有机硅复合肥对滨海盐碱地土壤物理特性及夏玉米产量的影响

2023-06-02武海霞康佳腾宋福如宋利强宋继强任瑞瑞郭海刚程东娟

节水灌溉 2023年5期

武海霞，康佳腾，宋福如，宋利强，宋继强，任瑞瑞，郭海刚，程东娟

（1.河北工程大学水利水电学院，河北邯郸 056038；2.河北省智慧水利重点实验室，河北邯郸 056038；3.河北硅谷肥业有限公司，河北邯郸 057154）

0 引言

全国第二次土壤普查结果显示中国盐碱地约有3.5 亿hm2，面积为全国可利用土地4.88%，主要位于东部黄河三角口、渤海、淮海沿海平原、东北松嫩平原以及西北此类干旱、半干旱、地下水位高、矿化度大的地区。高盐分浓度的盐碱地对植物生长直接造成抑制作用和危害，严重制约了土地资源利用与农业的发展，已经成为世界性难题[1-3]。河北省沧州市地处渤海平原东部地区，属于大陆性季风气候带，全市近 1/2的耕地面积有不同程度盐碱化，受季风气候影响，浅层土壤盐分随季节性变化明显，由于淡水资源紧缺及不合理的灌溉制度措施，加剧了土壤盐碱化程度[4]。该地区属于滨海盐碱土，具有容重大，通气性和土壤内部微生物活动性差等特点，土壤结构性差，肥力低下，抑制了当地作物正常生长[5-7]。如何有效改善盐碱土土壤性质，提高和保持土壤供肥能力，始终是学者们在盐碱土改良方面的研究重点。

土壤物理性质是决定土壤质地和肥力水平的关键因素，牵连着农业与环境的有机良好发展，良好的土壤物理性质有利于土壤水肥盐等的运移和内部协调，从而增加土壤的肥力水平[8,9]。因此，改善盐碱土物理性质对于盐碱地的改良至关重要。王会[10]等发现，连续秸秆翻耕可通过秸秆分解产生的多糖胶、脂肪等促进土壤有机胶结物质形成，进而增加盐碱土土壤团聚体的稳定性；马列[11]等的研究表明，通过添加菌糠，可以促进土壤团粒结构形成，降低土壤容重，其中的腐植酸可改善土壤的持水性和透气性，从而促进植株根系生长。但目前的改良方法在工程措施中实施难度大，化学生物改良剂制备困难，成本较高，且易造成二次污染[12]。寻求一种成本低廉，对环境污染程度较低的改良剂对盐碱土治理将起到至关重要的作用。

河北硅谷肥业有限公司生产的有机硅复合肥具有加强土壤团粒聚集作用，可以破除土壤团板结，增强作物根系呼吸，其中含有的硅元素对作物生长状况、抗逆性、重金属胁迫、产量等都有明显改善作用[13-15]。宋福如[16]等发现有机硅肥通过改善盐碱地土壤理化特性，以此提高盐碱土土壤肥力水平和玉米、水稻、甜菜等作物产量。目前已有成果并未系统研究有机硅功能肥施用量对滨海盐碱地改良效果和大田作物产量的影响。基于此，本文立足于有机硅功能肥如何提高滨海盐碱地的治理效果，以大田夏玉米为研究对象，分析有机硅功能肥对土壤物理特性及夏玉米产量的影响，旨在为有机硅功能肥改良滨海盐碱地提供基础数据和理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验区概况与材料

试验于2021年6-10月在河北省沧州市海兴县中国科学院海兴实验站（38°13′N，117°48′E）进行，该区气候属于暖温带半湿润大陆季风气候区，年均气温12 ℃，平均日照时数为2 750 h，年平均降雨量为600 mm，降雨多集中在6-8月。该地区土壤类型为中度盐碱土，作物种植模式为冬小麦－夏玉米轮作；该地区土壤全氮0.47 g/kg，有效磷10.39 mg/kg，速效钾136.81 mg/kg，土壤有机质含量约10.72 g/kg，表层土壤pH值为8.36。试验采用的有机硅复合肥来自河北硅谷肥业有限公司，总养分含量≥45%，氮≥15%，磷(P2O5)≥15%，钾(K2O)≥15%，有机质含量（以干基计） ≥15%，有机硅（SiO2） ≥3.5%，CaO≥0.5%，黄腐酸含量≥1.0%。试验采用的当地肥料二铵，总养分含量≥45%，氮≥14%，磷(P2O5)≥16%，钾(K2O)≥15%。

1.2 试验设计

采用小区试验方法，设置如下5 个处理，分别为：CK（仅施底肥）、T1（600 kg/hm2二铵）、T2（375 kg/hm2有机硅复合肥）、T3（750 kg/hm2有机硅复合肥）、T4（1 125 kg/hm2有机硅复合肥），每个处理3 次重复，共计15 个小区，每个小区面积为10 m×7 m=70 m2。2021年5月按小区进行撒肥后，立即旋耕让肥料与耕作层土壤混匀，6月播种，10月收获。玉米生长期间除草、防病虫等管理措施与当地管理模式一致。

1.3 项目测定

土壤样品取土深度为 0～40 cm，收获期，利用环刀在15个试验小区分层取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 和30～40 cm 的土壤样品，用于测定土壤容重、土壤孔隙度、饱和含水量，田间持水量和土壤吸水量。成熟期收获玉米植株，测定玉米地上地下生物量、秸秆茎周长（测量位置位于根上3 cm左右处）、穗粗、穗高、鲜壳穗重、干穗重、穗行数、行粒数、百粒重，最后计算产量。

1.3.1 土壤容重、孔隙度测定

土壤容重、孔隙度通过环刀法测定。土壤容重计算公式如下：

式中：ρb表示土壤容重，g/cm3；m表示环刀内湿土样质量；V表示环刀容积，cm3；θm表示土样含水量，%。

土壤总孔隙度通过土壤容重计算得到，公式如下：

式中：Pt表示土壤总孔隙度，%；ds表示土壤密度，通常取2.65 g/cm3。

土壤毛管孔隙度计算公式如下：

式中：Pc表示毛管孔隙度，%；M1表示吸水至恒重的环刀样品重量，g；M2表示烘干至恒重的环刀样品重量，g。

土壤通气孔隙度通过总孔隙度－毛管孔隙度可得，即：

式中：Pa为通气孔隙度，%。

1.3.2 土壤田间持水量和饱和含水量测定

土壤田间持水量和饱和含水量采用烘干法测定。

1.3.3 土壤累积吸水量测定

将环刀样品自然风干后并称取环刀样品重量，后置于水箱当中并加水，使水面始终保持在环刀上壁外沿而不使水淹没，分别经过0.5、1、2、4、8、12 h 测量环刀样品重量，每个环刀样品重复3次[17]。

1.4 数据分析和处理

用Microsoft Excel 2016 对数据进行整理和作图，采用SPSS 24.0 对数据进行统计分析，采用Duncan 新复极差法进行多重比较，用Pearson相关系数法分析相关性。

2 结果分析

2.1 有机硅复合肥对土壤容重影响

土壤容重是土壤重要的物理性状，是反映土壤密实程度的重要指标[18]。由图1 可看出，不同处理之间0～40 cm 各土层的容重呈显著性差异，随着有机硅复合肥施用量的增加，0～40 cm 各土层的土壤容重呈减少趋势。与对照组CK 相比，T4处理0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 和30～40 cm 各土层的容重降低程度最显著，分别减少了0.25 g/cm3、0.22 g/cm3、0.28 g/cm3、0.12 g/cm3，降幅达16.1%、13.8%、17.6%、7.8%。T2 与T3 处理在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 各土层相比容重有一定程度降低，但不显著。在30～40 cm 土层，除T4外其他处理与CK 相比，容重均有所增加。这是因为水分冲洗作用将表层的盐分冲洗到该深度，由于改良剂施用量较少，较深土壤的改良效果不明显，造成盐分堆积，使该土层的容重增加。由图1 可见，与对照组CK 相比，4 种施肥处理在0～20 cm土层均不同程度地降低了土壤容重，降低效果为T4>T3>T1>T2，在20～40 cm土层仅T4的降低效果显著。

2.2 有机硅复合肥对土壤水力特性的影响

土壤总孔隙度、毛管孔隙度与通气孔隙度是影响土壤肥力与作物根系生长的重要指标，孔隙度的增加意味着土壤质地结构的改善，同时可以促进作物对水分、养分的吸收，从而促进作物的生长，达到增产增收的目的[19]。土壤田间持水量与饱和含水量影响土壤的持水能力，其值越大，土壤的蓄水保水能力越强。本节中体现土壤水力特性的指标包括土壤总孔隙度、毛管孔隙度、通气孔隙度、田间持水量和饱和含水量。由表1 可看出，不同处理之间0～40 cm 各土层的土壤水力特性指标呈显著性差异，随着有机硅复合肥施用量的增加，0～40 cm 各土层的土壤孔隙度，田间持水量和饱和含水量呈增加趋势。与CK 相比，T4 处理的增加幅度最显著，0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 各土层的总孔隙度分别增加了16.38%、10.65%、18.05%、14.28%，毛管孔隙度分别增加了10.29%、7.20%、13.79%、10.06%，通气孔隙度分别增加了6.12%、3.56%、4.29%、4.19%，田间持水量分别增加了10.84%、9.62%、13.00%、8.9%，饱和含水量分别增加13.61%、10.70%、17.94%和11.39%。由表1 可见，与对照组CK 相比，4 种处理均不同程度地增加了土壤孔隙度，田间持水量和饱和含水量，增加效果为T4>T3>T1>T2。

表1 不同处理对0～40 cm各土层土壤水力特性的影响Tab.1 Effect of different treatments on the soil hydraulic characteristics of each soil layer of 0～40 cm

2.3 有机硅复合肥对土壤累积吸水量的影响

土壤吸水量的多少影响土壤水分运移能力，决定了作物从土壤汲取水分的难易程度。不同处理下0～40 cm 各土层的土壤累积吸水量曲线如图2所示。随着有机硅复合肥施用量的增加，玉米收获期0～40 cm 各土层的土壤累积吸水量呈增加趋势（图2）。从图2 中可以看出，T4 处理0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 各土层的土壤累积吸水量比其他处理高，分别为26.19 g、23.01 g、24.01 g、21.32 g，是CK 对照组的1.60、1.25、1.23和1.14倍，其次则是T3处理，分别为22.76 g、21.40 g、22.03 g、21.45 g，是CK 对照组的1.39、1.17、1.13 和1.15 倍，另外表层土壤累积吸水量增加幅度大于下部土层。对于T1、T2处理，相比CK对照组表层土壤累积吸水量增加显著，但下部土层没有显著增加。与对照组CK 相比，在0～20 cm 与30～40 cm 土层上，2 h 后各个处理均能不同程度地增加了土壤累积吸水量，有效提高了土壤保水性，且增加效果为T4>T3>T1>T2。

图2 不同处理下0～40 cm各土层的土壤累积吸水量曲线Fig.2 Curve of soil cumulative water absorption of each soil layer of 0～40 cm under different treatments

2.4 有机硅复合肥对玉米生长性状和产量的影响

不同处理下玉米生长性状见表2，各处理间茎周长、穗高和地上干重呈显著性差异，穗粗和地下干重差异不显著，随着有机硅复合肥施用量的增加，玉米生长性状指标呈增加趋势。与CK 相比，T4处理的增加幅度最大，茎周长、穗粗、穗高、地下干重、地下干重分别增加了25.8%、6.51%、46.8%、11.21%、28.3%，其次是T3，分别增加了10.6%、4.55%、43.9%、12.77%、10.6%。

表2 不同处理下玉米生长性状Tab.2 Growth traits of maize under different treatments

不同处理下玉米产量性状见表3，各处理间，鲜壳穗重、干穗重、穗粒数、百粒重和产量呈显著性差异，随着有机硅复合肥施用量的增加，除百粒重以外（这是由于CK 处理的玉米穗秃尖较长，位于尖端的小穗粒取样少，百粒重取样大颗粒居多，故百粒重比其他处理要高），其他各产量性状指标随之增加。与CK 相比，T4处理的增加幅度最大，鲜壳穗重、干穗重、穗粒数和产量分别增加了51.12%、47.17%、64.86%、56.86%，其次是T3 处理，分别增加了42.71%、49.93%、52.70%、47.06%。综上，各个处理均能不同程度地增加玉米产量，且增加效果为T4>T3>T1>T2。

表3 不同处理下玉米产量性状Tab.3 Corn yield traits under different treatments

2.5 土壤物理特性指标和玉米产量的相关性分析

对0～40 cm 不同土层各处理的玉米产量、容重、饱和含水量、田间持水量与孔隙度两两之间进行相关性分析（表4），可知，在0～10 cm 土层，玉米产量与容重、毛管孔隙度呈极显著相关，相关系数为-0.609、0.622（P＜0.01），与饱和含水量、田间持水量、总孔隙度呈显著相关，相关系数为0.535、0.557、0.526（P＜0.05）；在10～20 cm 土层，仅有容重与产量呈极显著负相关性，相关系数为-0.670（P＜0.01），饱和含水量、田间持水量、毛管孔隙度与产量则呈显著相关，相关系数分别为0.494、0.562、0.566（P＜0.05）；当土层深度到达20～40 cm 时，各个指标与产量之间相关性不再显著。对于容重、孔隙度、田间持水量和饱和含水量两两之间具有极显著相关性，随着土层深度的增加，相关性降低。

表4 土壤物理特性指标与玉米产量的相关系数矩阵Tab.4 Correlation coefficient matrix of soil physical property index and maize yield

3 讨论

沧州市属于典型渤海湾平原盐碱地，土壤主要类型为硫酸盐-氯化物型盐渍化土壤，土壤孔隙度、通气性、透水性低下，导致作物大量减产甚至萎蔫凋亡[20]。本研究发现，盐碱土施用有机硅复合肥之后，0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 各个土层的土壤容重分别降低了16.1%、13.8%、17.6%、7.8%（表1），总孔隙度、毛管孔隙度和通气孔隙度显著增加（表2）。这与前人发现指出，硅酸盐可以增加土壤有效团聚体，提高土壤内部的团聚作用，有效提升孔隙度、降低土壤容重的结论相一致[21-24]。这是由于有机硅复合肥中的Si-O-Si 键可对土壤颗粒以及一些盐分离子产生吸附作用，同时其疏水基团也可以降低土壤内部的黏结作用力，从而增大土壤颗粒之间的孔隙度，进一步加强土壤颗粒的团聚作用，从而降低土壤容重，改善了耕层土壤的物理特性，有效缓解了盐碱土透水性差、作物生长困难的情况。

土壤的吸水能力、田间持水量及饱和含水量可以一定程度上反映土壤的水盐运移速率和土壤肥力情况[25]。从本试验中可以看出，在土壤中加入有机硅复合肥之后显著改善了土壤的吸水能力（图2），各个处理与CK 相比均有不同程度的增幅，原因是有机硅使土壤的毛管孔隙度增加、土壤容重减少（图1 和表1），巩炜[26]指出，毛管孔隙度大小直接影响着土壤吸水性能的优劣，土壤中水分的吸收入渗能力随之增加。土壤中的入渗水分依靠毛管作用力储存在土壤内部的毛管孔隙当中，由于土壤团聚体结构的改善使得孔隙度增加[27,28]，土壤容重减少，颗粒间隙变大，故土壤内部的储水空间也更大，保水性能更加良好，土壤田间持水量与饱和含水量亦增加，减少了土壤水分流失，起到保墒作用（表1），这与韦本辉[29]提出粉垄改造可改善盐碱土土壤饱和含水量的研究相一致。

土壤的容重、孔隙度与其饱和含水量、田间持水量之间具有一致性，而这些土壤特性的变化会影响到土壤的水肥运移能力，通过改善这些土壤特性，可促进作物的生长发育，最终达到增产增收的目的。本试验结果发现，表层土壤的孔隙度、容重、田间持水量、饱和含水量与产量之间具有显著相关性（表4），通过施加有机硅复合肥，显著增加了玉米的干物质积累，T1，T2，T3 及T4 各处理分别提高作物产量34.1%、36.39%、47.05%和56.90%。这是由于有机硅复合肥中除了含有氮、磷、钾等作物生长发育的必要元素外，其中有机硅对盐碱土的改良作用使得土壤容重下降、孔隙度增加、持水吸水性能提升，更加有利于作物对土壤中的水肥吸收作用。而硅本身作为构成植物体的必需元素之一，还能增强作物根系活力，提高营养物质的汲取能力，促进了作物对水分和养分的吸收利用。这与蒋雄英等[30]发现的硅肥促进甘蔗对土壤中营养物质的吸收作用达到增产增收的结果相一致；同时，林少雯[31]发现，单硅酸可以提高玉米的抗逆性并改善玉米的株高、叶面积、茎粗等生长因素，这说明硅肥有利于作物增产。同时，有机硅复合肥施用量对土壤改良效果和玉米产量有一定影响[32,33]，随着有机硅复合肥施用量的增加，土壤改良效果越好，玉米产量增加幅度越大。当有机硅复合肥施用量较少时（375 kg/hm2），土壤改良效果和玉米产量增幅比当地肥料二铵的施用效果差，说明实现作物增产，不仅需要土壤质地结构适宜作物生长，还应保证各种矿物元素肥力指标满足作物生长的需求。

在滨海盐碱地进行不同施肥量对盐碱土改良以及玉米增产效果的试验，有利于当地的农业发展，为盐碱地农业活动提供理论依据，对改良我国大量滨海盐碱土，增加我国可耕种土地面积，保证“18 亿亩”耕地质量有重要意义。本研究施用的有机硅肥属于有机肥料，本身具有肥效周期长的特点[34]，对长期施用有机硅复合肥对盐碱土的改良效果以及作物生长和产量的影响仍需进一步试验研究。