不同土壤改良劑對陜北低洼鹽堿地土壤理化性質及水稻產量和經濟效益的影響

馬增輝， 王啟龍

（陜西省土地工程建設集團有限責任公司西北分公司，陜西 榆林 719000）

近年來，我國經濟快速發展，耕地數量和質量卻不斷下降，我國人均耕地面積僅占世界水平的31%，耕地是糧食基本載體，耕地匱乏導致我國糧食安全面臨巨大風險。鹽堿地是我國儲備最大的土地資源，據調查，我國鹽堿荒地和影響耕地的鹽堿地總面積超過3 000萬hm2, 其中鹽土占45.4%，堿土占2.5%，各類鹽堿化土壤占52.1%[1]。陜西省目前鹽堿地面積約21.3萬hm2，主要分布在陜北榆林地區和關中渭南地區，其中，重、中度鹽堿地約16萬hm2，且鹽堿化程度趨于嚴重，重、中度鹽堿地面積不斷增加[2]。目前，鹽堿地改良措施主要包括：水利改良措施（灌溉、淋洗、排水等）[3]、化學改良措施（生理酸性化肥、石膏、調理劑等）[4]、生物改良措施（耐鹽堿牧草、作物、綠肥等）[5]、農業改良措施（深耕、覆沙、探鹽巧種等）[6]。

土壤改良劑是指能夠改善鹽堿地土壤結構和理化指標的制劑，可以通過調節土壤酸堿度(pH)、降低土壤含鹽量、改善土壤結構等作用來改良鹽堿地，減少鹽堿地土壤對作物的危害[7]。姜增明等[8]分析了鹽堿地主要特性及其對作物生長的影響，闡述了不同土壤改良劑在鹽堿地改良中的作用，并建議在實際應用中根據不同鹽堿地類型選擇適合的改良劑。吳志強等[9]通過田間試驗研究了4種不同土壤改良劑（生石灰、有機肥、鈣鎂磷肥、土壤調理劑）在稻田上的應用效果，結果表明，施用土壤改良劑不僅能不同程度改善土壤理化性質，還能顯著提高水稻產量與產值，通過對比發現，施用生石灰處理的產量與產投比最高。王紅等[10]選用秸稈生物炭、石膏、石膏+有機肥作為土壤改良劑對內蒙古鹽漬化農田土壤進行改良，發現施加生物炭和石膏可以顯著改善鹽堿地土壤理化性質，降低土壤pH和含鹽量，增加土壤有效磷、堿解氮、有機質含量。舒錕等[11]研究了“金阜豐”土壤改良劑的用量對定邊鹽堿地土壤理化性質及水稻生長的影響，結果顯示，陜北鹽堿地施加土壤改良劑可顯著降低表層土壤pH和含鹽量，增加水稻產量，基于水稻產量和鹽堿地改良效果，建議添加量為1 500～2 000 kg·hm-2。陜北地區氣候偏冷，晝夜溫差大，水稻種植規模小，雖然對于土壤改良劑使用有一定研究，但是對于不同種類土壤改良劑的比選研究較少。本研究通過在定邊縣堆子梁地區開展大田試驗，研究不同土壤改良劑對陜北鹽堿地土壤理化性質及水稻產量的影響，并結合經濟效益分析，以確定適宜陜北鹽堿地的土壤改良劑。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于陜西省西北部定邊縣堆子梁地區（35°31′02″—35°34′01″N，110°30′34″—110°33′36″E），該地區地處古河床上沖積母質發育的鹽化草甸土壤區，因為地勢平坦低洼、蒸發量大，鹽離子隨水流聚集，且地下水位埋藏淺、礦化度高、出流不暢，土壤鹽漬化特征明顯。該地區年平均降水量約330 mm，主要集中在7—9月，占全年降水量的61.34%，年平均蒸發量2 290 mm，年平均氣溫7.9 ℃，年平均日照時間2 700～2 800 h，年平均無霜期120～130 d，年平均凍土深度約100 cm。

1.2 試驗材料

試驗用地為鹽堿耕地，前茬作物為玉米。供試脫硫石膏為陜西榆林能源集團橫山煤電有限公司產生的廢棄脫硫石膏，其主要成分為CaSO4·2H2O（含量大于90%），含水量≤10%，pH 8.1，石膏處理的施用量為20 000 kg·hm-2[12]。“金阜豐”土壤改良劑由內蒙古阜豐生物科技有限公司生產，其中氮（N）含量約16%，有機質含量約4%，pH 3.0～4.0，“金阜豐”土壤改良劑用量為2 000 kg·hm-2[11]。腐殖酸由榆林市鼎利源生態科技公司從神木風化煤中提取，有效腐殖酸含量51%，水溶后pH 4.7，腐殖酸用量為2 000 kg·hm-2[13]。供試作物為水稻，品種為天津天隆種業科技有限公司研發的‘隆優619’，2019年6月初人工插秧，插秧密度為1.8萬株·hm-2，10月中旬水稻成熟收獲。

1.3 試驗設計

根據土壤改良劑種類不同，田間試驗設置4個處理，分別為不施用土壤改良劑（CK）、施用脫硫石膏（desulfurized gypsum，FGD）、施用“金阜豐”土壤改良劑（“Jinfufeng” soil conditioner，SC）、施用腐殖酸（humic acid，HA），每個處理設置3個重復，每個處理四周起壟覆膜，做好處理間隔離措施，每個試驗小區面積80 m2（10 m×8 m），試驗小區0—20、20—40、40—60 cm土層土壤樣品基本理化性質見表1。各試驗小區的施肥、病蟲害防治和田間灌溉等管理措施保持一致。尿素、磷酸二胺、氯化鉀的用量分別為334、196、96 kg·hm-2。試驗田年灌溉量約15 000 m3·hm-2，灌溉水為井水，全鹽量為0.23 mg·L-1，pH 8.1。

表1 試驗地土壤基本理化性質Table 1 Basic soil physical and chemical properties of the test site

1.4 樣品的采集與處理

水稻收獲后，利用土鉆采集試驗區土壤樣品，采樣深度為：0—20 cm（表層）、20—40 cm（中層）、40—60 cm（深層），通過室內試驗測定土壤水溶性鹽總量、pH、容重、有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量。土壤pH采用電位法測定，水溶性鹽總量采用質量法測定，容重采用環刀法測定[14]；有機質采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮采用半微量凱氏法測定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法測定，速效鉀采用火焰光度法測定[15]。

水稻成熟后，將4個處理組的水稻收割測產，并隨機選取代表性的水稻種子，對其千粒重進行測量計算。

1.5 經濟效益分析

2020年稻米平均收購價格為3.5元·kg-1，每噸脫硫石膏、“金阜豐”土壤改良劑、腐殖酸購買及施用綜合價格分別為400、2 700、2 500元，根據下列公式計算產值、純利潤和產投比。

1.6 數據分析

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 11.4軟件進行數據處理統計和顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同土壤改良劑對鹽堿地土壤理化性質的影響

2.1.1 土壤含鹽量變化 土壤含鹽量是反映土壤鹽堿化狀況的重要指標，該值過高會對植物產生損害，阻礙植物正常生長發育，使其品質變劣、產量降低。由圖1可以看出，施加腐殖酸可顯著降低表層（0—20 cm）土壤含鹽量，比對照降低12.43%。這主要是由于腐殖酸的陽離子交換量較高，施入土壤后，可顯著提高土壤的陰離子吸附能力，減少表層土壤含鹽量；另外，腐殖酸能夠改良土壤團聚結構，提高土壤疏松度，破壞鹽分上升條件，起到隔鹽作用。方差分析結果顯示，施加脫硫石膏和“金阜豐”土壤改良劑的表層土壤含鹽量與對照無顯著差異。4個處理的土壤含鹽量均表現出表層高（0—20 cm）、中層低（20—40 cm）、底層高（40—60 cm）的分布規律。種植水稻前試驗區土層0—20、20—40 cm含鹽量分別為2.97、2.10 g·kg-1，種植后4個處理0—20、20—40 cm 土層平均含鹽量分別為1.78、1.61 g·kg-1，說明種植水稻能顯著降低土壤表層含鹽量，這主要是由于井水灌溉的淋洗作用，而且水稻種植后減少地表蒸發，水稻對土壤中鹽離子具有一定的吸收作用，另外種植水稻對于促進土壤團聚體形成以及改善土壤結構具有顯著影響，可促進土壤剖面的水運動，降低返鹽現象的發生，因此土壤含鹽量顯著降低[16]。

圖1 不同土壤改良劑條件下0—60 cm土層土壤含鹽量Fig.1 Soil salt content in 0—60 cm soil layer under different soil amendments

2.1.2 土壤pH變化 土壤pH是反映土壤酸堿狀況的重要指標，會直接影響土壤中營養元素形態和有效度，土壤pH過高或過低，都不利于植物根系對營養元素的吸收[17]。不同土壤改良劑處理下0—60 cm土層土壤pH分布情況如圖2所示，各處理均表現出表層土壤pH較低，深層土壤pH較高的分布規律。CK處理表層土壤pH較高，為8.9，達到強堿性，嚴重影響水稻正常生長，3種土壤改良劑均可顯著降低表層土壤pH，與對照相比，FGD、SC、HA處理表層土壤pH分別降低5.78%、4.53%、5.55%。“金阜豐”土壤改良劑pH為3.0～4.0，腐殖酸pH為4.7，均呈酸性，可以與土壤中的堿發生中和反應，降低土壤pH；脫硫石膏的主要成分是CaSO4及少量CaSO3，土壤中加入脫硫石膏后，石膏中的Ca2+與土壤中游離的NaHCO3、Na2CO3發生作用，生成難溶的CaCO3或Ca(HCO3)2，降低土壤pH。

圖2 不同土壤改良劑條件下0—60 cm土層土壤pHFig.2 Soil pH of 0—60 cm soil layer under different soil amendments

2.1.3 土壤容重變化 土壤容重可以反映土壤緊實度，土壤緊實度是反映土壤水、肥、氣、熱等因素的重要物理學性狀，鹽漬土容重一般偏大，結構緊實、滲透性差，改良與利用較為困難[18-19]。表2結果顯示，施加土壤改良劑可有效降低0—40 cm土層土壤容重、增大土壤空隙度，改善土壤物理性質，其中，腐殖酸對土壤物理性狀的改善效果最好。與對照相比，FGD、SC、HA處理表層土壤容重分別顯著降低0.04、0.07、0.08 g·cm-3，中層土壤容重分別顯著降低0.07、0.10、0.11 g·cm-3，深層土壤容重無顯著差異。

表2 不同土壤改良劑條件下0—60 cm土層土壤容重Table 2 Soil bulk density of 0—60 cm soil layer under different soil amendments （g·cm-3）

2.1.4 土壤養分變化 土壤養分是指由土壤提供給植物的必需營養元素，土壤養分主要包括土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀。不同土壤改良劑對陜北低洼鹽堿地土壤養分的影響如表3所示，相較于對照處理，添加“金阜豐”土壤改良劑和腐殖酸后土壤有機質、全氮含量顯著提高，添加脫硫石膏后速效鉀含量顯著增高。這主要是由于“金阜豐”土壤改良劑和腐殖酸中含有一定量的有機質和氮，能增加土壤有機質、全氮含量，但其有效磷和速效鉀含量較低，因此影響不顯著；施加脫硫石膏后能夠促進鉀元素被土壤膠體吸附，從而增加土壤交換性鉀離子的含量，土壤中的速效鉀含量也隨之增加。從土層深度層面來看，各處理土壤有機質、速效鉀含量隨著土層深度的增加逐漸降低。其中，SC處理在各土層深度的有機質含量均最大，平均值達到10.0 g·kg-1，分別較CK、FGD、HA處理提高21.61%、19.57%、3.37%，說明“金阜豐”土壤改良劑對土壤有機質含量的增加效果最為顯著。HA處理土壤全氮含量最高，平均為0.97 g·kg-1，分別較CK、FGD、SC處理提高35.14%、32.08%、14.02%。土壤速效鉀含量FGD處理最高，平均為113 mg·kg-1，分別較CK、SC、HA處理提高8.65%、8.65%、9.71%。

表3 不同土壤改良劑條件下0—60 cm土層土壤養分Table 3 Soil nutrients in 0—60 cm soil layer under different soil amendments

2.2 不同土壤改良劑對水稻產量和經濟效益的影響

水稻千粒重可以體現水稻籽粒大小與飽滿程度，是檢驗稻米質量和預測田間產量的重要依據。由表4可以看出，施加土壤改良劑可以提升水稻千粒重和產量。與對照相比，施加土壤改良劑的水稻千粒重和產量分別增加10.19%～13.59%和13.54%～27.95%。其中，HA處理千粒重和產量最大，分別達到23.4 g和7 380 kg·hm-2。另外，通過經濟效益分析發現，施加土壤改良劑可以提升水稻產值和純利潤，其中，HA處理獲得了最大的產值、純利潤和產投比，分別為25 830.0元·hm-2、6 564元·hm-2和2.31，對比FGD和SC處理，HA處理產投比分別增加了67.01%和13.68%，綜合考慮稻米質量、水稻產量和經濟效益，建議優先選用腐殖酸改良本地區低洼鹽堿地。

表4 不同土壤改良劑下陜北低洼鹽堿地水稻的產量及經濟效益Table 4 Rice yield and economic benefits in low-lying saline alkali land in Northern Shaanxi under different soil amendments

3 討論

土壤含鹽量過高會阻礙水稻正常生長發育，導致水稻吸水困難、生理干旱，破壞正常代謝，抑制光合作用和呼吸作用，影響葉綠蛋白的形成[13]；土壤酸堿性是影響土壤養分有效性的重要因素之一，pH過高或過低都不利于水稻對土壤養分的吸收[17]。試驗區地勢低洼、蒸發量大，鹽離子隨水流聚集，且地下水位埋藏淺、礦化度高、出流不暢，土壤鹽漬化特征明顯，表層土pH為9.03，水溶性鹽總量為2.97 g·kg-1，嚴重影響水稻生長發育。本試驗選擇的3種土壤改良劑可顯著降低表層土壤pH，各處理較對照降低4.53%～5.57%，其中，腐殖酸可顯著降低表層土壤含鹽量，與對照相比，表層土壤含鹽量降低12.43%。周陽[20]在脫硫石膏與腐殖酸改良鹽堿土效果研究中發現，脫硫石膏和腐殖酸共同施用，可顯著降低土壤pH和含鹽量；另外也有研究發現，“金阜豐”土壤改良劑可以有效降低土壤pH[11]，這與本研究結果基本相同。

土壤容重可以反映土壤緊實度，本研究發現，鹽堿地中施加土壤改良劑，可有效降低土壤容重、改善土壤物理性質，3種土壤改良劑以施用腐殖酸對土壤容重的改善效果最好。腐殖酸溶于水后形成親水膠體，在植物根系作用下，與土壤中鈣離子發生凝聚反應而形成團粒結構，使土壤容重降低、空隙度增大[21]。王燕[22]以科爾沁地區鹽漬化草甸土為研究對象，開展不同改良措施對不同鹽漬化程度土壤容重影響試驗，發現腐殖酸能在一定程度上調節土壤質地，降低土壤容重，改善土壤物理結構，這與本研究結果基本相同。

土壤養分是評價土壤生產力高低的重要指標之一。添加“金阜豐”土壤改良劑和腐殖酸后土壤有機質、全氮含量顯著提高；添加脫硫石膏后，速效鉀含量顯著提高。謝仕祺等[23]研究土壤改良劑對土壤養分及細菌群落的影響，發現施加土壤改良劑對土壤pH、有機質、有效磷、堿解氮、速效鉀、交換性鈣鎂、過氧化氫酶和蔗糖酶活性有不同程度的提升。韓劍宏等[16]研究發現，在內蒙古包頭市鹽堿地耕層土壤中施加腐殖酸80 d后，土壤速效鉀、速效氮及有機質均顯著提升，而有效磷含量較對照減少6.0%。周陽[20]研究發現，使用脫硫石膏和腐殖酸改良鹽堿地，可顯著提升表層土壤有機質、全氮和速效鉀含量。使用腐殖酸和土壤改良劑增加土壤有機質和全氮含量，這與本研究結果相同，而施用土壤改良劑增加土壤有效磷含量與本研究結果存在一定出入，這可能與試驗使用的改良劑養分含量不同有關。

水稻產量和品質是鹽堿地改良效果的直接體現，施加土壤改良劑可以顯著提升水稻千粒重和產量，與對照相比，施加土壤改良劑的水稻千粒重和產量分別增加10.19%～13.59%和13.54%～27.95%，其中，施加腐殖酸改良劑后，水稻千粒重和產量最大，這與前人研究結果相似[11]。脫硫石膏作為最常見的鹽堿地改良劑，能降低土壤pH，改善土壤理化性質，增加土壤通氣性和持水性，改善土壤微生物生長繁殖環境，促進水稻生長[24]；“金阜豐”土壤改良劑呈酸性，且含有一定量有機質，施加到鹽堿地土壤中，可以改變土壤膠體離子組成，調節土壤酸堿度，改善土壤結構，提高植物養分供應，從而達到改良鹽堿地目的[25]；腐殖酸是一種弱酸，且帶有負電的膠體，對土壤的酸堿度起到很好的調節作用，與土壤結合后起到隔鹽、吸鹽作用，同時腐殖酸含有植物生長所必需的有機質和微量元素，可為作物生長發育提供必要的補充，增加作物產量[13]。通過經濟效益分析發現，施加改良劑可以顯著提升水稻產值和純利潤，其中施加腐殖酸處理獲得了最大的產值、純利潤和產投比，綜合考慮稻米質量、水稻產量和經濟效益，建議優先選用腐殖酸土壤改良劑改良陜北低洼鹽堿地。