有機硅產品治理鹽堿土壤研究初報

宋福如，宋利強，曹子庫，宋志強，宋聚強，張鴻君，乜紅民，王俊生

（1.河北省硅谷農業科學研究院，河北 邯鄲 057151；2.河北省邯鄲市永年區農業農村局，河北 邯鄲 057150）

土壤鹽堿化是一個世界范圍的問題［1-2］，據聯合國科教文組織和糧農組織統計，全球約有10億hm2鹽堿化土壤，占地球陸地面積的30%左右，主要分布在干旱、半干旱地區，遍布世界100 多個國家和地區［3］，并且每年以100 萬～150 萬hm2的速度增加［4-5］，呈現逐漸加重的趨勢。因此，治理鹽堿化土壤，防止其進一步擴大成為全球迫在眉睫的問題。我國鹽堿化土壤約有9914 萬hm2，主要分布在包括東北平原，西北干旱、半干旱地區，黃淮海平原及東部沿海地區在內的17 個省份［6］，不僅造成資源的破壞、農業生產的巨大損失，而且對生態環境構成威脅，使環境和經濟均受到危害。同時，我國人口增長、經濟發展和城鎮化水平的提高對資源環境特別是耕地、生態用地的壓力越來越大。鹽堿地是我國重要的后備耕地戰略資源，治理好鹽堿地，對補充我國耕地資源、保障國家糧食安全和重要農產品有效供給、建設生態文明具有重要意義。國內外對土壤鹽漬化的治理從水利工程措施、農藝措施和生物措施、化學措施等方面開展了大量研究［7-8］。水利工程措施主要建立地表排水系統和暗管排水等系統，通過淋洗、以淡壓咸方法排除土壤中的大量鹽分，降低土壤鹽漬化程度［9-10］，但這種方法耗淡水多，投資巨大，維護費用高，地下水位控制不當易造成土壤次生鹽漬化。農藝措施主要通過合理輪作、深翻松耕、壓沙等農藝措施降低鹽堿危害程度［11］，但其效果難盡人意，存在返鹽的潛在危險。生物措施主要是選育抗鹽、耐鹽植物品種來實現［12-16］，但目前還未能實現規模化生產且見效慢、周期長。化學措施主要是通過施用化學改良劑，利用酸堿中和原理來改良鹽堿土壤理化性狀。土壤改良劑的研究始于19 世紀末［17］。其一方面可改善土壤結構，增加孔隙度，提高鹽堿土排鹽降漬的能力；另一方面增加鹽基代換，調節土壤酸堿度［18-19］。據農業農村部肥料登記公告信息，我國治理鹽堿土壤調理劑的主要原料有以下幾類：天然礦石類（如火山巖-蒙脫石、麥飯石、石膏、白云石、鉀長石、沸石等）、動物殘體類（如禽類羽毛、牡蠣殼等）、工農業廢棄物類（如味精發酵尾液、氨基酸發酵尾液、燃煤煙氣脫硫石膏等）、天然活性物質類（如生化黃腐酸等）、人工合成聚合物類（如聚馬來酸等）。但存在以下問題：施用量大，使用成本高，治理周期長、效果差；某些產品長期使用會破壞土壤結構，造成土壤板結；有的產品潛在環境風險很大，尤其是以固體廢棄物和高分子聚合物為原料的調理劑［20］；此外，以天然礦物為原料的調理劑，施用后分解釋放的陽離子對土壤也可能產生毒害作用［21］；同時，調理劑施用與農藝技術相脫離，實用性不夠，影響了實際應用。截止到目前，利用有機硅作為主要原料的調理劑來治理鹽堿土壤的研究，國內外鮮見報道。大量研究均表明，硅元素幾乎對所有作物都有促進生長、提高產量、改善品質、提高作物抗逆性的作用［22-24］。引入有機硅進行鹽堿土壤治理，進一步放大了硅的作用和效應。本研究采用大田試驗的方法，于2018～2019 年連續2 年在全國不同類型的典型鹽堿土壤主推作物上開展了試驗示范，旨在為有機硅調理劑的推廣應用提供理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點、供試作物

本試驗為田間小區試驗。在農業農村部耕地質量檢測保護中心支持下，2018 年度安排試驗4 個（表1），2019 年度安排試驗9 個（表2）。

表1 2018 年小區試驗基本情況

表2 2019 年小區試驗基本情況

1.2 供試肥料

供試肥料由河北省硅谷農業科學研究院提供。有機硅系列肥料（包括有機硅復合肥、有機硅水溶肥、有機硅土壤調理劑、有機硅功能肥等）含有機硅及氮磷鉀等多種植物所需的營養成分，是一種完全水溶，并具有一定緩釋性能的復合肥［25］。有機硅土壤調理劑主要技術指標：N+P2O5+K2O ≥45%，有機質≥15.0%，有機硅≥3.0%，黃腐酸≥1.0%，Ca ≥0.5%，粉劑。有機硅功能肥N+P2O5+K2O 含量為50%（20-10-20），顆粒。

1.3 試驗設計

試驗設3 個處理，每個處理3 次重復，采用完全隨機區組排列。小區面積一致，水稻小區面積20～50 m2，其他作物小區面積40～50 m2，小區寬度不小于3 m。果樹小區面積50～200 m2，小區內果樹數量不少于5 棵，樹勢一致。處理：（1）底施有機硅土壤調理劑（低用量）+追施有機硅功能肥（低用量），處理簡稱低用量處理；（2）底施有機硅土壤調理劑（高用量）+追施有機硅功能肥（高用量），處理簡稱高用量處理；（3）與處理1同等氮、磷、鉀養分的普通肥料，處理簡稱CK。

施用方法：（1）有機硅土壤調理劑。在作物種植前，均勻撒于地表，旋耕后澆透水一次，當墑情適宜時種植。（2）有機硅功能肥。結合澆水追施。其他田間管理措施一致，按豐產田要求管理。

1.4 測定項目及方法

在整地施肥前和作物收獲后，測定每個小區耕層的容重（環刀法），同時，用五點取樣法采集0～20 cm 土樣，過2 mm 孔徑篩，運用常規方法進行土壤pH（電位法）、水溶性鹽總量（質量法）的測定［26］。2018 年各理化性狀由試驗承擔單位測定，2019 年容重由試驗承擔單位測定，pH、水溶性鹽總量由濰坊信博理化檢測有限公司測定。

各小區進行單獨收獲，計算產量。

1.5 數據統計分析

試驗數據處理采用 Excel 2016 和SPSS 20.0 進行統計分析，采用PLSD 法進行平均值的差異顯著性比較。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤耕作層理化性狀的影響

2.1.1 不同處理對土壤耕作層容重的影響

有機硅土壤調理劑可以破除土壤板結（表3）。所測定的10 個不同試驗點的土壤容重，施用調理劑的處理均比本底值有所降低，而CK 變化不明顯。其中低用量處理降低0.04（甘肅高臺點）～0.41 g/cm3（內蒙古臨河向日葵點），平均降低0.168 g/cm3，降幅為3.17%～24.26%，平均降幅10.88%；高用量處理降低0.06（甘肅高臺點）～0.48 g/cm3（內蒙古臨河向日葵點），平均降低0.229 g/cm3，降幅為4.76%～28.40%，平均降幅15.14%。與CK相比，低用量處理降低0.02（甘肅高臺點）～0.40 g/cm3（內蒙古臨河向日葵點、五原蜜瓜點），平均降低0.163 g/cm3，平均降幅11.12%；1 個點差異不顯著，9 個點差異顯著。高用量處理降低0.04（甘肅高臺點）～0.47 g/cm3（內蒙古臨河向日葵點），平均降低0.224 g/cm3，平均降幅15.28%，差異顯著。高用量處理與低用量處理相比，4 個點差異不顯著，6 個點差異顯著，平均降低0.061 g/cm3，平均降幅4.68%。說明增加調理劑用量對降低土壤容重有一定的影響。

2.1.2 不同處理對土壤耕作層水溶性鹽的影響

從13 個試驗點的土壤水溶性鹽總量測定結果可以看出，施用調理劑的處理均比本底值有所降低，而CK 變化不明顯（表3）。其中低用量處理降低0.18（甘肅臨澤點）～2.10 g/kg（內蒙古臨河向日葵點），平均降低0.827 g/kg，降幅為4.32%（甘肅高臺點）～60.00%（遼寧大洼點），平均降幅27.16%；高用量處理降低0.20（內蒙古臨河蜜瓜點）～2.20 g/kg（內蒙古臨河向日葵點），平均降低0.907 g/kg，降幅為5.78%（甘肅臨澤點）～80.00%（遼寧大洼點），平均降幅30.95%。與CK 相比，低用量處理降低0.40（內蒙古五原向日葵點）～2.20 g/kg（內蒙古臨河向日葵點），平均降低0.877 g/kg，降幅為2.93%（甘肅臨澤點）～60.00%（遼寧大洼、內蒙古臨河蜜瓜點），平均降幅26.84%；2 個點差異不顯著，11 個點差異顯著。高用量處理降低0.18（甘肅臨澤點）～2.60 g/kg（內蒙古臨河蜜瓜點），平均降低0.958 g/kg，降幅為4.40%（甘肅臨澤點）～80.00%（遼寧大洼點），平均降幅30.89%，差異顯著。高用量處理與低用量處理相比，4 個點差異不顯著，2個點大于低用量處理且差異顯著，7 個點小于低用量處理且差異顯著，平均降低0.081 g/kg，平均降幅0.24%，效果不明顯。說明增加調理劑用量對降低土壤水溶性鹽總量影響不大。

2.1.3 不同處理對土壤耕作層pH的影響

施用調理劑可以降低土壤pH（表3）。施用調理劑的處理pH 均比本底值有所降低，而CK 變化不明顯。其中低用量處理降低0.18（吉林前郭點）～1.31個單位（吉林洮北點），平均降低0.417 個單位；高用量處理降低0.10（內蒙古五原向日葵點）～1.32 個單位（吉林洮北點），平均降低0.452 個單位。與CK相比，低用量處理降低0.06（甘肅高臺點）～1.31 個單位（吉林洮北點），平均降低0.451 個單位；6 個點差異不顯著，7 個點差異顯著。與CK 相比，高用量處理降低0.14（甘肅高臺點）～1.32 個單位（吉林洮北點），平均降低0.486 個單位；3 個點差異不顯著，10個點差異顯著。高用量處理與低用量處理相比，平均降低0.035 個單位，11 個點差異不顯著，2 個點差異顯著。說明增加調理劑用量對降低土壤pH 影響不大。

表3 不同處理對土壤耕作層理化性狀的影響

2.2 不同處理對作物生物學性狀的影響

2.2.1 不同處理對水稻生物學性狀的影響

施用調理劑促進了水稻的生長（表4）。成熟期測定水稻株高結果顯示，與CK 相比，低用量處理有4 個點降低，但差異不顯著，2 個點株高顯著增加，平均增加1.01%；高用量處理各點均有所增加，2 個點差異不顯著，4 個點差異顯著，平均增加6.24%。高用量處理與低用量處理相比，各點均有所增加，2 個點差異不顯著，4 個點差異顯著，平均增加4.68%。說明增加調理劑施用量，可以增加水稻株高。

施用調理劑增加了水稻穗粒數（表4）。成熟期5 個點室內考種結果顯示，與CK 相比，低用量處理有1 個點降低，但差異不顯著，4 個點增加，其中1 個點差異不顯著，3 個點差異顯著，平均增加7.70%；高用量處理均有所增加，1 個點差異不顯著，4 個點差異顯著，平均增加8.14%。高用量處理與低用量處理相比，1 個點顯著降低，2 個點顯著增加，2 個點差異不顯著，平均增加1.19%，說明增加調理劑用量對穗粒數有一定影響。

施用調理劑增加了水稻千粒重（表4）。成熟期考種結果顯示，與CK 相比，低用量處理有2個點持平，2 個點降低，2 個點增加，平均增加0.16%，差異均不顯著；高用量處理有1 個點持平，2 個點降低（差異不顯著），3 個點增加（2 個點差異不顯著，1 個點差異顯著），平均增加0.76%。高用量處理與低用量處理相比，差異不顯著。說明施用調理劑對千粒重影響不大。

表4 不同處理對水稻生物學性狀的影響

另外，施用有機硅土壤調理劑的處理，在水稻生長中后期，群體長勢好，植株整齊，葉色較深，稻瘟病較輕。吉林洮北試驗點報告，施用有機硅土壤調理劑的處理，分蘗均比CK 多，低用量處理多0.9 個，高用量處理多0.7 個。

2.2.2 不同處理對向日葵生物學性狀的影響

施用調理劑促進了向日葵的生長（表5）。成熟期測定結果顯示，與CK 相比，株高、莖粗、盤徑、百粒重，低用量處理分別增加0.69%、12.53%、2.90%、0.05%；高用量處理分別增加4.06%、12.53%、5.55%、3.80%。高用量處理與低用量處理相比，分別增加3.28%、0.00%、2.06%、3.79%。說明施用調理劑可顯著增加莖粗，但增加施用量，差異不顯著。

表5 不同處理對向日葵生物學性狀的影響

2.2.3 不同處理對玉米生物學性狀的影響

施用調理劑促進了玉米的生長（表6）。成熟期測定結果及考種結果顯示，與CK 相比，株高、莖粗、穗粒數、千粒重，低用量處理分別增加1.46%、2.18%、3.47%、0.67%；高用量處理分別增加3.11%、6.55%、4.25%、2.51%。高用量處理與低用量處理相比，分別增加1.62%、4.27%、0.75%、1.82%。說明施用調理劑可顯著增加穗粒數，但增加施用量，差異不顯著。

表6 不同處理對玉米生物學性狀的影響

2.2.4 不同處理對甜菜生物學性狀的影響

表7 顯示，施用調理劑的處理生物學性狀均優于CK，與CK 相比，塊根徑、塊根長、單塊根重，低用量處理增加1.83%、3.09%、3.56%；高用量處理增加0.42%、5.00%、7.75%。高用量處理與低用量處理相比，分別增加-1.39%、1.85%、4.05%。說明施用調理劑可顯著增加塊根長、單塊根重，但對塊根徑影響未達到顯著水平。

表7 不同處理對甜菜生物學性狀的影響

2.2.5 不同處理對蜜瓜生物學性狀的影響

表8 顯示，施用調理劑的處理單瓜重均優于CK，低用量處理增加2.78%，高用量處理增加6.75%。高用量處理與低用量處理相比，增加3.86%。說明增加調理劑施用量，可增加蜜瓜單瓜重。

表8 不同處理對蜜瓜生物學性狀的影響

2.3 不同處理對作物產量的影響

2.3.1 不同處理對水稻產量的影響

從圖1 可以看出，施用有機硅調理劑的處理均比CK 增產，低用量處理增產286.5（遼寧大洼點）～1273.5 kg/hm2（吉林洮北點），平均增產640.3 kg/hm2，增幅為2.97%～28.9%，平均增幅達10.90%；與CK 相比，6 個點差異均顯著。高用量處理增產463.2（寧夏平羅點）～1489.5 kg/hm2（吉林前郭點），平均增產899.7 kg/hm2，增幅5.47%（寧夏平羅點）～30.63%（吉林洮北點），平均增幅達14.82%；與CK 相比，6 個點差異均顯著。高用量與低用量相比，3 個點差異不顯著，3 個點差異顯著，平均增產3.53%。說明增加調理劑施用量可提高水稻產量。

2.3.2 不同處理對玉米產量的影響

圖2 顯示，施用調理劑的處理均比CK 增產，低用量處理增產438.0 kg/hm2，增產率4.09%，高用量處理增產724.5 kg/hm2，增產率6.77%。與CK 相比，差異顯著。高用量處理與低用量處理相比，差異不顯著。

2.3.3 不同處理對向日葵產量的影響

從圖3 可以看出，施用調理劑的處理均比CK增產，低用量處理增產184.5～336.0 kg/hm2，平均增產260.3 kg/hm2，增幅4.60%～7.82%，平均增幅達6.21%；與CK 相比，2 個點差異均顯著。高用量處理增產361.5～610.5 kg/hm2，平均增產486.0 kg/hm2，增幅9.01%～14.21%，平均增幅達11.61%；與CK 相比，2 個點差異均顯著。高用量處理與低用量處理相比，1 個點差異不顯著，1 個點差異顯著，平均增產5.07%。說明增加調理劑施用量可提高向日葵產量。

2.3.4 不同處理對蜜瓜產量的影響

從圖4 可以看出，施用調理劑的處理均比CK增產，低用量處理增產1042.5～4066.5 kg/hm2，平均增產2554.5 kg/hm2，增幅2.91%～10.04%，平均增幅達6.48%；與CK 相比，2 個點差異均顯著。高用量處理增產2506.5～4503.0 kg/hm2，平均增產3504.8 kg/hm2，增幅7.00%～11.11%，平均增幅達9.06%；與CK 相比，2 個點差異都顯著。高用量處理與低用量處理相比，2 個點差異都不顯著。

2.3.5 不同處理對甜菜產量的影響

圖5 顯示，施用調理劑的處理均比CK 增產，低用量處理增產2982.0 kg/hm2，增產率3.55%，差異顯著；高用量處理增產6507.0 kg/hm2，增產率7.75%，差異顯著。高用量處理與低用量處理相比，差異不顯著。

2.3.6 不同處理對蘋果產量及品質的影響

圖6 顯示，施用調理劑的處理均比CK 增產，低用量處理增產2715.0 kg/hm2，增產率8.89%，差異顯著；高用量處理增產3310.5 kg/hm2，增產率10.85%，差異顯著。高用量處理與低用量處理相比，差異不顯著。

另外，施用有機硅調理劑后，蘋果的外觀、品質均較CK 有較大改善。詳見表9。

表9 不同處理對蘋果品質的影響

3 討論

在田間試驗條件下，研究了有機硅土壤調理劑配施有機硅功能肥對不同類型鹽堿土壤耕層容重、水溶性鹽總量、pH 及水稻、玉米、向日葵、蜜瓜、甜菜、蘋果等作物（瓜果）生物學性狀、產量的影響。

3.1 有機硅產品對土壤耕作層容重的影響

本研究條件下，與本底值相比，土壤容重降低3.17%～28.4%（表3）。這可能是因為有機硅產品中的有機硅高分子化合物含有多個Si-O 鍵和O-H基團，O-H 基團的活潑H 在一定條件下很容易發生縮合反應，可以將硅網結構接到線性聚合物主鏈上，生成網狀結構的髙分子化合物，使有機硅分子形成多個吸附位點，依靠多點吸附包絡作用破壞土壤顆粒的動力學穩定性。活性基團將土壤中細小顆粒脫穩吸附在膠體或微粒表面，再通過有機硅高分子化合物的長鏈將凝聚脫穩微粒吸附架橋，提高有機硅使土壤團粒化的效率，促進土壤形成團聚體，顯著改善耕層土壤物理性狀，降低土壤容重。結果與王倩［27］硅酸鹽增加土壤的孔隙度，降低土壤容重的研究結果一致。另外，調理劑含有的腐植酸有機膠體與土壤中的Ca2+結合形成絮狀黏膠，能把土粒膠結起來，增加土壤水穩性團粒結構，降低土壤容重，這與顧鑫等［28］腐植酸顯著降低土壤體積質量的研究結果一致。

3.2 有機硅產品對土壤耕作層水溶性鹽總量的影響

本研究條件下，與本底值相比，耕作層水溶性鹽總量降低4.32%～80.00%（表3）。土壤板結是鹽堿土壤主要障礙性因子之一，板結土壤的毛細管較細，含鹽的地下水上升速度較快，高度也高。施用有機硅產品后，土壤容重降低，土壤疏松，孔隙度增加，耕作層團粒結構更趨合理，土壤通透性增強，毛細管結構得到改善，含鹽地下水攀升受阻，降低了耕作層次生鹽漬化程度；同時灌溉水或雨水容易下滲，帶動鹽分下移，降低耕作層鹽分濃度。另一方面，有機硅土壤調理劑中的腐植酸是一種帶負電的膠體，能夠增加土壤陽離子吸附量，提高土壤鹽分淋洗量和排鹽效率，降低鹽分含量。這與袁英等［29］、黃瑞瑞［30］研究結果一致。

3.3 有機硅產品對土壤耕作層酸堿度的影響

本研究條件下，與本底值相比，土壤pH 降低0.10～1.32 個單位（表3）。一方面，這可能是因為有機硅產品中的有機硅是兩性物質，具有超強的緩沖性，可以調節土壤pH 值，這與蔡德龍［24］研究結果一致。另一方面，調理劑含有的腐植酸是弱酸，是大分子有機兩性物質，其酸性功能團釋放出的H+可與土壤中堿性物質發生中和反應生成H2O，降低土壤堿度。腐植酸中的醛基、羧基等功能團與土壤中各種陽離子結合生成腐植酸鹽，形成腐植酸-腐植酸鹽相互轉化的緩沖系統，從而調節土壤酸堿度。這與楊湞［31］、Sarwar 等［32］研究結果一致。

3.4 有機硅產品對作物產量的影響

本研究條件下，施用有機硅土壤調理劑+有機硅功能肥，顯著提高作物（瓜果）產量。與常規施肥相比，顯著提高水稻產量2.97%～30.63%，顯著提高玉米產量4.09%～6.77%，顯著提高向日葵產量4.60%～14.21%，顯著提高蜜瓜產量2.91%～11.11%，顯著提高蘋果產量8.89%～10.85%，顯著提高甜菜產量3.55%～7.75%。其機制首先是調理劑改善了鹽堿地理化性狀，土壤鹽分、pH、容重降低，土壤水肥氣熱協調［33］，微生物代謝旺盛，為作物根系生長創造了良好的環境［34］。其次，調理劑中的硅和腐植酸促進了作物生長，產量因子得到提升。與常規施肥相比，水稻的穗粒數增加7.7%～8.14%、千粒重增加0.16%～0.76%（表4），結果與商全玉等［35］、王茂輝等［36］對硅肥的研究、胡志華等［37］對硅肥、腐植酸的研究、孫克剛等［38］對腐植酸的研究結果一致。玉米株高、莖粗、穗粒數、千粒重分別增加1.46%～3.11%、2.18%～6.55%、3.47%～4.25%、0.67%～2.51%（表6），結果與田平等［39］對硅肥的研究、郝青等［40］對腐植酸的研究結果一致。向日葵株高、莖粗、盤徑、百粒重分別增加0.69%～4.06%、12.53%、2.90%～5.55%、0.05%～3.80%（表5），這 與祁建勛等［41-42］研究結果一致。楊發文等［43］、朱從樺等［44］、黃衡亮等［45］、祁建勛等［41-42］、張亞建等［46］研究指出，硅肥促進了作物（蘋果樹）對養分的吸收，最終提高了產量。另外，有機硅還有可能通過對作物生理生化性狀的調節，提高作物耐鹽堿性和緩解水分脅迫及其他抗逆性。劉鐸等［47］報道，在鹽堿脅迫下外源硅能增加植物的葉綠素含量，改善光合作用，提高植物抗氧活性，減少活性氧的過多積累，促進植物相關滲透調節物質合成，促進植物礦質營養元素平衡，從而達到提高植物耐鹽堿性的目的。林少雯等［48］研究表明，在同一水分處理條件下隨著施用硅素的增加，玉米株高、葉面積、莖粗、根系長度、根系活力、葉綠素含量均有不同程度的增加，而丙二醛含量以及脯氨酸含量有不同程度的減小，表明施用硅素可以緩解玉米水分脅迫的逆境。龔金龍等［49］報道，硅通過物理途徑或生理生化途徑增強水稻對重金屬、鹽漬、干旱、紫外線、高溫、倒伏等非生物脅迫以及病蟲生物脅迫的抵抗力。

4 結論

有機硅產品可改善鹽堿土壤理化性狀，降低土壤容重、水溶性鹽分、pH，促進作物生長，改善作物生物學性狀，提高產量，是一項治理鹽堿土壤的新技術。