不同改良模式對濱海鹽漬土土壤理化性質的影響

張子璇，牛蓓蓓，李新舉*

1. 土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東 泰安 271018；2. 山東農業大學資源與環境學院，山東 泰安 271018

土壤鹽漬化已逐步成為影響土地生產力和農業可持續發展的全球性環境問題（曹雨桐等，2017），因受海水倒灌、頻繁的旱澇氣候變化等不同驅動力的影響，中國黃河三角洲地區地下水位較淺，礦化度較高，地下水鹽分易集聚地表（呂真真等，2017），致使該地區鹽漬土面積大且分布廣泛，土壤理化性質差、養分有效性低和土壤生產力低等現象普遍存在。此外，由于濱海地區本身土壤中鹽分的組成離子含量相對較高，不同區域的鹽漬化程度不同，均使濱海鹽漬土的改良難度增加（張濟世等，2017）。

針對鹽漬土改良這一亟待解決的問題，不少學者采用了秸稈還田（楊東等，2017；王會等，2019）、施用添加劑（張濟世等，2017；張凌云等，2005）、種植耐鹽牧草（李志丹等，2004）和以谷物輪作為主的保護性耕作（Chiter et al.，2018）等措施。農作物秸稈是中國農業生產的主要廢棄物之一，每年焚燒、堆積和遺棄的秸稈占總量的97%左右，這不僅造成資源的浪費，還污染了環境。研究表明，作為農業生產中主要廢棄物的秸稈通過不同方式還田對于鹽堿地的調控具有重要作用。其中，秸稈覆蓋不僅可以穩定土壤溫度，抑制水分蒸發、控制鹽分，還可以起到提高土壤肥力、使土壤逐步向良性狀態轉化的積極作用（楊東等，2016）；秸稈掩埋30 cm或40 cm可以優化土壤物理性狀，有效改善土壤結構，提高土壤含水率，具有良好的控抑鹽效果，顯著提高作物產量（趙永敢等，2013）。施用脫硫石膏和有機肥作為改良鹽漬土的重要農藝措施，可以有效改善土壤物理性狀、提高土壤有機質含量、抑制土壤返鹽。其中，脫硫石膏可對鹽堿地土壤起到良好的脫鹽脫堿效果，有利于植株的生長發育，其主要成分硫酸鈣（CaSO4·2H2O）經土壤中水溶解后形成可替換土壤膠體上的Na離子的Ca離子，不易吸附水分子的同時可使土壤膠體微粒間凝聚成微粒團；當水分子滲入微粒之間或土壤缺水時會產生微粒團膨脹或龜裂的現象，而整個過程的無限循環則使土壤更為疏松，透水性增強，若配合有機肥的施用亦可增強土壤的吸水吸肥能力，更有利于實現改良鹽堿土的目的（毛玉梅等，2016；沈婧麗等，2016a）。增施有機肥可以熟化表層土壤，增加土壤養分含量，降低土壤電導率（劉艷等，2014），其所含有的腐植酸類物質對土壤中的鹽離子有很強的交換能力和吸附作用，可提高作物對土壤礦物質的吸收和同化能力，有利于土壤團粒結構的形成、進一步增加土壤的緩沖能力、中和鹽堿土中的堿性以維持土壤的酸堿平衡；其次，有機肥激發土壤中氮、磷釋放的同時為作物提供養分、增加土壤有機質、促進微生物繁殖、增強土壤保水保肥能力，進一步優化鹽堿地土壤環境（馬飛等，2016）。

目前，關于秸稈覆蓋、秸稈深埋、有機肥和脫硫石膏等改良措施的單方面研究較多，但其四者集成模式對濱海鹽漬土改良效果的研究未見報道。因此本試驗以黃河三角洲輕中度和重度鹽漬土為研究對象，分析不同改良模式對鹽漬土土壤理化性狀及土壤養分變化的影響，探討不同程度濱海鹽漬土的最優改良組合，旨在進一步改善黃河三角洲濱海鹽漬土的農業生態環境、提高作物產量和促進農業經濟的發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于山東省東營市利津縣山東匯邦渤海農業開發有限公司試驗基地（118.60°E，37.78°N），該區域屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區，多年平均氣溫為13.2 ℃，年日照時數 2800.8 h，無霜期234 d，凍土期44 d，年平降水量598.1 mm。土壤類型以鹽化潮土和濱海鹽土為主。試驗田土壤為濱海鹽漬土，根據鹽漬化程度分為輕中度濱海鹽漬土和重度濱海鹽漬土，其表層土壤（0—20 cm）理化性質詳見表1。

1.2 試驗設計

本研究為裂區試驗設置，試驗期為2017年10月—2018年6月，共設計2種鹽漬化程度的試驗地：輕中度（T1）和重度（T2）。試驗主處理為秸稈處理，副處理為施加改良劑處理。主處理設秸稈覆蓋（F1）、秸稈掩埋（F2）和秸稈覆蓋+掩埋（F3）共3種方式；副處理設脫硫石膏（A）、有機肥（B）、脫硫石膏+有機肥（C）共3種方式；不同程度鹽漬化土試驗地塊中未做任何處理的小區為相應的對照區（CK），其中包括無秸稈對照、無改良劑對照和無秸稈+改良劑對照。具體試驗設計見表2。每種鹽漬化程度樣地上設置16個處理，每個處理3次重復，共48個小區，每個試驗小區長8 m，寬4 m，面積為32 m2。各試驗小區之間設1 m寬的隔離帶。2017年10月鋪設和掩埋秸稈，所有處理均采用水稻秸稈，覆蓋厚度5 cm，覆蓋量9000 kg·hm-2；掩埋深度30 cm，掩埋量9000 kg·hm-2。首先對需要秸稈掩埋的小區進行表土剝離和秸稈鋪設，表土回填后統一進行脫硫石膏和有機肥施加，然后所有小區進行小麥種植，小麥品種為濟麥22，最后完成秸稈覆蓋工作。脫硫石膏和有機肥的施用量參考前人研究確定（張濟世等，2017；楊東等，2018；沈婧麗等，2016b；肖國舉等，2010；劉廣明等，2011），輕中度試驗區施用量分別為脫硫石膏10.0 t·hm-2、有機肥6.7 t·hm-2；重度試驗區施用量分別為脫硫石膏 12.9 t·hm-2、有機肥 11.0 t·hm-2（表 2）。有機肥一次性作為基肥施入，試驗后期無脫硫石膏和有機肥的追加施用。其他田間管理方式采用當地常規管理模式。

1.3 樣品采集分析

1.3.1 土壤樣品采集與測定

分別于2018年3月小麥返青期和6月小麥成熟期進行土樣采集。采用五點取樣法采集各試驗小區0—20 cm表層土壤樣品。將所取得的土壤樣品去除根系和石塊等雜物，充分混勻后裝入無菌自封袋內。土壤樣品帶回實驗室內，首先用烘干法測定土壤含水率，然后自然風干，磨碎，過篩（100目和 20目）后，進行相關指標測定。用電導率儀測定土壤電導率；重鉻酸鉀容量法——外加熱法測定土壤有機質；堿解擴散法測定土壤堿解氮；碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法測定土壤有效磷；乙酸銨浸提浸提-火焰光度法測定土壤速效鉀（鮑士旦，1999）。各處理做3次重復實驗。

表1 試驗田不同程度鹽漬化土壤理化性質Table 1 Physicochemical properties of different degrees of salinized soil in experimental fields

表2 試驗處理設計Table 2 Test processing design

1.3.2 試驗數據分析

該試驗數據使用Microsoft Excel 2013進行基本處理，使用SPSS 21.0進行統計分析。其中結果差異顯著性檢驗采用Fisher’s LSD檢驗方法，差異顯著性水平設置為P＜0.05；相關性分析采用Pearson相關系數進行評價，最后使用Origin 19.0、Microsoft Excel 2013和Photoshop CC 2018結合制圖。

為評價不同秸稈還田方式和添加劑的使用對不同程度鹽漬土表土（0—20 cm）鹽分的抑制效果，運用以下公式計算鹽分抑制效率（SIE）（Xie et al.，2017）：

其中，Sck指同一時期無任何方式和施加劑的純對照處理，Sstraw為不同鹽漬化程度土壤在不同處理下的電導率值，所有數值取不同處理下3個重復實驗數據的平均值。

2 結果與分析

2.1 不同改良模式對輕中度鹽漬土土壤性質的影響

2.1.1 不同改良模式對輕中度鹽漬土土壤水分的影響

水是土壤鹽分的載體，抑制水分蒸發可有效降低土壤鹽分。圖1為不同改良模式下輕中度鹽漬土土壤含水率的變化，可以看出，返青期和成熟期各處理的土壤含水率分別在 30%—50%、20%—40%之間，成熟期土壤含水率降低是因為黃河三角洲地區6月氣溫升高，水分蒸發量逐漸增加。但與對照（T1CK）相比（水分下降比例25%）其他3種秸稈還田方式下各處理的土壤含水率無明顯下降，且T1F2即秸稈掩埋方式下土壤保水性最好（下降比例14.6%）。此外，不同秸稈還田方式下C處理的土壤含水率值均最高，除T1F2B處理的土壤含水率低于T1F2CK處理外，其余各處理土壤含水率均呈現出 C＞A＞B＞CK的趨勢。整體來看，返青期和成熟期土壤含水率達最高值且保水效果最好的處理為T1F2C。

圖1 不同處理下輕中度鹽漬化土壤水分分布Fig. 1 Water distribution of light and moderate salinized soil under different treatments

2.1.2 不同改良模式對輕中度鹽漬土土壤鹽分的影響

土壤中的水鹽運移一直有著“鹽隨水來，鹽隨水去”的規律（楊東等，2017），鹽分在土體中的再分配受到土壤水分這一主要驅動力的影響。土壤電導率值是反映土壤中可溶性鹽總量的重要指標，不同改良模式下輕中度鹽漬化土壤的電導率值的變化見表 3。不同時期不同秸稈還田方式和處理下輕中度鹽漬化土壤鹽分控制效率（SIE）之間存在明顯差異（圖 2）。整體來看，T1F1、T1F2和 T1F3方式下各處理的土壤電導率基本低于T1CK方式所對應的各處理的土壤電導率，且T1F2方式的SIE均值在 4種方式中最高（返青期 16.47%；成熟期22.17%）；在同種秸稈還田方式下 A、B、C處理的土壤電導率也基本低于其相應對照處理，其 SIE值在返青期和成熟期均呈現 C＞A＞B＞CK的趨勢。由此看出，T1F2C改良模式對土壤鹽分控制效果最優，不同時期T1F2C處理下土壤電導率均較其對照處理呈現出最大降幅（分別為21.07%和35.57%），SIE值達最高值（分別為27.99%和31.83%）。此外，隨著蒸發強度的增大，成熟期土壤含鹽量普遍高于返青期，但T1F2C處理下成熟期土壤鹽分卻低于返青期，這進一步證明秸稈掩埋和脫硫石膏、有機肥的結合對表層土壤起到了良好的降鹽效果。

2.1.3 不同改良模式對輕中度鹽漬土土壤養分的影響

不同時期不同秸稈還田方式和不同處理之間的土壤養分含量差異較為顯著（表 4）。從秸稈還田方式來看，T1F1和T1F2兩種方式下的土壤養分含量較為豐富，成熟期更為明顯，說明秸稈單獨覆蓋和單獨掩埋方式對于輕中度鹽漬化表土土壤的保肥效果更佳。所有處理中，T1F2B和T1F2C兩種處理下表土土壤養分含量較對照增加效果最為明顯。從不同時期來看，兩期土壤有機質和速效鉀含量基本持平，無明顯變化；土壤有效磷和堿解氮含量分別以20.56%（T1F2B）、41.60%（T1F2C）和54.74%（T1F2B）、15.89%（T1F2C）的漲幅增加，說明在秸稈掩埋方式下施加有機肥對輕中度鹽漬土的增肥效果最為顯著。而有效磷含量在 T1CKC處最高（返青期 18.72 mg·kg-1；成熟期 19.81 mg·kg-1），是由于秸稈本身對土壤、添加劑和植株養分的部分吸收會導致表土土壤養分不均、成熟期部分處理的表土土壤養分略高于返青期甚至出現CK處理較高的現象（張娟等，2019）。

表3 不同處理下輕中度鹽漬化土壤電導率Table 3 Conductivity of light and moderate salinized soil under different treatments

圖2 不同處理下輕中度鹽漬化土壤SIE分布Fig. 2 Distribution of SIE in light and moderate salinized soil under different treatments

2.2 不同改良模式對重度鹽漬土土壤性質的影響

2.2.1 不同改良模式對重度鹽漬土土壤水分的影響

與輕中度鹽漬土相比，不同改良模式下重度鹽漬土表土土壤含水率整體較低，返青期和成熟期的土壤含水率均低于35%（圖3）。其中T2F3方式下土壤含水率最高（返青期27.51%，成熟期23.23%），且成熟期與返青期的水分減少程度最?。ㄆ骄?.28%），這說明秸稈覆蓋和秸稈掩埋共同作用下的重度鹽漬土土壤保水效果最佳。此外，T2F3方式下C處理的土壤含水率始終保持最高，分別為返青期32.31%和成熟期26.21%，且A和C處理的土壤含水率之差有所減少，這說明施用脫硫石膏和有機肥可以促使重度鹽漬土土壤水的滲透速率降低、減少水分蒸發。

2.2.2 不同改良模式對重度鹽漬土土壤鹽分的影響

重度鹽漬土土壤板結情況嚴重導致通氣性和透水性差，嚴重抑制了土壤鹽分淋洗（楊凱等，2018），而秸稈還田措施被證實可以有效緩解土壤板結，從而降低鹽分。從表5不同改良模式下土壤的電導率值可以看出，秸稈還田處理下的土壤電導率均較對照發生了不同程度的下降，其中T2F3方式下的土壤電導率下降最為明顯，兩期較對照分別平均減少了 390.42 μS·cm-1和 664.75 μS·cm-1。

表4 不同處理下輕中度鹽漬化土壤養分含量Table 4 Nutrient content of light and moderate salinized soil under different treatments

圖3 不同處理下重度鹽漬土土壤水分分布Fig. 3 Soil water Distribution of Severe Saline Soil under Different Treatments

除 T2F3方式外其他秸稈還田方式的鹽分均有所升高，且兩期SIE均值均呈現出T2F3＞T2F1≈T2F2＞T2CK的趨勢（圖4），由此看來，秸稈還田措施尤其是覆蓋和掩埋同時使用對鹽分表聚較為嚴重的重度鹽漬土控制效果更佳。此外，同一秸稈還田方式下的鹽分控制程度呈現出 C＞A＞B＞CK的趨勢。其中，T2F3C處理的表層土壤鹽分含量最少，兩期分別為 1091.33 μS·cm-1和 929.41 μS·cm-1，成熟期較返青期減少 14.84%，其 SIE值在兩期中均居峰值，分別為34.83%和53.71%，同比上升18.88%，超出預期保水抑鹽效果。

2.2.3 不同改良模式對重度鹽漬土土壤養分的影響

對比不同改良模式下重度鹽漬土土壤養分水平（表6），發現T2F3方式下土壤養分含量在返青期和成熟期均整體較高，尤其體現在土壤堿解氮和速效鉀平均含量上，分別達到了返青期 86.02 mg·kg-1和 315.01 mg·kg-1、成熟期 112.42 mg·kg-1和405.04 mg·kg-1，而T2F1和T2F2方式下土壤養分含量則無明顯差異。不同秸稈還田方式下各處理間土壤養分含量差異較大。就有機質而言，T2F2B和T2F3C兩種處理下的土壤有機質含量在返青期和成熟期整體顯著高于（P＜0.05）同期其它處理；且返青期T2F3C處理和成熟期T2F2B處理下的土壤有機質較其CK處理的土壤有機質含量增加量最多，分別為 3.47 g·kg-1和 9.30 g·kg-1，這說明增施有機肥是提升重度鹽漬土土壤有機質的主要途徑。對于其他速效養分，各秸稈還田方式下的C處理的土壤有效磷、堿解氮和速效鉀含量均最高，成熟期各處理的土壤有效磷、堿解氮和速效鉀含量較返青期基本呈上升趨勢，以T2F2B和T2F3C處理最佳。這兩種處理下土壤各養分指標顯著高于（P＜0.05）其他處理，體現了有機肥和脫硫石膏在小麥生長期內對土壤養分釋放和土壤緩效養分活化量＞小麥吸收量（鄒傳俊，2011），使重度鹽漬土處理的表層土壤養分含量出現增加的現象。

表5 不同處理下重度鹽漬土土壤電導率Table 5 Conductivity of soil in severe saline soil under different treatments

圖4 不同處理下重度鹽漬土土壤SIE分布Fig. 4 Distribution of SIE of Severe Saline Soil under Different Treatments

表6 不同處理下重度鹽漬土土壤養分含量Table 6 Nutrient content of soil in severe saline soil under different treatments

2.3 不同秸桿還田方式對土壤施肥效果的影響

為探討不同秸稈還田方式與施肥效果之間的關系，我們分析了不同秸稈還田方式下施肥與不施肥土壤養分指標的相關性（表 7）。結果顯示秸稈覆蓋（F1）和秸稈覆蓋+掩埋（F3）方式與土壤有機質含量，秸稈覆蓋（F1）方式與土壤有效磷、速效鉀含量以及秸稈掩埋（F2）和無秸稈處理方式（CK）與土壤堿解氮含量在一定程度上呈顯著或極顯著正相關關系。結果表明，F1、F2和F3方式下施肥對有機質、有效磷、堿解氮和速效鉀4種土壤鹽分含量的影響均可充分說明秸稈還田配合施肥在增加土壤養分含量上效果優于無秸稈處理。其中，秸稈覆蓋可顯著提高施用有機肥對土壤有機質、有效磷和速效鉀的增加效果；而秸稈掩埋和無秸稈處理情況下，有機肥對土壤堿解氮的增加效果更佳明顯。這主要是因為秸稈在起到有效提高植物利用效率的作用的同時會分解部分有機肥氮素使其損失（Caiyan et al.，2018；張潔，2014）。

表7 不同秸稈還田方式下施肥與不施肥土壤養分指標相關性Table 7 Correlation between indicators of soil fertility and fertilization of soil under different straw returning methods

3 討論

季節變化是影響土壤水鹽含量變化的重要因素。由于研究區5、6月氣溫升高，天氣炎熱干燥，蒸發量加大，加劇了土壤鹽分表聚現象，故成熟期的土壤含水率和EC值均分別低于和高于返青期。對照處理（無秸稈還田和改良劑添加）下輕中度和重度鹽漬土表層（0—20 cm）土壤在小麥返青期和成熟期均呈現土壤含水率最低、EC值最高的現象，這驗證了秸稈還田與不同改良劑相結合的改良措施對濱海鹽漬土起到顯著的保水脫鹽的作用。結合鹽分抑制效率（SIE）結果及不同組合處理效果進行綜合分析，可以看出脫硫石膏和有機肥并施措施下土壤的SIE值明顯高于改良劑單施的土壤，高于無任何改良劑添加。這說明有機肥和脫硫石膏并施可起到相互補充與促進的作用，使得鹽分抑制和保水控水的效果更佳。

對于濱海鹽漬土，土壤含水率和電導率并不能完全衡量土壤的改良效果，還要綜合分析養分的變化?？偟膩碚f，不同秸稈還田方式和不同改良劑對不同程度鹽漬土的改良效果存在一定差異。采取改良措施的輕中度鹽漬土的土壤有機質和速效鉀含量均較對照土壤顯著增加，在秸稈掩埋結合有機肥和脫硫石膏的處理下土壤有效磷和堿解氮含量均高于單獨施加任一改良劑的處理和對照處理；同樣，采取改良措施的重度鹽漬土的土壤有機質、堿解氮和速效鉀含量均較對照土壤明顯增加，尤其是4種措施均施（秸稈覆蓋+秸稈掩埋+脫硫石膏+有機肥）的改良模式下土壤養分含量上升最顯著，但由于試驗時間短且重度鹽漬土區原始土壤肥力低、土壤有效磷背景值較低導致其返青期土壤有效磷含量增加幅度不大。

整體來說，T1F2C和T2F3C兩種改良模式分別為輕中度和重度鹽漬土最佳的改良模式，且施加改良措施對重度鹽漬土的改良效果優于對輕中度鹽漬土的效果。但從兩種鹽漬土的土壤水分保持能力、鹽分抑制效率和有機質、氮磷鉀等養分含量呈現出的增加趨勢可以看出，研究區鹽漬土的土壤物理結構逐漸得到改善，形成了適宜作物生長的團粒結構，土壤肥力也在增加。以上兩種最優改良模式可為黃河三角洲地區不同鹽漬化程度濱海鹽漬土的土壤改良和農業生產提供理論和生產指導。

本試驗主要針對兩種鹽漬化程度土壤采取秸稈還田和添加改良劑的不同改良措施，通過分析小麥生長期土壤耕層（0—20 cm）6種主要理化指標（水分、電導率、有機質、堿解氮、速效鉀、有效磷）的變化，篩選濱海鹽漬土的最優改良模式。對于改良措施下鹽分離子等其他指標和深層土壤（20—80 cm）的理化性質的年際變化、小麥生長狀況及產量還需進一步研究，以更好地指導黃河三角洲鹽堿地的改良與農業生產。

4 結論

本研究分別對比了秸稈覆蓋、秸稈掩埋、脫硫石膏和有機肥的不同組合模式對黃河三角洲輕中度和重度鹽漬土土壤性質的影響，結果表明不同改良模式對不同程度濱海鹽漬土均起到了一定的保水抑鹽增肥的作用。整體改良效果排序為秸稈覆蓋+秸稈掩埋＞秸稈掩埋＞秸稈覆蓋；在同種秸稈還田方式下，脫硫石膏和有機肥組合的改良效果較單一成分施用效果更佳。具體來說，對于控制水分損失、抑制鹽分表聚的作用，有機肥+脫硫石膏＞脫硫石膏＞有機肥；對于提高土壤肥力、增加土壤養分有效性的效果，有機肥+脫硫石膏＞有機肥＞脫硫石膏。

從不同鹽漬化程度土壤來看，總體上，秸稈還田方式配合改良劑對重度鹽土的改良效果最好，輕中度次之。具體差異體現在秸稈掩埋+有機肥和脫硫石膏（T1F2C）這一改良模式在輕中度鹽漬土的效果最佳；而對重度鹽漬土而言，秸稈覆蓋+秸稈掩埋+有機肥和脫硫石膏（T2F3C）組合對土壤的改良效果優于其他改良措施；這表明在輕中度鹽漬土區，秸稈掩埋方式就可以滿足其保水抑鹽效果，而在重度鹽漬土區域則需要秸稈覆蓋和掩埋方式并用來達到最優改良效果。

結合不同秸稈還田方式下施肥與不施肥對土壤養分含量的影響來看，整體相關性較高，秸稈覆蓋（F1）和秸稈覆蓋+掩埋（F3）方式與土壤有機質含量，秸稈覆蓋（F1）方式與土壤有效磷、速效鉀含量以及秸稈掩埋（F2）和無秸稈處理方式（CK）與土壤堿解氮含量在一定程度上呈顯著或極顯著正相關關系。充分表明秸稈還田配合施肥在增加土壤養分含量上效果最佳。