不同改良劑對(duì)東營(yíng)鹽堿地改良效果研究

張志美 袁 夢(mèng) 李 燊 紀(jì)瑤瑤 喬英云 田原宇

中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院 青島 266580

全球鹽堿地面積已超過9.55×108hm2[1]，約占陸地總面積的10%[2]，并以年1.0×106～1.5×106hm2的速度增加[3～5]。原農(nóng)業(yè)部全國(guó)第二次土壤普查結(jié)果表明，我國(guó)鹽堿地面積約3.46×107hm2，占全國(guó)可利用土地總面積的4.88%。研究表明，近1.00×107hm2鹽堿地具有潛在開發(fā)利用價(jià)值[6]。因此，對(duì)鹽堿地進(jìn)行改良利用具有重大意義。

東營(yíng)市位于山東省北部，地處東經(jīng)118°07′～119°10′，北緯36°55′～38°10′，屬暖溫帶季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春季干旱少雨，秋季雨水少[7]，極易造成土壤鹽分積累，形成鹽堿地。由于受到海水的長(zhǎng)期浸漬，地下水位升高，在強(qiáng)烈的地表蒸發(fā)作用下，海水隨毛細(xì)管上升后水分蒸發(fā)，鹽分留在地表形成鹽堿地。同時(shí)，黃河每年會(huì)沖擊出新的淤土形成新的鹽堿地。目前，東營(yíng)市主要采用灌溉洗鹽、引洪放淤、“上農(nóng)下漁”、暗管排鹽、種植水稻、增施有機(jī)肥料、平整土地、深耕深翻、種植耐鹽堿牧草和樹木等措施改良鹽堿地[8，9]。由于這些方法大部分需要利用水利措施，耗水量大且沒有從根本上解決土壤鹽堿化的問題，因此尋找操作簡(jiǎn)單、節(jié)約水資源、改良效果穩(wěn)定的改良方式顯得尤為重要。

使用腐植酸、紅石膏和粉煤灰等化學(xué)改良劑改良鹽堿地的研究已有很多，但大多數(shù)研究都以土壤pH、孔隙度、電導(dǎo)率、全鹽量和土壤所含營(yíng)養(yǎng)元素等為研究重點(diǎn)，未對(duì)鹽堿土壤形成的最關(guān)鍵因素（土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)過細(xì)所形成的毛細(xì)現(xiàn)象）進(jìn)行深入研究。因此，本試驗(yàn)利用褐煤發(fā)電產(chǎn)生的廢棄物粉煤灰、鈦白粉生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物紅石膏、廢棄秸稈熱解產(chǎn)生的液體腐植酸和粉狀腐植酸為改良劑改良東營(yíng)鹽堿地，以增大土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、減弱毛細(xì)現(xiàn)象為研究重點(diǎn)，比較4種改良劑對(duì)鹽堿地的改良效果，以期為東營(yíng)鹽堿地改良選擇合適的改良劑，實(shí)現(xiàn)“以廢治廢”、從源頭上治理鹽堿地的目的。

1 材料及方法

1.1 材料

試驗(yàn)使用的鹽堿土壤取自山東省東營(yíng)市墾利區(qū)永安鎮(zhèn)鹽堿地。液體腐植酸取自山東聊城年產(chǎn)20000 t生物質(zhì)自混合下行循環(huán)流化床毫秒熱解工業(yè)裝置生產(chǎn)的生物質(zhì)熱解液體，是廢棄的秸稈在常壓中等溫度（約500 ℃）、較高的升溫速率103～104℃/s、蒸汽停留時(shí)間1 s以內(nèi)快速熱解產(chǎn)生的。粉煤灰從錫林格勒華能發(fā)電廠購(gòu)買，紅石膏從濟(jì)南裕興化工廠購(gòu)買。粉狀腐植酸是液體腐植酸減壓蒸餾后產(chǎn)生的含棕黑腐植酸較多的腐植酸。

試驗(yàn)主要儀器見表1，液體腐植酸和粉狀腐植酸的成分分析見表2。紅石膏粒徑＜100 μm，pH 8.26，有機(jī)質(zhì)0.12%，容重0.6020 g/cm3，全鹽量13.12 g/kg。粉煤灰粒徑＜100 μm，pH 10.48，有機(jī)質(zhì)0.01%，C 0.41%，H 0.54%，N 0%，S 1.24%，全鹽量1.82 g/kg。鹽堿土壤中粒徑大于0.25 mm的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例為11.27%，毛細(xì)管水上升高度為52.5 cm，有機(jī)質(zhì)1.39%，全鹽量3.65 g/kg，pH 7.77，出苗率0，為重度鹽堿土壤。

表1 主要儀器Tab.1 Main instruments

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用簡(jiǎn)單混合攪拌的方式，將液體腐植酸和粉狀腐植酸分別按1%（99 g鹽堿土壤，1 g液體腐植酸/粉狀腐植酸溶于18 g水中）、2%、3%、4%和5%的比例（占總質(zhì)量的質(zhì)量比）添加到鹽堿土壤中并攪拌混合均勻，在室溫下老化7天，待鹽堿土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后測(cè)定其理化性質(zhì)。使用紅石膏和粉煤灰改良鹽堿土壤時(shí)，將紅石膏和粉煤灰分別按5%（95 g鹽堿土壤與5 g紅石膏/粉煤灰混合均勻后，加18 g水?dāng)嚢瑁?0%、15%和20%的比例添加到鹽堿土壤中并攪拌混合均勻，在室溫下老化7天，待鹽堿土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后測(cè)定其理化性質(zhì)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

試驗(yàn)按照等量、隨機(jī)和多點(diǎn)混合的原則對(duì)鹽堿土壤進(jìn)行取樣，土壤理化性質(zhì)的測(cè)定方法如表3所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH

pH是鹽堿土壤堿化度的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[10]，由圖1（a）可知，液體腐植酸和粉狀腐植酸均能降低鹽堿土壤pH，使土壤pH分別降至7.31～7.60和7.66～7.73，這是由于腐植酸中含有羧基、酚羥基和醇羥基等酸性官能團(tuán)[11]，導(dǎo)致腐植酸呈弱酸性。用腐植酸改良鹽堿土壤時(shí)，腐植酸中的酸性官能團(tuán)釋放出的H+與鹽堿土壤中的OH-結(jié)合生成H2O，降低了鹽堿土壤pH；同時(shí)腐植酸是一種弱酸，能與土壤中的陽(yáng)離子結(jié)合生成腐植酸鹽，形成腐植酸-腐植酸鹽相互轉(zhuǎn)化的緩沖系統(tǒng)，從而很好地調(diào)節(jié)土壤酸堿度[12]。

由圖1（b）可知，隨紅石膏加入比例增加，鹽堿土壤pH緩慢升高，但改良的鹽堿土壤pH小于8.5，不會(huì)造成堿害[13]；隨粉煤灰加入比例增加，鹽堿土壤pH上升顯著，加入10%、15%和20%粉煤灰時(shí)，鹽堿土壤pH分別為9.01、9.48和9.53，而土壤pH大于9時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響作物正常生長(zhǎng)發(fā)育，甚至導(dǎo)致作物死亡[14]。因此，在利用粉煤灰改良鹽堿土壤時(shí)，要注意粉煤灰用量不能太高，同時(shí)可以考慮將粉煤灰與酸性改良劑復(fù)配改良鹽堿土壤，以減輕粉煤灰引起的堿害。

圖1 加入不同改良劑對(duì)鹽堿土壤pH的影響Fig.1 Effects of adding different amendments on the pH of saline-alkali soil

2.2 土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)

土壤中粒徑大于0.25 mm的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例對(duì)土壤質(zhì)量有重要影響，當(dāng)其比例大于40%時(shí)，毛細(xì)現(xiàn)象被抑制，可有效地降低土壤鹽堿化[15～17]。

由圖2可知，隨改良劑加入量的增加，鹽堿土壤中粒徑大于0.25 mm的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例整體增加較大，液體腐植酸、粉狀腐植酸改良的鹽堿土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例由11.27%分別增至20.24%～63.98%和14.16%～28.77%，這是因?yàn)楦菜岱肿又械暮跛嵝怨倌軋F(tuán)，包括芳香族和脂肪族結(jié)構(gòu)上的羧基、醇羥基和酚羥基等，具有很強(qiáng)的離子交換能力，能以離子鍵和共價(jià)鍵的形式與Fe2+和Cd2+等金屬離子形成絡(luò)合物或螯合物，導(dǎo)致土壤中的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例增加[18]；此外，腐植酸可作為土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成的黏結(jié)劑，提高土壤有機(jī)-無機(jī)復(fù)合度，增加土壤中大粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量[19]。由圖2（c）和（d）可知，紅石膏和粉煤灰改良的鹽堿土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例分別增至11.74%～16.68%和15.24%～28.04%。改良效果最好的是液體腐植酸。

圖2 加入不同改良劑對(duì)鹽堿土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響Fig.2 Effects of adding different amendments on water-stable macroaggregates of saline-alkali soil

2.3 土壤毛細(xì)現(xiàn)象

由圖3（a）可知，液體腐植酸改良的鹽堿土壤毛細(xì)現(xiàn)象由52.5 cm降至5.8～10.7 cm，降低了79.62%～88.95%；同理，由圖3（b）（c）（d）可知，粉狀腐植酸、紅石膏、粉煤灰改良的鹽堿土壤毛細(xì)現(xiàn)象分別降低了76.95%～84.38%、52.38%～63.24%、40.38%～52.19%。這是因?yàn)?種改良劑對(duì)鹽堿土壤都有團(tuán)聚作用，提高了鹽堿土壤中水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例，有助于減小土壤顆粒過細(xì)形成的毛細(xì)現(xiàn)象，減輕土壤板結(jié)和鹽堿化程度。

圖3 不同改良劑改良的鹽堿土壤毛細(xì)現(xiàn)象Fig.3 The capillary phenomenon of saline-alkali soil improved by different amendments

2.4 土壤有機(jī)質(zhì)和全鹽量

土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤質(zhì)量一般呈正相關(guān)關(guān)系[20]，土壤鹽分含量是判斷土壤是否鹽堿化的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

由表4可知，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨液體腐植酸和粉狀腐植酸加入比例增加不斷增大，較原鹽堿土壤分別增加21.02%～68.34%和21.91%～51.57%。另外，由于腐植酸對(duì)鹽堿離子具有螯合、吸附和離子交換作用，能促進(jìn)土壤顆粒形成大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，降低細(xì)顆粒土壤毛細(xì)現(xiàn)象，減少水分蒸發(fā)攜帶到土壤表面的鹽分[19]。同時(shí)，因?yàn)楦菜崮z體帶負(fù)電，改良土壤后能增加土壤對(duì)陽(yáng)離子的吸附性，起到吸鹽、阻隔鹽分的作用[12]，因此，腐植酸能顯著降低鹽堿土壤中的全鹽量，液體腐植酸和粉狀腐植酸使其分別較原土減小29.86%～70.96%和1.37%～20.82%。

紅石膏和粉煤灰中的有機(jī)質(zhì)含量很低，加入到鹽堿土壤中通過稀釋效應(yīng)會(huì)使土壤更加貧瘠，出現(xiàn)如表4所示的鹽堿土壤有機(jī)質(zhì)含量降低的現(xiàn)象。同時(shí)，因?yàn)榧t石膏中含有的大量Ca2+能代換出鹽堿土壤中的Na+，使土壤中的可溶性鹽分更容易被浸提到溶液中，導(dǎo)致改良的鹽堿土壤全鹽量增加，而全鹽量增加易造成農(nóng)作物脫水死亡，還需通過淋洗方式將置換出的Na+排出[21]。

表4 不同改良劑改良的鹽堿土壤中的有機(jī)質(zhì)和全鹽量Tab.4 Organic matter and total salt content of saline-alkali soil improved by different amendments

3 結(jié)論與討論

（1）試驗(yàn)所用4種改良劑均可增大鹽堿土壤

團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，減小毛細(xì)現(xiàn)象，達(dá)到改良鹽堿地的效果，但紅石膏和粉煤灰對(duì)鹽堿土壤的改良效果不及腐植酸。（2）紅石膏和粉煤灰呈堿性，過量施用易造成堿害，應(yīng)控制其用量或與酸性改良劑復(fù)配施用。（3）紅石膏和粉煤灰改良的鹽堿土壤有機(jī)質(zhì)含量低，可與有機(jī)質(zhì)含量豐富的改良劑復(fù)配施用。（4）腐植酸可以中和鹽堿土壤pH，黏結(jié)土壤顆粒，增加水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例，減小毛細(xì)現(xiàn)象，增加土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，是從源頭上治理鹽堿地最有效的方法。（5）綜合分析鹽堿土壤理化性質(zhì)的變化情況，液體腐植酸的改良效果最佳。

加入1%液體腐植酸/粉狀腐植酸就已經(jīng)達(dá)到了很好的改良效果，為降低經(jīng)濟(jì)成本，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)研究更低含量的腐植酸對(duì)鹽堿土壤的改良效果。另外，改良后的鹽堿土壤養(yǎng)分、盆栽試驗(yàn)和田間種植試驗(yàn)還有待進(jìn)一步研究；腐植酸復(fù)配紅石膏/粉煤灰改良鹽堿土壤也有待后續(xù)進(jìn)一步研究。