黃高鑒，王 瓊，張 強(qiáng)，楊治平，王 斌*

（1．山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801；2．山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所山西 太原 030031；3．中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；4．山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，山西 太原 030031）

鹽堿土是一種在我國(guó)分布比較廣泛且難以種植農(nóng)作物的土壤，其面積可達(dá)9.91×107hm2［1］，占全國(guó)土地面積的10.9%［2］，并呈現(xiàn)出整體惡化和面積增加的趨勢(shì)［3］。鹽堿土面積的增加不僅限制了農(nóng)業(yè)發(fā)展［4］，也影響了生態(tài)環(huán)境。此外，鹽堿土主要分布在地勢(shì)平坦且土層厚度適宜耕作的地帶［3］，因此，如何改良和利用鹽堿土，對(duì)提高農(nóng)業(yè)綜合能力具有重要意義［5］。

我國(guó)鹽堿土改良多采用灌溉排水，構(gòu)建暗管排水溝等措施，但是這些措施具有投資大、成本高、易反復(fù)、治理范圍小等缺點(diǎn)，而土壤改良劑是一種高效、經(jīng)濟(jì)且便捷的新型改良措施，目前正在全世界范圍大力推廣使用［6］。關(guān)于改良劑利用方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)改良劑在土壤的利用方面做了諸多相關(guān)研究［7］，土壤改良劑主要是通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)或者減少可溶性鹽類離子濃度來(lái)調(diào)節(jié)土壤pH值［8-9］。郭軍玲等［10］通過(guò)大田試驗(yàn)分析了不同的含碳物料對(duì)華北蘇打鹽化土改良效果，指出含碳物料均可顯著降低0 ～20 cm 的土壤容重、pH 值、全鹽量和水溶性Na+、HCO3-含量，以風(fēng)化煤和牛糞的改良效果最佳。王倩姿等［11］采用田間試驗(yàn)對(duì)不同腐植酸類物質(zhì)進(jìn)行了鹽堿地的改良效果分析，發(fā)現(xiàn)3 種腐植酸當(dāng)季對(duì)土壤pH 值影響較小，但降低了0 ～40 cm 土壤中電導(dǎo)率、水溶性Na+、K+含量和鈉吸附比（SAR）值。梁龍［12］通過(guò)土柱淋溶試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)腐植酸改良劑（DS-1997）可有效降低0 ～40 cm 土層重度蘇打鹽化土pH 值、交換性Na+含量和土壤堿化度（ESP），F(xiàn)eSO4可有效降低0 ～10 cm 的土壤水溶性Ca2+、HCO3-、Cl-和Na+含量，0 ～20 cm 的交換性Na+含量和ESP 值，增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷含量。Zhao 等［13］通過(guò)盆栽試驗(yàn)，分析了不同用量的粉煤灰和煤矸石對(duì)鹽堿地檉柳生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)鹽堿地的改良效果為:15%（粉煤灰+淤泥）＞10%（粉煤灰+煤矸石+淤泥）＞20%粉煤灰，同時(shí)可提高檉柳的發(fā)芽率和枝條的成活率。土壤改良劑類型較多，其組成、性質(zhì)和作用機(jī)理也不盡相同，這導(dǎo)致其對(duì)鹽堿地的改良效果有很大差異。因此，如何因地制宜選取經(jīng)濟(jì)成本低、改良效果顯著的改良劑仍是當(dāng)前鹽堿地改良研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

山西省鹽堿土面積約有27.36 萬(wàn)hm2，主要集中在大同盆地，其鹽堿類型主要為重度蘇打型鹽堿土，具有高濃度的鹽分含量和高堿化度值［14］，土壤結(jié)構(gòu)差、土質(zhì)黏重、通透性差等特點(diǎn)［9，15］，很難治理。因此，篩選適宜的改良物料是高效利用大同盆地蘇打鹽化土的重要手段。目前含碳與含硫物料改良鹽堿土研究報(bào)道較少。本研究通過(guò)探討FeSO4、Al2（SO4）3、DS-1997 和風(fēng)化煤4 種含硫或含碳物料對(duì)土壤理化性狀和作物生長(zhǎng)狀況的影響，找出試驗(yàn)區(qū)最適改良材料，以期為內(nèi)陸蘇打鹽化土的改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)在大同市天鎮(zhèn)縣蘭玉堡村（113°53′E，49°9′N）山西省農(nóng)科院鹽堿地改良示范基地進(jìn)行，該地區(qū)屬北溫帶大陸性干旱季風(fēng)氣候，四季分明，年均降水量為373.3 mm，年均蒸發(fā)量為1 937.6 mm，無(wú)霜期為90 ～128 d，年均日照時(shí)數(shù)為2 827 h，年均氣溫為6.4℃。試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為粘土，按鹽堿土分類為蘇打鹽化土，試驗(yàn)布置前，已經(jīng)連續(xù)進(jìn)行了3 年的改良耕作。試驗(yàn)區(qū)耕層土壤的基礎(chǔ)理化性狀見表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤基礎(chǔ)理化性狀

本試驗(yàn)為2015 ～2017 年3 年定位試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)5 個(gè)處理，分別為:CK、FeSO42 250 kg/hm2（工業(yè)用硫酸亞鐵，主要成分為FeSO4·7H2O，含量為70%，水 分 含 量20%，pH 值 為2.8）、Al2（SO4）32 250 kg/hm2［工業(yè)用硫酸鋁，主要成分為Al2（SO4）3·18H2O，pH 值 為3］、 風(fēng) 化 煤22 500 kg/hm2（取自山西靈石，去除雜質(zhì)，經(jīng)加工粉碎過(guò)2.5 mm 篩后備用，總腐植酸含量為28.20%，游離腐植酸含量為25.62%，黃腐酸含量為0.57%，有機(jī)質(zhì)含量為37.18%，pH 值為4.81）、腐植酸改良劑（DS-1997，主要由腐植酸、硫、糠醛渣及植物生長(zhǎng)所需的微量元素組成，有機(jī)質(zhì)含量為37.18%，pH 值為4.81）2 250 kg/hm2。改良物料用量均為項(xiàng)目組前期在該區(qū)域田間試驗(yàn)得出的最佳施用量，每個(gè)處理設(shè)4 次重復(fù)，完全隨機(jī)排列。各物料于2015、2016、2017 年播前由人工均勻施入土壤，并進(jìn)行旋耕灌水，灌水量1 500 m3/hm2。供試飼用玉米品種為雅玉8 號(hào)，種植密度為67 500 株/hm2，各處理田間管理措施一致。

1.2 土壤樣品采集與分析

2017 年9 月16 日收獲，每個(gè)小區(qū)采集3 個(gè)4 m2植物樣方，用米尺、游標(biāo)卡尺和電子秤測(cè)定株高、莖粗和產(chǎn)量。玉米收獲后，植物樣根部定點(diǎn)采集0 ～20 cm 土壤樣品，充分混勻，風(fēng)干后進(jìn)行分析和測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定、有效磷用Olsen 法測(cè)定、土壤pH 值采用電位法（土水比1∶2.5）、土壤EC 采用電導(dǎo)儀測(cè)定（土水比1∶5）、水溶性離子（水土比1∶5）:Ca2+、Mg2+采用EDTA 滴定法，Na+、K+采用火焰光度法，CO32-、HCO3-采用稀硫酸中和滴定法，SO42-采用硫酸鋇比濁法，Cl-采用硝酸銀滴定法，陽(yáng)離子交換量（CEC）采用醋酸鈉火焰光度法，土壤交換性鈉離子（［Nas］）:乙酸銨-氫氧化銨火焰光度法［15］。

1.3 計(jì)算公式

式中，［Nas］為交換性鈉離子的數(shù)量（cmol/kg）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016 和SPSS 20.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析，所有的數(shù)據(jù)均為平均值，采用單因素方差分析（ANOVA）和Duncan 檢驗(yàn)，比較4 種改良物料在土壤性質(zhì)和玉米產(chǎn)量的差異（P＜0.05）。由Sigmplot 12.5 進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH 值、ESP 值和EC 值變化特征

由圖1 顯示，添加4 種改良物料后，土壤pH值和土壤堿化度（ESP）均顯著降低，與CK 相比，pH 值降低了2.87%～5.39%，依次為:風(fēng)化煤＞Al2（SO4）3＞DS-1997＞FeSO4，但各處理之間差異不顯著，以添加風(fēng)化煤處理降低最為明顯，降低至8.22，比CK 處理降低了5.39%，比其他改良處理降低了1.17%～2.60%。與CK 相比，ESP降低了38.71%～75.22%，依次為:風(fēng)化煤＞DS-1997＞FeSO4＞Al2（SO4）3，以添加風(fēng)化煤處理降低最為明顯，降低至4.5%，比CK 降低了75.22%，比其他改良劑處理降低了35.12%～59.55%。添加4 種改良物料后，各處理土壤的EC 值變化不盡相同，與CK 相比，添加FeSO4和風(fēng)化煤后，顯著降低了土壤EC 值，與CK 相比分別降低了47.08%和32.09%，添加Al2（SO4）3和DS-1997 后，土壤EC值略有下降，與CK 相比降低了1.19%～1.78%，但各處理之間無(wú)顯著性差異。

圖1 4 種改良物料對(duì)土壤pH 值、EC 值和ESP 值的影響

表2 4 種改良物料對(duì)土壤鹽基離子的影響

2.2 土壤水溶性鹽基離子含量的變化特征

由表2 可知，添加改良物料后，顯著降低了土壤中的交換性鈉離子數(shù)量［Nas］，與CK 相比降低了52.19%～78.06%，以風(fēng)化煤處理［Nas］降低量 最 大，其 次 為DS-1997＞FeSO4＞Al2（SO4）3。添加改良劑后，F(xiàn)eSO4和風(fēng)化煤顯著降低了土壤離子總量，與CK 相比降低了51.51%和35.38%，添 加Al2（SO4）3和DS-1997 處理后土壤離子總量略有下降，與CK 相比分別降低了2.29%和13.38%，但差異不顯著。添加FeSO4和風(fēng)化煤處理后土壤Ca2+和Mg2+含量略有提高，但與CK相比差異不顯著，添 加Al2（SO4）3和DS-1997后，顯著提高了土壤Ca2+和Mg2+含量，與CK 相比分別提高了103.80%和80.95%。添加改良物料都顯著降低了土壤溶液中［Nas］，與CK 相比降低了89.54%～96.61%，以DS-1997 處理降幅最大，但各處理之間差異不顯著。添加FeSO4、風(fēng)化煤和Al2（SO4）3顯著降低了土壤HCO3-含量，與CK 相比降低了31.18%～38.71%，添加DS-1997增加了土壤HCO3-含量，但與CK 相比差異不顯著。添加改良物料對(duì)土壤Cl-含量的影響均不顯著，以風(fēng)化煤處理Cl-含量最低，與CK 相比降低了30.77%，Al2（SO4）3處理Cl-含量最高，與CK相比提高15.38%。施用FeSO4和風(fēng)化煤顯著降低了土壤SO42-含量，與CK 相比分別降低了49.41%和12.94%，Al2（SO4）3和DS-1997 處理土壤SO42-含量有所升高，與CK 相比分別提高了31.37%和14.90%，但與CK 處理之間差異不顯著。

2.3 土壤養(yǎng)分含量的變化特征

由圖2 顯示，添加改良物料后，對(duì)土壤養(yǎng)分含量影響不盡相同，添加Al2（SO4）3土壤有機(jī)質(zhì)含量略有降低，比CK 降低了16.73%，添加FeSO4與CK 相比提高3.17%，但與CK 差異不顯著。添加風(fēng)化煤和DS-1997 顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)的含量，分別為21.89 和18.95 g/kg，分別比CK 增加了88.51%和63.18%，以風(fēng)化煤處理有機(jī)質(zhì)增加量最大，比DS-1997 處理顯著提高了13.43%。添加Al2（SO4）3和FeSO4后土壤有效磷含量有所下降，與CK 相比分別降低了9.30%和12.9%，但與CK相比差異不顯著。添加風(fēng)化煤和DS-1997 后可顯著提高土壤有效磷含量，分別為36.82 和35.4 mg/kg，分別比CK 處理增加了38.70%和33.33%，以添加風(fēng)化煤土壤有效磷增加量最大，比DS-1997 處理高4.02%，兩個(gè)處理之間無(wú)顯著性差異。添加各改良劑后土壤速效鉀含量有所下降，與CK 相比降低了4.40%～13.66%，但均與CK 處理之間差異不顯著。

圖2 4 種改良物料對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀的影響

2.4 玉米生物性狀特征

由表3 可知，與CK 相比，添加改良物料后均顯著提高了玉米的株高、莖粗和生物量（P＜0.05）， 比CK 分 別 增 加 了6.04% ～9.64%、1.58%～7.03%、28.77%～36.79%，各指標(biāo)值均以FeSO4處理最大，分別為247.53 cm、25.07 mm和46 135.31 kg/hm2，DS-1997 處理各指標(biāo)值最小，但各處理間均無(wú)顯著性差異。

表3 4種改良物料對(duì)玉米生物性狀的影響

3 討論

3.1 含碳物料對(duì)蘇打鹽化土改良效果的影響

高pH 值和ESP 值是蘇打鹽化土的典型特征，嚴(yán)重影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育，一般將pH=8.5 和ESP=15%作為土壤結(jié)構(gòu)惡化的關(guān)鍵值［16］。由圖1可知，添加不同改良物料后，土壤pH 值和ESP 值均降低到關(guān)鍵值以下，說(shuō)明4 種改良物料均能起到顯著改良鹽堿地的效果。但不同的改良物料對(duì)土壤的改良機(jī)理不同。DS-1997 主要成分是硫磺、腐植酸、糖醛渣以及一些微量元素，它對(duì)土壤的改良主要是:（1）改良物料施入土壤后，其中的硫磺被逐漸氧化成硫酸根離子，此過(guò)程中產(chǎn)生大量的H+中和土壤中高濃度的OH-離子，起到降低土壤pH 值的效果。曹瑩菲等［17］通過(guò)對(duì)寧夏黃灌區(qū)鹽堿土添加不同含量硫磺研究發(fā)現(xiàn)，施用3 個(gè)不同水平的硫磺均能起到降低土壤pH 值的效果，驗(yàn)證了本文的結(jié)果；此外，水解產(chǎn)生的H+與土壤中的CaCO3發(fā)生反應(yīng)，生成溶解度較大的CaSO4，增加土壤溶液中的Ca2+含量（表2），通過(guò)置換出土壤膠體的Na+，降低了土壤ESP 值（圖1），在硫磺被氧化過(guò)程中，也會(huì)形成易被植物吸收利用的形態(tài)，可提高作物的產(chǎn)量，但可能由于試驗(yàn)時(shí)間較短以及改良劑中硫磺含量較低，導(dǎo)致作物產(chǎn)量增加不明顯［18］。（2）DS-1997 中的糖醛渣原材料是玉米芯，其中含有大量的氮、磷、鉀等可被植物吸收的有效養(yǎng)分，增加了土壤溶液中鹽分離子含量，因此土壤的EC 值較CK 有所降低，但未呈現(xiàn)顯著性差異，土壤的有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀也呈現(xiàn)出比其他處理顯著增加，降低不明顯的趨勢(shì)。（3）DS-1997 和風(fēng)化煤均含有腐植酸，腐植酸是一種有效的緩沖劑，在土壤pH 值偏高時(shí)，其酸性功能團(tuán)可釋放出H+與土壤中的OH-反應(yīng)，降低土壤堿性［19］。馬獻(xiàn)發(fā)等［20］在黑龍江草甸土發(fā)現(xiàn)施用腐植酸可顯著降低土壤堿性，其pH 值比對(duì)照處理降低了6.68%～15.3%，這與本文的研究結(jié)果一致。腐植酸含有的各種功能團(tuán)以離子鍵或者共價(jià)鍵的形式與土壤中的Na+等金屬離子發(fā)生螯合、吸附和絡(luò)合反應(yīng)，一般來(lái)說(shuō)，腐植酸可吸附20%的游離Na+；此外，腐植酸的化學(xué)活性和生物活性較強(qiáng)，交換能力比較強(qiáng)，對(duì)Ca2+的親和力較強(qiáng)［21-22］，因此，土壤中交換性Na+含量呈顯著降低的趨勢(shì)（表2）。孫在金等［23］在濱海鹽堿土上也發(fā)現(xiàn)單施腐植酸處理可顯著降低不同堿度土壤的交換性鈉離子含量，與本試驗(yàn)結(jié)果相符。土壤溶液中的Na+含量也是有所降低的，王倩姿等［11］在河北滄州發(fā)現(xiàn)施用不同量的腐植酸可顯著降低土壤中水溶性Na+含量，這也驗(yàn)證了本文結(jié)果。這可能由于降雨的作用將其淋洗到更深層的土壤，由于鹽堿土具有“鹽隨水來(lái)，鹽隨水去”等特征，因此研究土壤剖面鹽分運(yùn)移情況是筆者今后的研究重點(diǎn)。

風(fēng)化煤和DS-1997 中含有大量的腐植酸，添加 風(fēng) 化 煤 和DS-1997 比 添 加Al2（SO4）3、FeSO4更能顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量（圖2）。郭軍玲等［10］在山西省懷仁縣鹽堿地改良利用基地研究發(fā)現(xiàn)，施用風(fēng)化煤后土壤有機(jī)質(zhì)含量較對(duì)照顯著提高了32.95%。有機(jī)質(zhì)含量的提高可以促進(jìn)土壤有效磷含量的增加，腐植酸通過(guò)與土壤中的磷酸根競(jìng)爭(zhēng)土壤膠體表面的吸附位點(diǎn)，降低了土壤對(duì)磷的吸附，腐植酸也會(huì)在無(wú)機(jī)膠體表面形成一層膠膜，減少對(duì)磷酸根離子的吸附，增加土壤溶液中磷含量（圖2）；王瓊等［24］在黑土長(zhǎng)期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理通過(guò)影響土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，降低土壤對(duì)磷的最大吸附量，增加土壤溶液中有效磷含量，這也驗(yàn)證了本試驗(yàn)結(jié)果。土壤中速效鉀含量同樣受土壤性質(zhì)的影響，腐植酸的施用會(huì)減少土壤對(duì)鉀的吸附固定，增加土壤溶液中速效鉀含量，提高鉀的有效性。本試驗(yàn)中，各改良劑添加后土壤速效鉀含量沒有顯著變化，但施用風(fēng)化煤和DS-1997 后土壤速效鉀含量仍比Al2（SO4）3、FeSO4高4.78%～10.72%。

3.2 含硫物料對(duì)蘇打鹽化土改良效果的影響

Al2（SO4）3、FeSO4是兩種典型的含硫改良物料，主要通過(guò)水解產(chǎn)生大量的H+，以此降低土壤pH 值［25］。此外，通過(guò)溶解土壤中難溶性鈣鎂碳酸鹽，增加了土壤中Ca2+和Mg2+含量，增加了鹽分，但由于Al2（SO4）3和FeSO4所帶的電荷數(shù)不同，施用同等量的改良劑，Al2（SO4）3在土壤中離子濃度較FeSO4多，因此，其土壤EC 值、土壤Ca2+、Mg2+、SO42-含量和土壤離子總量均高于FeSO4處理（表2），但其土壤ESP 值以及交換性Na+含量并無(wú)顯著性差異（圖1，表2），兩種改良物料添加后玉米產(chǎn)量也未出現(xiàn)顯著差異（表3），說(shuō)明同等施用量下，Al2（SO4）3和FeSO4對(duì)土壤的改良效果相似。

4 結(jié)論

施用4 種不同改良物料均能顯著降低土壤pH值，降低土壤堿性，改善土壤水溶性離子組成，有效降低土壤ESP 值，對(duì)大同盆地蘇打鹽化土起到很好的改良效果。

由于外源離子輸入量較大，使得DS-1997 和Al2（SO4）3處理EC 值和離子總量顯著高于FeSO4和風(fēng)化煤處理，但其鹽分組成發(fā)生變化，對(duì)土壤有毒害作用的Na+有所減少，此外還提供了作物生長(zhǎng)所必需的S 元素，提高了作物的抗逆性。

4 種改良物料均能提高作物產(chǎn)量，風(fēng)化煤和DS-1997 可較對(duì)照處理顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷含量，維持土壤速效鉀含量。

綜合來(lái)說(shuō)，4 種改良劑以風(fēng)化煤處理改良效果最佳，在0 ～20 cm 土層中，可較CK 處理降低0.47 個(gè)單位的pH 值，EC 值降低32.09%，ESP 值降低75.22%。添加風(fēng)化煤后可改善0 ～20 cm 土壤鹽分組成和含量，較CK 處理減少了78.06%的交換性鈉離子含量，并顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷含量，土壤養(yǎng)分情況均得到顯著改善。