玉米秸秆和Al2（SO4）3对苏打盐碱土 主要盐碱化指标的影响

王 楠，张 鑫，刘金华，臧金宇，赵兴敏，王鸿斌，赵兰坡

[吉林农业大学资源与环境学院，农业农村部盐碱土改良与利用（东北内陆盐碱地） 重点实验室，吉林 长春 130118］

我国松嫩平原盐碱地面积约为500万hm2，而吉林省西部盐碱土总面积约为173万hm2，占松嫩平原总面积的34%[1］，是世界三大盐碱地集中区之一。在农业生产中，盐碱化土壤是低产土壤。吉林省西部水田面积占耕地面积的21.9%，受盐碱地影响，单产仅为3000 kg/hm2[2］，其余大部分则是低产低效的旱田[3］。但盐碱地分布区大多地势平坦、土层深厚并且便于灌溉。因此，盐碱土又是一种开发利用潜力巨大的土地资源。盐碱土具有可溶性盐含量和pH值高等特点，导致土壤肥力弱，粮食产量普遍较低[4］。在土壤众多理化指标中，土壤碱化度是一个重要的土壤性质，影响土壤养分的有效性[5］。盐碱土区土壤pH值、可溶性盐含量和碱化度能够体现出苏打盐碱土改良的效果[6］，探明以上指标的变化对于综合评价盐碱化的改良效果具有重要意义。

近年来，盐碱土改良利用成为人们研究的热点，许多学者采用物理、化学、生物等[7-9］方法对盐碱土进行改良，并取得了一定的成效。本课题组一直致力于苏打盐碱土的改良利用，并且在Al2（SO4）3作为化学改良剂改良苏打盐碱土方面已取得了诸多研究成果。研究发现，苏打盐碱土加入Al2（SO4）3后，可明显降低土壤的pH值，并且随着Al2（SO4）3加入次数的增加，pH值逐渐降低[10］。盐碱土中加入Al2（SO4）3后，溶解态Na+增多[11］。马玉涛 等[12］通过田间试验研究施用Al2（SO4）3对新开垦苏打盐碱水田的快速改良和培肥效果时发现，施用Al2（SO4）3后土壤碱化度显著降低。王宇等[13］研究表明，Al2（SO4）3加入盐碱土后，土壤pH值降低、阳离子交换量呈显著递增趋势，碱化度明显降低，表明土壤结构得到了良好改善。在土壤盐碱化程度得以降低的基础上，进一步增加有机质含量，提高盐碱土肥力，是实现粮食增产的又一重要举措。目前，提高盐碱土有机质含量切实可行的方法就是秸秆还田[14］。秸秆还田既能改善土壤的理化性质[15］，又可以为土壤提供养分[16-17］，是一种有效的盐碱土改良方法。秸秆还田对表层土壤pH值的影响较大，且随着还田年限的延长，土壤pH值表现出一定的下降趋势[18］，同时，秸秆还田增加了土壤中的阳离子交换量，进而使土壤的碱化度降低，明显改良了盐碱化土壤[19］。

目前，关于Al2（SO4）3、秸秆单一使用对盐碱土的改良已经开展了一些研究[12，16-18］，但关于二者同时使用对苏打盐碱土的改良效果及机制尚不清楚。因此，本文以吉林省西部苏打盐碱土为供试土壤，研究玉米秸秆和Al2（SO4）3对苏打盐碱土pH值、可溶性盐含量和阳离子交换量的复合作用效果，并进一步揭示苏打盐碱土盐分和碱化度的变化，为苏打盐碱土高效改良及合理施用提供理论 依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试硫酸铝为工业Al2（SO4）3。

供试玉米秸秆取自吉林农业大学试验田，田间自然风干后再放入25oC烘干箱中烘干，取出杂物，粉碎并过1 mm筛，此秸秆的有机碳含量为486.14 g/kg。

供试苏打盐碱土采自吉林省大安市安广镇乐胜乡（45.56° N，123.78° E），采用对角线布点法，共布置36个采样点，每个采样点采样深度为0～20 cm，样品采集后混合均匀，用四分法获取4 kg。样品带回实验室后，自然风干，研磨过2 mm筛备 用[20］，苏打盐碱土的主要化学指标如表1所示。

表1 苏打盐碱土的主要化学指标

1.2 室内模拟试验

试验中玉米秸秆和Al2（SO4）3分别设置4个和6个用量水平，共计24个处理，具体情况见 表2。依据表2中各处理的设置情况，向500 g苏打盐碱土中分别加入一定量的玉米秸秆和Al2（SO4）3， 并与土壤充分混匀后，向其中加入蒸馏水至土壤含水率为15%。将培养盒置于25℃恒温培养箱中，共计培养300 d。期间保持恒定含水量。培养结束后，将土壤样品风干，进行盐碱化指标的分析 测试。

表2 培养试验设计（%）

1.3 土壤基本理化性质的测定方法

供试苏打盐碱土pH值采用电位法（水土比为5∶1）测定[21］；Ca2+、Mg2+采用EDTA络合滴定 法[21］测 定；Na+、K+采 用 火 焰 光 度 法 测 定[21］，CO32-、HCO3-采用双指示剂中和滴定法测定[22］；阳离子交换量（CEC）采用乙酸钠-火焰光度法测 定[21］；交换性钠采用NH4OAc-NH4OH火焰光度法测定[21］。

土壤碱化度（ESP）是指土壤胶体吸附的交换性Na+占阳离子交换量的百分率。

碱化度（%）=交换性钠含量（Na+cmol/kg）/阳离子交换量（cmol/kg）×100

1.4 数据处理

本试验采用Origin 2018进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 玉米秸秆和Al2（SO4）3施入苏打盐碱土后pH值的变化

图1为添加玉米秸秆和Al2（SO4）3对苏打盐碱土pH值的影响。整体而言，随着Al2（SO4）3加入量的增加，苏打盐碱土pH值明显降低；而秸秆的引入，也略微促进了pH值的降低。当Al2（SO4）3加入量≤0.8%时，苏打盐碱土的pH值随 Al2（SO4）3加入量增加表现为急剧下降的趋势，下降幅度为1.330～1.935个单位。在Al2（SO4）3加入量为0.8%～2.0%时，苏打盐碱土pH值基本呈缓慢下降的趋势，降幅为0.090～0.285个单位。在未添加玉米秸秆时，Al2（SO4）3加入量越大，苏打盐碱土pH值降低越多。与A0S0相比，在A0.4～2.0S0这些处理中，苏打盐碱土的pH值下降幅度为1.36～2.08个单位。在Al2（SO4）3加入量相同时，苏打盐碱土pH值随玉米秸秆添加量增加而缓慢降低。如当Al2（SO4）3加入量为0.8%时，A0.8S0、A0.8S5、A0.8S10和A0.8S15各处理的苏打盐碱土pH值分别降低了0.29、0.18和0.24个单位。

图1 玉米秸秆和Al2（SO4）3对苏打盐碱土pH值的影响

2.2 玉米秸秆和Al2（SO4）3施入苏打盐碱土后可溶性盐的变化

图2为 玉 米 秸 秆 和Al2（SO4）3对 苏 打 盐碱土可溶性盐含量的影响。如图2所示，玉米秸秆和Al2（SO4）3的施入增加了苏打盐碱土的阳离子含量。随着Al2（SO4）3和玉米秸秆用量的增加，K+含量均呈上升趋势。在Al2（SO4）3的协同作用下，随玉米秸秆添加量的增加，K+含量有所提高，在A2.0S5、A2.0S10和A2.0S15处理中，K+含量与A2.0S0相比分别增加了18.3%、43.3%和188%。另一方面，在玉米秸秆添加量相同时，K+含量随Al2（SO4）3加入量的增加而升高，在A0.4～2.0S15这些处理中，与A0S15相比，苏打盐碱土中K+含量增加了25.4%～158.0%。当玉米秸秆添加量相同时，随Al2（SO4）3加入量的增加，Na+含量呈现比较明显的上升趋势。与对照相比，Na+含量在A0.4～2.0S15这些处理中比在A0S15处理中提升了20.4%～68.6%。在Al2（SO4）3加入量相同时，玉米秸秆添加量越多，Na+含量升高得越快。在A2.0S5、A2.0S10和A2.0S15处理中，苏打盐碱土中Na+含量比A2.0S0处理分别高出了3.21%、4.44%和 7.10%。

图2 玉米秸秆和Al2（SO4）3对苏打盐碱土可溶性盐含量的影响

Ca2+和Mg2+含量随着Al2（SO4）3加入量的增加而升高。在Al2（SO4）3加入量相同时，随着玉米秸秆添加量增加，Ca2+、Mg2+含量均呈上升趋势。A2.0S15处理的苏打盐碱土Ca2+含量最高。与A0S0处理相比，苏打盐碱土中Ca2+含量在A2.0S15、A2.0S0和A0S15处理中分别增加了16、6和1倍。由此可知，A2.0S15与A0S0之间的增量远大于A2.0S0、A0S15两者与A0S0的增量的和。而在A0.4S15～A2.0S15这段区域，Mg2+含量呈现明显的上升趋势，并在A2.0S15处理出现最大值。相同情况下，苏打盐碱土中Mg2+含量在A2.0S15、A2.0S0和A0S15处理中分别比A0S0高出了566%、415%和41.5%，A2.0S15与A0S0之间的增量大于A2.0S0、A0S15两者与A0S0的增量的和。以上说明在苏打盐碱土中添加玉米秸秆和Al2（SO4）3， 对于增强Ca2+和Mg2+含量有明显的促进作用。

添加玉米秸秆和Al2（SO4）3降低了苏打盐碱土中CO32-和HCO3-的含量。CO32-被Al2（SO4）3水解产生的H+所中和，从而导致CO32-含量降低，因此在土壤pH值相对较低的A1.2～2.0S0、A0.8～2.0S5、 A0.4～2.0S10以及A0～2.0S15处理中，CO32-均未检出。在未添加Al2（SO4）3的条件下，CO32-含量随玉米秸秆添加量的增加呈下降趋势。在Al2（SO4）3加入量小于0.4%时，HCO3-含量随着玉米秸秆添加量和 Al2（SO4）3的增加而出现大幅度降低。此阶段HCO3-含量取决于玉米秸秆和Al2（SO4）3的共同作用。在Al2（SO4）3加入量大于0.4%时，HCO3-含量则主要取决于Al2（SO4）3的加入量。随着 Al2（SO4）3加入量的增加，HCO3-含量逐渐减小，且各含量之间的差距也随之减小。

2.3 玉米秸秆和Al2（SO4）3施入苏打盐碱土后CEC的变化

玉米秸秆和Al2（SO4）3对苏打盐碱土CEC的影响如图3所示。由图3可知，苏打盐碱土CEC随玉米秸秆和Al2（SO4）3添加量的增加呈上升趋势。如玉米秸秆添加量为5%时，CEC随Al2（SO4）3加入量增加而升高，与A0S5相比，苏打盐碱土CEC在A0.4～2.0S5这些处理中高出了47.1%～117.7%，表明Al2（SO4）3对苏打盐碱土的CEC有一定的促进作用。在Al2（SO4）3加入量相同时，玉米秸秆添加量越大，CEC越高。A0.8S5、A0.8S10和A0.8S15处理中CEC与A0.8S0相比分别提高了11.5%、17.5%和27.1%。

图3 玉米秸秆和Al2（SO4）3对苏打盐碱土阳离子 交换量的影响

2.4 玉米秸秆和Al2（SO4）3施入苏打盐碱土后ESP的变化

玉米秸秆和Al2（SO4）3对苏打盐碱土ESP的影响如图4所示。从图4可以看出，随Al2（SO4）3和玉米秸秆添加量的增加，苏打盐碱土ESP呈现下降的趋势。与A0S0相比，在A0.8S0、A0.8S5、A0.8S10、A0.8S15处理中，苏打盐碱土ESP分别下降 了42.2%、37.1%、26.7%、27.8%。与A0S15相比，在A0.8S15、A1.2S15、A1.6S15、A2.0S15处理中，苏打盐碱土ESP分别下降了32.8%、30.2%、37.0%、30.9%。在Al2（SO4）3加入量为2.0%时，苏打盐碱土ESP分别为22.50%、22.50%、20.2%、19.7%，且A2.0S15处理的苏打盐碱土ESP最低。由此可知，在Al2（SO4）3加入量达到最大时，玉米秸秆的引入对苏打盐碱土ESP影响不大。而在Al2（SO4）3加入量为2.0%时，苏打盐碱土CEC继续增加，说明交换性Na+已达饱和，这致使ESP趋近相同[23］。 在Al2（SO4）3加入量为0%～0.4%、玉米秸秆添加量为0%～15%时，苏打盐碱土ESP有明显的下降趋势，降幅为23.8%～33.7%。而在秸秆添加量为0%～15%、Al2（SO4）3加入量分别为0%和0.4%时，苏打盐碱土ESP的降幅则分别为8.1%～16.1%和3.68%～14.5%。说明在这段区域内，Al2（SO4）3对土壤ESP的降低起到了决定性作用。未加入Al2（SO4）3时，随着玉米秸秆添加量的增加，苏打盐碱土ESP降低，主要体现在A0S5、A0S10和A0S15处理比A0S0处理分别减少了11.6%、25.9%和31.9%。

3 讨论

3.1 玉米秸秆和Al2（SO4）3对苏打盐碱土pH值的影响

在添加Al2（SO4）3的基础上，采用秸秆还田是改善盐碱土土壤盐分和碱化度的一项有效措施。本试验研究结果表明，Al2（SO4）3加入土壤后，土壤溶液中的Al3+会直接进行水解作用，随之出现相应的单体铝、多聚体铝，以及丰富的H+，H+会和土壤中的OH-进行中和反应，所以降低了土壤的pH值[23］，但加入Al2（SO4）3过多时，土壤溶液会通过阳离子交换反应发挥出一定的缓冲性能，使其pH值不发生明显变化，这与李秀军[24］、Recheigl等[25］研究结果一致。产生这种现象的另一个原因可能是秸秆在土壤腐解时会产生有机酸和二氧化碳被土壤微生物所利用，产生微生物量多，新陈代谢能力增强，产生的有机酸就越来越多，当达到最高值时趋于平衡状态，在此过程中产生的二氧化碳会释放到空气中[26-27］。

3.2 玉米秸秆和Al2（SO4）3对苏打盐碱土可溶性盐的影响

玉米秸秆和Al2（SO4）3的加入增加了苏打盐碱土中K+、Na+、Ca2+和Mg2+含量。其原因是 Al2（SO4）3中Al3+的水解作用产生大量的H+，促进了土壤中碳酸盐的溶解，Ca2+置换出土壤胶体所 吸 附 的K+以 及Na+，随 着Al2（SO4）3不 断 加入，产生的K+和Na+也逐渐增多[6］。另外，玉米秸秆中原本就含有丰富的钾，研究表明，每100 g玉米秸秆中含钾约为150 mg[27］，秸秆加入土壤之后，自身的钾也会释放出来，这是导致土壤中K+含量增加的另一个原因。由于苏打盐碱土中盐分主要以碳酸盐为主，秸秆加入土壤后发生腐解作用产生腐殖物质，腐殖物质的形成也促进了碳酸钙的溶解，激活了土壤中被固化的Ca2+，进而提高了Na+的代换量[6］。Al2（SO4）3进入土壤后会水解产生大量的H+，H+与土壤中CO32-结合形成HCO3-，从而使钙镁由碳酸盐沉淀形式转为碳酸氢盐溶解态形式，进而增加了钙镁离子含量[6］。秸秆分解矿化产生有机酸和CO2，其中，CO32-会释放转化成HCO3-，从而使CO32-含量逐渐减小[23］，而 Al2（SO4）3的存在则加速了秸秆的腐解，CO32-转化成HCO3-，HCO3-与Al3+水解产生的H+反应生成CO2和H2O，从而使得HCO3-含量降低[26］， 导致HCO3-含量逐渐降低的另一个原因是Al2（SO4）3逐渐加入后，Al3+水解产生H+，与HCO3-反应进而不断地消耗HCO3-[27］。CO32-和HCO3-含量的减少标志着苏打盐碱土总碱度（CO32-和HCO3-）的降低，该结果也从实际上证明了秸秆和Al2（SO4）3可以有效改良土壤总碱度[28］。

3.3 玉米秸秆和Al2（SO4）3对苏打盐碱土CEC和ESP的影响

玉米秸秆和Al2（SO4）3加入苏打盐碱土后，土壤CEC随玉米秸秆添加量的增加而升高，这是因为阳离子交换能力和土壤有机质含量有一定的相关性[29-31］，Al2（SO4）3加速了秸秆在土壤中的腐解，在此过程产生的腐殖物质中存在着大量的羧基、酚基、烯醇基以及酚羟基，此类官能团能够使土壤中阳离子的交换位点变多[14］，进而导致苏打盐碱土CEC增加。玉米秸秆进入土壤后会形成一定量的CO2及有机酸，有机酸活化土壤碳酸钙，其中的Ca2+与Mg2+则能够和土壤胶体中的Na+进行置换，最终降低了苏打盐碱土ESP[32］。

4 结论

在加入Al2（SO4）3的基础上，将玉米秸秆还田可以进一步有效降低苏打盐碱土的pH值。由于土壤pH值的降低，促进了土壤中碱土金属碳酸盐的溶解，降低了CO32-和HCO3-的含量，使Ca2+和Mg2+等二价阳离子含量增加，改善了土壤中交换性盐基离子的结构，阳离子与土壤胶体上的Na+进行置换，以此来实现苏打盐碱土ESP的降低。由此可见，玉米秸秆和Al2（SO4）3对土壤化学性质的改良作用显著。综合而言，A0.8S15为改良苏打盐碱土的最佳处理组合。