脫硫石膏配施聚馬來酸酐對堿化土壤的改良效果研究

田 野，劉善江*，馮浩杰

(1.北京市農林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所，北京 100097；2.中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100094)

根據農業(yè)部組織的第二次全國土壤普查資料統計，我國鹽漬土面積為0.35億hm2(不包括濱海灘涂)，其中堿土86.7萬hm2，各類鹽化、堿化土壤面積為0.18億hm2[1]。面對城市化、經濟發(fā)展帶來的強勁土地需求，數以億公頃計的堿土及堿化土壤的巨大開發(fā)潛力，是保障1.2億hm2耕地和糧食安全的重要途徑[2]。鹽堿地改良是世界性難題，其頑固性和反復性是治理鹽堿的主要障礙因素。

脫硫石膏是目前應用較為廣泛的鹽漬化土壤改良劑[3-4]，含有豐富的Ca、S等植物必需的中量元素，為植物的生長提供養(yǎng)分[5]，提高作物產量[6]。脫硫石膏作為堿化土壤改良劑已經越來越受到重視[2，7-11]，具有十分廣泛的應用前景[12]。脫硫石膏通過增加土壤中的Ca2+濃度，置換土壤膠體上的交換性Na+，降低土壤堿化度，加快土體排鹽效率，從而達到改良鹽堿土的目的，但脫硫石膏在堿化土壤中的溶解速率是改良過程中的限速環(huán)節(jié)，如何增加脫硫石膏的溶解速率成為提高堿土改良速度、降低改良年限的關鍵。聚馬來酸酐原作為水體除垢劑使用，與碳酸鈣、硫酸鈣相互作用使之溶解不產生沉淀；聚馬來酸酐在田間試驗是否能明顯提高脫硫石膏的溶解速率、增強脫硫石膏的改良效果，目前尚缺乏研究。本試驗結合了目前國內對堿化土壤改良的評價方法[13-15]，研究了水稻種植模式下不同用量脫硫石膏對堿土的改良效果，同時進行了脫硫石膏配施聚馬來酸酐對降低土壤鹽堿危害、提高改良效率的研究。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于吉林省大安市四棵樹鄉(xiāng)建設村。該地區(qū)海拔高度130～140 m，氣候類型屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均降水量為413.7 mm，年蒸發(fā)量超過1 200 mm。試驗地全年日照時數平均3 012.8 h，年平均氣溫4.3℃，全年日平均氣溫≥10℃的積溫為2 921.3℃。試驗地土壤pH值在9.0以上，堿化度在20%以上；土壤濕黏干硬，通透性極差，地表常有白色鹽分積淀。

1.2 供試材料

供試土壤：供試土壤類型為草甸堿土，具有堿化、鹽化同時存在的特點。土壤的基本理化性質為：pH值9.41，電導率(EC)1.029 mS·cm-1，陽離子交換總量(CEC)20.2 cmol·kg-1，堿化度27.1%，可溶性鹽總量9.22 g·kg-1，堿解氮36.7 mg·kg-1，有效磷17.5 mg·kg-1，速效鉀 155 mg·kg-1，容重1.42 g·cm-3。

供試作物：種植作物為水稻，水稻品種為“白稻8號”。

供試肥料：供試肥料為普通尿素(N 46%)，復合肥(N 15%，P2O518%，K2O 12%)。

供試土壤改良劑：脫硫石膏(Desulfurization gypsum，簡稱DG)，其主要成分見表1。聚馬來酸酐(Polymaleic anhydride，下文簡稱“HPMA”)是一種高分子聚合物，可以活化土壤中的Ca2+，取代土壤膠體表面的交換性鈉，實現促進脫硫石膏改良堿化土壤的作用。

1.3 試驗設計

本試驗設7個處理：對照(不施用脫硫石膏)，施脫硫石膏3.0×104、6.0×104、9.0×104、1.2×105kg·hm-2，6.0×104kg·hm-2+低量HPMA，脫硫石膏6.0×104kg·hm-2+高量HPMA。脫硫石膏的施用量是參照本單位往年鹽堿地改良試驗研究的基礎上進行梯度用量設計。各試驗小區(qū)面積為0.066 7 hm2，每個處理3 次重復，共計21個小區(qū)，采用田間隨機排列，具體試驗設計見表2。

表2 試驗方案

注：“—”表示處理中無值。

試驗時間為2014年4月至2015年10月。按照試驗設計，2014年插秧前結合整地將脫硫石膏一次性均勻撒施于地表，耕翻20 cm，使其與土壤充分混合，灌水打漿并排水洗鹽。聚馬來酸酐在水稻田打漿泡田前均勻噴施。各處理施肥用量采用當地農民常規(guī)用量，基肥使用復混肥(N 15%，P2O518%，K2O 12%)，用量為450 kg·hm-2；水稻返青期、分蘗期、灌漿期分別追施尿素(N 46%)，用量為75 kg·hm-2。2014年5月中上旬插秧，10 月30 日收獲測產。2015 年種植與收獲時間基本與2014 年一致，不再施用脫硫石膏和聚馬來酸酐，其他田間管理同當地。

1.4 樣品采集與處理

分別于2014 年4、10 月和2015 年10 月采集深度為0～20 cm土壤樣品。取樣方法：每試驗小區(qū)采用“S”5點取樣，充分混勻后裝入密封袋中，運回實驗室。自然風干、磨細后，分別過2 mm和1 mm篩，密封袋保存待用。

1.5 數據分析及處理

試驗數據采用Excel 2003 和SAS 6.12統計軟件進行處理和分析。

1.6 樣品檢測方法

土壤指標測定方法見表3。

表3 土壤指標測定方法[16]

2 結果與分析

2.1 施用脫硫石膏對耕層土壤pH值的影響

松嫩平原西部地區(qū)蘇打堿土的特點之一是具有很高的pH值，主要原因是土壤普遍含有碳酸氫鈉及碳酸鈉，這兩種強堿弱酸鹽水解后顯堿性；土壤膠體上吸附的交換性Na+水解，也增加了土壤的堿性。從表4數據可以看出，未施用脫硫石膏條件下種植水稻改良堿化土壤，堿化土壤的滲透性較差，淋洗作用對降低土壤交換性Na+、碳酸氫根離子的效果有限， CK處理的土壤pH值降低幅度僅為0.24；單獨施用脫硫石膏處理的土壤pH值降低幅度與用量呈正相關性，4%DG處理pH值降低幅度最大，用量處理間差異不顯著。2%DG+TS、2%DG+TL處理的土壤pH值降幅略低于2%DG處理，但處理

表4 脫硫石膏對耕層(0～20 cm)土壤pH值的影響

注：同一列不同小寫字母表示差異達0.05顯著水平，下同。

間差異不顯著，說明脫硫石膏相同用量條件下配施HPMA較單獨施用脫硫石膏對降低堿化土壤pH值的作用無明顯差異。2014 ～2015 年耕層土壤pH值的變化趨勢表明，pH值降低幅度隨施用年限增加逐步降低，第一年土壤pH值降低幅度為72%～85%，脫硫石膏的添加對降低土壤pH值起主要作用。

2.2 施用脫硫石膏對耕層土壤堿化度和可溶性鹽總量的影響

從表5數據可以看出，試驗地土壤堿化度背景值在27.2%～29.0%之間，2014 年水稻收獲后土壤堿化度降至13.3%～25.0%，2015 年堿化度降至12.9%～25.2%，與pH值變化規(guī)律基本一致：降低幅度與脫硫石膏用量呈正比，第一年改良的降低幅度占絕對優(yōu)勢。單獨施用脫硫石膏處理的土壤可溶性鹽總量隨用量呈先降低后增加的趨勢，4%DG處理可溶性鹽總量最高為9.09 g·kg-1；脫硫石膏在一定范圍內可以顯著降低土壤含鹽量，但過量施用顯著增加土壤的可溶性鹽總量，對作物的生長發(fā)育起到抑制作用。脫硫石膏配施HPMA處理的堿化度相比2%DG處理無顯著差異，而2%DG+TL處理的土壤可溶性鹽總量在2014～2015年均顯著低于2%DG處理，說明HPMA對耕層土壤可溶性鹽的淋洗具有一定促進作用。

表5 脫硫石膏對耕層(0～20 cm)土壤堿化度和可溶性鹽總量的影響

2.3 施用脫硫石膏對耕層土壤水溶性陽離子含量的影響

從圖1可以看出，改良前后試驗地堿化土壤水溶性K+、Na+、Mg2+大幅降低，脫硫石膏處理的土壤水溶性Ca2+含量明顯增加。脫硫石膏理論上可以加速土壤中Mg2+的淋洗，但脫硫石膏優(yōu)先交換土壤中的交換性K+、Na+，田間試驗中脫硫石膏與土壤達不到理想的混勻程度，土壤本身濃度不高的Mg2+在田間試驗條件下不易表現出理想的規(guī)律性。

圖1b可以看出，試驗地土壤的水溶性鈉離子含量背景值在696.7 cmol·kg-1。2014～2015 年水稻收獲后，CK處理土壤水溶性Na+含量較2014年插秧前僅分別降低7.1%、6.6%，而施用脫硫石膏處理的土壤水溶性Na+含量降幅均在30%以上，而且脫硫石膏用量越大，土壤的水溶性Na+含量降低幅度越大。圖1c顯示，改良前土壤水溶性Ca2+含量背景值在101.5～104.0 cmol·kg-1之間，CK處理的土壤水溶性Ca2+含量降低是水稻種植過程中的淋洗作用所致；脫硫石膏處理的土壤水溶性Ca2+含量顯著增加，相比CK脫硫石膏處理的土壤水溶性Ca2+含量分別增加56.2%、169.4%、397.5%、857.8%。

圖1 脫硫石膏對耕層(0～20 cm)土壤水溶性陽離子含量的影響

圖1b、c表明，脫硫石膏配施HPMA 處理與2%DG處理相比，水溶性Na+含量無顯著變化，水溶性Ca2+含量有一定幅度的提升，2015年收獲后HPMA 處理土壤水溶性Ca2+含量顯著高于2%DG處理，說明HPMA對提高土壤中含鈣物質溶解速率具有一定的持續(xù)作用，可以顯著增加土壤可溶性Ca2+含量。

2.4 施用脫硫石膏對耕層土壤水溶性陰離子的影響

改良前試驗地堿化土壤的氯離子含量背景值在222.7 cmol·kg-1。2014 年水稻收獲后，各處理土壤水溶性氯離子含量均大幅下降，降幅在53.1%～74.5%之間；4%DG處理的土壤水溶性氯離子含量顯著低于其他處理，過量的脫硫石膏施入土壤后與交換性Na+發(fā)生置換反應，改變了土壤滲水性能和通透性，加快了耕層土壤氯離子的淋洗速率。

試驗地基礎土壤碳酸根離子含量背景值在580～640 cmol·kg-1之間，施入脫硫石膏后土壤碳酸根離子均未檢出，耕層土壤碳酸根離子轉換為碳酸氫根離子。從圖2c可以看出，水稻收獲后各處理土壤碳酸氫根離子含量除1%DG處理外均大幅降低，其他脫硫石膏處理降幅在63.2%～82.3%之間，說明脫硫石膏的改良效果必須建立在一定用量的基礎上；脫硫石膏配施HPMA對土壤碳酸氫根離子含量無顯著影響，理論上HPMA促進碳酸鈣的溶解導致土壤水溶性碳酸根或碳酸氫根離子顯著增加，可能是土壤中的碳酸氫根離子背景含量太高，一定程度上掩蓋了碳酸鈣溶解增加的碳酸根或碳酸氫根離子相對較小幅度的變化。

圖2 脫硫石膏對耕層(0～20 cm)土壤水溶性陰離子含量的影響

2.5 施用脫硫石膏對耕層土壤速效養(yǎng)分含量的影響

土壤中速效養(yǎng)分的有效化程度受土壤有機質、酸堿度、土壤礦物母質類型等因素的影響，脫硫石膏改善了土壤的鹽堿環(huán)境，極大地提高了土壤養(yǎng)分的有效性。從表6可以看出，施用脫硫石膏后各處理堿解氮、有效磷、速效鉀含量均顯著高于CK。2014 年水稻收獲后各處理土壤堿解氮大幅降低7.0～15.7 mg·kg-1，鹽堿荒地在水田利用條件下土壤中部分堿解氮素隨水流失，導致耕層土壤堿解氮含量下降，但2015 年水稻收獲后各處理的土壤堿解氮含量逐步上升。2014～2015 年兩年收獲后的土壤有效磷含量均與脫硫石膏用量呈正相關關系，與土壤pH值的變化規(guī)律基本一致，可能是脫硫石膏主要通過降低土壤pH值，活化土壤中的磷素來提高土壤有效磷含量。2014 年施用脫硫石膏處理的土壤速效鉀含量大小順序依次為3%DG>2%DG>1%DG>CK>4%DG，施用過量脫硫石膏會引起土壤速效鉀的淋失量增加，這與李謨志等[17]的研究結果基本一致。

表6 脫硫石膏對耕層(0～20 cm)土壤速效養(yǎng)分含量的影響 (mg·kg-1)

脫硫石膏配施HPMA處理中，2%DG+TS、2%DG+TL處理堿解氮含量略高于2%DG處理，但處理間差異不顯著；2%DG+TS、2%DG+TL處理對土壤有效磷、速效鉀含量變化規(guī)律基本一致：脫硫石膏配施低用量HPMA顯著提升有效磷、速效鉀含量，配施高用量HPMA與單獨施用脫硫石膏無顯著性差異。

3 討論與結論

3.2 脫硫石膏的脫鹽效果在一定用量范圍內不斷增強，過量施用會導致土壤含鹽量迅速增加。有關研究表明，在鹽漬化土壤中施用脫硫石膏可以增大土壤孔隙，提高水的滲透速率[20-21]，增強脫鹽效果，顯著降低土壤全鹽含量[22]；程鏡潤等[23]認為過量脫硫石膏顆粒還會堵塞部分土壤孔隙，不但不能提高改良效果，而且會有大量的鹽分積累，增加了改良難度。要達到理想的改良效果，脫硫石膏改良堿化土壤的用量必須控制在合理范圍內，以達到改堿與降低含鹽量兩方面改良效果的平衡。

3.4 施用脫硫石膏改良堿化土壤，土壤鹽堿環(huán)境得到改善，與水稻的根系分泌物、土壤微生物等因素共同作用，可以顯著提高土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的有效活性，但過量施用會降低土壤堿解氮、速效鉀含量[8，24-25]。

3.5 脫硫石膏配施HPMA可以顯著增加土壤水溶性鈣離子含量，但與硫酸根離子含量增加幅度不一致，依據牟靜等[26]的研究結果可以推理HPMA同時與脫硫石膏、土壤中的碳酸鈣反應，導致土壤水溶性鈣離子大于硫酸根離子的增加幅度。從試驗結果來看， HPMA對增強脫硫石膏的鈣交換性能、降低土壤pH值與堿化度、活化土壤養(yǎng)分方面均未取得理想效果，還需從HPMA的施用方式、用量或施用時期等方面對提高脫硫石膏改良效果作進一步的探討。

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