张雅贞,李跃进,景宇鹏,李秀萍,史 培,栗燕芳,卢旭东,连海飞,王庆蒙
(1.内蒙古农业大学 草原与资源环境学院,内蒙古 呼和浩特 010011;2.内蒙古自治区农牧业科学院,内蒙古 呼和浩特 010031;3.内蒙古自治区土壤质量与养分资源重点实验室,内蒙古呼和浩特 010011)
土壤盐渍化是一个世界性资源和生态问题,也是我国生态环境和农业生产稳定持续发展尚须解决的重大问题[1]。全世界约有盐渍土面积9.55×108hm2,分布在全世界100多个国家和地区,每年以0.10×106~0.15×106hm2的速度增加[2-3]。我国盐渍土面积约0.27×108hm2,其中盐渍化耕地面积占全国耕地面积的6.62%,从湿润地区到极端干旱荒漠地区均普遍存在[4-5]。土壤盐碱化问题已成为制约干旱、半干旱地区生态环境与农业高效利用的一个重要因素。同时,盐渍化土壤作为重要后备土地资源,对将来农业生产有着巨大的开发潜力,其改良利用对于保障国家粮食安全,具有重大战略意义[6]。土默川平原位于内蒙古的中部,土地面积约15.3×104hm2,其中盐渍化面积约6.67×104hm2,主要分布在土默特左旗、土默特右旗、托克托县及呼和浩特市、包头市郊区,土地面积分别为2.53×104,0.67×104,3.07×104,0.4×104hm2[7],其盐碱地的改良利用对区域实现土地资源和农业的可持续利用具有重要意义。
自20世纪70年代,我国土壤学家就开始盐碱土水-肥-盐方面的研究,如陈恩凤等[8-9]曾提出:“培肥是改良盐渍土的根本观点”;主张利用有机质和土壤养分对盐分进行时、空、形的调控[10]。有研究也表明,施用有机肥可以改善土壤结构、降低土壤容重,增加土壤孔隙度,影响土壤盐分运移,易于排盐[11-13];施用有机肥可增加土壤有机质含量,微生物活性增大,改善土壤盐类离子组成[14-15],同时能够增强土壤保水、保肥、供肥能力,提高土壤生产力的作用;另外,施用有机肥可减少蒸发,抑碱返盐,增加灌水和降水的入渗,有利于土壤脱盐[16-17]。但在盐碱条件下,如果施肥不当,还会加重土壤的盐害,对改良利用产生不利影响。因此,在进行盐碱地改良过程中仍面临着土壤培肥和快速脱盐的双重任务,而合理施肥显得极其重要。本试验以内蒙古土默川平原典型盐碱土为研究材料,通过施用不同量的有机肥,研究其对盐碱土土壤盐分和养分特征的影响,以得出最佳施用量,为区域盐渍土改良、施肥提供理论依据。
研究区位于内蒙古中部土默川平原,是典型的盐碱土分布区,也是内蒙古主要产粮区之一。试验区位于内蒙古土默川平原托克托县永圣域镇内蒙古农牧业科学院综合试验示范中心托克托科研基地,基地占地面积213hm2,地理位置:北纬40°50′33″、东经111°23′14″,海拔1 132 m,属中温带半干旱大陆性季风气,年均气温6.0℃,极端最高温36.9℃,极端最低温-32.8℃,年均降水量400~450 mm,主要集中在7—9月,年均蒸发量1 800~2 000 mm,无霜期126~140 d;地下水位2~3 m,土壤主要以苏打盐化土壤和草甸碱土为主;土壤碱化度普遍较高,大部分地块超过20%,部分地块达68.9%。土壤pH值8.80~10.31,可溶盐含量4.60~10.28g/kg。土壤盐分类型以硫酸钠、氯化钠和碳酸钠为主,天然植被以盐生和碱生为主,如骆驼蓬(Peganum harmala)、碱蓬(Suaeda glauca)、白刺(Nitraria tangutorum)、冷蒿(Artemisia frigida)、虎尾草(Chloris virgata)、隐子草(Cleistogenes squarrosa)、披碱草(Elymus dahuricus)、芦苇(Phragmites australis)等。
本试验共设CK(0 t/hm2)、T1(18 t/hm2)、T2(36 t/hm2)、T3(54 t/hm2)、T4(72 t/hm2)5个 有机肥施用量处理,每个处理3次重复,小区面积:10 m×4 m =40 m2。有机肥于2018年4月整地人工一次性撒施后,然后用旋耕机旋耕,旋施深度20 cm,有机肥每两年施用1次。供试向日葵品种为HT661,采用大小垄覆膜种植,大行80 cm,小行40 cm,株距45 cm,留苗36 000株/hm2。田间管理按当地习惯择优选用,试验于2018年6月初播种,9月25日左右收获。供试有机肥为当地农户腐熟的羊粪。
2018年6—10 月每月中旬采集1次土壤样品,每小区随机采集3 点,采用土钻按0~10,10~20,20~40,40~60,60~80,80~100 cm分层取样,将采集的土壤样品在室内风干、粉碎过2.00 mm和0.15 mm 筛后保存。土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定,全氮采用半微量凯氏定氮法测定,碱解氮采用碱解扩散法测定,速效磷采用碳酸氢钠浸提钼锑比色法测定,土壤pH值采用电位法测定,土壤全盐量采用残渣法[18]。
数据分析采用Microsoft Excel 2007和Sigmaplot 12.5 作图,SPSS 18.0 统计分析软件进行差异性检验,用Pearson 相关系数表征相关性。
由表1可知,施用有机肥剖面土壤pH值随时间推移变化趋势各不相同,但逐渐表现出显著性差异。0~10 cm 不同处理随时间推移土壤pH值呈先减小后增大的变化趋势,而其他土层随时间推移无明显的变化趋势。不同有机肥施用量对不同土层土壤pH值的影响较大,尤其对0~40 cm土层土壤pH值的影响较大,0~40 cm 除T1处理10月土壤pH值增大外,其他处理均降低,其中T3处理下降幅度最大,10月0~10,10~20,20~40 cm土壤pH值较6月分别降低了0.67,0.78,0.83个单位;而40~100 cm 不同处理土壤pH值均增加。从整个土壤剖面来看,不同处理均不同程度地降低了土壤pH值,其中T3处理最大,较对照下降了0.65个单位,T1处理最小,较对照降低了0.33个单位,大小顺序依次为:T3>T2>T4>T1。
由图1可知,不同月份剖面土壤全盐变化趋势基本一致,即随土层深度增加全盐量逐渐降低;不同处理土壤全盐含量大小顺序为:CK>T1>T4>T2>T3,且T3处理与其他处理均达显著性差异(P<0.05)。从土壤剖面盐分变化情况来看,0~40 cm土壤剖面全盐下降速率较大,40~100 cm土壤全盐下降较为缓慢,即随土层深度增加全盐变化幅度降低。同时随时间推移土壤剖面盐分基本表现为先降低后增大的变化趋势,其月份动态变化趋势为:10月>9月>6月>7月>8月,即在8月土壤全盐最小,尤其是T3处理8月土壤剖面平均含盐量为2.90g/kg;10月土壤返盐较重,CK和T4处理剖面土壤全盐量分别达5.31g/kg和4.41g/kg,这主要是5、6月随气温不断升高土壤盐分随水分向上运移,出现明显的表聚特征,7、8月随降雨与地上植被覆盖度增加,土壤盐分被淋洗向下运移且逐渐降低,而9月降雨减少土壤盐分相对稳定,之后进入10月降雨稀少,地上植物收获地表裸露,土壤开始返盐,盐分向上运移,含量增加。
由图2可知,0~20 cm土层T2、T3、T4土壤脱盐率均大于零,表现为明显的脱盐过程,其中T3处理脱盐效果最好,脱盐率达55.19%,而CK和T1处理土壤脱盐率小于零,表现出明显的聚盐过程。20~40 cm土层不同处理土壤脱盐率均大于零,表现出明显的脱盐过程,其中T2处理脱盐率最大为38.46%;40 cm以下不同土层土壤脱盐率无明显的变化趋势。从整个土壤剖面来看,T2、T3处理土壤表现为脱盐过程,脱盐率分别为12.63%,11.77%,而其他处理土壤剖面处于积盐状态。
由表2可知,不同处理随土层深度增加土壤全氮、碱解氮、速效磷减小,土壤有机质含量随土层深度增加表现为先增加后降低的变化趋势,即在10~20 cm土层达最大。土壤有机质随有机肥施用量的不断增加而增大,其大小顺序依次为:T4>T3>T2>T1,尤其对0~10 cm和10~20 cm土层土壤养分的影响较大,其含量与对照(CK)达显著差异(P<0.05);土壤全氮、碱解氮、速效磷随有机肥施用量的不断增加表现为先增加后减少的变化趋势,即T3>T4>T2>T1,且0~10 cm和10~20 cm土层T3处理与其他处理均达极显著差异(P<0.01),其中,0~10 cm 较对照分别提高了97.98%,20.27%,69.93%,10~20 cm 较对照分别提高了20.62%,16.81%,57.50%;同时施用有机肥对20~40 cm土层土壤有机质、全氮的影响差异不显著(P>0.05)。
表1 不同处理对碱化土壤pH值影响
由表3可知,有机肥施用量与土壤各指标间具有一定的相关性。有机肥施用量与有机质、全氮之间呈极显著正相关,与pH值、全盐呈显著负相关;土壤有机质与全氮、碱解氮、速效磷呈极显著正相关,与pH值呈显著负相关;土壤全氮与速效磷呈极显著正相关,与pH值、全盐呈极显著负相关;土壤碱解氮与pH值呈显著负相关;土壤速效磷与pH值、全盐呈极显著负相关。由此可以得出,施用有机肥通过影响土壤的有机质、全氮等化学指标来影响土壤盐分和pH值。
图1 不同月份0~100 cm土壤盐分的变化情况
图2 不同处理下土壤脱盐率
盐碱土的共性问题是土壤肥力低、盐碱化程度高,严重影响农作物的正常生长。因此,如何提高土壤肥力、降低盐碱的危害是盐碱地区发展农业首要解决的实际问题。增施有机物,可改善耕层土壤结构,降低土壤容重,增加土壤孔隙度,加快盐分淋洗,抑制返盐,有利于土壤脱盐。如石万普等[19]研究认为在盐碱地上施用有机肥,能够降低土壤盐分和pH值,增加土壤养分及交换性钙含量;郜翻身等[20]认为增施有机肥一方面可以改善土壤结构,另一方面在有机肥降解过程时产生的有机酸可降低土壤pH值,增加土壤养分,作物产量;黄强等[15]研究在田间施用有机肥条件下,新疆盐碱土不同深度土壤溶液盐分含量变化动态,认为田间施用有机肥可明显减少土壤表层盐分积累,有利于灌水对土壤表层盐分的淋洗;余世鹏等[21]研究认为,有机肥施用可有效培肥土壤、促进黄淮海平原等易盐地区土壤排盐抑碱、提升生产力。本研究与上述研究结果相一致,认为增施有机肥可降低土壤pH值和全盐含量,其中有机肥施用量在36~54 t/hm2对降低土默川平原盐碱化土壤pH值和全盐含量较为显著;同时有机肥施用量在36~72 t/hm2耕层0~20 cm土壤处于脱盐状态,其中有机肥施用量在36 t/hm2和54 t/hm2土壤脱盐率均能达到50%以上,这与田忠孝等[22]研究认为耕层0~20 cm土层脱盐率随土壤有机质含量的增加而逐渐提高,即二者呈正相关的研究结果不一致。
表2 不同处理土壤养分变化特征
表3 有机肥施用量与各指标间的相关系数
土壤有机质、全氮、速效养分作为土壤肥力评价的重要指标,研究表明因有机肥含有植物生长所必需的大量营养元素氮、磷、钾和丰富的有机质,还含有相当数量的中、微量元素及氨基酸、核酸、糖、维生素等有机营养成分,增施后有利于有机质的积累,均能不同程度的提高土壤养分[23]。本研究表明,随有机肥施用量的增加,对土壤有机质影响的效果一致,高低顺序均表现为T4(72 t/hm2)>T3(54 t/hm2)>T2(36 t/hm2)>T1(18 t/hm2),而土壤全氮、速效氮、速效磷表现为T3(54 t/hm2)>T4(72 t/hm2)>T2(36 t/hm2)>T1(18 t/hm2)。
各有机肥处理对土壤pH值的动态变化影响各不相同,但均能不同程度地降低土壤pH值;施用有机肥剖面土壤pH值大小顺序依次为:T3>T2>T4>T1,其中T3处理较对照下降0.65个单位。各有机肥处理均能不同程度地降低剖面土壤全盐含量,其中T3处理剖面土壤全盐量最小;同时各有机肥处理随土层深度增加全盐含量降低,土壤剖面全盐含量大小顺序为:CK>T1>T4>T2>T3。0~20 cm土层T2、T3、T4处理呈明显的脱盐过程,T3处理脱盐最为显著,脱盐率达55.19%,而CK和T1处理呈明显的聚盐过程;20~40 cm土层不同处理均呈脱盐过程,其中T2处理脱盐率最大为38.46%。整体来看,T2、T3处理土壤剖面表现为脱盐过程,脱盐率分别为12.63%,11.77%。各有机肥处理均能不同程度地提高土壤养分含量,尤其能够显著提高0~10,10~20 cm土层土壤养分含量;随有机肥施用量不断增加土壤有机质含量不断增大,大小顺序为:T4>T3>T2>T1,而土壤全氮、碱解氮、速效磷含量随有机肥施用量增加表现为先增加后减少的变化趋势。同时有机肥用量与土壤各化学指标间相关性较高,说明施用有机肥能在一定条件下改善土壤环境。