盐碱土施用硅钙渣对披碱草生长的影响及机制

范朕连，贾阳杰，范远，宋慧平，冯政君

（1.山西大学资源与环境工程研究所，国家环境保护煤炭废弃物资源化高效利用技术重点实验室，山西资源循环与生态环境创新基地，山西太原030006；2.山西瑞恩泽科技有限公司，山西 太原030006；3.山西大学黄土高原研究所，山西太原030006）

据第二次全国土壤普查，我国盐碱土约为34666667 hm2［1］。盐碱土包括碱化土壤和盐化土壤［2］，碱化主要由Na2CO3和NaHCO3引起，盐化主要由NaCl 和Na2SO4引起［3］。盐化土壤电导率（electrical conductivity，EC）>4，pH<8.5、碱 化度（exchange sodium percentage，ESP）<15.0；碱 化 土 壤 电导 率（EC）<4，pH>8.5、碱 化度（ESP）>15.0［2］。受到盐胁迫时，植物被迫吸收盐离子并在体内积累，过量盐离子会产生离子毒害作用，破坏活性氧代谢系统的动态平衡并抑制植物吸收部分营养元素；此外，土壤中大量的可溶性盐分会降低土壤渗透势，使植物难以吸收水分而形成渗透胁迫［4］。而碱胁迫不仅包括渗透胁迫和离子毒害，还包括高pH 胁迫［5］。研究表明，碱胁迫的危害远高于盐胁迫［6−7］，其根本原因是碱胁迫在盐胁迫的基础上增加了高pH 胁迫［8］，高pH 对植物的危害比离子毒害和渗透胁迫更强烈［9］。

盐碱地的改良和利用一直是人们关注的热点。利用化学物质进行化学改良是常见的手段之一，其特点是见效快且降低盐碱度效果明显。脱硫石膏改良盐碱地已取得一定成效，其改良机制主要是通过脱硫石膏产生的Ca2+与土壤中的CO32−、HCO3−发生沉淀反应，降低因CO32−、HCO3−引起的土壤高pH 值［10］；同时Ca2+可增强植物“富钾拒钠”过程［11］，缓解其受到的Na+毒害。在盐碱地上种植一些耐盐碱的经济作物，可以在产生经济效益的同时改善盐碱地的土壤性质。披碱草（Elymus nutans）是北方地区常见的一种牧草［12］，具有抗旱、耐寒、耐盐碱的特性［13−14］。

硅钙渣是粉煤灰提铝过程中产生的固体废弃物，富含Ca2+，且其用于烟气脱硫之后pH 约为6～7［15］，与脱硫石膏性质相近。硅钙渣施用到盐碱土后可能与脱硫石膏产生类似的改良效应。此外，硅钙渣富含硅（Si）元素，大量研究表明，硅可提高许多植物对生物胁迫（病、虫害等）和非生物胁迫（干旱、重金属、冷害等）的抗性［16−20］；此外，硅可改善多种植物的光合气体交换，提高植物对盐胁迫的抗性，降低作物的盐害［21−22］。因此，硅钙渣有潜力应用于盐碱土的改良。

本研究拟探究硅钙渣对盐碱地的改良效应并与脱硫石膏进行对比，以披碱草为受试植物，考察了硅钙渣对盐碱土土壤性质及披碱草生长生理指标的影响，为硅钙渣的资源化利用提供新途径及理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料来源

盐碱土采自山西省忻州市（pH=8.6，碳含量为0.02%，氮含量为0.49%，电导率为25.48 ms·cm−1，含盐量0.69%）；硅钙渣由大唐国际高铝煤炭资源开发利用研发中心提供（表1），脱硫后pH=5.47；脱硫石膏由山西省长治市襄垣固废处理基地提供（表2），pH=6.80；披碱草种子采购于西安彩虹草业有限公司；试剂盒采购于南京建成生物有限公司。

1.2 试验设计

本试验采取盆栽试验，于2019 年进行，将硅钙渣添加到盐碱土中，添加量为0、10、25、50 g·kg−1，同时添加脱硫石膏50 g·kg−1作为对照（DG）。披碱草种子浸泡于H2O2溶液中消毒10 min，然后用去离子水冲洗干净待用。种植时将不同添加量的硅钙渣与600 g 盐碱土混合均匀，加水使土壤含水量保持在20%，放置1～2 d 之后翻土并取出2～3 cm 表层土，将处理后的披碱草种子2 g 均匀铺开，再用表层土覆盖，稍微压实即可。种植期间每天浇水使土壤含水量始终保持在20%，设置3 个重复，种植2 个月之后收割植物。

表1 硅钙渣化学成分组成Table 1 Chemical composition of silica-calcium slag

1.3 指标测定与方法

在植物生长过程中，用米尺测量株高，收割植物之后测定植物和土壤的指标。

植物与土壤的钾、钙、钠和镁含量采用电感耦合等离子发射光谱仪（ICAP6000，美国）测定，具体如下：1）收割后的植物清洗干净擦干之后，称取0.1 g 剪碎后装入消解管，使用5 mL 硝酸进行消解，将消解液稀释5 倍并用0.45 μm 的滤膜过滤，然后进行测定；2）将风干后的土壤研磨后过10 目筛，称取20 g 用100 mL 去离子水浸提，150 r·min−1振荡30 min，3500 r·min−1离心取上清液稀释5 倍，用0.45 μm 的滤膜过滤之后进行测定。

植物叶绿素、可溶性糖、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（peroxidase，POD）均采用试剂盒进行测定。植物叶绿素：研磨新鲜植物0.1 g，用无水乙醇和丙酮1∶2（V∶V）10 mL 避光浸提3 h，用分光光度计测定663 和645 nm 处的吸光度，通过计算即可得到叶绿素含量；可溶性糖：新鲜植物0.1 g，加入10 mL 蒸馏水研磨后沸水浴10 min，冷却后4000 r·min−1离心10 min，取上清液稀释合适倍数后按试剂盒操作方法加入试剂，混合均匀后沸水浴10 min，流水冷却后于620 nm 处测定吸光度，经计算可得可溶性糖的含量；SOD：新鲜植物0.1 g 加入8 mL 磷酸缓冲液，在冰水浴中研磨后3500 r·min−1离心10 min，取上清液按操作方法加入试剂盒中的试剂，混合均匀后37 ℃水浴40 min，加入显色剂混合均匀，室温放置10 min 后于550 nm 处测定吸光度，经计算得到SOD 活性；POD：新鲜植物0.1 g 加入8 mL 磷酸缓冲液，在冰水浴中研磨后3500 r·min−1离心10 min，取上清液按操作方法加入试剂盒中的试剂，混合均匀后3500 r·min−1离心10 min，取上清液于420 nm 处测定吸光度，经计算得到POD 活性。

表2 脱硫石膏化学成分组成Table 2 Chemical composition of desulphurized gypsum

土壤电导率采用电导率仪测定，将风干后的土壤研磨后过孔径2 mm 筛，称取20 g 用100 mL 去离子水浸提，150 r·min−1振荡30 min，3500 r·min−1离心取上清液用电导率仪检测电导率。

土壤的pH 采用pH 计测定，将风干后的土壤研磨后过孔径2 mm 筛，称取10 g 用25 mL 去离子水浸提，间歇搅拌30 min，静置30 min 后用pH 计测定。

土壤全盐量采用烘干法测定，将风干后的土壤研磨后过孔径2 mm 筛，称取20 g 用100 mL 去离子水浸提，150 r·min−1震荡30 min，3500 r·min−1离心取上清液25 mL 于烧杯中，待液体蒸发之后烧杯的重量差值即为土壤含盐量。

1.4 数据处理

利用Excel 2010、Origin 2018 和IBM SPSS Statistics 21 等进行数据处理及分析。

2 结果与分析

2.1 添加硅钙渣对盐碱土化学性质的影响

施用硅钙渣显著降低土壤pH（图1），硅钙渣添加量为50 g·kg−1时pH 降低程度小于同添加量的脱硫石膏对照组。土壤的全盐量和电导率都呈增加趋势（图2），施用硅钙渣的处理组全盐量和电导率均高于脱硫石膏对照组，可能原因是硅钙渣中所含的离子种类较多（表1），使土壤中可溶性盐含量增加，从而使电导率升高；随着硅钙渣添加量的增加，土壤中的钙、镁和钠元素均呈升高趋势，钾元素呈降低趋势，钙含量升高2.94%～97.06%，镁含量升高7.69%～23.08%，钠含量升高8.82%～52.94%（表3），钾元素降低17.65%～35.29%，硅钙渣添加量为50 g·kg−1时钙元素含量显著低于同添加量的脱硫石膏中的钙元素含量，而钠、镁、钾元素含量则高于同添加量的脱硫石膏对照组，结合硅钙渣和脱硫石膏的成分组成（表1～2），脱硫石膏中钙元素含量丰富，而钠、镁、钾元素含量较少，与结果相符。

图1 不同处理组的土壤pHFig.1 The pH of soil with different treatment groups

图2 不同处理组的土壤全盐量和土壤电导率Fig.2 The total salt content and the electrical conductivity of soil with different treatment groups

表3 不同改良剂处理组的土壤中钾、钙、钠和镁元素含量Table 3 The content of potassium，calcium，sodium and magnesium in soil of different treatment groups with different modifiers

2.2 添加硅钙渣对披碱草生长的影响

随着硅钙渣添加量增加，披碱草的株高、根长以及生物量都呈升高趋势，且在硅钙渣添加量为50 g·kg−1时株高、根长以及生物量均达到最大，单株生物量增加了约0.4～1.6 倍，总生物量增加了约2.8～6.8 倍，根长增加了约3.16%～40.21%，株高增加了约9.07%～17.35%，说明植物长势良好（表4），硅钙渣添加量为50 g·kg−1时植物各项生长指标均优于同添加量的脱硫石膏对照组，说明硅钙渣促进披碱草生长的效果更好，且添加量为50 g·kg−1时改良效果最佳。

2.3 添加硅钙渣对披碱草矿质元素含量及比例的影响

随着硅钙渣添加量增加，披碱草中钙、镁、钾元素含量分别升高31.25%～50.00%、0.51%～5.13%、1.59%～11.11%，同时钠含量降低10.00%～20.00%（表5），（K+Na）/（Ca+Mg）降低24.66%～32.75%，Ca/Na 提高18.26%～45.14%，K/Na 提高25.26%～57.09%（图3），且在硅钙渣添加量为50 g·kg−1时，钙、钾元素含量达到最大，而钠元素含量达到最小。硅钙渣添加量为50 g·kg−1时披碱草中钾、钠、钙、镁元素含量以及Ca/Na均高于同添加量的脱硫石膏对照组，而K/Na 和（K+Na）/（Ca+Mg）则低于同添加量的脱硫石膏对照组，根据硅钙渣成分（表1）和脱硫石膏成分（表2）分析可能是因为硅钙渣中的硅和钙同时作用于披碱草的生长，促进其吸收钾、钙、镁元素，同时减少了钠含量，同时使K/Na 和（K+Na）/（Ca+Mg）降低更显著。

表4 不同改良剂处理组的植物株高、根长和生物量Table 4 The plant height，root length and biomass of plant with different treatment groups

表5 不同改良剂处理组的植物中钾、钙、钠和镁元素含量Table 5 The content of potassium，calcium，sodium and magnesium in plant of different treatment groups with different modifiers

图3 不同处理组的植物Ca/Na、K/Na 和（K+Na）/（Ca+Mg）Fig.3 The Ca/Na、K/Na and（K+Na）/（Ca+Mg）of different treatment groups

2.4 添加硅钙渣对披碱草生理指标的影响

随着硅钙渣添加量增加，披碱草中可溶性糖、叶绿素含量和抗氧化酶活性均呈降低趋势（图4～6），POD 活 性 降 低5.93%～21.57%，SOD 活 性 降 低12.57%～16.00%，且在硅钙渣添加量为50 g·kg−1时降到最低，结合土壤pH 变化（图1），说明添加硅钙渣可显著降低盐碱土壤对披碱草的碱胁迫作用，但是披碱草中可溶性糖含量降低24.71%～27.26%、叶绿素a 含量降低28.59%～58.56%，叶绿素b 含量降低35.53%～63.77%，总叶绿素含量降低36.47%～60.05%，且在硅钙渣添加量为50 g·kg−1时含量最低，综合土壤全盐量、电导率（图2）和各元素含量变化（表3），分析原因可能是施用硅钙渣之后，土壤中可溶性盐分增加，在缓解碱胁迫的同时，形成了盐胁迫，导致植物的可溶性糖和叶绿素含量降低。硅钙渣添加量为50 g·kg−1时披碱草中可溶性糖含量和POD 活性均高于同添加量的脱硫石膏对照组，而叶绿素含量和SOD 活性含量则低于同添加量的脱硫石膏对照组。

3 讨论

试验结果表明，施用脱硫石膏和硅钙渣促进了披碱草的生长。从表4 可以看出，施用硅钙渣后披碱草的株高、生物量都明显高于空白组，以50 g·kg−1的添加量最好，而添加脱硫石膏的对照组只有总生物量显著增加，其他指标效果不明显。表5 显示披碱草中钙、镁、钾等对植物生长有益的元素都呈升高趋势。从图6 看出披碱草中抗氧化酶SOD 和POD 的活性降低，而研究表明，盐胁迫下植物体内SOD 等活性与植物的抗氧化胁迫能力呈正相关［23］，这说明披碱草受到的盐碱胁迫程度降低。

土壤pH 值降低是改良剂促进披碱草生长的主要原因之一。研究显示，盆栽试验中添加脱硫石膏4 g·kg−1与空白相比pH 由8.95 降低至8.08［24］；大田试验中添加脱硫石膏1.5 t·hm−2与空白相比pH 由10.26降低至8.17，下降了20.4%［25］。图1 显示，硅钙渣和脱硫石膏都可以显著降低盐碱土的pH，王彬等［24］研究发现，施用脱硫石膏后其中的Ca2+可与碱土中的CO32−、HCO3−发生沉淀反应，使土壤的pH 值显著降低。与脱硫石膏类似，硅钙渣也富含Ca2+，通过其释放的Ca2+可以以相同的原理降低土壤pH 值。土壤pH 降低缓解了披碱草受到的碱胁迫，从而改善了披碱草的生长。

图4 不同处理组的植物可溶性糖含量Fig.4 The content of soluble sugar in plant with different treatment groups

图5 不同处理组的植物叶绿素含量Fig.5 The content of chlorophyll in plant with different treatment groups

图6 不同处理组的植物POD 和SOD 活性Fig.6 The activities of POD and SOD in plant with different treatment groups

此外，硅钙渣中的钙可以提高披碱草的盐碱胁迫抗性，从而促进其生长。表5 的结果显示，施用硅钙渣后披碱草中的Ca 元素含量升高。研究显示，Ca2+可以介导盐胁迫信号，调节植物体细胞内离子平衡［6］，平衡细胞膜正常的跨膜电化学梯度，维持细胞渗透压；另一方面Ca2+的吸收可以缓解土壤中过量Na+的吸收［26］，提高K/Na，缓解钠积累对植物的毒害作用［27］。王静等［28］发现脱硫石膏可以通过增加钙聚集、消除钠毒害和保持水稻（Oryza sa⁃tiva）植物营养平衡来改善土壤性质，提高水稻的产量；陈永伟等［29］研究发现，施用脱硫废弃物制得的改良剂可降低土壤的（K+Na）/（Ca+Mg），促进水稻生长，本试验披碱草中的（K+Na）/（Ca+Mg）显著降低，说明硅钙渣改良盐碱土的机制与脱硫石膏类似，即增加钙离子、消除钠离子的危害，进一步说明硅钙渣对披碱草生长有促进作用。

施用硅钙渣促进披碱草生长的另一个重要原因是硅钙渣富含Si。Si 是提高植物抗盐碱胁迫能力的重要元素。研究表明，Si 能降低植物对Na+的吸收和积累、提高K+含量以及抗氧化防御能力，在一定程度上可缓解盐胁迫对植物的损伤［22］；朱潇等［30］研究发现Si 可促进植物对Ca、Mg 等其他营养元素的吸收，促进植物的生长；张倩等［31］也研究发现施用外源硅后可减轻盐胁迫对棉苗（Gossypiumspp.）的损伤程度，促进其正常生长，提高棉花苗期抗逆性。此外pH 的降低也可以促进植物对硅的吸收，研究发现当土壤溶液的pH<9 时，硅通常以H4SiO4的形式被植株所吸收，之后以无定型SiO2的形式沉积在植物体内，因此土壤pH 降低可以促进植物对硅的吸收，进一步促进披碱草生长［22］。

硅钙渣在促进披碱草生长的同时也会对植物体系产生负面影响。虽然结果显示硅钙渣添加量最大时（50 g·kg−1），植物生长最佳，但是从图2 可以看出，施用硅钙渣会导致土壤的全盐量和电导率升高，添加量为50 g·kg−1全盐量升高45.52%，电导率升高32.18%。李玉波等［32］研究发现，脱硫石膏本身是一种无机盐类，可溶性盐含量较高，施用后会增加土壤含盐量。硅钙渣与脱硫石膏相似，都属于盐类，因此施用硅钙渣后的盐碱土会由于含盐量升高而使植物的部分指标变差，如可溶性糖和叶绿素含量降低。

4 结论

1）硅钙渣可以降低土壤pH，改善土壤理化性质，缓解碱胁迫，以50 g·kg−1的添加量效果最好；2）硅钙渣可为披碱草提供丰富的Ca、Si 等抗盐碱胁迫的元素，显著增强其富钾拒钠能力，改善细胞渗透压，从而减轻盐碱胁迫对披碱草的伤害并促进其生长。本研究为我国北方地区硅钙渣等煤基固废的资源化利用及盐碱土的改良提供了借鉴。