3种材料对高水位土壤返盐及植物生长的影响

吴永健　唐永杰　顾婉聪　孙红文　刘春光

摘 要：采用土柱试验，模拟具有较高水位的盐渍土层，以碱茅作为供试植物，考察了4A沸石、电气石和粉煤灰对土壤的改良效果。结果表明，3种材料未能抑制土壤返盐，对植物的生长也未表现出促进作用。4A沸石使土壤变得紧实，甚至抑制碱茅的生长。电气石对土壤返盐和植物生长均无显著影响。粉煤灰加剧了土壤返盐，但也促进了碱茅的根系向盐度较低的深层伸展，从而缓解了盐胁迫。本研究认为，3种材料均不适合抑制土壤返盐和缓解盐对植物的胁迫，粉煤灰有助于抑制盐渍土的板结。

关键词：盐渍土；4A沸石；电气石；粉煤灰；碱茅

中图分类号：S156.4 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.04.018

Abstract： To evaluate the effect of 4A zeolite， tourmaline， and fly ash on the amendment of soil with high saline groundwater table， a soil column experiment was conducted using salt tolerant grass， Puccinellia tenuiflora. The results showed that there was no significant effect of these three materials on the inhibition of salt accumulation in topsoil. Also， the three materials showed no effect on the increase of plant growth. The 4A zeolite tightened the soil andeven inhibited plant growth. Tourmaline showedno significant effect on salt accumulation in topsoil and plant growth.Fly ash increased saltaccumulation in topsoil， but itstimulated plant rootextending to deepersoil with lower salinity， resulting in an alleviation of salt stress. This study indicated that all the three materials were unsuitable forthe inhibitionof salt accumulation in topsoil， while fly ash can be used to loosen tight saline soil.

Key words：salinesoil；4A zeolite； tourmaline； fly ash； puccinellia tenuiflora

土壤盐渍化是一个世界性资源和生态问题，是生态恢复和农业生产的一个重要的限制因素。在各类改良方法中，在土壤中施用改良剂的方法得到广泛关注。利用特定的改良剂调节盐碱土的理化性质，缓解盐分对植物的伤害，相比于其他方法具有见效快、投入小、周期短的优点。近年来，越来越多的材料开始被应用于土壤改良或修复，包括糠醛渣、生物炭、沸石、电气石、粉煤灰等。

沸石是一种多孔矿物，具备良好的吸附性能。有研究表明，天然沸石加入土壤后增加了萝卜的产量，并且起到了阻隔盐分的作用[1]，沸石已成为一种有效的盐碱化土壤改良剂[2]。4A沸石相较于天然沸石而言，其吸附能力更加优秀，结构、性质均一，因而对于水溶液中的Na+应当具有更好的吸附能力。然而，尚没有4A沸石用于盐碱地土壤改良方面的报导。电气石是一类矿物的统称，具有复杂的化学组成和结构，具有一定的吸附性能，其用于吸附重金属的研究已被广泛报导[3]。有研究发现，电气石对Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+等离子均有吸附效果，是一种优良的新型吸附剂[4]。然而，电气石对于Na+的吸附研究则少见，将其用于盐碱土壤改良的报道罕见[5]。粉煤灰是燃煤工业产生的废弃物，将其用于改良土壤已有广泛报导[6]。有研究发现，在滨海盐渍土中施用一定的粉煤灰后可以降低土壤容重，增加孔隙度，提高土壤的透水、透气能力，使土壤含水量上升[7]。然而，粉煤灰良好的透水效果在干旱但高地下水位的地区是否会加重土壤表层盐分的积累，尚未得到证实。

较高的地下水位是导致表层积聚盐分的一个主要原因，而以往关于高盐土壤改良的研究较少考虑地下水中盐分向上迁移的贡献。本研究试图通过土柱试验，模拟具有较高水位的土层，以碱茅为供试植物，考察4A沸石、电气石、粉煤灰对表层土壤盐分聚积和对植物生长的影响。希望通过本研究的开展，为滩涂等地下水位较高的土层盐渍化的缓解提供依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

试验在南开大学日光温室进行，起止时间为2013年10月22日（植物移栽）至2014年2月28日（收获）。在试验期间温室内气温范围为0～35 ℃，日均温约为10 ℃，相对湿度约为10%～70%。试验中后期由于气温下降，于2013年12月25日将试验场地转移至室内日光灯培养架（光照度为72 mol·m-2·s-1），直至2014年2月28日收获。室内气温约为20～28 ℃，湿度约为20%～50%。

试验用土取自山东寿光，基本理化性质为：含水率3.39%，有机质2.46%，碱解氮26.61 mg·kg-1，速效磷9.10 mg·kg-1，含盐量1.05 g·kg-1，pH值为7.98。碱茅（Puccinellia tenuiflora）种子由天津园林绿化研究所提供；4A沸石由南开大学催化剂厂提供，过400目筛；电气石购于天津市鸿雁矿产品有限公司，过400目筛；粉煤灰取自南开大学供热站。

以聚氯乙烯（PVC）管为容器（内径110 mm，高400 mm），一端以聚乙烯（PE）袋封口（两层），每管装土4.5 kg。底部放置一个塑料托盘，防止聚乙烯袋与地面摩擦破裂（图1）。

1.2 试验方法

将碱茅种子播撒在聚苯乙烯育苗盘中，3周后将幼苗移栽至PVC管。

试验设置两个盐浓度水平：0 g NaCl·kg-1干土（无胁迫组），10 g NaCl·kg-1干土（胁迫组）。每个盐度水平下设置4组改良剂处理：不施加改良剂；4A沸石；电气石；粉煤灰。

所有改良剂添加量均为10%（质量分数），与土壤混匀后装柱。每组处理设4个平行，共计32个柱子。每个处理移栽50株幼苗，幼苗移栽经5 d适应后，给胁迫组处理添加盐胁迫（10 g·kg-1），以NaCl溶液形式，由聚乙烯袋口加入（图1）。添加去离子水使水位至15 cm高度，试验期间每天检查水位变化，并从塑料袋口处加去离子水，维持塑料袋内水位为15 cm。在生长期内浇灌两次霍格兰营养液，共计100 mL·柱-1。

1.3 指标测定方法及数据处理

试验结束时，在不损伤植株根系前提下，对每个处理均匀挖取基质表面下方5 cm处土壤。用于测量可溶性盐含量，以土壤浸提液（水土比5∶1）的电导率表示。

收获碱茅地上、地下部分，于105 ℃杀青15 min，80 ℃烘干12 h，研磨，消解，使用电感耦合等离子体发射光谱（ICP OES）测定钠元素含量。消解过程如下：称取0.2 g左右（精确到小数点后4位）样品，加入65%硝酸7 mL，30%过氧化氢1 mL，用微波消解仪消解。消解过程由程序控制：首先升温至130 ℃，持续5 min，升温至150 ℃，持续5 min，升温至180 ℃，持续10 min，停止加热，冷却至室温，以去离子水定容至25 mL，经0.45 μm醋酸纤维微孔滤膜过滤备测。

数据处理使用IBMSPSS Statistics 20进行单因素方差分析（Duncan多重比较，P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同处理对碱茅生物量的影响

由图2可知，在无盐胁迫时，土壤中施加电气石和粉煤灰对碱茅生物量无显著影响，施加4A沸石的处理碱茅生物量显著低于其他处理组；添加盐胁迫的处理中，电气石与粉煤灰处理对碱茅生物量影响不大，4A沸石的加入则显著降低碱茅生物量。在该试验条件下，10 g·kg-1NaCl胁迫显著降低了碱茅的生物量。从碱茅生物量上看，施加的3种改良剂均无显著的改良效果。在试验期间发现，保持充足供水条件下，4A沸石处理土壤表层极为干燥，水分上行困难，因此碱茅难以生长，试验中期即出现枯亡的现象。

2.2 不同处理对土壤表层含盐量的影响

采集植株收获后的表层土壤，测定其水溶液电导率，以表示土壤含盐量，其结果如图3。在无胁迫处理中，粉煤灰处理与其余处理的电导率有显著差异。在胁迫处理组，粉煤灰处理与其余处理的电导率差异显著。这表明，粉煤灰会显著加剧土壤盐分在表土层的积聚。为排除添加剂引入盐分造成影响，用烘干残渣法测定了4A沸石、电气石、粉煤灰各自的可溶性盐含量，粉煤灰可溶性盐含量与实验用土接近（约1 g·kg-1），4A沸石与电气石自身可溶性盐含量较低（约为0.1 g·kg-1）。在无胁迫处理组中改良剂引入的盐分不超过土壤基质，在胁迫处理组中，不同改良剂引入的盐分相比于10 g·kg-1的胁迫强度只占不到1%[（1-0.1）×0.1÷10=0.9%]，因此本研究中不考虑改良剂引入盐分的影响。

本试验中胁迫强度由添加的NaCl质量控制，为更加直观地比较胁迫强度（10 g NaCl·kg-1 ）与试验后土壤含盐量，笔者取电导率数值最大的一组土壤样品（7.41 ms·cm-1，约相当于18.7 g·L-1的NaCl水溶液）用烘干残渣法测定，其含盐量为20.1 g·kg-1。由于试验设定的胁迫强度为10 g·kg-1（考虑土壤基质背景含盐量则约为11 g·kg-1），即土柱下部土壤含盐量显然低于平均胁迫强度。该结果表明，在本试验设定的高水位条件下，柱状土壤中的盐分含量从上到下依次降低，表层土壤含盐量远高于土壤平均含盐量。

2.3 不同处理对碱茅植株内钠含量的影响

从图4可以看出，胁迫组相比于无胁迫组，碱茅体内钠含量显著上升。添加4A沸石的处理植株体内钠含量显著高于其他处理。除此之外，无论是胁迫组还是无胁迫处理组，电气石或粉煤灰的加入对碱茅植株内钠含量均无显著影响。

从图5可以看出，钠主要积累于碱茅的地上部分。各处理组碱茅根部对钠的累积无太大差异，地上部分胁迫组相比于无胁迫组也无数量级差异。在只考虑均值的情况下，可以发现，粉煤灰的加入略微提高了碱茅的生物量，降低了植株体内钠浓度，所以在图5中，胁迫+粉煤灰处理相比于胁迫对照具有差异。

3 结论与讨论

3.1 结 论

（1）4A沸石、电气石、粉煤灰3种物质加入土壤后均未能减缓土壤盐分向地表富集，且粉煤灰显著促进了土壤返盐；

（2）粉煤灰对盐碱土壤有一定的改良效果，主要体现在降低土壤容重，促进盐分表聚，使得耐盐植物能够更好地在土壤深层扎根，吸收深层低盐土壤的水分，降低盐害；

（3）粉末状4A沸石和电气石对缓解植物盐胁迫并无明显作用，不宜用作盐渍化土壤改良剂。

3.2 讨 论

粉末状4A沸石不适用于土壤改良。在本次试验中，粉末状4A沸石加入土壤后，在低盐浓度下（无胁迫处理组）略微提高了表土含盐量，与胁迫对照相比则略微降低了表土含盐量，但均不显著。从图2生物量的结果中可以看出，4A沸石加入土壤后不仅未促进碱茅的生长，反而显著地降低了碱茅的生物量。试验过程中亦发现4A沸石处理组在供水充足情况下，土壤表层仍十分干燥，土壤板结严重。4A沸石是一种人工合成材料，通常是极细的粉末。呈粉末状的4A沸石加入土壤中后，使土壤黏粒组分大大增加，土壤中黏粒成分升高虽然会增加土壤饱和含水率[8]，但同时会使土壤水力传导系数下降[9]，凋萎系数升高。由于4A沸石用于盐渍化土壤改良尚无报道，我们比较使用沸石对盐渍土进行改良的文献发现，多数试验使用的沸石粒径以4 × 6、6 × 8、6 × 14等筛网规格描述，约相当于4.75～3.35、3.35～2.36、3.35 ～1.40 mm[10]，其粒径均远大于4A沸石。

电气石对于盐渍化土壤并无明显改良效果。生物量、试验后表土含盐量、植物体内钠含量等多项指标结果显示，添加电气石的处理组相比于对照组均无显著差异，即电气石不会加重盐渍土表返盐，但也不会促进植物生长。鉴于有众多文献指出，电气石对多种重金属离子具有较强的吸附能力[11]，为避免土壤重金属富集，对植物产生毒害，不推荐使用电气石作为盐渍化土壤改良剂。

粉煤灰施加入土壤后，可以疏松土质，有助于植物扎根，并且吸收利用土层深处含盐量较低的水分，从而降低盐害。本次实验结果表明，粉煤灰的加入会显著加重盐渍土土表的返盐，但不会对植物生长产生较大影响。已有研究指出，粉煤灰加入盐碱土壤后会改善土壤容重、渗透系数等物理性指标[12]，对比胁迫+粉煤灰处理与胁迫处理，可以看出植物体内累积的钠有所降低。结合实验条件下土壤盐分分布从上到下递减的现象，这是因为在盐分总量一定的情况下，粉煤灰的加入导致盐分表聚，土壤下层含盐量降低，且粉煤灰处理疏松的土质利于碱茅在深层扎根，可以吸收利用下层水分，进而减少钠的吸收。植物体内钠含量数据表明，碱茅对于盐分的吸收总量并不高，其耐盐机理主要是根部对盐分的选择性吸收[13]，即对于此类植物，相比于表土含盐量，根区土壤含盐量对其影响较大。添加适当的改良剂，以加重土表盐分富集为代价，降低深层土壤含盐量也许值得尝试，但是在自然条件下盐分迁移更加复杂，尚需进一步实验加以验证。

本研究采取的试验方式模拟了滨海盐土环境的高地下水位特点，且实验结果表明，具有较好透气、透水能力的土壤在该种情况下盐分更容易聚集在土表，但植物在能获得充分水分的情况下，仍能较好地生长。本试验的局限在于试验前未能考虑到4A沸石的性状对于土壤质地的影响，导致部分处理组的植物生长状况不佳，其结果难以用作盐分胁迫效果的依据。

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