耕作協同物料添加對蘇打鹽堿化耕地土壤理化性質的影響

聶朝陽，楊 帆，王志春，郭亮亮，安豐華，劉建波，張釋心

(1. 中國科學院東北地理與農業生態研究所，吉林 長春 130102；2. 中國科學院大學，北京 100049；3.吉林農業大學農學院，吉林 長春 130102)

西遼河平原分布約1.6×105hm2鹽漬土，約占其總面積的9.3%,其中多為蘇打鹽堿化土壤[1]。蘇打鹽堿化土壤由于土壤膠體吸附大量的交換性鈉，破壞了團粒結構的穩定性，增加了土壤黏性，使土壤孔隙阻塞、通氣不暢，好氣微生物和酶活性降低、種類減少，導致養分轉化過程受阻，土壤養分有效性降低，有機質匱乏，進而影響了植物生長發育[2-4]。此外蘇打鹽堿化土壤中存在大量NaCO3和Na2HCO3，植株受到鹽分脅迫，導致生理干旱，影響植物正常生理功能[5]。因此，通過采取合適的措施改良蘇打鹽堿化土壤，對研究區農業可持續發展具有重要意義。

針對鹽堿化土壤改良和利用所面臨的一系列問題，國內外進行了大量的研究，其核心方式主要為物理改良、化學改良、生物改良和工程措施[6]。其中，物理改良和化學改良因其操作簡易和改良效果穩定，在鹽堿化土壤改良利用中具有廣闊的前景。深松和粉壟是重要的土壤物理改良措施，研究表明粉壟措施疏松了表層土壤，降低了表層土壤容重，同時切斷土壤毛細管，提高淋洗效果，防止反鹽作用，對鹽堿化土壤物理性質改善作用明顯[7]。深松可以松動犁底層，增加土壤透氣性和土壤水分，提高土壤蓄水保水能力，降低容重[8-9]。深松和粉壟能夠有效改善土壤物理性質，利于耕層降堿脫鹽，但僅通過深松和粉壟措施降堿脫鹽速率較低，改良周期長，且無法有效補充和提高土壤養分含量，因此需要與化學改良相結合。腐植酸類物質和脫硫石膏在鹽堿化土壤化學改良中應用廣泛。腐植酸類物質作為一種構成土壤有機無機復合體的有機膠體物質和有機大分子物質[10]，能夠提高土壤養分含量，促進土壤團聚體形成，使土壤的保水保肥能力得到改善[11]；同時，腐植酸類物質具有含氧酸性官能團，如羧基、酚羥基和磺酸基等[12]，擁有較強的陽離子交換性和緩沖能力，能夠提高土壤緩沖性能。脫硫石膏是通過鈣離子置換土壤膠體表面吸附的鈉離子，降低土壤的鈉離子含量，改善土壤鹽堿障礙。

綜上所述，前人的研究已經證實，使用化學措施和物理措施能夠改善鹽堿化土壤的理化性質，提高作物產量，但多以單一改良措施進行研究，將物理和化學措施結合的綜合改良鹽堿化耕地土壤的研究較少。因此，本文以蘇打鹽堿化耕地土壤為對象，以腐植酸、復合調理劑、脫硫石膏為改良物料并結合深松和粉壟耕作措施，研究其對蘇打鹽堿化耕地土壤理化性質的影響，以期為西遼河平原蘇打鹽堿化耕地土壤改良和規?；锰峁┘夹g支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

表1 試驗區土壤基本性質Table 1 Basic properties of soil in the test area

1.2 供試材料

供試作物為玉米，品種為‘迪卡159’，由當地合作社提供。試驗采用3種改良物料：脫硫石膏由通遼市熱電廠提供，主要成分是CaSO4·2H2O，含量為74.3%；腐植酸采購自黑龍江豐亨生物科技有限公司，是從褐煤中提取的大分子有機物質，主要成分為腐植酸(≥75%)、可溶物質(≥95%)；復合調理劑由黑龍江豐亨生物科技有限公司提供，呈黑色顆粒狀，主要成分為腐植物質、復合鈣源和微量元素等，有機質≥80%，活化腐植酸≥80%，N+P2O5+K2O≥5%。

1.3 試驗設計

采用隨機區組設計，設置9個改良處理，試驗處理如表2所示。每個處理3次重復，共27個試驗區，每個試驗小區面積為24 m×45 m=1 080 m2，整個試驗區面積約29 334.8 m2。玉米于2020年5月3日種植，同年10月12日收獲。種植前平整土地，均勻施撒腐熟牛糞75 m3·hm-2和復合肥(N∶P2O5∶K2O為20∶20∶5)450 kg·hm-2作為底肥。改良物料使用撒肥機進行撒施，撒施完畢后按照處理分別進行30 cm深松和40 cm 粉壟，并統一進行25 cm淺翻。對照處理僅施入底肥和淺翻25 cm，底肥施用量與各處理相同。玉米株行距30 cm×60 cm，種植密度55 558株·hm-2。灌溉方式為淺埋滴灌，其他田間管理措施均與當地常規管理方式一致。

表2 試驗設計Table 2 Experiment design

1.4 測試指標和方法

土壤鈉吸附比(SAR)和總堿度計算公式如下：

試驗區按照0～10、10～20、20～30 cm和30～40 cm分層采用環刀法進行土壤容重、總孔隙度的測定，通過計算獲得土壤三相比[13]。

1.4.2 玉米生長指標及產量 在玉米成熟期，每個小區隨機選取有代表性的10 m雙行，每隔5穗取1穗，共取10穗，每個處理3次重復，測定玉米產量構成要素，計算各處理區的理論產量。

1.5 數據處理與分析

采用Excel對數據進行整理，采用SPSS 25和Origin 2019進行數據處理和作圖，顯著性分析采用鄧肯單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 耕作協同物料添加對土壤物理性質的影響

2.1.1 土壤容重 容重是評價土壤質量的重要指標之一。由圖1可知，0～30 cm土層，不同處理均表現為隨著土壤深度的增加土壤容重增加，且不同處理間差異顯著。不同耕作協同物料添加處理均降低了耕層土壤容重，其中粉壟協同物料添加處理的土壤容重均小于深松。各處理的土壤容重從小到大排列為：FG>FT>FF>FTF>SG>STF>SF>ST>CK，FG處理土壤容重降低最為顯著(P<0.05)，較CK平均降低21.4%。

圖1 耕作協同物料添加對土壤容重的影響Fig.1 Effects of tillage synergistic materials addition on soil bulk density

2.1.2 土壤總孔隙度 根據土壤容重對土壤總孔隙進行計算，由圖2可知，與土壤容重的變化規律相反，耕作協同物料添加處理均提高了土壤總孔隙度。0～30 cm土層，不同處理的土壤總孔隙度均隨著土壤深度的增加而下降，粉壟協同物料添加處理的土壤總孔隙度大于深松，土壤總孔隙度從大到小排列為：FG>FT>FF>FTF>SG>STF>SF>ST>CK，FG處理土壤總孔隙度提高最為顯著(P<0.05)，較CK平均提高30.2%。

圖2 耕作協同物料添加對土壤總孔隙度的影響Fig.2 Effect of tillage synergistic materials addition on soil total porosity

2.1.3 土壤三相比 耕作協同物料添加對土壤三相比影響較大，主要表現為各處理均較對照降低了0～40 cm土層土壤固相比，提高了土壤液相比，在10～40 cm土層粉壟協同物料添加處理的土壤氣相比高于深松(圖3)。10～20 cm和20～30 cm土層，土壤三相比變化顯著。10～20 cm土層，除ST處理外，其他處理土壤固相比較CK均降低，其中FG和FT處理下降幅度最大，較CK分別下降21.9%和20.4%；各處理均提高了土壤液相比，其中FG和FT處理的土壤液相比提高幅度高于其他處理；除SF和ST處理的土壤氣相比較CK降低外，其他處理均不同程度提高。與CK相比，20～30 cm土層各處理均降低了土壤固相比，氣相比則不同程度增加，其中FG處理的土壤固相比較CK下降23.3%，下降幅度最大，FTF處理的土壤氣相比較CK提高76.4%，提高幅度高于其他處理；土壤液相比各處理之間及其CK之間差異顯著，其中SG、FG、FF和FT處理均提高了土壤液相比。整體而言，粉壟協同物料添加對土壤三相比的改善作用優于深松。

圖3 耕作協同物料添加對不同土層土壤三相比的影響Fig.3 Effect of tillage synergistic materials addition on soil three phase ratio of different soil depth

2.2 耕作協同物料添加對土壤化學性質的影響

2.2.1 土壤pH 與CK相比，耕作協同物料添加顯著降低了0～40 cm土層土壤pH(P<0.05)(圖4A)，其中20～40 cm土層降低幅度(12.4%～21.3%)大于0～20 cm土層(6.8%～17.7%)。在0～20 cm和20～40 cm土層，FG處理的土壤pH顯著低于CK及其他改良處理(P<0.05)，較CK分別降低17.7%和21.3%；其次為FTF處理，較CK分別降低了9.3%和14.8%。除FG處理外，其余各改良處理之間土壤pH在0～20 cm和20～40 cm土層并無顯著差異。

2.2.2 土壤含鹽量 由圖4B可知，與CK相比，0～40 cm土層除STF處理的土壤含鹽量升高外，其他處理均不同程度降低，不同土層深度各處理之間存在顯著差異。0～20 cm土層，SG、ST、FG、FF和FTF處理的土壤含鹽量較CK顯著降低(P<0.05)，降低幅度為39.5%～63.5%。20～40 cm土層，SG處理的土壤含鹽量較CK顯著降低(P<0.05)，除STF處理外，其他處理的土壤含鹽量較CK降低，差異未達顯著水平。

2.2.3 土壤鈉吸附比 由圖4C可知，耕作協同物料添加降低了0～40 cm土層土壤鈉吸附比(SAR)。0～20 cm土層，SG、SF、FTF處理的土壤SAR較CK顯著下降(P<0.05)，其中FTF下降幅度最為顯著(P<0.05)，較CK下降71.5%。20～40 cm土層，與CK相比，除FT處理無顯著差異外，其他處理均顯著降低了土壤SAR，其中FTF處理較CK下降78.3%，下降最為顯著(P<0.05)。

2.2.4 土壤總堿度 由圖4D可知，耕作協同物料添加處理的土壤總堿度在0～40 cm土層均較CK不同程度降低。0～20 cm土層，SF、ST、FG、FF和FT較CK顯著下降(P<0.05)，下降幅度為20.7%～27.6%；20～40 cm土層，各處理較CK均顯著下降(P<0.05)，其中STF和FT下降最為顯著，均較CK降低47.9%。

注：不同小寫字母表示0～20 cm土層不同處理之間在0.05水平差異顯著；不同大寫字母表示20～40 cm土層不同處理之間0.05水平差異顯著。Note：Difference lowercase letters mean significant difference between treatments in 0～20 cm soil depth at 0.05 level, and difference capital letters mean significant difference between treatments in 20～40 cm soil depth at 0.05 level.圖4 耕作協同物料添加對不同土層土壤化學性質的影響Fig.4 Effects of tillage synergistic materials addition on soil chemical properties of different soil depth

2.3 耕作協同物料添加對土壤養分的影響

表3為不同改良處理對土壤養分的影響，由表3可知，與CK相比，耕作協同物料添加增加了土壤有機質和有效磷含量，不同改良處理對土壤全氮和速效鉀影響具有顯著差異。

表3 耕作協同物料添加對不同土層土壤養分的影響Table 3 Effects of tillage synergistic materials addition on soil nutrients of different soil depth

2.3.1 土壤有機質 通過對土壤有機質分析發現，0～20 cm土層，與CK相比，各處理均提高了土壤有機質含量，其中SF較CK提高最大，增幅為51.5%，其次為STF，較CK提高36.5%；20～40 cm土層，除FF處理的土壤有機質含量較CK無顯著差異外，其他處理均顯著提高土壤有機質含量(P<0.05)，提高幅度為34.2%～63.9%。

2.3.2 土壤全氮 通過對土壤全氮分析發現，0～20 cm土層，不同改良處理對土壤全氮影響不同，除FG和FF處理的土壤全氮含量較CK下降外，其他處理較CK增加8.8%～20.4%，其中ST處理較CK提高最為顯著；20～40 cm土層，除FF處理的土壤全氮含量較CK降低，其他處理與CK相比土壤全氮含量增加2.7%～16.4%。

2.3.3 土壤有效磷 通過對土壤有效磷分析發現，與CK相比，不同改良處理顯著提高土壤有效磷含量(P<0.05)，0～20 cm土層，各改良處理土壤有效磷含量較CK增加75.0%～314.0%，其中FTF處理的增幅最大；20～40 cm土層，FT和FF處理的土壤有效磷含量較CK增加3倍以上，其他處理較CK也均不同程度提高。

2.3.4 土壤速效鉀 通過對土壤速效鉀分析發現，0～20 cm土層，各處理的土壤速效鉀含量較CK增加20.7%～81.0%，其中ST和FG處理較CK增加顯著(P<0.05)；20～40 cm土層，STF、FG和FT處理的土壤速效鉀含量較CK顯著提高，分別提高17.6%、18.4%和22.1%。

Note：Different lowercase letters mean significant difference between 0～20 cm soil depth and 0.05 level, and different capital letters mean significant difference between 20～40 cm soil depth and 0.05 level.

2.4 耕作協同物料添加對玉米產量及產量構成要素的影響

由表4可知，耕作協同物料添加處理玉米產量較CK顯著提高(P<0.05)，處理間比較，FTF處理產量最高，較CK提高37.6%；FG處理產量最低，較CK提高9.8%；其他處理與CK無顯著差異。產量構成要素比較，玉米穗行數和行粒數均表現為耕作協同物料添加處理顯著高于CK(P<0.05)，處理間無顯著性差異。SF和FT處理的玉米百粒重顯著低于CK(P<0.05),其他處理與CK無顯著差異。

表4 耕作協同物料添加對玉米產量及產量構成要素的影響Table 4 Effects of tillage synergistic materials addition on maize yield and yield components

3 討 論

3.1 耕作協同物料添加對土壤物理性質的影響

蘇打鹽堿化土壤物理性質惡劣，主要表現為土壤水分升高時不透水，水分易從地表流失；當土壤水分含量下降時，土壤會形成堅硬的結殼，影響作物生長發育。耕作措施通過對土壤耕層進行機械擾動以松動耕層，使土壤顆粒重新排列組合來改善土壤物理性質，進而對土壤水、肥、氣、熱進行調節[14]。本研究表明，深松、粉壟分別與物料施加綜合處理均顯著降低了土壤容重，增加了土壤總孔隙度，土壤結構得到改善。一方面，深松和粉壟對土壤物理性質改善作用顯著，巨兆強等[15]通過對比傳統旋耕處理和深松處理對土壤性質的影響發現，深松耕作能夠明顯改善耕層土壤的物理性質，降低土壤容重，增加總孔隙度和土壤含水率；孫美樂等[16]通過研究發現，與傳統翻耕相比，粉壟耕作降低了土壤耕作層的容重，增加了土壤含水量。本研究還發現，施用相同物料情況下，粉壟處理對土壤容重、總孔隙度、硬度和三相比的改善效果優于深松處理，0～40 cm土層深度進行粉壟處理的土壤容重與深松處理相比平均降低10.5%，土壤總孔隙度平均提高12.6%，這是因為粉壟耕作通過專用機械垂直螺旋型鉆頭將土壤進行粉碎且自然懸浮成壟，可起到深松和旋耕的雙重作用[17-19]。另一方面腐植酸類物質、脫硫石膏對改善土壤結構具有積極作用，Nan等[20]通過研究發現，向鹽堿土中施加褐煤腐植酸顯著降低了土壤容重，改善土壤孔隙結構；石婧等[21]研究發現脫硫石膏有利于降低鹽堿化土壤容重，增加土壤總孔隙度，這與本研究結果相似。

3.2 耕作協同物料添加對土壤化學性質的影響

本研究表明，耕作與物料添加可以有效降低蘇打鹽堿化土壤耕層鹽分含量。孫在金[22]通過研究發現，與無任何物料施用的對照相比較，向鹽堿化土壤中施用腐植酸和脫硫石膏均能降低土壤含鹽量，這與本研究的結果相似。在本研究中，土壤含鹽量20～40 cm土層大于0～20 cm土層，這是因為深松和粉壟的耕作措施疏松了表層土壤，改善了土壤結構，利于耕層脫鹽；腐植酸、脫硫石膏和復合調理劑通過離子置換、吸附等作用加速脫鹽過程，在土壤水分的作用下土壤鹽分向深層運移。與對照相比，耕作和物料添加有效改善了蘇打鹽堿化耕地土壤的鹽堿障礙，土壤pH、SAR和總堿度分別降低6.8%～21.3%、20.7%～78.3%和17.1%～47.7%。一方面深松和粉壟改善耕層土壤結構，促進耕層土壤降堿排鹽，李瑞平[23]研究發現與免耕相比，深松降低了10～30 cm土層土壤pH。另一方面腐植酸類物質和脫硫石膏對耕層土壤降堿作用顯著，脫硫石膏的離子置換作用，產生易溶中性鹽，降低土壤pH值和SAR[24]；而腐植酸是一類多環稠環有機化合物，可以通過吸附、交換和酸堿中和等作用使土壤pH和SAR降低[25]；復合調理劑以腐植酸物質和復合鈣源為主要組成物質，同時具有離子置換以及腐植酸的吸附、交換和酸堿中和作用，高慧敏等[26]發現腐植酸和脫硫石膏配施能夠顯著降低土壤pH且改良效果優于腐植酸和脫硫石膏單施，這是因為腐植酸和石膏配施可加大石膏的溶解量，進而提升Na+置換能力，強化了改土效果，這與本研究結果相似。

3.3 耕作協同物料添加對土壤養分和玉米產量的影響

有機質是土壤的重要組成部分，對改善土壤理化性質、調節土壤養分循環具有重要作用，是評價土壤生產力的關鍵指標[27]。在本研究中，腐植酸、脫硫石膏以及復合調理劑均提高了耕層土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量，其中土壤有機質增加2.5%～63.9%。這與張曉東等[4]研究表明向鹽漬土中施用腐植酸、有機肥、石膏和秸稈能夠顯著提高耕層土壤有機質、有效磷和堿解氮含量的研究結果一致，也與王福友等[28]通過研究發現向鹽漬土中增加腐植酸能夠有效提高土壤有機質含量的研究結果一致。大量研究表明，脫硫石膏和腐植酸單施或配施以及腐植酸的衍生品施用均能促進作物生長，提高作物產量[29-31]。王丹等[32]通過研究發現,脫硫石膏與有機物料配施可有效提高棉花產量，增產效果優于脫硫石膏和有機物料單施。孫在金[22]研究發現腐植酸和脫硫石膏施用均能顯著提高棉花的產量，且腐植酸和脫硫石膏配施促進植物生長效果更佳。本試驗中不同綜合措施均有效提高了玉米產量，其中深松30 cm并施用復合調理劑22 500 kg·hm-2和腐植酸6 000 kg·hm-2處理及粉壟 40 cm并施用復合調理劑22 500 kg·hm-2和腐植酸6 000 kg·hm-2處理的玉米產量較對照分別提高21.7%和37.6%。一方面，深松和粉壟降低了耕作層土壤容重，增加土壤孔隙度，改善了根系的生長條件，利于作物根系生長和深扎，形成良好的根系體系[7]，進而促進作物生長，提高作物產量；另一方面，土壤中的腐植酸類物質對植物生長產生直接和間接的影響[33]。腐植酸能夠刺激植物根系生長，提高根系養分吸收能力，促進植物生長發育[34]；還能通過調控土壤與肥料中養分的有效性，影響土壤微生物數量結構，改善土壤環境，間接促進了植物的生長[35]。

3 結 論

耕作協同物料添加改善了土壤理化性質。一方面，各改良處理均降低了土壤容重、提高土壤總孔隙度，改善土壤結構，粉壟施用物料處理對土壤結構的改善作用優于深松施用物料處理。另一方面，深松和粉壟結合物料施用均降低了土壤pH、SAR和總堿度，其中粉壟40 cm并施用復合調理劑22 500 kg·hm-2和腐植酸6 000 kg·hm-2處理顯著降低了0～40 cm土層pH和SAR，較對照分別降低12.1%和74.9%。

耕作協同物料添加提高了蘇打鹽堿化土壤養分含量和作物產量。各處理均提高了土壤有機質和有效磷含量，其中粉壟并施用復合調理劑22 500 kg·hm-2和腐植酸6 000 kg·hm-2提高顯著，分別較對照提高39.5%和124.6%。粉壟并施用復合調理劑22 500 kg·hm-2和腐植酸6 000 kg·hm-2處理的玉米穗行數、行粒數和理論產量均顯著高于對照，較對照分別提高8.7%、35.8%和37.6%。綜上所述，粉壟并施用復合調理劑22 500 kg·hm-2和腐植酸6 000 kg·hm-2處理為西遼河平原蘇打鹽堿化耕地最優土壤改良措施。