不同改良劑配施對河套灌區堿化土壤理化性質及枸杞生長的影響

黃浦江,方 昭,余海龍,張峰舉,黃菊瑩

(1.寧夏大學農學院,寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學生態環境學院,寧夏 銀川 750021;3.西北農林科技大學水土保持研究所,陜西 楊凌712100;4.寧夏大學地理科學與規劃學院,寧夏 銀川 750021)

鹽堿土是各種鹽土和堿土以及不同程度鹽化和堿化土壤的總稱[1],其分布廣泛,是重要的后備土地資源[2]。目前我國鹽堿地面積約占世界鹽堿地總面積的10.4%,且主要分布在西北、華北、東北和沿海地區[3-4]。在我國人口增加、耕地減少的情況下,最大限度地開發利用鹽堿地資源對于實現我國農業可持續發展具有重要意義[5]。

長期以來,國內外學者們一直致力于各種鹽堿地改良措施的研究[6-14],如采用明溝和暗溝排鹽[10-12]和深松改土等[9]物理措施進行鹽堿地改良;應用工、農業廢棄物脫硫石膏[13, 15-16]或磷石膏[17]以及生物炭[6]等化學措施改良鹽堿土;以及通過種植或篩選耐鹽堿植物進行生物降鹽改土實踐[9, 18]。其中,化學改良措施以其經濟、環保、快速高效等特點備受環境治理領域學者們的關注。以往大多數研究采用單一改良劑進行鹽堿地治理會存在諸多弊端,難以實現理想的改良效果[15-16, 19-21],如單施脫硫石膏雖然可以對土壤中鹽基離子起到置換作用,但不能完全解決堿化土壤“粘、板、瘦”等理化性質所引起的作物生長不良問題[15-16, 20, 22]。近年來,諸多學者也開始探究多種改良劑組合配施的改良方式,這樣不僅可以解決大量廢棄物(如脫硫石膏,醋糟,生物炭等)的資源化處置問題,同時還可以彌補施用單一改良劑的短板問題。

寧夏河套灌區鹽堿地分布范圍廣,土壤pH值和堿化度高、質地粘重,土壤肥力低。近年來在人為因素和自然因素綜合影響下,大量鹽堿荒地和低產鹽堿化面積不斷擴大,致使生態環境惡化和可耕地面積減少,嚴重制約了該區農業可持續發展。枸杞(Lyciumchinense)作為我國西北地區主要經濟及生態樹種之一,具有耐旱抗堿、耐沙荒貧瘠、綜合經濟效益高等特點,因此被大面積推廣種植,在促進當地經濟發展以及推動地區脫貧等方面發揮了重要作用[23]。鑒于脫硫石膏和不同功能改良劑組合模式對堿化土壤的改良研究還相對較少,本研究以枸杞為供試材料,探討了利用當地燃煤電廠廢棄物脫硫石膏配施不同功能改良劑對土壤鹽堿指標、養分狀況以及枸杞農藝性狀的影響,進而篩選最優改良組合方案,旨在為河套地區鹽堿地治理和恢復提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗樣地位于寧夏平羅西大灘鹽堿地改良實驗基地,地處河套灌區西南部(106°24′209″E,38°50′289″N),平均海拔約1 200 m,屬于溫帶大陸性季風氣候:平均氣溫8.5 ℃;年平均降水量180 mm,且大多集中在7—9月;多年平均蒸發量1 755 mm,且在4—5月份時蒸發量最大。試驗區地形平緩,坡度較小,常年地下水位1.5～2.0 m;地下水礦化度平均為3.25 g·L-1。研究區主要土壤類型為龜裂堿土(俗稱白僵土)。供試土壤為中度鹽化堿土,其理化性質見表1。

表1 研究區供試土壤理化性質Table 1 Soil properties of the test soils in the study area

1.2 供試材料

本試驗供試枸杞品種為‘寧杞九號’,由寧夏農林科學研究院提供。供試枸杞苗為兩年生幼苗,地徑約為0.8～1.0 cm,株高約為50～60 cm。改良劑(脫硫石膏、醋糟、菌肥、保水劑、微肥、誘抗素)來源及主要成分見表2。

1.3 試驗處理

試驗小區采用隨機區組排列,共包括7個處理:T1(不施用改良劑,對照);T2(脫硫石膏);T3(脫硫石膏+醋糟+菌肥);T4(脫硫石膏+菌肥);T5(脫硫石膏+醋糟+菌肥+保水劑);T6(脫硫石膏+微肥);T7(脫硫石膏+誘抗素)。每個處理設置4次重復,共計28個小區,各小區面積為40 m2(5 m × 8 m)。各小區間按照寬50 cm和高30 cm的規格打埂。不同組合處理下改良劑的最佳施用量參考該地區同類相關研究[8, 20, 22, 24](表3),其中微肥為硼肥、鋅肥和鐵肥各45 kg·hm-2;誘抗素是將0.10% S-誘抗素水劑稀釋1 000倍后使用噴霧器對移栽后的枸杞植株莖葉進行均勻噴施。

表3 不同改良劑組合配施下對應的施用量Table 3 Applied amount under different modifier combinations

2013年5月11日進行枸杞移栽,株行距為100 cm×200 cm,移栽前施入基肥:有機肥22.5 t·hm-2,N∶P2O5∶K2O配比為30∶15∶18。此后3年未施入任何改良劑,僅按當地農民施肥習慣在春季和秋季施用化肥。將不同改良劑和有機肥在整地時均勻撒施在各小區壟下,用旋耕機將其與耕層(0～25 cm)土壤充分混合均勻,然后灌水洗鹽,灌水量遵照當地生產習慣確定,枸杞生育期內不再進行灌水。

1.4 樣品采集和測定方法

1.4.1 土壤指標的測定 于2013—2016年每年8月中旬在每個小區用土鉆按“梅花形”采集0～20 cm和20～40 cm土壤樣品,重復4次。每層土樣均勻混合后過2 mm網篩分為兩部分:一部分直接用于pH值和電導率(EC)測定;另外一部分自然風干后過1 mm網篩用于土壤有機碳、全氮、全磷、全鹽含量、堿解氮、速效磷和速效鉀的測定。其中分別采用pH計法和電導率法測定土壤pH、EC和全鹽含量;土壤有機碳、全氮和全磷含量分別采用重鉻酸鉀外加熱法、凱氏定氮法、鉬銻抗比色法測定;土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定;土壤速效磷含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3法測定;土壤鹽基離子Na+、Ca2+和Mg2+分別用火焰光度法和EDTA滴定法測定[25]。鈉吸附比(SAR)計算公式為:

1.4.2 枸杞生長性狀指標測定 2013—2016年,在每個試驗小區統計枸杞成活數并計算成活率/保存率(2013年為成活率,2014—2016為保存率),然后在每個試驗小區隨機選取3行,每行連續選5株用于測定枸杞株高和產量。枸杞成活率(%)=成活數/栽植數×100;保存率(%)=保存數/栽植當年成活數×100;產量(kg·hm-2)=枸杞果實干質量/種植面積。

1.5 數據處理

運用Excel 2010對數據預處理后,采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著性差異法(LSD)比較不同處理間枸杞農藝性狀和土壤理化性質指標的差異(顯著性水平為P<0.05),分析之前對各類數據進行正態分布和方差齊性檢驗;并用Pearson相關分析檢驗枸杞農藝性狀與土壤理化指標之間的相關性,數據分析和繪圖分別在SPSS 22.0 和Origin 2021軟件中完成。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤pH值、全鹽及鈉吸附性比(SAR)的影響

不同改良措施對枸杞地土壤pH值和全鹽含量的影響如表4所示。4年間不同改良處理在一定程度上降低了枸杞地0～20 cm和20～40 cm土壤pH值和全鹽含量,其中2013年不同處理對兩個土層pH值和全鹽含量無顯著影響(P>0.05)。2014—2016年,不同處理下兩土層pH值和全鹽含量下降比例均以T4和T5處理最為顯著(2014年全鹽除外)。對于SAR而言,2013年不同處理使表層0～20 cmSAR較對照顯著下降,而對20～40 cmSAR影響較弱。經過4年改良后,T2、T3、T4和T5處理下兩土層SAR較對照處理均顯著降低,其中下降比例以T5最多。

表4 不同處理對土壤pH、全鹽和SAR的影響(平均值,n=4)Table 4 Effects of different treatments on soil pH, total salt contents and sodium adsorption ratio (mean value, n=4)

2.2 不同處理對土壤有機碳、全氮和全磷的影響

通過對枸杞試驗地土壤理化性質分析顯示(表5),不同處理均提高了不同土層有機碳含量,并且隨改良年限的延長,各處理下有機碳含量逐年增加,其中以2016年有機碳增加比例最大。與對照處理相比,2013—2016年不同處理對土壤全氮含量有一定的提升作用,其中不同處理下0～20 cm土壤全氮含量平均增加比例高于20～40 cm,T4、T5和T6處理在不同年份均表現出最高的增加比例。對于土壤全磷含量而言,除2015年0～20 cm和20～40 cm土壤全磷含量較對照有所降低外,其余年份不同處理下兩土層全磷含量均呈現微弱的增加趨勢,其中T4處理顯著高于對照處理(P<0.05)。

表5 不同處理對土壤有機碳、全氮和全磷含量的影響(平均值,n=4)/(g·kg-1)Table 5 Effects of different treatments on soil organic carbon, total nitrogen and total phosphorus contents (mean value,n=4)

2.3 不同處理對土壤速效養分的影響

對于土壤速效養分而言(表6),2013—2016年中不同處理對不同土層堿解氮含量有顯著提升作用,T5處理對0～20 cm(20～40 cm)土壤堿解氮含量提升作用最為明顯,與對照相比分別增加了23.43%(61.78%),218.67%(3.94%),23.70%(68.95%)和15.15%(33.97%)。不同處理對速效磷和速效鉀的影響隨配施功能改良劑種類不同而異,整體對表層0～20 cm速效磷和速效鉀含量有一定的提升作用,而對20～40 cm土壤速效磷和速效鉀含量影響較弱或不存在一致的規律性變化。

表6 不同處理對土壤速效養分含量的影響(平均值,n=4)/(mg·kg-1)Table 6 Effects of different treatments on the content of available nutrients in soil (mean value, n=4)

2.4 不同處理對枸杞農藝性狀的影響

從不同改良年限來看,2013—2016年不同處理使枸杞成活率/保存率較對照分別提高了6.8%～32.7%,19.9%～46.7%,18.71%～41.11%和18.76%～37.31%(圖1)。隨改良年限的延長,各處理下枸杞存活率/保存率有所降低;不同改良處理下枸杞株高較對照處理均有明顯增加,并隨改良時間的延長而逐年增大。2014、2015和2016年枸杞株高分別比2013年平均增加68.2%、76.3%和77.6%。對于枸杞產量而言,不同處理下枸杞產量隨改良年限呈現先增加后下降的變化趨勢,其中以2015年枸杞產量增幅最大,相較對照平均增加610.7%。另外,2013—2016年改良過程中枸杞存活率/保存率、株高和產量均以T5處理(脫硫石膏+醋糟+菌肥+保水劑)最大。

注:不同小寫字母表示同一年份處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters mean significant differences between treatments in the same year (P<0.05).圖1 不同處理對枸杞成活率/保存率、株高和產量的影響Fig.1 Effects of different treatments on the survival rate/ preservation rate, plant height and yield of Lycium chinensis

2.5 不同改良措施下枸杞農藝性狀的影響因素分析

不同處理下枸杞農藝性狀與土壤和氣候因子間的相關分析結果表明(圖2),不同土壤理化性質指標對枸杞農藝性狀(成活率、株高和產量)的影響不同。具體而言,枸杞成活率主要與0～20 cm土層全氮含量呈顯著正相關關系,而與0～20 cm土層pH值呈顯著負相關關系(P<0.05)。對于株高和產量而言,二者與不同土層有機碳、堿解氮和速效鉀含量呈較強正相關關系(P<0.05),但與0～20 cm土層pH值以及兩土層全鹽含量呈顯著負相關關系(P<0.05)。相比之下,年均氣溫與枸杞株高和產量呈現顯著負相關關系(P<0.05),年均降水量與株高和產量呈顯著正相關關系(P<0.05),而二者對枸杞成活率/保存率的影響均未達到顯著水平(P>0.05)。

注 Note:*: P≤0.05;**: P≤0.01;***: P≤0.001.圖2 枸杞農藝性狀與環境因子間的相關分析Fig.2 Correlation analysis between agronomic traits of Lycium chinense and environmental factors

3 討 論

與以往施用單一改良劑研究不同,本研究針對寧夏河套灌區堿化土壤特性,將脫硫石膏廢棄物與不同功能改良劑組合配施,發現不同改良劑組合配施一定程度上降低了土壤pH值和全鹽含量;改良初期,由于不同組合改良劑施入時間較短,2013年各處理土壤pH值和全鹽含量下降程度均未達到顯著差異(P>0.05);隨著改良年限增加,改良后期(2014—2016年)較對照處理均顯著下降。分析認為,研究區土壤本身的堿化環境具有一定的酸緩沖能力;另一方面各組合處理中醋糟和脫硫石膏作為偏酸性廢棄物,在中和土壤pH值和降低堿化度方面具有調節作用,而且醋糟和石膏配施也可能會增加石膏的溶解量,進而提升Na+置換能力,從而增加脫硫石膏降堿抑鹽的效果。隨著改良年限增加,土壤鹽基組分逐漸被改變并減少了單鹽毒害的發生。但對于降鹽方面,脫硫石膏本身作為一種鹽,長期施用或者管理不善都有可能導致土壤全鹽含量增加[22],因此不同堿化土壤改良也需要嚴格控制脫硫石膏的施用量。鈉吸附性比是衡量土壤鹽堿化程度的重要指標,經過4年改良試驗發現,不同改良劑組合處理下土壤鈉吸附比均有所降低,其中以T2、T3和T4處理下降程度最為顯著,而T6和T7處理較對照下降程度較小。這主要是一方面脫硫石膏本身含有大量Ca2+、Mg2+類化合物,土壤中Ca2+、Mg2+離子濃度的增加會引起SAR降低;另外醋糟和菌肥的配施不僅為土壤中提供了大量有機質和養分元素,同時也引入大量有益微生物,促進了養分釋放速率[21,24,27]以及團粒結構的形成,對于降鹽改土也起到很好的效果;而微量元素和誘抗素與脫硫石膏的配施對于鈉吸附比起到降低作用不太顯著甚至可能有負面影響。

土壤有機質、全氮、全磷以及速效養分是評估耕地質量高低的重要指標。不同改良劑組合配施對0～20 cm土壤有機碳、全氮、堿解氮含量的提升作用優于20～40 cm,且其影響程度隨改良年限推移而逐漸增強;而對于土壤全磷、速效磷、速效鉀含量促進作用整體較弱或不存在一致的規律性變化。一般而言,單施脫硫石膏對土壤肥力的改善作用有限,不能很好的解決堿化土壤“粘、板、瘦”等不良性質[8]。本研究中發現脫硫石膏與不同功能改良劑配施一定程度上可以彌補上述缺陷。幾種組合改良劑型間,以T5處理對不同土層有機碳、全氮、堿解氮含量等肥力指標提升作用最為明顯。這主要是因為T5處理中醋糟為養分貧瘠的土壤補充了大量的有機質和微量元素,同時微生物菌肥的施加增加了土壤微生物數量和相關代謝酶活性,使得鹽堿土壤速效養分和有機碳等含量隨改良年限增加而增加,這與大多數改良劑與菌肥配施試驗結果較為一致[28-29];此外,由于研究區常年干旱少雨、蒸發量大,保水劑的配施一定程度上可以降低水分蒸發和提高土壤含水量,這對于提高干旱地區作物抗旱保水能力和增產增收方面具有較為廣闊的應用前景[30-31]。

本研究相關分析結果顯示,枸杞成活率主要與表層全氮含量呈顯著正相關關系,與土壤pH值呈顯著負相關關系(P<0.05)。對于株高和產量而言,二者與不同土層有機碳、堿解氮和速效鉀含量呈較強正相關關系(P<0.05),但與0～20 cm土壤pH值以及兩土層全鹽含量呈顯著負相關關系(P<0.05)。幾種改良劑組合配施對枸杞成活率、株高和產量的提升作用主要是通過增加土壤有機碳、速效鉀、堿解氮含量以及營造適宜于枸杞正常生長發育的pH值和全鹽環境實現的。此外,研究區的氣候條件(溫度和降水)對枸杞的植株生長和產量提高也存在重要影響,因而在枸杞生長發育期內保證適宜的溫度和水分供應才能實現良好的經濟效益。水分和微量元素對枸杞果實生長發育、外觀、色澤也有重要影響,不同改良措施中保水劑、微肥和醋糟的配施一定程度上保證了枸杞對水分和微量元素的生長需求。鹽堿地微量元素含量其實并不低,但大多都被土壤固定難以釋放出來,因此適當地增加土壤微量元素對于鹽堿地枸杞產量和品質也具有較大影響。大多數鹽堿地由于灌溉、長期洗鹽等措施導致土壤有機質普遍含量偏低,而醋糟作為有機副產物,與脫硫石膏配合添加一定程度上增加了土壤中有機質含量,從而提高了枸杞產量和品質[1]。綜合對比不同改良措施前后土壤鹽堿指標、養分狀況以及枸杞農藝性狀,其中脫硫石膏+醋糟+菌肥+保水劑組合改良效果最佳。此外,鑒于本研究數據相對陳舊,因此還需進行長期的動態監測,深入探討不同改良措施下的長期治理效果,以便為河套地區同類型鹽堿地的生態治理提供更為精準的理論依據和推廣示范效果。

4 結 論

2013—2016年試驗及綜合數據分析表明,不同改良劑組合配施有助于提高土壤有機碳、全氮和速效養分,降低pH值、SAR和全鹽含量,促進了枸杞生長發育,其組合配施效果整體優于單施脫硫石膏,并且影響程度隨改良年限推移而逐漸增強;枸杞農藝性狀指標主要與有機碳、堿解氮、速效鉀含量和年均降水量呈顯著正相關關系,而與pH值、全鹽和年均氣溫呈顯著負相關關系。不同改良劑組合型間,脫硫石膏+醋糟+菌肥+保水劑配施在增加土壤有機質和養分含量、降堿抑鹽和實現枸杞增產增收方面效果顯著,今后的實際推廣應用中還需綜合考慮其經濟成本和應用效果,最終確定最佳的改良方案。