基于土壤鈉離子含量的不同施用量石膏改良劑的改良效果

羅小東，王全九，譚　帥

(西安理工大學(xué)水資源研究所， 陜西 西安 710048)

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基于土壤鈉離子含量的不同施用量石膏改良劑的改良效果

羅小東，王全九，譚帥

(西安理工大學(xué)水資源研究所， 陜西 西安 710048)

摘要：以土壤中鈉離子含量為依據(jù)，分析石膏施量對(duì)土壤水鹽分布和作物生長(zhǎng)的影響，從而確定石膏改良劑合理施量。結(jié)果表明：石膏施量為土壤鈉離子含量的200%時(shí)，土壤的容重下降14.44%，較其他處理下降幅度大; 石膏施量為土壤鈉離子含量的200%和300%時(shí)，土壤的含水量較其他處理增加幅度大，分別為5.94%和6.21%； 石膏施量為土壤鈉離子含量的200%和300%時(shí)，更有利于土壤的脫鹽，相對(duì)脫鹽率分別為14.1%和13.6%； 各施量都增加了棉花的莖粗、產(chǎn)量，施量為土壤鈉離子含量的200%時(shí)，棉花的莖粗和產(chǎn)量增加最多，分別為1.6 mm和45 kg·667m-2； 當(dāng)石膏施量為100%、200%和300%時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益增加，相比對(duì)照分別增加108、263、148 元·667m-2，當(dāng)石膏施量為350%時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益降低，相比對(duì)照降低了44 元·667m-2。

關(guān)鍵詞：鹽堿地；石膏改良劑；水鹽運(yùn)移；土壤容重；經(jīng)濟(jì)效益

我國(guó)是一個(gè)擁有豐富鹽堿地資源的國(guó)家[1]，鹽堿地的開(kāi)發(fā)可以實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)增收。近年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)鹽堿地的改良做了大量研究[2-7]，研究了改良劑的改良原理[8-10]，確定了很多類(lèi)改良鹽堿地的改良劑[11-15]，得出了針對(duì)某一區(qū)域的改良劑施量[16-17]。但是由于鹽堿地的鹽分含量和組成在不同區(qū)域存在差異，改良劑的施量也因地域差異而發(fā)生變化，這使改良劑的推廣使用受到限制，不利于鹽堿地的開(kāi)發(fā)和利用。本試驗(yàn)所在地區(qū)，土壤為鈉質(zhì)化鹽堿地，含有大量的鈉離子，惡化土壤的物理特性。針對(duì)這一現(xiàn)狀，采用石膏進(jìn)行改良，用石膏中的鈣離子置換出吸附在土壤顆粒上的鈉離子，并在灌水淋洗的作用下，將鈉離子運(yùn)移到作物根層以外處，為作物創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)水鹽環(huán)境。新疆庫(kù)爾勒巴州灌區(qū)的農(nóng)田，種植作物為棉花，種植結(jié)構(gòu)單一。土壤鹽堿化嚴(yán)重，鈉離子含量大，在采用膜下滴灌灌水技術(shù)之前，棉花的產(chǎn)量很低。膜下滴灌技術(shù)結(jié)合化學(xué)改良，可以更好地淋洗作物根層的鹽分，為作物創(chuàng)造良好的水鹽環(huán)境。改良劑石膏的施量與土壤中鈉離子含量有關(guān)，本文以土壤中鈉離子含量的相對(duì)值確定改良劑石膏的合理施量，為確定改良劑合理施量提供參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2013年在庫(kù)爾勒西尼爾鎮(zhèn)巴州水管處灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行。該地區(qū)年降雨量55 mm左右，蒸發(fā)量2 500 mm左右，地下水埋深在1.4～2.4 m，礦化度大于3 g·L-1。土壤質(zhì)地為砂土，其中砂粒占88.9%，粉粒占9.4%，粘粒占1.7%。1 m以?xún)?nèi)土壤平均容重為1.57 g·cm-3，在0～40 cm土層土壤平均含鹽量為1.8 g·kg-1，其中10 cm土層處含鹽量為2.2 g·kg-1，20 cm土層處含鹽量為2.0 g·kg-1，30 cm土層處含鹽量為1.6 g·kg-1，40 cm土層處含鹽量為1.4 g·kg-1。多以Cl-和Na+為主。試驗(yàn)地種植作物為棉花，采用膜下滴灌技術(shù)，采用統(tǒng)一的灌水定額為4 500 m3，具體膜下滴灌種植方式如圖1所示。

圖1膜下滴灌棉花種植模式

Fig.1Drip irrigation patterns for cotton cultivation

1.2試驗(yàn)材料

供試改良劑為石膏，其主要成分為CaO 303.3 g·kg-1，P2O59.2 g·kg-1，K2O 2.2 g·kg-1，SO3418.9 g·kg-1，F(xiàn)e2O32.2 g·kg-1，游離酸12.3 g·kg-1，全F2.97 g·kg-1，水溶性F 11.84 mg·kg-1。

改良深度為30 cm，鈉離子含量的本底值和石膏施量如表1。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)是在大田試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)5種處理，即施加石膏用量分別為土壤鈉離子含量的100%、200%、300%、350%，以不施加石膏處理為對(duì)照，設(shè)2個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)方案如表1，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積為70 m2(10 m×7 m)。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)分別在膜間布置5個(gè)取土點(diǎn)，每個(gè)取土點(diǎn)相距30 cm，并在每個(gè)測(cè)點(diǎn)的5、10、15、20、30 cm和40 cm土層深處提取土樣，取土?xí)r間為第1、4、7、9、11次灌水的前1天。提取土樣用于測(cè)定土壤含水量、鹽分和離子含量。

表1　鈉離子含量的本底值和石膏施量

1.4試驗(yàn)方法

(1) 本底值調(diào)查：在施加改良劑之前，在埋深為5、10、15、20、30、40 cm處取土樣測(cè)定其鹽分含量和10～20 cm處的土壤容重。

(2) 試驗(yàn)期監(jiān)測(cè)：在第1、4、7、9、11次灌水前1天，在膜間的5、10、15、20、30、40 cm土層處提取土樣，用于測(cè)定土壤含水量和鹽分。其中，土壤含水量用烘干法測(cè)定；土壤含鹽量采用電導(dǎo)率儀測(cè)定，將所取的土樣烘干后研磨，取18 g土用90 g純凈水(水土比1∶5)浸提，然后用DOS—307型電導(dǎo)率儀測(cè)定浸提液電導(dǎo)率值，并將電導(dǎo)率值轉(zhuǎn)化為土壤含鹽量。在第11次灌水后的第10天測(cè)定土壤容重，用體積為100 cm3的環(huán)刀取原狀土，作為土樣，稱(chēng)重烘干測(cè)定。在棉花的每個(gè)生育期測(cè)定棉花的生長(zhǎng)指標(biāo)，莖粗用游標(biāo)卡尺測(cè)定。

(3) 脫鹽率計(jì)算：由于每個(gè)試驗(yàn)地含鹽量本底值存在差異，所以在分析各處理對(duì)土壤含鹽量的影響時(shí)，采用了相對(duì)脫鹽率表示，具體表達(dá)式為：

(1)

式中，sx為相對(duì)脫鹽率；s為每次取土的土壤含鹽量；sd為土壤的含鹽量本底值。其中相對(duì)脫鹽率為正時(shí)，表示積鹽；相對(duì)脫鹽率為負(fù)時(shí)，表示脫鹽。

2結(jié)果與分析

2.1石膏不同施用量對(duì)土壤容重的影響

圖2顯示了石膏的不同施量對(duì)10～20 cm土層處土壤容重的影響。由圖可知：石膏的施量分別為土壤鈉離子含量的100%、200%、300%以及350%時(shí)，土壤容重的下降率分別為11.93%、14.44%、11.49%及13.41%，而對(duì)照土壤容重下降了8.2%，各處理都降低了土壤容重。這是因?yàn)槭嗪卸r(jià)鈣離子，施加到土壤中，置換出土壤中一價(jià)陽(yáng)離子(主要是鈉離子)，然后經(jīng)過(guò)灌水淋洗，將鈉離子運(yùn)移到作物根層以下的土壤中，從而減輕鈉離子對(duì)土壤顆粒的分散程度，降低土壤的容重。其中各施量相比，石膏施加量為土壤鈉離子含量的200%時(shí)，土壤的容重下降幅度最大。

圖2石膏施用量對(duì)土壤容重的影響

Fig.2Effects of gypsum application on soil bulk density

2.2石膏不同施用量對(duì)土壤含水量的影響

圖3顯示了不同處理對(duì)膜下窄行埋深分別為10 cm、20 cm、30 cm及40 cm土層處土壤含水量的影響。由圖可知：在0～30 cm土層處，施加石膏的試驗(yàn)田土壤含水量相比對(duì)照有所提高。其中，在埋深20 cm處，石膏施量分別為土壤鈉離子含量的100%、200%、300%及350%時(shí)，土壤含水量相比對(duì)照分別提高了3.06%、5.94%、6.21%和3.68%。說(shuō)明石膏施加到土壤后，經(jīng)過(guò)灌水溶解，分離出二價(jià)鈣離子，從而置換出土壤中的一價(jià)鈉離子，再在灌水淋洗的作用下，將鈉離子運(yùn)移到濕潤(rùn)鋒處(>30 cm)，改善了0～30 cm處的土壤物理特性，減小了水分蒸發(fā)的通道和增加了土壤的持水能力。對(duì)不同施量進(jìn)行比較分析可以看出，石膏施量為土壤鈉離子含量的200%～300%時(shí)，土壤的含水量比較大。

圖3石膏不同施用量對(duì)土壤含水量的影響

Fig.3Effects of gypsum application on soil water content

2.3石膏不同施用量對(duì)土壤含鹽量的影響

圖4顯示了施加石膏對(duì)埋深為10 cm、20 cm、30 cm和40 cm處土壤相對(duì)含鹽率的影響。由圖可知，在埋深0～40 cm范圍內(nèi)，各處理和對(duì)照的脫鹽率均為負(fù)值，呈現(xiàn)脫鹽現(xiàn)象。這是因?yàn)橐环矫婷藁ㄔ谡麄€(gè)生育期對(duì)土壤鹽分的吸收，另一方面是灌水淋洗的作用。另外各處理與對(duì)照相比，在0～20 cm土層范圍內(nèi)，土壤含鹽量呈現(xiàn)降低的現(xiàn)象。其中，在10 cm土層處，石膏的施量為100%、200%、300%和350%時(shí)，土壤相對(duì)脫鹽率相比對(duì)照分別增加了5.2%、14.1%、13.6%和7.3%。說(shuō)明施加石膏有助于土壤的脫鹽。在深度為30～40 cm土層范圍內(nèi)，有些處理相比對(duì)照有積鹽的現(xiàn)象，這是因?yàn)樵诠嗨芟吹淖饔孟拢}分被淋洗到深層土壤中。各施量之間進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：石膏施量為土壤鈉離子含量的200%～300%時(shí)，更有利于土壤的脫鹽。

圖4石膏不同施用量對(duì)土壤含鹽量的影響

Fig.4Effects of gypsum application on soil salt content

2.4石膏不同施用量對(duì)棉花生長(zhǎng)特性的影響

施加改良劑影響了土壤的物理特性，改善了棉花生長(zhǎng)的水鹽環(huán)境，從而對(duì)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。圖5～圖7顯示了施加石膏對(duì)棉花出苗率、莖粗和產(chǎn)量的影響。從圖5可知，各試驗(yàn)小區(qū)出苗率存在微小差異，改良劑的施量對(duì)出苗率的影響規(guī)律不明顯。這可能是因?yàn)榇汗鄬⒋罅康柠}分淋洗到深層土壤中，再加上播種之后的覆膜，阻礙了鹽分向表層的積累，而且沒(méi)有灌水，改良劑沒(méi)有溶解，改良作用發(fā)揮不明顯，所以對(duì)出苗率的影響比較小。從圖6可知，施加石膏相比對(duì)照，增加了棉花的莖粗。其中，當(dāng)施量為200%時(shí)，棉花莖粗相比對(duì)照增加了1.6 mm。這是因?yàn)椋┘痈牧紕└纳屏嗣藁ㄉL(zhǎng)的水鹽環(huán)境，而植物莖稈的體積微變化動(dòng)態(tài)與其體內(nèi)水分狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)根系吸水充足時(shí)莖稈膨脹，虧缺時(shí)莖稈收縮。從圖7可知，施加石膏，相比對(duì)照，增加了棉花的產(chǎn)量。其中，石膏的施量為100%、200%、300%和350%時(shí)，相比對(duì)照棉花的產(chǎn)量分別增加12、45、39、20 kg·667m-2。

2.5施加石膏經(jīng)濟(jì)效益分析

施用化學(xué)改良劑的目的之一是取得高產(chǎn)，增加農(nóng)民的收入，這樣也有利于改良劑的推廣使用。有些改良劑可以使棉花獲得高產(chǎn)，但是其成本昂貴，反而造成農(nóng)民收入的減小，不被農(nóng)民接受。因此從經(jīng)濟(jì)效益的角度對(duì)改良劑的改良效果予以評(píng)價(jià)是很重要的。采用經(jīng)濟(jì)效益值評(píng)價(jià)改良劑的經(jīng)濟(jì)效益。其表達(dá)式為：

經(jīng)濟(jì)效益值(元)=棉花的產(chǎn)量(kg)×棉花的價(jià)格(元·kg-1)-改良劑的施加量(kg)×改良劑的價(jià)格(元·kg-1)

圖5　石膏不同施用量對(duì)棉花出苗率的影響

圖6石膏不同施用量對(duì)棉花莖粗的影響

Fig.6Effects of gypsum application on stem thickness of cotton

圖8顯示了石膏不同施量對(duì)經(jīng)濟(jì)效益值的影響。從圖8可知，當(dāng)石膏施量為100%、200%和300%時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益增加，相比對(duì)照分別增加108、263、148 元·667-2。當(dāng)石膏施量為350%時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益降低，相比對(duì)照降低了44 元·667m-2。

圖7　石膏不同施用量對(duì)棉花產(chǎn)量的影響

圖8石膏不同施用量對(duì)經(jīng)濟(jì)效益值的影響

Fig.8Effects of gypsum application on economic value

3結(jié)論

通過(guò)上述分析，試驗(yàn)所得結(jié)果和許多學(xué)者推薦的石膏施量值相近，王曉洋[16]等研究發(fā)現(xiàn)：石膏施量為300 kg·667m-2時(shí)，土層鹽分含量相對(duì)降低率分別為18.8%,13.0%和4.9%，油菜較對(duì)照增產(chǎn)6.1%。說(shuō)明用這種方法確定石膏的施量值是有效和合理的，因此通過(guò)改良土壤中鈉離子數(shù)量確定石膏施量可以克服土壤空間變異性，針對(duì)任何鈉質(zhì)化鹽堿地都可以給出改良劑石膏的最佳施量。所得結(jié)論如下：

1) 石膏施量為213 kg·667m-2(200%)和320 kg·667m-2(300%)時(shí)，土壤的容重下降率(約14%)和土壤含水率相對(duì)增加值(約6.1%)相比其他處理較大，而且也更有利于土壤的脫鹽(相對(duì)脫鹽率約89.8%)。

2) 石膏施量為213 kg·667m-2(200%)時(shí)，增加棉花的莖粗、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益值最大，分別為1.6 mm、45 kg·667m-2和263 元·667m-2。

綜上所述，石膏的最佳施量推薦值在213 kg·667m-2(200%)和320 kg·667m-2(300%)之間。

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The effect of gypsum improver based on Na+concentration in soil

LUO Xiao-dong, WANG Quan-jiu, TAN Shuai

(InstituteofWaterResources,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'an,Shaanxi710048,China)

Abstract：Influence of gypsum on soil salt distribution and crop production was analyzed in this research based on sodium ion content in soil, allowing a reasonable application of gypsum. Our results showed that when the application of gypsum was 200% of the sodium ion content in soil, soil bulk density could be lowered by about 14.44%. In addition, when the application of gypsum was 200% and 300% of the sodium ion content in soil, water content could be increased by about 5.94% and 6.21%, respectively. Moreover, when the application of gypsum was 200% and 300% of the sodium ion content in soil, conductivity of soil desalination was enhanced, resulting in desalination rates at 14.1% and 13.6%. Furthermore, each treatment increased stem diameter and yield of cotton. Among all treatments, 200% of the sodium ion content in soil was the best. Also, when the applications of gypsum were 100%, 200% and 300% of the sodium ion content in soil, the economic benefits for farmers could be increased by 108, 263 yuan·667m-2and 148 yuan·667m-2. However, when the application of gypsum was 350% of the sodium ion content in soil, the economic benefit for farmers was rather reduced by 44 yuan·667m-2.

Keywords:saline-alkali soil; gypsum ameliorant; water and salt transfer; soil bulk density; economic

中圖分類(lèi)號(hào)：S156.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通信作者：王全九(1964—)，男，內(nèi)蒙古人，教授，博士生導(dǎo)師,主要從事土壤物理與溶質(zhì)遷移研究。 E-mail: wquanjiu@163.com。

作者簡(jiǎn)介：羅小東(1989—)，男，寧夏中衛(wèi)人，碩士研究生，主要從事節(jié)水灌溉和鹽堿地治理。 E-mail: Lxdhy2345@126.com。

基金項(xiàng)目：水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201301102)；新疆維吾爾自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(201330103-3)

收稿日期：2014-10-10

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.44

文章編號(hào)：1000-7601(2016)01-0288-05