玉米秸稈和Al2（SO4）3對蘇打鹽堿土 主要鹽堿化指標的影響

王 楠，張 鑫，劉金華，臧金宇，趙興敏，王鴻斌，趙蘭坡

[吉林農業大學資源與環境學院，農業農村部鹽堿土改良與利用（東北內陸鹽堿地） 重點實驗室，吉林 長春 130118］

我國松嫩平原鹽堿地面積約為500萬hm2，而吉林省西部鹽堿土總面積約為173萬hm2，占松嫩平原總面積的34%[1］，是世界三大鹽堿地集中區之一。在農業生產中，鹽堿化土壤是低產土壤。吉林省西部水田面積占耕地面積的21.9%，受鹽堿地影響，單產僅為3000 kg/hm2[2］，其余大部分則是低產低效的旱田[3］。但鹽堿地分布區大多地勢平坦、土層深厚并且便于灌溉。因此，鹽堿土又是一種開發利用潛力巨大的土地資源。鹽堿土具有可溶性鹽含量和pH值高等特點，導致土壤肥力弱，糧食產量普遍較低[4］。在土壤眾多理化指標中，土壤堿化度是一個重要的土壤性質，影響土壤養分的有效性[5］。鹽堿土區土壤pH值、可溶性鹽含量和堿化度能夠體現出蘇打鹽堿土改良的效果[6］，探明以上指標的變化對于綜合評價鹽堿化的改良效果具有重要意義。

近年來，鹽堿土改良利用成為人們研究的熱點，許多學者采用物理、化學、生物等[7-9］方法對鹽堿土進行改良，并取得了一定的成效。本課題組一直致力于蘇打鹽堿土的改良利用，并且在Al2（SO4）3作為化學改良劑改良蘇打鹽堿土方面已取得了諸多研究成果。研究發現，蘇打鹽堿土加入Al2（SO4）3后，可明顯降低土壤的pH值，并且隨著Al2（SO4）3加入次數的增加，pH值逐漸降低[10］。鹽堿土中加入Al2（SO4）3后，溶解態Na+增多[11］。馬玉濤 等[12］通過田間試驗研究施用Al2（SO4）3對新開墾蘇打鹽堿水田的快速改良和培肥效果時發現，施用Al2（SO4）3后土壤堿化度顯著降低。王宇等[13］研究表明，Al2（SO4）3加入鹽堿土后，土壤pH值降低、陽離子交換量呈顯著遞增趨勢，堿化度明顯降低，表明土壤結構得到了良好改善。在土壤鹽堿化程度得以降低的基礎上，進一步增加有機質含量，提高鹽堿土肥力，是實現糧食增產的又一重要舉措。目前，提高鹽堿土有機質含量切實可行的方法就是秸稈還田[14］。秸稈還田既能改善土壤的理化性質[15］，又可以為土壤提供養分[16-17］，是一種有效的鹽堿土改良方法。秸稈還田對表層土壤pH值的影響較大，且隨著還田年限的延長，土壤pH值表現出一定的下降趨勢[18］，同時，秸稈還田增加了土壤中的陽離子交換量，進而使土壤的堿化度降低，明顯改良了鹽堿化土壤[19］。

目前，關于Al2（SO4）3、秸稈單一使用對鹽堿土的改良已經開展了一些研究[12，16-18］，但關于二者同時使用對蘇打鹽堿土的改良效果及機制尚不清楚。因此，本文以吉林省西部蘇打鹽堿土為供試土壤，研究玉米秸稈和Al2（SO4）3對蘇打鹽堿土pH值、可溶性鹽含量和陽離子交換量的復合作用效果，并進一步揭示蘇打鹽堿土鹽分和堿化度的變化，為蘇打鹽堿土高效改良及合理施用提供理論 依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試硫酸鋁為工業Al2（SO4）3。

供試玉米秸稈取自吉林農業大學試驗田，田間自然風干后再放入25oC烘干箱中烘干，取出雜物，粉碎并過1 mm篩，此秸稈的有機碳含量為486.14 g/kg。

供試蘇打鹽堿土采自吉林省大安市安廣鎮樂勝鄉（45.56° N，123.78° E），采用對角線布點法，共布置36個采樣點，每個采樣點采樣深度為0～20 cm，樣品采集后混合均勻，用四分法獲取4 kg。樣品帶回實驗室后，自然風干，研磨過2 mm篩備 用[20］，蘇打鹽堿土的主要化學指標如表1所示。

表1 蘇打鹽堿土的主要化學指標

1.2 室內模擬試驗

試驗中玉米秸稈和Al2（SO4）3分別設置4個和6個用量水平，共計24個處理，具體情況見 表2。依據表2中各處理的設置情況，向500 g蘇打鹽堿土中分別加入一定量的玉米秸稈和Al2（SO4）3， 并與土壤充分混勻后，向其中加入蒸餾水至土壤含水率為15%。將培養盒置于25℃恒溫培養箱中，共計培養300 d。期間保持恒定含水量。培養結束后，將土壤樣品風干，進行鹽堿化指標的分析 測試。

表2 培養試驗設計（%）

1.3 土壤基本理化性質的測定方法

供試蘇打鹽堿土pH值采用電位法（水土比為5∶1）測定[21］；Ca2+、Mg2+采用EDTA絡合滴定 法[21］測 定；Na+、K+采 用 火 焰 光 度 法 測 定[21］，CO32-、HCO3-采用雙指示劑中和滴定法測定[22］；陽離子交換量（CEC）采用乙酸鈉-火焰光度法測 定[21］；交換性鈉采用NH4OAc-NH4OH火焰光度法測定[21］。

土壤堿化度（ESP）是指土壤膠體吸附的交換性Na+占陽離子交換量的百分率。

堿化度（%）=交換性鈉含量（Na+cmol/kg）/陽離子交換量（cmol/kg）×100

1.4 數據處理

本試驗采用Origin 2018進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 玉米秸稈和Al2（SO4）3施入蘇打鹽堿土后pH值的變化

圖1為添加玉米秸稈和Al2（SO4）3對蘇打鹽堿土pH值的影響。整體而言，隨著Al2（SO4）3加入量的增加，蘇打鹽堿土pH值明顯降低；而秸稈的引入，也略微促進了pH值的降低。當Al2（SO4）3加入量≤0.8%時，蘇打鹽堿土的pH值隨 Al2（SO4）3加入量增加表現為急劇下降的趨勢，下降幅度為1.330～1.935個單位。在Al2（SO4）3加入量為0.8%～2.0%時，蘇打鹽堿土pH值基本呈緩慢下降的趨勢，降幅為0.090～0.285個單位。在未添加玉米秸稈時，Al2（SO4）3加入量越大，蘇打鹽堿土pH值降低越多。與A0S0相比，在A0.4～2.0S0這些處理中，蘇打鹽堿土的pH值下降幅度為1.36～2.08個單位。在Al2（SO4）3加入量相同時，蘇打鹽堿土pH值隨玉米秸稈添加量增加而緩慢降低。如當Al2（SO4）3加入量為0.8%時，A0.8S0、A0.8S5、A0.8S10和A0.8S15各處理的蘇打鹽堿土pH值分別降低了0.29、0.18和0.24個單位。

圖1 玉米秸稈和Al2（SO4）3對蘇打鹽堿土pH值的影響

2.2 玉米秸稈和Al2（SO4）3施入蘇打鹽堿土后可溶性鹽的變化

圖2為 玉 米 秸 稈 和Al2（SO4）3對 蘇 打 鹽堿土可溶性鹽含量的影響。如圖2所示，玉米秸稈和Al2（SO4）3的施入增加了蘇打鹽堿土的陽離子含量。隨著Al2（SO4）3和玉米秸稈用量的增加，K+含量均呈上升趨勢。在Al2（SO4）3的協同作用下，隨玉米秸稈添加量的增加，K+含量有所提高，在A2.0S5、A2.0S10和A2.0S15處理中，K+含量與A2.0S0相比分別增加了18.3%、43.3%和188%。另一方面，在玉米秸稈添加量相同時，K+含量隨Al2（SO4）3加入量的增加而升高，在A0.4～2.0S15這些處理中，與A0S15相比，蘇打鹽堿土中K+含量增加了25.4%～158.0%。當玉米秸稈添加量相同時，隨Al2（SO4）3加入量的增加，Na+含量呈現比較明顯的上升趨勢。與對照相比，Na+含量在A0.4～2.0S15這些處理中比在A0S15處理中提升了20.4%～68.6%。在Al2（SO4）3加入量相同時，玉米秸稈添加量越多，Na+含量升高得越快。在A2.0S5、A2.0S10和A2.0S15處理中，蘇打鹽堿土中Na+含量比A2.0S0處理分別高出了3.21%、4.44%和 7.10%。

圖2 玉米秸稈和Al2（SO4）3對蘇打鹽堿土可溶性鹽含量的影響

Ca2+和Mg2+含量隨著Al2（SO4）3加入量的增加而升高。在Al2（SO4）3加入量相同時，隨著玉米秸稈添加量增加，Ca2+、Mg2+含量均呈上升趨勢。A2.0S15處理的蘇打鹽堿土Ca2+含量最高。與A0S0處理相比，蘇打鹽堿土中Ca2+含量在A2.0S15、A2.0S0和A0S15處理中分別增加了16、6和1倍。由此可知，A2.0S15與A0S0之間的增量遠大于A2.0S0、A0S15兩者與A0S0的增量的和。而在A0.4S15～A2.0S15這段區域，Mg2+含量呈現明顯的上升趨勢，并在A2.0S15處理出現最大值。相同情況下，蘇打鹽堿土中Mg2+含量在A2.0S15、A2.0S0和A0S15處理中分別比A0S0高出了566%、415%和41.5%，A2.0S15與A0S0之間的增量大于A2.0S0、A0S15兩者與A0S0的增量的和。以上說明在蘇打鹽堿土中添加玉米秸稈和Al2（SO4）3， 對于增強Ca2+和Mg2+含量有明顯的促進作用。

添加玉米秸稈和Al2（SO4）3降低了蘇打鹽堿土中CO32-和HCO3-的含量。CO32-被Al2（SO4）3水解產生的H+所中和，從而導致CO32-含量降低，因此在土壤pH值相對較低的A1.2～2.0S0、A0.8～2.0S5、 A0.4～2.0S10以及A0～2.0S15處理中，CO32-均未檢出。在未添加Al2（SO4）3的條件下，CO32-含量隨玉米秸稈添加量的增加呈下降趨勢。在Al2（SO4）3加入量小于0.4%時，HCO3-含量隨著玉米秸稈添加量和 Al2（SO4）3的增加而出現大幅度降低。此階段HCO3-含量取決于玉米秸稈和Al2（SO4）3的共同作用。在Al2（SO4）3加入量大于0.4%時，HCO3-含量則主要取決于Al2（SO4）3的加入量。隨著 Al2（SO4）3加入量的增加，HCO3-含量逐漸減小，且各含量之間的差距也隨之減小。

2.3 玉米秸稈和Al2（SO4）3施入蘇打鹽堿土后CEC的變化

玉米秸稈和Al2（SO4）3對蘇打鹽堿土CEC的影響如圖3所示。由圖3可知，蘇打鹽堿土CEC隨玉米秸稈和Al2（SO4）3添加量的增加呈上升趨勢。如玉米秸稈添加量為5%時，CEC隨Al2（SO4）3加入量增加而升高，與A0S5相比，蘇打鹽堿土CEC在A0.4～2.0S5這些處理中高出了47.1%～117.7%，表明Al2（SO4）3對蘇打鹽堿土的CEC有一定的促進作用。在Al2（SO4）3加入量相同時，玉米秸稈添加量越大，CEC越高。A0.8S5、A0.8S10和A0.8S15處理中CEC與A0.8S0相比分別提高了11.5%、17.5%和27.1%。

圖3 玉米秸稈和Al2（SO4）3對蘇打鹽堿土陽離子 交換量的影響

2.4 玉米秸稈和Al2（SO4）3施入蘇打鹽堿土后ESP的變化

玉米秸稈和Al2（SO4）3對蘇打鹽堿土ESP的影響如圖4所示。從圖4可以看出，隨Al2（SO4）3和玉米秸稈添加量的增加，蘇打鹽堿土ESP呈現下降的趨勢。與A0S0相比，在A0.8S0、A0.8S5、A0.8S10、A0.8S15處理中，蘇打鹽堿土ESP分別下降 了42.2%、37.1%、26.7%、27.8%。與A0S15相比，在A0.8S15、A1.2S15、A1.6S15、A2.0S15處理中，蘇打鹽堿土ESP分別下降了32.8%、30.2%、37.0%、30.9%。在Al2（SO4）3加入量為2.0%時，蘇打鹽堿土ESP分別為22.50%、22.50%、20.2%、19.7%，且A2.0S15處理的蘇打鹽堿土ESP最低。由此可知，在Al2（SO4）3加入量達到最大時，玉米秸稈的引入對蘇打鹽堿土ESP影響不大。而在Al2（SO4）3加入量為2.0%時，蘇打鹽堿土CEC繼續增加，說明交換性Na+已達飽和，這致使ESP趨近相同[23］。 在Al2（SO4）3加入量為0%～0.4%、玉米秸稈添加量為0%～15%時，蘇打鹽堿土ESP有明顯的下降趨勢，降幅為23.8%～33.7%。而在秸稈添加量為0%～15%、Al2（SO4）3加入量分別為0%和0.4%時，蘇打鹽堿土ESP的降幅則分別為8.1%～16.1%和3.68%～14.5%。說明在這段區域內，Al2（SO4）3對土壤ESP的降低起到了決定性作用。未加入Al2（SO4）3時，隨著玉米秸稈添加量的增加，蘇打鹽堿土ESP降低，主要體現在A0S5、A0S10和A0S15處理比A0S0處理分別減少了11.6%、25.9%和31.9%。

3 討論

3.1 玉米秸稈和Al2（SO4）3對蘇打鹽堿土pH值的影響

在添加Al2（SO4）3的基礎上，采用秸稈還田是改善鹽堿土土壤鹽分和堿化度的一項有效措施。本試驗研究結果表明，Al2（SO4）3加入土壤后，土壤溶液中的Al3+會直接進行水解作用，隨之出現相應的單體鋁、多聚體鋁，以及豐富的H+，H+會和土壤中的OH-進行中和反應，所以降低了土壤的pH值[23］，但加入Al2（SO4）3過多時，土壤溶液會通過陽離子交換反應發揮出一定的緩沖性能，使其pH值不發生明顯變化，這與李秀軍[24］、Recheigl等[25］研究結果一致。產生這種現象的另一個原因可能是秸稈在土壤腐解時會產生有機酸和二氧化碳被土壤微生物所利用，產生微生物量多，新陳代謝能力增強，產生的有機酸就越來越多，當達到最高值時趨于平衡狀態，在此過程中產生的二氧化碳會釋放到空氣中[26-27］。

3.2 玉米秸稈和Al2（SO4）3對蘇打鹽堿土可溶性鹽的影響

玉米秸稈和Al2（SO4）3的加入增加了蘇打鹽堿土中K+、Na+、Ca2+和Mg2+含量。其原因是 Al2（SO4）3中Al3+的水解作用產生大量的H+，促進了土壤中碳酸鹽的溶解，Ca2+置換出土壤膠體所 吸 附 的K+以 及Na+，隨 著Al2（SO4）3不 斷 加入，產生的K+和Na+也逐漸增多[6］。另外，玉米秸稈中原本就含有豐富的鉀，研究表明，每100 g玉米秸稈中含鉀約為150 mg[27］，秸稈加入土壤之后，自身的鉀也會釋放出來，這是導致土壤中K+含量增加的另一個原因。由于蘇打鹽堿土中鹽分主要以碳酸鹽為主，秸稈加入土壤后發生腐解作用產生腐殖物質，腐殖物質的形成也促進了碳酸鈣的溶解，激活了土壤中被固化的Ca2+，進而提高了Na+的代換量[6］。Al2（SO4）3進入土壤后會水解產生大量的H+，H+與土壤中CO32-結合形成HCO3-，從而使鈣鎂由碳酸鹽沉淀形式轉為碳酸氫鹽溶解態形式，進而增加了鈣鎂離子含量[6］。秸稈分解礦化產生有機酸和CO2，其中，CO32-會釋放轉化成HCO3-，從而使CO32-含量逐漸減小[23］，而 Al2（SO4）3的存在則加速了秸稈的腐解，CO32-轉化成HCO3-，HCO3-與Al3+水解產生的H+反應生成CO2和H2O，從而使得HCO3-含量降低[26］， 導致HCO3-含量逐漸降低的另一個原因是Al2（SO4）3逐漸加入后，Al3+水解產生H+，與HCO3-反應進而不斷地消耗HCO3-[27］。CO32-和HCO3-含量的減少標志著蘇打鹽堿土總堿度（CO32-和HCO3-）的降低，該結果也從實際上證明了秸稈和Al2（SO4）3可以有效改良土壤總堿度[28］。

3.3 玉米秸稈和Al2（SO4）3對蘇打鹽堿土CEC和ESP的影響

玉米秸稈和Al2（SO4）3加入蘇打鹽堿土后，土壤CEC隨玉米秸稈添加量的增加而升高，這是因為陽離子交換能力和土壤有機質含量有一定的相關性[29-31］，Al2（SO4）3加速了秸稈在土壤中的腐解，在此過程產生的腐殖物質中存在著大量的羧基、酚基、烯醇基以及酚羥基，此類官能團能夠使土壤中陽離子的交換位點變多[14］，進而導致蘇打鹽堿土CEC增加。玉米秸稈進入土壤后會形成一定量的CO2及有機酸，有機酸活化土壤碳酸鈣，其中的Ca2+與Mg2+則能夠和土壤膠體中的Na+進行置換，最終降低了蘇打鹽堿土ESP[32］。

4 結論

在加入Al2（SO4）3的基礎上，將玉米秸稈還田可以進一步有效降低蘇打鹽堿土的pH值。由于土壤pH值的降低，促進了土壤中堿土金屬碳酸鹽的溶解，降低了CO32-和HCO3-的含量，使Ca2+和Mg2+等二價陽離子含量增加，改善了土壤中交換性鹽基離子的結構，陽離子與土壤膠體上的Na+進行置換，以此來實現蘇打鹽堿土ESP的降低。由此可見，玉米秸稈和Al2（SO4）3對土壤化學性質的改良作用顯著。綜合而言，A0.8S15為改良蘇打鹽堿土的最佳處理組合。