脫硫石膏與有機物料配施對河套灌區(qū) 土壤改良及向日葵生長的影響

高惠敏，王相平，屈忠義，楊勁松，姚榮江

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，呼和浩特 010018； 2.中國科學(xué)院 南京土壤研究所/土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，南京 210008）

0 引 言

【研究意義】土壤鹽堿化已成為全球性資源和生態(tài)問題[1]。目前，全球鹽堿化土地面積約為9.54億hm2，我國鹽堿化和次生鹽堿化土地的總面積約為0.35 億hm2，占全球鹽堿地總面積的4%左右[2]。內(nèi)蒙古河套地區(qū)位于我國干旱、半干旱地區(qū)，屬于典型的大陸性氣候區(qū)，是全國三大灌區(qū)之一[3]，鹽堿地占土地總面積近69%[4]，是典型的鹽堿地區(qū)域。由于河套灌區(qū)降雨量少，蒸發(fā)量大，蒸發(fā)量是降水量的14～16 倍，土地平緩，地下徑流排泄不暢，地下水埋深較淺，且礦化度較高，以至于土壤中積蓄大量的鹽分離子[5]，再加上不合理的灌溉導(dǎo)致鹽堿地面積不斷擴大，嚴(yán)重制約著該地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展[6]。

【研究進展】根據(jù)鹽堿化土壤改良措施的性質(zhì)，可分為化學(xué)、物理、生物和綜合4 個方面[7]。由于物理、生物、綜合措施投入代價大、周期長，在生產(chǎn)實踐中，應(yīng)用化學(xué)改良劑是近年來研究和應(yīng)用較快的主要修復(fù)措施之一[8]。化學(xué)改良劑其作用原理是利用酸堿中和原理中和土壤中的堿[9]。常用的化學(xué)改良材料包括含鈣類物質(zhì)、硫酸及硫酸鹽和風(fēng)化煤等有機鹽[10]。脫硫石膏的主要成分為CaSO4和CaSO3的混合物，性質(zhì)與天然石膏相類似，并含有豐富植物必需或有益的礦質(zhì)營養(yǎng)元素如S、Ca、Si 等，因而在土壤改良上有廣泛的前景[11]。利用脫硫石膏改良堿土是我國改良堿土的重要措施之一。羅小東等[12]研究表明，脫硫石膏施量為土壤鈉離子量的200%時，棉花的莖粗、產(chǎn)量和經(jīng)濟效益增加的最多。作為另一類在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被公認為極佳的土壤改良物料[8]，有機物料的施加可以提高土壤肥力，顯著增加土壤有機質(zhì)和土壤速效養(yǎng)分量[13]，同時降低硝態(tài)氮、全磷和鉀離子等的徑流損失，起到保肥的作用[14]。王長軍等[15]研究了生物有機肥、腐殖酸對水稻產(chǎn)量與土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，結(jié)果表明：優(yōu)化施肥+生物有機肥、優(yōu)化施肥+腐殖酸處理下，水稻產(chǎn)量、生物產(chǎn)量較優(yōu)化施肥處理和不施肥處理顯著提高。王敏等[16]研究表明腐殖酸表面活性劑可顯著強化脫硫石膏改良油污鹽堿土壤?！厩腥朦c】前人對上述單一物料的改良效果與原理進行了深入研究，但對不同物料組合使用的綜合改良效果研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文在前人研究的基礎(chǔ)上，研究石膏與腐殖酸、石膏和黃腐酸不同配施對干旱鹽堿區(qū)土壤含鹽量、pH 值和向日葵生長的影響，以期為該地區(qū)鹽堿土治理改良提供一定的科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市杭錦后旗三道橋鎮(zhèn)澄泥村改鹽增糧試驗基地，屬于溫帶大陸性氣候，年均降雨量138.2 mm，蒸發(fā)量2 094.4 mm，晝夜平均溫差8.2 ℃，年平均無霜期135 d 左右，平均風(fēng)速2～3 m/s，灌溉依賴黃河水，黃河水平均礦化度為0.598 g/L，屬淡水。灌區(qū)采用一年一熟制，種植作物以向日葵、玉米和春小麥為主。試驗區(qū)每年在向日葵播種前和收獲后進行大水漫灌壓鹽，受灌水影響地下水埋深波動較大。地下水位在試驗期間介于1.0～1.5 m，全年地下水埋深1.0～3.0 m，5 月初和10 月初地下水埋深最深，5 月中下旬和10 月下旬灌水后最淺。地下水礦化度平均為3.25 g/L，屬微咸水，地下水鹽分的化學(xué)組成主要為氯化物、重碳酸鹽以及硫酸鹽等。試驗小區(qū)旁邊設(shè)有1.5 m 深的排水溝，進行排水排鹽。試驗地0～20 cm 耕作層土壤的基本性質(zhì)見表1。土壤含鹽量均值為6.99 g/kg，pH 均值為8.10，全氮量和有機質(zhì)量均值分別為0.83、18.03 g/kg，土壤體積質(zhì)量均值為1.52 g/cm3。表層土壤（0～20 cm）質(zhì)地為粉砂壤土，深層土壤多為黏壤土。

表1 土壤的基本性質(zhì) Table 1 Basic soil properties

1.2 供試材料選擇

試驗采用3 種土壤改良劑：①腐植酸（寧夏天鑫源生物化工有限公司研制）；②黃腐酸（寧夏天鑫源生物化工有限公司研制）；③脫硫石膏。

表2 供試材料的基本性質(zhì) Table 2 Basic properties of the tested materials

1.3 試驗設(shè)計

供試作物為食葵，品種為“361”。試驗設(shè)計4個處理，每個處理3 個重復(fù)，小區(qū)采用隨機區(qū)組排列，每個小區(qū)面積為33.6 m2（8 m× 4.2 m），向日葵播種是人工點播，行距60 cm，株距50 cm，種植密度為33 000 株/hm2。試驗地春灌(播前灌溉)、秋澆灌水量為當(dāng)?shù)毓嗨浚s3 000 m3/hm2），整個生育期不進行灌水。底肥選用磷酸二銨，施用量為375 kg/hm2，追肥選用尿素，施用量為340 kg/hm2，其中現(xiàn)蕾期施用240 kg/hm2，開花期施用100 kg/hm2，常規(guī)種植處理的（CK）施肥量與改良劑處理的施肥量相同。4 月中下旬進行鋪膜，每小區(qū)鋪4 膜，5 月下旬播種，9月下旬收獲。改良劑推薦用量施用見表3。

表3 試驗處理方案 Table 3 The scheme of experimental treatments

1.4 測定項目與方法

1）土壤電導(dǎo)率和pH 值測定：試驗于2018 年4月份開始，分別在種植前（4 月中下旬）和收獲后（10月上旬）采集耕層0～20、20～40 cm 土樣。其中電導(dǎo)率采用電導(dǎo)儀測定（土水比為1:5），pH 采用pH 計測定（土水比為1∶5）[17]。CO32-、HCO3-離子量采用雙指示劑中和滴定法測定。

鹽分和電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換關(guān)系[18]：

鹽分相對降低率計算方法如式（2）：

2）向日葵株高和莖粗測定：在向日葵生育期，每個小區(qū)選定3 株向日葵，定期采用米尺和游標(biāo)卡尺分別測定其株高、莖粗和葉面積。

3）作物產(chǎn)量的測定：在每個試驗小區(qū)隨機選3行，每行連續(xù)取5 株，單獨收獲稱質(zhì)量，根據(jù)如下公式計算向日葵產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Excel 和SPSS 20 統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改良劑對土壤含鹽量的影響

鹽分降低值為種植前與收獲后土壤耕層鹽分變化值。表4 是作物種植前和收獲后不同改良劑處理土壤耕層含鹽量。從表4 可以看出，在0～20 cm 土層，除SF 處理和SH 處理外，其余處理較初始值鹽分升高。不同處理鹽分降低值由高到低排序為：SF處理>SH 處理>F 處理>S 處理>CK>H 處理，相較于CK，SF、SH 處理小區(qū)作物收獲后土壤鹽分降低明顯，其中SF 處理鹽分降低值最大，為2.79 g/kg，其次是SH 處理。在20～40 cm 土層，所有處理較初始值鹽分出現(xiàn)升高現(xiàn)象，除CK 外，SF、S、SH、F 和H處理20～40 cm 土層的鹽分降低值均高于0～20 cm，說明改良劑的施加一方面加速了表層土壤鹽分的淋洗，另一方面也阻控了鹽分的上行，以致亞表層土壤含鹽量高于表層土壤含鹽量，不同處理鹽分降低值由高到低排序為：SF 處理>CK>SH 處理>F 處理>S 處理>H處理，SF 處理鹽分降低最多。由于不可能選擇含鹽量完全一致的地塊，即使在同一小區(qū)內(nèi)不同地點含鹽量也有一定的差異。因此，用土壤含鹽量相對降低量來衡量更具有可比性[19]。在0～20 cm 土層，鹽分相對降低率從大到小為：SF 處理>SH 處理>F 處理>S 處理>H處理>CK，SF、SH、F、S、H 處理的鹽分相對降低率分別與CK 相比降低94.30%，84.83%、51.12%、40.08%、2.49%，其中SF 處理降鹽效果最好。在20～40 cm 土層，鹽分相對降低率從大到小為：SF 處理>CK>SH 處理>S 處理>F 處理>H 處理，SF 處理鹽分相對降低率與CK 相比，降低65.11%，其余處理降低不明顯。從0～40 cm 土壤平均鹽分量來看，各個處理的鹽分相對降低率從大到小為：SF 處理>SH 處理>F處理>S 處理>CK>H 處理，SF、SH、F、S 處理鹽分相對降低率較CK 降低82.42%、48.01%、13.65%、9.03%。在0～40 cm 土壤中，SF 處理降鹽效果最好。

表4 不同改良劑處理土壤含鹽量 Table 4 The soil salt content of different amendments

表5 不同改良劑處理土壤pH 值 Table 5 Soil pH values of different amendments

2.2 不同改良劑對土壤pH 值的影響

pH 值降低值為種植前與收獲后土壤耕層pH 值變化值。表5 是種植前和收獲后的耕層土壤pH 值的變化，從表5 可以看出，在0～20 cm 土層中，各個處理pH 值降低效果排序為：H 處理>S 處理>SF 處理>CK>SH 處理>F 處理，H、S、SF 處理pH 降低值分別較CK 降低0.375、0.12 和0.055，其中H 處理pH 值降低效果最好，是因為黃腐酸改良劑與土壤中的各組分發(fā)生多種物理、化學(xué)作用，從而改善土壤的物理性能，影響并改變土壤的堿性[20]，其次是S 處理，SH 處理和F 處理降低pH 值效果不明顯。在20～40 cm土層中，各個處理pH 值降低效果排序為：H 處理>SH處理>S 處理>F 處理>SF 處理>CK，各處理pH 值降低值分別較CK 降低0.735、0.442、0.205、0.38、0.02，H 處理降低pH 值效果最好，其次是SH 處理。從0～40 cm 土層看，H 處理在降低土壤pH 值效果最好，其次為S 處理，與初始值相比分別降低0.265 和0.23。

2.3 不同改良劑對向日葵生長的影響

圖1 為不同處理向日葵株高。從6 月16 日測定結(jié)果來看，株高從大到小排列為：SF 處理>CK>SH處理>F 處理>S 處理>H 處理，SF 處理株高最高，為13.56 cm，除SF 處理外，其余處理之間差異不顯著；從6 月26 日測定結(jié)果來看，株高從大到小排列為：SF 處理>S 處理>F 處理>CK>H 處理>SH 處理，SF 處理株高最高，其次為S 處理，SF、S 處理較CK 株高分別增加14.5%和4.3%，除SF 處理外，其余處理差異性不顯著（p<0.05）；從7 月28 日和8 月20 日測定結(jié)果來看，各處理向日葵株高變化趨勢與6 月26日測定結(jié)果變化趨勢基本一致，均是SF 處理株高最高，與CK 相比2 次測定結(jié)果株高分別增加11.6%、11.9%，從2 次測定結(jié)果看，SF 處理與其他處理差異性顯著，CK、SH、F、H 處理差異性不顯著。4 次測定結(jié)果均以SF 處理向日葵株高最高。

圖1 不同改良劑處理向日葵株高 Fig.1 The sunflower plant height of different amendments

圖2 為不同處理向日葵莖粗。從6 月16 日測定結(jié)果看，莖粗從大到小排列為：SF 處理>CK>S 處理>SH 處理>H 處理>F 處理，SF 處理莖粗最大，除SF 處理外，其余處理差異性不顯著；從6 月26 日測定結(jié)果看，莖粗從大到小排列為：SF 處理>S 處理>F處理>H 處理>CK>SH 處理，SF 處理莖粗最大，其次為S 處理，SF、S、F、H 處理差異性不顯著；從7月28 日測定結(jié)果看，SF、S、H、F、SH 處理莖粗均比CK 大，其中F 處理莖粗最大，其次是SF 處理，除CK 外，其余處理之間差異性不顯著；從8 月20日測定結(jié)果看，F(xiàn) 處理莖粗最大，其次為SF 處理，SH 處理和S 處理較CK 效果不明顯，SF 處理和F 處理之間差異性不顯著。在6 月26 日之前2 次測定結(jié)果均以SF 處理向日葵莖粗最大，較CK 莖粗分別增加9.84%、14.73%；在7 月28 日之后，F(xiàn) 處理向日葵莖粗最大，較CK 莖粗分別增加10.69%、9.74%，與SF 處理之間無顯著性差別。

圖2 不同改良劑處理向日葵莖粗 Fig.2 The stem diameter of sunflower of different amendments

圖3 為不同處理向日葵葉面積。從6 月16 日、26 日測定結(jié)果看，SF 處理葉面積最大，分別較CK增加15.65%、15.62%，SF 處理與CK 之間差異性不顯著；從7 月28 日測定結(jié)果看，S 處理葉面積最大，其次是SF 處理，S 處理和SF 處理差異性不顯著；從8 月20 日測定結(jié)果來看，F(xiàn) 處理葉面積最大，其次是SF 處理。從4 次測定結(jié)果看，除SH、H、F 處理外，施用改良劑處理的小區(qū)向日葵葉面積均大于CK，SF、F、S 處理增加葉面積效果最好。

圖3 不同改良劑處理向日葵葉面積 Fig.3 The sunflower leaf area of different amendments

圖4 為各試驗處理產(chǎn)量。從圖4 可以看出，施用改良劑后，向日葵產(chǎn)量都顯著高于CK。不同改良劑處理向日葵產(chǎn)量由高到低為：SF 處理>F 處理>S 處理>H 處理>SH 處理>CK，其中施用SF 處理增產(chǎn)效果最明顯，產(chǎn)量為4.29 t/hm2，其次是F 處理，產(chǎn)量為4.16 t/hm2，SF 處理和F 處理之間差異性不顯著（p<0.05）。SF、F、S、H、SH 處理向日葵產(chǎn)量分別較CK 增加51.63%、47.00%、33.95%、27.91%和22.79%。

圖4 向日葵產(chǎn)量 Fig.4 Yield of sunflower

3 討 論

3.1 改良劑對河套灌區(qū)鹽分和pH 值的影響

從收獲后土壤耕層鹽分比較得知，各改良劑處理下土壤鹽分相對降低率與CK 相比均升高，說明所選取的改良劑能夠有效地改良河套灌區(qū)鹽堿地。其中SF處理降低鹽分效果最好，比單施S 處理效果好，是因為一方面腐殖酸和石膏配施可加大石膏的溶解量，進而提升Na+置換能力，強化石膏改良鹽堿土效果，另一方面腐殖酸和脫硫石膏配施更好改善土壤理化性質(zhì)，有利于土壤鹽分淋洗[21-22]。以往研究表明，腐殖酸和石膏配施較單施處理在降低鹽分方面效果顯著[21-23]，本試驗與其研究結(jié)果相一致。在0～20 cm 土層中，單施H 處理和S 處理較SF、SH 處理降低pH 效果好，而單施F 處理卻不如SF、SH 處理降低pH 效果好；在20～40 cm 土層中，F(xiàn)、H、SH 和S 處理與初始土壤相比pH 降低，SF 處理較初始值pH 出現(xiàn)升高。除SF 處理外，F(xiàn)、H、SH 和S 處理0～20 cm 土層pH值降低值小于20～40 cm 土層，且0～20 cm 土壤中HCO3-離子（試驗基地堿性離子以HCO3-為主，CO32-量極少，可忽略CO32-量）前后差值小于20～40 cm（表6），說明施入SH 處理和S 處理土壤中CO32-、HCO3-出現(xiàn)表聚現(xiàn)象，而SF 處理阻控了CO32-、HCO3-離子的上行。SF 處理在降低pH 值方面效果不如單施S 處理、F 處理，這與周陽等[24]和王丹等[25]研究的施加脫硫石膏和腐殖酸處理在降低土壤pH 值方面優(yōu)于單施處理的結(jié)果不一致。

表6 不同改良劑處理對土壤HCO3-離子的影響 Table 6 Effects of different amendments on HCO3- ions of soil

3.2 改良劑對向日葵生長的影響

研究表明，腐殖酸改良劑具有吸附和代換作用，提高土壤中保氮、解磷、活鉀及微量元素的有效性等功效，為作物增產(chǎn)提供更多的養(yǎng)分來源[26-27]，石膏改良劑中Ca2+置換出土壤膠體中危害更大的Na+，有利于土壤鹽分淋洗，二者配施更能提升土壤的脫鹽率，有利于提高土壤養(yǎng)分利用效率。無論是單獨施用脫硫石膏改良劑還是脫硫石膏和腐殖酸、脫硫石膏和黃腐酸改良劑二者配施的施用，均降低了土壤鹽分量，進而促進了向日葵株高、莖粗和葉面積的生長，提高了產(chǎn)量。以產(chǎn)量為例，產(chǎn)量與種植前和收獲后鹽分平均值呈中度的線性負相關(guān)關(guān)系（r=-0.429，n=12），即產(chǎn)量隨著鹽分的減少而增加。本研究表明，增產(chǎn)效果最好的是SF 處理，顯著提高向日葵產(chǎn)量，較對照組增產(chǎn)51.63%。這與周陽等[24]研究一致。孫在金等[28]通過盆栽和田間試驗證明，施用脫硫石膏和腐殖酸能夠顯著改善土壤理化性能，調(diào)節(jié)土壤中的離子平衡，減少單鹽毒害，緩減生理干旱，對植物生長起到促進作用。張伶波等[8]在山東樂陵地區(qū)進行試驗得出，脫硫石膏與腐殖酸1∶1 組合（腐殖酸施用量為 225 kg/hm2，脫硫石膏施用量為 225 kg/hm2）可以使土壤活性鈉離子降低，速效鉀含量顯著提高，實現(xiàn)玉米增產(chǎn)40%。

4 結(jié) 論

1）在鹽分降低率方面，SF 處理降鹽效果最好，0～20 cm 土層中，SF 處理降低率較對照組降低94.30%，20～40 cm 土層中，SF 處理降低率與對照組降低65.11%；在降低pH 值方面，0～40 cm 土層中，H 處理降低效果最好。

2）各鹽堿改良劑處理均可促進向日葵生長，提高向日葵產(chǎn)量。綜合分析各試驗處理向日葵株高、莖粗、葉面積和產(chǎn)量，得到石膏和腐殖酸組合施用增產(chǎn)效果最好。

3）腐殖酸和脫硫石膏組合具有較佳的土壤改良效果，是適宜于河套灌區(qū)鹽堿土的最佳改良劑，腐殖酸施用量為600 kg/hm2，脫硫石膏施用量為3 000 kg/hm2。