不同土壤改良剂对盐碱土壤化学性质和有机碳库的影响

2019-08-26冀拯宇周吉祥郭康莉姜慧敏杨俊诚李桂花张建峰

农业环境科学学报 2019年8期

冀拯宇，周吉祥，张贺，郭康莉，刘晓，姜慧敏，杨俊诚，李桂花，张建峰

（耕地培育技术国家工程实验室，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

土壤盐渍化和碱化导致的土壤质量退化是一个全球性问题，盐碱土壤通常发生在干旱和半干旱地区，具有较高pH、电导率和钠吸附比值及较低有机质含量的特征[1-2]，受盐碱影响的土壤约占世界地理区域总量的3%，其中盐土和碱土分别为4.02亿hm2和4.34亿hm2。此外，不良灌溉和排水条件等农业措施也可能会加剧土壤盐碱化，从而严重影响作物生长[3]。

土壤盐渍化是我国内蒙古河套灌区农业可持续发展的主要障碍，全灌区盐碱土壤面积为39.4万hm2，占该地区耕地面积的68.65%[4]。该区域作物生长期间，蒸发和蒸腾作用强烈，作为细泥沙沉积土，其土壤持水能力弱，底层土壤中溶解的盐通过毛细作用转移到表层土壤积盐[5]。引流黄河水灌溉是当地降低土壤含盐量的主要措施，但对于土壤结构较差的重度盐碱地，漫灌并不能有效降低土壤含盐量[6]。土壤改良剂被广泛用于盐碱土壤改良，通过施用土壤改良剂，可以促进土壤絮凝作用、提高团聚体稳定性和入渗速率，改善土壤结构[7-8]。因此，施用土壤改良剂对于当地农业生产和可持续发展具有重要作用。在盐碱土壤改良机理方面，目前对于含钙物质改良盐碱土壤的机理比较明确，其原理为利用Ca2+置换土壤胶体上吸附的交换性Na+。石膏、磷石膏和脱硫石膏等均作为Ca2+来源被用于改良盐碱土壤[9]。但目前的研究较多集中在土壤改良剂对盐碱指标等化学性质的影响，关于施用土壤改良剂后土壤化学性质和土壤有机碳库变化的综合研究较少。因此，本试验研究了施用复合土壤改良剂和有机土壤改良剂对盐碱土壤化学性质和有机碳库的影响，旨在研究土壤改良剂对河套灌区盐碱土壤质量的改良效果及改良机制，为该区域制定科学有效的盐碱土壤改良措施提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤改良剂

有机土壤改良剂为虾头蟹壳提取甲壳素后的废弃物，粉碎后按质量2∶3混合加入草炭、秸秆和花生壳等，接入复合微生物菌剂（地衣芽孢杆菌、干酪乳杆菌、黑曲霉和枯草芽孢杆菌），通过好氧发酵、高温堆肥等工艺处理后制成的商业化产品。复合土壤改良剂由伊利石黏土矿物加入25%碳酸钙，经过水泥回转窑800℃以上高温煅烧以及硫酸和盐酸混合酸洗池酸洗，过湿磨机湿磨，添加腐植酸后，进入烘干滚筒烘干、造粒、筛分制成。两种土壤改良剂的主要理化性质如表1所示，水溶性盐离子含量见表2，重金属含量及其限量标准见表3。目前，土壤改良剂产品尚未出台重金属元素限量标准，因此，参照有机肥料标准（NY 525—2012）和农用A级污泥污染物控制标准（GB 4284—2018）规定的限量值[10]，供试改良剂重金属含量均低于以上标准限量。

1.2 试验基地概况

试验基地位于内蒙古巴彦淖尔盟临河市电力公司试验基地（41°43′N，107°41′E），属于中纬度内陆干旱气候区，2016年全年日照时数4 448.1 h，年均气温8.6℃，全年降雨量145.8 mm；2017年全年日照时数3 389.3 h，年均气温9.0℃，全年降雨量99.6 mm。该地年蒸发量较大，蒸降比较高，冬春季土壤盐分表聚现象严重。试验地属黄河灌溉区的边缘，地下水埋深2.0 m，主要受渠灌入渗补给和降雨补给。试验前耕层土壤（0～20 cm）的基本肥力指标为：含水率11.05%，pH 8.33，土壤有机质（SOM）6.93 g·kg-1，全氮（TN）0.78 g·kg-1，速效磷（AP）16.89 mg·kg-1，速效钾（AK）238.51 mg·kg-1。耕层土壤化学性质见表4。

表1 供试改良剂主要理化性质Table 1 Main physicochemical properties of tested soil conditioners

表2 供试土壤改良剂水溶性盐离子含量（cmol·kg-1）Table 2 Content of water-soluble salt ions in tested soil conditioners（cmol·kg-1）

表3 供试改良剂中重金属含量及参考限量（mg·kg-1）Table 3 Content of heavy metals in tested soil conditioners and the reference limits（mg·kg-1）

1.3 田间试验设计

试验区种植制度为玉米单作，供试作物为当地主栽品种“西蒙6号”，试验从2016年4月开始，到2017年9月连续两年种植玉米。试验设4个处理：（1）习惯处理（CK）；（2）CK+有机土壤改良剂10 t·hm-2（M）；（3）CK+复合土壤改良剂16.7 t·hm-2（G）；（4）CK+有机土壤改良剂10 t·hm-2+复合土壤改良剂16.7 t·hm-2（M+G）；每个处理重复3次，区组随机排列。小区面积为60 m2，不同处理小区间起垄隔开。播种前分别施尿素（N 180 kg·hm-2）、磷酸二铵（P2O5138 kg·hm-2）和氯化钾（K2O 75 kg·hm-2）作为基肥。种植玉米前一次性将土壤改良剂均匀撒施于土壤耕层，并通过多次翻耕与耕层土壤混匀。其他大田管理措施与当地农民习惯保持一致。

1.4 样品采集、测定项目与方法

1.4.1 土壤样品采集

于2017年9月玉米收获后在各试验小区内采用“Z”字式采集0～20 cm的耕层土壤样品5个，充分混匀后，通过“四分法”取两份，一份带回实验室，自然风干，除去作物根系、侵入体，过2 mm和0.149 mm筛；另一份放入4℃冰箱保存，用于测定土壤微生物生物量碳。

1.4.2 测定项目与方法

土壤有机碳（SOC）用重铬酸钾外加热容量法；全氮（TN）用半微量凯氏定氮法；pH用水土比5∶1梅特勒pH计（FE20）测定[11]。离子组成的具体测定方法为：CO23-和HCO-3用双指示剂盐酸滴定法；Cl-用AgNO3滴定法；SO24-用EDTA间接滴定法；Ca2+、Mg2+用EDTA滴定法；K+、Na+用火焰光度法。全盐量（TS）采用加和法，即为8种盐分离子之和；土壤活性有机碳用KMnO4氧化法；土壤微生物生物量碳（MBC）用氯仿熏蒸培养法[12]。有机土壤改良剂和复合土壤改良剂中重金属元素Cu、Zn、Cd、Ni、Pb和Cr采用硝酸-高氯酸消解，ICP-MS测定。

表4 供试耕层土壤化学性质Table 4 Chemical properties of tested soil

1.5 数据计算

（1）钠吸附比（Sodium absorption ration，SAR）是衡量土壤盐碱化的重要指标，是指土壤溶液中Na+浓度与Ca2+、Mg2+浓度平均值的平方根之比[13]，计算公式为：

（2）土壤碳库管理指数以及碳库有效率计算方法[14]。

土壤碳库相对稳定，对短期管理措施不敏感。因此，本文选择对短期管理措施敏感的土壤碳库管理指数作为碳库变化的指标。具体计算方法为：以试验周围撂荒地土壤为参考土壤（CK0），不耕作不施肥，与样品土壤类型相同、位置相近、受人为干扰和影响最小。其总有机碳含量为5.91 g·kg-1，活性有机碳含量为2.01 g·kg-1。活性碳库组分碳素有效率和碳库管理指数计算方法如下：

碳库指数（CPI）=样本中的总有机碳含量（SOC）/参考土壤总有机碳含量（SOC0）

碳库活度（L）=样本中的活性有机碳含量（LOC）/样本中的非活性有机碳含量（N-LOC为总有机碳和活性有机碳之差）

碳库活度指数（LI）=样本碳库活度（L）/参考土壤碳库活度（L0）

基于以上参数可以得到碳库管理指数（Carbon pool management index，CPMI）：

CPMI=CPI×LI×100

1.6 数据统计分析

用Excel软件进行数据相关计算，试验结果采用SAS 9.1统计分析软件进行方差分析和相关性分析，不同处理间采用最小显著差数法（Duncan法）进行差异显著性检验，用Originpro 9.1软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同土壤改良剂对土壤化学性质的影响

2.1.1 土壤水溶性盐离子组成

如图1所示，与CK相比，施用改良剂各处理土壤水溶性阴阳离子（Ca2+、Na+、Cl-、SO24-）浓度均发生了不同程度的变化：土壤Ca2+浓度呈不同程度增加，其中M和M+G处理达到显著水平（P＜0.05），分别提高了33.14%和31.91%；土壤Na+浓度均下降，其中M+G处理达到显著水平，浓度降低了46.18%；施用两种改良剂均提高了土壤Ca2+浓度并降低了Na+浓度，说明有机土壤改良剂和复合土壤改良剂中的Ca2+进入土壤溶液，并置换出土壤中的Na+。土壤Cl-浓度均有所降低，其中G和M+G处理达到显著水平，分别降低了33.22%和22.12%；土壤SO24-浓度降低了25.09%～34.69%，但未达到显著水平。另外，各处理土壤Mg2+和HCO-3浓度变化较小，平均值为5.09 cmol·kg-1和0.23 cmol·kg-1，数据未在图表中列出；土壤CO23-未检出。

图1 不同处理土壤水溶性盐离子含量Figure 1 Content of water-soluble salt ions in soil of different treatments

2.1.2 土壤TS、SAR和pH

施用改良剂对土壤TS、SAR和pH的影响如图2所示。土壤TS和SAR在施用改良剂后均降低，说明改良剂同时降低了土壤的盐度和碱度。与CK相比，M+G处理土壤TS和SAR的降低均达到显著水平，分别降低24.65%和47.08%（P＜0.05）。施用改良剂各处理土壤pH也呈降低趋势，对比CK（pH 8.12），G和M+G处理pH值显著降低到7.88和7.75（P＜0.05）。

图2 不同处理土壤TS、SAR和pHFigure 2 Total salt content，sodium adsorption ratio and pH in soil of different treatments

2.2 不同土壤改良剂对土壤有机碳库的影响

2.2.1 SOC及其组分含量

试验地 SOC（4.91 g·kg-1）、LOC（0.94 g·kg-1）和MBC（37.67 mg·kg-1）均较低，施用改良剂后均有不同程度提升（图3）。M+G处理的SOC比CK显著提升了43.87%（P＜0.05），M和G处理与CK相比无显著差异；土壤LOC和MBC提升幅度较大，M、G和M+G处理的LOC比CK分别提升了54.55%、79.35%和82.33%，其中G和M+G处理达到显著水平（P＜0.05）；M、G和M+G处理的MBC比CK显著提升了64.04%、76.46%和86.85%（P＜0.05）。SOC及其组分含量随土壤改良剂施入而提高，两种土壤改良剂配施的M+G处理提升幅度最大。

图3 不同处理土壤有机碳及其组分含量Figure 3 Content of organic carbon and organic carbon fractions in soil of different treatments

2.2.2 土壤CPMI

综合而言，碳库指数、碳库活度、活度指数以及CPMI是一组相互关联的指标，与土壤生产潜力密切相关。以CK0为参考，由表5可知，CK处理CPMI低于CK0，表明单施化肥影响了土壤有机质质量，使土壤活性有机质相对含量减少，导致CPMI降低，不利于当地盐碱土壤LOC的提高和CPMI的增加。而施用改良剂各处理CPMI相比CK0均有提升，与CK相比，M+G处理CPMI显著提升了135.83%（P＜0.05），M和G处理提升效果不显著，表明在有机质含量低的盐碱土上施用土壤改良剂有利于提高耕作层CMPI，其中两种改良剂配施处理提升效果显著。

表5 不同处理土壤碳库管理指数Table 5 CPMI of different treatments after application of soil conditioner

2.3 土壤有机碳库与土壤化学性质间的相关性

SOC及其组分、CMPI和土壤化学性质之间的相关关系如表6所示。土壤TS、SAR和pH互为显著或极显著正相关关系，说明在土壤盐碱化发生的过程中，土壤化学性质是相互影响的；土壤LOC与MBC呈极显著正相关关系；土壤SOC与SAR和pH呈显著或极显著负相关关系，土壤LOC和MBC分别与TS和SAR呈极显著负相关关系，CMPI与土壤TS、SAR和pH呈显著或极显著负相关关系，说明SOC及其各组分含量的增加和CMPI的提升有利于土壤盐碱程度的降低。

表6 土壤有机碳各组分、碳库管理指数及土壤化学性质之间的相关系数Table 6 Correlation coefficients（r）between different organic carbon fractions，CPMI and soil chemical properties

2.4 土壤MBC与环境因子的回归分析

基于上述土壤MBC与环境因子的相关性分析，运用多元线性回归法，将不同处理土壤MBC（Y）与TS（X1）、SAR（X2）和LOC（X3）进行回归分析，得出回归方程，见表7。多元线性回归方程显示，与土壤MBC相关系数最高的LOC所构建的一元线性方程能解释72.8%的相关数据，土壤LOC与TS建立的二元线性方程较单因子方程能更好地解释土壤MBC的变化（R2=0.765）。在构建方程中加入SAR后，其回归方程解释能力降低，说明TS和LOC是试验土壤MBC的主要影响因子。

3 讨论

3.1 土壤改良剂对土壤化学性质的影响

盐碱土壤的改良通常是通过增加土壤交换体系中的Ca2+浓度来置换黏土表面交换位点上的Na+，从而促进土壤的团聚作用，置换出的Na+随降水和灌溉排出耕层[15]。目前，石膏、磷石膏、腐植酸和堆肥等有机物料作为有效的Ca2+和有机质来源均被用于改良盐碱土壤[16]。本试验也发现，施用含钙和有机物改良剂的各处理均提高了土壤中Ca2+浓度，降低了土壤中Na+浓度。这是由于改良剂提供的Ca2+进入土壤溶液并与交换性Na+发生置换反应，因此土壤中Ca2+浓度上升而Na+浓度下降[17]。两种改良剂配施提供了更多的Ca2+，所以M+G处理土壤Na+浓度最低，比CK显著降低了46.19%。Cl-和SO2-4浓度的降低是因为被置换出的Na+与Cl-和SO2-4生成可溶性氯化盐和硫酸盐，随土壤水分滤出耕层土壤[18]。两种土壤改良剂性质的差异会导致不同处理间土壤水溶性离子浓度的差异，有机土壤改良剂中含有较高浓度的Cl-，导致M处理土壤Cl-浓度高于G处理。

表7 土壤微生物量碳（Y）与全盐量（X1）、钠吸附比（X2）、活性有机碳（X3）的多元回归方程Table 7 Regression equations between soil microbial biomass carbon（Y）and total salt content（X1），sodium adsorption ratio（X2），labile organic carbon（X3）

改良盐碱土壤的主要目的之一是降低土壤含盐量，尤其是有害离子即Na+含量。本研究发现施用改良剂土壤TS和SAR均降低，说明改良后土壤的盐度和碱度均下降。土壤TS下降是由于土壤结构改善后（试验土壤＞0.25 mm团聚体质量百分比增加1.47%～1.75%），土壤中Na+和可溶性盐随降水和灌溉排出[19]。TS处理间的差异主要是由于改良剂的性质不同，有机土壤改良剂的电导率高于复合土壤改良剂，所以M处理TS高于G和M+G处理，但处理间差异未达到显著水平。土壤的SAR值过高会导致土壤团聚结构破坏，土壤黏粒分散，导水率降低[20]。已有研究表明，在盐碱土壤上施用脱硫石膏和有机添加物，由于有机物分解产生的大量有机酸促进了Ca2+的释放，进一步取代土壤交换位点上的Na+，因此有效降低了土壤SAR[20-21]。本研究也表明，土壤改良剂施入降低了土壤SAR，且两种土壤改良剂配施处理土壤SAR降低达显著水平。

已有研究表明，盐碱土壤较高的pH主要由CO2-3+HCO-3和交换性Na+导致。施入改良剂为土壤提供了大量Ca2+，土壤中Ca2+一方面可以置换交换性Na+，另一方面可以与CO2-3+HCO-3形成CaCO3沉淀，从而使土壤pH降低[19，22]。Kim等[23]研究表明，相较单施石膏和稻秆堆肥处理，石膏与稻秆堆肥配施对盐碱地pH的降低作用更为显著。而在本研究中，施用两种土壤改良剂均降低了土壤pH，但只有施用复合土壤改良剂处理达到显著水平，这是由两种改良剂性质的差异导致的[24]，复合土壤改良剂pH（5.5）较有机土壤改良剂pH（7.75）更低。

3.2 土壤改良剂对土壤有机碳库的影响

盐碱土不能维持大量的植被覆盖，造成土壤有机质投入减少，土壤有机质含量较低[25]。供试土壤初始有机质含量仅为6.93 g·kg-1，且土壤物理结构较差（＞0.25 mm团聚体质量百分比为3.89%），土壤较为贫瘠。本研究表明，施用两种改良剂均提升了试验土壤SOC、LOC和MBC含量，且两种改良剂配施效果最为显著，这与朱孟龙等[26]在苏打盐碱地施用稻草对土壤碳库各组分的影响结果一致。原因可能有3个：一是施用改良剂直接将大量有机质（M处理0.74 t C·hm-2，G处理1.03 t C·hm-2，M+G处理1.77 t C·hm-2）带入低碳土壤中，使土壤SOC和LOC增加；二是改良剂中Ca2+对土壤的团聚作用使更多改良剂中的有机质和土壤原本的有机质得到团聚结构的物理保护，有利于有机质累积；三是施用改良剂对试验土壤改良后，地上和地下生物量增加，植物根茬和凋落物进一步促进了土壤有机碳含量的提升[25]。同时，由于大量活性有机质的分解给微生物生长活动提供能源，促进了土壤中土著微生物的生长，加上土壤结构的改善和土壤盐碱程度的降低，进一步促进了土壤中微生物量的增加[27]。

土壤CPMI可灵敏地反映农业生产措施对土壤肥力、土壤碳库动态变化的影响[27-28]。本研究以CK0为参考土壤研究 CPMI（CK0的 CPMI为 100），发现施用改良剂处理CPMI均大于100，而CK处理CPMI小于100，说明CK处理单施无机化肥对土壤培肥效果不佳，其原因是施用化学肥料后土壤LOC组分消耗过快，而LOC投入量小于其消耗量导致[29]。而施用土壤改良剂可以增大土壤碳库活度，提高土壤CPMI，这与刘晓等[30]和何翠翠等[31]的研究结果一致。

3.3 土壤有机碳库与土壤化学性质的相关性分析

相关性分析表明，试验土壤LOC、MBC和CPMI均与TS和SAR呈极显著负相关，比SOC与土壤化学性质的相关性强，可以在一定程度上反映土壤的盐碱程度。Huo等[32]和元炳成等[33]在盐碱土壤上研究发现土壤MBC随含盐量或电导率的升高而降低，这是因为盐渍环境中的渗透干燥可导致微生物细胞裂解，从而抑制微生物活性和生长[25]。Deb等[34]研究发现，随着土壤含盐量的升高，SOC中LOC所占百分比下降，且导致MBC降低。而土壤碱化主要破坏土壤物理结构，并增加SOC矿化损失。有研究表明，土壤中有机质与Ca2+通过阳离子键桥与黏土矿物形成有机无机复合体，而有机质与Na+结合则会使黏土分散[35]。施用改良剂后，土壤SAR降低，Ca2+浓度增加，土壤中有机无机复合体的形成促进了土壤团聚作用。土壤团聚体可以在物理结构上保护有机质，从而增加盐碱土壤碳固存。因此，施用改良剂后土壤盐碱程度的降低促进了土壤有机碳库各组分的累积。另外，研究表明土壤MBC与LOC呈极显著正相关关系，说明土壤LOC为微生物生长繁殖提供了有效碳源[27]。Wong等[36]认为在盐碱土壤中的微生物经过长期的适应环境后，存在休眠的耐盐碱微生物种群。在添加有机物料后，由于可利用碳源的增加，微生物大量繁殖。