粉垄耕作下施加脱硫石膏和生物炭对盐渍土壤水热盐的影响研究

哈斯格日乐，屈忠义，王 凡

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2.巴彦淖尔市水利科学研究所，内蒙古 巴彦淖尔 015000)

盐碱土是各种盐土和碱土以及不同程度盐化土和碱化土壤的总称，其特点是土体中含有较多的盐碱成分，土壤结构性差，抑制植物的正常生长，甚至不能成活[1,2]。20世纪以来，国内外许多专家学者对于盐碱土改良的措施及机理研究取得了显著成效，部分措施已在实际应用中得到推广[3-5]。粉垄耕作技术是一种物理性地改善土壤理化结构和土壤环境而实现对盐碱地改良的新型技术，对于盐碱地的综合治理有重要意义。

粉垄耕作是将土壤垂直旋磨粉碎、不交换土层并自然悬浮成垄，在垄面上直接播种或种植作物的方法，克服了传统耕作难以深耕深松、及长期碾压导致的土壤板结、地力下降等问题[6,7]。通过粉垄耕作改良盐碱地后，土壤均匀度增大，降低土壤容重和紧实度，改善了土壤蓄水能力，提高田间水分利用效率，增强土壤通透性[8]。

目前化学改良措施的应用范围较广，主要是通过在盐碱土中施加化学试剂，改善土壤结构，促进盐分淋洗来达到改良目的。大量研究表明脱硫石膏能显著改善土壤的孔隙状况，促进土壤可溶性盐分淋洗，降低土壤的盐碱危害[9-12]，可以使土壤的碱化度、pH值和全盐含量均大幅降低[13,14]，提高作物的产量和品质[12]。同时大多数学者对生物炭进行多方面深入研究。研究发现生物炭可以改变土壤的物理性质[15]，而且发现生物炭的多微孔结构，使得它的通气性和透水性相当的好，有利于改善土壤质量[16]，改善土壤保水性能[17]、减少养分损失，让土壤变得更加的肥沃，降低土壤盐、碱度[18]。Uzoma等[19]通过研究在沙质土壤中施入15和20 t/hm2生物炭，产量分别提高150%和98%。勾芒芒等[20]研究发现施加生物炭能够提高番茄产量98%到170%，同时提高土壤肥力。因此生物炭被称为是良好的土壤改良剂。对于解决日益突出的资源环境、农业发展等问题，提供新思路、新技术，极大推动我国可持续农业的发展。但目前关于粉垄耕作结合脱硫石膏和生物炭改良盐碱地的研究鲜有报道。

内蒙古河套灌区受气候、地下水位等因素影响，土壤盐渍化程度较严重，严重制约着当地农业的可持续发展。为了改善河套灌区的土壤质量，主要研究粉垄耕作下结合脱硫石膏和生物炭，对土壤的水热盐的影响和对作物增产的效果，实现该地区盐碱荒地的改良和土地利用，为河套灌区大面积盐碱地改良技术的推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验区概况

试验区位于内蒙古巴彦淖尔市杭锦后旗改盐增粮科技示范区(106°54′E，40°49′N)，该区地势平坦，海拔为990～1 003 m，属于温带大陆型气候，年均降水量为130～180 mm，蒸发量较大，年蒸发量达2 000～2 400 mm，湿润度0.1～0.2，热量充足，全年日照3 100～3 200 h，10 ℃以上活动积温2 700～3 200 ℃，无霜期120～150 d。供试土壤全盐量12.97 g/kg，为重度盐碱土，属硫酸盐-氯化物型盐土，土壤质地为粉砂质壤土。表层土壤理化性质见表1。

表1 试验土壤的基本理化性质

Tab.1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

电导率/(μS·cm-1)pH砂粒/%粉粒/%黏粒/%有机质/(g·kg-1)水解氮/(mg·kg-1)速效磷/(mg·kg-1)速效钾/(mg·kg-1)全盐量/(mg·kg-1)5272.008.9637.8055.007.2011.1640.8730.65280.5012.97

1.2 试验设计

田间试验在向日葵生长季开展(2018年5月至10月)，试验设常规耕作对照(CK)、粉垄耕作(F0)、脱硫石膏+粉垄耕作(F1)、生物炭+粉垄耕作(F2)等4个处理，每个处理3次重复，且随机分布于试验区，试验区周围设置2 m保护行。供试向日葵品种为K9102。向日葵穴播，行距50 cm，株距50 cm。

土壤粉垄于当地春汇前进行直接用粉垄机械深旋耕作业，粉垄深度为40～50 cm。其中脱硫石膏用量设置为45 t/hm2[8]，生物炭施用量22.5 t/hm2[18]。采用地下水膜下滴灌，一膜两行种植，一条滴管带控制两行向日葵灌溉。由张力计控制灌水时间，TDR进行校核，灌溉下限-20 kPa，每次灌水定额225 m3/hm2。施肥方式为随水施肥。底肥磷酸二胺(N18%，P2O546%)375 kg/hm2。追施尿素(N46%)375 kg/hm2。不同处理整地施肥、播种等农艺措施完全一致。

1.3 测定项目和方法

土壤容重：环刀法测定。取样时期为向日葵成熟期。取样深度0～20 cm。

土壤质量含水率：先将环刀样在蒸馏水中浸泡24 h至饱和，取出控水2 min，称初始质量，放入压力薄膜仪中，测定各处理土样在0、20、40、60、80、100、200、300、400、500、600、800、1 000、2 000、3 500、4 500 kPa下土壤含水率。

土壤电导率：取样时期为向日葵成熟期，测定深度为0～60 cm土层，取样间隔为20 cm。经自然风干、磨碎、过2 mm筛，以土水比1︰5的比例浸提土壤，测定土壤浸提液电导率EC1︰5。

土壤温度：采用分度值为1 ℃的金属直角管地温计测量地表5 cm处的土壤温度，插放在向日葵膜内两植株间，具体观测时间为8︰00-20︰00，每2 h观测1次。

向日葵产量：于幼苗期调查向日葵的出苗数，统计其出苗率；收获期测定盘径和百粒质量，并计算其籽粒产量。

1.4 土壤水分特征曲线拟合模型

VG 模型是van Genuchten于1980年在Mualem等的模型基础上提出的土壤水分特征曲线模型：

(1)

式中：θ为土壤含水量；θr为土壤残余含水量；θs为土壤饱和含水量；h为土壤水吸力；α为进气值倒数，n和m为影响土壤水分特征曲线形态的经验参数；m=1-1/n。

1.5 数据整理

试验数据用Excel、RETC、SPSS等软件进行整理，用 LSD法进行显著性分析，p<0.05表示显著性差异水平。

2 结果与分析

2.1 不同处理VG模型拟合曲线

表2为各处理VG模型拟合的参数，由表2可以看出，CK、F0、F1、F2处理的容重分别为1.53、1.51、1.46、1.40 g/cm3，与CK相比，F0、F1、F2处理均显著降低了土壤容重(p<0.05)，降低幅度分别为1.43%、4.37%、8.69%。F1、F2较F0减少了3.09%、7.49%。由此可见粉垄耕作下结合生物炭和脱硫石膏降低容重程度较单一粉垄处理更明显，其中粉垄耕作下施加生物炭效果较好。同时VG模型的4个参数θs、θr、a、n与容重显著相关，θs、θr、a和随着容重的减小而逐渐增加，呈现负相关，说明各项参数随改良措施的不同存在差异，F0、F1、F2处理通过降低土壤的容重，使得土壤的孔隙度增加，增加土壤的饱和含水率θs和土壤的残余体积含水率θr，这有利于增加土壤的水分环境，对作物的生长以及盐分的淋洗具有重要的意义。参数n主要与土壤孔径分布有关，不同的处理其孔径也不同，所以n值也不同。

表2 VG模型拟合参数

Tab.2 Fitting parameters of VG model

处理容重/(g·cm-3)θsθrnαR2CK1.53a0.4190.0351.0830.0850.989F01.51b0.4200.0361.0820.0350.991F11.46c0.4220.0511.0620.0810.995F21.40d0.4320.1941.1620.0890.984

注：同一列不同字母表示各处理间在0.05水平上差异显著。

2.2 土壤水分特征曲线

使用RETC软件中的Van Genuchten模型对所有处理的实验结果进行曲线拟合，拟合参数及决定系数R2如表2所示，拟合决定系数均大于0.97，说明使用 RETC软件进行VG模型拟合的土壤水分特征曲线结果是可信的。由图1可知，随着压力值的增加，含水率在逐渐减少。压力值在0～1 000 kPa时，水分特征曲线的斜率较小，土壤含水率由30%变化为17%，呈现规律为F2>F0>F1>CK。主要是粉垄后F0、F1、F2的孔隙度较大，其土壤饱和含水率较大，水分变化显著。随着压力值的增大，斜率在变大。压力值大于1 000 kPa时，含水率变化不明显，呈现规律F2>F1>F0>CK，F0和CK比较没有显著差异，主要是土壤粉垄后土壤结构发生变化，土壤不受毛细管作用的影响，使得水分容易排出，F1和F2和CK处理进行比较，改良剂持水特性好，尤其F2处理。这也说明脱硫石膏和生物炭的应用改善了土壤的持水性能，提高了水分的有效性。

图1 不同处理土壤水分特征曲线Fig.1 Characteristic curves of soil moisture under different treatments

2.3 不同处理对土壤温度的影响

土壤温度的日变化以膜内表层5 cm土壤温度为例(图2)，各处理土壤温度的变化规律基本一致，均呈现先增大后减少趋势，呈“S”型曲线，整体表现规律为：F2>F1>F0>CK。F0、F1、F2的温度变化都明显高于CK，主要是粉垄将土壤的毛管切断后，降低土壤蒸发强度，有利于土壤的保温效果，施加改良剂后，尤其是生物炭处理，明显高于其他3个处理，这与生物炭是黑色物质，具有吸热效果有关。一天中温度在16︰00-18︰00达到最高，后期土壤温度开始降低，这主要是因为大气温度的影响，但是其整体的变化幅度较小，主要受覆膜的影响。

图2 不同处理土壤温度日变化Fig.2 Diurnal variation of soil temperature under different treatments

同时利用温度增量表征土壤温度变化幅度，由表3可以看出，一天中8︰00-12︰00各处理增幅范围为2.2～4.2 ℃，其中F1处理下增幅最大，12︰00-16︰00的增幅范围为3.7～4.2 ℃，16︰00-18︰00温度增幅范围-0.1～0.9 ℃，F1处理下最小。各处理整体增幅为2.27、2.47、2.67、2.73 ℃，可以看出12︰00-16︰00温度变化大于其他两个阶段；在16︰00-20︰00温度还有一定的增加，但都很小；F1处理不同时段的温度增量变化幅度明显。综合分析，F0、F1、F2均能增加土壤温度，F2处理均值为最大，这也证明了生物炭的增温效果。

表3 不同时间段的温度增量℃

Tab.3 Different time of temperature increment

处理8︰00-12︰0012︰00-16︰0016︰00-20︰00均值CK2.24.00.62.27F03.23.70.52.47F14.23.9-0.12.67F23.43.90.92.73

2.4 不同处理对土壤电导率的影响

土壤溶液含盐量与电导率在一定浓度范围内呈正相关，用溶液电导率的大小来间接表征土壤含盐量[20]。不同处理对电导率的影响较大(图3)，CK电导率显著大于其他处理，F0、F1、F2处理与CK相比都存在显著性差异(p<0.05)，在0～20 cm土层，F0、F1、G2处理较CK分别降低17.10%、21.72%、23.13%，其中F1和F2之间没有显著性差异，但F1、F2较F0均存在显著性差异(p<0.05)；20～40 cm土层，F0、F1、F2处理较CK分别降低24.51%、24.35%、27.25%，F0、F1、F2处理间没有显著性差异；40～60 cm土层，F0、F1、F2处理较CK分别降低38.06%、52.64%、60.97%，F0、F1、F2处理间均存在显著性差异(p<0. 05)。F0、F1、F2处理与CK比较平均降低了26.51%、32.91%、37.11%，同时F1、F2较F0平均降低了9.70%、14.26%。F0、F1、F2与CK比较电导率均变小，这也说明了在各处理下土壤中的盐分含量也有所降低，证明了粉垄耕作(F0处理)具有降盐的效果，而F1和F2处理均低于F0处理，这也说明了生物炭和脱硫石膏能够降低土壤的盐分。

图3 不同处理土壤电导率(0～60 cm)Fig.3 Different treatments on EC of soil depth 0～60 cm

在0～20、20～40和40～60 cm土层土壤的电导率变幅分别为4 053～5 272、2 927～4 023、905～2 319 μS/cm，土壤的上层电导率大于下层电导率，造成这种情况的原因可能与该地区地下水位高，降雨量少，土壤的蒸发量大，地面出现返盐，造成地表土壤盐分含量高有关。

2.5 不同处理对向日葵产量的影响

成熟期各处理向日葵出苗率、盘茎、百粒重、籽粒产量如表4所示，可以看出产量与出苗率、盘茎和百粒重呈正相关，出苗率较高，盘茎大，百粒重大的条件下则其产量也相应较大。重度盐渍土经粉垄后，向日葵的出苗率显著增加，由48%提高到84%，F0、F1、G2处理较CK分别提高了27.08%、60.42%和75.01%；盘茎分别提高了20.12%、66.09%、54.62%，百粒重分别提高了29.45%、62.46%、79.88%。F0、F1、F2处理产量均较CK显著提高，较CK依次增产1 042.05、2 129.55、2 492.70 kg/hm2，

表4 向日葵产量

Tab.4 Sunflower yield

处理出苗率/%盘茎/cm百粒重/g籽粒产量/(kg·hm-2)增产率/%CK48d14.66d13.72d800.10dF061c17.61c17.76c1842.15c130F177b24.35a22.29b2929.65b266F284a22.67b24.68a3292.80a311

注：同一列不同字母代表处理间p<0.05 的显著水平。

增产率为130%、266%、311%，籽粒产量提高效果依次为：F2>F1>F0>CK。相对于F0，F1和F2增产率为59.03%和78.75%，其中F2处理的产量最高，这主要是因为F2处理的百粒重与出苗率较高。F0、F1、F2处理的出苗率、盘茎、百粒重、籽粒产量较CK均存在显著差异性 (p<0.05)，同时F0、F1、F2处理之间也均存在显著性差异 (p<0.05)。综合分析来说，以F2处理较优，增产效果显著。

3 结 语

本研究通过试验发现粉垄耕作具有降盐增产的效果，这与以往的报道一致[8,22]。同时粉垄耕作下施加脱硫石膏和生物炭效果较好，既在一定程度上降低了土壤盐度，又提高了土壤中水分含量和温度，对向日葵生长具有促进作用，能提高向日向日葵产量，与韩剑宏等[18]研究结果一致。且对土壤水热盐的影响较单一粉垄处理更显著，其中生物炭处理效果最佳，所以可在盐碱地改良中可推广普及。此外，粉垄耕作作为一种新的耕作方法和耕作制度，在农业生产上还有很多需要改进和完善的地方，粉垄作业的长期效果以及对土壤环境的改善程度，如何和暗管排盐结合起来进行盐碱地改良还需进行深入的研究。

通过田间对比试验，主要得到以下结论：

(1)粉垄耕作、粉垄耕作施加脱硫石膏和施加生物炭可以降低土壤的容重，增大的土壤孔隙度，进而使进而使土壤水分含量增加。生物炭和脱硫石膏有着良好的持水能力，有利于提高土壤温度，起到蓄水保墒的作用。为植物提供良好的水环境。

(2)粉垄耕作、粉垄耕作施加脱硫石膏和施加生物炭可降低土壤的盐分，与常规耕作比较分别降低了26.51%、32.91%、37.11%，同时施加脱硫石膏和生物炭与单一粉垄比较平均降低了9.70%、14.26%。粉垄耕作具有降盐抑盐的效果，同时粉垄技术结合生物炭和脱硫石膏能显著够降低土壤的盐分。

(3)与常规耕作相比较，粉垄耕作、粉垄耕作施加脱硫石膏和施加生物炭均能显著提高向日葵盘茎和百粒重(p<0.05)，能够明显提高向日葵产量。其中生物炭处理促进向日葵的产量效果最突出。