糠醛渣和石膏对盐碱土改良效果及水稻生长的影响

戴建军，房秋娜，汪丹妮，杨 瑀，刘鸿飞，李 航

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

东北松嫩平原盐碱土主要盐分为NaHCO3和Na2CO3，全盐量0.6%～2.0%，pH 8.5以上，严重区达9～12。盐碱土由于含盐量和碱性过高，土壤面临板结、通气不良及养分流失等多种危害，影响水稻根系发育和养分吸收，导致水稻缺乏营养，影响其正常生长，严重阻碍农作物生长发育[1-2]。因此，通过综合改良措施，最大程度消除盐碱危害，充分利用盐碱土耕地资源对保障粮食安全与农业可持续发展发挥重要作用。

糠醛渣和石膏是近年来应用较多的盐碱土改良剂。糠醛渣是玉米芯制取糠醛后废料，含有多种游离酸和腐殖酸，可中和碱，降低盐碱土壤pH[3]；其中，腐植酸类物质增加土壤交换性能，促进土壤团粒结构形成，增加水稳性团聚体数量，降低土壤碱化度，为作物生长提供良好环境[4]。张济世等研究表明，施用糠醛渣显著降低土壤pH，减少交换性钠离子，显著增加阳离子交换量[5]。王德领等研究表明，施用糠醛渣显著降低盐碱土容重和含盐量，增加玉米穗粒数和产量[6]。随糠醛渣施用量增加，土壤改良效果愈明显，具体表现为土壤孔隙度增加，土壤通透性增强，进而更好协调土壤微环境中水、肥、气、热，有助于水稻生长发育及产量提高[7-8]。石膏主要成分为CaSO4·2H2O，在盐碱土改良中发挥重要作用[9]。杜雅仙等研究表明，石膏用于改良盐碱土显著降低盐碱危害，提供水稻生长所需硫素和钙素，提高水稻抗逆性[10]。肖国举等研究表明，施用石膏改良后3年，盐碱土pH降低，盐碱土性状改善，促进水稻幼苗生长，增加株高及产量[11]。Frenkel[12]、Wang[13]、宋秀丽等[14]研究表明，施用适量石膏有效降低盐碱土pH，提高作物株高和干物质积累量，并显著增加作物产量。以往主要研究单施糠醛渣或石膏对土壤盐分及酸碱性的影响，改良效果单一，用量过多，危害土壤及作物。本文通过研究不同配比糠醛渣与石膏对盐碱土理化性质、水稻生长及产量的影响，探讨糠醛渣与石膏最佳配比，为盐碱土地区水稻生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤与材料

试验区种植水稻品种为龙粳9号，供试土壤为碳酸盐草甸土，取自肇源县鲶鱼沟，全盐量为1.02%，碱解氮含量为291.8 mg·kg-1，速效磷含量为17.64 mg·kg-1，速效钾含量为106.56 mg·kg-1，有机质含量为35.7 g·kg-1，pH 9.01。

糠醛渣来源于哈尔滨市兴城化工有限公司，其主要理化性质如下：含水率64.66%，CO32-0 g·kg-1，K+7.01 g·kg-1，HCO3-0 g·kg-1，SO42-18.7 g·kg-1，Cl-0.17 g·kg-1，Ca2+1.54 g·kg-1，Mg2+1.03 g·kg-1，Na+0.10 g·kg-1，有机质870.3 g·kg-1，pH 1.95。石膏来自哈尔滨热电有限责任公司，其主要成分是CaSO4·2H2O。石膏pH为5.12，交换性钾含量为183.6 mg·kg-1，交换性钠含量为609.4 mg·kg-1，交换性钙含量为40.32 mg·kg-1，交换性镁含量为405.7 mg·kg-1。

1.2 方法

试验于2019年5月15日在东北农业大学盆栽场开展，改良剂选用糠醛渣和石膏，按照表1配比共9个处理，每个处理5次重复。盆栽试验每盆用土9.5 kg，按照表1加入糠醛渣和石膏，每盆3穴，每穴3株水稻幼苗。底肥氮磷钾（尿素、磷酸二铵、氯化钾）施用量分别为纯氮60 kg·hm-2，磷P2O555 kg·hm-2，钾K2O 75 kg·hm-2，折合每盆施用尿素1.1014 g，磷酸二铵2.9028 g，氯化钾0.7514 g。磷肥一次性施入。追肥2次，移栽后第7天每盆追施0.55 g尿素，6月30日每盆追施0.55 g尿素和0.53 g氯化钾。定期浇水，保持1～2 cm水层。

表1 试验设计Table 1 Experimental design

1.3 项目测定

水稻盆栽于2019年9月15日收获，收获后破坏性取样测定盆栽土壤容重、孔隙度、田间持水量、pH、盐基离子含量、阳离子交换量，同时测定每盆水稻株高、千粒重、地上部干物质积累量和产量。土壤容重、土壤孔隙度、田间持水量采用环刀法；土壤pH采用水土比2.5∶1，pHSJ-5型便携式pH计（上海雷磁仪器厂）测定；土壤电导率（EC）测定采用电导率仪测定；土壤交换性钠测定采用乙酸铵-氯化铵交换火焰光度法；土壤阳离子交换量测定采用乙酸钠—火焰光度法；土壤碱化度计算参照文献[15]；CO32-、HCO3-选用双指示剂-H2SO4滴定法测定；水溶性阳离子K+、Na+采用火焰光度法测定，水溶性Ca2+、Mg2+采用原子吸收分光光度法测定；水稻植株，称量鲜重，并分器官取样，带回室内风干，脱粒，记录穗粒数并称重，测量株高、千粒重、地上部干物质积累量和产量等指标。

1.4 数据处理与分析

试验数据经Excel 2010整理，采用SPSS 22.0软件统计分析，显著性水平设为0.05，结合Duncan法作多重比较。

2 结果与分析

2.1 糠醛渣和石膏对盐碱土土壤理化性质的影响

由表2可知，糠醛渣和石膏配合施用显著降低土壤容重、增加土壤孔隙度及田间持水量，糠醛渣和石膏对土壤容重、孔隙度和田间持水量的影响均达差异显著或极显著。Q2G1处理容重降低幅度最大，由1.16 g·cm-3下降为1.05 g·cm-3，下降幅度为9.48%，且与Q0G0相比差异显著。但单一施用糠醛渣或石膏降低容重效果不显著，当石膏施用量过多时，Q0G2处理反而增加土壤容重；施用糠醛渣和石膏显著增加土壤孔隙度，孔隙度关系为Q0G2＞Q1G1＞Q1G2＞Q2G1＞Q2G2＞Q1G0＞Q0G0＞Q0G1＞Q2G0，Q0G2、Q1G1处理增加幅度最大，提高幅度为5.81%和5.57%，且与Q0G0差异显著，Q0G1、Q2G0土壤孔隙度低于Q0G0；糠醛渣和石膏改良土壤田间持水量均有不同程度增加，Q1G0和Q2G0处理田间持水量比Q0G0处理分别提高5.98%和6.03%，且两处理间差异不显著，Q0G1、Q0G2、Q1G2、Q2G2处理田间持水量比Q0G0分别提高11.02%、15.48%、14.90%、13.42%，且Q0G1、Q0G2、Q1G1、Q2G2处理间差异不显著，Q2G1处理田间持水量增加幅度最大，增加21.02%，且与Q0G0差异显著。

由表3可知，糠醛渣和石膏配施显著降低盐碱土pH、EC和交换性钠，提高阳离子含量，从而降低碱化度，糠醛渣和石膏对土壤各指标影响均达差异显著。从试验结果看，各处理均降低盐碱土pH，且与Q0G0差异显著。糠醛渣和石膏配施对降低盐碱土pH效果优于单施糠醛渣或石膏，其中Q2G2处理降低pH效果最显著，pH由原来9.01降至6.94，降低22.97%，各处理间pH高低为Q0G0＞Q1G0＞Q2G0＞Q1G1＞Q1G2＞Q0G1＞Q0G2＞Q2G1＞Q2G2。EC关系为Q1G1＞Q0G1＞Q0G0＞Q2G0＞Q1G2＞Q1G0＞Q0G2＞Q2G2＞Q2G1，Q2G1处理效果最优，降低69.12%，Q1G0、Q1G2、Q2G0处理EC值与Q0G0相比虽有所降低，但Q1G0、Q1G2、Q2G0处理间差异不显著，Q0G1与Q0G0相比，EC值反而增加，且二者间差异不显著。经糠醛渣和石膏改良盐碱土交换性钠与Q0G0相比均有降低趋势，交换性钠关系为Q0G0＞G0G2＞Q1G2＞Q0G1=Q1G0＞Q2G2＞Q2G0＞Q2G1＞Q1G1，Q0G1、Q1G0、Q1G2、Q2G2显著低于Q0G0处理，但并无显著差异，Q1G1效果最优，交换性钠降低61.73%，且与Q0G0差异显著。糠醛渣和石膏改良土壤阳离子交换量与Q0G0比均有不同程度增加，其中Q1G1处理阳离子交换量增幅最大，增幅为64.08%，其次是Q2G1处理，增幅为62.10%。糠醛渣和石膏显著降低土壤碱化度，各处理间差异显著，但Q1G1效果最优，碱化度降低86.18%。

表2 糠醛渣和石膏对盐碱土容重、土壤孔隙度和田间持水量的影响Table 2 Effect of furfural residue and gypsum on the bulk density，soil porosity and field water holding capacity of saline alkali soil

表3 糠醛渣和石膏对盐碱土pH、EC、交换性钠、阳离子交换量和碱化度的影响Table 3 Effect of furfural residue and gypsum on the pH,EC,exchangeable sodium,cation exchange capacity and alkalinity of saline alkaline soil

由表4可知，单施糠醛渣和石膏或二者配施显著降低CO32-、HCO3-含量，提高水溶性阳离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量，糠醛渣和石膏对盐碱土可溶盐组分影响均达差异极显著。施用糠醛渣和石膏处理CO32-、HCO3-含量与Q0G0比均表现显著降低变化，且在Q0G1、Q1G1、Q2G1、Q0G2、Q1G2、Q2G2处理中均未检测出CO32-、HCO3-含量，说明施用糠醛渣和石膏，有效降低盐碱土CO32-、HCO3-含量，改良盐碱土理化性质；经糠醛渣和石膏处理盐碱土水溶性K+含量显著高于Q0G0处理，说明糠醛渣和石膏有利于提高盐碱土有效钾含量。水溶性钾离子关系为Q2G2＞Q1G2＞Q1G1＞Q2G1＞Q2G0＞Q0G1＞Q0G2＞Q1G0＞Q0G0，其中Q1G1、Q1G2、Q2G1显著高于Q0G0处理，但三者之间并无显著差异，Q2G2处理效果最佳，K+含量提高74.12%，且与Q0G0差异显著；经糠醛渣和石膏处理盐碱土水溶性Na+、Ca2+、Mg2+离子含量均有不同程度增加，Q2G1处理水溶性Na+含量最高，为7.97 g·kg-1，其次是Q1G1处理，且Q2G1与Q1G1之间无明显差异。水溶性Ca2+含量为Q0G2＞Q2G2＞Q1G2＞Q2G1＞Q1G1＞Q0G1＞Q2G0＞Q1G0＞Q0G0，Q1G0、Q2G0与Q0G0处理相比虽Ca2+含量有所增加，但与Q0G0处理差异不显著，说明单施糠醛渣未显著提高水溶性Ca2+含量，Q0G2处理水溶性Ca2+含量最高，为6.31 g·kg-1，其次是Q2G2、Q1G2处理，Q0G2、Q2G2、Q1G2与Q0G0处理差异显著，说明单施石膏或二者配施显著提高水溶性Ca2+含量。水溶性Mg2+含量为Q2G0＞Q1G0＞Q2G2＞Q1G2＞Q0G2＞Q1G1＞Q0G1＞Q2G1＞Q0G0，其中Q2G0处理分别高于Q0G0、Q1G0处理1.22和0.48 g·kg-1，且Q2G0、Q1G0与Q0G0处理差异显著，说明施用糠醛渣或二者配施有利于提高盐碱土水溶性Mg2+含量。

表4 糠醛渣和石膏对盐碱土可溶盐组成的影响Table 4 Effect of furfural residue and gypsum on the soluble salt composition of saline alkaline soil （g·kg-1）

2.2 糠醛渣和石膏对水稻生长和产量的影响

由表5可知，糠醛渣和石膏作为土壤改良剂，糠醛渣和石膏交互作用对水稻株高、千粒重、地上部干物质积累量及产量影响均表现显著差异。糠醛渣和石膏配施显著提高水稻株高、千粒重、地上部干物质积累量和产量，其中Q1G1处理效果最优，提高幅度分别为28.46%、20.63%、40.37%、25.58%，且与Q0G0差异显著。各处理间水稻产量高低表现为Q1G1＞Q2G1＞Q0G2＞Q1G2＞Q0G1＞Q2G0＞Q1G0＞Q2G2＞Q0G0，且各处理间差异显著，Q1G1处理水稻产量最高，为7.74 g·pot-1，可看出糠醛渣和石膏配施显著提高水稻产量。

2.3 改良后盐碱土理化性质与水稻植株各指标之间相关性分析

在土壤和水稻植株之间作Spearman相关分析，结果如表6所示。

表5 不同处理条件下水稻产量及产量构成因素Table 5 Rice yield and yield components under different treatments

表6 土壤理化性质与水稻植株各指标之间Spearman相关性分析Table 6 Spearman correlation analysis between soil physical and chemical properties and rice plant indicators

由表6可知，土壤容重与水稻株高呈显著负相关，与千粒重、地上部干物质积累量和产量相关性不显著。土壤孔隙度与水稻千粒重、地上部干物质积累量和产量之间呈显著正相关，与株高相关性不显著。土壤田间持水量与株高、产量呈极显著正相关，与千粒重和地上部干物质积累量呈显著正相关。土壤pH与株高、千粒重、地上部干物质积累量和产量呈极显著负相关，表明pH变化对水稻产量及产量构成因素影响显著。EC与千粒重呈极显著正相关，与地上部干物质积累量和产量呈极显著负相关，与株高呈负相关。交换性钠与株高呈显著负相关，与千粒重、地上部干物质积累量及产量相关性不显著。阳离子交换量与株高、产量呈极显著正相关，与千粒重、地上部干物质积累量呈显著正相关。碱化度与千粒重呈显著负相关，与株高、地上部干物质积累量和产量相关性不显著。CO32-与千粒重呈显著负相关，与株高、地上部干物质积累量和产量相关性不显著。HCO3-与千粒重呈显著负相关，与株高、地上部干物质积累量和产量相关性不显著。水溶性K+、Ca2+、Na+、Mg2+与株高、千粒重、地上部干物质积累量和产量相关性均不显著。通过相关性分析表明，土壤各项理化性质均与植株各项指标存在一定关系，因此选择添加土壤改良剂尤为重要，糠醛渣和石膏最优化配比可从根本上改善土壤理化性质，影响水稻生长发育和产量形成。

3 讨 论

3.1 糠醛渣和石膏施用对土壤理化性质的影响

经糠醛渣和石膏处理盐碱土理化性质均得到显著改善，其中，Q2G1处理降低土壤容重9.48%，提高田间持水量21.02%，Q1G1处理提高土壤孔隙度5.57%，与尹玉磊等苕子栽培试验研究结果一致[16]，可能由于糠醛渣和石膏中含有游离酸和钙质胶体等物质提高土壤肥力，增加土壤中微生物数量和酶活性[17]，从而促进土壤水稳性团聚体形成，而团聚体具有多级孔性，降低土壤容重，提高土壤总孔隙度[18]。

糠醛渣和石膏配合是呈酸性的改良材料，且含有大量有机质和植物生长所需矿质元素，施入土壤后快速有效降低土壤pH，与崔向超[19]和Wu[20]等研究结果一致。本研究中，糠醛渣和石膏配施可显著降低盐碱土EC值，其中Q2G1效果最佳，降低69.12%，与王瑞琦研究结果接近[21]。主要是糠醛渣和石膏改良后盐碱土土壤坚实度与容重显著降低，使土壤孔隙度提高，增加水稳性团聚体数量，提高土壤渗透性、持水能力及水盐向下淋洗能力，减少地表积聚盐分量，从而降低土壤总盐分含量[22]，而单独施用石膏增加EC，如Q0G1处理，EC由2.17增加到2.26，可能是由于石膏本身是中等溶解度盐分，含有大量Ca2+，致使EC值增加[23]。

本研究中，糠醛渣和石膏配施显著降低盐碱土CO32-、HCO3-和交换性钠含量，提高水溶性K+、Na+、Ca2+、Mg2+和阳离子交换量，达到降低盐碱土碱化度目的。Q1G0、Q2G0处理CO32-、HCO3-显著降低，在Q0G1、Q1G1、Q2G1、Q0G2、Q1G2、Q2G2处理中均未检测到CO32-、HCO3-含量，说明糠醛渣和石膏施用，有效降低CO32-、HCO3-含量。Q1G1处理交换性钠降低61.73%，阳离子交换量增加64.08%，碱化度降低86.18%，与周萌研究结果接近[24]。主要是由于糠醛渣具有较强吸附力，可吸附土壤胶体中钠盐，活化土壤中Ca2+，保证土壤胶体吸附Na+与Ca2+置换反应，从而降低盐碱土碱化度[25-26]。另一方面，糠醛渣是一种腐殖酸类有机质，可增加土壤中腐殖质含量，促进土壤团粒结构形成，改善土壤结构，提高土壤渗透性，促进养分吸收，进而提高土壤阳离子交换量，与付颖研究结果一致[27]。向土壤中施入石膏后，Ca2+可能与CO32-和HCO3-发生沉淀反应，生成Ca(HCO3)2、CaCO3和Na2SO4，在灌水洗盐作用下可将Na2SO4冲洗掉，减少土壤中Na+、CO32-和HCO3-含量[23]，同时Ca2+与土壤腐殖质以阳离子“桥”方式形成有机-矿质复合体土壤复粒，有利于土壤团粒结构形成，提高土壤阳离子交换量，降低土壤碱化度[28]。

3.2 糠醛渣和石膏施用对水稻生长和产量的影响

糠醛渣和石膏在盐碱土改良中，不同地区改良效果存在较大差异，对植物生长影响也不同[29]。Judkins等研究棉花结果表明，糠醛渣和石膏有利于促进棉花营养生长，后期生殖生长旺盛，产量显著升高[30]。李学梅认为，单施糠醛渣改良盐碱土效果有限，配施一定量石膏有利于改善土壤物理性状，提高速效养分含量，改良后提高农作物产量[31]，与本试验结果接近。本研究中，糠醛渣和石膏配施可以显著提高水稻株高、千粒重、地上部干物质积累量和产量，单施糠醛渣或石膏对产量提高作用不显著，可能是由于糠醛渣和石膏均含有盐分，施入土壤后带来大量盐分，影响作物生长发育。当糠醛渣和石膏配比施用时，对于提升产量效果显著，可能是由于糠醛渣和石膏降低土壤交换性钠含量和碱化度，改善土壤环境，提高水稻成熟期穗数，进而提高水稻产量[32]。但配比过高，则降低水稻地上部干物质积累量和产量，这是由于糠醛渣本身酸性过强（pH 1.95），含有较多盐分，一次性施入过多，加剧盐害作用，影响作物生长发育[23]。石膏可与CO32-反应生成碳酸钙沉淀和硫酸钠，但石膏用于水田施用量过大生成过多硫酸钠不仅增加土壤盐度，还导致H2S毒害，抑制水稻出苗和根系生长[33]。综合分析认为，糠醛渣和石膏配施时，有效改良盐碱度，促进水稻生长及产量提高，Q1G1处理效果最优。

3.3 土壤关键理化性质对水稻产量的影响

从相关性分析中可看出，盐碱土影响水稻产量最重要3个因子是田间持水量、阳离子交换量和pH。田间持水量与水稻产量呈极显著正相关，相关系数为0.864，说明通过增加田间持水量显著提高水稻产量，水稻全生育期生长及产量受水稻根系生长情况影响，而植物根系是吸收水分和养分重要器官，也是合成多种氨基酸和激素主要场所，增加田间持水量促进水稻根系生长，使干物质积累量增加，提高水稻产量[34]；阳离子交换量与水稻产量呈极显著正相关，相关系数为0.766。阳离子交换量是土壤保水保肥能力指标，阳离子交换量高说明土壤缓冲性能好，土壤保持和供应养分越好，促进细胞对养分吸收，促进水稻生长发育[24]；pH与水稻产量呈极显著负相关，相关系数为0.223，糠醛渣和石膏配施显著降低盐碱土pH并提高水稻产量，pH降低21.14%，水稻增产25.58%。主要原因是水稻适宜在微酸性条件下生长，而盐碱土碱性过高，甚至达9以上，在高pH环境下作物难以吸收养分，且多数有益微生物在高pH条件下难以存活，进而影响有机质类物质分解以及碳、磷、钾等元素循环，加剧土壤板结和养分流失等问题，导致水稻根系无法正常生长[35]。综合以上分析表明，糠醛渣和石膏改良盐碱土种植盆栽水稻，主要通过改善田间持水量、阳离子交换量和降低pH，达到提高水稻产量目的。

4 结 论

a.糠醛渣和石膏配施显著改善盐碱土理化性质，各项理化性质指标均向良性趋势发展。Q2G1处理降低土壤容重9.48%，提高田间持水量21.02%，Q1G1处理提高土壤孔隙度5.57%；Q2G2处理pH降低22.97%，Q2G1处理EC降低69.12%，Q1G1处理降低交换性钠61.73%，提高阳离子交换量64.08%，降低碱化度86.18%；水溶性K+、Ca2+、Na+、Mg2+含量均有所增加，同时CO32-、HCO3-含量显著降低，Q0G1、Q1G1、Q2G1、Q0G2、Q1G2、Q2G2处理已检测不到CO32-和HCO3-含量。

b.相较于单施糠醛渣或石膏，二者配施对水稻生长和发育促进效果良好，显著提高水稻株高、千粒重、地上部干物质积累量及产量，其中Q1G1处理效果最显著，产量提高25.58%。

c.糠醛渣和石膏配施主要通过改善田间持水量、阳离子交换量和降低pH，从而间接提高水稻产量。