組合添加物對(duì)吉林西部蘇打鹽堿土改良效果的試驗(yàn)研究

毛 碩，高金花，章曉暉

（1.長(zhǎng)春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012；2.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130012）

0 引 言

吉林西部是我國(guó)鹽堿土面積最大的地區(qū)，鹽堿土面積約342 萬(wàn)hm2，其鹽漬土類型主要為蘇打鹽堿土，土壤鹽分以Na2CO3和NaHCO3為主[1,2]。吉林西部作為我國(guó)糧食的主產(chǎn)區(qū)，隨著土壤鹽堿化趨勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了松嫩平原的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此，改良鹽漬土、改善吉林省西部鹽堿土農(nóng)業(yè)環(huán)境，是亟待解決的問(wèn)題[3-8]。

為了改變土壤的理化性質(zhì)，使用化學(xué)改良劑來(lái)改良鹽漬土由來(lái)已久[9-12]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞改變土壤的理化性質(zhì)做了添加不同改良劑的一系列研究。有研究表明磷石膏呈酸性，能夠有效置換出鹽堿土中的Na+，提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和滲透性[13,14]。同時(shí)還可以降低土壤pH 和鈉吸附比，提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)植物生長(zhǎng)[15-18]。生物炭的微孔結(jié)構(gòu)豐富，可以提高土壤孔隙度，增大陽(yáng)離子交換量，從而降低pH 和含鹽量[19-21]。蚯蚓糞富含微生物、生物活性物質(zhì)等[22]，在施入鹽堿土壤后可以限制Na+進(jìn)入土壤團(tuán)聚體，增加土壤肥力[23-25]。

國(guó)內(nèi)外研究中針對(duì)磷石膏、生物炭和蚯蚓糞進(jìn)行一種或兩種添加物改良實(shí)驗(yàn)較多，本研究選用此3種材料混摻作為添加物，對(duì)吉林西部蘇打鹽堿土進(jìn)行改良實(shí)驗(yàn)，分析在不同摻量下的組合添加物對(duì)吉林西部蘇打鹽堿土改良效果的影響，并通過(guò)綜合評(píng)價(jià)方法，選擇出最優(yōu)的改良方案，為改良吉林西部蘇打鹽漬土提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吉林西部位于松嫩平原的西南部，四季溫度變化差異大，年平均氣溫在4.9 ℃，年均降水量350～500 mm，主要集中在6-8月，年均蒸發(fā)量1 500～1 900 mm，年均蒸發(fā)量與降水量的比值約為3.4～4.9，是典型的鹽堿土形成的氣候特征帶。本試驗(yàn)用土取自吉林省松原市乾安縣所字鎮(zhèn)圖字村東北方向2.7 km處圖字泡（E123°49′11.49″，N44°44′2.84″）的湖漫灘地，取土點(diǎn)地理位置見圖1。

1.2 供試材料

1.2.1 供試土壤

供試土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，含鹽量8.16 g/kg，風(fēng)干含水率2%，其他基本理化性質(zhì)見表1。

1.2.2 供試改良物質(zhì)

供試磷石膏：磷石膏廢渣由湖北宜化肥業(yè)有限公司磷肥廠提供，其中主要成分SO3（39.22%）、CaO（29.8%）。

供試生物炭：生物質(zhì)炭產(chǎn)自南京智融聯(lián)科技有限公司，pH值為8.45，有機(jī)碳含量59.8%。

供試蚯蚓糞肥：蚯蚓糞是由奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)的牛糞喂養(yǎng)蚯蚓，經(jīng)過(guò)蚯蚓生物體的分解，多次過(guò)篩滅菌處理制成的，pH 值為6.51，腐殖酸含量16.3%，有機(jī)質(zhì)含量46.81%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用3 因素3 水平9 個(gè)處理（L33）的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3次重復(fù)，各組改良劑的用量均為相對(duì)于土樣的百分比，組合方式如表2所示（試驗(yàn)蚯蚓糞摻量參考盧垟杰等人的研究結(jié)果[26]）。

表2 試驗(yàn)方案Tab.2 Test plan

采集后的土壤經(jīng)風(fēng)干后，進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，用盆規(guī)格為直徑10 cm，上口徑18 cm，高12 cm，土壤過(guò)2 mm 篩子，每盆裝入1.5 kg供試土壤，并與各組改良劑均勻混合裝入盆中，每隔3 d進(jìn)行澆水處理，濕潤(rùn)土壤。自裝盆之日起，試驗(yàn)持續(xù)60d，分別于間隔3、5、10、25、60 d 采集土壤樣品，用于土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分指標(biāo)的分析。

1.3.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

試驗(yàn)土壤指標(biāo)測(cè)定主要包括土壤pH 值、電導(dǎo)率（EC）、陽(yáng)離子交換量（CEC）、交換性鈉離子、堿化度（ESP）、鈉吸附比（SAR）。各指標(biāo)的測(cè)定參照《土壤農(nóng)化分析》，具體方法見表3。

表3 土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定方法Tab.3 Determination methods of soil physical and chemical properties

1.3.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2016 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)處理，通過(guò)SPSSv22.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并對(duì)數(shù)據(jù)利用主成分分析法進(jìn)行效果評(píng)估，采用Origin2018進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 組合改良劑對(duì)部分土壤指標(biāo)的影響

2.1.1 組合改良劑對(duì)土壤pH值的影響

3 種因素不同水平改良60 d 后土壤pH 的結(jié)果不同（見圖2），其中A、B、C 分別表示因素磷石膏、生物炭和蚯蚓糞的不同水平，即圖中9 個(gè)柱形依次表示磷石膏的4%、6%、8%水平，生物炭的2%、4%、6%水平，蚯蚓糞的5%、10%、15%水平（下同）。與CK 組的pH 值9.81 相比，經(jīng)過(guò)不同水平的磷石膏和不同水平的蚯蚓糞處理的土壤pH 顯著降低，磷石膏的3個(gè)水平分別降低了2.30、2.37、2.52個(gè)單位，蚯蚓糞的3個(gè)水平分別降低了2.32、2.41、2.46 個(gè)單位，說(shuō)明磷石膏的施用和蚯蚓糞的施用均能夠有效降低土壤的pH 值。隨著磷石膏和蚯蚓糞用量的逐漸增加，土壤pH 越低，且各水平間差異顯著，所以A3和C3分別為磷石膏和蚯蚓糞的最優(yōu)水平。在生物炭改良劑因素中，分別比原土組降低了2.40、2.38、2.41 個(gè)單位，各水平的土壤pH 不存在顯著性差異。3 個(gè)因素對(duì)土壤pH值的改良作用大小依次為磷石膏＞蚯蚓糞＞生物炭。

圖2 不同因素水平下的土壤pH值Fig.2 Soil pH under different factor levels

2.1.2 組合改良劑對(duì)土壤交換性鈉離子的影響

3種因素不同水平改良60 d后土壤交換性鈉離子含量的結(jié)果不同（見圖3），各組交換性鈉離子含量較原土對(duì)照組的5.97 cmol/kg 含量相比均顯著降低。由離差平方和可知，磷石膏改良劑因素對(duì)土壤交換性鈉離子的影響最大，分別降低了45.23%、47.57%和48.74%，各組之間差異達(dá)到極顯著水平。生物質(zhì)炭改良劑因素對(duì)土壤交換性鈉離子影響次之，各組之間差異達(dá)到顯著水平。隨著磷石膏和生物炭施用量的增加，土壤交換性鈉離子逐漸減少，所以A3和B3為磷石膏因素和生物質(zhì)炭因素的最優(yōu)水平，分別降低了47.40%和48.74%。蚯蚓糞對(duì)交換性鈉離子無(wú)顯著影響。在蚯蚓糞改良劑因素中，各水平的土壤交換性鈉離子不存在顯著性差異，分別比原土組降低了47.24%、47.40%、46.90%。3 個(gè)因素對(duì)土壤交換性鈉離子含量的改良作用大小依次為磷石膏＞生物炭＞蚯蚓糞。

圖3 不同因素水平下的土壤交換性鈉離子含量Fig.3 Soil exchangeable sodium ion content under different factor levels

2.1.3 組合改良劑對(duì)土壤堿化度的影響

3種因素不同水平改良60 d后土壤堿化度的結(jié)果不同（見圖4），各組土壤堿化度較原土對(duì)照組均顯著降低。由離差平方和可知，磷石膏改良劑因素對(duì)土壤堿化度的影響最大，分別降低了41.89、43.73、44.69 個(gè)百分點(diǎn)，各組之間差異明顯。生物質(zhì)炭改良劑因素對(duì)土壤堿化度影響次之，各組之間差異達(dá)到顯著水平。隨著磷石膏和生物炭施用量的增加，土壤堿化度逐漸減少，所以A3和B3為磷石膏因素和生物質(zhì)炭因素的最優(yōu)水平。在蚯蚓糞改良劑因素中，各水平的土壤堿化度不存在顯著性差異。3個(gè)因素對(duì)土壤堿化度的改良作用大小依次為磷石膏＞生物炭＞蚯蚓糞。

圖4 不同因素水平下的土壤堿化度Fig.4 Soil alkalinity under different factor levels

2.1.4 組合改良劑對(duì)土壤鈉吸附比的影響

3 種因素不同水平改良60 d 后土壤鈉吸附比的結(jié)果不同（見圖5），與CK 組相比，經(jīng)過(guò)不同水平的磷石膏和不同水平的生物炭處理的土壤的鈉吸附比顯著降低，分別降低了51.91%、54.17%、58.40%和53.51%、54.91%、56.06%，說(shuō)明磷石膏的施用和生物炭的施用均能夠有效降低土壤的鈉吸附比。隨著磷石膏和生物炭用量的逐漸增加，土壤鈉吸附比越低，且各水平間差異顯著，所以A3和B3分別為磷石膏和生物炭的最優(yōu)水平。蚯蚓糞中富含微生物，能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，降低交換性鈉離子含量，從而間接降低土壤的鈉吸附比。在蚯蚓糞改良劑因素中，分別比原土組減低了55.26%、54.84%、54.39%，各水平的土壤鈉吸附比不存在顯著性差異。3個(gè)因素對(duì)土壤鈉吸附比的改良作用大小依次為磷石膏＞生物炭＞蚯蚓糞。

圖5 不同因素水平下的土壤鈉吸附比Fig.5 Soil sodium adsorption ratio under different factor levels

2.2 組合添加劑對(duì)鹽堿土改良效果的綜合評(píng)價(jià)

2.2.1 各試驗(yàn)指標(biāo)的相關(guān)性分析

經(jīng)各組改良處理的鹽堿土的各項(xiàng)指標(biāo)發(fā)生了很大變化，60 d各試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見表4，對(duì)各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)利用Pearson相關(guān)進(jìn)行相關(guān)性分析見表5[27]。

表4 60天后各試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果Table 4 Test results of each test index after 60 days

表5 各指標(biāo)相關(guān)性分析Tab.5 Correlation analysis of various indicators

土壤pH 值與土壤電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)，與陽(yáng)離子交換量呈顯著負(fù)相關(guān)，與堿化度和鈉吸附比呈顯著正相關(guān)，與交換性鈉相關(guān)性不顯著。土壤電導(dǎo)率與鈉吸附比呈極顯著負(fù)相關(guān)，而與其他指標(biāo)相關(guān)性不顯著。陽(yáng)離子交換量與堿化度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與交換性鈉、鈉吸附比呈顯著負(fù)相關(guān)。交換性鈉與堿化度、鈉吸附比呈極顯著正相關(guān)。堿化度與鈉吸附比呈極顯著正相關(guān)。有機(jī)質(zhì)與其他測(cè)定指標(biāo)相關(guān)性不顯著。

2.2.2 主成分分析提取

通過(guò)利用SPSS 軟件進(jìn)行主成分分析提取，結(jié)果見表6。并利用SPSS軟件進(jìn)行Bartlett球形檢驗(yàn)，得出KMO值為0.782＞0.7，可以進(jìn)行因子分析。根據(jù)主成分特征值＞1 的原則，提取出了2個(gè)主成分。第一主成分和第二主成分方差貢獻(xiàn)率分別為71.637%和17.619%，兩個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了89.255%＞85%。因此，可以利用這兩種主成分對(duì)土壤改良效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表6 主成分分析提取結(jié)果Tab.6 Principal component analysis extraction results

由表7 可知，土壤pH、交換性鈉、堿化度和鈉吸附比這些指標(biāo)在第一主成分上的荷載較大，因此，第一主成分代表了這些指標(biāo)。土壤的電導(dǎo)率、陽(yáng)離子交換量和有機(jī)質(zhì)在第二主成分上的荷載較大，所以，第二主成分代表了3個(gè)指標(biāo)。

表7 各指標(biāo)的主成分矩陣Tab.7 Principal component matrix of each index

2.2.3 計(jì)算主成分評(píng)分及綜合得分

根據(jù)各主成分系數(shù)矩陣分析，得到和主成分評(píng)分的函數(shù)表達(dá)式，分別為：

將土壤指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行Z標(biāo)準(zhǔn)化后代入上述表達(dá)式中，得到各主成分得分情況。再根據(jù)各主成分的方差貢獻(xiàn)率，利用計(jì)算公式（1），算出各組處理的綜合得分，得分結(jié)果見表8。通過(guò)各處理中兩個(gè)主成分得分及綜合得分的比較，得出9 號(hào)A3B3C2組合添加劑摻量為最優(yōu)組合。

表8 各處理綜合得分Tab.8 Comprehensive scores of each treatment

式中：ai表示第i個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率（i=1，2）；Yi表示第i個(gè)主成分的得分。

3 討 論

磷石膏、生物炭和蚯蚓糞的組合添加物的不同摻量均能對(duì)吉林西部鹽堿土的一些指標(biāo)進(jìn)行改良，具有一定的改良效果。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，60 d時(shí)各試驗(yàn)指標(biāo)變化趨勢(shì)穩(wěn)定。磷石膏本身呈酸性，含有游離的磷酸，可以顯著降低鹽堿土的pH值，除此之外，磷石膏中的鈣離子可與鹽堿土中的碳酸根、碳酸氫根發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也可以降低土壤pH 值。磷石膏中的硫酸鈣能有效置換鹽堿土中交換性鈉，降低土壤中交換性鈉離子含量，這與陳健[15-18]等研究結(jié)果一致。蚯蚓糞中含有大量微生物，可以顯著改善土壤化學(xué)性質(zhì)，提高土壤陽(yáng)離子交換量，能夠?qū)}堿土壤進(jìn)行有效改善。這與王慶蒙[24]等研究結(jié)果一致。生物炭含有大量的灰分，水溶液呈堿性，會(huì)使土壤pH值略微上升，但隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，生物炭的水解效應(yīng)小于本身對(duì)土壤的緩沖效應(yīng)，能夠使土壤pH 值、含鹽量均有小幅下降，土壤陽(yáng)離子交換量增大，一定程度上改善了鹽土環(huán)境，這與黃成真[19-21]等研究結(jié)果一致。本研究通過(guò)組合添加物的改良，測(cè)量一些土壤的化學(xué)指標(biāo)，并對(duì)改良效果利用評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，進(jìn)行量化，從而確定出最優(yōu)組合，同時(shí)發(fā)現(xiàn)組合添加物可以有效改良吉林西部鹽堿土，提高土地資源利用率。

4 結(jié) 論

（1）隨著磷石膏和蚯蚓糞施用量的增加，土壤pH 值不斷減少，3個(gè)因素對(duì)土壤pH 值的改良作用大小依次為磷石膏＞蚯蚓糞＞生物炭。

（2）隨著磷石膏和生物炭施用量的增加，土壤交換性鈉離子含量、土壤堿化度和土壤鈉吸附比顯著減少，3個(gè)因素對(duì)土壤交換性鈉離子含量、土壤堿化度和土壤鈉吸附比的改良作用大小依次為磷石膏＞生物炭＞蚯蚓糞。

（3）通過(guò)主成分分析對(duì)吉林西部蘇打鹽堿土的改良效果的綜合評(píng)價(jià)可知，第八組和第九組的改良效果較好，改良效果最優(yōu)的是9 號(hào)A3B3C2 組合，改良劑組合為8%磷石膏，6%玉米秸稈生物質(zhì)炭，10%蚯蚓糞。

綜上可知，土壤pH、交換性鈉離子、堿化度和鈉吸附比均顯著降低，改良效果顯著。其中，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的綜合評(píng)價(jià)計(jì)算，改良效果最優(yōu)的為9號(hào)A3B3C2組合，各添加物的組合為：8%磷石膏，6%玉米秸稈生物質(zhì)炭，10%蚯蚓糞。