不同改良剂对滨海重度盐渍土质量和肥料利用效率的影响①

高 婧，杨劲松，姚荣江，谢文萍，王相平

不同改良剂对滨海重度盐渍土质量和肥料利用效率的影响①

高 婧1,2，杨劲松1*，姚荣江1，谢文萍1，王相平1

(1土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中国科学院大学，北京 100049)

为揭示不同改良剂对江苏滨海围垦滩涂区重度盐渍土改良与肥料利用的效应，通过田间试验研究生物质炭、石膏、EM菌剂和黄腐酸4种改良剂对土壤表层盐分的时序动态、大麦产量和肥料利用效率的影响。结果表明：盐分对于作物生长和肥料利用具有明显的抑制作用，各改良剂均有效提高了重度盐渍土土壤肥力与作物产量。其中，低量生物质炭处理(10 t/hm2)和高量黄腐酸处理(3 t/hm2)整体效果较好。经低量生物质炭处理后，土壤表层(0 ~ 20 cm)盐分相对于单施化肥处理降低106%，作物产量增加79%，氮肥利用率提高99%；高量黄腐酸处理较单施化肥处理土壤表层盐分降低95%，作物产量增加68%，氮肥利用率提高93%。该结果表明适宜用量的生物质炭和黄腐酸均可用于滨海滩涂重度盐渍土的加速治理培育和肥料利用效率的提升。

滨海盐渍土；大麦；土壤盐分；肥料利用效率

江苏滨海滩涂资源丰富，拥有全国1/4以上的滩涂面积，是重要的后备土地资源[1]。但从目前来看，土壤结构差、高盐碱、养分低、地下水高矿化度和地表淡水资源缺乏等因素严重制约该地区土地生产发展，因此采取合适的调控措施对该区域土地高效改良和农业发展具有重要现实意义[2-3]。

大量研究表明，施用土壤改良剂是治理江苏滨海盐渍土较有效的方法。我国最初发现石膏可以改良盐渍土是在19世纪70年代，其含有的钙、硫元素可以作为肥料元素施入达到改良土壤的目的，后来发现石膏中的Ca2+能够置换盐渍土中的Na+，减轻土壤Na+毒害，改善土壤理化性质，增加作物出苗率和产量[4-6]。随后研究学者发现腐殖酸类肥料可以改良盐碱土，腐殖酸是一种有机大分子两性物质，其缓冲性能强，通过其酸性基团中和盐碱土调节pH、改善土壤结构，可增强土壤保肥透水能力，提高作物产量[7-10]。生物质炭和EM菌剂两种改良剂直到21世纪初才被研究学者应用，研究发现生物质炭由于其表面巨大的多孔结构，对养分有很强的吸附作用，为微生物提供附着位点，调控微生物的生长活动，提高土壤肥力，增强作物生长能力[11-14]。且到目前为止，对于EM菌剂对盐碱土的改良作用研究较少。

由于目前对盐渍土脱盐效果的研究大部分限于轻中度盐渍化土壤，对于重度盐渍土改良效果和肥料利用效率相关研究较少，而改良重度盐渍土对于缓解耕地矛盾也具有非常重要的意义[15]。本研究分析了不同改良剂对重度盐土区土壤改良效果以及大麦养分利用效率的影响，旨在提高该地区作物产量，实现新垦滩涂地的耕地化利用。试验选取了4种典型的盐渍土改良剂(生物质炭、石膏、EM菌剂和黄腐酸)，探讨了不同改良剂对该区域土壤质量的提升能力及不同改良剂施入对作物肥料利用效率的影响，为选取适合该区的土壤改良方案提供了合理化建议。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于江苏省盐城市东台市条子泥垦区，地理位置120°56′~ 120°57′E，32°49′ ~ 32°50′N。研究区属暖温带向亚热带季风气候过渡区，年平均蒸发量1 417 mm，年平均降水量1 058.4 mm。试验区为新垦滩涂土壤，为砂质土，区域地下水位为1.2 m，地下水矿化度为12 g/L。目前以玉米–大麦轮作为主，本试验是新开垦滩涂土壤第一季种植作物。土壤基本理化性质列于表1。试验期间氮、磷施肥分别是尿素(含N 460 g/kg)、磷酸一铵(含P 440 g/kg，N 110 g/kg)。本试验土壤中富钾，因此不需要施钾肥[16]。

表 1 供试土壤的基本理化性质(0 ~ 20 cm)

1.2 供试材料

试验所用4种材料(生物质炭、石膏、EM菌剂和黄腐酸)均购置于专业生产厂家。试验栽种作物为大麦，大麦生长季处于冬季积盐期。试验地点设置于新垦滩涂地，质地和盐分状况均一。

1.3 试验设计

本试验采用裂区完全随机方案设计，主区因素为盐分，副区因素为不同改良剂，共设计10个处理：①不施肥处理，CK；②单施化肥处理，T0；③高量生物质炭处理20 t/hm2，T11；④低量生物质炭处理10 t/hm2，T12；⑤高量石膏处理7.6 t/hm2，T21；⑥低量石膏处理3.8 t/hm2，T22；⑦EM菌剂施入量80 L/hm2+全化肥施入，T31；⑧EM菌剂施入量80 L/hm2+一半有机肥(N 0.09 t/hm2)+一半化肥(N 0.09 t/hm2)，T32；⑨高量黄腐酸处理3 t/hm2，T41；⑩低量黄腐酸处理1.5 t/hm2，T42。各处理重复3次，大麦播种量为0.18 t/hm2。另外分别设置N0P(施磷不施氮)和NP0(施氮不施磷)两个处理以进行肥料利用率的计算。施肥处理氮(N)、磷(P)肥根据调研获得的当地农民施肥习惯水平确定：分别为0.18、0.12 t/hm2。每个试验处理设置在3 m × 4 m的微区内，各微区间隔60 cm。大麦于2016年11中旬播种，2017年5月底收获。

1.4 样品采集

在大麦不同生育期(苗期、拔节期、孕穗期、成熟期)取表层0 ~ 20 cm土壤样品，用于电导率的测定。作物成熟时收获各微区所有植株测产，同时保留籽粒和地上部植株测定全氮、全磷含量。

1.5 测定项目与计算方法

土壤盐分测定采用电导法(测定土水比1∶5溶液电导率，并根据文献[17]中该地区土壤全盐含量与电导率的换算关系计算土壤盐分含量)；土壤(过100目筛)有机质的测定采用重铬酸钾外加热法；土壤碱解氮的测定采用碱解扩散法；土壤有效磷测定采用NaHCO3浸提-钼蓝比色法土壤；植株样全氮测定采用浓H2SO4消煮-水杨酸钠法，全磷测定采用浓H2SO4消煮-钼蓝比色法。

计算方法：TS=2.47×EC+0.26，式中：TS为土壤含盐量(g/kg)；EC为电导率值(dS/cm)。土壤盐分含量的相对升高率(%)=[(种植后土壤盐分含量-种植前土壤盐分含量)/种植前土壤盐分含量]×100。作物氮(磷)素吸收量=籽粒产量×籽粒氮(磷)含量+秸秆产量×秸秆氮(磷)含量。肥料利用率(%)=[(施肥处理作物吸收养分量-不施肥处理作物吸收养分量)/施肥量]×100。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对大麦生育期土壤表层盐分变化的影响

图1显示了土壤盐分随作物整个生育期变化的情况。在整个生育期内，土壤盐分呈现出先降低后升高的趋势，在拔节期土壤盐分达到最低，到成熟期时土壤开始返盐，该时期气温升高，土壤蒸发严重，土壤表层盐分持续升高。大麦生长初期土壤盐分较低，可能与长时间降雨有关。

从收获后土壤表层盐分含量可知，各改良剂处理土壤盐分含量较单施化肥处理(T0)均有所降低，说明所选取的改良剂能够有效地改良滨海盐渍土。高量生物质炭处理(T11)下，土壤表层盐分相对于T0处理降低53%，低施入量条件下(T12)土壤表层盐分相对于T0处理降低106%；石膏处理下，高施入量处理(T21)相对于T0处理土壤表层盐分降低78%，低施入量条件下(T22)土壤表层盐分相对于T0处理降低32%；EM菌剂全化肥处理(T31)与T0处理相比，土壤表层盐分降低53% 左右，有机无机配施处理(T32)使表层盐分降低了约42%；黄腐酸高施入量条件下(T41)表层盐分较T0处理降低96%，低施入量处理(T42)表层盐分较T0处理降低35%。对比可知，生物质炭低施入量和黄腐酸高施入量处理降低土壤盐分效果较好。

2.2 不同改良剂对大麦产量的影响

由图2可知，与不施肥(CK)相比，施肥处理显著提高了大麦产量。4种改良剂处理与单施化肥处理(T0)相比，大麦的产量也均提高，其中，生物质炭的施入使得作物的产量提高60% ~ 80%；施用石膏使大麦的产量增加30% 左右；高量黄腐酸处理(T41)促进作物增产70% 左右，低量黄腐酸处理(T42)与T0相比无明显增加；在EM 菌剂处理条件下，全化肥处理(T31)比有机无机配施处理(T32)效果更明显。土壤收获期盐分含量和作物产量的相关性分析(图3)显示，盐分含量与作物产量呈显著线性负相关关系，土壤盐分限制了作物产量。

图1 不同改良剂处理下土壤表层盐分变化

对比不同改良剂处理下大麦产量可知，低量生物质炭处理(T12)对大麦的产量提高最多，其次是高量黄腐酸处理(T41)。这是由于生物质炭疏松多孔的性质，通过淋洗，使土壤中的盐分降低，同时生物质炭具有发达的孔隙能增强养分元素的吸附能力，保水保肥，提高大麦的生长能力[18]。黄腐酸可以通过酸碱中和反应降低土壤盐分和交换性Na+，从而改善土壤性状，提高土壤的保水保肥能力[19]。两者的施入均有效降低土壤盐分改善作物生长环境，提高作物产量。

图2 收获期大麦产量

图3 土壤盐分和作物产量的相关关系

2.3 不同改良剂对大麦肥料利用效率的影响

从表2可以看出，生物质炭、石膏、EM菌剂和黄腐酸这4种改良剂处理下的植株吸氮量均高于单施化肥处理(T0)。与T0处理相比，低量生物质炭处理(T12)以及高量黄腐酸处理(T41)吸收氮量分别提高69% 和65%，低量石膏处理(T22)和EM菌剂全化肥处理(T31)吸收氮量分别提高48% 和44%，而EM菌剂有机无机配施处理(T32)相比T0处理无显著差异。生物质炭的添加显著提高了作物磷的吸收。

与T0处理相比，生物质炭施用的两个处理和高量黄腐酸处理大麦氮肥利用率分别增加了68%、99%、93%；施用石膏的两个处理和EM菌剂全化肥处理大麦氮肥利用效率均提高40% 左右；而EM菌剂有机无机配施处理(T32)氮肥利用效率变化不明显，可见生物质炭和黄腐酸处理对土壤肥力的增效作用明显强于石膏以及EM菌剂处理。从磷肥利用效率来看，生物质炭施用下作物的磷肥利用效率最高，其他处理之间没有明显差异。

3 讨论

3.1 不同改良剂对大麦生育期土壤表层盐分变化的影响

土壤表层盐分在大麦生长阶段内先降低后升高，这是由于冬季滨海区降雨较多，气候湿润，土壤表层盐分遭到淋洗，同时冬季气温较低，土壤蒸发缓慢，土壤返盐速率低；而春季后，气温升高，太阳辐射增强，降雨减少，土壤蒸发严重，返盐加快，土壤表层盐分逐渐升高[20]。

各改良剂处理下的土壤表层盐分均有不同程度的下降。由于生物质炭本身多孔结构的性质，能够抑制土壤返盐过程，减少养分的流失，降低土壤盐分[21]。在10 t/hm2处理量下，土壤表层盐分降低106%，与孙运朋等[20]9 t/hm2处理量下盐分降低80% 左右效果类似，而在高处理量下(20 t/hm2)降盐效果却下降，这是由于生物质炭中存在一定的盐分，当施入量过大时，增加了土壤中盐分离子的含量[22]。石膏处理下，石膏中的Ca2+能够置换出土壤胶体中吸附的Na+以促进排盐，改善土壤团粒结构，降低土壤盐分[23-24]。比较石膏不同施入量对降盐的效果可知，高施入量比低施入量降盐效果更好，这与Kaniz和Rashid Khan[25]的研究结果一致。EM菌剂是一种混合菌种群，它在土壤中极易生存繁殖，能够增强微生物活性，改善滨海盐渍土的板结现象，增强土壤排盐的能力，降低研究区土壤表层盐分[26]。黄腐酸是一种有机无机复合体的有机胶体物质，它的施入使得研究区土壤理化性质得到改善，增强了土壤透水保水性[27-28]。本研究中，经高量黄腐酸(3 t/hm2)处理土壤盐分降低96%，与王晓洋等[29]的研究中黄腐酸施用量(0.3 t/hm2)降低30% 效果相近。对比几种改良剂对土壤降盐效果，以低量生物质炭处理和高量黄腐酸处理效果最佳。

表2 不同改良剂对养分利用效率的影响

注：表中数据为平均值±标准差；同列数据后不同小写字母表示不同处理在<0.05水平差异显著。

3.2 不同改良剂对大麦产量的影响

通过图2、图3，比较不施肥处理(CK)和单施化肥处理(T0)的大麦产量，可以发现盐分和养分均限制作物的生长。不施肥状况下，作物几乎没有产量。低量生物质炭和高量黄腐酸处理下产量最好，同时这两个处理也能显著降低土壤盐分。EM菌剂处理相比于T0处理，产量有一定的增加，这与陈胜利等[30]的研究结果一致，但是在有机无机肥共施的处理下效果不显著，这是由于有机肥属于缓效氮肥，短期内不易被作物吸收利用，造成作物生长的所需氮源减少，这与娄庭等[31]的研究结果一致。

3.3 不同改良剂对大麦肥料利用效率的影响

由表2可知，改良剂的添加增强了作物的生长能力，使作物吸收氮磷量显著提高。生物质炭、石膏、EM菌剂、黄腐酸这4种改良剂均能使肥料利用效率提高40% 以上，一般来说，我国正常土壤作物的氮肥利用率在35% 左右，磷肥利用率在15% ~ 20%[32-33]。

对于生物质炭，专家学者对其提高肥料利用率的作用意见不一。有研究表明，施用量、土壤质地的差异均影响其对肥料利用率的提高作用。Rajkovich等[34]研究在温带淋溶土按7个比例添加不同用量的生物质炭，发现2% 的生物质炭处理可以提高玉米吸氮量15%，7% 的生物质炭处理降低玉米吸氮量16%。本研究中施用1% 的生物质炭可以提高大麦吸氮量68%，施用2% 的生物质炭提高作物吸氮量效果开始下降，只提高47%，高施入量的生物质炭反而加重了本研究区的盐化程度，因此对于盐化土壤，不宜施用过多生物质炭。Zwieten等[35]在2种不同土壤类型(pH 4.2 铁铝土和pH 7.7 钙质土壤)添加生物质炭的结果表明，生物质炭的施用提高了铁铝土壤中的氮肥利用率，而对钙质土壤中的氮肥利用率无显著提升。滨海盐碱土由于其土壤结构差、养分含量低等特点，施用适当生物质炭可以显著提高作物肥料利用率[36-37]。梁华成和李焕珍[38]研究了磷石膏与氮肥混合施用对北方地区轻度碱化草甸土氮素利用的影响，发现磷石膏与氮肥的混合施用可以减少氨的挥发，水稻氮素利用率可达到50% 左右。Murtaza等[39]通过2年的试验得出，在盐碱土上施用石膏需要量的50% 可以增加作物产量和提高氮肥利用率，与正常土壤相比，石膏的施入可以明显降低黏壤盐碱土与正常土壤的差异。本试验中，各处理氮肥利用率均只达到10% 左右，这是因为本试验土壤是重度盐渍土，土壤盐分均超过3 g/kg，盐害较重，极大地限制了作物的生长和对养分的吸收利用。目前，腐殖酸类物质可以通过营养来促进微生物的生长，间接促进作物生长，加强对养分吸收，各类研究结果还是较为一致的[40-44]。

4个处理中，低量生物质炭处理和高量黄腐酸处理下大麦吸收氮量和对氮肥的利用率提高最多，相比单施化肥处理(T0)，氮肥利用率分别增加了99%、93%，这与两处理对土壤盐分和大麦产量的影响相对应。各改良剂处理(除生物质炭外)与T0处理相比，在磷吸收利用方面虽有提高但无显著差异，而生物质炭处理对磷肥的利用效率提高显著，这是由于生物质炭生产过程中残留大量的无机磷，提高了土壤中有效磷含量，生物质炭与土粒团聚提高了土壤持水性能，提高了土壤水势，有效促进作物对磷的吸收，从而提高磷肥利用率[45-46]。对比几种改良剂对作物养分利用效率提升的效果，以低量生物质炭处理和高量黄腐酸处理效果较好。

4 结论

通过对江苏滨海重度盐渍围垦区进行试验，改良剂的施入能有效提高肥料利用效率，加速土体排盐，增强滨海重度盐渍土上大麦的生长能力。从几组对比试验可以看出，10个处理下，低量生物质炭处理(10 t/hm2)和高量黄腐酸处理(3 t/hm2)为滨海滩涂重盐渍土土壤盐分和养分的最优调控，土壤表层盐分(0 ~ 20 cm)相对于T0 处理分别降低106%、95%；氮肥利用率相比T0 处理分别增加了99%、93%，显著优于其他几种改良剂。因此在重度盐碱土区域上，生物质炭和黄腐酸具有很广阔的应用前景。

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Effects of Different Soil Amendments on Properties and Fertilizer Utilization Efficiency for Coastal Heavily-salinized Soil

GAO Jing1,2, YANG Jinsong1*, YAO Rongjiang1, XIE Wenping1, WANG Xiangping1

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

A field experiment was carried out to study the effects of charcoal, gypsum, fulvic acid and effective microorganisms on topsoil salinity of heavily-salinized soil, fertilizer utilization efficiency and barley yield in coastal reclamation area of Jiangsu Province. Results were showed that salt content greatly threated the growth and nutrient utilization efficiency of barley. The four modifiers improved effectively the quality of the heavy salinized soil and the yield of barley, and among of four amendment treatments, the biochar treatment of low dosage (10 t/hm2) and fulvic acid treatment of high dosage (3 t/hm2) had the better effects. The treatment of low dosage of biochar decreased salt content in 0 – 20 cm depth by 106%, increased barley yield by 79% and nitrogen utilization efficiency by 99%; The treatment of high dosage of fulvic acid decreased salt content in 0 – 20 cm depth by 95%, increased barley yield by 68% and nitrogen utilization efficiency by 93%. The above results prove that suitable dosage of biochar and fulvic acid can accelerate the cultivation and fertilizer utilization efficiency of the coastal heavily-salinized soil.

Coastal heavily-salinized soil; Barley; Soil salinity; Fertilizer utilization efficiency

国家重点研发计划项目(2016YFD0200303, 2016YFC0501309, 2016YFC0501201)、中国科学院重点部署项目(KFZD-SW-112- 03-02)、国家自然科学基金委员会–山东联合基金重点支持项目(U1806215)、江苏省重点研发计划(现代农业)重点项目(BE2015337, BE2017337)、中国科学院南京土壤研究所“一三五”计划和领域前沿项目(ISSASIP1633)资助。

(jsyang@issas.ac.cn)

高婧(1993—)，女，江苏淮安人，硕士研究生，主要从事盐碱土资源利用和土壤修复研究。E-mail：jgao1993@163.com

S164.5+2

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.03.015