不同改良剂配施对河套灌区碱化土壤理化性质及枸杞生长的影响

黄浦江,方 昭,余海龙,张峰举,黄菊莹

(1.宁夏大学农学院,宁夏 银川 750021;2.宁夏大学生态环境学院,宁夏 银川 750021;3.西北农林科技大学水土保持研究所,陕西 杨凌712100;4.宁夏大学地理科学与规划学院,宁夏 银川 750021)

盐碱土是各种盐土和碱土以及不同程度盐化和碱化土壤的总称[1],其分布广泛,是重要的后备土地资源[2]。目前我国盐碱地面积约占世界盐碱地总面积的10.4%,且主要分布在西北、华北、东北和沿海地区[3-4]。在我国人口增加、耕地减少的情况下,最大限度地开发利用盐碱地资源对于实现我国农业可持续发展具有重要意义[5]。

长期以来,国内外学者们一直致力于各种盐碱地改良措施的研究[6-14],如采用明沟和暗沟排盐[10-12]和深松改土等[9]物理措施进行盐碱地改良;应用工、农业废弃物脱硫石膏[13, 15-16]或磷石膏[17]以及生物炭[6]等化学措施改良盐碱土;以及通过种植或筛选耐盐碱植物进行生物降盐改土实践[9, 18]。其中,化学改良措施以其经济、环保、快速高效等特点备受环境治理领域学者们的关注。以往大多数研究采用单一改良剂进行盐碱地治理会存在诸多弊端,难以实现理想的改良效果[15-16, 19-21],如单施脱硫石膏虽然可以对土壤中盐基离子起到置换作用,但不能完全解决碱化土壤“粘、板、瘦”等理化性质所引起的作物生长不良问题[15-16, 20, 22]。近年来,诸多学者也开始探究多种改良剂组合配施的改良方式,这样不仅可以解决大量废弃物(如脱硫石膏,醋糟,生物炭等)的资源化处置问题,同时还可以弥补施用单一改良剂的短板问题。

宁夏河套灌区盐碱地分布范围广,土壤pH值和碱化度高、质地粘重,土壤肥力低。近年来在人为因素和自然因素综合影响下,大量盐碱荒地和低产盐碱化面积不断扩大,致使生态环境恶化和可耕地面积减少,严重制约了该区农业可持续发展。枸杞(Lyciumchinense)作为我国西北地区主要经济及生态树种之一,具有耐旱抗碱、耐沙荒贫瘠、综合经济效益高等特点,因此被大面积推广种植,在促进当地经济发展以及推动地区脱贫等方面发挥了重要作用[23]。鉴于脱硫石膏和不同功能改良剂组合模式对碱化土壤的改良研究还相对较少,本研究以枸杞为供试材料,探讨了利用当地燃煤电厂废弃物脱硫石膏配施不同功能改良剂对土壤盐碱指标、养分状况以及枸杞农艺性状的影响,进而筛选最优改良组合方案,旨在为河套地区盐碱地治理和恢复提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验样地位于宁夏平罗西大滩盐碱地改良实验基地,地处河套灌区西南部(106°24′209″E,38°50′289″N),平均海拔约1 200 m,属于温带大陆性季风气候:平均气温8.5 ℃;年平均降水量180 mm,且大多集中在7—9月;多年平均蒸发量1 755 mm,且在4—5月份时蒸发量最大。试验区地形平缓,坡度较小,常年地下水位1.5～2.0 m;地下水矿化度平均为3.25 g·L-1。研究区主要土壤类型为龟裂碱土(俗称白僵土)。供试土壤为中度盐化碱土,其理化性质见表1。

表1 研究区供试土壤理化性质Table 1 Soil properties of the test soils in the study area

1.2 供试材料

本试验供试枸杞品种为‘宁杞九号’,由宁夏农林科学研究院提供。供试枸杞苗为两年生幼苗,地径约为0.8～1.0 cm,株高约为50～60 cm。改良剂(脱硫石膏、醋糟、菌肥、保水剂、微肥、诱抗素)来源及主要成分见表2。

1.3 试验处理

试验小区采用随机区组排列,共包括7个处理:T1(不施用改良剂,对照);T2(脱硫石膏);T3(脱硫石膏+醋糟+菌肥);T4(脱硫石膏+菌肥);T5(脱硫石膏+醋糟+菌肥+保水剂);T6(脱硫石膏+微肥);T7(脱硫石膏+诱抗素)。每个处理设置4次重复,共计28个小区,各小区面积为40 m2(5 m × 8 m)。各小区间按照宽50 cm和高30 cm的规格打埂。不同组合处理下改良剂的最佳施用量参考该地区同类相关研究[8, 20, 22, 24](表3),其中微肥为硼肥、锌肥和铁肥各45 kg·hm-2;诱抗素是将0.10% S-诱抗素水剂稀释1 000倍后使用喷雾器对移栽后的枸杞植株茎叶进行均匀喷施。

表3 不同改良剂组合配施下对应的施用量Table 3 Applied amount under different modifier combinations

2013年5月11日进行枸杞移栽,株行距为100 cm×200 cm,移栽前施入基肥:有机肥22.5 t·hm-2,N∶P2O5∶K2O配比为30∶15∶18。此后3年未施入任何改良剂,仅按当地农民施肥习惯在春季和秋季施用化肥。将不同改良剂和有机肥在整地时均匀撒施在各小区垄下,用旋耕机将其与耕层(0～25 cm)土壤充分混合均匀,然后灌水洗盐,灌水量遵照当地生产习惯确定,枸杞生育期内不再进行灌水。

1.4 样品采集和测定方法

1.4.1 土壤指标的测定 于2013—2016年每年8月中旬在每个小区用土钻按“梅花形”采集0～20 cm和20～40 cm土壤样品,重复4次。每层土样均匀混合后过2 mm网筛分为两部分:一部分直接用于pH值和电导率(EC)测定;另外一部分自然风干后过1 mm网筛用于土壤有机碳、全氮、全磷、全盐含量、碱解氮、速效磷和速效钾的测定。其中分别采用pH计法和电导率法测定土壤pH、EC和全盐含量;土壤有机碳、全氮和全磷含量分别采用重铬酸钾外加热法、凯氏定氮法、钼锑抗比色法测定;土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定;土壤速效磷含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3法测定;土壤盐基离子Na+、Ca2+和Mg2+分别用火焰光度法和EDTA滴定法测定[25]。钠吸附比(SAR)计算公式为:

1.4.2 枸杞生长性状指标测定 2013—2016年,在每个试验小区统计枸杞成活数并计算成活率/保存率(2013年为成活率,2014—2016为保存率),然后在每个试验小区随机选取3行,每行连续选5株用于测定枸杞株高和产量。枸杞成活率(%)=成活数/栽植数×100;保存率(%)=保存数/栽植当年成活数×100;产量(kg·hm-2)=枸杞果实干质量/种植面积。

1.5 数据处理

运用Excel 2010对数据预处理后,采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著性差异法(LSD)比较不同处理间枸杞农艺性状和土壤理化性质指标的差异(显著性水平为P<0.05),分析之前对各类数据进行正态分布和方差齐性检验;并用Pearson相关分析检验枸杞农艺性状与土壤理化指标之间的相关性,数据分析和绘图分别在SPSS 22.0 和Origin 2021软件中完成。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤pH值、全盐及钠吸附性比(SAR)的影响

不同改良措施对枸杞地土壤pH值和全盐含量的影响如表4所示。4年间不同改良处理在一定程度上降低了枸杞地0～20 cm和20～40 cm土壤pH值和全盐含量,其中2013年不同处理对两个土层pH值和全盐含量无显著影响(P>0.05)。2014—2016年,不同处理下两土层pH值和全盐含量下降比例均以T4和T5处理最为显著(2014年全盐除外)。对于SAR而言,2013年不同处理使表层0～20 cmSAR较对照显著下降,而对20～40 cmSAR影响较弱。经过4年改良后,T2、T3、T4和T5处理下两土层SAR较对照处理均显著降低,其中下降比例以T5最多。

表4 不同处理对土壤pH、全盐和SAR的影响(平均值,n=4)Table 4 Effects of different treatments on soil pH, total salt contents and sodium adsorption ratio (mean value, n=4)

2.2 不同处理对土壤有机碳、全氮和全磷的影响

通过对枸杞试验地土壤理化性质分析显示(表5),不同处理均提高了不同土层有机碳含量,并且随改良年限的延长,各处理下有机碳含量逐年增加,其中以2016年有机碳增加比例最大。与对照处理相比,2013—2016年不同处理对土壤全氮含量有一定的提升作用,其中不同处理下0～20 cm土壤全氮含量平均增加比例高于20～40 cm,T4、T5和T6处理在不同年份均表现出最高的增加比例。对于土壤全磷含量而言,除2015年0～20 cm和20～40 cm土壤全磷含量较对照有所降低外,其余年份不同处理下两土层全磷含量均呈现微弱的增加趋势,其中T4处理显著高于对照处理(P<0.05)。

表5 不同处理对土壤有机碳、全氮和全磷含量的影响(平均值,n=4)/(g·kg-1)Table 5 Effects of different treatments on soil organic carbon, total nitrogen and total phosphorus contents (mean value,n=4)

2.3 不同处理对土壤速效养分的影响

对于土壤速效养分而言(表6),2013—2016年中不同处理对不同土层碱解氮含量有显著提升作用,T5处理对0～20 cm(20～40 cm)土壤碱解氮含量提升作用最为明显,与对照相比分别增加了23.43%(61.78%),218.67%(3.94%),23.70%(68.95%)和15.15%(33.97%)。不同处理对速效磷和速效钾的影响随配施功能改良剂种类不同而异,整体对表层0～20 cm速效磷和速效钾含量有一定的提升作用,而对20～40 cm土壤速效磷和速效钾含量影响较弱或不存在一致的规律性变化。

表6 不同处理对土壤速效养分含量的影响(平均值,n=4)/(mg·kg-1)Table 6 Effects of different treatments on the content of available nutrients in soil (mean value, n=4)

2.4 不同处理对枸杞农艺性状的影响

从不同改良年限来看,2013—2016年不同处理使枸杞成活率/保存率较对照分别提高了6.8%～32.7%,19.9%～46.7%,18.71%～41.11%和18.76%～37.31%(图1)。随改良年限的延长,各处理下枸杞存活率/保存率有所降低;不同改良处理下枸杞株高较对照处理均有明显增加,并随改良时间的延长而逐年增大。2014、2015和2016年枸杞株高分别比2013年平均增加68.2%、76.3%和77.6%。对于枸杞产量而言,不同处理下枸杞产量随改良年限呈现先增加后下降的变化趋势,其中以2015年枸杞产量增幅最大,相较对照平均增加610.7%。另外,2013—2016年改良过程中枸杞存活率/保存率、株高和产量均以T5处理(脱硫石膏+醋糟+菌肥+保水剂)最大。

注:不同小写字母表示同一年份处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters mean significant differences between treatments in the same year (P<0.05).图1 不同处理对枸杞成活率/保存率、株高和产量的影响Fig.1 Effects of different treatments on the survival rate/ preservation rate, plant height and yield of Lycium chinensis

2.5 不同改良措施下枸杞农艺性状的影响因素分析

不同处理下枸杞农艺性状与土壤和气候因子间的相关分析结果表明(图2),不同土壤理化性质指标对枸杞农艺性状(成活率、株高和产量)的影响不同。具体而言,枸杞成活率主要与0～20 cm土层全氮含量呈显著正相关关系,而与0～20 cm土层pH值呈显著负相关关系(P<0.05)。对于株高和产量而言,二者与不同土层有机碳、碱解氮和速效钾含量呈较强正相关关系(P<0.05),但与0～20 cm土层pH值以及两土层全盐含量呈显著负相关关系(P<0.05)。相比之下,年均气温与枸杞株高和产量呈现显著负相关关系(P<0.05),年均降水量与株高和产量呈显著正相关关系(P<0.05),而二者对枸杞成活率/保存率的影响均未达到显著水平(P>0.05)。

注 Note:*: P≤0.05;**: P≤0.01;***: P≤0.001.图2 枸杞农艺性状与环境因子间的相关分析Fig.2 Correlation analysis between agronomic traits of Lycium chinense and environmental factors

3 讨 论

与以往施用单一改良剂研究不同,本研究针对宁夏河套灌区碱化土壤特性,将脱硫石膏废弃物与不同功能改良剂组合配施,发现不同改良剂组合配施一定程度上降低了土壤pH值和全盐含量;改良初期,由于不同组合改良剂施入时间较短,2013年各处理土壤pH值和全盐含量下降程度均未达到显著差异(P>0.05);随着改良年限增加,改良后期(2014—2016年)较对照处理均显著下降。分析认为,研究区土壤本身的碱化环境具有一定的酸缓冲能力;另一方面各组合处理中醋糟和脱硫石膏作为偏酸性废弃物,在中和土壤pH值和降低碱化度方面具有调节作用,而且醋糟和石膏配施也可能会增加石膏的溶解量,进而提升Na+置换能力,从而增加脱硫石膏降碱抑盐的效果。随着改良年限增加,土壤盐基组分逐渐被改变并减少了单盐毒害的发生。但对于降盐方面,脱硫石膏本身作为一种盐,长期施用或者管理不善都有可能导致土壤全盐含量增加[22],因此不同碱化土壤改良也需要严格控制脱硫石膏的施用量。钠吸附性比是衡量土壤盐碱化程度的重要指标,经过4年改良试验发现,不同改良剂组合处理下土壤钠吸附比均有所降低,其中以T2、T3和T4处理下降程度最为显著,而T6和T7处理较对照下降程度较小。这主要是一方面脱硫石膏本身含有大量Ca2+、Mg2+类化合物,土壤中Ca2+、Mg2+离子浓度的增加会引起SAR降低;另外醋糟和菌肥的配施不仅为土壤中提供了大量有机质和养分元素,同时也引入大量有益微生物,促进了养分释放速率[21,24,27]以及团粒结构的形成,对于降盐改土也起到很好的效果;而微量元素和诱抗素与脱硫石膏的配施对于钠吸附比起到降低作用不太显著甚至可能有负面影响。

土壤有机质、全氮、全磷以及速效养分是评估耕地质量高低的重要指标。不同改良剂组合配施对0～20 cm土壤有机碳、全氮、碱解氮含量的提升作用优于20～40 cm,且其影响程度随改良年限推移而逐渐增强;而对于土壤全磷、速效磷、速效钾含量促进作用整体较弱或不存在一致的规律性变化。一般而言,单施脱硫石膏对土壤肥力的改善作用有限,不能很好的解决碱化土壤“粘、板、瘦”等不良性质[8]。本研究中发现脱硫石膏与不同功能改良剂配施一定程度上可以弥补上述缺陷。几种组合改良剂型间,以T5处理对不同土层有机碳、全氮、碱解氮含量等肥力指标提升作用最为明显。这主要是因为T5处理中醋糟为养分贫瘠的土壤补充了大量的有机质和微量元素,同时微生物菌肥的施加增加了土壤微生物数量和相关代谢酶活性,使得盐碱土壤速效养分和有机碳等含量随改良年限增加而增加,这与大多数改良剂与菌肥配施试验结果较为一致[28-29];此外,由于研究区常年干旱少雨、蒸发量大,保水剂的配施一定程度上可以降低水分蒸发和提高土壤含水量,这对于提高干旱地区作物抗旱保水能力和增产增收方面具有较为广阔的应用前景[30-31]。

本研究相关分析结果显示,枸杞成活率主要与表层全氮含量呈显著正相关关系,与土壤pH值呈显著负相关关系(P<0.05)。对于株高和产量而言,二者与不同土层有机碳、碱解氮和速效钾含量呈较强正相关关系(P<0.05),但与0～20 cm土壤pH值以及两土层全盐含量呈显著负相关关系(P<0.05)。几种改良剂组合配施对枸杞成活率、株高和产量的提升作用主要是通过增加土壤有机碳、速效钾、碱解氮含量以及营造适宜于枸杞正常生长发育的pH值和全盐环境实现的。此外,研究区的气候条件(温度和降水)对枸杞的植株生长和产量提高也存在重要影响,因而在枸杞生长发育期内保证适宜的温度和水分供应才能实现良好的经济效益。水分和微量元素对枸杞果实生长发育、外观、色泽也有重要影响,不同改良措施中保水剂、微肥和醋糟的配施一定程度上保证了枸杞对水分和微量元素的生长需求。盐碱地微量元素含量其实并不低,但大多都被土壤固定难以释放出来,因此适当地增加土壤微量元素对于盐碱地枸杞产量和品质也具有较大影响。大多数盐碱地由于灌溉、长期洗盐等措施导致土壤有机质普遍含量偏低,而醋糟作为有机副产物,与脱硫石膏配合添加一定程度上增加了土壤中有机质含量,从而提高了枸杞产量和品质[1]。综合对比不同改良措施前后土壤盐碱指标、养分状况以及枸杞农艺性状,其中脱硫石膏+醋糟+菌肥+保水剂组合改良效果最佳。此外,鉴于本研究数据相对陈旧,因此还需进行长期的动态监测,深入探讨不同改良措施下的长期治理效果,以便为河套地区同类型盐碱地的生态治理提供更为精准的理论依据和推广示范效果。

4 结 论

2013—2016年试验及综合数据分析表明,不同改良剂组合配施有助于提高土壤有机碳、全氮和速效养分,降低pH值、SAR和全盐含量,促进了枸杞生长发育,其组合配施效果整体优于单施脱硫石膏,并且影响程度随改良年限推移而逐渐增强;枸杞农艺性状指标主要与有机碳、碱解氮、速效钾含量和年均降水量呈显著正相关关系,而与pH值、全盐和年均气温呈显著负相关关系。不同改良剂组合型间,脱硫石膏+醋糟+菌肥+保水剂配施在增加土壤有机质和养分含量、降碱抑盐和实现枸杞增产增收方面效果显著,今后的实际推广应用中还需综合考虑其经济成本和应用效果,最终确定最佳的改良方案。