式中：SW为土壤含水率，%；M1为湿土重，g；M2为烘干土重，g；W为土壤贮水量，mm；SWi为第i层土壤质量含水率，%；Pi为第i层土壤体积质量，g/cm3；Hi为第i层土层厚度，cm。

(2)土壤团聚体稳定性测定[17]。选取试验年度春玉米收获后，依据土壤对角线取样法，设置5个取样点，取样深度和取样间隔分别为30和10 cm，各土层采集原状土样用于土壤团聚体相关指标测定。无积压和损坏带回实验室，自然风干后对土样中存在的石块及杂物进行清除，分别利用干筛法测定土壤机械稳定，湿筛法测定土壤水稳定性。团聚体稳定性计算：利用杨培玲等人[19]推算的公式推导计算团聚体稳定指标：

3)土壤化学指标测定[18]。土样电导率和全盐量测定参照《土壤农业化学分析方法》，pH利用雷磁pH计直接进行测定。有机质的测定采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法；速效磷的测定采用碳酸氢钠浸提，紫外光分光光度计测定；速效钾的测定采用醋酸氨浸提，火焰光度法测定；全氮的测定采用全自动凯氏定氮仪测定。

1.4 统计分析

试验数据采用SPSS(PASW Statistics 16.0)进行单因素方差分析，利用Excel 2007 和Sigmaplo 12.5进行数据整理并制图。

2 结果与分析

2.1 土壤容重特征参数分析

不同处理对0～30 cm土层土壤容重和土壤孔隙度有显著影响(见表1)。土壤孔隙度与土壤容重值呈负相关，容重越大表明土壤越紧实，则孔隙度下降。在0～30 cm土层，土壤容重随着土壤深度的增加而增加，蓄水与排水间差异显著，且各土层之间差异也显著(P<0.05)。蓄水处理在0～30 cm土层土壤容重较排水处理降低幅度为1.3%～4.2%，不同处理下的土壤孔隙度呈现随着土层增加而减小趋势，蓄水处理在0～30 cm各土层土壤孔隙度较排水处理均高3.1%、4.7%和1.5%。综合分析蓄水和排水处理下土壤容重和土壤孔隙度，蓄水处理能有效提高耕作层土壤孔隙度，增加土壤通气和透水性，并且有利于土壤容重维持在较低水平；排水处理则增加了土壤容重，促使土壤板结加重。

表1 不同处理下0～30 cm土层土壤容重和土壤孔隙度分析Tab.1 Comparison of soil bulk density and soil porosity at 0～30 cm soil layer of under different treatments

注：a、b、c等不同字母表示不同处理和不同土层数值在0.05水平上差异性显著，下同。

2.2 土壤水分空间特征分析

2009年12月对蓄水和排水处理的冬小麦进行灌溉，灌水量一致，同年6月小麦收获期测定0～160 cm土壤水分。蓄排水处理下土壤贮水量见图2。蓄水和排水处理下0～160 cm土层土壤湿度变化趋势一致，在0～60 cm土层，土壤湿度减小，蓄水和排水处理的平均土壤湿度分别为20.42%和19.11%；在60～160 cm土层，土壤湿度增加，平均土壤湿度分别为24.65%和23.86%。蓄水处理0～160 cm土层的平均土壤湿度较排水处理高4.47%，处理间无显著差异。试验结果表明：相同的水量，不同的处理，经过长时间水分运移、蒸发及利用，蓄水处理下土壤湿度稍高于排水处理，且田间土壤不易发生板结。

蓄水和排水处理下0～160 cm土层土壤贮水量差异见图2。蓄水和排水处理下0～160 cm土层土壤贮水量表现趋势一致，即在0～60 cm土层，土壤贮水量均呈现减少趋势，蓄水和排水处理在该土层土壤贮水量分别减少21.09%和28.53%；在60～160 cm土层，蓄水和排水处理下土壤贮水量显著增加，分别增加26.16和24.35 mm，且处理间差异显著(P<0.05)；在0～160 cm土层，蓄水和排水处理下的土壤平均贮水量分别为65.36和63.72 mm。

图2 不同处理下0～160 cm土层土壤湿度及土壤贮水量比较Fig.2 Soil water moisture changes and soil water content in 0～160 cm soil profile of different models

2.3 土壤盐分空间特征分析

土壤盐分的控制对于作物的生长起关键性的作用，对于盐碱地的治理，不仅要克服其板结，改善容重及提高土壤孔隙度，使其盐分含量维持在适宜范围也是该土地治理的重要内容[20]。传统排水处理和生态蓄水处理措施对于盐碱地治理效果见表2。在0～30 cm土层，蓄水和排水处理下土壤pH、电导率和全盐含量表现趋势一致，pH呈现随土层增加而增加的趋势，电导率和全盐含量则随着土层增加而减小，3种指标较试验前明显降低，且差异显著(P<0.05)。在0～30 cm土层，蓄水处理下土壤平均pH较排水处理降低0.64%，处理间差异不显著。蓄水处理下20～30 cm 土层土壤电导率较0～10 cm土层减少35.95 μS/cm，排水处理减少21.95 μS/cm；在0～30 cm土层，蓄水处理下平均电导率较排水处理降低2.46%。蓄水和排水处理较试验前显著减低土壤全盐含量，经过3 a种植试验及盐分控制，在0～30 cm土层，蓄水和排水处理平均全盐含量分别为1.62和1.88 g/kg，且蓄水处理较排水降低盐分含量效果显著，处理间差异显著(P<0.05)。综合分析，蓄水处理较排水处理可整体改善土壤质量，降低土壤盐分及酸碱度综合指标，是较为适宜盐碱地的治理模式；排水处理在一定程度也可降低土壤盐碱程度，对比蓄水处理较差，且易发生土壤板结，不易为作物提供适宜的种床和生长环境。

表2 不同处理下土壤pH、电导率和全盐量空间特征Tab.2 Discriptive characteristics of the soil pH、 eletrical conductivity and salt content

2.4 土壤养分空间特征分析

土壤养分是土壤中作物生长所必须的营养元素，也是评价土壤肥力的重要标志之一[21]。通过蓄排水模式对盐碱地治理，不仅有效改善土壤结构、土壤盐分含量，对土壤化学特征即土壤养分的影响也是较大的，较试验前可显著改善土壤养分含量，满足作物生长所需的肥力要求(见表3)。蓄水和排水处理对0～30 cm土层土壤有机质、全氮、速效钾和速效磷含量影响见表3。在0～30 cm土层，蓄排水处理下各养分含量表现趋势一致即随着土层的增加而减小。蓄排水处理下0～10 cm土层有机质含量较20～30 cm土层分别高2.03和2.63g/kg，全氮含量则分别高10.79%和8.93%，速效钾含量分别高27.65%和19.84%，有效磷含量分别高46.52和42.95 mg/kg。在0～30 cm土层，蓄水处理下有机质、全氮、速效钾和有效磷平均含量均优于排水处理，分别高18.96%、4.76%、10.67%和9.35%，处理间差异显著(P<0.05)。综上所述，在蓄排水处理下土壤养分含量较试验前增加明显，且均随着土层深度增加而减少。蓄水处理对提高土壤养分含量较排水处理效果显著，这主要是由于处理方式的不同而造成的，而排水处理灌溉和排盐方式主要是采取大水漫灌，造成养分淋溶及流失严重，并且辅以秸秆还田后，蓄水处理土壤结构较好，水分含量高，利于秸秆的分解及利用，而排水处理土壤板结严重，不利于秸秆分解。

表3 不同处理下0～30 cm土层土壤化学特征Tab.3 Discriptive characteristics of the soil nutrients of 0～30 cm soil depth

2.5 土壤稳定性特征分析

土壤分形维数是反映土壤结构几何形状的参数，土壤团聚体粒径分布的分形维数反映了土壤水稳性团聚体对土壤结构及稳定性的影响趋势，即团聚体分形维数越小，土壤越具有良好的结构与稳定性[22]。利用公式对团聚体干筛和湿筛数据进行拟合计算，求得分形维数(D)值，不同处理0～30 cm土层内剖面土壤团聚体的分形维数见表4。在0～30 cm土层内，干筛法各种处理的土壤团聚体分形维数随着土层深度的增加而减小，且表现趋势一致，土壤团聚体分形维数为1.65～2.15，且各处理间差异显著(P<0.05)。蓄水处理在各土层土壤稳定性较排水处理提高7.02%～11.80%，蓄水处理0～30 cm土层土壤平均稳定性较排水提高9.1%。在0～30 cm土层内，湿筛法各种处理的土壤团聚体分形维数与干筛法所得到的结果呈相反趋势，即各处理均表现为随着土层深度的增加而增加，土壤团聚体分形维数为2.93～2.98。

表4 不同处理方式下土壤团聚体分形维数Fig.3 Fractal dimension of soil aggregates under different models

2.6 土壤稳定性与化学参数相关性分析

将试验测定的土壤理化指标数据与土壤稳定性即湿筛法下土壤分形维数进行相关性分析(表5)，结果表明土壤稳定性与土壤化学特征之间均存在良好的线性关系，且土体稳定性对土壤化学特征的影响均达到显著(P<0.05)。土壤容重与土壤分形维数之间存在正相关关系，土壤化学指标与分形维数之间存在负相关关系。土壤容重随着分形维数的增加而增加，两者间相关系数为R2=0.860 4，关系显著。土壤稳定性指标分形维数越大，各土壤化学指标即有机质、全氮、速效钾和速效磷含量呈现减小趋势，分形维数与土壤化学特征各指标间的相关系数分别为R2=0.949 9、R2=0.847 2、R2=0.828 6和R2=0.800 6。土壤稳定性对土壤理化性质的影响主要是不同处理措施对土壤结构的影响，比如增加土壤板结，水分含量等等，引起土壤容重和养分等的变化，造成土壤蓄水保墒的差异性，影响土壤质量及作物出苗、水肥吸收，最终影响作物生长及产量。

表5 土壤团聚体分形维数与理化特征相关性分析Tab.5 Correlations between fractal dimension of soil aggregates and nutrients

3 讨论

3.1 对土壤容重的影响

土壤容重是评价土壤质量的重要指标之一[23]。现阶段对于盐碱地的研究主要集中于耐盐品种的选择、灌溉方式的选择以及盐碱地治理工程的设计等等，选用循环压盐以及在工程实施后可改变盐分在垂直方向的空间布局，逐步向下压盐，但是对土壤物理特征的变化研究则鲜有报道[24-26]。蓄水处理较排水处理可有效降低土壤盐分，有效抑制了土壤板结，维持土壤容重在适宜范围。辅以秸秆还田处理，对改善土壤结构有明显作用。蓄水处理有效改善土壤容重，则显著提高田间持水量及改善土壤孔隙分布，与秸秆还田结合，合理的固、气、液的分布加速了秸秆的分解，一定程度改善了土壤结构[27]。排水处理下灌溉方式加剧了土壤板结化及结构的破坏，并且容易形成土壤径流通道，加剧养分流失及降低水分利用效率。本研究发现，蓄水处理较排水处理显著提高了土壤质量。

3.2 对土壤蓄水保墒效果的影响

土壤中有效水分的利用及干旱时节对水分的保持是作物生长的关键因素[27]。本试验研究表明：蓄水条件下，在0～160 cm土层，土壤湿度明显高于排水处理下，且土壤贮水量与土壤湿度呈现相同趋势。在0～60 cm土层，土壤湿度和贮水量均呈现减小趋势，在60～160 cm土层，两者均呈现增加趋势。土壤中水分的保持和增加则会阻碍土体板结的发生，有利于作物生长需求，这与杜新民[7]研究结果一致。

3.3 对土壤盐分及养分的影响

盐碱地洗盐过程实质就是土壤中溶质迁移的物理过程，包括：对流、溶质分子扩散、机械弥散过程、土粒与土壤溶液界面处的离子交换吸附作用。传统排水洗盐则是强调单一的灌入淡水，促使土壤中各状态下的盐分离子溶解于水中，运用冲洗及对流作用来减少盐分[28]，生态蓄水洗盐依据蓄水池水位，盐分浓度持续变化，与水体和相邻土壤盐分达到动态平衡，旨在对盐碱土实现循环加速压盐。从客观、自然条件分析，随着降雨、灌溉退水、地下水位等的自然变化，蓄水沟水位时高时低，每年多次交替变化，当蓄水沟水位高时水中盐碱浓度低，水位低时浓度高，这样从上到下，在水盐交换过程中，逐步实现向下压盐，从而改变了土壤中盐分的垂直分布，保证了土壤中耕作层盐碱浓度减少，向良性发展，且不影响上层土壤，从而实现“不排而蓄”，和谐地治理盐碱地，且减少了生物、化学和物理方法治理所带来的人力、物力和财力的投入，更减少了对土壤水体的二次污染和危害，应用前景广阔[28,29]。2种处理较试验前显著降低土壤pH和减少土壤盐分含量，且在0～30 cm土层，蓄水处理对土壤盐分的降低效果优于排水处理。

土壤养分是土壤中作物生长所必须的营养元素，对于盐碱地的治理不仅有效改善土壤结构、土壤盐分含量，对土壤化学特征即土壤养分的影响也是较大的，较试验前可显著改善土壤养分含量，满足作物生长所需的肥力要求。本研究表明生态蓄水模式提高土壤肥力效果优于传统排水处理，这与孙博[20]等研究结果一致。韩霁昌等[13]研究结果也表明蓄水后，土壤中有机质含量逐渐增大，土壤质量明显提高。

3.4 对土壤稳定性及其相关性差异的影响

土壤分形维数可有效反应土壤稳定性，在0～30 cm土层内，干筛法各种处理的土壤团聚体分形维数随着土层深度的增加而减小，且表现趋势一致，湿筛法则表现趋势与干筛相反。蓄水处理在各土层土壤稳定性较排水处理好，这主要是由于生态蓄水处理有效改善了土体结构，水分的存在和保持有效地增加了土壤团聚体水稳性，且水分使秸秆分解加速有机质的输入，从而对改善结构起到积极作用[30]。

土壤稳定性的提高有利于增加土壤养分。综合分析表明，土壤平均分形维数与容重之间存在正相关关系，且R2=0.860 4，差异显著(P<0.05)。土壤平均分形维数与土壤有机质、全氮、速效钾和速效磷平均含量之间存在负相关关系，且相关系数为0.80～0.95，差异显著(P<0.05)，这与Six等[31]研究结果一致。