脫硫石膏配施不同量有機(jī)物料對鹽堿土壤改良效果及作物產(chǎn)量的影響

王 丹,黃 超,李小東，劉 娟，張鳳華

(1.石河子大學(xué)，新疆 石河子 832003；2.新疆天富能源股份有限公司，新疆 石河子 832003)

由于人類長期對土地不合理的開發(fā)利用及新疆自身獨(dú)特的地理?xiàng)l件，土壤鹽堿化問題日漸嚴(yán)重[1]。新疆鹽堿荒地面積達(dá)2.81×107hm2，約占中國鹽堿地總面積的1/3[2]，鹽堿化已經(jīng)完全制約著新疆的農(nóng)業(yè)開發(fā)和持續(xù)發(fā)展。如何通過綜合改良措施，最大程度消除鹽堿危害對于保障新疆的糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[3]。

脫硫石膏作為燃煤脫硫廢棄物，已被證實(shí)是一種有效的改良鹽堿土壤措施[4]。孫兆軍等[5]研究表明，施用脫硫石膏改良后3 年，堿化土土壤pH 值、堿化度、全鹽量分別降低 17.20%、42.63%和46.43%。Mao等[6]研究表明，施用脫硫石膏的土壤交換性鈉百分率顯著降低。施用脫硫石膏能促進(jìn)水稻幼苗的生長，還可提高枸杞幼苗成活率[5, 7]。但由于脫硫石膏自身就是鹽，施用不當(dāng)效果會(huì)適得其反的。Sakai等[8]研究表明，脫硫石膏施用量過大或管理不善會(huì)引起土壤鹽分累積，導(dǎo)致土壤全鹽含量上升。魏淑貞等[9]通過室內(nèi)土柱試驗(yàn)得出脫硫石膏施用量并非越多越好。因此，通過改善脫硫石膏的施用方式，強(qiáng)化其對鹽堿土壤的改良效果并優(yōu)化施用結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到科學(xué)的運(yùn)用燃煤脫硫廢棄物改良鹽堿土壤的目的。張伶波等[3]在山東樂陵地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)得出，脫硫石膏與腐殖酸1∶1組合使土壤pH值降低，速效鉀含量顯著提高并且實(shí)現(xiàn)了玉米增產(chǎn)40%。Nan等[10]以江蘇省北部沿海地區(qū)鹽堿地為試驗(yàn)區(qū)，研究表明每公頃土地以3.2 t脫硫石膏配施1.5 t腐殖酸改良鹽堿效果最佳且油菜增產(chǎn)效果明顯。周陽等[11]通過內(nèi)蒙古呼和浩特試驗(yàn)得出，在脫硫石膏和腐殖酸共同作用下，土壤容重顯著降低，青貯玉米的出苗率和產(chǎn)量均顯著増高。

本試驗(yàn)通過研究脫硫石膏與不同量有機(jī)物料配施對鹽堿土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量的影響，尋找脫硫石膏與有機(jī)物料的最佳配比，以達(dá)到降低脫硫石膏施用量和提高脫硫石膏對鹽堿土壤改良效果的目的，為新疆科學(xué)合理利用脫硫石膏改良鹽堿地提供參考，為利用脫硫石膏改良鹽堿土壤的大面積推廣提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于新疆瑪納斯河流域石河子西古城鎮(zhèn)(45°01′08″N 、85°55′33″E)。研究區(qū)位于天山北麓、古爾班通古特沙漠南緣，東、西、北三面環(huán)沙，素有“沙海半島”之稱。海拔高度346～358.8 m，無霜期為135～205 d，≥0℃積溫為3 990.9℃，≥10℃積溫為3 693.8℃。常年干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均降水量100 mm，而年蒸發(fā)量卻達(dá)到1 100 mm?，F(xiàn)有耕地面積約1.4萬hm2，其中鹽堿耕地約0.7萬hm2，占耕地面積的50%，耕地土壤鹽堿化程度較重。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2015年4月22—28日在研究區(qū)開展微區(qū)試驗(yàn)。采用單因素完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積為5 m×6 m(30 m2)。共設(shè)4個(gè)施肥處理，T1：CK(單施脫硫石膏：1 000 kg·666.7m-2)；T2：A(脫硫石膏1 000 kg·666.7m-2+有機(jī)物料25 kg·666.7m-2)；T3：B(脫硫石膏1 000 kg·666.7m-2+有機(jī)物料50 kg·666.7m-2)；T4：C(脫硫石膏1 000 kg·666.7m-2+有機(jī)物料1 00 kg·666.7m-2)。有機(jī)物料主要為腐植酸肥料(產(chǎn)自新疆雙龍腐植酸有限公司，其名稱為DD-黃腐酸鉀Ⅱ型，主要成分為黃腐酸和腐植酸)。脫硫石膏和有機(jī)物料均勻撒施在各小區(qū)后，用圓盤耙進(jìn)行耙地，耙地深度為0～20 cm。試驗(yàn)地種植的作物為棉花，采用膜下滴灌栽培種植模式1膜2管6行。處理后期的田間管理水平都相同，在棉花整個(gè)生育期內(nèi)采用常規(guī)灌溉，灌溉量與實(shí)際生產(chǎn)一致，共滴灌了9次水，總灌水量是380 m3·666.7m-2，試驗(yàn)地試驗(yàn)前土壤狀況見表1。

試驗(yàn)地土壤屬于灰漠土，土壤表層為粘質(zhì)土壤，根據(jù)國家對土壤鹽堿程度分級標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)地土壤屬于中度鹽堿化土壤。土壤鹽漬化的基本類型為以硫酸鹽為主的鹽堿土。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤樣品的采集與處理 2015年9月20日對收獲后的棉花地進(jìn)行采樣，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)挖三個(gè)剖面(深度60 cm)，分別采集0～10、10～20、20～40、40～60 cm的土樣，把三個(gè)樣點(diǎn)的相同土層的土壤樣品均勻混合，采用“四分法”保留土壤，將采集土壤帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，風(fēng)干后過1 mm篩。對試驗(yàn)田原狀土壤采集，分別采0～10、10～20、20～40、40～60 cm的土樣于塑料盒中，途中避免對原狀土的擠壓，將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，在室溫下風(fēng)干，使樣品達(dá)到塑限的程度后(含水量20%左右)，過8 mm篩，用于團(tuán)聚體分析。

表1 試驗(yàn)地土壤狀況

1.3.2 土壤樣品測定指標(biāo)與方法 土壤孔隙度：土壤孔隙度(%)=1-容重/2.65；土壤團(tuán)聚體組成分布的測定：干篩法，風(fēng)干過程中，沿土壤自然結(jié)構(gòu)輕輕掰成直徑1 cm3左右的小土塊，去除植物根系與石塊，取樣品100 g，通過一套直徑為30 cm的篩組，篩子孔徑依次為8、5、2、1、0.25 mm和0.053 mm，篩組上方有蓋，下方有底，篩分時(shí)間為10 min，篩分結(jié)束后，測量各孔徑篩子上土樣重量(Wdi)；土壤pH值采用BPH252 pH計(jì)(土水比1∶2.5)測定；土壤電導(dǎo)率采用DDSJ-308A型電導(dǎo)率儀(土水比1∶5)；土壤K+，Ca2+，Na+，Mg2+含量測定采用ICP法(等離子體發(fā)射光譜測定法)。

1.3.3 作物產(chǎn)量的測定 2015年9月15日對研究區(qū)試驗(yàn)地各處理下的棉花產(chǎn)量進(jìn)行測定。測產(chǎn)方法如下：每個(gè)小區(qū)取3個(gè)樣點(diǎn)，取樣為對角線法；行距測定：每個(gè)樣點(diǎn)中取11行測量行距，計(jì)算平均行距；株距測定：每個(gè)樣點(diǎn)中隨機(jī)選取1行的21株測量株距，計(jì)算平均株距；鈴數(shù)調(diào)查：每個(gè)樣點(diǎn)隨機(jī)選3行，每行連續(xù)10株，共計(jì)30株，調(diào)查鈴數(shù)；單鈴重(g)：每個(gè)樣點(diǎn)隨機(jī)收取吐絮鈴100個(gè)，自然取出籽棉，晾曬干后稱重量，計(jì)算平均單鈴重，單鈴重(g·鈴-1)=100個(gè)絮鈴籽棉干重(g)/100;667m2產(chǎn)量=(667m2株數(shù)×單株成鈴數(shù)×單鈴重×系數(shù))/1000，系數(shù)取0.85。

1.4 脫硫石膏的組分

試驗(yàn)所用的脫硫石膏由新疆天富能源股份有限公司南熱電發(fā)電廠提供，脫硫石膏的主要成分是CaSO4·2H2O，含量為75.85%。含水率37.54%～38.65%，pH值7.55，電導(dǎo)率為2.88 mS·cm-1，總鹽含量為16 g·kg-1，K含量為5.39 g·kg-1，Na含量為12.35 g·kg-1，Ca含量為226.71 g·kg-1，Mg含量為4.16 g·kg-1。

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理和繪圖用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行。方差分析采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)、最小顯著差法(LSD)進(jìn)行多重比較差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 脫硫石膏配施不同量有機(jī)物料對土壤物理特性的影響

2.1.1 土壤孔隙度的變化 由圖1可知，脫硫石膏配施不同量有機(jī)物料處理整體上均明顯增加土壤孔隙度，隨著脫硫石膏配施有機(jī)物料比例的增加，土壤孔隙度呈現(xiàn)出增加的趨勢(C>B>A)；0～10 cm土層增加幅度最明顯，與單施脫硫石膏相比，土壤孔隙度分別增加了17.55%、26.20%、42.29%。

2.1.2 土壤團(tuán)聚體的變化 由表2可知，脫硫石膏配施不同量有機(jī)物料處理均增加了耕層(0～20 cm)土壤及20～40 cm土層土壤中大團(tuán)聚體(粒徑>0.25 mm)的比例，降低了小團(tuán)聚體(0.053～0.25 mm)和微團(tuán)聚體(<0.053 mm)的比例；脫硫石膏配施有機(jī)物料處理對耕層土壤中>0.25 mm團(tuán)聚體的比例(R0.25)的增加效果最顯著，且隨著土層深度的增加，增加效果呈現(xiàn)出減弱的趨勢。各處理0～10 cm和10～20 cm土層土壤中大團(tuán)聚體的比例分別較單施脫硫石膏增加了9.96%、20.23%、33.50%和7.37%、20.54%、24.90%；0～40 cm土層，大團(tuán)聚體的比例均表現(xiàn)為C>B>A，且各處理間差異顯著。在40～60 cm土層中A、B和C處理之間大團(tuán)聚體比例之間差異均不顯著。

注 Note：CK—單施脫硫石膏處理 Single FGD gypsum，A—1 000 kg·667m-2+25 kg·667m-2，B—1 000 kg·667m-2+50 kg·667m-2，C—1 000 kg·667m-2+100 kg·667m-2。下同。The same below.圖1 脫硫石膏配施不同量有機(jī)物料處理土壤孔隙度的變化Fig.1 Effects of different amount of organic materials combinedvwith desulfurized gypsum on soil porosity

土層深度/cmDepth處理Treatment不同粒徑團(tuán)聚體比例/%Soil aggregates in different size>0.25 mm0.053～0.25 mm<0.053 mm0～10CK58.13d32.94a8.93aA63.92c29.07b7.01bB69.90b26.44c3.66cC77.63a19.84d2.53d10～20CK67.05d25.01a7.94aA71.99c23.00b5.01bB80.82b16.11c3.07cC83.75a12.52d3.73c20～40CK48.21d37.32c14.47aA50.90c39.26b9.84bB52.93b40.43a6.64cC54.04a41.48a4.48d40～60CK20.89a62.87a16.24cA19.67a60.17b20.16bB20.29a59.54b20.17bC19..48a57.62c22.90a

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著 (P<0.05)。

Note: different lower case letters in the same column indicate significantly difference among treatments atP<0.05 level.

2.2 脫硫石膏配施不同量有機(jī)物料對土壤化學(xué)特性的影響

2.2.1 土壤pH值的變化 由圖2可知，脫硫石膏配施不同量有機(jī)物料處理較單施脫硫石膏均顯著降低土壤的pH值。0～10 cm土層土壤中，隨著配施有機(jī)物料量的增加，土壤pH值呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，B處理最低，顯著低于其他處理，A 處理與C處理之間差異不顯著；10～20 cm土層土壤中，隨著配施有機(jī)物料比例的增加，土壤pH值呈現(xiàn)出降低的趨勢，B處理與A處理、C處理之間差異均不顯著，A處理顯著大于C處理；20～40 cm土層， A處理顯著高于B處理和C處理，B處理和C處理之間差異不顯著；40～60 cm土層中隨著配施有機(jī)物料比例的增加，土壤pH值呈現(xiàn)出降低的趨勢，A處理與B處理之間差異不顯著，但均顯著高于C處理。

2.2.2 土壤堿化度的變化 由圖3可知，0～10 cm土層中，A處理與單施脫硫石膏處理之間無顯著性差異，但顯著高于B處理和C處理，C處理顯著低于其他處理；10～20 cm土層中，A處理顯著高于單施脫硫石膏與B、C處理，各處理之間差異均顯著，C處理最低；20～40 cm土層中，脫硫石膏配施有機(jī)物料處理均顯著低于單施脫硫石膏處理，且隨著有機(jī)物料配施比例的增加，土壤堿化度呈現(xiàn)出降低的趨勢，B處理與A處理、C處理之間差異均不顯著，A處理顯著大于C處理；40～60 cm土層中，各處理之間均無顯著性差異。

2.2.3 土壤電導(dǎo)率的變化 由圖4可知，脫硫石膏配施有機(jī)物料處理均顯著降低耕層土壤0～20 cm和20～40 cm土層土壤的電導(dǎo)率。0～10 cm土層中，各處理之間差異均顯著，隨著有機(jī)物料配施量的增加，土壤電導(dǎo)率呈現(xiàn)出遞減的趨勢，A、B、C處理分別較單施脫硫石膏處理下降51.37%、67.12%和70.55%；10～20 cm土層中，隨著有機(jī)物料配施量的增加，土壤電導(dǎo)率呈現(xiàn)出遞減的趨勢，B處理與C處理之間差異不顯著；20～40 cm土層土壤中，隨著有機(jī)物料配施量的增加，電導(dǎo)率呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，單施脫硫石膏處理與A、B處理之間差異均不顯著，A處理顯著高于B、C處理，B處理與C處理之間差異不顯著；40～60 cm土層中，隨著有機(jī)物料配施量的增加，電導(dǎo)率則呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，單施脫硫石膏處理與A、B處理之間差異均不顯著，A、B、C處理之間差異均顯著，C處理最高。

2.2.4 土壤陽離子的變化 研究區(qū)土壤中陽離子的變化如圖5所示。由圖5(a)可知，在0～10 cm和20～40 cm土層土壤中，脫硫石膏配施有機(jī)物料處理較單施脫硫石膏處理K+含量均顯著降低，C處理最低，各處理分別較對照降低12.35%、12.47%、26.18%和33.45%、30.99%、38.50%；10～20 cm土層土壤中,各處理K+含量較單施脫硫石膏處理均顯著增加，A處理最高，增加了48.31%，C處理顯著低于A處理但顯著高于B處理；40～60 cm土層土壤中，各處理K+含量均顯著增加，但增加量較小。由圖5(b)可知，在0～10 cm土層土壤中，A處理Ca2+含量較單施脫硫石膏處理顯著增加，增加了3.88%，B處理顯著低于A處理與單施脫硫石膏處理，Ca2+含量較單施脫硫石膏處理降低了6.61%，C處理與單施脫硫石膏處理之間差異不顯著，但顯著高于B處理；在20～40 cm土層土壤中，A、B、C處理Ca2+含量較單施脫硫石膏顯著增加，A、B處理之間無顯著性差異，但顯著低于C處理；在40～60 cm土層土壤中，單施脫硫石膏處理、A、C處理之間差異不顯著，但均顯著低于B處理，B處理較單施脫硫石膏處理增加了45.51%。由圖5(c)可知，在0～10、10～20 cm和20～40 cm土層土壤中，脫硫石膏配施有機(jī)物料處理較單施脫硫石膏處理K+含量均顯著降低，隨著有機(jī)物料配施量的增加，K+含量呈現(xiàn)出降低的趨勢。0～10 cm 土層中，B、C處理之間無顯著性差異，但顯著低于A處理，10～20 cm和20～40 cm土層中各處理之間差異均顯著；在40～60 cm土層中，A處理與單施脫硫石膏處理之間無顯著性差異，隨著配施有機(jī)物料量的增加Na+含量呈現(xiàn)出增加的趨勢。由圖5(d)可知， 0～20 cm土層土壤Mg2+各處理間差異顯著，且隨著配施有機(jī)物料量的增加呈現(xiàn)出增加的趨勢；20～40 cm土層土壤Mg2+含量較單施脫硫石膏處理均顯著增加，增加幅度B>A>C，各處理間差異均顯著;40～60 cm土層土壤Mg2+含量變化較小。

圖2 脫硫石膏配施不同量有機(jī)物料處理土壤pH值的變化Fig.2 Effects of different amount of organic materials combined with desulfurized gypsum on soil pH

圖3 脫硫石膏配施不同量有機(jī)物料處理土壤堿化度的變化Fig.3 Effects of different amount of organic materials combined with desulfurized gypsum on soil alkalinity

圖4 脫硫石膏配施不同量有機(jī)物料處理土壤電導(dǎo)率的變化Fig.4 Effects of different amount of organic materials combined with desulfurized gypsum on soil conductivity

2.3 脫硫石膏配施不同量有機(jī)物料對棉花產(chǎn)量的影響

對各處理下的棉花產(chǎn)量做差異性分析(圖6)，A、B和C處理增加了棉花籽棉的產(chǎn)量，各處理之間產(chǎn)量差異性顯著，C處理顯著高于其他處理，脫硫石膏與有機(jī)物料配施對棉花增產(chǎn)效果優(yōu)于單施脫硫石膏。

3 討 論

3.1 脫硫石膏配施不同量有機(jī)物料對鹽堿土壤理化特性的影響

圖5 脫硫石膏配施不同量有機(jī)物料處理土壤中陽離子的變化Fig.5 Effects of different amount of organic materials combined with desulfurized gypsum on soil cations

圖6 不同處理下棉花產(chǎn)量差異性分析Fig.6 Cotton yield difference analysis under various treatments

3.2 脫硫石膏配施不同量有機(jī)物料對作物產(chǎn)量的影響

大量研究表明，脫硫石膏顆粒細(xì)致、含水量低，可直接施用于鹽堿地土壤中，達(dá)到加快脫鹽，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤滲透性的目的，脫硫石膏中含有大量微量和營養(yǎng)元素也可以促進(jìn)植物生長，提高鹽堿地農(nóng)作物的出苗率和產(chǎn)量[18～20]。

本研究中，隨著脫硫石膏配施有機(jī)物料量的增加，棉花產(chǎn)量呈現(xiàn)出增加的趨勢，在每666.7m2地施用1 000 kg脫硫石膏與100 kg有機(jī)物料時(shí)達(dá)到最大，脫硫石膏與有機(jī)物料配施對棉花增產(chǎn)效果優(yōu)于單施。同時(shí)，邵玉翠等[13,21]研究表明脫硫石膏與有機(jī)物料配施為土壤及作物提供了充足的營養(yǎng)物質(zhì)，提高了作物的抗病能力，進(jìn)而使白菜和玉米增產(chǎn)。鄭普山等[22]研究發(fā)現(xiàn)鹽堿地施用脫硫石膏改良劑可顯著提高紫花苜蓿出苗率和鮮草產(chǎn)量。一方面是由于脫硫石膏與有機(jī)物料的施用參與土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[23]，調(diào)整了土壤的酸堿度；另一方面在于脫硫石膏的施用增加了有益于植物生長的S、Ca、Si等元素，提高了植物對惡劣環(huán)境的抗性，改善了養(yǎng)分虧缺問題，有益作物生長[24]。

綜合考慮，本研究中每666.7m2地脫硫石膏1 000 kg與有機(jī)物料50 kg的配施模式更適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。脫硫石膏與有機(jī)物料配施可以解決工業(yè)廢棄物的處理問題，使資源優(yōu)化利用。但是，脫硫石膏作為工業(yè)廢棄物，其中含有一定量的重金屬，長期施用是否會(huì)引起一些環(huán)境問題，尚未研究清楚。因此，如何在改良鹽堿地的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)棉花產(chǎn)量的進(jìn)一步提高，同時(shí)不會(huì)造成環(huán)境污染是我們今后繼續(xù)關(guān)注和研究的問題。

4 結(jié) 論

1)脫硫石膏配施不同量有機(jī)物料對耕層土壤的孔隙度和大團(tuán)聚體數(shù)量的增加效果明顯。

2)施用脫硫石膏與有機(jī)物料后，耕層土壤的pH值、堿化度和電導(dǎo)率降低，配施效果優(yōu)于單施脫硫石膏。

3)脫硫石膏與有機(jī)物料配施能有效提高棉花的產(chǎn)量，隨著配施量的增加，棉花的產(chǎn)量呈遞增趨勢。脫硫石膏1 000 kg·666.7m-2+有機(jī)物料50 kg·666.7m-2配施模式，更適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。