3種改良劑對濱海鹽堿地土壤理化性狀及玉米生長的影響

王德領(lǐng)，諸葛玉平*，楊全剛*，婁燕宏，張行，王會，潘紅

（1.土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安 271018；2.鄒城市良種繁育場，鄒城市農(nóng)業(yè)局，山東 濟寧 273518）

玉米是我國第一大糧食作物，產(chǎn)量占我國糧食總產(chǎn)量的39.28%，約占世界玉米總產(chǎn)量的23.5%[1-2]，是重要食物來源，也是重要的飼料、工業(yè)和醫(yī)藥原料，其中，食用、飼用、工業(yè)消費占比高達93.19%[3]。因此，提高我國玉米產(chǎn)量對保障糧食安全、促進畜牧業(yè)和工業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。

鹽堿土中含有大量鹽分，破壞了土壤膠體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，水穩(wěn)性團粒結(jié)構(gòu)減少，使土壤黏性增強，通氣不良，容重增大，保肥能力下降，同時好氣性微生物和酶種類減少，活性降低，導(dǎo)致養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程受阻，有效養(yǎng)分釋放速率降低[4-5]。另一方面鹽堿土鹽分濃度過高導(dǎo)致作物生理干旱，同時抑制植物對氮和磷的吸收[6-7]。過多的Na+也抑制植物對K+、Ca2+、Mg2+等養(yǎng)分的吸收，破壞離子平衡，影響細胞正常生理功能，使株高變小，生物量降低[8-10]。過多鹽分損傷葉綠體結(jié)構(gòu)，造成植物光合能力下降，光合效率降低[11-13]。玉米在苗期、吐絲期和成熟期處于少雨的干旱季，鹽害易加重，因此通過改良鹽堿地，降低鹽分危害，增加玉米產(chǎn)量是一個非常重要的課題。

鹽堿土改良主要是調(diào)控水鹽運動，改善土壤理化特性，培肥土壤，為作物生長創(chuàng)造良好的環(huán)境。向鹽堿土中加入化學(xué)改良劑能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增加鹽基代換，促進鹽分淋洗，調(diào)節(jié)土壤酸堿度[14]。有研究表明，石膏類改良劑主要有效成分為硫酸鈣，能夠降低內(nèi)陸鹽堿地土壤的堿化度和pH值，增加土壤通透性，促進鹽分淋洗，提高油葵產(chǎn)量[15-16]；風(fēng)化煤中有機質(zhì)和腐植酸含量高，作為改良劑能夠降低蘇打型鹽土耕層的容重、pH值和堿化度，增加有機碳含量[17-18]；糠醛渣不僅pH 值低，而且含有大量的有機質(zhì)和植物生長所需的礦質(zhì)元素，能夠有效降低土壤容重和pH值，提高鹽堿土有機碳含量、陽離子交換能力和孔隙度[19-20]。不同改良劑具有不同的理化特性，改良鹽堿土的機理和效果也不同。

濱海鹽堿土具有含鹽量高、養(yǎng)分貧乏、地下水位淺、礦化度高等特點，鹽分易積聚于地表，Na+含量相對較高，改良和開發(fā)利用難度大[21]。前人的研究注重改良劑對鹽堿土理化性質(zhì)的影響，較少關(guān)注改良劑物料對中度濱海鹽堿土的改良作用以及對玉米生長的影響，綜合對比分析不同性質(zhì)和功能的改良劑對中度濱海鹽堿土理化性質(zhì)的改良效果和對玉米生長、產(chǎn)量及構(gòu)成因素影響的研究更加缺乏。因此，本研究針對中度濱海鹽堿土的特點，探討了不同用量鈣制劑、糠醛渣和風(fēng)化煤對濱海中度鹽堿土的理化性質(zhì)及玉米株高、葉綠素和產(chǎn)量的影響，篩選出適合濱海中度鹽堿土的改良劑及用量，旨在為濱海鹽堿地的改良利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗所用土壤采自山東省濱州市無棣縣柳堡鎮(zhèn)的“渤海糧倉”工程示范中心實驗基地（117°54′21″～117°56′40″E，37°54′40″～37°57′38″N），土壤質(zhì)地為粉質(zhì)黏壤土，取耕層土壤（0～20 cm），室內(nèi)風(fēng)干，過2 mm 篩。土壤基本理化性狀：容重1.40 g·cm-3，有機質(zhì)14.04 g·kg-1，全氮0.72 g·kg-1，堿解氮57.80 mg·kg-1，有效磷16.81 mg·kg-1，速效鉀158.00 mg·kg-1，全鹽量3.53 g·kg-1，pH值8.31。

1.2 供試材料及試驗設(shè)計

1.2.1 供試材料

供試作物：玉米（Zea maysL.），品種為鄭單958。

改良劑：鈣制劑（GZJ，顆粒直徑小于2 mm，有效成分為硫酸鈣）購自市場；糠醛渣（KQZ）和風(fēng)化煤（FHM）由企業(yè)提供，化學(xué)性質(zhì)見表1。室內(nèi)風(fēng)干，糠醛渣和風(fēng)化煤過2 mm標準篩。

1.2.2 試驗設(shè)計

試驗地點位于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院實驗站（117°15′E，36°17′N）日光溫室內(nèi)。試驗所用盆缽（封底）直徑28 cm，深度19 cm，按容重為1.40 g·cm-3裝盆，每盆裝土3.5 kg。3 種改良劑均設(shè)計2 個施用量，以不施用改良劑的處理作為對照，共7 個處理：CK，不施用改良劑；GZJ1，5.35 g·kg-1（15 t·hm-2）；GZJ2，8.03 g·kg-1（22.5 t·hm-2）；KQZ1，10.71 g·kg-1（30 t·hm-2）；KQZ2，16.06 g·kg-1（45 t·hm-2）；FHM1，10.71 g·kg-1（30 t·hm-2）；FHM2，16.06 g·kg-1（45 t·hm-2），重復(fù)4 次。每盆施復(fù)合肥（N-P2O5-K2O：15-15-15）0.84 g（0.67 t·hm-2）作為基肥，將基肥和相應(yīng)質(zhì)量的改良劑與土壤混合均勻后裝盆，調(diào)節(jié)含水量至田間持水量的70%。于2016 年6 月7 日播種玉米，每盆播種3 粒，于6 月25 日間苗，每盆定植1 株，在大喇叭口期追施尿素（0.16 g·kg-1，0.45 t·hm-2）和硫酸鉀（0.16 g·kg-1，0.45 t·hm-2），利用土壤溫濕度速測儀（TSC-IW，石家莊雷神電子儀器有限責(zé)任公司）監(jiān)測土壤含水量，質(zhì)量法調(diào)節(jié)含水量至田間持水量的70%。常規(guī)管理，分別在玉米苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期和成熟期分析玉米生長狀況，在成熟期測產(chǎn)并采集土壤樣品（0～12 cm土層），測定土壤理化指標。

1.3 測定項目與方法

容重采用環(huán)刀法測定；水溶性鹽利用烘干殘渣法（土水比1∶5）測定；陽離子交換量（CEC）采用EDTA-銨鹽快速法測定；水穩(wěn)性團聚體采用濕篩法測定。

平均質(zhì)量直徑（Weighted mean diameter，WMD）應(yīng)用下列公式計算：

株高用卷尺測量；在拔節(jié)期和吐絲期進行SPAD值測定，選取中間功能葉，使用SPAD-502 葉綠素計（日本美能達公司制造）讀取每片葉中間部位的值，每片葉測定5次，取平均值作為該葉片的SPAD 值；成熟期收獲玉米植株，稱量鮮質(zhì)量，記錄穗粒數(shù)并測定質(zhì)量，計算百粒重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2007 進行試驗數(shù)據(jù)作圖，運用SPSS 19.0 統(tǒng)計軟件進行試驗數(shù)據(jù)方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改良劑對土壤理化性質(zhì)的影響

施用鈣制劑、糠醛渣和風(fēng)化煤能顯著改善鹽堿土的理化性質(zhì)（表2）。與CK 相比較，KQZ1、KQZ2 和FHM2處理的土壤容重顯著降低，分別降低了9.22%、12.06%和7.80%，表明施用糠醛渣和較高量的風(fēng)化煤可使土壤由緊實向疏松發(fā)展，有利于鹽分淋洗；GZJ2、KQZ1、KQZ2、FHM1 和FHM2 處理的土壤CEC顯著增大，分別增加了36.85%、27.05%、40.89%、49.45%和30.48%，土壤CEC 的大小反映土壤的緩沖能力以及保肥、供肥性能，說明施用改良劑能夠提高鹽堿土的保肥和供肥能力；GZJ1、FHM1 和FHM2 處理土壤的含鹽量顯著降低，分別減少了19.33%、18.40%和13.19%，這說明風(fēng)化煤和較低用量的鈣制劑能顯著降低土壤含鹽量。

表1 改良劑化學(xué)性質(zhì)Table 1 Chemical properties of three amendments

表2 不同處理的土壤理化性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of soils under different treatments

2.2 不同改良劑對土壤水穩(wěn)性團聚體的影響

3 種改良劑主要影響0.25～0.5、0.5～1 mm 水穩(wěn)性團聚體和微團聚體（＜0.25 mm）的含量（表3）。與CK相比，GZJ1、GZJ2、KQZ1 和KQZ2 處理0.25～0.5 mm、0.5～1 mm 粒徑的土壤水穩(wěn)性團聚體含量百分比分別顯著提高了6.59、5.71、5.36、5.63 個百分點和2.23、1.92、2.81、2.63 個百分點，同時土壤微團聚體含量百分比分別顯著降低11.22、10.15、9.93、11.52 個百分點。這說明鈣制劑和糠醛渣能夠有效增加土壤水穩(wěn)性團聚體的含量，降低微團聚體的含量，從而改善土壤結(jié)構(gòu)。

土壤團聚體的平均質(zhì)量直徑（WMD）可反映土壤團聚體的穩(wěn)定性。通常情況下，WMD數(shù)值越大，土壤團聚體穩(wěn)定性越強。不同改良劑處理對WMD 影響不同，土壤團聚體WMD 的范圍為0.44～0.66 mm（表3）。由于不同團聚體顆粒組分的平均顆粒直徑不同，因此，不同的土壤團聚體顆粒組分對WMD 的影響程度不同，本試驗中六種土壤團聚體組分的平均顆粒直徑分別為6、4、2、0.75、0.375 mm 和0.125 mm，＞5 mm團聚體和微團聚體（＜0.25 mm）的數(shù)量和比例對WMD的影響非常大，與WMD 之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.95和0.91，0.25～0.5 mm 的數(shù)量和比例對WMD 的影響較大，與WMD之間的相關(guān)系數(shù)為0.81，而其他三個組分的比例與WMD 的相關(guān)系數(shù)分別為0.30、0.52 和0.51，可見，WMD 主要受＞5 mm 團聚體、微團聚體和0.25～0.5 mm 團聚體的比例的影響。與CK 相比，鈣制劑和糠醛渣均能顯著提高WMD 值，KQZ2 處理的WMD 值提高幅度最大，增幅32.00%。

表3 不同處理土壤水穩(wěn)性團聚體含量Table 3 Soil water-stable aggregate contents of various treatments

2.3 不同改良劑對玉米生長狀況的影響

2.3.1 株高

圖1 不同處理玉米各生育時期株高Figure 1 Plant height at different growth stages of different treatments

3 種改良劑對玉米不同生育時期的株高影響不同（圖1）。與CK 相比，在苗期和拔節(jié)期，GZJ2 和FHM2 處理的株高顯著增大，增幅為28.24% 和21.43%。在大喇叭口期，KQZ1、FHM2 處理的株高顯著增大，增幅分別為26.32%和21.43%；在成熟期，KQZ1、KQZ2、FHM1 和FHM2 處理的株高顯著增大，增幅分別為13.09%、9.71%、11.18%和10.00%。這表明糠醛渣和風(fēng)化煤增加玉米株高的效果優(yōu)于鈣制劑。

2.3.2 玉米葉綠素相對含量（SPAD值）

分析拔節(jié)期和吐絲期的SPAD 值（圖2）發(fā)現(xiàn)，在玉米拔節(jié)期，KQZ1、FHM1和FHM2處理的SPAD值顯著高于CK，分別提高了15.68%、10.13%和16.44%；在吐絲期，KQZ1和FHM2處理的SPAD 值顯著高于CK，分別提高了23.76%和23.27%，這說明KQZ1 和FHM2處理能顯著提高玉米拔節(jié)期和吐絲期的SPAD值。

2.4 不同改良劑對玉米產(chǎn)量的影響

施用改良劑顯著提高玉米單株穗粒數(shù)和產(chǎn)量（表4）。與CK 比較，穗粒數(shù)提高了15.97%～37.43%，F(xiàn)HM1 處理增幅最大，其次為KQZ1，分別提高了37.43%和35.33%。施用改良劑能夠提高玉米百粒重，GZJ2 處理的百粒重顯著提高，其他處理百粒重與CK 差異不顯著。玉米單株產(chǎn)量提高了25.86%～49.65%，KQZ1 處理增產(chǎn)最高，提高了49.65%。因此，改良劑提高單株玉米產(chǎn)量的主要原因是穗粒數(shù)的顯著增加。

3 討論

3.1 改良劑對土壤的綜合改良效果

本研究表明，3 種改良劑均能提高土壤CEC（表2），但機理不同。CEC受土壤膠體類型、質(zhì)地和pH影響：土壤腐殖質(zhì)含量越高，CEC越高；土壤團粒結(jié)構(gòu)數(shù)量越多，保肥性能越好，CEC 越高[22]。本研究中，鈣制劑的有效成分為硫酸鈣，Ca2+可與土壤膠體上的Na+置換，促進Na+淋洗。同時Ca2+與土壤腐殖質(zhì)以陽離子“橋”的方式形成有機-礦質(zhì)復(fù)合體土壤復(fù)粒，有利于土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，從而提高土壤CEC[22]?？啡┰写罅坑袡C質(zhì)和礦質(zhì)養(yǎng)分，能夠增加土壤中腐殖質(zhì)含量，促進土壤團粒結(jié)構(gòu)形成，改善土壤結(jié)構(gòu)，進而提高土壤CEC，這與付穎[23]研究結(jié)果一致。風(fēng)化煤中溶解性有機質(zhì)可以與Na+形成絡(luò)合物，土壤溶液中的Na+可置換固相風(fēng)化煤中的Ca2+，增加土壤溶液中的Ca2+，促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，降低鈉吸附比（SAR）[18]。因此，施用風(fēng)化煤有利于提高土壤CEC。

表4 不同處理玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 4 Yield and yield components of maize in different treatments

試驗中糠醛渣和較高量的風(fēng)化煤顯著降低土壤容重（表2）?？啡┰惋L(fēng)化煤有機質(zhì)含量相近，均能夠降低土壤容重，但糠醛渣降低土壤容重的效果優(yōu)于風(fēng)化煤，原因可能是糠醛渣的酸性強于風(fēng)化煤，可降低土壤的pH，使土壤膠粒表面的電位勢降低，促進微凝聚體的形成，微凝聚體通過黏結(jié)作用形成微團聚體和團聚體，而團聚體具有多級孔性，使土壤容重下降。隨糠醛渣和風(fēng)化煤用量增加，容重進一步降低（表2）。但考慮到增加用量的同時不能顯著增加土壤鹽分含量，因此降低土壤容重與土壤鹽分含量之間的平衡施用量需進一步探索。

圖2 玉米各生育時期SPAD值Figure 2 SPAD values at different growth stages of maize

隨3 種改良劑用量的增加，鹽堿土含鹽量先降低后增加（表2），這說明施用較高量的鈣制劑、糠醛渣和風(fēng)化煤存在增加土壤鹽分含量的風(fēng)險，這與王旭等[24]、何杰[25]研究結(jié)果相符。但進一步研究發(fā)現(xiàn)，施用糠醛渣、石膏（有效成分為硫酸鈣）和風(fēng)化煤與淋洗相結(jié)合能使增加的鹽分降低[24-27]，這證明施用改良劑增加的鹽分中部分為可溶性鹽，可被淋洗。本試驗中澆水具有淋洗作用，因此，各改良劑處理土壤含鹽量低于對照。但除改良劑本身含有的可溶鹽分使土壤的含鹽量增加之外，糠醛渣較強的酸性，使部分難溶的土壤鹽分溶解，增加了土壤溶液中含鹽量，因此糠醛渣處理土壤含鹽量較高。而風(fēng)化煤中大量腐植酸與Ca2+、Mg2+、Na+絡(luò)合，減少了土壤溶液中陽離子含量。因此，施用風(fēng)化煤的處理土壤鹽分含量較低。綜合分析3 種改良劑對降低土壤容重和鹽分含量、提高CEC的改良作用發(fā)現(xiàn)，糠醛渣和風(fēng)化煤改善中度濱海鹽堿地土壤理化性質(zhì)的效果優(yōu)于鈣制劑，KQZ1 和FHM1處理的綜合改良效果優(yōu)于其他處理。

對土壤結(jié)構(gòu)的改良效果，一般以直徑在0.25～1 mm 的水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量來判別，數(shù)量越多，土壤結(jié)構(gòu)越好。直徑偏?。?.25～0.5 mm）的水穩(wěn)性團聚體含量增大，有利于增加鹽堿土的保水性能，提高土壤含水量，從而降低鹽分離子的濃度，減輕鹽分脅迫。本研究中發(fā)現(xiàn)鈣制劑和糠醛渣提高0.25～0.5、0.5～1 mm 水穩(wěn)性團聚體數(shù)量的效果優(yōu)于風(fēng)化煤，KQZ1 和GZJ1 處理的改良效果優(yōu)于其他處理。鈣制劑中Ca2+促進較大土壤顆粒形成的途徑主要有兩個：一是土壤黏粒主要帶負電荷，施加鈣制劑后會有較多黏粒因Ca2+的團聚作用而凝聚成大顆粒[28]；二是土壤膠體吸附的Na+被Ca2+置換后，由含Na+的親水膠體轉(zhuǎn)變?yōu)楹珻a2+的的疏水膠體，疏水膠體微粒相互靠近而聚團?？啡┰龠M0.25～0.5、0.5～1 mm 水穩(wěn)性團聚體數(shù)量增加，可能是由于較低的pH值使土壤微域pH低于土壤中腐殖質(zhì)、氧化鐵和鋁等可變電荷膠體的等電點，從而帶正電荷，與帶負電荷的土壤膠體發(fā)生凝聚，形成微凝聚體，微凝聚體電荷不平衡，則進一步凝聚形成多級微團粒，微團粒在無機和有機物質(zhì)的黏結(jié)、膠結(jié)和復(fù)合作用下形成團粒。

本試驗中，風(fēng)化煤不能顯著提高水穩(wěn)性土壤團聚體的含量，也不能顯著降低微團聚體的含量，同時較高用量風(fēng)化煤（FHM2）的WMD 小于對照（表3）。這可能有兩方面的原因：一是不同土壤含水量條件下風(fēng)化煤對土壤水穩(wěn)性團聚體的形成作用不同，武瑞平等[29]研究表明，種植紫花苜蓿和模擬自然凍融條件下，控制土壤含水量分別為5%、10%和15%時施用風(fēng)化煤，土壤水穩(wěn)性團聚體的含量不同，其中含水量為10%時，土壤水穩(wěn)性團聚體含量最大。利用風(fēng)化煤改良露天煤礦復(fù)墾土壤，當(dāng)含水量在20%時，無法形成水穩(wěn)性團聚體[30]。這證明施用風(fēng)化煤改良不同類型土壤時，存在一個水分臨界值，當(dāng)水分含量小于或等于臨界值時，施用風(fēng)化煤促進土壤團聚體的形成。二是風(fēng)化煤對土壤團聚體的作用受時間的影響，孫層層[31]研究發(fā)現(xiàn)鹽堿土中施入風(fēng)化煤2 d 時土壤0.25～5 mm 團聚體含量最高，在161 d 顯著降低，在338 d 較高，但低于2 d時的含量，而且這三個時間點的土壤團聚體含量存在顯著差異，與161 d相比，添加風(fēng)化煤的土壤團聚體在338 d時增幅和含量均高于對照。這可能與風(fēng)化煤同時含有微生物易分解的有機質(zhì)和難分解的腐植酸有關(guān)，風(fēng)化煤剛加入土壤中，有機質(zhì)和腐植酸通過膠結(jié)作用，將微凝聚體團聚起來形成團粒，但隨著易分解有機質(zhì)被微生物分解，團粒結(jié)構(gòu)體被破壞，土壤團聚體含量下降，隨著時間延長，土壤中由有機質(zhì)經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化而來的腐植酸逐漸增多，新的穩(wěn)定性團粒形成，團粒數(shù)量增加。而本試驗持續(xù)時間為120 d 左右，含水量控制在18%（田間最大持水量的70%）左右，因此，風(fēng)化煤增加水穩(wěn)性團聚體含量的作用不顯著。

3.2 改良劑對玉米生長和產(chǎn)量的綜合影響

玉米是鹽敏感作物，鹽脅迫下，玉米的株高、葉綠素含量均降低，而且對地上部的影響高于根系[32]。本試驗中施用改良劑可以增加株高和葉片SPAD 值，提高玉米產(chǎn)量。說明施用3 種改良劑能夠降低鹽分對玉米生長的抑制作用，主要原因在于3 種改良劑可以降低鹽堿土的鹽分含量和容重，提高CEC，改善土壤結(jié)構(gòu)，逐漸改善土壤理化性質(zhì)，為玉米生長創(chuàng)造了較適宜的環(huán)境。本研究發(fā)現(xiàn)，KQZ1 處理增加玉米大喇叭口期和成熟期株高的效果最好，株高與產(chǎn)量呈正相關(guān)。說明株高的增加有助于產(chǎn)量的提高，這與洪德峰等[33]研究得出的適當(dāng)增加株高是提高黃淮海玉米生態(tài)區(qū)產(chǎn)量的有效途徑的結(jié)論相符合。株高增加，葉片數(shù)和葉面積隨之增加，光合作用面積提高，光合產(chǎn)物增加，從而提高玉米產(chǎn)量。玉米葉片的葉綠素含量與產(chǎn)量呈正相關(guān)[34]。KQZ1處理提高吐絲期葉片葉綠素含量的效果優(yōu)于其他處理，有利于增強光合作用，提高光合效率，增加向籽粒轉(zhuǎn)移的同化產(chǎn)物，滿足籽粒早期發(fā)育的需要，提高結(jié)實率，減少籽粒的敗育率，增加穗粒數(shù)[35]。因此，本試驗中KQZ1 處理的玉米單株產(chǎn)量最高。

綜上所述，糠醛渣改善土壤理化性質(zhì)效果優(yōu)于鈣制劑，提高水穩(wěn)性團聚體數(shù)量的效果優(yōu)于風(fēng)化煤；同時，糠醛渣對玉米的增產(chǎn)效果最佳。因此，適合改良中度濱海鹽堿地的改良劑為糠醛渣，最優(yōu)用量為30 t·hm-2。

4 結(jié)論

（1）3 種改良劑均能提高中度濱海鹽堿土CEC?？啡┰軌蝻@著降低中度濱海鹽堿土的容重，顯著提高0.5～1 mm 和0.25～0.5 mm 土壤水穩(wěn)性團聚體的含量，顯著降低土壤微團聚體（＜0.25 mm）含量?？啡┰木C合改良效果優(yōu)于風(fēng)化煤和鈣制劑，最佳施用量為30 t·hm-2。

（2）施用30 t·hm-2糖醛渣處理能夠顯著提高玉米拔節(jié)期和吐絲期葉片的SPAD 值，以及大喇叭口期和成熟期株高。3 種改良劑能顯著提高玉米單株產(chǎn)量，增產(chǎn)效果最好的處理為施用量30 t·hm-2的糠醛渣，可實現(xiàn)玉米單株產(chǎn)量增加49.65%。