防治城市绿地土壤次生盐渍化的改良材料研究

李伟彤 孙福海 马献发

(东北农业大学资源与环境学院 哈尔滨 150030)

随着城市化建设的发展，人类活动的频繁与多样使城市绿地土壤次生盐渍化日益加重，如工业“三废”物质、生活垃圾、交通运输、大气降雨和降尘等都是造成城市绿地土壤次生盐渍化的原因[1，2]。然而，造成哈尔滨市绿地土壤次生盐渍化的原因主要是冬季降雪后融雪剂的大量使用。土壤次生盐渍化不仅会降低土壤中铁、磷等元素的有效性，而且会抑制土壤中微生物的活动及对其他养分的分解。当土壤盐分渗透到植物根区，将对植物生存造成威胁。虽然受害植株根区土壤盐分可得到水分淋溶，但受自然降雨和人工灌溉数量有限以及城市土壤底层坚实[3～5]等因素制约，将盐分淋溶到根系分布范围以外的数量很少。而当植物根区盐分过高时，可在很短时间内致树木于死地。因此，城市绿地土壤次生盐渍化防治刻不容缓。

已有研究表明：腐植酸是一种有机大分子两性物质，其阳离子交换量大，可以吸附大量的游离Na+、缓冲土壤的酸碱性、降低土壤中水溶性盐分含量等，改良盐渍化土壤效果显著[6～8]；天然沸石粉因其比表面积大，对Na+和HCO3-等具有较强的吸附能力，改善盐渍化土壤效果明显[9，10]；畜禽粪便和枯枝落叶等有机物料通过坑沤和堆制腐熟后施入土壤，能增加土壤有机质，提高肥力和缓冲性能，改善土壤结构，增加透性，降低含盐量，调节pH值，从而减轻盐害[11，12]；磷石膏或石膏施入土壤可直接或间接增加Ca2+含量，通过Ca2+置换Na+，从而减轻盐害[7，13，14]。

基于腐植酸、沸石、有机物料、磷石膏等对盐渍化土壤的改良效果，利用褐煤腐植酸、沸石、玉米秸秆、磷石膏等原料，采用二次回归正交旋转试验设计，对改善城市绿地土壤次生盐渍化材料的配方进行调整，筛选降低土壤盐分最有效的组合，为城市土壤环境修复和园林绿化提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选取褐煤、沸石、玉米秸秆和磷石膏为材料。褐煤来源为黑龙江省鹤岗市萝北县，总腐植酸含量62.4%，灰分10.6%，粉碎过100目筛；沸石来源为吉林省九台市的沸石矿，含斜发沸石70%，阳离子交换量150 cmol/kg，粉碎过100目筛；秸秆为2013年采自东北农业大学香坊实验农场秋季收获后的玉米秸秆，60 ℃烘干，粉碎后过100目筛；磷石膏来源为南化公司磷肥厂，含P2O51%～1.8%、CaO 30%～31.5%、SO240%～43%、MgO 0.1%～1.2%，粉碎过100目筛。

供试土壤随机取自哈尔滨市绿地土壤，其电导率为950 μS/cm。根据试验前期对哈尔滨市绿地土壤盐渍化的调查显示：土壤浸提液电导率在2000 μS/cm以上的96个，占总样品的51.9%；土壤浸提液盐分组成(K+、Na+、HCO3-、Cl-、Ca2+、Mg2+)中，Na+和Cl-二者与土壤电导率的相关性最高，其相关系数分别为0.78、0.74，由此说明哈尔滨市土壤盐分物质主要来源为氯化钠。因此，试验中人为设定土壤电导率为2500 μS/cm，盐分种类用氯化钠代替，每100 g土壤加入0.06 g氯化钠(分析纯)，以此模拟盐渍化程度较重的城市绿地土壤。

1.2 试验设计与方法

试验选用褐煤(X1)、沸石(X2)、玉米秸秆(X3)、磷石膏(X4)为影响城市绿地土壤盐分含量(Y)四因素，将此四因素作为自变量，并以编码值-1.6818，-1，0，l，1.6818分别代表自变量的五个水平，采用四因素五水平(1/2实施)二次回归正交旋转设计，即总试验点数N＝23，其数学模型为方程(1)：

方程式(1)中：Y为预测值，即土壤电导率；xi和xj为输入变量对应的编码值；b0为常数项；bj为第j个一次项系数；bjj为第jj项二次项系数；bij为第ij项交互项系数。

根据四因素五水平(1/2实施)二次回归正交旋转设计，由DPS软件确定编码值，根据以往试验和相关资料确定的零水平，利用表1中自变量水平编码值和水平间隔值(步长)，根据方程(2)，求出各因子的实际用量。

方程式(2)中，xi为第i个变量的编码值，Xi为自变量的真实值，⊿X为步长，X0为试验中心点自变量的真实值[15]。

采用盆栽试验，每盆装土2 kg(折合土壤干重)，分别按照表1和表2施入改良材料，每个处理重复3次。将改良材料与土壤充分混匀，浇透水，播入白三叶草草种，放置于玻璃温室内，土壤表层见干浇灌等量的水。植物生长60天后，采集土壤样品(0～10 cm表层土壤)，样品风干后按照水土比5︰1浸提，采用电导仪(DDS-307型)测定各处理土壤的电导率。

表1 试验设计因素水平编码表Tab.1 Factors and levels of experiment design g

表2 不同改良材料的结构矩阵Tab.2 The structure matrix of different modi fi ed material

2 结果与分析

2.1 模型建立

通过测定各处理的土壤盐分(电导率)(表3)，除处理8、处理9较试验开始时土壤盐分(电导率)高外，其他处理土壤盐分均得到了不同程度的改善。处理8腐植酸(X1)、沸石(X2)、玉米秸秆(X3)和磷石膏(X4)均处于较低水平，处理9腐植酸(X1)的用量处于最低水平，说明土壤盐分降低与4种改良材料用量有关，其中腐植酸影响更为明显。通过多项式回归分析(最小值)，建立二次回归模型，拟合得到四元二次方程描述腐植酸(X1)、沸石(X2)、玉米秸秆(X3)和磷石膏(X4)对土壤盐分的关系：

根据回归方程(3)的检验结果显示：相关系数R=0.9634，决定系数R2=0.9281，F值=7.375，P值=0.0039＜0.01，达到极显著水平。这说明此方程可信度好，预测值和实际值吻合较好，用此模型进行预报具有较高的可行性。

表3 不同处理的土壤盐分结果Tab.3 The soil salinity results of different treatments

回归系数t检验结果表明(表4)：X1、X2、X3、在0.01水平上差异显著；在交互项中，X1X3和X1X4在0.05水平上差异显著，其他项差异不显著。由此结果说明，腐植酸(X1)、沸石(X2)、玉米秸秆(X3)和磷石膏(X4)对降低土壤盐分含量有极显著影响，腐植酸与玉米秸秆交互作用(X1X3)、腐植酸与磷石膏交互作用(X1X4)均对土壤盐分降低有显著影响。

优化回归方程(3)，剔除不显著项为：

表4 方程(3)的回归系数t检验值Tab.4 Coef fi cient of regression equation (3) t-test value

2.2 单因子分析

根据优化后的回归方程(4)偏回归系数绝对值的大小可判断因子的重要程度，系数的正负表示因子效应作用的方向。由于设计中各因素处理进行正交编码，回归模型中的统计值已相对独立，只需要把其他3个因素固定在零水平上就可反映各因子与土壤盐分含量的关系，由此得到各因子的偏回归方程(5)～(8)。

根据上述方程得单因子效应分析图(图1)。从图1可以看出，随着褐煤腐植酸(X1)、沸石(X2)、玉米秸秆(X3)和磷石膏(X4)用量的增加，土壤电导率表现出先迅速下降而后又缓慢上升的趋势，其中影响程度依次排列为褐煤腐植酸＞玉米秸秆＞磷石膏＞沸石。

图1 单因子效应Fig.1 Single factor effect

图2 褐煤腐植酸与玉米秸秆交互的响应面曲线Fig.2 The response surface curves interaction of lignite humic acid and corn straw

2.3 交互作用

由表4可知，在交互项中，X1X3和X1X4在0.05水平上差异显著，其他项差异不显著。对差异显著的交互项X1X3(腐植酸与玉米秸秆交互作用)和X1X4(腐植酸与磷石膏交互作用)进行分析，即将方程(4)中的X2、X4二因素固定在零水平，得到X1X3交互作用方程(9)；将方程(4)中的X2、X3二因素固定在零水平，得到X1X4交互作用方程(10)。获得的方程(9)和(10)如下：

图3 褐煤腐植酸与磷石膏交互的响应面曲线Fig.3 The response surface curves interaction of lignite humic acid and phosphogypsum

由X1X3和X1X4交互作用方程(9)、方程(10)分别获得响应面曲线图2、图3。

由图2得知，褐煤腐植酸和玉米秸秆交互作用表现为随着腐植酸与玉米秸秆用量的增加，土壤电导率呈现先减小后增大的趋势，响应面坡度较大，曲面有最小值。由图3可知，褐煤腐植酸和磷石膏交互作用与图2表现趋势一致。综上说明，褐煤腐植酸与玉米秸秆、磷石膏交互作用均较为明显，褐煤腐植酸与磷石膏或是玉米秸秆配合施用在一定范围内均可有效降低土壤盐分。

2.4 因素组合最佳组合优化

通过DPS软件进行二次多项式求得极小值，获得改良城市绿地土壤次生盐渍化的最佳改良剂编码值组合见表5，经计算得出每盆(折合土壤干重2 kg)施用褐煤腐植酸63.6 g、沸石14.4 g、玉米秸秆12.2 g、磷石膏3.9 g。

表5 最佳改良剂组合Tab.5 The best ameliorant combination

3 结论与讨论

将改良材料施入盐渍化土壤主要有以下两方面的作用：一方面是改善土壤胶体性质，促进胶体凝聚过程，促进土壤团粒结构形成，增加土壤通透性，加速盐分离子淋洗和排出；另一方面是改善盐渍化土壤的化学性质，增加土壤对盐分的吸收性能，减少盐分移动，改变土壤的可溶性盐基成分。

本研究中采用二次回归正交试验设计，对褐煤腐植酸、沸石、玉米秸秆、磷石膏进行复配，结果表明，这4种材料对城市绿地盐渍化土壤的改良效果是显著的。本试验设计的23个处理中除处理8、处理9外，其他各处理的土壤盐分均得到了不同程度的改善。褐煤腐植酸与玉米秸秆的交互作用、褐煤腐植酸与磷石膏的交互作用对土壤盐分降低有显著影响。其原因可能在于：褐煤腐植酸与玉米秸秆施入土壤，能够显著地增加土壤腐植酸的总量[16]，进而增强了腐植酸降盐效果。腐植酸与磷石膏对土壤结构具有明显改善作用，两者交互更有利于改善土壤结构，增强土壤通透性，促进盐分淋洗。

通过DPS软件进行二次多项式求极小值，得到改良城市绿地土壤次生盐渍化的最佳改良剂组合，即每盆(折合土壤干重2 kg)施用褐煤腐植酸63.6 g、沸石14.4 g、玉米秸秆12.2 g、磷石膏3.9 g。本研究对城市绿地土壤次生盐渍化改良材料的优化具有一定的指导作用，但在城市绿地土壤盐渍化防治效果上，仍需进一步试验验证与推广示范。

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