新型改良剂对苏打碱土理化性质及水稻产量的影响

董 伟，杜学军，王 栋，汪顺义，冯浩杰，任雪芹，胡树文

(中国农业大学资源与环境学院， 北京 100093)

我国盐碱土地资源总额约为9 913万hm2，占到耕地总面积的2/3左右[1]，这严重制约我国农业的可持续发展[2]。松嫩平原位于我国东北部，土壤中盐分组成以Na2CO3、NaHCO3为主，面积超过300万hm2，是我国最大的苏打型盐碱土分布区[3-5]。改造治理及合理开发利用松嫩平原盐碱土，是东北地区农业可持续发展的重要途径之一，也对改善生态环境，推动区域经济、社会和生态可持续发展具有重要意义[6]。

在具有便利水利条件的地区，当地多采用“种稻改碱”的传统改良方式，经过灌水压盐和灌溉冲洗，3～4年后初步形成淡化耕层[7]，5年后，才能形成明显淡化耕层，改良时间过于漫长[8]。反之，添加不同类型土壤改良剂成为有效且快速的改良措施。王文杰等[9]发现，聚丙烯酸(PAA)与碱土混合在木醋液阻隔下，显著减缓了盐分离子向表层的运输，根系土壤pH值和盐含量显著下降。同时在施加钙源石膏辅助下，盐碱地的改良效果显著提升[10]。王睿彤等[11]利用有机肥与保水剂等为原料制作的改良剂可显著提高土壤酶活性，降低土壤pH值。以往化学改良剂虽见效快，但成本较高。针对松嫩平原水盐运动特征，结合苏打型盐渍土壤理化性质，研制出具有自主知识产权、成本较低的有机-无机复合盐碱土改良剂。

本文通过将土柱淋洗模拟实验和改良重度盐碱地的田间试验方法相结合，探究新型土壤改良剂对苏打型盐碱地土壤养分、土壤理化特性和水稻产量的影响。试从土壤理化性状及作物生长角度揭示新型改良剂对盐碱土改良效果并明确该种新型改良剂田间使用的适宜用量，为盐碱地的快速改良提供技术支持和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2015年6—9月在吉林省通榆县八面乡宏达村农场(N45°03′，E123°37′)进行，该地属大陆性半湿润半干旱季风气候，年降水量约450 mm，夏季平均最高气温为28℃，浅层地下水埋深平均约为2 m，矿化度平均为1.3 g·L-1。该地区土壤为典型草甸碱土，质地为砂质壤土，基础养分和盐碱情况如下：pH 10.42，水溶性盐总量9.21 g·kg-1，碱化度35.7%，有机质7.04 g·kg-1，全氮0.52 g·kg-1，碱解氮151.70 mg·kg-1，有效磷35.60 mg·kg-1，速效钾103.00 mg·kg-1。

1.2 试验设计

供试土壤改良剂为以硫磺、腐植酸等高分子有机物为载体，通过磺化、接枝共聚等化学改性技术合成的钙盐(其中硫磺17%，腐殖酸50%，含钙物质33%)。供试水稻品种为白稻8号。

田间试验：试验设4个处理，分别为A0(对照，不加改良剂)、A1(改良剂5 t·hm-2)、A2(改良剂7.5 t·hm-2)、A3(改良剂15 t·hm-2)。各小区面积均为0.1 hm2，插秧密度为30 cm×13 cm，随机区组排列，重复3次，每小区间隔1 m。施肥量和施肥方法同农民常规施用。每处理小区均施用100 kg 13-18-14型复合肥做底肥；在返青期、分蘖期和穗期每小区均追施15 kg(NH4)2SO4。试验于2015年6月3日施用改良剂，开始灌水、泡田和排水，保持水层厚约5 cm，以3 d为周期，泡田2次；水稻生育期期间按照当地传统灌排方式，始终保持水层厚4～6 cm，当水体泛红、出现漂浮泡沫时，立即换水。6月10日开始插秧，正常田间管理，9月29日收获并考种计产。

土柱淋洗试验：试验选取田间试验0～40 cm耕层土壤。在PVC管(内径11 cm，高度50 cm)中进行。各处理的改良剂用量分别为0、1.67、2.50、5.00 g·kg-1，依次记为A0、A1、A2、A3，重复3次。土壤过2 mm筛后，与改良剂混合均匀后按照自然状态土壤容重(1.5 g·cm-3)装填土柱，每次装填5 cm，共填入40 cm。模拟试验采用间接淋洗法，每隔24 h淋洗1次，淋洗量为800 ml·次-1，淋洗5次之后测定土壤盐碱指标。

1.3 测定指标与方法

土壤理化性质：土柱淋洗试验在实验结束后分层取样，每10 cm取一个土壤样品。田间试验于2015年泡田前和秋季收获后两个时期采集土壤样品，在每个试验小区内，按照“S”形路线设3个采样分点采集表层(0～20 cm)混合土样。将上述土壤样品风干，采用四分法取样后，过2 mm和1 mm筛后用于理化性质分析。其中土壤pH值采用电位法(土水比1∶2.5)；水溶性盐总量采用残渣烘干法；钠离子的测定采用火焰光度法；有机质的测定采用重铬酸钾氧化—容量法(硫酸银做掩蔽剂)；全氮的测定采用凯氏法；碱解氮的测定采用碱解扩散法；速效钾的测定采用醋酸铵浸提—火焰光度法；有效磷的测定采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法；水溶性交换性钠的测定采用乙酸铵—氢氧化铵—火焰光度法；阳离子交换量的测定采用乙酸钠—火焰光度法。

生物量与产量：收获期每小区随机选取5处，用1 m×1 m采样器固定后，统计该样方内水稻株高，穗长、分蘖数等生长性状，烘干后计算生物量。将每个小区完全收获后计算产量。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2003进行处理，用SPSS(18.0) (SPSS Institute, Inc., Cary, NC, USA)进行数据统计分析, 方差分析比较处理间的效应差异，LSD法比较平均数间的差异显著性；试验结果采用origin 8.1作图。

2 结果与分析

2.1 土柱淋溶条件下不同改良剂对土壤化学性质的影响

pH值是土壤重要的化学性质，也是影响土壤肥力的主要因素之一。如图1(a)所示，与A0处理相比，三个施用新型改良剂处理均显著降低了0～40 cm土层pH值(P<0.05)，且随改良剂用量增加，同一土层pH值呈降低趋势。但同处理的不同土层间pH值变化差异不显著。

淋洗结束后，比较各处理的水溶性盐总量的变化图1(b)。结果表明，与A0处理相比，添加改良剂后表层土壤(0～20 cm)水溶性盐总量显著降低(P<0.05)，同时，随取样深度的增加，水溶性盐总量呈逐渐上升趋势。对不同土层水溶性Na+图1(c)变化特性分析，在土壤脱盐过程中，土壤Na+含量变化也呈现相似的趋势。这说明土壤表层中的水溶性盐离子会随着水的淋洗向下迁移，到达一定深度后累积。同时改良剂中的Ca2+与Na+发生置换，Na+形成中性盐，而不会去水合形成氢氧化钠[13]，同时被水淋失，进而降低土壤pH值。

图1 不同处理对土壤pH值(a)、水溶性盐总量(b)和Na+(c)的影响

Fig.1 Effect of different treatments on soil pH(a), total salt(b), Na+(c)

2.2 不同改良剂用量对水田耕层土壤化学性质的影响

如表1所示，与A0处理相比，施用改良剂较对照可显著降低耕层土壤pH值(P<0.05)，但各处理间pH值变化差异不显著(P>0.05)。施用改良剂显著降低了土壤碱化度(P<0.05)，从34.55%(A0)下降至18.20%(A3)，其中，A2与A3处理间差异不显著。与A0处理相比，施用改良剂可显著降低耕层土壤水溶性盐总量(P<0.05)，其中A2处理降低幅度最大，为46.4%，A3处理次之，为43.6%，A1处理最小，仅为29.8%。

表1 不同改良剂用量对水田耕层土壤化学性质的影响 Table 1 Effect of different treatments on soil chemical properties

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

Note: different small letters meant significant difference among treatments atP<0.05 level; the same below.

如表2所示，与A0处理相比，施用改良剂处理降低了土壤有机质含量(P<0.05)，其中，处理间表现为A20.05)。

2.3 不同改良剂用量对水稻生长状况及产量性状的影响

如表3所示，与A0处理相比，施用新型改良剂显著提高了收获期水稻株高、穗长和生物量，其中，A1、A2和A3处理株高分别提高18.2%、16.5%和33.6%(P<0.05)；穗长分别提高6.8%、12.6%和20.4%；生物量分别提高87.2%、133.3%和91.0%(P<0.05)。可见，施用改良剂有利于水稻生长，其中A2处理下生长状况最优。

由表4可以看出，与A0处理相比，添加改良剂后土壤性质得到改善，水稻空瘪率显著降低(P<0.05)，水稻的有效分蘖增加，穗粒数和千粒重显著提高(P<0.05)，且各产量构成因子均以A2处理最优。施用改良剂后，水稻产量显著提高，由增产幅度来看，A2处理最高，将近三倍(290.8%)，A3处理次之，为252.9%，A1处理最低，仅为189.2%。

表2 不同改良剂用量对水田耕层土壤养分的影响 Table 2 Effects of different treatments on soil nutrient contents

表3 不同处理对作物生长的影响 Table 3 Effects of different treatments on rice growth

3 讨 论

长期以来，“种稻改碱”被认为是一项促进生态环境和谐发展的有利工程。本试验拟通过新型土壤改良剂的田间试验，探究其对盐碱土改良的效果。

本试验所采用的新型改良剂中的硫磺成分能够降低土壤pH值[12-14]。Ca2+能与碱性物质反应，代换出土壤中的Na+，提高Na+的淋洗效率，进而降低耕层盐分含量及碱化度。这与之前的研究[15-17]相吻合。改良剂中的腐殖酸成分易溶于碱，可与水中的金属离子交换、吸附、螯合，有利于作物吸收营养元素，且硫磺中所含的硫元素在一定程度上能够促进作物的生长[18]；同时腐殖酸在分散体系中作为聚电解质，可通过对土壤的凝聚、胶溶等作用，达到改善其结构、增加孔隙度和降低盐分的效果[19-21]；此外，腐殖酸能够改善土壤微生物的群落结构，增强酶活性，进而促进作物的生长发育。

表4 不同改良剂用量对水稻产量性状和产量的影响 Table 4 Effects of different treatments on rice yield characters and yield

本试验中土壤有机质含量的降低可能是因为施用改良剂处理的土壤透水性加强，较对照处理不易板结，使得土壤在后期田间干湿交替管理中暴露于更高温度环境中，土壤微生物活性增加，从而使土壤有机质分解速率增大[18]，同时这也可能与施用改良剂后土壤透水性增强，有机质易被淋失有关。这与本试验的改良原理相吻合。土壤中的有效磷含量受到土壤粘粒含量的影响，因为粘粒表面对速效磷有吸附作用[22]。经改良后的土壤pH值降低，土壤磷素解吸，活性增强，利于植物吸收。此外，改良剂中的腐殖酸成分能够提高肥效[23]，使得土壤表层集聚较多氮和钾的速效成分。但是由于硝态氮易被淋溶，经改良过的土壤孔隙比例有所变化，孔隙度提高，土壤透水性增强，部分氮素能够经水分淋洗向下移动。这也在一定程度上解释了处理3中氮素含量较低的现象。

本研究证明施用新型土壤改良剂处理苏打盐碱土，可降低土壤耕层的pH值、水溶性盐总量和碱化度，水稻株高分别提高18.2%～33.6%(P<0.05)；穗长分别提高6.8%～20.4%；生物量分别提高87.2%～133.3%。同时A2处理与对照处理相比，产量提高近三倍(290.8%)。施用改良剂后，土壤pH值、水溶性盐总量和碱化度的降低，利于水稻对土壤中有效养分的吸收，进而增加生物量，最终提高水稻产量，取得可观的改良效果。

由于本试验重点观察和探索该新型改良剂的实际应用效果，未能对其中Ca2+在田间的缓释机理作针对性研究，今后将作进一步探索，为此改良剂的田间应用提供更为丰富的科学依据。

4 结 论

1) 土柱淋洗试验表明，供试碱土中加入改良剂，可以降低土壤pH值，增加水溶性盐总量和提高钠离子的淋洗效率；比较分析实验结果，2.5 g·kg-1的改良剂用量能够实现土柱可溶性盐分和钠离子的最佳淋洗效果。

2) 通过田间试验示范，一次性施用此种土壤改良剂能够实现重度盐碱地水田的快速改良。施用不同用量改良剂均能消除盐碱危害，进而改善土壤透水性，提高盐分淋溶速率，使水溶性盐总量显著降低，土壤性质得以改善，作物增产效果突出。结果表明：施用改良剂适宜田间用量为7.5 t·hm-2。

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