不同改良措施对晋北盐碱土盐碱障碍和青贮玉米氮素吸收的调控

郑敏娜， 梁秀芝， 韩志顺， 康佳惠， 陈燕妮

(山西农业大学高寒区作物研究所， 山西 大同 037008)

土壤是人类赖以生存的重要资源。进入21世纪后，随着我国工业化和城市化进程的加快，耕地面积不断缩减，逐渐逼近1.2×108km2红线，着手开发可利用的土地，对保证我国生态安全和经济安全具有重要意义[1]。其中，中、低度盐碱地作为一种重要的土地资源，具有巨大的开发潜力，是草牧业发展的优先区域。大同盆地位于山西省北部，是我国北方农牧交错带的重要组成部分，该区域苏打型盐碱地面积占比较大，苏打含量高[2]，对于草-田生产系统来说，土壤盐度高会严重制约土壤中氮素、磷素、钾素等元素形态的转化，降低肥料利用率[3]，致使土地生产力低下，影响到草牧业的可持续发展。因此，通过采取合理的措施或方法修复受盐分影响的低效土壤，并进行改良利用，有利于缓解人地矛盾、草粮矛盾，有助于农牧业可持续发展和提升生态系统服务功能。

目前国内外关于单独使用改良剂和种植绿肥对于盐碱地土壤理化性状和氮素利用率的影响研究较多[9-10,13-14]，但将二者同时运用到盐碱土土壤改良中的研究较少。生物质炭、石膏类物质等作为土壤改良剂，操作简便、成本较低、改良效果最稳定；绿肥作为生物改良方式，投入成本低，并且对土壤恢复具有更显著的正向促进作用[2]。因此，本研究将土壤改良剂和生物改良方式相结合，开展了不同改良调控措施对盐碱田盐碱障碍的消减和作物氮素吸收利用效率的研究，以期选取一套北方农牧交错带适用的改盐增效增产的改良-种植模式，达到改良盐碱耕地及高效利用养分和保护生态环境的目标。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验地位于山西省朔州市山阴县后所乡后张堡村(9°25′28″ N，112°55′34″ E)，海拔920 m，该区域地处雁门关农牧交错核心区，农业区划为中温带干旱区；年均降雨量为350～600 mm，年蒸发量大于1 600 mm，年均气温7.0℃，无霜期130 d左右；土壤属碱化潮土，质地轻壤偏砂型，土壤中钠吸附比值较高，盐碱化程度较严重，经测定，样地0～60 cm耕层土壤中平均含盐量为2.12 g· kg-1，土壤容重为1.48 g·cm-3，pH值9.13，土壤有机质含量为4.32 g·kg-1，碱化度为13.4%。

1.2 试验材料

本试验中供试青贮玉米品种为‘中玉88号’，绿肥选用毛叶苕子，由山西农业大学绿肥产业技术体系太原试验站提供。生物炭由江苏溧阳生物质炭制备有限公司提供；石膏(CaSO4)由大同市第二发电厂提供；化肥(尿素，N：46.4%)由山东史丹利公司提供。

1.3 试验设计

试验于2019—2020年进行，试验以内陆中度苏打型盐渍土(Z)为研究对象，设对照处理(CK，不施肥，单播青贮玉米)，并在此基础上设置化肥+CaSO4+生物炭(L，单播青贮玉米)、化肥+CaSO4+生物炭+绿肥(LC1，2行青贮玉米间作2行绿肥)、化肥+CaSO4+生物炭+绿肥(LC2，2行青贮玉米间作3行绿肥)、化肥+CaSO4+生物炭+绿肥(LC3，2行青贮玉米间作4行绿肥)处理(表1)，其中：处理LC1，LC2，LC3为玉米和毛叶苕子间作，第二年玉米种植带和毛叶苕子种植带进行轮换。试验处理按照完全随机的方式排列，小区面积为4.4 m×6 m，每个处理重复3次，共计15个小区。

表1 试验各处理的具体信息

试验期间，于每年5月初进行播种。各小区，在播种前将各改良剂和肥料混匀后施入土壤，其中：化肥(尿素，N：46.4%)施用量为385 kg·hm-2，CaSO4的施用量为4 500 kg·hm-2，生物炭的施用量为10 000 kg·hm-2；各小区玉米播种株距为50 cm，玉米种植带间行距为50 cm；各小区毛叶苕子播种量均为60 kg·hm-2，毛叶苕子种植带间及玉米与毛叶苕子之间的行距为30 cm。其他管理措施与当地的常规管理模式相同。

1.4 样品采集与测定

土壤电导率与pH测定采用1∶5土水比电导法(PHS-25酸度计)和电极法(DDS-11A电导仪)测定，其余指标参照鲁如坤[15]和鲍士旦[16]的分析方法进行测定；参照高珊[8]的方法计算土壤全盐量、钠吸附比、植株吸氮量、氮肥利用率、氮肥偏生产力等，具体计算公式如下：

土壤全盐量(g·kg-1)=2.47×EC1∶5+0.26

土壤脱盐率(%)=[播种前土壤盐分含量(g·kg-1)—收获后土壤盐分含量(g·kg-1)]/播种前土壤盐分含量(g·kg-1)×100%

式中，[Na+]、[Ca2+]、[Mg2+]为土壤Na+，Ca2+，Mg2+含量，cmol·kg-1。

植株地上部吸氮量(kg·hm-2)=地上部植株产量(kg·hm-2)×地上部植株全氮质量分数(%)

氮肥利用率(%)=[处理区地上部吸氮量(kg·hm-2)—对照区地上部吸氮量(kg·hm-2)]/处理区施氮量(kg·hm-2)×100%

1.5 数据分析

本研究的数据处理及统计分析均采用Microsoft Excel 2010 软件和IBM SPSS Statistics 20.0软件进行，不同处理间的差异显著性水平运用邓肯(Duncan)法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同改良措施对土壤pH的调控作用

不同改良措施对播种前和收获后0～40 cm土壤pH产生了显著影响(表2)。2019年，不同改良措施能显著降低0～20 cm土壤pH(P<0.05)，其中，CL3处理收获后降低表层(0～20 cm)土壤pH的效果最明显，较播种前降低了0.73，L处理，CL1，CL2处理收获后PH分别较播种前降低了0.13，0.19和0.28。4种改良措施对20～40 cm土壤pH的调控作用不明显，仅CL3处理下，土壤pH显著降低(P<0.05)，较播种前降低了0.55。而在CL2处理下20～40 cm土壤pH比播种前高。2020年，除CK，L处理外，CL1,CL2和CL3处理均能显著降低0～20 cm土壤pH(P<0.05)，且CL3处理降低的幅度最大，达到0.16。各处理20～40 cm土壤pH播种前与收获后无显著差异，其中，CK和L处理呈现出上升趋势。

表2 不同改良措施下0～40 cm土壤pH变化情况

2.2 不同改良措施对土壤盐分的调控作用

在作物生长周期内，土壤盐分呈季节性规律，各处理的土壤盐分均表现出“春季积盐—夏季淋盐—秋季返盐—冬季稳盐”的变化规律(图1)，即春季(3—5月)土壤盐分强烈表聚，夏季(6—8月)土壤快速淋洗脱盐，秋季(9—11月)土壤缓慢积盐，冬季(12—次年2月)土壤盐分稳定，且0～20 cm土壤含盐量的变化较20～40 cm土壤剧烈。CaSO4、生物炭、绿肥等改良措施对0～40 cm土壤盐分含量有一定的调控作用，与对照相比，各改良措施实施2年后，土壤盐分均有不同程度的下降。在2019—2020年，作物生长周期内，对照(CK)0～20 cm，20～40 cm土壤均呈积盐状态，积盐率分别达到7.94%和13.02%；其余处理0～20 cm，20～40 cm土壤均呈脱盐状态，0～20 cm土壤，L，CL1，CL2和CL3脱盐率分别为22.05%，41.16%，39.18%和38.88%；20～40 cm土壤比0～20 cm土壤脱盐率低，L，CL1，CL2和CL3等处理的脱盐率分别为10.48%，18.80%，21.92%和18.95%。

图1 不同改良措施下0～40 cm土壤含盐量变化情况

2.3 不同改良措施对土壤钠吸附比的调控作用

考虑到试验中种植的绿肥作物(毛叶苕子)根系分布较浅，且各改良剂主要施入0～20 cm的土壤表层，因此，在本研究中主要研究了0～20 cm土壤Na+，Ca2+，Mg2+等盐分离子组成情况。土壤钠吸附比(SAR)比值越大，土壤的盐碱化程度越严重。在本试验中，与对照相比，4种改良措施均显著降低了土壤的SAR(表3，P<0.05)。2019年，青贮玉米收获后，在4种改良调控措施中，CL3处理SAR降幅最大，达到了38.01%，CL1处理次之，为30.13%；2020年，青贮玉米收获后，在4种改良调控措施中，CL2处理SAR降幅最大，达到了45.45%，CL1处理次之，为39.65%。从2年的试验结果来看，LC1处理对降低SAR的效果最为明显，其次为CL3，CL2，L。

表3 不同改良措施下0～20 cm土壤钠吸附比变化情况

2.4 不同改良措施对青贮玉米产量与氮素吸收的调控作用

与对照相比，4种改良措施均能显著提高作物的生物产量(表4)。2019年，常规施肥下添加生物炭、CaSO4及种植不同行距的绿肥均能显著提高青贮玉米的产量(P<0.05)。L，CL1，CL2，CL3处理下青贮玉米的产量较对照(CK)分别提高了26.71%，89.29%，58.72%和21.96%，其中，CL1处理增产效果最显著，CL2处理次之；2020年，经改良后的各小区青贮玉米产量有明显提高，L，CL1，CL2和CL3处理玉米产量分别较2019年提高了26.56%，9.97%，28.30%和27.42%；2020年，在4种改良措施中，仍以CL1处理的增产效果最好，与对照相比，青贮玉米产量增加了88.92%，CL2处理次之，二者之间差异不显著，但与其他处理间差异显著(P<0.05)。

由表4可知，4种改良措施均能显著促进玉米地上部吸氮量(P<0.05)。2019年，L，CL1，CL2和CL3处理中，CL1和CL2处理的地上部吸氮量较高，分别较对照(CK)提高了87.02%和69.02%；至2020年，经持续改良后的玉米地上部吸氮量进一步提高，与对照(CK)间差异显著(P<0.05)。经过两年的改良，4种改良措施明显提高了盐渍土氮肥的利用率，CL1处理对氮素吸收利用的提升作用优于其他处理，分别为L，CL2和CL3处理的1.90倍，1.22倍和1.47倍。

表4 不同改良措施对青贮玉米产量和氮肥利用率的影响

3 讨论

3.1 不同改良措施对苏打型土壤盐碱障碍的削减作用

很多盐碱地由于无法从事作物生产而成为撂荒地。但是，只要选择适宜的牧草品种，并加以改良，这类土地可以成为草牧业生产的重要场所[2,17]。

苏打型盐碱土具有土壤交换性Na+含量高的特点[18]，会使得苏打型盐碱土壤通透性差、质地偏砂，并造成土壤养分低，土壤保水力差，严重影响到了作物的生长环境[19]。通过向盐碱土壤中添加具有特殊功能的物质或植物是改变土壤营养元素含量、改善土壤肥力的有效途径。一方面，生物炭或石膏作为盐碱地改良中广泛利用的改良剂[20]，其物质中含有的Mg2+或Ca2+可以置换土壤胶体上Na+，提高土壤阳离子交换量，以减轻单盐毒害，改善土壤盐碱障碍[8]。高珊等[8]在苏北盐碱地的研究结果表明，添加生物炭的处理土壤SAR降低了38.99%，与本试验结果规律基本一致。另一方面，石膏、生物炭等材料，由于其自身结构能起到增加土壤孔隙度，降低土壤容重等作用，可以明显提高土壤导水导盐系数，促进土壤脱盐，岳燕等[21]的试验结果表明，添加生物炭的土柱淋洗后，电导率显著降低。在本试验条件下，添加石膏和生物炭后，各改良处理的脱盐效果均较好，且0～20 cm土壤的降盐效果优于20～40 cm。此外，本研究在应用土壤改良剂的同时，结合了生物改良措施，通过种植具有固氮作用的毛叶苕子来进一步增加土壤养分输入，提高土壤的有机质含量，起到改善土壤生态环境的作用。从本试验结果来看，种植绿肥作物(毛叶苕子)的综合改良处理(CL1，CL2，CL3)对土壤盐分的调控作用显著优于仅使用土壤改良剂的处理(L)(图1，表3)。

3.2 不同改良措施对作物氮素吸收利用的调控

本试验中各改良措施均对青贮玉米的增产和氮素吸收起到了正向促进作用，其中以CL1处理的成效最好(表4)。氮肥利用率的高低会受土壤类型、种植方式、施氮量等因素的影响，而在盐碱环境下，玉米产量及生物量显著低于非盐碱环境[22-23]，本试验条件下，作物的氮肥利用效率非常低，经过2年的改良，氮肥利用率最高的CL1处理，也仅为19.54%，大大低于全国平均氮素利用率(35%～51%)[24]，这一方面可能是由于盐碱土中盐分含量高限制了玉米对养分的吸收，另一方面可能是由于盐碱土土壤结构差，6～8月水热同期时，肥料养分损失量大[23]。在本试验中，与其他改良处理相比，LC1处理下地上总生物量显著增加，这可能是因为LC1处理的种植结构更加合理，一方面有利于植物进行光合作用，另一方面在改良土壤生态的同时更加有效地利用了土地资源，使生态效益和经济效益达到平衡，进而显著提高了生物产量。而CL2和CL3处理虽然对土壤起到了良好的调控作用，但是土地资源利用不充分，未能取到较高的经济效益。

4 结论

本研究通过对不同改良措施下盐碱地土壤化学性质及氮素吸收利用研究，发现应用土壤改良剂的同时结合生物改良的措施能有效促进盐渍土降盐脱碱，改善土壤结构，尤以常规施肥下添加生物炭和CaSO4且以2∶2间作种植毛叶苕子和青贮玉米的处理对盐碱地土壤的改良效果最好，其不仅降低了土壤电导率，而且明显提高了青贮玉米生物产量和氮肥利用率。