组合添加物对吉林西部苏打盐碱土改良效果的试验研究

2022-02-13高金花章晓晖

节水灌溉 2022年1期

毛硕，高金花，章晓晖

（1.长春工程学院水利与环境工程学院，长春130012；2.吉林省水工程安全与灾害防治工程实验室，长春130012）

0 引言

吉林西部是我国盐碱土面积最大的地区，盐碱土面积约342 万hm2，其盐渍土类型主要为苏打盐碱土，土壤盐分以Na2CO3和NaHCO3为主[1,2]。吉林西部作为我国粮食的主产区，随着土壤盐碱化趋势越来越严重，严重制约了松嫩平原的农业生产。因此，改良盐渍土、改善吉林省西部盐碱土农业环境，是亟待解决的问题[3-8]。

为了改变土壤的理化性质，使用化学改良剂来改良盐渍土由来已久[9-12]。国内外学者围绕改变土壤的理化性质做了添加不同改良剂的一系列研究。有研究表明磷石膏呈酸性，能够有效置换出盐碱土中的Na+，提高土壤结构的稳定性和渗透性[13,14]。同时还可以降低土壤pH 和钠吸附比，提高土壤中有机质含量，促进植物生长[15-18]。生物炭的微孔结构丰富，可以提高土壤孔隙度，增大阳离子交换量，从而降低pH 和含盐量[19-21]。蚯蚓粪富含微生物、生物活性物质等[22]，在施入盐碱土壤后可以限制Na+进入土壤团聚体，增加土壤肥力[23-25]。

国内外研究中针对磷石膏、生物炭和蚯蚓粪进行一种或两种添加物改良实验较多，本研究选用此3种材料混掺作为添加物，对吉林西部苏打盐碱土进行改良实验，分析在不同掺量下的组合添加物对吉林西部苏打盐碱土改良效果的影响，并通过综合评价方法，选择出最优的改良方案，为改良吉林西部苏打盐渍土提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

吉林西部位于松嫩平原的西南部，四季温度变化差异大，年平均气温在4.9 ℃，年均降水量350～500 mm，主要集中在6-8月，年均蒸发量1 500～1 900 mm，年均蒸发量与降水量的比值约为3.4～4.9，是典型的盐碱土形成的气候特征带。本试验用土取自吉林省松原市乾安县所字镇图字村东北方向2.7 km处图字泡（E123°49′11.49″，N44°44′2.84″）的湖漫滩地，取土点地理位置见图1。

1.2 供试材料

1.2.1 供试土壤

供试土壤质地为砂质壤土，含盐量8.16 g/kg，风干含水率2%，其他基本理化性质见表1。

1.2.2 供试改良物质

供试磷石膏：磷石膏废渣由湖北宜化肥业有限公司磷肥厂提供，其中主要成分SO3（39.22%）、CaO（29.8%）。

供试生物炭：生物质炭产自南京智融联科技有限公司，pH值为8.45，有机碳含量59.8%。

供试蚯蚓粪肥：蚯蚓粪是由奶牛养殖场的牛粪喂养蚯蚓，经过蚯蚓生物体的分解，多次过筛灭菌处理制成的，pH 值为6.51，腐殖酸含量16.3%，有机质含量46.81%。

1.3 试验设计与方法

1.3.1 试验设计

试验采用3 因素3 水平9 个处理（L33）的正交试验设计，每个处理3次重复，各组改良剂的用量均为相对于土样的百分比，组合方式如表2所示（试验蚯蚓粪掺量参考卢垟杰等人的研究结果[26]）。

表2 试验方案Tab.2 Test plan

采集后的土壤经风干后，进行盆栽试验，用盆规格为直径10 cm，上口径18 cm，高12 cm，土壤过2 mm 筛子，每盆装入1.5 kg供试土壤，并与各组改良剂均匀混合装入盆中，每隔3 d进行浇水处理，湿润土壤。自装盆之日起，试验持续60d，分别于间隔3、5、10、25、60 d 采集土壤样品，用于土壤理化性质和养分指标的分析。

1.3.2 测定指标与方法

试验土壤指标测定主要包括土壤pH 值、电导率（EC）、阳离子交换量（CEC）、交换性钠离子、碱化度（ESP）、钠吸附比（SAR）。各指标的测定参照《土壤农化分析》，具体方法见表3。

表3 土壤理化性质指标的测定方法Tab.3 Determination methods of soil physical and chemical properties

1.3.3 数据处理与统计分析

试验数据采用Excel2016 进行统计和数据处理，通过SPSSv22.0 进行数据处理，并对数据利用主成分分析法进行效果评估，采用Origin2018进行绘图。

2 结果与分析

2.1 组合改良剂对部分土壤指标的影响

2.1.1 组合改良剂对土壤pH值的影响

3 种因素不同水平改良60 d 后土壤pH 的结果不同（见图2），其中A、B、C 分别表示因素磷石膏、生物炭和蚯蚓粪的不同水平，即图中9 个柱形依次表示磷石膏的4%、6%、8%水平，生物炭的2%、4%、6%水平，蚯蚓粪的5%、10%、15%水平（下同）。与CK 组的pH 值9.81 相比，经过不同水平的磷石膏和不同水平的蚯蚓粪处理的土壤pH 显著降低，磷石膏的3个水平分别降低了2.30、2.37、2.52个单位，蚯蚓粪的3个水平分别降低了2.32、2.41、2.46 个单位，说明磷石膏的施用和蚯蚓粪的施用均能够有效降低土壤的pH 值。随着磷石膏和蚯蚓粪用量的逐渐增加，土壤pH 越低，且各水平间差异显著，所以A3和C3分别为磷石膏和蚯蚓粪的最优水平。在生物炭改良剂因素中，分别比原土组降低了2.40、2.38、2.41 个单位，各水平的土壤pH 不存在显著性差异。3 个因素对土壤pH值的改良作用大小依次为磷石膏＞蚯蚓粪＞生物炭。

图2 不同因素水平下的土壤pH值Fig.2 Soil pH under different factor levels

2.1.2 组合改良剂对土壤交换性钠离子的影响

3种因素不同水平改良60 d后土壤交换性钠离子含量的结果不同（见图3），各组交换性钠离子含量较原土对照组的5.97 cmol/kg 含量相比均显著降低。由离差平方和可知，磷石膏改良剂因素对土壤交换性钠离子的影响最大，分别降低了45.23%、47.57%和48.74%，各组之间差异达到极显著水平。生物质炭改良剂因素对土壤交换性钠离子影响次之，各组之间差异达到显著水平。随着磷石膏和生物炭施用量的增加，土壤交换性钠离子逐渐减少，所以A3和B3为磷石膏因素和生物质炭因素的最优水平，分别降低了47.40%和48.74%。蚯蚓粪对交换性钠离子无显著影响。在蚯蚓粪改良剂因素中，各水平的土壤交换性钠离子不存在显著性差异，分别比原土组降低了47.24%、47.40%、46.90%。3 个因素对土壤交换性钠离子含量的改良作用大小依次为磷石膏＞生物炭＞蚯蚓粪。

图3 不同因素水平下的土壤交换性钠离子含量Fig.3 Soil exchangeable sodium ion content under different factor levels

2.1.3 组合改良剂对土壤碱化度的影响

3种因素不同水平改良60 d后土壤碱化度的结果不同（见图4），各组土壤碱化度较原土对照组均显著降低。由离差平方和可知，磷石膏改良剂因素对土壤碱化度的影响最大，分别降低了41.89、43.73、44.69 个百分点，各组之间差异明显。生物质炭改良剂因素对土壤碱化度影响次之，各组之间差异达到显著水平。随着磷石膏和生物炭施用量的增加，土壤碱化度逐渐减少，所以A3和B3为磷石膏因素和生物质炭因素的最优水平。在蚯蚓粪改良剂因素中，各水平的土壤碱化度不存在显著性差异。3个因素对土壤碱化度的改良作用大小依次为磷石膏＞生物炭＞蚯蚓粪。

图4 不同因素水平下的土壤碱化度Fig.4 Soil alkalinity under different factor levels

2.1.4 组合改良剂对土壤钠吸附比的影响

3 种因素不同水平改良60 d 后土壤钠吸附比的结果不同（见图5），与CK 组相比，经过不同水平的磷石膏和不同水平的生物炭处理的土壤的钠吸附比显著降低，分别降低了51.91%、54.17%、58.40%和53.51%、54.91%、56.06%，说明磷石膏的施用和生物炭的施用均能够有效降低土壤的钠吸附比。随着磷石膏和生物炭用量的逐渐增加，土壤钠吸附比越低，且各水平间差异显著，所以A3和B3分别为磷石膏和生物炭的最优水平。蚯蚓粪中富含微生物，能够改善土壤结构，降低交换性钠离子含量，从而间接降低土壤的钠吸附比。在蚯蚓粪改良剂因素中，分别比原土组减低了55.26%、54.84%、54.39%，各水平的土壤钠吸附比不存在显著性差异。3个因素对土壤钠吸附比的改良作用大小依次为磷石膏＞生物炭＞蚯蚓粪。

图5 不同因素水平下的土壤钠吸附比Fig.5 Soil sodium adsorption ratio under different factor levels

2.2 组合添加剂对盐碱土改良效果的综合评价

2.2.1 各试验指标的相关性分析

经各组改良处理的盐碱土的各项指标发生了很大变化，60 d各试验指标测定结果见表4，对各项试验指标利用Pearson相关进行相关性分析见表5[27]。

表4 60天后各试验指标测定结果Table 4 Test results of each test index after 60 days

表5 各指标相关性分析Tab.5 Correlation analysis of various indicators

土壤pH 值与土壤电导率呈极显著负相关，与阳离子交换量呈显著负相关，与碱化度和钠吸附比呈显著正相关，与交换性钠相关性不显著。土壤电导率与钠吸附比呈极显著负相关，而与其他指标相关性不显著。阳离子交换量与碱化度呈极显著负相关，与交换性钠、钠吸附比呈显著负相关。交换性钠与碱化度、钠吸附比呈极显著正相关。碱化度与钠吸附比呈极显著正相关。有机质与其他测定指标相关性不显著。

2.2.2 主成分分析提取

通过利用SPSS 软件进行主成分分析提取，结果见表6。并利用SPSS软件进行Bartlett球形检验，得出KMO值为0.782＞0.7，可以进行因子分析。根据主成分特征值＞1 的原则，提取出了2个主成分。第一主成分和第二主成分方差贡献率分别为71.637%和17.619%，两个主成分的累计方差贡献率达到了89.255%＞85%。因此，可以利用这两种主成分对土壤改良效果进行评价。

表6 主成分分析提取结果Tab.6 Principal component analysis extraction results

由表7 可知，土壤pH、交换性钠、碱化度和钠吸附比这些指标在第一主成分上的荷载较大，因此，第一主成分代表了这些指标。土壤的电导率、阳离子交换量和有机质在第二主成分上的荷载较大，所以，第二主成分代表了3个指标。

表7 各指标的主成分矩阵Tab.7 Principal component matrix of each index

2.2.3 计算主成分评分及综合得分

根据各主成分系数矩阵分析，得到和主成分评分的函数表达式，分别为：

将土壤指标数据进行Z标准化后代入上述表达式中，得到各主成分得分情况。再根据各主成分的方差贡献率，利用计算公式（1），算出各组处理的综合得分，得分结果见表8。通过各处理中两个主成分得分及综合得分的比较，得出9 号A3B3C2组合添加剂掺量为最优组合。

表8 各处理综合得分Tab.8 Comprehensive scores of each treatment

式中：ai表示第i个主成分的方差贡献率（i=1，2）；Yi表示第i个主成分的得分。

3 讨论

磷石膏、生物炭和蚯蚓粪的组合添加物的不同掺量均能对吉林西部盐碱土的一些指标进行改良，具有一定的改良效果。随着试验的进行，60 d时各试验指标变化趋势稳定。磷石膏本身呈酸性，含有游离的磷酸，可以显著降低盐碱土的pH值，除此之外，磷石膏中的钙离子可与盐碱土中的碳酸根、碳酸氢根发生化学反应，也可以降低土壤pH 值。磷石膏中的硫酸钙能有效置换盐碱土中交换性钠，降低土壤中交换性钠离子含量，这与陈健[15-18]等研究结果一致。蚯蚓粪中含有大量微生物，可以显著改善土壤化学性质，提高土壤阳离子交换量，能够对盐碱土壤进行有效改善。这与王庆蒙[24]等研究结果一致。生物炭含有大量的灰分，水溶液呈碱性，会使土壤pH值略微上升，但随着试验的进行，生物炭的水解效应小于本身对土壤的缓冲效应，能够使土壤pH 值、含盐量均有小幅下降，土壤阳离子交换量增大，一定程度上改善了盐土环境，这与黄成真[19-21]等研究结果一致。本研究通过组合添加物的改良，测量一些土壤的化学指标，并对改良效果利用评价函数进行综合评价分析，进行量化，从而确定出最优组合，同时发现组合添加物可以有效改良吉林西部盐碱土，提高土地资源利用率。