碳调节剂降低次生盐渍化土壤中可溶性盐含量的可行性

盛海君， 杜 岩， 施凯峰， 单玉华,2， 封 克*

(1扬州大学环境科学与工程学院，江苏扬州 225127; 2江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，江苏南京 210095)



碳调节剂降低次生盐渍化土壤中可溶性盐含量的可行性

盛海君1，2， 杜 岩1， 施凯峰1， 单玉华1,2， 封 克1，2*

(1扬州大学环境科学与工程学院，江苏扬州 225127; 2江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，江苏南京 210095)

【目的】设施土壤次生盐渍化主要是由于氮肥施用过多造成的硝酸盐在表土中的累积。本研究根据碳/氮互作原理，向次生盐渍化土壤中添加碳调节剂(秸秆+腐解菌)，探讨其降低土壤可溶性盐含量的可行性。【方法】碳调节剂主要以小麦成熟期秸秆磨成粉加入快腐菌剂制成。采用盆钵试验方法，土壤盐分动态试验在每盆2.5kg土壤中添加150g碳调节剂，调节剂用量试验在每盆中添加0(CK)、 30(T1)、 60 (T2)、 90(T3)、 120(T4)、 150(T5)和180g/pot(T6)碳调节剂，进行短期(7d)和长期(90d)培养，并在培养过程中测定土壤溶液的电导率、 可溶性盐含量及离子组成。【结果】盐分动态试验监测结果表明，土壤中加入碳调节剂后，明显增加了起始电导值，随培养进行，电导值不断下降，呈二项式关系(y=0.0138x2-0.2681x+3.7768，r=0.9966**)，7d以后基本趋于稳定。碳调节剂用量试验结果表明，培养7d后，添加碳调节剂的所有处理其水溶性盐含量均较对照有极显著下降，下降幅度随调节剂用量的增加而增加。培养90d后，添加碳调节剂的各处理土壤水溶性盐呈现进一步下降趋势。与培养7d时相比，T3和T4处理降幅最为明显，其中T4处理在培养7d已降低23.82%的基础上又降低了9.14%，总降幅达到32.96%，该结果说明碳调节剂的加入，其长期效应也是不可忽视的。无论是短期培养还是长期培养，只要加入碳调节剂，土壤溶液中的硝酸根浓度均明显下降，最多可使硝酸根浓度降低97.10%，这些结果说明，通过向次生盐渍化土壤中加入碳调节剂来降低硝酸根含量的方法是可行的。碳调节剂还可大幅增加土壤速效钾的含量，其中T6处理使土壤水溶性钾浓度提高了近10倍，但对速效磷的补充有限。长期培养90d，速效氮、 磷、 钾养分的变化与短期培养7d相似，只是铵态氮和硝态氮进一步明显减少。【结论】综合考虑经济效益，理论上碳调节剂用量在36g/kg(T3处理)和48g/kg(T4处理)之间较为合适，但实际田间用量需经过大田生产过程加以进一步验正。

土壤; 次生盐渍化; 硝酸根; 碳/氮互作; 碳调节剂

随着农村产业结构的调整，我国设施蔬菜栽培面积已从1978年的0.53万公顷发展到2011年的400多万公顷[1]。但在高投入高产出的情况下，3年左右土壤即会出现不同程度的次生盐渍化[2-3]，导致作物产量和品质降低[4-7]。我们在前期试验中已发现，设施农业土壤的次生盐渍化主要是由于氮肥施用过多造成的硝酸盐在表土中的积累。虽然前人已提出多种解决蔬菜大棚土壤次生盐渍化的途径，如施肥预防[8-9]、 工程措施[10-11]、 生物除盐[12-13]、 合理轮作[14]、 深耕和客土[15]、 施用生物有机肥[16-17]等，但有些措施的应用会给周围环境带来二次污染[18]，如淹水洗盐虽可将硝酸根向下淋洗出表层土壤，但增加了它们向地下水和地表水的迁移污染。此外，从养分资源的角度考虑，这也是对氮素资源的极大浪费。土壤微生物的矿质化与同化这两个作用是互为基础的有机统一。从理论上讲，在富含碳源的有机物质矿质化过程中，微生物在获得大量碳源的同时，相应地摄取分解产物中以至土壤中氮素等养分，使土壤有效态养分减少，同化强度大于矿质化，形成了净的同化作用。这个过程既可降低土壤溶液中的硝酸根含量，同时也会增加土壤有机质含量(包括微生物细胞体以及复杂的代谢产物)，改进土壤的理化性状[19]。本研究根据这个原理，通过向土壤中添加由秸秆和菌剂制备的碳调节剂，为土壤提供大量合适碳源，并在培养过程中对土壤溶液电导率和硝酸根含量以及其他离子加以测定，在验证该理论的基础上，为缓解大棚土壤次生盐渍化找到一条经济、 环保、 简便的新途径。

1　材料与方法

1.1试验材料

供试土壤为红黄壤，取自江苏省江阴市某蔬菜基地大棚次生盐渍化严重的表层20cm土壤。土壤为重粘土(卡庆斯基制, 激光粒度仪法)，pH6.9，有机质19.83g/kg、 全氮1.62g/kg、 硝态氮1332mg/kg、 铵态氮19.5mg/kg、 速效磷74mg/kg、 速效钾270mg/kg、 盐分14.44g/kg(电导率3.08mS/cm)。

碳调节剂主要以小麦成熟期秸秆磨成粉加入快腐菌剂制成。秸秆粉主要成分: 有机碳 460g/kg、 全氮8.24g/kg、 磷0.94g/kg、 钾18.83g/kg、 钠1.4g/kg、 钙1.80g/kg、 镁1.2 0g/kg、 硫1.94g/kg、 氯3.20g/kg。快腐菌剂为南京宁粮生物工程有限公司生产的秸秆速腐剂(该产品每公顷建议施用量30kg)。

1.2试验设计

1.3测定项目与方法

1.3.2 土壤化学性质和速效养分分析采用水土比5 ∶1浸提，利用土壤盐分计测定电导率，pH计法测定pH值; 铵态氮含量采用KCl浸提靛酚蓝比色法测定; 速效磷含量采用0.5mol/LNaHCO3浸提钼蓝比色法测定; 速效钾含量采用1.0mol/LNH4OAc浸提火焰光度法测定。

1.4数据分析与统计方法

采用MicrosoftExcel2003软件对数据进行处理和绘图，采用SPSS19.0统计分析软件对数据进行差异显著性检验(LSD法)。

2　结果与分析

2.1碳调节剂对土壤电导率及水溶性盐分组成的影响

在7天的培养过程中，对照土壤电导率始终稳定在3.08mS/cm左右，表明土壤水溶性盐分含量基本没有发生改变; 而添加碳调节剂明显增加了起始的电导值，但随培养过程的进行，电导值不断下降(图1)，电导与培养时间之间呈现出较好的二项式关系(y=0.0138x2-0.2681x+3.7768)，其相关系数(r)达到0.9966。从图1看，电导率的明显下降期主要发生在处理后培养的前7天，7天后下降缓慢，说明加入碳调节剂可在短时间内显著降低土壤中的可溶性盐分含量。

电导率变化的实质是溶液中带电离子量的变化。根据每种元素的原子量，可以得到每种离子在添加碳调节剂后的数量变化，也即由它们导致的电荷的变化量。根据表1可知，加入碳调节剂培养10天后，土壤溶液中4种阳离子所带电荷总数减少了50.35mmol/kg，4种阴离子所带电荷总数减少了58.61mmol/kg。

图1　土壤电导随培养时间的变化曲线Fig.1　Electroconductivity change of soil with incubation days

[注(Note): 图中小、 大写字母示差异显著(P<0.05)、 极显著(P<0.01)Smallandcapitallettersmeansignificantdifferenceat0.05and0.01levels.]

表1　不同处理培养10天后可溶性盐分组成变化及电荷增减 (g/kg)Table 1　Variation of soluble salt composition and charge number after 10 days’ incubation

2.2碳调节剂用量对土壤盐分含量和组成的影响

2.2.1 碳调节剂用量对总可溶性盐含量的长期影响秸秆也含有一定量的盐分，因此选择适宜的调节剂用量对指导实际应用非常重要。在本试验中，培养7d后，添加调节剂的所有处理其水溶性盐含量均较对照有极显著下降，下降幅度随调节剂用量的增加而增加。降低最多的T6处理(180g/pot)与CK相比，水溶性盐含量降低了24.17%(表2)。这一结果与表1中结果相比，变化趋势基本一致，只是因培养时的温度不同(动态试验平均室温35℃左右，用量试验平均室温25℃左右)，导致下降幅度存在差异。从阴阳离子组成看，不同碳调节剂添加量对土壤中阳离子总量影响不大，主要是影响了阴离子总量，从对照的10.74g/kg下降到T6处理的7.66g/kg左右，下降幅度28.69%。说明碳调节剂主要通过有效降低次生盐渍化土壤中阴离子的含量来降低土壤水溶性盐分(表2)。培养90d后，添加碳调节剂的各处理土壤水溶性盐呈现进一步下降的趋势。与培养7天时相比，T3和T4的降低幅度最为明显。其中T4在培养7天时已降低23.82%的基础上又降低了9.14%，总降低幅度达到32.96%。该结果说明碳调节物质的加入，其长期效应也是不可忽视的(表2)。

表2　不同碳调节剂用量下可溶性盐的含量Table 2　The effect of cabon regulator added on water soluble salt content

注(Note): 同列数据后不同小、 大写字母表示处理间差异显著(P<0.05) 、 极显著(P<0.01)Valuesfollowedbydifferentsmallcapitalandlettersinthesamecolumnaresignificantat0.05and0.01levelsamongtreatments.

本实验中，土壤水溶性盐含量与电导率的测定值之间存在着极显著的正相关关系，7d培养和90d培养的水溶性盐含量与相应电导率间的相关系数r分别达0.9978**(n=7)、 0.9894**(n=7)，即添加碳调节剂各处理土壤电导率变化特征与水溶性盐含量变化一致。因此在将来进行实际应用时，可以通过测定土壤溶液的电导率(离子浓度)来对土壤盐化程度进行正确的判断。

2.2.3 不同碳调节剂用量对土壤速效N、P、K养分含量的影响碳调节剂的加入不仅改变了土壤中的

表3不同碳调节剂用量下土壤盐分离子含量(g/kg)

Table3Soilsaltironcontentsaffectedbydifferentstrawamendmentamounts

培养天数(d)Incubationdays处理TreatmentK+Na+Ca2+Mg2+NO-3HCO-3Cl-SO2-47T60.933aA0.316abA1.627gG0.420dC0.171gG0.324aA2.032aA5.129aAT50.813bB0.325aA1.741fF0.425dC0.860fF0.299bA1.898bB4.623bABT40.625cC0.315abA1.855eE0.417dC1.394eE0.236cB1.650cC4.504bABCT30.587dD0.324aA2.227dD0.443cB2.983dD0.189dC1.522dC4.422bcBCT20.388eE0.324aA2.502cC0.454bB4.159cC0.163eC1.227eD4.310bcBCT10.223fF0.323aA2.636bB0.449bcB4.980bB0.107fD1.023fE4.003cBCCK0.095gG0.311bA2.813aA0.487aA5.898aA0.052gE0.800gF3.987cC90T60.973aA0.339cBC1.520eE0.417cC0.129fE0.237aA2.037aA5.301aAT50.755bB0.314dD1.452fF0.392eE0.217efE0.208bAB1.805bB5.254aAT40.575cC0.298eD1.497eE0.394eDE0.241eE0.196bcB1.647cC4.832abABT30.543dD0.369aA1.866dD0.404dD1.758dD0.183cdBC1.469dD4.413bcBCT20.388eE0.353bAB2.350cC0.434bB3.702cC0.161dC1.254eE4.344bcBCT10.238fF0.333cC2.602bB0.438bB4.736bB0.100eD1.028fF4.116cCCK0.095gG0.311dD2.813aA0.487aA5.898aA0.052fE0.800gG3.987cC

注(Note): 同列数据后不同小、 大写字母表示处理间差异显著(P<0.05)、 极显著(P<0.01)Valuesfollowedbydifferentsmallcapitalandlettersinthesamecolumnaresignificantat0.05and0.01levelsamongtreatments.

氮磷钾养分总量，也通过物质的转化影响着土壤中不同形态的氮、 磷、 钾含量。对加入不同量碳调节剂处理培养一段时间后速效氮磷钾养分的测定结果(表4)表明，培养7天时，土壤中铵态氮含量随碳调节剂用量增加而增加，硝态氮含量随碳调节剂增加而减少。速效磷含量在所有添加碳调节剂后均有所增加，但幅度不大，也不存在随用量递增的趋势。速效钾含量随添加碳调节剂的用量增加而明显增加。对90d的长期培养来说，速效氮磷、 钾养分的变化与短期相似，只是铵态氮和硝态氮进一步明显减少，这主要是在微生物的作用下，无机氮向有机氮的持续转化所致。

表4　不同碳调节剂用量下土壤速效养分含量(mg/kg)Table 4　The contents of available nutrients under different of amendment amount of carbon regulator

注(Note): 同列数据后不同小、 大写字母表示处理间差异显著(P<0.05)、 极显著(P<0.01)Valuesfollowedbydifferentsmallcapitalandlettersinthesamecolumnaresignificantat0.05and0.01levelsamongtreatments.

3　讨论

3.1设施农业土壤次生盐渍化的特征

3.2利用碳调节剂降低土壤硝酸盐含量的可行性

3.3碳调节剂对氮磷钾速效养分的影响

设施农业中由于大量单一使用氮肥，还会造成营养元素间的不平衡。碳调节剂的施用一方面可以明显降低过高的土壤硝态氮含量，同时可以通过秸秆中含有的大量钾，明显弥补设施农业中钾肥的不足，而钾对蔬菜生产特别是对茄果类的产量和品质影响极大。本试验证实，碳调节剂的投入对土壤速效钾的补充量很大，最大量处理(T6)使土壤水溶性钾浓度在原有基础上提高了近10倍(表3)。但从结果看，碳调节剂的投入对速效磷含量的增加有限，这主要是因为秸秆的含磷量低所致。

3.4碳调节剂使用适宜温度条件

温度对微生物的影响是广泛的，改变温度必然会影响微生物体内所进行的多种生物化学反应。本研究中，碳调节剂用量试验是在秋天进行的，平均室温25℃左右，培养90天后T5处理与CK相比，水溶性盐含量降低了28%，与前一试验(夏天进行，平均室温35℃左右)10天水溶性盐含量下降32.9%有一定的差距，这一结果说明，稍高的温度条件更有利于盐分下降，同时可以大大缩短培养时间。

3.5碳调节剂适宜用量的确定

蔬菜生长对盐分含量的要求有一定的范围[31]，并非越低越好。本试验通过添加不同量碳调节剂的结果表明，对降低总水溶性盐含量而言，当碳调节剂用量超过120g/pot(T4)时，其降盐效果已不明显(表2); 对于降低硝酸根含量而言，较为明显的效果也发生在120g/pot(T4)以内的碳调节剂用量处理。采用盆栽试验对处理后植物的实际生长过程进行的考察也表明，T3和T4小青菜出苗率最高，分别为92%、 90%，CK处理不出苗(资料另文发表)。考虑到经济效益，本试验条件下推荐T3(90g/pot)或T4(120g/pot)用量处理。但由于本试验采用的是室内盆钵试验，该推荐是否符合大棚的实际生产还有待进一步研究明确。

4　结论

2)加入碳调节剂在短期培养和长期培养中均可明显降低土壤溶液中硝酸根的浓度，在一定范围内，降低幅度随碳调节剂加入量的增加而增加，本实验条件下最多可在原有浓度上降低97.10%;

3)加入碳调节剂可大幅增加土壤速效钾的含量，但对速效磷的补充有限;

4)综合考虑经济效益，推荐碳调节剂用量为36g/kg(T3)或48g/kg(T4)，但还需经过实际生产加以验证。

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Feasibilityofmitigatingthesecondarysalinizationingreenhousesoilbycarbonregulator

SHENGHai-jun1,2,DUYan1,SHIKai-feng1,SHANYu-hua1,FENGKe1,2*

(1 College of Environmental Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu 225009, China;2 Jiangsu Collaborative Innovation Center for Solid Organic Waste Resource Utilization, Nanjing, Jiangsu 210095, China)

江苏省农业科技自主创新资金[CX(12)3021]; 国家重点基础研究发展计划(2013CB127404); 江苏省科技支撑计划(BE2014345，BE2013360)资助。

盛海君(1966—)，女，江苏宜兴人，高级农艺师, 主要从事农田障碍土壤修复研究。E-mail:hjsheng@yzu.edu.cn

E-mail:fengke@yzu.edu.cn

S152.7;S512.1

A

1008-505X(2016)01-0192-09

交稿日期: 2014-06-16接受日期: 2015-01-13网络出版日期: 2015-02-12