脱硫石膏与结构改良剂配合施用对龟裂碱土理化性状和水稻生长的影响

杜雅仙, 黄菊莹, 康扬眉, 马凯博, 余海龙, 张俊华

(1.宁夏大学 资源环境学院, 宁夏 银川 750021; 2.宁夏大学 环境工程研究院, 宁夏 银川 750021)

盐碱地的高效利用对中国耕地农业生产力的提升，耕地数量的增加，国家粮食安全的保障，1.20×108hm2耕地红线的坚守，具有重要意义[1]。中国的盐碱地资源量多且分布广泛。据全国第二次土壤普查数据，中国盐渍土总面积约3.60×107hm2,占全国可利用土地面积的4.88%[2]，主要分布在西北、华北、东北和沿海地区。随着中国人口数量的不断增长以及在推进城市化进程中人均耕地面积的减少，作为重要的土地资源之一的盐碱地，其改良与利用对确保中国耕地“红线”不被突破及实现农业可持续发展具有重要意义[3]。银北灌区由于长期的引黄灌溉，灌溉定额大，灌溉水的利用效率低，致使地下水位升高，引起明显的土壤次生盐渍化现象[4]。银北灌区有1.533×106hm2盐碱荒地，属于典型的宜垦荒地[5]。银北灌区土壤的pH值与碱化度较高，质地粘重，土壤肥力较低。这些区域多为低产田或撂荒地，虽然土壤理化性状不良，但地势平坦，土层深厚，具有开发利用的潜力。对其进行改良、开发和利用，可缓解人口与土地间的矛盾，对保持农业可持续发展、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。

近年来，利用燃煤烟气脱硫废弃物作为盐碱地土壤改良剂已经得到了广泛应用。大量研究表明，施用脱硫石膏改良盐碱地可以在一定程度上提高土壤养分、降低土壤pH和碱化度、改善土壤结构，从而使作物出苗率和产量提高，但由于各地土壤、地下水、气候和生态环境等主要影响因素不同，改良剂的改良效果差距很大[6-13]。利用脱硫石膏改良碱化土壤，虽然可以消除或减轻交换性Na+对作物的危害，但对碱化土壤“粘、板、瘦”等理化特性导致的作物生长不良问题无明显改善[14]。当下，碱化土壤改良剂种类多样，而组成物料的差异性同样较大，一旦用量不够，便会减弱改良的效用，乃至没有任何效用，过多的用量，会增加成本，导致虚耗；一些改良剂甚至会污染土壤，因

此，生产成本较低、效用较高的环保改良剂十分关键。所以，根据不同的成因选择合适的改良措施，并结合综合的治理方式改良盐碱地，才会取得较好的改良效果。

因此，针对河套灌区典型盐碱地土壤特性，研究适合该地区水稻的高效、安全、低成本的功能性结构改良剂，是提高该地区盐碱地改良效果的迫切需求。基于已有研究中脱硫石膏改良盐碱地的显著效果，本研究拟研制以脱硫石膏为主体的盐碱土改良剂。为探明盐碱地改良剂改良龟裂碱土的应用效果，本研究于2016年设置了脱硫石膏与不同剂量结构改良剂配合施用对盐碱地种植水稻效果的田间试验，以探明改良剂对水稻成活率、生长、生物产量及土壤理化性状的影响，旨在筛选出最适宜银北灌区盐碱地水稻生长的土壤结构改良剂施用量，同时也为中国同类型地区盐碱地的改良应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样地概况

试验地位于宁夏银北西大滩，地处贺兰山东麓洪积扇的边缘，地理坐标为114°24′E,35°01′N，属于干旱的暖温带季风气候，年均气温13.9 ℃，多年平均降雨量为205 mm，年蒸发量1 875 mm。地下水埋深约1.50 m，地下水主要含氯化物和硫酸盐。境内分布有典型的龟裂碱土(俗称白僵土)。土壤碱化度约为15.00%～60.00%，pH值约为8.00～10.40，全盐约为2.50‰～6.50‰。土壤盐分分布有明显的表聚性，盐分类型主要有NaCl，Na2SO4，Na2CO3，土壤质地粘重，透水性较差[15]。

1.2 试验材料

供试作物为水稻。

脱硫石膏由宁夏马莲台电厂提供，其pH值为7.95，容重为1.03 g/cm3，含11.10%的结晶水，其化学成分含量见表1[16]。

表1 马莲台电厂脱硫石膏的化学成分

结构改良剂由生化黄腐酸、硝酸铵钙、微生物菌剂按10∶3∶7的比例配制而成。这些物质可以改善土壤结构，提高土壤养分，促进种子萌发[17-18]。

1.3 研究设计

试验共设5个处理(如表2)，4次重复(共20个小区)，随机区组排列。小区面积8 m×8 m。根据处理要求先划定小区，小区之间打埂，高30 cm，宽50 cm。种植前结合整地将脱硫石膏与有机肥一次性人工均匀施于地表，深翻15—20 cm，保证与土壤充分混匀。再施入所需结构改良剂、有机肥和化肥，深翻混合均匀，然后灌水进行水稻移栽。每个处理除改良剂施用量不同外，其他管理方式均一致。基肥施用量：有机肥(30 t/hm2)和无机肥(含N34%的尿素450 kg/hm2，含P2O512%的过磷酸钙690 kg/hm2，含K2O 50%的硫酸钾50 kg/hm2)。在苗期追施45 kg/hm2尿素，在分蘖期追施90 kg/hm2尿素，尿素在孕穗期追施45 kg/hm2。

表2 试验地脱硫石膏和结构改良剂施用量

注：T1为空白处理； T2为单施22.5 t/hm2脱硫石膏; T3为22.5 t/hm2脱硫石膏和150 kg/hm2土壤结构改良剂配合施用; T4为22.5 t/hm2脱硫石膏和270 kg/hm2土壤结构改良剂配合施用; T5为22.5 t/hm2脱硫石膏和375 kg/hm2土壤结构改良剂配合施用。下同。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤指标的测定 于2016年4月中旬和10月上旬在每个小区不同深度采集土壤样品，每个小区采集3个土样混匀，风干后过筛进行土壤指标的测定。土壤有机质、全N、全P、碱解N、速效P、速效K参考鲍士旦的《土壤农化分析》[19]。酸度计法测定pH值、残渣烘干法测定全盐、环刀法测定容重、湿筛法测定水稳性团聚体。

1.4.2 植物指标的测定 分别于2016年6月上旬、7月下旬和10月上旬对水稻试验地进行了水稻成活率、株高和产量的调查。

1.5 数据分析

统计分析和图表绘制在Excel 2007和SPSS 13.0数据分析软件中完成。采用one-way ANOVA进行单因素方差分析，采用最小显著性差异法(LSD)进行多重比较。数据点为平均值±SE(n=4)。

2 结果与分析

2.1 不同处理对水稻生长的影响

分别于2016年6月上旬、7月下旬和10月上旬对2016年水稻试验地进行了水稻成活率、株高和亩产量的调查(图1)。结果显示，脱硫石膏及其与结构改良剂的配合施用下，水稻的成活率、株高和产量较高。单施脱硫石膏后，水稻成活率、株高和产量较对照分别提高了4.90%，9.50%和13.14%。脱硫石膏配合结构改良剂施用下，水稻成活率、株高和产量分别提高了52.00%～58.80%，26.30%～53.80%和57.02%～91.27%，且结构改良剂施用量越大水稻成活率、株高和产量越高，说明脱硫石膏与结构改良剂的配合施用促进了水稻的生长。但T4处理较T3处理的水稻产量增幅为18.32%，而T5处理较T4处理的水稻产量增幅为2.95%，考虑到结构改良剂的成本，说明T4处理为改良剂最佳施用量。

注：小写字母代表各处理间的差异性,字母不同代表差异显著(p<0.05)； T1为空白处理； T2为单施22.5 t/hm2脱硫石膏; T3为22.5 t/hm2脱硫石膏和150 kg/hm2土壤结构改良剂配合施用; T4为22.5 t/hm2脱硫石膏和270 kg/hm2土壤结构改良剂配合施用; T5为22.5 t/hm2脱硫石膏和375 kg/hm2土壤结构改良剂配合施用。下同。

图1不同处理间水稻成活率、株高及产量的比较

2.2 不同处理对土壤性状的影响

于2016年10月上旬测定了水稻试验地土壤理化性质，结果显示：单施脱硫石膏提高了土壤有机C，全P、碱解N和全盐含量(表3)，降低了速效K，pH值，对全N和速效P含量影响不显著。脱硫石膏配合结构改良剂施用使有机C含量提高了26.46%以上，且T3处理的施用量下有机C含量最高，这不仅是由于结构改良剂的主要成分为生化黄腐酸等富含有机质的物料，而且结构改良剂中含有大量微生物，促进了根系和地上凋落物的分解。但对全N和全P含量影响不显著，碱解N、速效P，pH值和全盐的变化与结构改良剂的施用量密切相关。总体来看，脱硫石膏配合结构改良剂施用提高了碱解N和速效P含量，但降低了速效K含量，这可能是因为水稻的加速生长增加了对土壤速效K的消耗。对土壤容重和孔隙度的测定结果表明(表4)，单施脱硫石膏对土层容重和总孔隙度影响不显著。

脱硫石膏配合结构改良剂施用后，0—20，20—40和40—60 cm土层容重分别降低了5.76%～11.51%，6.25%～10.42%和4.08%～8.84%，3个土层总孔隙度分别提高了6.35%～12.68%，7.45%～12.40%和5.08%～11.00%。结构改良剂的3个施用量之间，T5处理的施用量下具有最低的土壤容重和最高的总孔隙度。

表3 不同处理间土壤理化性质的比较

表4 不同处理间土壤容重和总孔隙度的比较

同期，对土壤水稳性团聚体的分析表明(表5)，脱硫石膏及其与结构改良剂的配合施用改变了水稻试验地不同土层各粒级土壤水稳性团聚体的含量。对于0—20 cm土层而言，单施脱硫石膏提高了>5，2～5，1～2和0.25～0.5 mm团聚体的百分比，降低了0.5～1和<0.25 mm级别的团聚体百分比。配合结构改良剂施用后，>5，2～5和0.25～0.5 mm粒级团聚体随施用量增加而增加，1～2和0.5～1 mm粒级团聚体随施用量增加而降低，而<0.25 mm粒级团聚体在T3处理的施用量下最低，T4处理的施用量下最高；对于20—40 cm土层而言，脱硫石膏及其与结构改良剂的配合施用提高了>5和1～2 mm粒级团聚体含量，降低了2～5和<0.25 mm粒级团聚体含量；对于40—60 cm土层而言，脱硫石膏及其与结构改良剂的配合施用也提高了>5 mm粒级团聚体含量，但对<0.25 mm粒级团聚体含量的影响不明显(变化范围为73.17%～76.34%)。总体而言，脱硫石膏及其与结构改良剂的配合施用提高了大粒级团聚体含量，降低了小粒级团聚体含量，且结构改良剂施用量越大效果越明显，主要表现在3个土层>5 mm粒级团聚体含量升高，0—20和20—40 cm土层<0.25 mm粒级团聚体含量降低。

表5 不同处理间土壤水稳性团聚体含量的比较%

3 讨 论

3.1 单施脱硫石膏对土壤性质和水稻生长的影响

影响龟裂碱土作物生长的两个关键因素是代换性Na+和pH值。龟裂碱土土壤复合体中有较高含量的Na+，致使土壤颗粒高度分散，土壤结构较差。脱硫石膏作为改良剂可以显著改善碱化土壤的理化性质，促进作物的生长发育[20-21]。土壤微团聚体组成和土壤pH值可作为评价盐碱地改良效果的综合指标。脱硫石膏可以降低土壤的pH值和电导率，因其含有高价离子可以使土壤胶体表面的电位势降低，有助于土壤胶体的凝聚，促进土壤形成团粒结构，改善作物生长环境，促进植物生长[22-23]。这和本研究的结果相似，添加脱硫石膏改良剂可显著增加土壤水稳性团聚体，且表现为随施用量的越多，效果越显著。在评价脱硫石膏改良盐碱土壤的效果时，必须要考虑到土壤全盐的变化。脱硫石膏施用量过大反而会导致盐分的积累，从而抑制作物的出苗和生长。本研究结果发现土壤pH值和全盐含量的下降幅度并不与脱硫石膏的施用量呈正比，而是表现为施用量过多或过少均达不到最好的改良效果。也即是说仅依赖脱硫石膏这一种改良剂可能在降低土壤pH值的同时增加了全盐含量。张峰举等研究发现，施用脱硫石膏降低了土壤容重，提高了团聚体的稳定性，改善了土壤的物理性状[24]。本研究结果表明：单施脱硫石膏可降低土壤容重，提高总孔隙度和>5 mm粒级团聚体含量，但其影响不显著，且对水稻的生长发育影响较小，脱硫石膏虽然可以减轻交换性Na+对作物的危害，但对碱化土壤结构改良效果有限。因此，有必要将脱硫石膏配合土壤结构改良剂来改善碱化土壤的结构。

3.2 脱硫石膏配合结构改良剂施用对土壤性质和水稻生长的影响

4 结 论

(1) 脱硫石膏与结构改良剂二者配合施用的效果优于脱硫石膏单施。相较于单施脱硫石膏，脱硫石膏与结构改良剂的配合施用对水稻的生长有更好的促进效果。在生产实践中，依据当地土壤盐碱程度，并综合考虑了水稻种植过程中的产投比，初步确定T4(脱硫石膏22.5 t/hm2+结构改良剂270 kg/hm2)为最佳的施用量。

(2) 不同用量改良剂对盐碱土壤物理化学性质有不同的影响，施入改良剂后土壤的强碱性得到显著改善，各项化学指标均向良性趋势发展，其中pH值、全盐含量、土壤容重降低，而土壤水稳性团聚体含量显著增加。当继续增加用量至一定数值，碱化度不再发生明显变化。

(3) 脱硫石膏和结构改良剂对土壤理化性质的改良效果和机理各有差异。脱硫石膏可为碱化土壤提供丰富的Ca2+以置换土壤胶体上的Na+并中和碱性离子，进而减少土壤的碱性成分，降低土壤碱化度和pH值，并且对S元素的提供能力较强。硝酸铵钙的施用是盐碱土壤中总氮、有效氮的主要来源，尤其对有效氮含量具有显著影响；生化黄腐酸具有较强的吸附力，能够作为载体保证碱化土壤胶体吸附Na+与脱硫石膏中Ca2+的置换反应正常进行。微生物菌剂的有益菌群在土壤中定殖后，分泌有机酸可以溶解释放出被土壤颗粒等吸附的N，P，K养分，从而延长了土壤养分的有效供给。