組合添加物對吉林西部蘇打鹽堿土改良效果的試驗研究

毛 碩，高金花，章曉暉

（1.長春工程學院水利與環境工程學院，長春130012；2.吉林省水工程安全與災害防治工程實驗室，長春130012）

0 引 言

吉林西部是我國鹽堿土面積最大的地區，鹽堿土面積約342 萬hm2，其鹽漬土類型主要為蘇打鹽堿土，土壤鹽分以Na2CO3和NaHCO3為主[1,2]。吉林西部作為我國糧食的主產區，隨著土壤鹽堿化趨勢越來越嚴重，嚴重制約了松嫩平原的農業生產。因此，改良鹽漬土、改善吉林省西部鹽堿土農業環境，是亟待解決的問題[3-8]。

為了改變土壤的理化性質，使用化學改良劑來改良鹽漬土由來已久[9-12]。國內外學者圍繞改變土壤的理化性質做了添加不同改良劑的一系列研究。有研究表明磷石膏呈酸性，能夠有效置換出鹽堿土中的Na+，提高土壤結構的穩定性和滲透性[13,14]。同時還可以降低土壤pH 和鈉吸附比，提高土壤中有機質含量，促進植物生長[15-18]。生物炭的微孔結構豐富，可以提高土壤孔隙度，增大陽離子交換量，從而降低pH 和含鹽量[19-21]。蚯蚓糞富含微生物、生物活性物質等[22]，在施入鹽堿土壤后可以限制Na+進入土壤團聚體，增加土壤肥力[23-25]。

國內外研究中針對磷石膏、生物炭和蚯蚓糞進行一種或兩種添加物改良實驗較多，本研究選用此3種材料混摻作為添加物，對吉林西部蘇打鹽堿土進行改良實驗，分析在不同摻量下的組合添加物對吉林西部蘇打鹽堿土改良效果的影響，并通過綜合評價方法，選擇出最優的改良方案，為改良吉林西部蘇打鹽漬土提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

吉林西部位于松嫩平原的西南部，四季溫度變化差異大，年平均氣溫在4.9 ℃，年均降水量350～500 mm，主要集中在6-8月，年均蒸發量1 500～1 900 mm，年均蒸發量與降水量的比值約為3.4～4.9，是典型的鹽堿土形成的氣候特征帶。本試驗用土取自吉林省松原市乾安縣所字鎮圖字村東北方向2.7 km處圖字泡（E123°49′11.49″，N44°44′2.84″）的湖漫灘地，取土點地理位置見圖1。

1.2 供試材料

1.2.1 供試土壤

供試土壤質地為砂質壤土，含鹽量8.16 g/kg，風干含水率2%，其他基本理化性質見表1。

1.2.2 供試改良物質

供試磷石膏：磷石膏廢渣由湖北宜化肥業有限公司磷肥廠提供，其中主要成分SO3（39.22%）、CaO（29.8%）。

供試生物炭：生物質炭產自南京智融聯科技有限公司，pH值為8.45，有機碳含量59.8%。

供試蚯蚓糞肥：蚯蚓糞是由奶牛養殖場的牛糞喂養蚯蚓，經過蚯蚓生物體的分解，多次過篩滅菌處理制成的，pH 值為6.51，腐殖酸含量16.3%，有機質含量46.81%。

1.3 試驗設計與方法

1.3.1 試驗設計

試驗采用3 因素3 水平9 個處理（L33）的正交試驗設計，每個處理3次重復，各組改良劑的用量均為相對于土樣的百分比，組合方式如表2所示（試驗蚯蚓糞摻量參考盧垟杰等人的研究結果[26]）。

表2 試驗方案Tab.2 Test plan

采集后的土壤經風干后，進行盆栽試驗，用盆規格為直徑10 cm，上口徑18 cm，高12 cm，土壤過2 mm 篩子，每盆裝入1.5 kg供試土壤，并與各組改良劑均勻混合裝入盆中，每隔3 d進行澆水處理，濕潤土壤。自裝盆之日起，試驗持續60d，分別于間隔3、5、10、25、60 d 采集土壤樣品，用于土壤理化性質和養分指標的分析。

1.3.2 測定指標與方法

試驗土壤指標測定主要包括土壤pH 值、電導率（EC）、陽離子交換量（CEC）、交換性鈉離子、堿化度（ESP）、鈉吸附比（SAR）。各指標的測定參照《土壤農化分析》，具體方法見表3。

表3 土壤理化性質指標的測定方法Tab.3 Determination methods of soil physical and chemical properties

1.3.3 數據處理與統計分析

試驗數據采用Excel2016 進行統計和數據處理，通過SPSSv22.0 進行數據處理，并對數據利用主成分分析法進行效果評估，采用Origin2018進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 組合改良劑對部分土壤指標的影響

2.1.1 組合改良劑對土壤pH值的影響

3 種因素不同水平改良60 d 后土壤pH 的結果不同（見圖2），其中A、B、C 分別表示因素磷石膏、生物炭和蚯蚓糞的不同水平，即圖中9 個柱形依次表示磷石膏的4%、6%、8%水平，生物炭的2%、4%、6%水平，蚯蚓糞的5%、10%、15%水平（下同）。與CK 組的pH 值9.81 相比，經過不同水平的磷石膏和不同水平的蚯蚓糞處理的土壤pH 顯著降低，磷石膏的3個水平分別降低了2.30、2.37、2.52個單位，蚯蚓糞的3個水平分別降低了2.32、2.41、2.46 個單位，說明磷石膏的施用和蚯蚓糞的施用均能夠有效降低土壤的pH 值。隨著磷石膏和蚯蚓糞用量的逐漸增加，土壤pH 越低，且各水平間差異顯著，所以A3和C3分別為磷石膏和蚯蚓糞的最優水平。在生物炭改良劑因素中，分別比原土組降低了2.40、2.38、2.41 個單位，各水平的土壤pH 不存在顯著性差異。3 個因素對土壤pH值的改良作用大小依次為磷石膏＞蚯蚓糞＞生物炭。

圖2 不同因素水平下的土壤pH值Fig.2 Soil pH under different factor levels

2.1.2 組合改良劑對土壤交換性鈉離子的影響

3種因素不同水平改良60 d后土壤交換性鈉離子含量的結果不同（見圖3），各組交換性鈉離子含量較原土對照組的5.97 cmol/kg 含量相比均顯著降低。由離差平方和可知，磷石膏改良劑因素對土壤交換性鈉離子的影響最大，分別降低了45.23%、47.57%和48.74%，各組之間差異達到極顯著水平。生物質炭改良劑因素對土壤交換性鈉離子影響次之，各組之間差異達到顯著水平。隨著磷石膏和生物炭施用量的增加，土壤交換性鈉離子逐漸減少，所以A3和B3為磷石膏因素和生物質炭因素的最優水平，分別降低了47.40%和48.74%。蚯蚓糞對交換性鈉離子無顯著影響。在蚯蚓糞改良劑因素中，各水平的土壤交換性鈉離子不存在顯著性差異，分別比原土組降低了47.24%、47.40%、46.90%。3 個因素對土壤交換性鈉離子含量的改良作用大小依次為磷石膏＞生物炭＞蚯蚓糞。

圖3 不同因素水平下的土壤交換性鈉離子含量Fig.3 Soil exchangeable sodium ion content under different factor levels

2.1.3 組合改良劑對土壤堿化度的影響

3種因素不同水平改良60 d后土壤堿化度的結果不同（見圖4），各組土壤堿化度較原土對照組均顯著降低。由離差平方和可知，磷石膏改良劑因素對土壤堿化度的影響最大，分別降低了41.89、43.73、44.69 個百分點，各組之間差異明顯。生物質炭改良劑因素對土壤堿化度影響次之，各組之間差異達到顯著水平。隨著磷石膏和生物炭施用量的增加，土壤堿化度逐漸減少，所以A3和B3為磷石膏因素和生物質炭因素的最優水平。在蚯蚓糞改良劑因素中，各水平的土壤堿化度不存在顯著性差異。3個因素對土壤堿化度的改良作用大小依次為磷石膏＞生物炭＞蚯蚓糞。

圖4 不同因素水平下的土壤堿化度Fig.4 Soil alkalinity under different factor levels

2.1.4 組合改良劑對土壤鈉吸附比的影響

3 種因素不同水平改良60 d 后土壤鈉吸附比的結果不同（見圖5），與CK 組相比，經過不同水平的磷石膏和不同水平的生物炭處理的土壤的鈉吸附比顯著降低，分別降低了51.91%、54.17%、58.40%和53.51%、54.91%、56.06%，說明磷石膏的施用和生物炭的施用均能夠有效降低土壤的鈉吸附比。隨著磷石膏和生物炭用量的逐漸增加，土壤鈉吸附比越低，且各水平間差異顯著，所以A3和B3分別為磷石膏和生物炭的最優水平。蚯蚓糞中富含微生物，能夠改善土壤結構，降低交換性鈉離子含量，從而間接降低土壤的鈉吸附比。在蚯蚓糞改良劑因素中，分別比原土組減低了55.26%、54.84%、54.39%，各水平的土壤鈉吸附比不存在顯著性差異。3個因素對土壤鈉吸附比的改良作用大小依次為磷石膏＞生物炭＞蚯蚓糞。

圖5 不同因素水平下的土壤鈉吸附比Fig.5 Soil sodium adsorption ratio under different factor levels

2.2 組合添加劑對鹽堿土改良效果的綜合評價

2.2.1 各試驗指標的相關性分析

經各組改良處理的鹽堿土的各項指標發生了很大變化，60 d各試驗指標測定結果見表4，對各項試驗指標利用Pearson相關進行相關性分析見表5[27]。

表4 60天后各試驗指標測定結果Table 4 Test results of each test index after 60 days

表5 各指標相關性分析Tab.5 Correlation analysis of various indicators

土壤pH 值與土壤電導率呈極顯著負相關，與陽離子交換量呈顯著負相關，與堿化度和鈉吸附比呈顯著正相關，與交換性鈉相關性不顯著。土壤電導率與鈉吸附比呈極顯著負相關，而與其他指標相關性不顯著。陽離子交換量與堿化度呈極顯著負相關，與交換性鈉、鈉吸附比呈顯著負相關。交換性鈉與堿化度、鈉吸附比呈極顯著正相關。堿化度與鈉吸附比呈極顯著正相關。有機質與其他測定指標相關性不顯著。

2.2.2 主成分分析提取

通過利用SPSS 軟件進行主成分分析提取，結果見表6。并利用SPSS軟件進行Bartlett球形檢驗，得出KMO值為0.782＞0.7，可以進行因子分析。根據主成分特征值＞1 的原則，提取出了2個主成分。第一主成分和第二主成分方差貢獻率分別為71.637%和17.619%，兩個主成分的累計方差貢獻率達到了89.255%＞85%。因此，可以利用這兩種主成分對土壤改良效果進行評價。

表6 主成分分析提取結果Tab.6 Principal component analysis extraction results

由表7 可知，土壤pH、交換性鈉、堿化度和鈉吸附比這些指標在第一主成分上的荷載較大，因此，第一主成分代表了這些指標。土壤的電導率、陽離子交換量和有機質在第二主成分上的荷載較大，所以，第二主成分代表了3個指標。

表7 各指標的主成分矩陣Tab.7 Principal component matrix of each index

2.2.3 計算主成分評分及綜合得分

根據各主成分系數矩陣分析，得到和主成分評分的函數表達式，分別為：

將土壤指標數據進行Z標準化后代入上述表達式中，得到各主成分得分情況。再根據各主成分的方差貢獻率，利用計算公式（1），算出各組處理的綜合得分，得分結果見表8。通過各處理中兩個主成分得分及綜合得分的比較，得出9 號A3B3C2組合添加劑摻量為最優組合。

表8 各處理綜合得分Tab.8 Comprehensive scores of each treatment

式中：ai表示第i個主成分的方差貢獻率（i=1，2）；Yi表示第i個主成分的得分。

3 討 論

磷石膏、生物炭和蚯蚓糞的組合添加物的不同摻量均能對吉林西部鹽堿土的一些指標進行改良，具有一定的改良效果。隨著試驗的進行，60 d時各試驗指標變化趨勢穩定。磷石膏本身呈酸性，含有游離的磷酸，可以顯著降低鹽堿土的pH值，除此之外，磷石膏中的鈣離子可與鹽堿土中的碳酸根、碳酸氫根發生化學反應，也可以降低土壤pH 值。磷石膏中的硫酸鈣能有效置換鹽堿土中交換性鈉，降低土壤中交換性鈉離子含量，這與陳健[15-18]等研究結果一致。蚯蚓糞中含有大量微生物，可以顯著改善土壤化學性質，提高土壤陽離子交換量，能夠對鹽堿土壤進行有效改善。這與王慶蒙[24]等研究結果一致。生物炭含有大量的灰分，水溶液呈堿性，會使土壤pH值略微上升，但隨著試驗的進行，生物炭的水解效應小于本身對土壤的緩沖效應，能夠使土壤pH 值、含鹽量均有小幅下降，土壤陽離子交換量增大，一定程度上改善了鹽土環境，這與黃成真[19-21]等研究結果一致。本研究通過組合添加物的改良，測量一些土壤的化學指標，并對改良效果利用評價函數進行綜合評價分析，進行量化，從而確定出最優組合，同時發現組合添加物可以有效改良吉林西部鹽堿土，提高土地資源利用率。

4 結 論

（1）隨著磷石膏和蚯蚓糞施用量的增加，土壤pH 值不斷減少，3個因素對土壤pH 值的改良作用大小依次為磷石膏＞蚯蚓糞＞生物炭。

（2）隨著磷石膏和生物炭施用量的增加，土壤交換性鈉離子含量、土壤堿化度和土壤鈉吸附比顯著減少，3個因素對土壤交換性鈉離子含量、土壤堿化度和土壤鈉吸附比的改良作用大小依次為磷石膏＞生物炭＞蚯蚓糞。

（3）通過主成分分析對吉林西部蘇打鹽堿土的改良效果的綜合評價可知，第八組和第九組的改良效果較好，改良效果最優的是9 號A3B3C2 組合，改良劑組合為8%磷石膏，6%玉米秸稈生物質炭，10%蚯蚓糞。

綜上可知，土壤pH、交換性鈉離子、堿化度和鈉吸附比均顯著降低，改良效果顯著。其中，經過數據的綜合評價計算，改良效果最優的為9號A3B3C2組合，各添加物的組合為：8%磷石膏，6%玉米秸稈生物質炭，10%蚯蚓糞。