鹽漬化地區土地整理過程中的土壤改良

張清敏，劉峻嶺，李洪遠，孟偉慶

（1.南開大學 環境科學與工程學院，天津300071；2.天津市開墾征地事務中心，天津300221；3.天津師范大學 城市與環境科學學院，天津300387）

隨著人口的迅速膨脹和城鎮化的不斷推進，我國的土地供需矛盾日益突出，為確保耕地總量動態平衡和糧食安全，自20世紀90年代以來，我國的土地整理工作快速起步并全面推進。土地整理在加強土地集約利用、抑制需求以及增加有效耕地等方面發揮了至關重要的作用［1－4］。土地整理過程中采取工程技術措施對土壤質量有著深遠影響，隨著土地整理工作的不斷深入，整理后新增耕地的土壤質量日益受到重視［5－6］。我國鹽漬化地區有著巨大的土地整理的潛力［7］，然而，在鹽漬化地區的土地整理實踐中發現，整理后土壤鹽分含量雖有所降低但依然偏高，而且整理過程中注重物理措施，忽視土壤培肥，致使整理后可耕性不容樂觀，嚴重制約著該地區土地整理潛力的發揮。

現有關于土地整理后土壤質量的研究側重于對土地整理后土壤理化性狀和土壤養分的分析，有學者對黃土區土地整理壓實土物理性狀［8］，土地整理對土壤理化性狀的影響［5］，新增耕地土壤養分現狀分析［6］，土地整理項目區土壤質量時空變異和評價［9－10］以及土地整理年限對土壤質量的影響［11］等進行了研究。但涉及土地整理后土壤性狀改良的研究較少。針對鹽漬化地區土地整理過程中亟需增加土壤肥力，提升土壤質量的需要，提出切實有效的土壤改良措施對改善鹽漬化土地整理工作具有重要意義。鑒于此，本研究以天津市寧河縣潘莊鎮齊心莊土地整理項目區為例，設置3因素3水平的正交方案，結合土地整理工程的實施，綜合工程、化學等改良措施，對土壤性狀改良進行研究，以期探索高效且成本低廉的改良方案。

1 材料與方法

1.1 試驗樣地概況

試驗于2012年4—10月在天津市寧河縣潘莊鎮齊心莊土地整理項目區進行。該區年平均氣溫13.8℃，年平均日照時數為2 801.7h，屬于北方長日照地區，年平均降水量為588mm左右，多集中在7—9月份，降水量年際變化大，干濕分明，春旱夏澇。該地區以濱海鹽漬土為主，試驗樣地土壤含鹽量在0.2%～0.4%之間，屬于中度鹽漬土，有機質含量7.0～10.0 g／kg。共設置10塊樣地，每塊樣地60m2，種植作物為玉米。

土壤改良材料的選取以無污染，成本低，改良效果相對較好并充分利用農業廢棄資源為原則。經過篩選，最終選取河砂（粒徑0.35～0.55mm）、爐渣、塑料薄膜作為主要隔鹽材料，選取玉米秸稈作為輔助隔鹽材料，選取有機肥、禾康鹽堿清除劑和PAM改良劑為土壤改良劑。其中，河砂和塑料薄膜由購買所得，爐渣、玉米秸稈和有機肥由附近居民點提供，禾康鹽堿清除劑和PAM改良劑由購買所得。

1.2 試驗設計

考慮到人力、物力和財力等因素，本試驗采用正交方法對土地整理方案進行設計。方案共設置3因素3水平，采用L9（33）正交表進行實驗設計。各因素分別為：隔鹽材料、隔鹽層深度和改良劑，每個因素設置3個水平（表1）。共需9個處理，1—9組改良方案 分 別 為 A1B1C1，A1B2C2，A1B3C3，A2B1C2，A2B2C3，A2B3C1，A3B1C3，A3B2C1和 A3B3C2，并設置空白對照組。

表1 正交試驗的因素水平

在土地整理的施工過程中，針對不同樣地，剝離與試驗方案中隔鹽層深度要求一致的表土，然后依次鋪設主要隔鹽材料和輔助隔鹽材料并回填表土，然后施入對應的改良劑。改良劑中，有機肥直接均勻撒施，每塊樣地用量為60kg；禾康鹽堿清除劑為液體，每塊樣地用量為300ml，需兌水2 000ml稀釋后均勻噴施；PAM改良劑為固體，每塊樣地用量為270g，需與土壤拌勻后均勻撒施。試驗期內試驗樣地所在地的降水集中在夏季，達到506.9mm，其它時段降水較少，與當地近幾年的降水趨勢保持一致，試驗期間未對樣地進行灌溉處理。

1.3 數據測定與分析處理

測定土地整理后和玉米收獲后土壤的各項指標，分別在每個樣地采用梅花形采樣法使用采樣器采集表土層（0—20cm）的土壤樣品。土壤容重采用環刀法測量；土壤pH值采用pH計測定；土壤全鹽量采用電導法測定；土壤有效氮用流動連續注射分析儀測定；土壤有效磷用碳酸氫鈉浸提法測定；土壤有效鉀用原子吸收分光光度法測定；土壤有機質用水合熱重鉻酸鉀氧化—比色法測定［12］。玉米收獲后隨機在各樣地采集10株玉米，采用重量法測定玉米收獲后玉米的地上生物量和玉米產量，烘干后使用電子天平測定，并折算成單位平均產量。

試驗數據采用Excel和SPSS 20.0統計軟件進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤理化性質的影響

土壤容重、pH值和含鹽量是反映土壤理化性質的重要指標，也是決定土壤質量的重要因素。從表2可以看出，試驗組經過改良后，土壤容重下降6.9%～12.9%，土壤pH值下降了1.5%～4.7%，土壤含鹽量下降幅度達到16.0%～50.0%，由中度鹽漬化水平降為輕度鹽漬化水平。這是因為土地整理過程中選取隔鹽材料作為客土材料抬高地面，有助于降低了地下水位，利于土壤脫鹽并防止返鹽，同時加快了土壤滲水能力，提高土壤通透性［13］。此外，土壤改良劑可以增強土壤保土保水能力，調節土壤孔隙度，降低土壤pH值和含鹽量［14］?？瞻讓φ战M的各項指標不降反升，可能與秋季蒸發積鹽期的到來有關［15］。不同處理下土壤理化性質的各指標值與對照組差異性顯著（p＜0.05，下同），其中土壤容重下降6.9%～13.9%，土壤pH值減少了1.7%～5.6%，土壤含鹽量降幅明顯達到18.5%～48.1%。由于不同樣地的降水情況保持一致，而試驗組與對照組的試驗結果差異顯著，說明改良試驗對土壤理化性質的變化起主導作用。由上述分析可知，土壤改良措施能夠有效降低土壤容重，改善土壤通透性，調節土壤酸堿度，減少土壤含鹽量，有效改善土壤的理化性質。

為了進一步弄清各因素對土壤理化性質的影響程度并確定最佳改良方案，對改良后土壤容重、pH值和含鹽量的結果進行方差分析并繪制各因素水平下各指標的均值趨勢圖（圖1）。結果顯示，在p＜0.05顯著性水平下（下同），對于土壤容重的變化，隔鹽材料（A）、隔鹽層深度（B）對土壤容重的影響顯著，改良劑（C）的影響不顯著，這3個因素對土壤容重的影響程度的大小順序為：A＞B＞C，最優方案為A2B2C2；隔鹽材料（A）、隔鹽層深度（B）和改良劑（C）對于土壤的pH值都有顯著影響，其大小順序為：C＞A＞B，最優方案為A2B3C3；隔鹽材料（A）、隔鹽層深度（B）對于土壤含鹽量有顯著影響，而改良劑（C）對土壤含鹽量的影響不顯著，其中A＞B＞C，最優方案為A2B2C3。

表2 不同處理下土壤的理化性質

圖1 各因素水平與土壤理化性質指標的關系

2.2 不同處理對主要土壤養分的影響

土壤養分是決定土壤肥力的關鍵因素，土壤中養分的含量直接影響著農作物的產量和品質。土壤中有效氮、有效鉀、有效磷和有機質的是土壤養分的主要組成部分，也是植物生長需求量最大的重要營養物質［16］。從表3可看出，與改良前對比，試驗組在改良后土壤中養分含量變化不明顯，其中有效氮的含量增加9.2%～22.2%，有效磷的含量增加3.3%～6.1%，有機質的含量上升1.1%～12.9%，而有效鉀的含量略有下降，總體下降2.2%～9.3%。這是因為隔鹽材料中的玉米秸稈在土壤中被微生物分解成有機質，土壤中有機質含量大幅增加，而有機質又是土壤中各種營養元素特別是氮、磷、鉀的重要來源，土壤中的有效養分得到大量補充；同時土壤改良劑也是土壤中有效養分的來源，進一步促進土壤肥力不斷改善。但是隨著作物生長，土壤中的有效養分被大量消耗，含量又逐步降低，由于鉀更容易被林洗掉有效鉀的含量減少更為明顯［16］。與對照組相比，各處理組中養分含量與對照組有顯著性差異，主要養分含量均有顯著增加，其中有效氮的含量增加32.0%～180.4%，有效磷的含量增加11.3%～58.2%，有效鉀上升23.7%～66.0%，有機質增加33.9%～82.1%。

進一步對土壤各主要養分含量方差分析并繪制各因素與主要養分的關系圖（圖2）。

圖2顯示，隔鹽材料（A）、改良劑（C）對于土壤中有效氮的含量有顯著影響，而隔鹽層深度（B）相對于前兩者對土壤中有效氮含量的影響不顯著，其中C＞A＞B，最優方案為A2B2C1；改良劑（C）對于土壤中有效磷的含量有顯著影響，而隔鹽材料（A）、隔鹽層深度（B）相對于改良劑（C）對土壤中有效磷含量的影響不顯著其中C＞A＞B，最優方案為A2B2C1；隔鹽材料（A）、隔鹽層深度（B）、改良劑（C）對于土壤中有效鉀的含量均有顯著影響，其中C＞A＞B，最佳方案為A2B2C1；改良劑（C）對于土壤中有機質的含量有顯著影響，隔鹽材料（A）、隔鹽層深度（B）對土壤中有效鉀的含量的影響不顯著，其中C＞A＞B，最優方案為A2B2C1。

表3 不同處理下土壤主要養分的含量

圖2 各因素水平與土壤中主要養分含量的關系

2.3 不同處理對玉米地上生物量和產量的影響

種植玉米可以檢驗不同試驗組土壤改良效果的差異，作物的生物量和產量可作為改良試驗效果的有效表征。從表4可看出，由于不同組合的改良方案在調節土壤理化性質，增加土壤中養分含量的差異，各試驗組中玉米的地上生物量和玉米產量都有明顯差異。試驗組的玉米地上生物量和產量均與對照組有顯著性差異，并有顯著增加，其中玉米生物量增加19.8%～42.5%，玉米產量增幅達到26.5%～46.4%。

表4 不同處理下玉米生物量和產量的分析結果

方差分析和因素水平指標圖（圖3）顯示，對于玉米地上生物量，隔鹽材料（A）、改良劑（C）有顯著影響，隔鹽層深度（B）的影響不顯著，其中A＞C＞B，最優方案為A2B2C1；對于玉米產量，隔鹽材料（A）、改良劑（C）有顯著影響，隔鹽層深度（B）的影響不顯著，其中A＞C＞B，最佳方案為A2B2C1。

圖3 各因素水平與玉米地上生物量和產量的關系圖

2.4 改良方案優化

不同指標考量下的最佳改良方案略有不同，土壤容重改良效果最佳的方案為A2B2C2，pH值為A2B3C3，含鹽量為A2B2C3，有效氮為A2B2C1，有效磷為A2B2C1，有效鉀為A2B2C1，有機質為A2B2C1，玉米地上生物量為A2B2C1，玉米產量為A2B2C1。試驗中，因素A（隔鹽材料）對容重、含鹽量、玉米地上生物量、玉米產量的影響大小排在第一位，對pH值、有效氮、有效磷、有效鉀、有機質的影響排在第二位，所有指標的最優水平均取A2。因素B（隔鹽層深度）對容重、含鹽量的影響的大小排在第二位，對其它指標的影響均排在第三位，pH值的最優水平取B3，其余指標均取B2，但是取B2時，容重比B3降低1.43%，pH值增加0.89%，含鹽量降低14.43%，土壤含鹽量大幅降低而pH值上升幅度不明顯，其它指標均略有增加。因此，B取B2。同理可分析，C取C1。因此，最優改良方案為A2B2C1，該方案下土壤容重、pH值、含鹽量分別比對照下降10.5%，4.9%和43.2%，有效氮、有效磷、有效鉀、有機質含量比對照分別增加66.3%，27.1%，37.5%和51.0%，玉米地上生物量、玉米產量分別比對照增加28.9%和33.8%。

3 結論

在鹽漬化地區土地整理過程中采取不同“隔鹽材料＋隔鹽層深度＋改良劑”組合的改良方案能夠有效改良土壤性狀。與處理前相比各處理下土壤理化性質和主要養分均得到有效改善；與對照組相比，不同處理下的各項指標與對照均有顯著性差異，土壤理化性質指標明顯下降，主要養分含量、玉米產量和生物量顯著增加。這是因為鋪設隔鹽層可以阻斷鹽分來源，打破原有的水鹽運移機制，從而達到改良鹽堿地的目的［17］；同時，添加土壤改良劑不僅能夠改善土壤理化性質，還能活化土壤養分增加土壤肥力［14，18］。

“爐渣和玉米秸稈（隔鹽材料）＋60cm（隔鹽層深度）＋有機肥（改良劑）”的改良方案比其它方案有更好的改良效果。隔鹽材料選取有更好的透水性爐渣和玉米秸稈的組合，利于鹽分的淋洗，通過對土壤結構性質的改善，促進土壤有效養分的釋放，同時爐渣可提供大量的磷、鉀等元素，利于土壤肥力增加和作物的生長，這與張萬鈞［13］的研究結果一致。已有研究成果表明，隔鹽層深度影響土壤中的水鹽運動規律［19］，從而影響土壤改良效果的實現，本試驗中60 cm的隔鹽層深度的改良效果最佳。改良劑方面，試驗中禾康鹽堿清除劑和PAM雖然能有效降低土壤容重和pH值和含鹽量，但是有機肥不僅能夠改善土壤理化性狀和土壤結構，而且可顯著增加土壤中有機質的含量，激發土壤中氮、磷的釋放，提高土壤有效養分的含量，更利于作物生長和增產。此外，該方案的應用借助于土地整理工程的實施可以大幅節約施工成本，平均投入約12 000元／hm2，單位面積年增產值3 600元／hm2，投資回收周期較短，約為3.3a，可操作性強。

鹽漬化地區土地整理過程中對土壤改良是一個不可或缺的環節，本文通過研究提出了“爐渣和玉米秸稈（隔鹽材料）＋60cm（隔鹽層深度）＋有機肥（改良劑）”的改良方案。而土壤改良是一個長期積累的過程，由于試驗條件、試驗時間等多方面因素的限制，本研究只分析了改良試驗前后的數據，缺乏對土壤改良效果長期的對比。從試驗效果來看，隨著時間的推移，隔鹽層仍會主導土壤理化性質不斷改善，而由于作物的吸收土壤中養分的含量會逐步降低，但可以通過秸稈還田和繼續施加有機肥來保證土壤肥力，具體的改良效果仍需長期的對比和驗證。

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