腐解秸秆和脱硫石膏添加对苏打盐渍土淋洗脱盐效率的影响

廖 栩，杨 帆，王志春，管清杰，何明良，安丰华，杨洪涛,5，赵丹丹,5，朱文东,5

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所， 吉林 长春130102；2.航天凯天环保科技股份有限公司，湖南 长沙 410000；3.东北林业大学，黑龙江 哈尔滨150040；4.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，黑龙江 哈尔滨 150081；5.中国科学院大学，北京 100049)

0 引 言

东北松嫩平原是苏打盐渍土集中分布区之一，受盐渍化影响的土地面积超过373万hm2[1-2]。苏打盐渍土是一种高度退化和低产的土壤，土壤胶体吸附的大量Na+，致使土壤pH增加，碱化度升高，土壤团聚体崩解，黏粒分散阻塞孔隙[3-5]，土壤导水能力降低，造成土壤脱盐困难，影响作物生长发育[6-7]。

成功改良盐渍土需要两个过程：(1)提供高价阳离子以替换土壤交换位置的Na+，促进土壤黏粒絮凝；(2)通过淋洗将盐分从土壤中排出[8]。脱硫石膏被认为是土壤中Ca2+的重要来源，能增加土壤溶液电解质浓度，减少交换性Na+含量，从而改善土壤物理性质[9]。另一方面，添加有机物料也是一种修复盐渍土的方法，它们能促进苏打盐渍土团聚体的形成和盐分淋洗[10-11]。而淋洗是改良盐渍土另一个重要过程，通过溶解土壤中可溶性盐，从土壤中将盐分除去[12]，从而改良盐渍土。崔媛等人研究表明，脱硫石膏可以有效提高苏打盐化土的导水能力[13]。而秸秆还田可以改善土壤养分的供应，降低土壤容重、改善土壤的孔隙状况[14-15]。采用脱硫石膏改良苏打盐渍土虽然改善土壤导水性，但缺少作物所需营养物质；而秸秆这种有机质难以分解，改良过程漫长，而将两种改良物质结合改良苏打盐渍土的应用研究还鲜有报道。以往盐碱地改良研究多集中于改良物质添加后对土壤盐碱的影响，对改良后土壤导水性的研究较少[16]，而且较少考虑水分淋洗过程中盐分脱离根层的过程变化以及淋洗过程中土壤溶液离子的量化研究。本文针对松嫩平原苏打盐渍土，通过脱硫石膏和腐解秸秆改良苏打盐渍土的方法与淋洗方式相结合，利用室内土柱模拟试验，研究改良物质添加对土壤导水性的影响以及淋洗脱盐过程变化，为苏打盐渍土改良利用提供基础理论。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自吉林省白城市(N44°13′57″～46°18′，E121°38″～121°22′)，该区域属于半湿润、半干旱温带大陆性季风气候。年平均温度为5.1 ℃，年均降水量介于300～500 mm，降雨主要集中在5-9月份。该地区年均蒸发量约为1 500～1 900 mm，蒸发量远大于降雨量[17-18]。取土深度为0～50 cm，供试土壤为苏打盐渍土，理化性质见表1。脱硫石膏取自吉林省白城市热电厂，其理化性质列于表2，本试验脱硫石膏重金属含量远低于国标农用污泥控制标准(GB 4284-2018)。腐解秸秆为玉米腐解秸秆，取自吉林公主岭，自然堆垛腐熟2年，腐解率48%，水分21%，有机质15%，腐殖酸9%。

表1 供试土壤的基本性质Table 1 Basic soil properties in the experiment

表2 脱硫石膏主要成分和重金属含量Table 2 Main desulfurized gypsum components in the experiment

1.2 试验设计

1.2.1 实验装置。土柱使用有机玻璃材质制成，土柱直径为5 cm，高为25 cm。距离顶部2.5 cm处设有进水口，为试验淋洗液的入口；土柱底部设有进出水口(图1)，进水口为使土壤饱和所需的水分入口，出水口为土壤淋出液的水分出口。

1.2.2 试验设计。试验在中国科学院东北地理与农业生态研究所(长春)温室中进行。风干的土样、腐解秸秆和脱硫石膏均粉碎，过2 mm筛分别混合均匀。土柱内先放置于内径一致的渗滤孔板，上面加2 cm厚石英砂作为反滤层，土壤填装高度为15 cm，容重为1.3 g·cm-3，各处理管理措施一致。淋洗试验共设置4个处理，对照(CK)：无改良处理；腐解秸秆改良(CS)：土壤参混量32 g·kg-1；脱硫石膏改良(G)：土壤参混量16 g·kg-1；腐解秸秆和脱硫石膏混合改良(CSG)：土壤参混量32 g·kg-1腐解秸秆和16 g·kg-1脱硫石膏。每处理重复3次，按照试验处理将各改良剂与供试土壤混合均匀，试验进行了80 d。淋洗液为温室中自来水，其化学性质见表3。

表3 淋洗液的化学组成Table 3 The chemical compositions of leachate solution

将马氏瓶与土柱底端相连接，先从底部进行润湿。待饱和后，将马氏瓶与上端进水口相连，保持土壤上方3.5 cm恒定水头对土柱进行淋洗，淋洗体积为5倍土壤孔径体积(PV)[19]，土柱下端放置烧杯收集淋出液，分析盐碱指标，记录每1PV(150 ml)所需时间。淋洗完成后，收集土样进行测试。饱和导水率的计算使用Darcy′s等式：

式中：KS是饱和导水率(cm·s-1)；Q是流出液的流量(ml)；A是渗透的横截面积(cm2)；t是渗透时间(s)；L是土柱长度(cm)；H是恒定水头高度(cm)。

1.3 测定指标与方法

1.4 数据处理

利用DPS 7.05对数据进行分析，采用单因素试验统计分析方法对各个试验处理进行差异显著性检验，Origin 8.5绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同改良处理对土壤物理性质的影响

各处理湿润峰均表现为前期快速后期缓慢的上升的趋势(图2A)。统计分析表明，其速率大小顺序为：G > CSG > CS > CK，其平均入渗速率分别为：15 cm·h-1、9 cm·h-1、0.312 cm·h-1和0.288 cm·h-1。脱硫石膏单独使用(G)以及与腐解秸秆复合(CSG)使用的入渗速度较快，分别是对照组的52.0倍和31.2倍。与对照相比，腐解秸秆能促进土壤水分入渗，但其效果不明显，仅提高了8.3%。

不同处理对土壤饱和导水率(Ks)的影响差异显著(图2B，2C)。腐解秸秆处理(CS)在淋洗过程中饱和导水率随着淋洗液体积的增加呈现先下降后上升的趋势，其他改良处理土壤Ks随着淋洗液体积的增加呈增加趋势。统计结果表明，各种处理在淋洗期间的Ks大小顺序为：G >CSG >CK >CS，其Ks值分别为11.6、7.46、0.11和0.10 cm·h-1。脱硫石膏单独(G)和复合使用(CSG)的Ks分别是对照组的99倍和63.5倍。

不同处理对土壤含水率的影响较大(图2D)。CK、CS、G以及CSG土壤含水率分别为36.7%、41.6%、31.7%和35.0%。脱硫石膏处理(G)和复合处理(CSG)土壤含水率显著低于腐解秸秆处理(CS)(P<0.05)。

2.2 不同处理淋出液化学性质动态变化

淋洗过程中各处理的淋出液EC的曲线见图3A。所有处理淋出液EC均在2PV时达到高点，各改良处理淋出液EC均高于对照组，CSG处理组的淋出液EC最高，随后依次是G、CS和CK。随着淋洗体积的增加，淋出液EC值逐渐减小。

随着淋洗体积的变化，对照组和腐解秸秆处理(CS)淋出液pH值均先上升后下降，其峰值分别为9.29和9.33(图3B)。而脱硫石膏处理(G)和复合处理(CSG)淋出液pH先上升，随后逐渐稳定，数值在介于8.2 ～ 8.5。脱硫石膏处理(G)和复合处理(CSG)淋出液pH在5个PV体积均低于腐解秸秆处理(CS)和对照组(CK)。各处理淋出液总碱度的变化趋势与其淋出液pH一致。

复合处理(CSG)淋出液累计钙镁离子总量显著高于其他处理(P<0.05，图3D)。腐解秸秆(CS)、脱硫石膏(G)和复合使用处理(CSG)累计钙镁离子总量分别是对照处理(CK)的12.4倍、27.6倍以及34倍。

各改良处理淋出液累积钠离子量均高于对照组(图3E)。与腐解秸秆单独处理(CS)相比，在腐解秸秆中添加脱硫石膏能增加淋出液Na+累积量，而复合处理相比单独使用脱硫石膏淋出液钠离子累积量要低12.7%。脱硫石膏处理(G)、复合处理(CSG)和腐解秸秆处理(CS)淋出液Na+累积量相比对照组(CK)分别高27.4%、13.1%和8.7%。并且，脱硫石膏处理(G)和复合处理(CSG)钠离子淋出时间显著减少(P<0.05)(图3F)。与对照组相比，腐解秸秆单独处理的土壤在较长的时间内流失较少的Na+，但在70 d后腐解秸秆处理组Na+流失速率显著上升。

2.3 不同处理对土壤化学性质的影响

淋洗后，各处理的土壤EC均较初始EC显著降低(P<0.05)，平均降低率为76%。而改良处理土壤EC与对照组相比差异不显著(图4)。

淋洗前后不同处理土壤可溶性Na+含量和钙镁离子含量差异显著(表4)。淋洗后，各处理土壤可溶性Na+较初始含量均显著下降(P<0.05)，CK、CS、G和CSG分别下降70.7%、88.4%、73.8%和73.1%。各改良处理土壤可溶性Na+均显著低于对照组(P<0.05)，含有石膏的两个处理之间没有差异，腐解秸秆处理土壤可溶性Na+含量最低。各个改良处理土壤中钙镁离子含量较初始值均有显著增加，CS、G和CSG分别增加110%、118%和141%，而对照组较初始值下降23%。

表4 不同处理土壤可溶性Ca2+、Mg2+和Na+含量变化 Table 4 Changes of soil soluble Ca2+,Mg2+ and Na+ with different treatments before and after leaching

改良前，土壤初始SAR值为5.24。淋洗后各处理SAR均显著减少(P<0.05)，并且所有改良处理土壤SAR均显著低于对照组(P<0.05)。含有脱硫石膏的处理之间差异不显著。不同处理对SAR的降低率不同，范围为从66%到92%，依次为腐解秸秆(CS)>腐解秸秆+脱硫石膏(CGS)>脱硫石膏(G)>对照(CK)(图5)。

3 讨 论

不同改良措施可改善盐渍土理化性质，进而影响土壤水力学特性。本研究发现，所有改良处理均能提高盐渍土入渗速率，而腐解秸秆处理土壤渗速率提高较少，仅提高8.3%，这与王珍等人[20]的研究结果一致。这可能是由于粉碎的秸秆含水量低，在饱和过程中吸水，从而改善了土壤入渗。另外，本研究中发现对照组饱和导水率(Ks)在淋洗过程中上升，这是因为盐渍土中交换性Na+被淋洗出来所导致。而腐解秸秆处理在淋洗过程中，导水率先下降，在70 d后上升，这可能是腐解秸秆颗粒吸水体积变大，堵塞孔隙导致导水率下降；随着淋洗时间的增加，腐解秸秆被降解成腐殖酸，微生物活性提高，促进团聚体的形成[21]，导水率随之上升。脱硫石膏处理为土壤溶液提供了Ca2+，能够代换出土壤胶体中吸附的钠离子，促进土壤粘粒絮凝，因此增加了土壤饱和导水率[22-23]。

根据淋出液的化学性质结果，本研究发现各改良处理淋出液EC均在2PV时到达最高点，这是由于土柱最初是从底部饱和，可溶性盐随着湿润锋向土柱上部移动。因此，该土柱内盐渍土在其剖面上的盐分浓度分布不均匀，随着淋洗的发生，盐分随水向土柱下部移动。则在1PV时淋出液盐分浓度较低，随后由于累积的盐分从剖面顶部向下移动而增加了淋出液的浓度。随着淋洗体积的增加，EC继续降低，直到淋溶的EC与土壤溶液达到平衡为止[19]。该研究结果与Jalali等[21]与Chaganti[19]的研究一致，其发现施加有机改良于退化土壤中，在淋洗初期，淋出液EC增加。本研究中复合处理和腐解秸秆处理钠离子淋出量相比对照组分别高19.0%和8.5%。这是因为脱硫石膏中Ca2+提高了代换出盐渍土中交换性Na+的交换速率[20]，从而使土壤在脱硫石膏和腐解秸秆的共同作用下，向溶液中释放出更多的Na+。在其他研究中，用各种改良剂处理盐碱土时也观察到类似的钠淋洗结果[20,24-27]。

本研究中各处理土壤EC均减小，这是淋洗除盐的结果。但各个改良处理土壤EC均高于对照，这些结果与Chaganti[19]研究指出淋洗后加入脱硫石膏等改良剂的土壤EC低于无处理结果相反。这可能因为淋洗时间较短，脱硫石膏溶解所产生的钙离子没有完全被淋洗出来。另一方面，有机质长时间腐解，产生腐殖酸等，这对土壤矿物质有一定的溶解能力，促进矿质风化，有利于二价阳离子的释放。本研究中发现淋洗后各改良处理均显著降低盐渍土SAR，这与Chaganti[19]和Shaaban等[28]的研究结果一致，其发现经脱硫石膏和有机改良剂改良的土壤在淋洗后，SAR显著减少。这可能是腐解秸秆经长时间淋洗，降解成腐殖酸，腐殖酸中含有多种官能团，这些官能团具有生物与化学活性，赋予腐殖酸很强的离子交换能力，使其在苏打盐渍土的改良过程中，能够吸附部分游离的钠离子[21]。

4 结 论

(1)脱硫石膏和腐解秸秆添加改善盐碱地土壤物理性质得到改善。改良处理能提高土壤入渗速率；含脱硫石膏处理显著提高土壤饱和导水率(Ks)，而在短时间内，腐解秸秆处理不能改善土壤导水性，在70 d后才提高土壤导水率；腐解秸秆处理土壤含水率最高，材料保水性好。

(2)脱硫石膏和腐解秸秆改良后盐碱地土壤的淋出液化学性质显著不同。各改良处理淋出液中钙镁离子较对照含量高，表明改良材料对土壤溶液能提供大量的二价阳离子；脱硫石膏和复合施用较对照能淋洗出更多钠离子。

(3)脱硫石膏和腐解秸秆改良降低盐碱地土壤盐碱指标。淋洗后，脱硫石膏和复合处理可溶性钠离子较对照显著降低，各改良处理土壤可溶性钙镁离子较对照组显著增加；各个改良处理的土壤SAR也较对照显著降低。