脱硫石膏与有机物料配施对河套灌区土壤改良及向日葵生长的影响

2020-09-05高惠敏王相平屈忠义杨劲松姚荣江

灌溉排水学报 2020年8期

高惠敏，王相平，屈忠义，杨劲松，姚荣江

（1.内蒙古农业大学土木与水利工程学院，呼和浩特 010018； 2.中国科学院南京土壤研究所/土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 210008）

0 引言

【研究意义】土壤盐碱化已成为全球性资源和生态问题[1]。目前，全球盐碱化土地面积约为9.54亿hm2，我国盐碱化和次生盐碱化土地的总面积约为0.35 亿hm2，占全球盐碱地总面积的4%左右[2]。内蒙古河套地区位于我国干旱、半干旱地区，属于典型的大陆性气候区，是全国三大灌区之一[3]，盐碱地占土地总面积近69%[4]，是典型的盐碱地区域。由于河套灌区降雨量少，蒸发量大，蒸发量是降水量的14～16 倍，土地平缓，地下径流排泄不畅，地下水埋深较浅，且矿化度较高，以至于土壤中积蓄大量的盐分离子[5]，再加上不合理的灌溉导致盐碱地面积不断扩大，严重制约着该地区农业的发展[6]。

【研究进展】根据盐碱化土壤改良措施的性质，可分为化学、物理、生物和综合4 个方面[7]。由于物理、生物、综合措施投入代价大、周期长，在生产实践中，应用化学改良剂是近年来研究和应用较快的主要修复措施之一[8]。化学改良剂其作用原理是利用酸碱中和原理中和土壤中的碱[9]。常用的化学改良材料包括含钙类物质、硫酸及硫酸盐和风化煤等有机盐[10]。脱硫石膏的主要成分为CaSO4和CaSO3的混合物，性质与天然石膏相类似，并含有丰富植物必需或有益的矿质营养元素如S、Ca、Si 等，因而在土壤改良上有广泛的前景[11]。利用脱硫石膏改良碱土是我国改良碱土的重要措施之一。罗小东等[12]研究表明，脱硫石膏施量为土壤钠离子量的200%时，棉花的茎粗、产量和经济效益增加的最多。作为另一类在农业生产中被公认为极佳的土壤改良物料[8]，有机物料的施加可以提高土壤肥力，显著增加土壤有机质和土壤速效养分量[13]，同时降低硝态氮、全磷和钾离子等的径流损失，起到保肥的作用[14]。王长军等[15]研究了生物有机肥、腐殖酸对水稻产量与土壤化学性质的影响，结果表明：优化施肥+生物有机肥、优化施肥+腐殖酸处理下，水稻产量、生物产量较优化施肥处理和不施肥处理显著提高。王敏等[16]研究表明腐殖酸表面活性剂可显著强化脱硫石膏改良油污盐碱土壤。【切入点】前人对上述单一物料的改良效果与原理进行了深入研究，但对不同物料组合使用的综合改良效果研究较少。【拟解决的关键问题】本文在前人研究的基础上，研究石膏与腐殖酸、石膏和黄腐酸不同配施对干旱盐碱区土壤含盐量、pH 值和向日葵生长的影响，以期为该地区盐碱土治理改良提供一定的科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市杭锦后旗三道桥镇澄泥村改盐增粮试验基地，属于温带大陆性气候，年均降雨量138.2 mm，蒸发量2 094.4 mm，昼夜平均温差8.2 ℃，年平均无霜期135 d 左右，平均风速2～3 m/s，灌溉依赖黄河水，黄河水平均矿化度为0.598 g/L，属淡水。灌区采用一年一熟制，种植作物以向日葵、玉米和春小麦为主。试验区每年在向日葵播种前和收获后进行大水漫灌压盐，受灌水影响地下水埋深波动较大。地下水位在试验期间介于1.0～1.5 m，全年地下水埋深1.0～3.0 m，5 月初和10 月初地下水埋深最深，5 月中下旬和10 月下旬灌水后最浅。地下水矿化度平均为3.25 g/L，属微咸水，地下水盐分的化学组成主要为氯化物、重碳酸盐以及硫酸盐等。试验小区旁边设有1.5 m 深的排水沟，进行排水排盐。试验地0～20 cm 耕作层土壤的基本性质见表1。土壤含盐量均值为6.99 g/kg，pH 均值为8.10，全氮量和有机质量均值分别为0.83、18.03 g/kg，土壤体积质量均值为1.52 g/cm3。表层土壤（0～20 cm）质地为粉砂壤土，深层土壤多为黏壤土。

表1 土壤的基本性质 Table 1 Basic soil properties

1.2 供试材料选择

试验采用3 种土壤改良剂：①腐植酸（宁夏天鑫源生物化工有限公司研制）；②黄腐酸（宁夏天鑫源生物化工有限公司研制）；③脱硫石膏。

表2 供试材料的基本性质 Table 2 Basic properties of the tested materials

1.3 试验设计

供试作物为食葵，品种为“361”。试验设计4个处理，每个处理3 个重复，小区采用随机区组排列，每个小区面积为33.6 m2（8 m× 4.2 m），向日葵播种是人工点播，行距60 cm，株距50 cm，种植密度为33 000 株/hm2。试验地春灌(播前灌溉)、秋浇灌水量为当地灌水量（约3 000 m3/hm2），整个生育期不进行灌水。底肥选用磷酸二铵，施用量为375 kg/hm2，追肥选用尿素，施用量为340 kg/hm2，其中现蕾期施用240 kg/hm2，开花期施用100 kg/hm2，常规种植处理的（CK）施肥量与改良剂处理的施肥量相同。4 月中下旬进行铺膜，每小区铺4 膜，5 月下旬播种，9月下旬收获。改良剂推荐用量施用见表3。

表3 试验处理方案 Table 3 The scheme of experimental treatments

1.4 测定项目与方法

1）土壤电导率和pH 值测定：试验于2018 年4月份开始，分别在种植前（4 月中下旬）和收获后（10月上旬）采集耕层0～20、20～40 cm 土样。其中电导率采用电导仪测定（土水比为1:5），pH 采用pH 计测定（土水比为1∶5）[17]。CO32-、HCO3-离子量采用双指示剂中和滴定法测定。

盐分和电导率转换关系[18]：

盐分相对降低率计算方法如式（2）：

2）向日葵株高和茎粗测定：在向日葵生育期，每个小区选定3 株向日葵，定期采用米尺和游标卡尺分别测定其株高、茎粗和叶面积。

3）作物产量的测定：在每个试验小区随机选3行，每行连续取5 株，单独收获称质量，根据如下公式计算向日葵产量。

1.5 数据统计

采用Excel 和SPSS 20 统计软件对数据进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对土壤含盐量的影响

盐分降低值为种植前与收获后土壤耕层盐分变化值。表4 是作物种植前和收获后不同改良剂处理土壤耕层含盐量。从表4 可以看出，在0～20 cm 土层，除SF 处理和SH 处理外，其余处理较初始值盐分升高。不同处理盐分降低值由高到低排序为：SF处理>SH 处理>F 处理>S 处理>CK>H 处理，相较于CK，SF、SH 处理小区作物收获后土壤盐分降低明显，其中SF 处理盐分降低值最大，为2.79 g/kg，其次是SH 处理。在20～40 cm 土层，所有处理较初始值盐分出现升高现象，除CK 外，SF、S、SH、F 和H处理20～40 cm 土层的盐分降低值均高于0～20 cm，说明改良剂的施加一方面加速了表层土壤盐分的淋洗，另一方面也阻控了盐分的上行，以致亚表层土壤含盐量高于表层土壤含盐量，不同处理盐分降低值由高到低排序为：SF 处理>CK>SH 处理>F 处理>S 处理>H处理，SF 处理盐分降低最多。由于不可能选择含盐量完全一致的地块，即使在同一小区内不同地点含盐量也有一定的差异。因此，用土壤含盐量相对降低量来衡量更具有可比性[19]。在0～20 cm 土层，盐分相对降低率从大到小为：SF 处理>SH 处理>F 处理>S 处理>H处理>CK，SF、SH、F、S、H 处理的盐分相对降低率分别与CK 相比降低94.30%，84.83%、51.12%、40.08%、2.49%，其中SF 处理降盐效果最好。在20～40 cm 土层，盐分相对降低率从大到小为：SF 处理>CK>SH 处理>S 处理>F 处理>H 处理，SF 处理盐分相对降低率与CK 相比，降低65.11%，其余处理降低不明显。从0～40 cm 土壤平均盐分量来看，各个处理的盐分相对降低率从大到小为：SF 处理>SH 处理>F处理>S 处理>CK>H 处理，SF、SH、F、S 处理盐分相对降低率较CK 降低82.42%、48.01%、13.65%、9.03%。在0～40 cm 土壤中，SF 处理降盐效果最好。

表4 不同改良剂处理土壤含盐量 Table 4 The soil salt content of different amendments

表5 不同改良剂处理土壤pH 值 Table 5 Soil pH values of different amendments

2.2 不同改良剂对土壤pH 值的影响

pH 值降低值为种植前与收获后土壤耕层pH 值变化值。表5 是种植前和收获后的耕层土壤pH 值的变化，从表5 可以看出，在0～20 cm 土层中，各个处理pH 值降低效果排序为：H 处理>S 处理>SF 处理>CK>SH 处理>F 处理，H、S、SF 处理pH 降低值分别较CK 降低0.375、0.12 和0.055，其中H 处理pH 值降低效果最好，是因为黄腐酸改良剂与土壤中的各组分发生多种物理、化学作用，从而改善土壤的物理性能，影响并改变土壤的碱性[20]，其次是S 处理，SH 处理和F 处理降低pH 值效果不明显。在20～40 cm土层中，各个处理pH 值降低效果排序为：H 处理>SH处理>S 处理>F 处理>SF 处理>CK，各处理pH 值降低值分别较CK 降低0.735、0.442、0.205、0.38、0.02，H 处理降低pH 值效果最好，其次是SH 处理。从0～40 cm 土层看，H 处理在降低土壤pH 值效果最好，其次为S 处理，与初始值相比分别降低0.265 和0.23。

2.3 不同改良剂对向日葵生长的影响

图1 为不同处理向日葵株高。从6 月16 日测定结果来看，株高从大到小排列为：SF 处理>CK>SH处理>F 处理>S 处理>H 处理，SF 处理株高最高，为13.56 cm，除SF 处理外，其余处理之间差异不显著；从6 月26 日测定结果来看，株高从大到小排列为：SF 处理>S 处理>F 处理>CK>H 处理>SH 处理，SF 处理株高最高，其次为S 处理，SF、S 处理较CK 株高分别增加14.5%和4.3%，除SF 处理外，其余处理差异性不显著（p<0.05）；从7 月28 日和8 月20 日测定结果来看，各处理向日葵株高变化趋势与6 月26日测定结果变化趋势基本一致，均是SF 处理株高最高，与CK 相比2 次测定结果株高分别增加11.6%、11.9%，从2 次测定结果看，SF 处理与其他处理差异性显著，CK、SH、F、H 处理差异性不显著。4 次测定结果均以SF 处理向日葵株高最高。

图1 不同改良剂处理向日葵株高 Fig.1 The sunflower plant height of different amendments

图2 为不同处理向日葵茎粗。从6 月16 日测定结果看，茎粗从大到小排列为：SF 处理>CK>S 处理>SH 处理>H 处理>F 处理，SF 处理茎粗最大，除SF 处理外，其余处理差异性不显著；从6 月26 日测定结果看，茎粗从大到小排列为：SF 处理>S 处理>F处理>H 处理>CK>SH 处理，SF 处理茎粗最大，其次为S 处理，SF、S、F、H 处理差异性不显著；从7月28 日测定结果看，SF、S、H、F、SH 处理茎粗均比CK 大，其中F 处理茎粗最大，其次是SF 处理，除CK 外，其余处理之间差异性不显著；从8 月20日测定结果看，F 处理茎粗最大，其次为SF 处理，SH 处理和S 处理较CK 效果不明显，SF 处理和F 处理之间差异性不显著。在6 月26 日之前2 次测定结果均以SF 处理向日葵茎粗最大，较CK 茎粗分别增加9.84%、14.73%；在7 月28 日之后，F 处理向日葵茎粗最大，较CK 茎粗分别增加10.69%、9.74%，与SF 处理之间无显著性差别。

图2 不同改良剂处理向日葵茎粗 Fig.2 The stem diameter of sunflower of different amendments

图3 为不同处理向日葵叶面积。从6 月16 日、26 日测定结果看，SF 处理叶面积最大，分别较CK增加15.65%、15.62%，SF 处理与CK 之间差异性不显著；从7 月28 日测定结果看，S 处理叶面积最大，其次是SF 处理，S 处理和SF 处理差异性不显著；从8 月20 日测定结果来看，F 处理叶面积最大，其次是SF 处理。从4 次测定结果看，除SH、H、F 处理外，施用改良剂处理的小区向日葵叶面积均大于CK，SF、F、S 处理增加叶面积效果最好。

图3 不同改良剂处理向日葵叶面积 Fig.3 The sunflower leaf area of different amendments

图4 为各试验处理产量。从图4 可以看出，施用改良剂后，向日葵产量都显著高于CK。不同改良剂处理向日葵产量由高到低为：SF 处理>F 处理>S 处理>H 处理>SH 处理>CK，其中施用SF 处理增产效果最明显，产量为4.29 t/hm2，其次是F 处理，产量为4.16 t/hm2，SF 处理和F 处理之间差异性不显著（p<0.05）。SF、F、S、H、SH 处理向日葵产量分别较CK 增加51.63%、47.00%、33.95%、27.91%和22.79%。

图4 向日葵产量 Fig.4 Yield of sunflower

3 讨论

3.1 改良剂对河套灌区盐分和pH 值的影响

从收获后土壤耕层盐分比较得知，各改良剂处理下土壤盐分相对降低率与CK 相比均升高，说明所选取的改良剂能够有效地改良河套灌区盐碱地。其中SF处理降低盐分效果最好，比单施S 处理效果好，是因为一方面腐殖酸和石膏配施可加大石膏的溶解量，进而提升Na+置换能力，强化石膏改良盐碱土效果，另一方面腐殖酸和脱硫石膏配施更好改善土壤理化性质，有利于土壤盐分淋洗[21-22]。以往研究表明，腐殖酸和石膏配施较单施处理在降低盐分方面效果显著[21-23]，本试验与其研究结果相一致。在0～20 cm 土层中，单施H 处理和S 处理较SF、SH 处理降低pH 效果好，而单施F 处理却不如SF、SH 处理降低pH 效果好；在20～40 cm 土层中，F、H、SH 和S 处理与初始土壤相比pH 降低，SF 处理较初始值pH 出现升高。除SF 处理外，F、H、SH 和S 处理0～20 cm 土层pH值降低值小于20～40 cm 土层，且0～20 cm 土壤中HCO3-离子（试验基地碱性离子以HCO3-为主，CO32-量极少，可忽略CO32-量）前后差值小于20～40 cm（表6），说明施入SH 处理和S 处理土壤中CO32-、HCO3-出现表聚现象，而SF 处理阻控了CO32-、HCO3-离子的上行。SF 处理在降低pH 值方面效果不如单施S 处理、F 处理，这与周阳等[24]和王丹等[25]研究的施加脱硫石膏和腐殖酸处理在降低土壤pH 值方面优于单施处理的结果不一致。

表6 不同改良剂处理对土壤HCO3-离子的影响 Table 6 Effects of different amendments on HCO3- ions of soil

3.2 改良剂对向日葵生长的影响

研究表明，腐殖酸改良剂具有吸附和代换作用，提高土壤中保氮、解磷、活钾及微量元素的有效性等功效，为作物增产提供更多的养分来源[26-27]，石膏改良剂中Ca2+置换出土壤胶体中危害更大的Na+，有利于土壤盐分淋洗，二者配施更能提升土壤的脱盐率，有利于提高土壤养分利用效率。无论是单独施用脱硫石膏改良剂还是脱硫石膏和腐殖酸、脱硫石膏和黄腐酸改良剂二者配施的施用，均降低了土壤盐分量，进而促进了向日葵株高、茎粗和叶面积的生长，提高了产量。以产量为例，产量与种植前和收获后盐分平均值呈中度的线性负相关关系（r=-0.429，n=12），即产量随着盐分的减少而增加。本研究表明，增产效果最好的是SF 处理，显著提高向日葵产量，较对照组增产51.63%。这与周阳等[24]研究一致。孙在金等[28]通过盆栽和田间试验证明，施用脱硫石膏和腐殖酸能够显著改善土壤理化性能，调节土壤中的离子平衡，减少单盐毒害，缓减生理干旱，对植物生长起到促进作用。张伶波等[8]在山东乐陵地区进行试验得出，脱硫石膏与腐殖酸1∶1 组合（腐殖酸施用量为 225 kg/hm2，脱硫石膏施用量为 225 kg/hm2）可以使土壤活性钠离子降低，速效钾含量显著提高，实现玉米增产40%。