含碳物料对晋北苏打盐化土理化性质的影响

郭军玲，金 辉，王永亮，郭彩霞，杨治平

(1.山西省农业科学院 农业环境与资源研究所，山西 太原 030031；2.土壤环境与养分资源山西省重点实验室，山西 太原 030031；3.山西省农业科学院 农业资源与经济研究所，山西 太原 030006)

统计显示，全世界盐碱地面积约9.55亿hm2。我国是盐渍化危害严重的国家之一，全国盐渍化土面积约9 913万hm2，占全国可利用土地面积的4.88%，其主要分布在华北、东北、西北内陆地区和长江以北沿海地区[1-2]。山西省地处黄土高原半干旱区，是我国内陆盐碱地的主要分布区域，省内盐碱地面积为27.36万hm2，其中，大同盆地面积最大，约20万hm2，且主要类型为苏打盐化土。盐碱地分布区域土壤理化性状恶劣，其已经成为制约农业生产和经济发展的突出问题[3-4]。作为重要的后备土地资源，在人口、粮食、环境和资源压力不断增大的情况下，改良和利用盐碱土地，对提高农业综合生产能力，促进当地农业可持续发展具有重要意义[5-6]。

施用改良剂是盐碱地改良的重要措施。关于盐碱地改良剂已有大量研究[7-10]。有机肥、风化煤、秸秆、牧草等含碳改良剂因在提升土壤肥力、培育土壤方面具有优势，成为盐碱地改良研究的重要方向[11-12]。已有研究表明，有机肥能改善土壤物理性状，降低土壤pH值，而且能提高盐碱地的脱盐、抑盐能力，提高土壤有机质和养分含量[13-14]。作为盐碱地改良剂，风化煤、泥炭含有腐植酸和含氧活性功能团，离子交换能力和吸附能力较强。研究表明，风化煤、泥炭施入盐碱地后表层土壤pH值下降、碱化度降低，土壤有机质增加[15-16]。农作物秸秆也是重要的改良资源[17-20]。秦都林等[19]研究表明，棉花秸秆还田能显著降低表层土壤容重，提高土壤养分含量。何瑞成等[11,20]利用玉米秸秆、牧草和羊粪改良盐碱地发现，不同物料均提高了土壤水稳定性团聚体的稳定性，对土壤结构具有改善作用，且不同物料均提高了微生物数量、土壤呼吸强度、土壤酶活性，促进作物增产。然而，等碳量施入有机物料的改良效果研究尚不多见。

本研究基于前期研究工作，结合山西省风化煤储量多、玉米秸秆资源量大的特点，以晋北大同盆地典型苏打盐化土为研究对象，通过田间定位试验，研究等碳量施入风化煤、生物炭、牛粪和秸秆后对土壤物理性质、盐碱特性、土壤养分及作物生长的影响，评价不同含碳物料的改良效果，旨在为内陆苏打盐化土的改良利用提供依据和参考。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

试验设在山西省农业科学院盐碱土改良基地，该基地位于山西省怀仁县毛皂村，地处大同盆地中部，属北温带大陆性气候，四季分明，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。该地区年均气温7.3 ℃，年均降雨量360～400 mm，年均蒸发量1 500 mm，全年平均日照时数约2 850 h，无霜期130～150 d。土壤为典型的苏打盐化土，布置试验前该地块已经连续进行了3 a的改良耕作，即前一年立冬前对土壤进行深松，深松深度25 cm；深松后进行大水浇灌，灌水量1 500～2 250 m3/hm2。试验地土壤基本理化性质如表1所示。

1.2 试验材料

供试春玉米品种为璐玉39。

1.3 试验设计

2016年开始的2 a定位试验，试验设5个处理：CK、风化煤、生物炭、牛粪和秸秆，每个处理4次重复，小区面积70 m2，完全随机排列。其中，CK 为不施用任何改良物料处理；其他小区物料施入量均按照9 000 kg/hm2碳含量折算。风化煤、生物炭、牛粪、秸秆含碳量分别为39.76%，25.15%，16.09%，55.93%，施用量分别为22.50，35.78，55.93，16.09 t/hm2。各物料于2015，2016年立冬前由人工均匀施入土壤，施入土壤后进行深松灌水洗盐，深松深度25 cm，灌水用量2 000 m3/hm2。第2年春天进行施肥播种，肥料为盐碱地玉米专用缓释肥(N-P2O5-K2O为30-12-6)，施用量为900 kg/hm2。春玉米于5月初播种，10月初收获。种植密度为6.75万株/hm2。灌水方式为滴管，田间其他管理保持一致。

表1 供试土壤基本理化性质Tab.1 The physical and chemical properties of test soil

1.4 测定项目及方法

2017年春玉米收获后按照五点取样法采集土壤样品，取样深度60 cm，分0～10，10～20，20～40，40～60 cm共4个土层。采集时除去地表秸秆和枯叶，土钻分层取样后将同一土层样品混合均匀成一个样品，按照四分法留取分析样品。土样自然风干后磨碎过筛，用于分析测试，同时用环刀采集土壤容重样品。采用土壤三项测定仪(DIK-1150)测定土壤容重和孔隙度，采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机质含量，采用土壤酸度计测定土壤pH值(土水比为1∶2.5)，采用火焰光度计法测定水溶性钠离子，采用稀硫酸中和滴定法测定碳酸根离子和碳酸氢根离子，采用半微量凯式定氮法测定全氮含量，采用钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量，采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定土壤速效钾含量。

1.5 数据处理

利用Microsoft Excel 2007对数据进行初步处理，采用Graph 7.0软件作图，采用SPSS 16.0统计分析软件进行单因素方差分析，LSD方法检验处理间差异显著性。

2 结果与分析

2.1 含碳物料对土壤物理性质的影响

从表2可以看出，垂向分布上土壤容重随土层深度增加而增加，土壤孔隙度随土层深度增加而降低，土层之间差异随着土层深度增加而减小。施用含碳物料均不同程度降低了0～10，10～20 cm土层土壤容重，增加了土壤孔隙度，调节了土壤固相、液相和气相的三相比分配，但对20～40，40～60 cm土层无明显影响。施用风化煤、生物炭、牛粪和秸秆后，0～20 cm土壤容重从小到大表现为风化煤<牛粪<秸秆<生物炭牛粪>秸秆>生物炭>CK，与CK相比，施用风化煤、生物炭、牛粪和秸秆后，0～10 cm土层土壤孔隙度分别提高9.07%，1.68%，9.05%，2.83%，10～20 cm土层分别提高11.63%,5.99%,10.67%，5.68%；0～20 cm土层风化煤、牛粪处理显著高于CK，而生物炭和秸秆处理与CK差异不显著。不同含碳物料较好地调节了土壤的三相比，改善了土壤液相率和气相率，增强了土壤通透性和保水蓄水能力，各层次处理间差异均未达到显著水平。

表2 含碳物料对苏打盐化土土壤物理性状的影响Tab.2 Effects of carbonaceous materials on physical properties of soda saline soil

注：表中不同小写字母表示同土层不同处理间差异达到显著水平P<0.05。表3同。

Note：Different small letters in the same soil layer mean significant difference (P<0.05). The same as Tab.3.

2.2 含碳物料对土壤有机质含量的影响

土壤有机质是土壤肥力的物质基础。从图1可以看出，土壤垂直剖面上，各处理土壤有机质含量表现出随土层深度增加而降低的变化趋势；施用等碳量物料后不同处理土壤有机质含量均有不同程度的提高，其中以0～20 cm土层土壤有机质含量增加较为明显。与CK相比，施用风化煤、生物炭、牛粪和秸秆后0～10 cm土层土壤有机质含量分别提高54.78%，30.64%，36.62%，12.10%；10～20 cm土层分别提高37.40%，14.08%，32.95%，22.51%，风化煤、牛粪处理土壤有机含量增幅大于生物炭和秸秆处理，且除生物炭处理外，其他处理与CK的差异均达到显著水平；与表层土壤相比，20～40 cm土层各处理间土壤有机质含量差异较小，与CK相比，施用物料后土壤有机质含量呈增加趋势，以风化煤处理增加最多；改良物料对40～60 cm土层有机质含量无显著影响。分析可知，不同含碳物料对土壤均有一定的培肥作用，风化煤、牛粪对土壤有机质含量的提高优于生物炭和秸秆。

不同小写字母表示同土层不同处理间差异达到显著水平(P<0.05)。图2-4同。Different small letters in the same soil layer mean significant difference(P<0.05). The same as Fig.2-4.

2.3 含碳物料对土壤pH值和全盐量的影响

土壤pH是衡量盐碱地酸碱程度的基本指标。由图2可知，春玉米收获后，土壤pH值随土层深度增加而增加，施用含碳物料有降低土壤pH值的趋势，主要影响表现在0～20 cm表层土壤。与CK相比，施用风化煤、牛粪和秸秆后0～10 cm土层pH值分别较CK降低0.59，0.55，0.27，施用生物炭后土壤pH值和CK相当；施用含碳物料处理10～20 cm土层pH值均有所降低，风化煤、生物炭、牛粪和秸秆分别较CK降低0.53，0.19，0.53，0.37，风化煤、牛粪处理降低土壤pH值高于秸秆和生物炭处理，且与CK的差异达到显著水平；施用含碳物料后20～40 cm土壤 pH值总体呈降低趋势，以牛粪处理降低较多，但处理间的差异较小；含碳物料对40～60 cm土层pH值无显著影响。

图2 含碳物料对土壤pH和全盐量的影响Fig.2 Effects of carbonaceous materials on soil pH and soil total salinity

由图2可知，作物收获后土壤全盐量表现出随着土层深度增加而增加的趋势，且随土壤深度增加土层间差异逐渐加大。不同处理之间，含碳物料对土壤全盐量的影响主要表现在0～20 cm土层，均表现出牛粪<风化煤<秸秆<生物炭

2.4 含碳物料对水溶性钠离子、碳酸根离子及碳酸氢根离子的影响

苏打盐化土含有大量以Na2CO3、NaHCO3为主的碳酸盐，造成土壤碱化严重、pH值较高。土壤中大量可溶性钠离子使土粒高度分散，造成土壤物理性状较差，湿时泥泞、干时板结，透水性差且养分含量低。由图3可知，春玉米收获后，含碳物料对水溶性钠离子、碳酸根离子和碳酸氢根离子的影响表现出相似的变化趋势，各离子的含量均随着土层深度的增加而增加，不同层次的差异随土壤深度的增加而增大。不同含碳物料对水溶性钠离子、碳酸根离子及碳酸氢根离子的调控主要表现在0～20 cm表层土壤，有降低其含量的作用，而对20～60 cm土层含量影响不显著。与CK相比，施用风化煤、生物炭、牛粪和秸秆后0～10 cm土层土壤水溶性钠离子含量分别降低21.05%，13.16%，31.58%，18.42%，且与牛粪处理的差异达到显著水平；10～20 cm土层分别降低7.32%，6.10%，25.61%，4.88%。可见， 0～20 cm土层土壤水溶性钠离子以牛粪处理降低最多，调控效果较好，风化煤其次。施用风化煤、生物炭、牛粪和秸秆后，0～10 cm土层水溶性碳酸根离子含量较CK分别降低26.80%，7.22%，29.90%，13.40%，施用风化煤、牛粪和秸秆后，10～20 cm土层较CK分别降低15.00%，45.56%，14.44%，施用生物炭后略有升高，除牛粪处理外，其他物料未对水溶性碳酸根离子产生显著影响。与CK相比，施用风化煤、生物炭、牛粪和秸秆后0～10 cm土层水溶性碳酸氢根离子含量分别降低20.63%，16.23%，22.93%，6.17%，除牛粪处理外，其他物料处理与CK差异不显著；10～20 cm土层含量分别降低13.32%，3.81%，16.25%，6.00%，处理间差异均不显著，施用含碳物料降低了土壤水溶性碳酸氢根离子，可能是因为与弱酸盐发生化学反应所致。综合分析可知，等碳量不同物料在降低土壤水溶性钠离子、碳酸根离子及碳酸氢根离子上均有促进作用，牛粪、风化煤的降低效果优于秸秆和生物炭。

图3 含碳物料对水溶性钠离子、碳酸根离子及碳酸氢根离子的影响Fig.3 Effects of carbonaceous materials on soil water-soluble sodium ions, carbonate ions and bicarbonate ions

2.5 含碳物料对土壤养分含量的影响

氮磷钾作为植物生长发育必需的营养元素，其含量的高低直接影响作物生长和产量的形成。含碳物料对土壤养分的影响如图4所示，分析可知，施用含碳物料对土壤全氮、有效磷和速效钾养分的影响随着土层深度的增加而减弱，养分含量也随土层深度增加呈降低的趋势。含碳物料对土壤养分的影响主要体现在0～20 cm表层土壤，对20～60 cm土层无显著影响。施用含碳物料后，0～10 cm土层全氮含量均有提高，与CK相比，风化煤、生物炭、牛粪和秸秆处理分别提高6.08%，4.05%， 12.84%，8.11%，以牛粪增幅较大，秸秆和风化煤次之，生物炭较低；施用含碳物料后，10～20 cm土层全氮含量呈现牛粪>风化煤>秸秆>生物炭>CK的变化规律，分别较CK增加17.83%，5.35%，21.71%，13.95%。0～10 cm土层有效磷含量表现出牛粪、风化煤>生物炭、秸秆>CK的变化趋势，施用风化煤、生物炭、牛粪和秸秆分别较CK提高11.36%，3.98%，17.33%，2.27%；施用含碳物料后，10～20 cm土层有效磷含量表现出与0～10 cm相同的变化规律，风化煤、牛粪处理有效磷含量高于生物炭和秸秆处理，较CK显著提高27.51%，24.89%。施用含碳物料后，0～10 cm，10～20 cm土层速效钾含量均有不同程度增加，均表现出秸秆>牛粪>生物炭>风化煤>CK的变化趋势，施用秸秆、牛粪后0～10 cm和10～20 cm分别较CK增加19.75%，14.16%和11.56%，6.17%。方差分析结果显示，全氮、速效钾含量各层次不同处理间差异均不显著；各处理有效磷含量与CK相比，除风化煤和牛粪对10～20 cm土层影响显著外，其他层次不同处理间差异均不显著。综合分析可以看出，含碳物料提高了表层土壤养分含量，牛粪、风化煤对全氮、有效磷含量影响较大，秸秆对速效钾含量影响较大。

图4 含碳物料对土壤全氮、有效磷和速效钾含量的影响Fig.4 Effects of carbonaceous materials on soil total nitrogen, available phosphorus and available potassium content

2.6 含碳物料对春玉米生长和产量的影响

由表3可知，不同含碳物料促进了春玉米的生长发育，提高了春玉米产量。春玉米株高和干物质量表现出相似的变化规律。施用含碳物料后，2016，2017年株高整体呈牛粪>风化煤>秸秆>生物炭>CK的变化趋势，以风化煤、牛粪处理株高较高，2016，2017年较CK分别显著增加16.48%，25.03%和17.74%，13.13%。干物质量呈风化煤>牛粪>生物炭>秸秆>CK变化，2016，2017年风化煤、牛粪处理分别较CK显著增加13.70%，15.83%和13.93%，8.34%。含碳物料提高了作物的株高、干物质量，促进了春玉米增产。施用风化煤、生物炭、牛粪和秸秆后，2016，2017年春玉米产量较CK分别增加31.81%，10.36%，37.72%，14.14%和28.58%，14.22%，22.99%，11.80%。2016年以牛粪处理较高，风化煤次之， 2017年以风化煤处理较高，牛粪次之，均显著高于CK。

表3 含碳物料对春玉米生长和产量的影响Tab.3 Effects of carbonaceous materials on the growth and yield of spring maize

3 结论与讨论

3.1 含碳物料对苏打盐化土物理性质的影响

苏打盐化土含有的大量可溶性钠离子使土粒高度分散，造成土壤物理性状差，湿时泥泞，干时板结，透水性差，且养分含量低。土壤容重和孔隙度直接反映土壤的紧实度和土壤水、气、热状况，是土壤物理性状的重要指标。本研究结果表明，含碳物料改善了土壤物理性质，有效降低了土壤容重、提高了土壤孔隙度。0～20 cm土壤容重呈风化煤<牛粪<秸秆<生物炭

3.2 含碳物料对盐碱地土壤pH值和全盐量的影响

土壤pH值和全盐量是衡量盐碱地酸碱程度的基本指标，土壤pH值直接影响土壤养分的有效性和土壤的理化反应，土壤全盐量直接影响着作物的生长发育。本研究结果显示，含碳物料明显降低了土壤pH值和全盐量，风化煤、牛粪处理降低效果优于生物炭和秸秆处理。施用风化煤、牛粪后，0～20 cm土壤pH值较对照显著降低0.53～0.59个单位，全盐量降低7.35%～14.27%。含碳物料也有效降低了土壤水溶性钠离子、碳酸根离子及碳酸氢根离子含量，均以牛粪、风化煤处理的降低效果较好。这与风化煤和牛粪的性质密切相关，风化煤含有大量腐植酸和多种含氧活性官能团而呈酸性，有机肥具有较多的离子结合位点，通过酸碱中和反应或离子置换反应降低土壤pH值和盐分离子含量。这与王丽娜等[23]研究得出施用有机肥能改善滨海盐土理化性质、降低土壤pH和盐分含量的结论相似。有机肥还可以提高盐碱地的脱盐抑盐能力，通过离子交换降低盐碱地土壤pH值，减少可溶性盐基离子含量[24]。研究还发现，风化煤显著降低了土壤总盐分和主要盐分离子含量，是良好的土壤改良物料[15,25]。秸秆含有大量难分解的纤维素、半纤维素和木质素，生物炭具有较高的pH值和CEC的特性，使得其在改良土壤pH和盐分及盐基离子含量方面效果较差[26]。

3.3 含碳物料对盐碱地土壤有机质和养分含量的影响

土壤有机质是土壤中最活跃的部分，是土壤肥力的基础，不仅可以为作物提供养分，同时可促进土壤团聚体的形成，改善土壤环境。本研究施用含碳物料后土壤有机质含量明显增加，0～20 cm土层土壤有机质含量均以风化煤、牛粪处理较高，较对照显著提高32.95% ～54.78%。另外，含碳物料也提高了表层土壤养分含量，牛粪、风化煤对全氮、有效磷含量影响较大，秸秆对速效钾含量影响较大。杨军等[27]研究表明，牛粪在提高土壤有机质、有效磷和速效钾含量上效果明显。有机质含量的增加，改善了土壤理化性状，提高土壤矿质养分的矿化分解速率，增加了速效养分含量[28]。陈安强等[29]研究发现，牛粪与化肥配施对提高土壤氮的活跃性效果最好。另外，风化煤、牛粪含有的腐植酸可与难溶性磷酸钙发生反应，减少磷的固定，促进土壤磷的活化而易于被农作物吸收[24]。本研究发现，牛粪和秸秆可明显促进土壤速效养分的释放，这与张济世等[9]的研究结果一致，牛粪活化了土壤或者作物残渣中的钾，进而提高了土壤中钾离子含量。

3.4 含碳物料对春玉米产量的影响

施用含碳物料有效改善了土壤物理结构、提高了土壤有机质和养分含量、降低了土壤pH值和盐分含量，有效促进了春玉米生长和产量的增加。本研究结果显示，植物株高、干物质量和产量均呈风化煤、牛粪>秸秆、生物炭>CK的变化趋势。施用风化煤、牛粪后，2016，2017年产量较CK分别显著增加31.81%，37.72%和28.58%，22.99%。综合分析可知，含碳物料对苏打型盐化土的改良具有积极的作用，以风化煤、牛粪效果较优，可作为良好的改良剂加大其在同类盐碱地上的推广应用。