不同土壤改良劑對鹽堿土壤化學性質和有機碳庫的影響

冀拯宇，周吉祥，張 賀，郭康莉，劉 曉，姜慧敏，楊俊誠，李桂花，張建峰

（耕地培育技術國家工程實驗室，中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

土壤鹽漬化和堿化導致的土壤質量退化是一個全球性問題，鹽堿土壤通常發生在干旱和半干旱地區，具有較高pH、電導率和鈉吸附比值及較低有機質含量的特征[1-2]，受鹽堿影響的土壤約占世界地理區域總量的3%，其中鹽土和堿土分別為4.02億hm2和4.34億hm2。此外，不良灌溉和排水條件等農業措施也可能會加劇土壤鹽堿化，從而嚴重影響作物生長[3]。

土壤鹽漬化是我國內蒙古河套灌區農業可持續發展的主要障礙，全灌區鹽堿土壤面積為39.4萬hm2，占該地區耕地面積的68.65%[4]。該區域作物生長期間，蒸發和蒸騰作用強烈，作為細泥沙沉積土，其土壤持水能力弱，底層土壤中溶解的鹽通過毛細作用轉移到表層土壤積鹽[5]。引流黃河水灌溉是當地降低土壤含鹽量的主要措施，但對于土壤結構較差的重度鹽堿地，漫灌并不能有效降低土壤含鹽量[6]。土壤改良劑被廣泛用于鹽堿土壤改良，通過施用土壤改良劑，可以促進土壤絮凝作用、提高團聚體穩定性和入滲速率，改善土壤結構[7-8]。因此，施用土壤改良劑對于當地農業生產和可持續發展具有重要作用。在鹽堿土壤改良機理方面，目前對于含鈣物質改良鹽堿土壤的機理比較明確，其原理為利用Ca2+置換土壤膠體上吸附的交換性Na+。石膏、磷石膏和脫硫石膏等均作為Ca2+來源被用于改良鹽堿土壤[9]。但目前的研究較多集中在土壤改良劑對鹽堿指標等化學性質的影響，關于施用土壤改良劑后土壤化學性質和土壤有機碳庫變化的綜合研究較少。因此，本試驗研究了施用復合土壤改良劑和有機土壤改良劑對鹽堿土壤化學性質和有機碳庫的影響，旨在研究土壤改良劑對河套灌區鹽堿土壤質量的改良效果及改良機制，為該區域制定科學有效的鹽堿土壤改良措施提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤改良劑

有機土壤改良劑為蝦頭蟹殼提取甲殼素后的廢棄物，粉碎后按質量2∶3混合加入草炭、秸稈和花生殼等，接入復合微生物菌劑（地衣芽孢桿菌、干酪乳桿菌、黑曲霉和枯草芽孢桿菌），通過好氧發酵、高溫堆肥等工藝處理后制成的商業化產品。復合土壤改良劑由伊利石黏土礦物加入25%碳酸鈣，經過水泥回轉窯800℃以上高溫煅燒以及硫酸和鹽酸混合酸洗池酸洗，過濕磨機濕磨，添加腐植酸后，進入烘干滾筒烘干、造粒、篩分制成。兩種土壤改良劑的主要理化性質如表1所示，水溶性鹽離子含量見表2，重金屬含量及其限量標準見表3。目前，土壤改良劑產品尚未出臺重金屬元素限量標準，因此，參照有機肥料標準（NY 525—2012）和農用A級污泥污染物控制標準（GB 4284—2018）規定的限量值[10]，供試改良劑重金屬含量均低于以上標準限量。

1.2 試驗基地概況

試驗基地位于內蒙古巴彥淖爾盟臨河市電力公司試驗基地（41°43′N，107°41′E），屬于中緯度內陸干旱氣候區，2016年全年日照時數4 448.1 h，年均氣溫8.6℃，全年降雨量145.8 mm；2017年全年日照時數3 389.3 h，年均氣溫9.0℃，全年降雨量99.6 mm。該地年蒸發量較大，蒸降比較高，冬春季土壤鹽分表聚現象嚴重。試驗地屬黃河灌溉區的邊緣，地下水埋深2.0 m，主要受渠灌入滲補給和降雨補給。試驗前耕層土壤（0～20 cm）的基本肥力指標為：含水率11.05%，pH 8.33，土壤有機質（SOM）6.93 g·kg-1，全氮（TN）0.78 g·kg-1，速效磷（AP）16.89 mg·kg-1，速效鉀（AK）238.51 mg·kg-1。耕層土壤化學性質見表4。

表1 供試改良劑主要理化性質Table 1 Main physicochemical properties of tested soil conditioners

表2 供試土壤改良劑水溶性鹽離子含量（cmol·kg-1）Table 2 Content of water-soluble salt ions in tested soil conditioners（cmol·kg-1）

表3 供試改良劑中重金屬含量及參考限量（mg·kg-1）Table 3 Content of heavy metals in tested soil conditioners and the reference limits（mg·kg-1）

1.3 田間試驗設計

試驗區種植制度為玉米單作，供試作物為當地主栽品種“西蒙6號”，試驗從2016年4月開始，到2017年9月連續兩年種植玉米。試驗設4個處理：（1）習慣處理（CK）；（2）CK+有機土壤改良劑10 t·hm-2（M）；（3）CK+復合土壤改良劑16.7 t·hm-2（G）；（4）CK+有機土壤改良劑10 t·hm-2+復合土壤改良劑16.7 t·hm-2（M+G）；每個處理重復3次，區組隨機排列。小區面積為60 m2，不同處理小區間起壟隔開。播種前分別施尿素（N 180 kg·hm-2）、磷酸二銨（P2O5138 kg·hm-2）和氯化鉀（K2O 75 kg·hm-2）作為基肥。種植玉米前一次性將土壤改良劑均勻撒施于土壤耕層，并通過多次翻耕與耕層土壤混勻。其他大田管理措施與當地農民習慣保持一致。

1.4 樣品采集、測定項目與方法

1.4.1 土壤樣品采集

于2017年9月玉米收獲后在各試驗小區內采用“Z”字式采集0～20 cm的耕層土壤樣品5個，充分混勻后，通過“四分法”取兩份，一份帶回實驗室，自然風干，除去作物根系、侵入體，過2 mm和0.149 mm篩；另一份放入4℃冰箱保存，用于測定土壤微生物生物量碳。

1.4.2 測定項目與方法

土壤有機碳（SOC）用重鉻酸鉀外加熱容量法；全氮（TN）用半微量凱氏定氮法；pH用水土比5∶1梅特勒pH計（FE20）測定[11]。離子組成的具體測定方法為：CO23-和HCO-3用雙指示劑鹽酸滴定法；Cl-用AgNO3滴定法；SO24-用EDTA間接滴定法；Ca2+、Mg2+用EDTA滴定法；K+、Na+用火焰光度法。全鹽量（TS）采用加和法，即為8種鹽分離子之和；土壤活性有機碳用KMnO4氧化法；土壤微生物生物量碳（MBC）用氯仿熏蒸培養法[12]。有機土壤改良劑和復合土壤改良劑中重金屬元素Cu、Zn、Cd、Ni、Pb和Cr采用硝酸-高氯酸消解，ICP-MS測定。

表4 供試耕層土壤化學性質Table 4 Chemical properties of tested soil

1.5 數據計算

（1）鈉吸附比（Sodium absorption ration，SAR）是衡量土壤鹽堿化的重要指標，是指土壤溶液中Na+濃度與Ca2+、Mg2+濃度平均值的平方根之比[13]，計算公式為：

（2）土壤碳庫管理指數以及碳庫有效率計算方法[14]。

土壤碳庫相對穩定，對短期管理措施不敏感。因此，本文選擇對短期管理措施敏感的土壤碳庫管理指數作為碳庫變化的指標。具體計算方法為：以試驗周圍撂荒地土壤為參考土壤（CK0），不耕作不施肥，與樣品土壤類型相同、位置相近、受人為干擾和影響最小。其總有機碳含量為5.91 g·kg-1，活性有機碳含量為2.01 g·kg-1。活性碳庫組分碳素有效率和碳庫管理指數計算方法如下：

碳庫指數（CPI）=樣本中的總有機碳含量（SOC）/參考土壤總有機碳含量（SOC0）

碳庫活度（L）=樣本中的活性有機碳含量（LOC）/樣本中的非活性有機碳含量（N-LOC為總有機碳和活性有機碳之差）

碳庫活度指數（LI）=樣本碳庫活度（L）/參考土壤碳庫活度（L0）

基于以上參數可以得到碳庫管理指數（Carbon pool management index，CPMI）：

CPMI=CPI×LI×100

1.6 數據統計分析

用Excel軟件進行數據相關計算，試驗結果采用SAS 9.1統計分析軟件進行方差分析和相關性分析，不同處理間采用最小顯著差數法（Duncan法）進行差異顯著性檢驗，用Originpro 9.1軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同土壤改良劑對土壤化學性質的影響

2.1.1 土壤水溶性鹽離子組成

如圖1所示，與CK相比，施用改良劑各處理土壤水溶性陰陽離子（Ca2+、Na+、Cl-、SO24-）濃度均發生了不同程度的變化：土壤Ca2+濃度呈不同程度增加，其中M和M+G處理達到顯著水平（P＜0.05），分別提高了33.14%和31.91%；土壤Na+濃度均下降，其中M+G處理達到顯著水平，濃度降低了46.18%；施用兩種改良劑均提高了土壤Ca2+濃度并降低了Na+濃度，說明有機土壤改良劑和復合土壤改良劑中的Ca2+進入土壤溶液，并置換出土壤中的Na+。土壤Cl-濃度均有所降低，其中G和M+G處理達到顯著水平，分別降低了33.22%和22.12%；土壤SO24-濃度降低了25.09%～34.69%，但未達到顯著水平。另外，各處理土壤Mg2+和HCO-3濃度變化較小，平均值為5.09 cmol·kg-1和0.23 cmol·kg-1，數據未在圖表中列出；土壤CO23-未檢出。

圖1 不同處理土壤水溶性鹽離子含量Figure 1 Content of water-soluble salt ions in soil of different treatments

2.1.2 土壤TS、SAR和pH

施用改良劑對土壤TS、SAR和pH的影響如圖2所示。土壤TS和SAR在施用改良劑后均降低，說明改良劑同時降低了土壤的鹽度和堿度。與CK相比，M+G處理土壤TS和SAR的降低均達到顯著水平，分別降低24.65%和47.08%（P＜0.05）。施用改良劑各處理土壤pH也呈降低趨勢，對比CK（pH 8.12），G和M+G處理pH值顯著降低到7.88和7.75（P＜0.05）。

圖2 不同處理土壤TS、SAR和pHFigure 2 Total salt content，sodium adsorption ratio and pH in soil of different treatments

2.2 不同土壤改良劑對土壤有機碳庫的影響

2.2.1 SOC及其組分含量

試驗地 SOC（4.91 g·kg-1）、LOC（0.94 g·kg-1）和MBC（37.67 mg·kg-1）均較低，施用改良劑后均有不同程度提升（圖3）。M+G處理的SOC比CK顯著提升了43.87%（P＜0.05），M和G處理與CK相比無顯著差異；土壤LOC和MBC提升幅度較大，M、G和M+G處理的LOC比CK分別提升了54.55%、79.35%和82.33%，其中G和M+G處理達到顯著水平（P＜0.05）；M、G和M+G處理的MBC比CK顯著提升了64.04%、76.46%和86.85%（P＜0.05）。SOC及其組分含量隨土壤改良劑施入而提高，兩種土壤改良劑配施的M+G處理提升幅度最大。

圖3 不同處理土壤有機碳及其組分含量Figure 3 Content of organic carbon and organic carbon fractions in soil of different treatments

2.2.2 土壤CPMI

綜合而言，碳庫指數、碳庫活度、活度指數以及CPMI是一組相互關聯的指標，與土壤生產潛力密切相關。以CK0為參考，由表5可知，CK處理CPMI低于CK0，表明單施化肥影響了土壤有機質質量，使土壤活性有機質相對含量減少，導致CPMI降低，不利于當地鹽堿土壤LOC的提高和CPMI的增加。而施用改良劑各處理CPMI相比CK0均有提升，與CK相比，M+G處理CPMI顯著提升了135.83%（P＜0.05），M和G處理提升效果不顯著，表明在有機質含量低的鹽堿土上施用土壤改良劑有利于提高耕作層CMPI，其中兩種改良劑配施處理提升效果顯著。

表5 不同處理土壤碳庫管理指數Table 5 CPMI of different treatments after application of soil conditioner

2.3 土壤有機碳庫與土壤化學性質間的相關性

SOC及其組分、CMPI和土壤化學性質之間的相關關系如表6所示。土壤TS、SAR和pH互為顯著或極顯著正相關關系，說明在土壤鹽堿化發生的過程中，土壤化學性質是相互影響的；土壤LOC與MBC呈極顯著正相關關系；土壤SOC與SAR和pH呈顯著或極顯著負相關關系，土壤LOC和MBC分別與TS和SAR呈極顯著負相關關系，CMPI與土壤TS、SAR和pH呈顯著或極顯著負相關關系，說明SOC及其各組分含量的增加和CMPI的提升有利于土壤鹽堿程度的降低。

表6 土壤有機碳各組分、碳庫管理指數及土壤化學性質之間的相關系數Table 6 Correlation coefficients（r）between different organic carbon fractions，CPMI and soil chemical properties

2.4 土壤MBC與環境因子的回歸分析

基于上述土壤MBC與環境因子的相關性分析，運用多元線性回歸法，將不同處理土壤MBC（Y）與TS（X1）、SAR（X2）和LOC（X3）進行回歸分析，得出回歸方程，見表7。多元線性回歸方程顯示，與土壤MBC相關系數最高的LOC所構建的一元線性方程能解釋72.8%的相關數據，土壤LOC與TS建立的二元線性方程較單因子方程能更好地解釋土壤MBC的變化（R2=0.765）。在構建方程中加入SAR后，其回歸方程解釋能力降低，說明TS和LOC是試驗土壤MBC的主要影響因子。

3 討論

3.1 土壤改良劑對土壤化學性質的影響

鹽堿土壤的改良通常是通過增加土壤交換體系中的Ca2+濃度來置換黏土表面交換位點上的Na+，從而促進土壤的團聚作用，置換出的Na+隨降水和灌溉排出耕層[15]。目前，石膏、磷石膏、腐植酸和堆肥等有機物料作為有效的Ca2+和有機質來源均被用于改良鹽堿土壤[16]。本試驗也發現，施用含鈣和有機物改良劑的各處理均提高了土壤中Ca2+濃度，降低了土壤中Na+濃度。這是由于改良劑提供的Ca2+進入土壤溶液并與交換性Na+發生置換反應，因此土壤中Ca2+濃度上升而Na+濃度下降[17]。兩種改良劑配施提供了更多的Ca2+，所以M+G處理土壤Na+濃度最低，比CK顯著降低了46.19%。Cl-和SO2-4濃度的降低是因為被置換出的Na+與Cl-和SO2-4生成可溶性氯化鹽和硫酸鹽，隨土壤水分濾出耕層土壤[18]。兩種土壤改良劑性質的差異會導致不同處理間土壤水溶性離子濃度的差異，有機土壤改良劑中含有較高濃度的Cl-，導致M處理土壤Cl-濃度高于G處理。

表7 土壤微生物量碳（Y）與全鹽量（X1）、鈉吸附比（X2）、活性有機碳（X3）的多元回歸方程Table 7 Regression equations between soil microbial biomass carbon（Y）and total salt content（X1），sodium adsorption ratio（X2），labile organic carbon（X3）

改良鹽堿土壤的主要目的之一是降低土壤含鹽量，尤其是有害離子即Na+含量。本研究發現施用改良劑土壤TS和SAR均降低，說明改良后土壤的鹽度和堿度均下降。土壤TS下降是由于土壤結構改善后（試驗土壤＞0.25 mm團聚體質量百分比增加1.47%～1.75%），土壤中Na+和可溶性鹽隨降水和灌溉排出[19]。TS處理間的差異主要是由于改良劑的性質不同，有機土壤改良劑的電導率高于復合土壤改良劑，所以M處理TS高于G和M+G處理，但處理間差異未達到顯著水平。土壤的SAR值過高會導致土壤團聚結構破壞，土壤黏粒分散，導水率降低[20]。已有研究表明，在鹽堿土壤上施用脫硫石膏和有機添加物，由于有機物分解產生的大量有機酸促進了Ca2+的釋放，進一步取代土壤交換位點上的Na+，因此有效降低了土壤SAR[20-21]。本研究也表明，土壤改良劑施入降低了土壤SAR，且兩種土壤改良劑配施處理土壤SAR降低達顯著水平。

已有研究表明，鹽堿土壤較高的pH主要由CO2-3+HCO-3和交換性Na+導致。施入改良劑為土壤提供了大量Ca2+，土壤中Ca2+一方面可以置換交換性Na+，另一方面可以與CO2-3+HCO-3形成CaCO3沉淀，從而使土壤pH降低[19，22]。Kim等[23]研究表明，相較單施石膏和稻稈堆肥處理，石膏與稻稈堆肥配施對鹽堿地pH的降低作用更為顯著。而在本研究中，施用兩種土壤改良劑均降低了土壤pH，但只有施用復合土壤改良劑處理達到顯著水平，這是由兩種改良劑性質的差異導致的[24]，復合土壤改良劑pH（5.5）較有機土壤改良劑pH（7.75）更低。

3.2 土壤改良劑對土壤有機碳庫的影響

鹽堿土不能維持大量的植被覆蓋，造成土壤有機質投入減少，土壤有機質含量較低[25]。供試土壤初始有機質含量僅為6.93 g·kg-1，且土壤物理結構較差（＞0.25 mm團聚體質量百分比為3.89%），土壤較為貧瘠。本研究表明，施用兩種改良劑均提升了試驗土壤SOC、LOC和MBC含量，且兩種改良劑配施效果最為顯著，這與朱孟龍等[26]在蘇打鹽堿地施用稻草對土壤碳庫各組分的影響結果一致。原因可能有3個：一是施用改良劑直接將大量有機質（M處理0.74 t C·hm-2，G處理1.03 t C·hm-2，M+G處理1.77 t C·hm-2）帶入低碳土壤中，使土壤SOC和LOC增加；二是改良劑中Ca2+對土壤的團聚作用使更多改良劑中的有機質和土壤原本的有機質得到團聚結構的物理保護，有利于有機質累積；三是施用改良劑對試驗土壤改良后，地上和地下生物量增加，植物根茬和凋落物進一步促進了土壤有機碳含量的提升[25]。同時，由于大量活性有機質的分解給微生物生長活動提供能源，促進了土壤中土著微生物的生長，加上土壤結構的改善和土壤鹽堿程度的降低，進一步促進了土壤中微生物量的增加[27]。

土壤CPMI可靈敏地反映農業生產措施對土壤肥力、土壤碳庫動態變化的影響[27-28]。本研究以CK0為參考土壤研究 CPMI（CK0的 CPMI為 100），發現施用改良劑處理CPMI均大于100，而CK處理CPMI小于100，說明CK處理單施無機化肥對土壤培肥效果不佳，其原因是施用化學肥料后土壤LOC組分消耗過快，而LOC投入量小于其消耗量導致[29]。而施用土壤改良劑可以增大土壤碳庫活度，提高土壤CPMI，這與劉曉等[30]和何翠翠等[31]的研究結果一致。

3.3 土壤有機碳庫與土壤化學性質的相關性分析

相關性分析表明，試驗土壤LOC、MBC和CPMI均與TS和SAR呈極顯著負相關，比SOC與土壤化學性質的相關性強，可以在一定程度上反映土壤的鹽堿程度。Huo等[32]和元炳成等[33]在鹽堿土壤上研究發現土壤MBC隨含鹽量或電導率的升高而降低，這是因為鹽漬環境中的滲透干燥可導致微生物細胞裂解，從而抑制微生物活性和生長[25]。Deb等[34]研究發現，隨著土壤含鹽量的升高，SOC中LOC所占百分比下降，且導致MBC降低。而土壤堿化主要破壞土壤物理結構，并增加SOC礦化損失。有研究表明，土壤中有機質與Ca2+通過陽離子鍵橋與黏土礦物形成有機無機復合體，而有機質與Na+結合則會使黏土分散[35]。施用改良劑后，土壤SAR降低，Ca2+濃度增加，土壤中有機無機復合體的形成促進了土壤團聚作用。土壤團聚體可以在物理結構上保護有機質，從而增加鹽堿土壤碳固存。因此，施用改良劑后土壤鹽堿程度的降低促進了土壤有機碳庫各組分的累積。另外，研究表明土壤MBC與LOC呈極顯著正相關關系，說明土壤LOC為微生物生長繁殖提供了有效碳源[27]。Wong等[36]認為在鹽堿土壤中的微生物經過長期的適應環境后，存在休眠的耐鹽堿微生物種群。在添加有機物料后，由于可利用碳源的增加，微生物大量繁殖。

4 結論

（1）施用土壤改良劑降低了土壤TS、SAR和pH，改善了土壤化學性質，兩種土壤改良劑配施效果最明顯。

（2）施用土壤改良劑增加了SOC及其組分含量，并提高了土壤CPMI，兩種土壤改良劑配施效果最為顯著。