石膏对苏打盐碱土壤理化性质的影响

黄艳飞， 陈君梅， 辛亚宁， 吴庆丽

(成都农业科技职业学院，成都 611130)

吉林省西部松嫩平原的苏打盐碱地是我国重要的土壤资源，受盐渍化影响的土地面积超过373万hm2。苏打盐碱土是一种高度退化的土壤，土壤胶体吸附大量Na+，致使土壤pH增加、碱化度升高、土壤团聚体崩解、黏粒分散。因此，如何改良利用苏打盐碱土是亟待解决的关键问题[1-2]。

长期以来，前人围绕苏打盐碱土的改良及利用展开了大量的研究工作，提出了包括化学、物理、生物和水利改良等一系列单项或综合改良措施，取得了一定的改良效果[3-8]。成功改良苏打盐碱土需要两个过程：①提供高价阳离子以替换土壤交换钠离子，促进土壤黏粒絮凝；②通过排水将盐分从土壤中排出。石膏被认为是土壤中钙离子的重要来源，能增加土壤溶液电解质浓度，减少土壤交换性钠离子含量，从而改善土壤物理性质[9-10]。排水是改良盐碱土的另一个重要过程，通过溶解土壤中可溶性盐，将盐分从土壤中去除[11-12]，从而使盐碱土得到改良。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，而较少考虑排水过程中交换性离子脱离土壤的过程变化以及排水过程中土壤溶液离子的量化研究，且将硫酸钙改良剂与灌排水相结合改良苏打盐碱地的相关研究较少。为此，本研究针对吉林西部松嫩平原苏打盐碱土，将石膏改良苏打盐碱土的方法与灌排水相结合，利用室内模拟试验，研究添加不同剂量硫酸钙改良剂对盐碱土pH、盐分含量、碱化度等土壤理化性质的影响及排水脱盐过程变化，为苏打盐碱地改良、水田建立提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1供试土壤 供试土壤为2017年10月采自吉林省西部白城市大安市联合乡建设村未经改良的重度苏打盐碱土。土壤类型为草甸碱土，土壤pH 10.3，土壤水溶性盐分含量 3.7 g·kg-1，土壤交换性K+含量 0.521 cmol·kg-1，土壤交换性Na+含量 16.65 cmol·kg-1，土壤交换性Ca2+含量 1.559 cmol·kg-1，土壤交换性Mg2+含量 0.714 cmol·kg-1，土壤碱化度(exchangeable sodium saturation percent age，ESP)76.67%。将采集的土壤自然风干，过 2 mm筛混匀备用。

1.1.2化学改良剂 化学改良剂为石膏(二水硫酸钙，CaSO4·2H2O，分析纯)，购自于国药集团化学试剂有限公司“沪试”牌。

1.2 试验设计

试验于2017年11—12月开展，分别设置添加不同剂量石膏和灌排水的模拟试验。其中，石膏的添加量参考田间实际用量分别设置0、0.6%、1.2%和2.4% 共4种剂量等级，即400 g土壤中分别加入0、2.4、4.8和9.6 g 石膏。4种剂量等级共设置6个处理，分别为CK：不施加石膏+灌排水；T1∶0.6%石膏+灌排水；T2∶0.6%石膏+灌排水，石膏于起始和第2天排水后分别加入2.4 g；T3∶1.2%石膏+灌排水；T4∶1.2%石膏+不灌排水，仅起始加入去离子水400 mL，第5天排水；T5∶2.4%石膏+灌排水；T1、T3、T4和T5处理的石膏均为起始时一次性加入。每个处理3次重复。容器为1 000 mL三角瓶，苏打盐碱土添加量为400 g，初次加入去离子水400 mL，搅拌均匀静置沉淀24 h后，先用上清液把软管内部加满，然后夹住出口，没夹住的一端插入上清夜中，将上清液排净后收集，每次再重新加入去离子水135 mL。连续灌排水5次，每次间隔24 h。各处理的灌排水量详见表1。

表1 各处理的灌排水量

1.3 测定方法

土壤上清液pH采用电位法测定；土壤上清液电导率(electric conductivity，EC)采用电导法测定[13]；将土壤上清液过滤后用于土壤水溶性钾钠钙镁离子的测定，采用电感耦合等离子发射光谱法测定；土壤交换性钾钠钙镁的测定采用乙酸铵浸提电感耦合等离子发射光谱法[14]。土壤前处理及指标测定均根据 NY/T 1121.5—2006农业行业标准《石灰性土壤阳离子交换量的测定》进行。

①土壤碱化度通过式(1)计算得到。

(1)

②石膏利用量、石膏利用率、石膏排出损失量、石膏排出损失率、石膏去向不明、溶液剩余量、排出钠离子、排出钙离子及石膏溶液剩余量通过以下公式计算。

石膏利用量=(最终土壤中交换性钙含量-起始土壤中交换性钙含量)×土壤质量×石膏摩尔质量

(2)

石膏利用率=(最终土壤中交换性钙含量-起始土壤中交换性钙含量)×土壤质量×石膏摩尔质量/石膏用量×100%

(3)

石膏排出损失量=上清液水溶性钙离子含量×排水量×石膏摩尔质量

(4)

石膏排出损失率=上清液水溶性钙离子含量×排水量×石膏摩尔质量/石膏用量×100%

(5)

石膏去向不明=石膏用量-石膏利用量-石膏损失量

(6)

溶液剩余量=总加水量-总排水量

(7)

排出钠离子=上清液水溶性钠离子含量×排水量

(8)

排出钙离子=上清液水溶性钙离子含量×排水量

(9)

石膏溶液剩余量=溶液剩余中石膏浓度×溶液剩余体积

(10)

1.4 数据分析

采用Excel 2013软件对数据进行处理及绘图。

2 结果与分析

2.1 石膏对苏打盐碱土的凝聚作用

土壤胶体的凝聚作用是形成土壤微团聚体和团聚体的首要条件，因此高分散性的苏打盐碱土改良，首要考虑改良剂对土壤胶体的絮凝作用。水土界面分化越明显，水层越清晰，土壤沉淀的体积越小，上清液越多，即土壤絮凝作用越显著。表1显示，初始加入水400 mL，起始水土比为1∶1，后面每次加入水135 mL，搅拌均匀静置沉淀24 h后将上清液排净收集，即排水量=上清液量，排出上清液越多，土壤黏粒絮凝作用越强。第1天，T3、T5处理上清液为135 mL；T1和T2处理上清液为100 mL；CK为悬浊液，且后期持续加水也无絮凝沉淀及上清液排出。即第1天土壤絮凝作用为T5、T3>T1、T2>CK。由此表明，石膏能够改善苏打盐碱土的团粒结构，石膏用量不足时，絮凝效果不佳；超过一定量后，继续增加石膏量，凝聚效果未得到改变。

2.2 石膏对上清液pH及EC的影响

图1表明，加入石膏后上清液pH快速下降，由10.31下降至8.19～8.55；之后随着排灌水的进行，上清液pH又略有上升。第5天，T1、T3和T5处理上清液pH分别升至9.53、8.52和8.34，其中，T3和T5处理显著低于T1处理；T2处理再次加入石膏后，上清液pH又降低，在第4天显著低于T1处理。

注：不同小写字母表示相同时间不同处理间差异在P<0.05水平显著。

上清液电导率(EC)是测定上清液水溶性盐含量的指标，T3、T4和T5处理上清液EC在第1天起始时基本一致，显著高于T1、T2处理，除了石膏溶解外，还有置换出来的钠离子溶解在水中。随着排灌水的进行，上清液EC逐渐降低。其中，T4处理因不灌排水，上清液EC不变；T3处理上清液EC的下降速率高于T5处理；T2处理因第2天再次添加石膏上清液EC显著高于T1处理。

2.3 石膏对上清液离子组成的影响

图2显示，上清液随着排水的进行，各离子浓度呈逐渐降低的趋势。T3与T5处理在第1、2、3天上清液中水溶性钠离子含量相同，显著高于T1处理，可能是由于T1处理石膏用量不足导致置换出的水溶性钠离子较少。T3与T5处理第1天上清液水溶性钙离子含量相同，显著高于T1处理，随后T1和T3处理上清液钙离子含量呈逐渐降低趋势，而T5处理上清液水溶性钙离子浓度一直稳定在1.100～1.236 cmol·L-1，与钙离子化合物在水中离子组成及其溶解度有关。T2处理第2天再次加入石膏后上清液中水溶性钙离子和钠离子含量呈先增加后降低趋势，在第3天均显著高于T1处理。T4处理未进行灌排水，其第5天上清液水溶性钙离子和钠离子浓度与T3处理第1天时相同，且T4处理上清液EC(图1)从第1到第5天维持不变，说明不灌排水情况下反复搅拌絮凝沉淀苏打盐碱土不会继续发生反应。

注：不同小写字母表示相同时间不同处理间差异在P<0.05水平显著。

2.4 石膏对土壤交换性离子及碱化度的影响

T1处理的钠钙置换比为4.11(表2)，显著高于其他处理。图3显示，加入石膏后，随着搅拌、絮凝沉淀和排水，石膏中钙离子置换土壤胶体的交换性钠离子使土壤交换性钠离子含量逐渐减低，交换性钙离子含量逐渐增加至稳定。T1处理土壤交换性钙离子含量第2天起不再增加，但土壤交换性钠离子继续降低，可能是由于排水降低了上清液中水溶性钠离子含量，导致土壤胶体中交换性钠离子向水溶液中运动，导致土壤胶体中交换性钠离子含量继续降低。

注：不同小写字母表示相同时间不同处理间差异在P<0.05水平显著。

表2 不同石膏处理下土壤中被置换出Na+及置换进Ca2+

加入石膏后，随着排灌水的进行，土壤碱化度(ESP)逐渐降低，T1、T2、T3、T4和T5处理的土壤ESP分别降至50.40%、38.26%、33.00%、55.65%、25.23%，显著低于CK，且各处理间也存在显著差异。T2处理第2天再次加入石膏后土壤ESP的降幅高于T1处理。CK处理无絮凝沉淀，土壤ESP反而逐渐增加，可能是由于土壤水溶性钠离子转换为交换性钠离子，导致土壤ESP增加。T4处理第5天的土壤交换性钠离子、土壤交换性钙离子和土壤ESP与T3处理第1天基本一致，由此表明，后续不灌排水，搅拌絮凝沉淀不会继续置换土壤胶体中交换性钠离子， 因此，推断T4处理土壤交换性钠离子、交换性钙离子、土壤ESP在第1至第5天维持不变。

2.5 石膏利用率

表3显示，上清液中二水硫酸钙浓度均低于二水硫酸钙溶解度。随着灌排水的进行，T5处理上清液中二水硫酸钙浓度逐渐上升，从1.89‰至2.13‰；T1、T2和T3处理上清液中二水硫酸钙浓度逐渐降低。表4显示，排出的上清液中水溶性钠离子浓度要显著高于水溶性钙离子浓度。通过排出上清液中大量的水溶性钠离子，促使土壤交换性钠离子向水溶性钠离子移动，有效降低土壤碱化度。分次施用石膏的利用率(T2)高于单次施用(T1)，但差异不显著，钠离子排出量低于单次施用。

表3 不同石膏处理上清液中二水硫酸钙的浓度

表4 不同石膏处理下二水硫酸钙的利用

3 讨论

除石膏中钙离子置换土壤胶体吸附的钠离子外，通过排水也可将土壤钠离子排出土体，从而降低土壤碱化度[20]。在水环境下，硫酸钙大量溶解，有利于钙离子与土壤胶体吸附的钠离子发生反应。通过排出上清液，钠离子被排出土体。由于硫酸钠与硫酸钙在水中溶解度不同，上清液中水溶性钠离子含量显著高于水溶性钙离子含量，大量水溶性钠离子的排出有利于硫酸钙继续溶解。当硫酸钙消耗殆尽时，通过排水仍然可以促使土壤交换性钠离子向水溶性钠离子移动，从而降低土壤碱化度。水田排水洗盐是改良苏打盐碱土的重要措施，因此，石膏改良苏打盐碱地效果与排灌水存在密切关系[21]。加入石膏改良剂短时间内可能无法使土壤碱化度降至目标值，只有在足量改良剂情况下通过灌排水持续发生置换反应才能逐步降低土壤碱化度及土壤盐分含量。

石膏施用量会影响土壤改良效果及石膏利用率。T1处理土壤碱化度的降幅显著低于T3和T5处理，土壤絮凝效果也低于T3和T5处理。 T5处理改良效果与T3差异不显著，但石膏利用率显著低于T3处理。脱硫石膏的改良效果随着脱硫石膏的用量增加而增大，但超过一定范围后继续增加用量改良效果无显著提升[22]。T2处理为分次施用改良剂，与T3处理相比，石膏利用率无显著差异，但大田实施二次抛撒难度增加。综上所述，推荐1.2%石膏用量(T3处理)为较优用量。