生物基磺酸盐改良剂对盐碱土的改良效果及油葵生长的影响

李 娜，张峰举，许 兴，曹 兵，尹应武，张议丹

(1.宁夏大学 农学院，银川 750021；2.宁夏大学 环境工程研究院，银川 750021；3.厦门大学 化学化工学院，福建厦门 361005；4.北京紫光英力化工技术有限公司，北京 100085)

土壤盐碱化导致土地退化问题是全球农业生产和生态环境保护面临的重要难题。世界范围受土壤盐碱化影响耕地面积约3.4×108hm2，占总耕地面积的23%[1]。土壤盐碱化导致的主要农作物产量损失每年达1 200亿美元[2]。另外，土壤盐碱化通常与土地退化、荒漠化过程相伴生，甚至相互诱发、相互转化，对生态环境构成严重威胁[3-4]。随着全球人口增长对土地资源、农作物生产和美好环境需要不断扩大，探索盐碱土壤有效防治措施对农业可持续发展、生态环境改善，推动区域乃至全球经济、社会和生态可持续发展具有重要意义。

盐碱化土壤治理的核心是减少土壤有害盐分，改善作物生长发育的土壤环境。盐碱地治理主要包括水利工程物理、改良剂化学、耐盐碱植物种植的生物和农艺耕作措施等，并在实践中强调水利工程措施基础作用和因地制宜化学、物理、生物等措施综合运用[5]。随着对盐碱化土壤认识的不断深入，土壤改良剂的功效备受重视和研究，已成为盐碱地治理系列方法和措施的重要组成部分[6]。生物基磺酸盐改良剂是北京紫光英力公司以林木枝条、秸秆、风化煤等生物质原料在温和条件下直接磺化生产稳定水溶性改良剂。研究表明，施用生物质磺酸盐改良剂能够降低设施土壤pH和全盐质量分数、改善土壤质量，促进番茄植株生长，提高果实品质与产量的效果[7]，在盐碱化土壤治理中具有一定应用潜力。同时，种植耐盐植物的生物措施也被认为是未来盐碱地改良修复和高效利用的突破口[8]。油葵作为中国的四大油料作物之一，具有一定的耐盐性和较高的经济价值，有着盐碱地先锋作物的美誉[9]。因此，用油葵作为试验研究作物，可以在改良利用盐碱地的同时创造更好的经济效益。

黄河河套宁夏平原是西北干旱区土壤盐碱化较为严重地区之一。宁夏平原现有耕地面积44.11万hm2，其中盐碱化地占耕地总面积的49.7%，土壤盐碱化已成为制约宁夏生态环境、农业和经济社会发展关键因素[10-11]。在运用生态理念综合治理实现干旱半干旱区盐碱地持续改良背景下，急需开发和引进生态友好型的盐碱土治理新技术、新材料和新方法[12]。生物基磺酸盐改良剂酸性强并富含天然的小分子纤维素、磺酸基、酚羟基、醇羟基活性基团，具有降碱促排盐功能，符合盐碱地生态改良发展趋势。为此，本研究探讨不同用量生物基磺酸盐改良剂对盐碱土的改良效果及油葵生长的影响，明确试验所用生物基磺酸盐改良剂在所研究土壤环境下的最佳施用量，旨在为生物基磺酸盐改良剂应用于土壤盐碱化治理提供理论参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验土壤 供试土壤采自黄河河套宁夏平原北部石嘴山市平罗县前进农场中度盐碱化荒地，用铁锹采集0～20 cm耕作土层土壤600 kg。采集的土壤带到试验站后风干、碾碎、过0.5 mm筛、混合均匀后备用。供试土壤pH 10.26，全盐质量分数4.53 g·kg-1，有机质质量分数8.95 g·kg-1，碱解氮质量分数26.4 g·kg-1，速效磷质量分数12.2 g·kg-1，速效钾质量分数170.6 g·kg-1。

1.1.2 生物基磺酸盐改良剂 生物基磺酸盐改良剂由北京紫光英力公司提供，是厦门大学、北京紫光英力化工技术有限公司利用清洁化学技术制成多功能生物质水溶性高分子材料。其主要成分为小分子纤维素、半纤维素硫酸单酯盐、木质素磺酸盐和腐殖酸磺酸盐的混合物，其pH 1.1、电导率534 mS·cm-1、氮磷钾总养分≥6%、有机质≥50%、腐植酸≥30%。

1.2 试验设计

采用单因素多重复试验设计，生物基磺酸盐改良剂施用量设0 kg·hm-2(CK)、750 kg·hm-2(T1)、1 500 kg·hm-2(T2)、2 250 kg·hm-2(T3)和3 000 kg·hm-2(T4)5个处理，重复3次。

盆栽试验在宁夏大学农学院温室进行。试验用花盆的规格为34 cm×28 cm(直径×高)，每盆按1.45 g·cm-3的体积质量填土30.26 kg，并预留约6 cm边缘。按照试验设计计算每盆生物基磺酸盐改良剂用量，称量后与250 mL自来水混合均匀倒于试验盆表面。第2天按900 m3·hm-2的量灌水1次，待土壤表面泛白时破碎精量播种油葵。油葵品种为‘KWS204’,每盆播种9粒种子。油葵出苗期不浇水,出苗后每隔1周按1 200 m3·hm-2量浇水1次。出苗后计算出苗率,并在苗期取样6株用于生理生化指标测定，剩余2株生长至现蕾期测定光合、株高等指标，并结束试验。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤理化指标测定 将采集的土样风干，碾碎，过1 mm孔径筛,按m(土)∶V(水)=1∶5与去离子水混合，振荡，过滤，取上清液测定。pH测定采用酸度计法,全盐质量分数测定采用电导法[13]。依据宁夏盐碱土含盐量与电导率关系经验公式[14]计算土壤全盐质量分数：y=0.160 9x2+2.917 6x-0.014 1。式中，x为土壤的电导率，y为土壤的全盐质量分数。

1.3.2 油葵生理生化指标测定 油葵光合速率用Li-6400光合仪进行测量，叶绿素质量分数、可溶性蛋白质量分数、丙二醛(MDA)质量摩尔浓度、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)活性等参照《植物生理学实验指导》方法测定[15]。

1.4 数据统计与分析方法

采用Excel 2013 对试验数据分析处理，用SAS 8.1进行单因素方差分析，处理间多重比较采用Duncan’s新复极差法。

2 结果与分析

2.1 生物基磺酸盐改良剂对土壤理化性质的影响

2.1.1 对土壤全盐质量分数的影响 由图1可知，土壤全盐质量分数随生物基磺酸盐改良剂施用量增加呈先降后升趋势，且油葵现蕾期各处理土壤全盐质量分数明显小于播种前。油葵播种前经过1次灌水，T1、T2、T3、T4土壤全盐质量分数较对照分别低8.46%、11.14%、47.44%和34.97%，其中T3土壤含盐量最低为2.36 g·kg-1。经过一段时期隔周灌水至油葵蕾期，T1、T2、T3、T4土壤全盐质量分数较对照分别低33.00%、24.63%、62.07%和54.19%，处理T3全盐质量分数最低为0.77 g·kg-1，且处理组均与对照差异显著。然而，从取样时间看，现蕾期各个处理土壤含盐质量分数较改良前降低55.19%～83.00%，而油葵播前仅降低0.88%～47.90%。另外，无论播种前还是现蕾期，当生物基磺酸盐改良剂施用量为2 250 kg·hm-2时，土壤全盐质量分数最低，说明土壤的全盐质量分数和改良剂的施入量并不成正比的关系，生物基磺酸盐改良剂施入量过大时，土壤的全盐质量分数反而会增大。

不同小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著，下同 Different lowercase letters indicate significant difference among different treatments at 0.05 level,the same below

2.1.2 对土壤pH的影响 由图2可知，土壤pH随生物基磺酸盐改良剂施用量增加呈降低趋势，且油葵现蕾期各处理土壤pH小于播种前。当生物基磺酸盐改良剂施用量为750～3 000 kg·hm-2时，油葵播种前土壤pH由改良前10.26 降至10.01～9.64，降低2.44%～6.04%；现蕾期土壤pH由改良前10.26降至9.92～9.63，降低3.31%～6.14%。方差分析结果表明，无论油葵播种前还是现蕾期，当生物基磺酸盐改良剂施用量达到并超过2 250 kg·hm2时，T3、T4处理与对照组间土壤pH达到显著差异。说明，生物基磺酸盐改良剂可降低土壤的pH。

图2 不同处理下土壤pH变化Fig.2 Changes of soil pH under different treatments

2.2 生物基磺酸盐改良剂对油葵叶片生理生化特性的影响

由表1可见，油葵苗期和现蕾期叶片叶绿素与可溶性蛋白质量分数随着生物基磺酸盐改良剂施用量增加呈现先升后降趋势。在苗期和现蕾期，T1～T4 处理叶绿素质量分数比CK分别高-5.59%～24.48%和4.96%～38.02%，且均以T3处理最高并与CK和T4间差异显著。当生物基磺酸盐改良剂施用量由T1增至T3时，苗期和现蕾期叶片的可溶性蛋白质量分数比CK分别高-13.09%～29.98%和21.73%～61.48%，而T4与T3相比则分别降低31.12%和27.95%,且T3与CK和T4间差异显著。说明，一定量的生物基磺酸盐改良剂能增加叶片中的叶绿素与可溶性蛋白质量分数，过量则会产生反作用。

表1 不同处理下油葵叶片生理指标Table 1 Physiological indexes of oil sunflower under different treatments

注：同行不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

Note：Different letters in the same row meant significant difference at 0. 05 level,the same below.

生物基磺酸盐改良剂对油葵叶片叶绿素的影响不但反映在其质量分数上，而且表现在其光合速率上。随着生物基磺酸盐改良剂施用量增加，苗期和现蕾期叶片净光合速率总体也呈先升高后降低的变化趋势(表1)。当生物基磺酸盐改良剂用量按T1、T2和T3顺序增加时，苗期和现蕾期叶片净光合速率较CK依次高2.17%、13.16%、38.72%和0.04%、3.88%、19.97%。然而，当施用量增加至T4时，在苗期和现蕾期T4与T3相比却分别降低26.50%和13.04%，且T4与T3间差异显著。

在不同生育期(表1)油葵叶片CAT和 POD活性均随着生物基磺酸盐改良剂施用量增加呈升高后降低的变化趋势。当生物基磺酸盐改良剂施用量由T1、T2、T3、T4顺序增加时，苗期和现蕾期叶片CAT活性较CK分别依次高3.45%、41.45%、125.81%、41.00%和7.41%、31.38%、83.12%、23.32%，且施用量越多的T4与T3相比差异显著并反而分别降低37.56%和32.66%。另外，与CK相比，苗期T1、T2、T3、T4处理叶片POD活性提高16.63%、44.07%、58.93%、26.71%，现蕾期POD活性提高了25.10%、43.22%、117.58%、60.80%，且无论那个生育期T3处理的POD活性最强，并与其他各个处理间达到显著差异水平。由此说明说明适量的改良剂可以增强油葵叶片中的CAT、和POD活性，增强代谢能力，防止叶片脂膜过度氧化，提高油葵叶片的抗逆能力。

与CAT和POD不同，随着生物基磺酸盐改良剂施用量增加，油葵叶片苗期MDA质量摩尔浓度总体呈降低的变化趋势，且在T3处理时降至最低。与CK相比，苗期各个处理MDA质量摩尔浓度分别降低14.79%、16.50%、28.04%、18.85%，各处理间差异显著。现蕾期T1、T2、T4处理与CK差异不显著，T3处理叶片MDA质量摩尔浓度较对照降低25.06%，并且与各处理之间形成显著差异。可以看出，改良剂不同施用量对叶片MDA质量摩尔浓度的影响在苗期效果大于现蕾期，当改良剂的施用量为2 250 kg·hm-2时，油葵叶片受到伤害程度最小。

2.3 生物基磺酸盐改良剂对油葵出苗率和株高的影响

油葵是典型的耐盐碱的作物，可以在6‰以下的盐碱土中生存，本试验播种时土壤盐碱度均符合出苗条件，在水分充足情况下，均可以出苗[16]。由表2可见，虽然T2的出苗率最高，但CK、T1、T2、T4和T3间差异不显著，不同处理对油葵出苗率影响不明显。然而，随着生物基磺酸盐改良剂施用量增加，油葵苗期和现蕾期株高均呈现升高趋势。当生物基磺酸盐改良剂施用量增加时，苗期株高为CK

表2 不同处理下油葵出苗率和株高Table 2 Seedling emergence rate and plant height of oil sunflower under different treatments

3 讨论与结论

土壤改良剂能有效地改善土壤理化性状和土壤养分状况，并能积极影响土壤微生物活动从而提高土壤的生产力，是盐碱土壤修复的重要措施之一[17]。含有纤维素、木质素等天然的有机高分子化合物的农作物秸秆材料被土壤微生物分解时能够释放有机酸、阳离子并增加有机质，从而起到改良盐碱化土壤作用[18]。然而，由于大量秸秆还田于盐碱地存在腐熟时间长、起效慢等问题而在实践中应用困难[19]。近年来，随着人工合成的创新技术新发展，将农作物秸秆合成为土壤调理剂成为可能。本研究所用生物基磺酸盐改良剂是农作物秸秆通过清洁化学技术制成的多功能生物质水溶性高分子材料[20-21]。因而，利用生物基磺酸盐改良剂在改良盐碱土壤时，不但通过化学原理降低土壤的pH，而且通过天然产物中的高分子化合物分解作用改善土壤结构促进盐分淋洗。刘馨等[7]研究表明，北京紫光英力公司提供的生物基水溶性有机肥能够明显降低设施土壤pH和电导率。本研究也明确生物基磺酸盐改良剂具有降低土壤pH和全盐质量分数的效果，但其效果与其施用量具有先升高后降低趋势，其原因在于生物质磺酸盐改良剂自身的全盐质量分数很大，当施用量过大时，会导致土壤电导率增加，而2 250 kg·hm-2施用量是降低土壤pH和全盐质量分数的最佳用量。

植物体内的叶绿素质量分数、可溶性蛋白质量分数、光合速率、CAT、POD、MDA等生理指标均反映了植物受逆境胁迫的程度[15]。当植物体受到盐胁迫后，CAT、POD 等酶的活性降低而不能清除体内的活性氧来保护酶系统，膜质过氧化则反映在MDA质量摩尔浓度的增加上[22]。本研究中生物基磺酸盐改良剂使油葵叶片的CAT和POD活性均不同程度提高，而MDA却不同程度下降，表明其施用不但降低土壤盐胁迫，而且增强油葵体内活性氧清除力，保护酶系统并维持细胞膜的稳定性和完整性,缓解盐碱胁迫对油葵细胞组织伤害，改善生长状态。表现在当生物基磺酸盐改良剂施用量为1 500～3 000 kg·hm-2时，叶片叶绿素含量比CK高-2.10%～38.02%，光合速率较CK提高1.96%～38.72%。在呼吸消耗大致相同的情况下，植物光合能力越强，则光合产物积累的越多，植株的株高就越高。本研究中生物基磺酸盐改良剂施用量为1 500～3 000 kg·hm-2时，油葵株高比CK提高20.55%～35.61%。然而，当生物基磺酸盐施用量为3 000 kg·hm-2时，叶片叶绿素含量、可溶性蛋白质量分数和株高相比2 250 kg·hm-2有所降低，2 250 kg·hm-2用量下油葵生长发育特性最好。另外，植物对盐碱胁迫的缓解机制包括合成渗透调节物质、提高酶的抗氧化能力、对离子选择性吸收、营养平衡、改变代谢类型、调整生物量的分配等方法[22]，生物基磺酸盐改良剂对油葵CAT、POD、MDA、叶绿素含量影响机制还需要深入研究。研究表明，施用生物基磺酸盐改良剂可有效降低土壤pH和全盐质量分数，促进油葵生长发育，但过量施用会起到相反效果。因此，生物基磺酸盐改良剂在宁夏平罗西大滩盐碱地最佳施用量为2 250 kg·hm-2。