腐殖酸钾对滨海粘质盐土主要盐分离子吸附与淋洗的影响

2022-04-14高绪龙毛伟兵孙玉霞曲英杰曲晓玲

节水灌溉 2022年4期

高绪龙，毛伟兵，孙玉霞，曲英杰，曲晓玲

（1.山东农业大学水利土工程学院，山东泰安 271018；2.山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心，济南 250014；3.利津河务局，山东东营 257000）

0 引言

黄河三角洲地区土壤盐渍化程度十分严重，各类盐渍土面积超过24 万hm2，约占该地区土地总面积的44.04%[1]。滨海粘质盐土是该地区最重要的土壤类型，占盐碱土总面积的42.16%[2]。由于土壤有机质含量低、质地黏重，导致土壤结构不良、饱和导水率低[3,4]，造成土壤盐分淋洗困难、含盐量高，影响作物生长和产量[5,6]。NaCl 是滨海粘质盐土中的最主要盐分，其含量占各类盐分的70%以上，因此，如何降低土壤Na+、Cl-含量，成为滨海粘质盐土降盐机理研究的核心问题。各类有机材料在降低土壤盐分含量的同时，还能增加土壤有机质含量[7-11]，与脱硫石膏、沸石[12]等传统无机材料相比优势明显，因此，得到国内外学者的广泛关注。腐殖酸钾是一种绿色、高效、低廉的有机肥料，不仅能显著增加土壤有机质含量，还可提高土壤持水能力、改善土壤吸收性能，在盐碱土改良中可用于调控土壤各类盐分离子的吸附、淋洗性能[13-16]。目前在众多利用腐殖酸钾改良盐碱土的研究中，关注点主要集中在土壤养分、有机质含量以及作物生长和产量变化等方面[17-19]，而关于腐殖酸钾对土壤盐分中不同离子吸附、淋洗特性影响的研究非常少见。本研究通过室内土柱模拟试验，探究腐殖酸钾对滨海粘质盐土盐分及主要离子吸附、淋洗特征的影响，明确腐殖酸钾改良滨海粘质盐土的降盐机理，为黄河三角洲地区滨海粘质盐土改良和高效利用提供科学的理论依据及技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山东省滨州市无棣县谭庄子村(117°92′21″E～117°93′40″E，37°93′38″N～37°94′40″N)，是黄河三角洲地区滨海粘质盐土分布最集中的区域。该地区属温带大陆性季风气候，多年平均降雨量为545 mm，且6-9月降雨量最为集中，占全年降雨量的75%以上，是山东省降雨量最少的地区。多年平均蒸发量为1 885 mm，年均蒸降比超过3，其中4、5月份蒸发量最大，约占全年蒸发量的42%。强烈的蒸发和极少的降雨导致研究区春季土壤返盐严重，土壤盐分表聚，表层土壤含盐量一般在6.5～10 g/kg 之间，局部地区甚至超过25 g/kg。浅层地下水平均埋深约为1.5 m，矿化度一般为8～15 g/L，局部沿海地区可达30 g/L 以上，盐分类型以NaCl 为主，占总盐分比例超过70%，其中Cl-占阴离子总量的65%～85%左右，Na+占阳离子总量的60%～80%左右。

1.2 试验材料

试验用土取自山东省滨州市无棣县谭庄子村田间试验区，腐殖酸钾由山东农大肥业科技有限公司提供，试验所用咸水取自试验田旁浅层地下水，淡水为蒸馏水。腐殖酸钾主要成分见表1，粘质盐土和咸水的盐分、离子含量见表2。

表1 腐殖酸钾主要成分的测定结果Tab.1 Determination results of the main components of potassium humate

表2 粘质盐土、咸水的盐分及离子含量Tab.2 Salt and ion content of clayey saline soil and salt water

1.3 试验设计

1.3.1 土柱设计和填装

本研究采用的土柱外壳由PVC 管制成，土柱高度为200 mm，内径为100 mm，土柱底部是与柱体相配套的圆形底盖，底盖上打有若干孔径均匀的小孔作为出水口。为避免底层土壤渗漏，造成出水口堵塞，在土壤底部铺盖5 mm 厚的石英砂层，同时在石英砂层下铺垫两张与土柱等直径滤纸，避免石英砂在淋洗过程中淋失，影响试验结果。为便于土壤淋滤液的收集，利用塑料漏斗托住土柱底部，置于500 mL烧杯上方。

粘质盐土经自然风干、研磨、过2 mm 筛后，与腐殖酸钾混合均匀，按照田间土壤实际容重1.49 g/cm3填装至土柱，控制各土柱质量基本一致。根据腐殖酸钾添加量的不同，共设置5 组处理：CK(0 g/kg)、T1(0.6 g/kg)、T2(1.2 g/kg)、T3(1.8 g/kg)、T4(2.4 g/kg)，每组处理设3个重复，各处理土柱的粘质盐土和腐殖酸钾设计重量见表3。

表3 室内土柱模拟试验材料配比用量Tab.3 Proportion of materials for indoor soil column simulation test

1.3.2 试验方法

土柱填装完毕后，为确保腐殖酸钾与粘质盐土在自然状态下充分混合，试验开始前将土柱置于干燥通风的实验室6个月。试验开始后，首先用700 mL 咸水按少量多次的方法对土柱进行淋洗，静置，待淋滤液体积不再增加为止；再用140 mL 淡水(模拟当地田间洗盐灌水量)淋洗土柱。分别收集两次淋洗后的土壤淋滤液，测定其体积、电导率值及离子含量。

1.4 测定指标

(1)土壤含盐量：风干土样研磨后，过1 mm 筛，按照土水比1∶5 制取土壤浸提液，经振荡、离心、过滤后，使用电导率仪(DDS-307A 型)测定电导率值，根据前期试验得到的电导率值与土壤含盐量间的标定方程，计算土壤含盐量。

式中：y为土壤含盐量，g/kg；x为25 ℃下土壤浸提液电导率值，mS/cm。

(2)离子含量：测定土壤含盐量后的土壤溶液及土壤淋滤液经0.22 μm微孔滤膜过滤后，利用离子色谱仪(ICS-600型)测定土壤可溶性Na+、Cl-、SO42-含量。

1.5 数据分析

利用Microsoft Excel 2010、SPSS 24.0 软件进行数据处理和统计分析，采用LSD 法，对不同处理进行差异显著性检验，显著性水平为0.05，极显著性水平为0.01，文中所有图形的绘制均在Microsoft Excel 2010中完成。

2 结果与分析

2.1 腐殖酸钾添加量对土壤含盐量的影响

2.1.1 腐殖酸钾添加量对土壤盐分吸附的影响

从图1可见，咸水淋洗前，土柱内土壤含盐量呈现出随腐殖酸钾添加量增加而略有上升的变化趋势，原因是腐殖酸钾的含盐量明显高于粘质盐土。经过少量多次的咸水淋洗，土柱内土壤吸附了咸水中的大量盐分，使得各土柱内土壤含盐量明显增加，CK、T1、T2、T3、T4 五个处理的土壤含盐量分别增加了20.67%、16.16%、12.62%、9.80%、11.21%，但腐殖酸钾处理的土壤含盐量增幅明显小于CK。与CK 相比，T1、T2、T3、T4 四个处理的土壤含盐量分别降低了3.74%、6.67%、9.01%、7.84%，均与CK差异极显著(P＜0.01)。

土壤含盐量增加量为咸水淋洗后土柱内土壤盐分吸附数量的增加量。由图1可知，腐殖酸钾处理的土壤含盐量增加量均低于CK。与CK 相比，T1、T2、T3、T4 四个处理的土壤含盐量增加量分别降低了26.68%、48.61%、67.13%、65.10%，与CK 的差异均达到极显著水平(P＜0.01)。结果表明，腐殖酸钾能够明显改善粘质盐土吸附特性，减少土壤盐分吸附数量。

图1 咸水淋洗后土柱内土壤含盐量变化Fig.1 Changes of soil salt content in soil column after salt water leaching

2.1.2 腐殖酸钾添加量对土壤盐分淋洗的影响

由图2可知，经过淡水淋洗，各处理土柱内土壤含盐量明显下降，CK、T1、T2、T3、T4 五个处理的土壤含盐量分别降低了9.40%、14.29%、18.70%、20.59%、20.46%，且腐殖酸钾处理的土壤含盐量降幅明显大于CK。与CK 相比，T1、T2、T3、T4 四个处理的土壤含盐量分别降低了5.4%、10.27%、12.36%、12.21%，与CK的差异均达到极显著水平(P＜0.01)。

土壤含盐量减少量为淡水淋洗后土柱内土壤盐分的淋洗数量。从图2可见，腐殖酸钾处理的土壤含盐量减少量均高于CK。与CK 相比，T1、T2、T3、T4 四个处理的土壤含盐量减少量分别升高了12.22%、28.01%、23.20%、34.28%，其中T2、T3、T4 处理与CK 的差异达到极显著水平(P＜0.01)。结果表明，腐殖酸钾能够促进土壤盐分淋洗，提高土壤盐分淋洗效率，即在灌溉水量相同的条件下，能够淋洗出更多的土壤盐分，但由于腐殖酸钾自身含有一定盐分，利用其改良粘质盐土时，需要将添加量控制在适宜范围内。

图2 淡水淋洗后土柱内土壤含盐量变化Fig.2 Changes of soil salt content in soil column after freshwater leaching

2.2 腐殖酸钾添加量对土壤Cl-含量的影响

2.2.1 腐殖酸钾添加量对土壤Cl-吸附的影响

腐殖酸钾的Cl-含量远高于粘质盐土，导致咸水淋洗前土柱内土壤Cl-含量随腐殖酸钾添加量增加而升高，见图3。经过咸水淋洗，粘质盐土吸附了大量Cl-，各处理土柱内土壤Cl-含量明显升高，CK、T1、T2、T3、T4 五个处理的土壤Cl-含量分别增加了22.83%、17.52%、14.10%、12.53%、10.66%，但腐殖酸钾处理的土壤Cl-含量增幅明显小于CK。与CK相比，T1、T2、T3、T4 四个处理的土壤Cl-含量分别降低了4.33%、7.11%、8.39%、9.91%，均与CK差异极显著(P＜0.01)。

土壤Cl-含量增加量为咸水淋洗后土柱内土壤Cl-吸附数量的增加量。由图3可知，腐殖酸钾处理的土壤Cl-含量增加量均低于CK，T1、T2、T3、T4 四个处理的土壤Cl-含量增加量较CK 分别降低了28.06%、47.81%、59.45%、72.42%，与CK的差异均达到极显著水平(P＜0.01)。结果表明，腐殖酸钾能够抑制粘质盐土对Cl-的吸附，且随着腐殖酸钾添加量增加，土壤Cl-含量增加量呈降低的变化趋势。

图3 咸水淋洗后土柱内土壤Cl-含量变化Fig.3 Changes of soil Cl-content in soil column after salt water leaching

2.2.2 腐殖酸钾添加量对土壤Cl-淋洗的影响

从图4可见，淡水淋洗后，各处理土柱内土壤Cl-含量明显下降，CK、T1、T2、T3、T4 五个处理的土壤Cl-含量分别降低了13.23%、20.15%、23.64%、26.20%、27.48%，且腐殖酸钾处理的土壤Cl-含量降幅明显大于CK。与CK 相比，T1、T2、T3、T4 四个处理的土壤Cl-含量分别降低了7.97%、11.99%、14.94%、16.42%，与CK 的差异均达到极显著水平(P＜0.01)。

图4 淡水淋洗后土柱内土壤Cl-含量变化Fig.4 Changes of soil Cl-content in soil column after fresh water leaching

土壤Cl-含量减少量为淡水淋洗后土柱内土壤Cl-的淋洗数量。由图4可知，腐殖酸钾处理的土壤Cl-含量减少量明显高于CK。与CK 相比，T1、T2、T3、T4 四个处理的土壤Cl-含量减少量分别升高了19.56%、24.91%、34.61%、32.82%，均与CK差异极显著(P＜0.01)。结果表明，腐殖酸钾能够显著提高土壤Cl-淋洗数量，促进土壤Cl-淋洗，且随着腐殖酸钾添加量增加，土壤Cl-含量减少量呈先升高后略微降低的变化趋势。

2.3 腐殖酸钾添加量对土壤SO42-含量的影响

2.3.1 腐殖酸钾添加量对土壤SO42-吸附的影响

从图5可见，咸水淋洗前土柱内土壤SO42-含量随腐殖酸钾添加量增加而升高，原因为腐殖酸钾的SO42-含量高于粘质盐土。经过咸水淋洗，大量SO42-被粘质盐土吸附，各处理土壤SO42-含量明显升高，CK、T1、T2、T3、T4 五个处理的土壤SO42-含量分别增加了16.57%、12.94%、10.40%、7.81%、5.09%，但腐殖酸钾处理的土壤SO42-含量增幅明显小于CK。与CK 相比，T1、T2、T3、T4 四个处理的土壤SO42-含量分别降低了3.12%、5.29%、7.52%、9.85%，均与CK 差异极显著(P＜0.01)。

图5 咸水淋洗后土柱内土壤SO42-含量变化Fig.5 Changes of soil SO42-content in soil column after salt water leaching

土壤SO42-含量增加量为咸水淋洗后土柱内土壤SO42-吸附数量的增加量。由图5可知，腐殖酸钾处理的土壤SO42-含量增加量均低于CK。与CK 相比，T1、T2、T3、T4 四个处理的土壤SO42-含量增加量分别降低了27.01%、47.34%、68.04%、89.52%，与CK 的差异均达到极显著水平(P＜0.01)。结果表明，腐殖酸钾能够减少SO42-吸附数量，降低土壤SO42-含量，且随着腐殖酸钾添加量增加，土壤SO42-含量增加量基本呈线性降低的变化趋势。

2.3.2 腐殖酸钾添加量对土壤SO42-淋洗的影响

由图6可知，淡水淋洗后，各处理土壤SO42-含量明显降低，CK、T1、T2、T3、T4五个处理的土壤SO42-含量分别降低了12.01%、17.59%、20.94%、23.41%、26.94%，且腐殖酸钾处理的土壤SO42-含量降幅明显大于CK。与CK 相比，T1、T2、T3、T4 四个处理的土壤SO42-含量分别降低了6.34%、10.16%、12.95%、16.97%，与CK的差异均达到极显著水平(P＜0.01)。

土壤SO42-含量减少量为淡水淋洗后土柱内土壤SO42-的淋洗数量。从图6可见，腐殖酸钾处理的土壤SO42-含量减少量明显高于CK。与CK 相比，T1、T2、T3、T4 四个处理的土壤SO42-含量减少量分别升高了20.51%、30.35%、32.33%、42.31%，其中TI 处理与CK 差异显著(P＜0.05)，T2、T3、T4 处理与CK 的差异达到极显著水平(P＜0.01)。结果表明，腐殖酸钾能够提高土壤SO42-淋洗数量，促使SO42-排出土体，且随着腐殖酸钾添加量增加，土壤SO42-含量减少量呈上升的变化趋势。

图6 淡水淋洗后土柱内土壤SO42-含量变化Fig.6 Changes of soil SO42-content in soil column after fresh water leaching

2.4 腐殖酸钾添加量对土壤Na+含量的影响

2.4.1 腐殖酸钾添加量对土壤Na+吸附的影响

从图7可见，由于腐殖酸钾的Na+含量明显高于粘质盐土，导致咸水淋洗前土壤Na+含量随腐殖酸钾添加量增加而增大。咸水淋洗后，土壤胶体吸附了大量Na+，各处理土壤Na+含量明显升高，CK、T1、T2、T3、T4 五个处理的土壤Na+含量分别增加了22.83%、17.52%、14.10%、12.53%、10.66%，但腐殖酸钾处理的土壤Na+含量增幅明显小于CK。与CK 相比，T1、T2、T3、T4 四个处理的土壤Na+含量分别降低了4.14%、9.05%、10.16%、9.6%，其中T1 处理与CK 差异显著(P＜0.05)，T2、T3、T4处理与CK的差异达到极显著水平(P＜0.01)。

图7 咸水淋洗后土柱内土壤Na+含量变化Fig.7 Changes of soil Na+content in soil column after salt water leaching

土壤Na+含量增加量为咸水淋洗后土柱内土壤Na+吸附数量的增加量。由图7可知，腐殖酸钾处理的土壤Na+含量增加量均低于CK。与CK 相比，T1、T2、T3、T4 四个处理的土壤Na+含量增加量分别降低了21.84%、 47.51%、 54.10%、52.31%，其中T1 处理较CK 有显著差异(P＜0.05)，T2、T3、T4处理与CK 差异极显著(P＜0.01)。结果表明，腐殖酸钾能够明显改善粘质盐土对Na+的吸附特性，减少Na+吸附数量，且随着腐殖酸钾添加量增加，土壤Na+含量增加量呈先下降后逐渐稳定的变化趋势。

2.4.2 腐殖酸钾添加量对土壤Na+淋洗的影响

由图8可知，淡水淋洗后，各处理土壤Na+含量明显降低，CK、T1、T2、T3、T4 五个处理的土壤Na+含量分别降低了10.52%、17.60%、24.04%、25.07%、25.92%，且腐殖酸钾处理的土壤Na+含量降幅明显大于CK。与CK 相比，T1、T2、T3、T4 四个处理的土壤Na+含量分别降低了7.91%、15.1%、16.26%、17.21%，与CK的差异均达到极显著水平(P＜0.01)。

土壤Na+含量减少量为淡水淋洗后土柱内土壤Na+的淋洗数量。从图8可见，腐殖酸钾处理的土壤Na+含量减少量明显高于CK。与CK相比，T1、T2、T3、T4四个处理的土壤Na+含量减少量分别升高了27.85%、42.41%、41.64%、55.04%，其中TI 处理与CK 差异显著(P＜0.05)，T2、T3、T4 处理与CK 的差异达到极显著水平(P＜0.01)。结果表明，腐殖酸钾可有效提高土壤Na+淋洗数量，降低土壤Na+含量，且随着腐殖酸钾添加量增加，土壤Na+含量减少量呈上升的变化趋势。

图8 淡水淋洗后土柱内土壤Na+含量变化Fig.8 Changes of soil Na+content in soil column after fresh water leaching

3 讨论

3.1 腐殖酸钾对土壤Cl-吸附、淋洗的影响

受区域内浅层地下水离子组成的影响，黄河三角洲地区的粘质盐土为典型的氯化物型盐渍土，而土壤Cl-含量过高，会破坏作物正常的生理代谢进程，严重危害作物生长[20,21]。因此，提高土壤Cl-淋洗效率，降低土壤Cl-含量对于作物生长环境的改善具有重要意义。本研究发现：与CK 相比，腐殖酸钾处理的土壤Cl-含量明显降低，原因为腐殖酸钾含有多种带负电的官能团，溶于水后能够明显增强土壤胶体的电负性[22]，进而增大了土壤胶体与Cl-间斥力，导致Cl-更难被土壤胶体吸附，吸附数量明显降低，这有利于降低土壤Cl-浓度，减轻Cl-对作物生长的毒害作用，与刘雅辉[23]，王鹏山[24]等人的研究结果相一致；同时Cl-自身性质稳定，不易与土壤其他离子发生化学反应生成络合物或沉淀，随水分迁移运动速度快[25]，添加腐殖酸钾后，Cl-淋洗效率明显提高，即在淋洗水量相同的条件下，更多的Cl-随水分运动排出土体，这有助于减少灌溉洗盐的淡水用量，可在一定程度上缓解黄河三角洲地区淡水资源紧张的现状。

3.2 腐殖酸钾对土壤Na+吸附、淋洗的影响

Na+作为重要的土壤分散剂，含量过高会导致土壤颗粒膨胀，使土壤粘粒和团聚体分散，造成土壤结构恶化，表现为土壤紧实板结，通透性差[26,27]，土壤盐分淋洗困难，成为限制黄河三角洲地区粘质盐土资源高效利用的关键因素。研究表明，脱硫石膏能够有效降低土壤Na+含量，但改良成本相对较高，难以在农田进行大面积推广，同时脱硫石膏也会将Hg、As 等重金属元素引入土壤，长期施用会增大土壤重金属污染的潜在风险[28]，故不适用于黄河三角洲地区粘质盐土改良。腐殖酸钾作为一种高效、绿色、经济、实用的新型改良材料，含有羧基、羟基[29]等多种活性含氧基团，极大地增强了粘质盐土阳离子交换能力，同时腐殖酸钾本身含有的Ca2+、Mg2+与土壤胶体吸附力更强，能够将被土壤胶体吸附的Na+置换到土壤溶液中，使得粘质盐土对Na+的吸附作用减弱，Na+淋洗速率加快，Na+含量降低，土壤结构状况改善，导水性能提升，有利于提高土壤盐分淋洗效率[30,31]，增强土壤盐分淋洗效果，减轻黄河三角洲地区土壤盐渍化程度[32,33]。

综合考虑各处理腐殖酸钾的降盐效果和经济成本，对黄河三角洲地区滨海粘质盐土进行改良，腐殖酸钾的推荐添加量为1.8 g/kg，后续应进一步开展腐殖酸钾针对不同质地盐渍土的降盐机理研究。