含碳物料對晉北蘇打鹽化土理化性質的影響

郭軍玲，金 輝，王永亮，郭彩霞，楊治平

(1.山西省農業(yè)科學院 農業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西 太原 030031；2.土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點實驗室，山西 太原 030031；3.山西省農業(yè)科學院 農業(yè)資源與經濟研究所，山西 太原 030006)

統(tǒng)計顯示，全世界鹽堿地面積約9.55億hm2。我國是鹽漬化危害嚴重的國家之一，全國鹽漬化土面積約9 913萬hm2，占全國可利用土地面積的4.88%，其主要分布在華北、東北、西北內陸地區(qū)和長江以北沿海地區(qū)[1-2]。山西省地處黃土高原半干旱區(qū)，是我國內陸鹽堿地的主要分布區(qū)域，省內鹽堿地面積為27.36萬hm2，其中，大同盆地面積最大，約20萬hm2，且主要類型為蘇打鹽化土。鹽堿地分布區(qū)域土壤理化性狀惡劣，其已經成為制約農業(yè)生產和經濟發(fā)展的突出問題[3-4]。作為重要的后備土地資源，在人口、糧食、環(huán)境和資源壓力不斷增大的情況下，改良和利用鹽堿土地，對提高農業(yè)綜合生產能力，促進當地農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[5-6]。

施用改良劑是鹽堿地改良的重要措施。關于鹽堿地改良劑已有大量研究[7-10]。有機肥、風化煤、秸稈、牧草等含碳改良劑因在提升土壤肥力、培育土壤方面具有優(yōu)勢，成為鹽堿地改良研究的重要方向[11-12]。已有研究表明，有機肥能改善土壤物理性狀，降低土壤pH值，而且能提高鹽堿地的脫鹽、抑鹽能力，提高土壤有機質和養(yǎng)分含量[13-14]。作為鹽堿地改良劑，風化煤、泥炭含有腐植酸和含氧活性功能團，離子交換能力和吸附能力較強。研究表明，風化煤、泥炭施入鹽堿地后表層土壤pH值下降、堿化度降低，土壤有機質增加[15-16]。農作物秸稈也是重要的改良資源[17-20]。秦都林等[19]研究表明，棉花秸稈還田能顯著降低表層土壤容重，提高土壤養(yǎng)分含量。何瑞成等[11,20]利用玉米秸稈、牧草和羊糞改良鹽堿地發(fā)現(xiàn)，不同物料均提高了土壤水穩(wěn)定性團聚體的穩(wěn)定性，對土壤結構具有改善作用，且不同物料均提高了微生物數量、土壤呼吸強度、土壤酶活性，促進作物增產。然而，等碳量施入有機物料的改良效果研究尚不多見。

本研究基于前期研究工作，結合山西省風化煤儲量多、玉米秸稈資源量大的特點，以晉北大同盆地典型蘇打鹽化土為研究對象，通過田間定位試驗，研究等碳量施入風化煤、生物炭、牛糞和秸稈后對土壤物理性質、鹽堿特性、土壤養(yǎng)分及作物生長的影響，評價不同含碳物料的改良效果，旨在為內陸蘇打鹽化土的改良利用提供依據和參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗設在山西省農業(yè)科學院鹽堿土改良基地，該基地位于山西省懷仁縣毛皂村，地處大同盆地中部，屬北溫帶大陸性氣候，四季分明，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。該地區(qū)年均氣溫7.3 ℃，年均降雨量360～400 mm，年均蒸發(fā)量1 500 mm，全年平均日照時數約2 850 h，無霜期130～150 d。土壤為典型的蘇打鹽化土，布置試驗前該地塊已經連續(xù)進行了3 a的改良耕作，即前一年立冬前對土壤進行深松，深松深度25 cm；深松后進行大水澆灌，灌水量1 500～2 250 m3/hm2。試驗地土壤基本理化性質如表1所示。

1.2 試驗材料

供試春玉米品種為璐玉39。

1.3 試驗設計

2016年開始的2 a定位試驗，試驗設5個處理：CK、風化煤、生物炭、牛糞和秸稈，每個處理4次重復，小區(qū)面積70 m2，完全隨機排列。其中，CK 為不施用任何改良物料處理；其他小區(qū)物料施入量均按照9 000 kg/hm2碳含量折算。風化煤、生物炭、牛糞、秸稈含碳量分別為39.76%，25.15%，16.09%，55.93%，施用量分別為22.50，35.78，55.93，16.09 t/hm2。各物料于2015，2016年立冬前由人工均勻施入土壤，施入土壤后進行深松灌水洗鹽，深松深度25 cm，灌水用量2 000 m3/hm2。第2年春天進行施肥播種，肥料為鹽堿地玉米專用緩釋肥(N-P2O5-K2O為30-12-6)，施用量為900 kg/hm2。春玉米于5月初播種，10月初收獲。種植密度為6.75萬株/hm2。灌水方式為滴管，田間其他管理保持一致。

表1 供試土壤基本理化性質Tab.1 The physical and chemical properties of test soil

1.4 測定項目及方法

2017年春玉米收獲后按照五點取樣法采集土壤樣品，取樣深度60 cm，分0～10，10～20，20～40，40～60 cm共4個土層。采集時除去地表秸稈和枯葉，土鉆分層取樣后將同一土層樣品混合均勻成一個樣品，按照四分法留取分析樣品。土樣自然風干后磨碎過篩，用于分析測試，同時用環(huán)刀采集土壤容重樣品。采用土壤三項測定儀(DIK-1150)測定土壤容重和孔隙度，采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機質含量，采用土壤酸度計測定土壤pH值(土水比為1∶2.5)，采用火焰光度計法測定水溶性鈉離子，采用稀硫酸中和滴定法測定碳酸根離子和碳酸氫根離子，采用半微量凱式定氮法測定全氮含量，采用鉬銻抗比色法測定土壤有效磷含量，采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定土壤速效鉀含量。

1.5 數據處理

利用Microsoft Excel 2007對數據進行初步處理，采用Graph 7.0軟件作圖，采用SPSS 16.0統(tǒng)計分析軟件進行單因素方差分析，LSD方法檢驗處理間差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 含碳物料對土壤物理性質的影響

從表2可以看出，垂向分布上土壤容重隨土層深度增加而增加，土壤孔隙度隨土層深度增加而降低，土層之間差異隨著土層深度增加而減小。施用含碳物料均不同程度降低了0～10，10～20 cm土層土壤容重，增加了土壤孔隙度，調節(jié)了土壤固相、液相和氣相的三相比分配，但對20～40，40～60 cm土層無明顯影響。施用風化煤、生物炭、牛糞和秸稈后，0～20 cm土壤容重從小到大表現(xiàn)為風化煤<牛糞<秸稈<生物炭牛糞>秸稈>生物炭>CK，與CK相比，施用風化煤、生物炭、牛糞和秸稈后，0～10 cm土層土壤孔隙度分別提高9.07%，1.68%，9.05%，2.83%，10～20 cm土層分別提高11.63%,5.99%,10.67%，5.68%；0～20 cm土層風化煤、牛糞處理顯著高于CK，而生物炭和秸稈處理與CK差異不顯著。不同含碳物料較好地調節(jié)了土壤的三相比，改善了土壤液相率和氣相率，增強了土壤通透性和保水蓄水能力，各層次處理間差異均未達到顯著水平。

表2 含碳物料對蘇打鹽化土土壤物理性狀的影響Tab.2 Effects of carbonaceous materials on physical properties of soda saline soil

注：表中不同小寫字母表示同土層不同處理間差異達到顯著水平P<0.05。表3同。

Note：Different small letters in the same soil layer mean significant difference (P<0.05). The same as Tab.3.

2.2 含碳物料對土壤有機質含量的影響

土壤有機質是土壤肥力的物質基礎。從圖1可以看出，土壤垂直剖面上，各處理土壤有機質含量表現(xiàn)出隨土層深度增加而降低的變化趨勢；施用等碳量物料后不同處理土壤有機質含量均有不同程度的提高，其中以0～20 cm土層土壤有機質含量增加較為明顯。與CK相比，施用風化煤、生物炭、牛糞和秸稈后0～10 cm土層土壤有機質含量分別提高54.78%，30.64%，36.62%，12.10%；10～20 cm土層分別提高37.40%，14.08%，32.95%，22.51%，風化煤、牛糞處理土壤有機含量增幅大于生物炭和秸稈處理，且除生物炭處理外，其他處理與CK的差異均達到顯著水平；與表層土壤相比，20～40 cm土層各處理間土壤有機質含量差異較小，與CK相比，施用物料后土壤有機質含量呈增加趨勢，以風化煤處理增加最多；改良物料對40～60 cm土層有機質含量無顯著影響。分析可知，不同含碳物料對土壤均有一定的培肥作用，風化煤、牛糞對土壤有機質含量的提高優(yōu)于生物炭和秸稈。

不同小寫字母表示同土層不同處理間差異達到顯著水平(P<0.05)。圖2-4同。Different small letters in the same soil layer mean significant difference(P<0.05). The same as Fig.2-4.

2.3 含碳物料對土壤pH值和全鹽量的影響

土壤pH是衡量鹽堿地酸堿程度的基本指標。由圖2可知，春玉米收獲后，土壤pH值隨土層深度增加而增加，施用含碳物料有降低土壤pH值的趨勢，主要影響表現(xiàn)在0～20 cm表層土壤。與CK相比，施用風化煤、牛糞和秸稈后0～10 cm土層pH值分別較CK降低0.59，0.55，0.27，施用生物炭后土壤pH值和CK相當；施用含碳物料處理10～20 cm土層pH值均有所降低，風化煤、生物炭、牛糞和秸稈分別較CK降低0.53，0.19，0.53，0.37，風化煤、牛糞處理降低土壤pH值高于秸稈和生物炭處理，且與CK的差異達到顯著水平；施用含碳物料后20～40 cm土壤 pH值總體呈降低趨勢，以牛糞處理降低較多，但處理間的差異較??；含碳物料對40～60 cm土層pH值無顯著影響。

圖2 含碳物料對土壤pH和全鹽量的影響Fig.2 Effects of carbonaceous materials on soil pH and soil total salinity

由圖2可知，作物收獲后土壤全鹽量表現(xiàn)出隨著土層深度增加而增加的趨勢，且隨土壤深度增加土層間差異逐漸加大。不同處理之間，含碳物料對土壤全鹽量的影響主要表現(xiàn)在0～20 cm土層，均表現(xiàn)出牛糞<風化煤<秸稈<生物炭

2.4 含碳物料對水溶性鈉離子、碳酸根離子及碳酸氫根離子的影響

蘇打鹽化土含有大量以Na2CO3、NaHCO3為主的碳酸鹽，造成土壤堿化嚴重、pH值較高。土壤中大量可溶性鈉離子使土粒高度分散，造成土壤物理性狀較差，濕時泥濘、干時板結，透水性差且養(yǎng)分含量低。由圖3可知，春玉米收獲后，含碳物料對水溶性鈉離子、碳酸根離子和碳酸氫根離子的影響表現(xiàn)出相似的變化趨勢，各離子的含量均隨著土層深度的增加而增加，不同層次的差異隨土壤深度的增加而增大。不同含碳物料對水溶性鈉離子、碳酸根離子及碳酸氫根離子的調控主要表現(xiàn)在0～20 cm表層土壤，有降低其含量的作用，而對20～60 cm土層含量影響不顯著。與CK相比，施用風化煤、生物炭、牛糞和秸稈后0～10 cm土層土壤水溶性鈉離子含量分別降低21.05%，13.16%，31.58%，18.42%，且與牛糞處理的差異達到顯著水平；10～20 cm土層分別降低7.32%，6.10%，25.61%，4.88%?？梢?， 0～20 cm土層土壤水溶性鈉離子以牛糞處理降低最多，調控效果較好，風化煤其次。施用風化煤、生物炭、牛糞和秸稈后，0～10 cm土層水溶性碳酸根離子含量較CK分別降低26.80%，7.22%，29.90%，13.40%，施用風化煤、牛糞和秸稈后，10～20 cm土層較CK分別降低15.00%，45.56%，14.44%，施用生物炭后略有升高，除牛糞處理外，其他物料未對水溶性碳酸根離子產生顯著影響。與CK相比，施用風化煤、生物炭、牛糞和秸稈后0～10 cm土層水溶性碳酸氫根離子含量分別降低20.63%，16.23%，22.93%，6.17%，除牛糞處理外，其他物料處理與CK差異不顯著；10～20 cm土層含量分別降低13.32%，3.81%，16.25%，6.00%，處理間差異均不顯著，施用含碳物料降低了土壤水溶性碳酸氫根離子，可能是因為與弱酸鹽發(fā)生化學反應所致。綜合分析可知，等碳量不同物料在降低土壤水溶性鈉離子、碳酸根離子及碳酸氫根離子上均有促進作用，牛糞、風化煤的降低效果優(yōu)于秸稈和生物炭。

圖3 含碳物料對水溶性鈉離子、碳酸根離子及碳酸氫根離子的影響Fig.3 Effects of carbonaceous materials on soil water-soluble sodium ions, carbonate ions and bicarbonate ions

2.5 含碳物料對土壤養(yǎng)分含量的影響

氮磷鉀作為植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，其含量的高低直接影響作物生長和產量的形成。含碳物料對土壤養(yǎng)分的影響如圖4所示，分析可知，施用含碳物料對土壤全氮、有效磷和速效鉀養(yǎng)分的影響隨著土層深度的增加而減弱，養(yǎng)分含量也隨土層深度增加呈降低的趨勢。含碳物料對土壤養(yǎng)分的影響主要體現(xiàn)在0～20 cm表層土壤，對20～60 cm土層無顯著影響。施用含碳物料后，0～10 cm土層全氮含量均有提高，與CK相比，風化煤、生物炭、牛糞和秸稈處理分別提高6.08%，4.05%， 12.84%，8.11%，以牛糞增幅較大，秸稈和風化煤次之，生物炭較低；施用含碳物料后，10～20 cm土層全氮含量呈現(xiàn)牛糞>風化煤>秸稈>生物炭>CK的變化規(guī)律，分別較CK增加17.83%，5.35%，21.71%，13.95%。0～10 cm土層有效磷含量表現(xiàn)出牛糞、風化煤>生物炭、秸稈>CK的變化趨勢，施用風化煤、生物炭、牛糞和秸稈分別較CK提高11.36%，3.98%，17.33%，2.27%；施用含碳物料后，10～20 cm土層有效磷含量表現(xiàn)出與0～10 cm相同的變化規(guī)律，風化煤、牛糞處理有效磷含量高于生物炭和秸稈處理，較CK顯著提高27.51%，24.89%。施用含碳物料后，0～10 cm，10～20 cm土層速效鉀含量均有不同程度增加，均表現(xiàn)出秸稈>牛糞>生物炭>風化煤>CK的變化趨勢，施用秸稈、牛糞后0～10 cm和10～20 cm分別較CK增加19.75%，14.16%和11.56%，6.17%。方差分析結果顯示，全氮、速效鉀含量各層次不同處理間差異均不顯著；各處理有效磷含量與CK相比，除風化煤和牛糞對10～20 cm土層影響顯著外，其他層次不同處理間差異均不顯著。綜合分析可以看出，含碳物料提高了表層土壤養(yǎng)分含量，牛糞、風化煤對全氮、有效磷含量影響較大，秸稈對速效鉀含量影響較大。

圖4 含碳物料對土壤全氮、有效磷和速效鉀含量的影響Fig.4 Effects of carbonaceous materials on soil total nitrogen, available phosphorus and available potassium content

2.6 含碳物料對春玉米生長和產量的影響

由表3可知，不同含碳物料促進了春玉米的生長發(fā)育，提高了春玉米產量。春玉米株高和干物質量表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。施用含碳物料后，2016，2017年株高整體呈牛糞>風化煤>秸稈>生物炭>CK的變化趨勢，以風化煤、牛糞處理株高較高，2016，2017年較CK分別顯著增加16.48%，25.03%和17.74%，13.13%。干物質量呈風化煤>牛糞>生物炭>秸稈>CK變化，2016，2017年風化煤、牛糞處理分別較CK顯著增加13.70%，15.83%和13.93%，8.34%。含碳物料提高了作物的株高、干物質量，促進了春玉米增產。施用風化煤、生物炭、牛糞和秸稈后，2016，2017年春玉米產量較CK分別增加31.81%，10.36%，37.72%，14.14%和28.58%，14.22%，22.99%，11.80%。2016年以牛糞處理較高，風化煤次之， 2017年以風化煤處理較高，牛糞次之，均顯著高于CK。

表3 含碳物料對春玉米生長和產量的影響Tab.3 Effects of carbonaceous materials on the growth and yield of spring maize

3 結論與討論

3.1 含碳物料對蘇打鹽化土物理性質的影響

蘇打鹽化土含有的大量可溶性鈉離子使土粒高度分散，造成土壤物理性狀差，濕時泥濘，干時板結，透水性差，且養(yǎng)分含量低。土壤容重和孔隙度直接反映土壤的緊實度和土壤水、氣、熱狀況，是土壤物理性狀的重要指標。本研究結果表明，含碳物料改善了土壤物理性質，有效降低了土壤容重、提高了土壤孔隙度。0～20 cm土壤容重呈風化煤<牛糞<秸稈<生物炭

3.2 含碳物料對鹽堿地土壤pH值和全鹽量的影響

土壤pH值和全鹽量是衡量鹽堿地酸堿程度的基本指標，土壤pH值直接影響土壤養(yǎng)分的有效性和土壤的理化反應，土壤全鹽量直接影響著作物的生長發(fā)育。本研究結果顯示，含碳物料明顯降低了土壤pH值和全鹽量，風化煤、牛糞處理降低效果優(yōu)于生物炭和秸稈處理。施用風化煤、牛糞后，0～20 cm土壤pH值較對照顯著降低0.53～0.59個單位，全鹽量降低7.35%～14.27%。含碳物料也有效降低了土壤水溶性鈉離子、碳酸根離子及碳酸氫根離子含量，均以牛糞、風化煤處理的降低效果較好。這與風化煤和牛糞的性質密切相關，風化煤含有大量腐植酸和多種含氧活性官能團而呈酸性，有機肥具有較多的離子結合位點，通過酸堿中和反應或離子置換反應降低土壤pH值和鹽分離子含量。這與王麗娜等[23]研究得出施用有機肥能改善濱海鹽土理化性質、降低土壤pH和鹽分含量的結論相似。有機肥還可以提高鹽堿地的脫鹽抑鹽能力，通過離子交換降低鹽堿地土壤pH值，減少可溶性鹽基離子含量[24]。研究還發(fā)現(xiàn)，風化煤顯著降低了土壤總鹽分和主要鹽分離子含量，是良好的土壤改良物料[15,25]。秸稈含有大量難分解的纖維素、半纖維素和木質素，生物炭具有較高的pH值和CEC的特性，使得其在改良土壤pH和鹽分及鹽基離子含量方面效果較差[26]。

3.3 含碳物料對鹽堿地土壤有機質和養(yǎng)分含量的影響

土壤有機質是土壤中最活躍的部分，是土壤肥力的基礎，不僅可以為作物提供養(yǎng)分，同時可促進土壤團聚體的形成，改善土壤環(huán)境。本研究施用含碳物料后土壤有機質含量明顯增加，0～20 cm土層土壤有機質含量均以風化煤、牛糞處理較高，較對照顯著提高32.95% ～54.78%。另外，含碳物料也提高了表層土壤養(yǎng)分含量，牛糞、風化煤對全氮、有效磷含量影響較大，秸稈對速效鉀含量影響較大。楊軍等[27]研究表明，牛糞在提高土壤有機質、有效磷和速效鉀含量上效果明顯。有機質含量的增加，改善了土壤理化性狀，提高土壤礦質養(yǎng)分的礦化分解速率，增加了速效養(yǎng)分含量[28]。陳安強等[29]研究發(fā)現(xiàn)，牛糞與化肥配施對提高土壤氮的活躍性效果最好。另外，風化煤、牛糞含有的腐植酸可與難溶性磷酸鈣發(fā)生反應，減少磷的固定，促進土壤磷的活化而易于被農作物吸收[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，牛糞和秸稈可明顯促進土壤速效養(yǎng)分的釋放，這與張濟世等[9]的研究結果一致，牛糞活化了土壤或者作物殘渣中的鉀，進而提高了土壤中鉀離子含量。

3.4 含碳物料對春玉米產量的影響

施用含碳物料有效改善了土壤物理結構、提高了土壤有機質和養(yǎng)分含量、降低了土壤pH值和鹽分含量，有效促進了春玉米生長和產量的增加。本研究結果顯示，植物株高、干物質量和產量均呈風化煤、牛糞>秸稈、生物炭>CK的變化趨勢。施用風化煤、牛糞后，2016，2017年產量較CK分別顯著增加31.81%，37.72%和28.58%，22.99%。綜合分析可知，含碳物料對蘇打型鹽化土的改良具有積極的作用，以風化煤、牛糞效果較優(yōu)，可作為良好的改良劑加大其在同類鹽堿地上的推廣應用。