基于土壤钠离子含量的不同施用量石膏改良剂的改良效果

罗小东，王全九，谭　帅

(西安理工大学水资源研究所， 陕西 西安 710048)



基于土壤钠离子含量的不同施用量石膏改良剂的改良效果

罗小东，王全九，谭帅

(西安理工大学水资源研究所， 陕西 西安 710048)

摘要：以土壤中钠离子含量为依据，分析石膏施量对土壤水盐分布和作物生长的影响，从而确定石膏改良剂合理施量。结果表明：石膏施量为土壤钠离子含量的200%时，土壤的容重下降14.44%，较其他处理下降幅度大; 石膏施量为土壤钠离子含量的200%和300%时，土壤的含水量较其他处理增加幅度大，分别为5.94%和6.21%； 石膏施量为土壤钠离子含量的200%和300%时，更有利于土壤的脱盐，相对脱盐率分别为14.1%和13.6%； 各施量都增加了棉花的茎粗、产量，施量为土壤钠离子含量的200%时，棉花的茎粗和产量增加最多，分别为1.6 mm和45 kg·667m-2； 当石膏施量为100%、200%和300%时，经济效益增加，相比对照分别增加108、263、148 元·667m-2，当石膏施量为350%时，经济效益降低，相比对照降低了44 元·667m-2。

关键词：盐碱地；石膏改良剂；水盐运移；土壤容重；经济效益

我国是一个拥有丰富盐碱地资源的国家[1]，盐碱地的开发可以实现土地资源的可持续利用和农业的增产增收。近年来，很多学者对盐碱地的改良做了大量研究[2-7]，研究了改良剂的改良原理[8-10]，确定了很多类改良盐碱地的改良剂[11-15]，得出了针对某一区域的改良剂施量[16-17]。但是由于盐碱地的盐分含量和组成在不同区域存在差异，改良剂的施量也因地域差异而发生变化，这使改良剂的推广使用受到限制，不利于盐碱地的开发和利用。本试验所在地区，土壤为钠质化盐碱地，含有大量的钠离子，恶化土壤的物理特性。针对这一现状，采用石膏进行改良，用石膏中的钙离子置换出吸附在土壤颗粒上的钠离子，并在灌水淋洗的作用下，将钠离子运移到作物根层以外处，为作物创造良好的生长水盐环境。新疆库尔勒巴州灌区的农田，种植作物为棉花，种植结构单一。土壤盐碱化严重，钠离子含量大，在采用膜下滴灌灌水技术之前，棉花的产量很低。膜下滴灌技术结合化学改良，可以更好地淋洗作物根层的盐分，为作物创造良好的水盐环境。改良剂石膏的施量与土壤中钠离子含量有关，本文以土壤中钠离子含量的相对值确定改良剂石膏的合理施量，为确定改良剂合理施量提供参考。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验于2013年在库尔勒西尼尔镇巴州水管处灌溉试验站进行。该地区年降雨量55 mm左右，蒸发量2 500 mm左右，地下水埋深在1.4～2.4 m，矿化度大于3 g·L-1。土壤质地为砂土，其中砂粒占88.9%，粉粒占9.4%，粘粒占1.7%。1 m以内土壤平均容重为1.57 g·cm-3，在0～40 cm土层土壤平均含盐量为1.8 g·kg-1，其中10 cm土层处含盐量为2.2 g·kg-1，20 cm土层处含盐量为2.0 g·kg-1，30 cm土层处含盐量为1.6 g·kg-1，40 cm土层处含盐量为1.4 g·kg-1。多以Cl-和Na+为主。试验地种植作物为棉花，采用膜下滴灌技术，采用统一的灌水定额为4 500 m3，具体膜下滴灌种植方式如图1所示。

图1膜下滴灌棉花种植模式

Fig.1Drip irrigation patterns for cotton cultivation

1.2试验材料

供试改良剂为石膏，其主要成分为CaO 303.3 g·kg-1，P2O59.2 g·kg-1，K2O 2.2 g·kg-1，SO3418.9 g·kg-1，Fe2O32.2 g·kg-1，游离酸12.3 g·kg-1，全F2.97 g·kg-1，水溶性F 11.84 mg·kg-1。

改良深度为30 cm，钠离子含量的本底值和石膏施量如表1。

1.3试验设计

试验是在大田试验小区进行，试验设5种处理，即施加石膏用量分别为土壤钠离子含量的100%、200%、300%、350%，以不施加石膏处理为对照，设2个重复。试验方案如表1，每个试验小区面积为70 m2(10 m×7 m)。每个试验小区分别在膜间布置5个取土点，每个取土点相距30 cm，并在每个测点的5、10、15、20、30 cm和40 cm土层深处提取土样，取土时间为第1、4、7、9、11次灌水的前1天。提取土样用于测定土壤含水量、盐分和离子含量。

表1　钠离子含量的本底值和石膏施量

1.4试验方法

(1) 本底值调查：在施加改良剂之前，在埋深为5、10、15、20、30、40 cm处取土样测定其盐分含量和10～20 cm处的土壤容重。

(2) 试验期监测：在第1、4、7、9、11次灌水前1天，在膜间的5、10、15、20、30、40 cm土层处提取土样，用于测定土壤含水量和盐分。其中，土壤含水量用烘干法测定；土壤含盐量采用电导率仪测定，将所取的土样烘干后研磨，取18 g土用90 g纯净水(水土比1∶5)浸提，然后用DOS—307型电导率仪测定浸提液电导率值，并将电导率值转化为土壤含盐量。在第11次灌水后的第10天测定土壤容重，用体积为100 cm3的环刀取原状土，作为土样，称重烘干测定。在棉花的每个生育期测定棉花的生长指标，茎粗用游标卡尺测定。

(3) 脱盐率计算：由于每个试验地含盐量本底值存在差异，所以在分析各处理对土壤含盐量的影响时，采用了相对脱盐率表示，具体表达式为：

(1)

式中，sx为相对脱盐率；s为每次取土的土壤含盐量；sd为土壤的含盐量本底值。其中相对脱盐率为正时，表示积盐；相对脱盐率为负时，表示脱盐。

2结果与分析

2.1石膏不同施用量对土壤容重的影响

图2显示了石膏的不同施量对10～20 cm土层处土壤容重的影响。由图可知：石膏的施量分别为土壤钠离子含量的100%、200%、300%以及350%时，土壤容重的下降率分别为11.93%、14.44%、11.49%及13.41%，而对照土壤容重下降了8.2%，各处理都降低了土壤容重。这是因为石膏含有二价钙离子，施加到土壤中，置换出土壤中一价阳离子(主要是钠离子)，然后经过灌水淋洗，将钠离子运移到作物根层以下的土壤中，从而减轻钠离子对土壤颗粒的分散程度，降低土壤的容重。其中各施量相比，石膏施加量为土壤钠离子含量的200%时，土壤的容重下降幅度最大。

图2石膏施用量对土壤容重的影响

Fig.2Effects of gypsum application on soil bulk density

2.2石膏不同施用量对土壤含水量的影响

图3显示了不同处理对膜下窄行埋深分别为10 cm、20 cm、30 cm及40 cm土层处土壤含水量的影响。由图可知：在0～30 cm土层处，施加石膏的试验田土壤含水量相比对照有所提高。其中，在埋深20 cm处，石膏施量分别为土壤钠离子含量的100%、200%、300%及350%时，土壤含水量相比对照分别提高了3.06%、5.94%、6.21%和3.68%。说明石膏施加到土壤后，经过灌水溶解，分离出二价钙离子，从而置换出土壤中的一价钠离子，再在灌水淋洗的作用下，将钠离子运移到湿润锋处(>30 cm)，改善了0～30 cm处的土壤物理特性，减小了水分蒸发的通道和增加了土壤的持水能力。对不同施量进行比较分析可以看出，石膏施量为土壤钠离子含量的200%～300%时，土壤的含水量比较大。

图3石膏不同施用量对土壤含水量的影响

Fig.3Effects of gypsum application on soil water content

2.3石膏不同施用量对土壤含盐量的影响

图4显示了施加石膏对埋深为10 cm、20 cm、30 cm和40 cm处土壤相对含盐率的影响。由图可知，在埋深0～40 cm范围内，各处理和对照的脱盐率均为负值，呈现脱盐现象。这是因为一方面棉花在整个生育期对土壤盐分的吸收，另一方面是灌水淋洗的作用。另外各处理与对照相比，在0～20 cm土层范围内，土壤含盐量呈现降低的现象。其中，在10 cm土层处，石膏的施量为100%、200%、300%和350%时，土壤相对脱盐率相比对照分别增加了5.2%、14.1%、13.6%和7.3%。说明施加石膏有助于土壤的脱盐。在深度为30～40 cm土层范围内，有些处理相比对照有积盐的现象，这是因为在灌水淋洗的作用下，盐分被淋洗到深层土壤中。各施量之间进行比较发现：石膏施量为土壤钠离子含量的200%～300%时，更有利于土壤的脱盐。

图4石膏不同施用量对土壤含盐量的影响

Fig.4Effects of gypsum application on soil salt content

2.4石膏不同施用量对棉花生长特性的影响

施加改良剂影响了土壤的物理特性，改善了棉花生长的水盐环境，从而对作物的生长产生影响。图5～图7显示了施加石膏对棉花出苗率、茎粗和产量的影响。从图5可知，各试验小区出苗率存在微小差异，改良剂的施量对出苗率的影响规律不明显。这可能是因为春灌将大量的盐分淋洗到深层土壤中，再加上播种之后的覆膜，阻碍了盐分向表层的积累，而且没有灌水，改良剂没有溶解，改良作用发挥不明显，所以对出苗率的影响比较小。从图6可知，施加石膏相比对照，增加了棉花的茎粗。其中，当施量为200%时，棉花茎粗相比对照增加了1.6 mm。这是因为，施加改良剂改善了棉花生长的水盐环境，而植物茎秆的体积微变化动态与其体内水分状态有关，当根系吸水充足时茎秆膨胀，亏缺时茎秆收缩。从图7可知，施加石膏，相比对照，增加了棉花的产量。其中，石膏的施量为100%、200%、300%和350%时，相比对照棉花的产量分别增加12、45、39、20 kg·667m-2。

2.5施加石膏经济效益分析

施用化学改良剂的目的之一是取得高产，增加农民的收入，这样也有利于改良剂的推广使用。有些改良剂可以使棉花获得高产，但是其成本昂贵，反而造成农民收入的减小，不被农民接受。因此从经济效益的角度对改良剂的改良效果予以评价是很重要的。采用经济效益值评价改良剂的经济效益。其表达式为：

经济效益值(元)=棉花的产量(kg)×棉花的价格(元·kg-1)-改良剂的施加量(kg)×改良剂的价格(元·kg-1)

图5　石膏不同施用量对棉花出苗率的影响

图6石膏不同施用量对棉花茎粗的影响

Fig.6Effects of gypsum application on stem thickness of cotton

图8显示了石膏不同施量对经济效益值的影响。从图8可知，当石膏施量为100%、200%和300%时，经济效益增加，相比对照分别增加108、263、148 元·667-2。当石膏施量为350%时，经济效益降低，相比对照降低了44 元·667m-2。

图7　石膏不同施用量对棉花产量的影响

图8石膏不同施用量对经济效益值的影响

Fig.8Effects of gypsum application on economic value

3结论

通过上述分析，试验所得结果和许多学者推荐的石膏施量值相近，王晓洋[16]等研究发现：石膏施量为300 kg·667m-2时，土层盐分含量相对降低率分别为18.8%,13.0%和4.9%，油菜较对照增产6.1%。说明用这种方法确定石膏的施量值是有效和合理的，因此通过改良土壤中钠离子数量确定石膏施量可以克服土壤空间变异性，针对任何钠质化盐碱地都可以给出改良剂石膏的最佳施量。所得结论如下：

1) 石膏施量为213 kg·667m-2(200%)和320 kg·667m-2(300%)时，土壤的容重下降率(约14%)和土壤含水率相对增加值(约6.1%)相比其他处理较大，而且也更有利于土壤的脱盐(相对脱盐率约89.8%)。

2) 石膏施量为213 kg·667m-2(200%)时，增加棉花的茎粗、产量和经济效益值最大，分别为1.6 mm、45 kg·667m-2和263 元·667m-2。

综上所述，石膏的最佳施量推荐值在213 kg·667m-2(200%)和320 kg·667m-2(300%)之间。

参 考 文 献：

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The effect of gypsum improver based on Na+concentration in soil

LUO Xiao-dong, WANG Quan-jiu, TAN Shuai

(InstituteofWaterResources,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'an,Shaanxi710048,China)

Abstract：Influence of gypsum on soil salt distribution and crop production was analyzed in this research based on sodium ion content in soil, allowing a reasonable application of gypsum. Our results showed that when the application of gypsum was 200% of the sodium ion content in soil, soil bulk density could be lowered by about 14.44%. In addition, when the application of gypsum was 200% and 300% of the sodium ion content in soil, water content could be increased by about 5.94% and 6.21%, respectively. Moreover, when the application of gypsum was 200% and 300% of the sodium ion content in soil, conductivity of soil desalination was enhanced, resulting in desalination rates at 14.1% and 13.6%. Furthermore, each treatment increased stem diameter and yield of cotton. Among all treatments, 200% of the sodium ion content in soil was the best. Also, when the applications of gypsum were 100%, 200% and 300% of the sodium ion content in soil, the economic benefits for farmers could be increased by 108, 263 yuan·667m-2and 148 yuan·667m-2. However, when the application of gypsum was 350% of the sodium ion content in soil, the economic benefit for farmers was rather reduced by 44 yuan·667m-2.

Keywords:saline-alkali soil; gypsum ameliorant; water and salt transfer; soil bulk density; economic

中图分类号：S156.4

文献标志码：A

通信作者：王全九(1964—)，男，内蒙古人，教授，博士生导师,主要从事土壤物理与溶质迁移研究。 E-mail: wquanjiu@163.com。

作者简介：罗小东(1989—)，男，宁夏中卫人，硕士研究生，主要从事节水灌溉和盐碱地治理。 E-mail: Lxdhy2345@126.com。

基金项目：水利部公益性行业科研专项经费项目(201301102)；新疆维吾尔自治区科技计划项目(201330103-3)

收稿日期：2014-10-10

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.44

文章编号：1000-7601(2016)01-0288-05