三种环境材料及其复合施用对盐碱化土壤的改良效果研究

金梦野，黄 娟，侯 嫔，黄占斌*

（1.中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 100083；2.深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东 深圳 518040）

盐碱土壤广泛分布在世界较干旱区域和沿海平原地区，是重要的后备耕地资源[1]。据全国第二次土壤普查数据显示，我国盐碱土壤总面积约为991万hm2，占我国土壤总面积的10%，而我国人均耕地面积远低于世界水平[2]。滨海盐碱地是我国盐碱地的主要类型之一，该地主要受海水的影响，季节返盐现象较高。盐碱地的土壤含盐量高则会导致土壤发生板结、孔隙度减小、通透性差、土壤养分与有机质含量低等问题[3-4]，造成农作物的品质和产量下降[5]，这已经成为阻碍农业经济发展的重要因素。

目前，国内外在盐碱地改良方面进行了大量研究，应用的改良技术主要有物理、化学、生物和水利工程等措施[6-7]。化学措施在盐碱土壤改良的应用中较为广泛，研究表明，利用化学措施使用改良剂可以快速降低盐碱土壤的钠吸附比（SAR），增大土壤孔隙度，减少土壤中可溶性Na+含量，加快土壤中盐分的淋洗[8]。但以往研究中只重视盐碱化土壤的“脱盐过程”[9]，在盐碱土壤结构改良、肥力提升及灌溉排水结合方面重视不足，导致在脱盐过程完成后地下水位升高时，盐分会再次返到土壤表层，造成土壤二次盐碱化，极大影响盐碱化土壤的改良效果。

采用不同功能的环境材料复合是目前盐碱土壤改良材料研发的重要方向，特别是将具有土壤脱盐功能和改善土壤理化性质功能的材料复合施用，同时达到盐分淋洗和改良土壤结构的目的。环境材料是具有最小环境负荷和最大使用功能的一类材料[9]，其三大特性是功能性、环保性和经济性[10]，这种理念的材料在盐碱土壤改良材料的选择中备受关注，其中腐植酸、脱硫石膏和高分子材料颇受重视。腐植酸（Hu⁃mic Acid，HA）是广泛存在于自然界中的一类有机化合物，其含有的活性官能团具有离子交换和络合能力[11]，易于与盐碱土壤中的离子发生离子交换作用。另外，腐植酸分子结构中的基团还可与离子发生络合作用，促进土壤团聚体的形成[12]。通过物理或化学方法改性后的腐植酸有更高的比表面积和活性，具有更强的吸附作用和螯合作用。脱硫石膏是燃煤电厂烟气脱硫产生的废弃物，主要成分是CaSO4·2H2O。大量试验研究[13-14]证明，脱硫石膏能够降低盐碱土壤中的碱化度pH和含盐量。高分子材料是一种阴离子线型化合物在水中溶解形成的展开式链状结构，能够促进土壤团聚体结构的形成，增强土壤的吸水、保水性能并促进植物生长[15-16]。张开祥等[17]研究发现，施加腐植酸-聚丙烯酰胺复合材料能够改善土壤理化性质，促进酸枣种子萌发。王明华等[18]研究发现，石膏与聚丙烯酰胺材料按一定的比例复合后能够降低植物体内Na+含量，增强幼苗的酶活性。张伶波等[19]通过在山东地区土壤中施用脱硫石膏与腐植酸复合成的材料，降低了土壤的pH值且增加了玉米产量。目前，对盐碱土壤的改良方向主要集中在脱盐和增强土壤酶活性方面，而对土壤结构改良和化学性能改良等综合研究相对较少。本研究基于不同材料的功能互补和环境材料的特性，以天津滨海盐碱土为研究对象，采用土柱淋溶试验方法，将改性腐植酸、脱硫石膏和高分子材料及其复合材料对盐碱土壤改良的效果进行比较分析，为滨海盐碱土壤改良提供应用依据。

1 材料及方法

1.1 材料

供试土壤采自天津市宁河区玉米良种场农田0～20 cm表层土，其pH为8.10，水溶性 Na+、Ca2+、Mg2+含量分别为 660、90、60 mg·kg-1，SAR 为 2.1，碱化度（ESP）为18.04，含盐量为0.32%，属于中等盐碱化土壤。土壤从田间取回，自然风干后过5 mm筛备用。

改性腐植酸由山西丰联农业有限公司提供，其总HA含量≥50%，pH为8.52，EC为109.45 mS·cm-1；脱硫石膏由河北建投任丘热电有限公司提供，pH为6.70，EC为 43.61 mS·cm-1，其主要成分 CaSO4·2H2O的含量为91.32%；高分子材料由北京金元易生态环境产业股份有限公司提供，其为线性阴离子型聚丙烯酰胺，白色颗粒，60～80目的水溶性材料。

1.2 试验装置

试验淋溶装置由有机玻璃和玻璃土柱架构成（图1）。淋溶柱的最顶端和最底端各放置一块带有小孔的有机玻璃滤板，为防止漏土，滤板上放置两层200目的纱布。每个土柱内装入500 g风干土壤和环境材料的混合物，表面覆盖少量石英砂（约4 g，0.5 cm厚），以保证淋洗土壤的稳定性，防止扰乱表层土层。

土壤水分淋溶前，加200 mL去离子水使土壤水分接近田间最大持水量，室温下放置1 d，使土壤与改良剂充分反应。首次淋溶前将淋溶柱底端用止水夹夹住，加入200 mL去离子水，反应3 h后，打开止水夹，收集24 h淋溶液。将淋溶柱放在室温条件下自然蒸发4 d后称质量，至土壤含水率降到60%左右进行第二次淋溶，淋溶过程与首次相同。试验用水为去离子水，pH为6.73，EC为0.61 mS·cm-1。

图1 土柱淋溶模拟试验装置Figure 1 The equipment of soil column leaching experiment

1.3 试验设计

以课题组前期研究结果为基础[20]，采用单因素优选法，分析三种环境材料及其复合施用对盐碱土壤的改良机制。单施材料脱硫石膏、改性腐植酸、高分子材料的添加量分别为土壤干质量的15.00%、1.50%、0.03%；复合材料的添加比例为脱硫石膏∶改性腐植酸∶高分子材料=30∶3∶0.06，总添加量为土壤干质量的0.80%，其pH为7.40，Ca2+含量为23.00%；另设不添加任何材料的盐碱土壤作为对照（CK）。共5个处理，每个处理设3个重复。

1.4 测定指标与方法

淋溶液体积采用量筒法测定；pH采用玻璃电极法测定（LY/T 1239 —1999）；Na+、Ca2+、Mg2+含量采用ICPMS（NexlON 300D，美国PerkinElmer公司）测定；土壤水溶性含盐量采用烘干法测定；土壤水稳定性团聚体采用团聚体分析仪测定（TTF-100，北京同德创业科技有限公司）；SAR是衡量土壤碱化度的重要指标，计算公式为：

试验所获得的数据用Origin 2018进行绘图。所研究数据用SPSS19.0软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同环境材料对土柱淋溶后盐碱土壤pH的影响

pH可反映盐碱化土壤酸碱程度，若盐碱化土壤的pH较高，则其含有的CaCO3不能溶解，会与盐碱土壤中的P发生化学反应，将P固定，导致植物缺P。添加脱硫石膏、改性腐植酸、高分子材料及其复合材料淋溶后盐碱土壤pH的变化如图2所示。与CK相比，添加脱硫石膏、改性腐植酸及复合材料处理，淋溶后的盐碱土壤pH降幅为0.67%～7.46%，其中添加脱硫石膏淋溶后土壤pH降至6.89，与CK达到显著差异（P＜0.05）；添加高分子材料处理，淋溶后盐碱土壤pH较CK增加了6.12%。实验结果表明，单施脱硫石膏对降低淋溶后盐碱土壤的pH效果最显著，其次是复合材料处理组。

2.2 不同环境材料对土柱淋溶后盐碱土壤SAR的影响

盐碱土壤的形成是土壤胶体吸附Na+的过程，也是土壤固相和液相间阳离子相互交换的过程。由图3可知，与CK相比，添加脱硫石膏、改性腐植酸、高分子材料及复合材料淋溶后，盐碱土壤的SAR均有不同程度的下降，分别降低了37.70%、1.64%、7.10%、26.23%，脱硫石膏处理组对降低土壤SAR值达到了显著水平（P＜0.05），说明单施脱硫石膏对降低淋溶后盐碱土壤SAR效果最优，其次是复合材料处理组。

图2 不同环境材料对淋溶后土壤pH的影响Figure 2 The effects of different environmental materials on pH of leaching solution

图3 不同环境材料对土壤SAR值的影响Figure 3 The effects of different environmental materials on soil SARvalues

2.3 不同环境材料对土柱淋溶后盐碱土壤水溶性盐总量的影响

含盐量是盐碱土壤的重要属性。盐碱土壤中的钠盐含量较高，使土壤与植物间的渗透压失衡，导致植物生理干旱而吸水困难，枯萎甚至死亡。添加环境材料对盐碱土壤中水溶性盐总量的影响如图4所示。在盐碱土壤中加入改性腐植酸、高分子材料淋溶后，盐碱土壤的含盐总量分别降低至0.42、1.17 g·kg-1，脱硫石膏处理和复合材料处理的土壤含盐量分别增加至8.66、5.59 g·kg-1，说明单施改性腐植酸和高分子材料可降低淋溶后盐碱土壤的水溶性，其中，与CK相比，改性腐植酸对土壤水溶性盐的降低达到了显著水平，脱硫石膏和复合材料处理组能够增加淋溶后盐碱土壤的水溶性盐含量。

2.4 不同环境材料对盐碱土壤水分保持的影响

图4 不同环境材料对土壤含盐量的影响Figure 4 The effects of different environmental materials on soil salt content

图5 环境材料对土壤水分保持的影响Figure 5 The effects of environmental materials on soil water conservation

淋溶液体积即能表示土壤的保水能力，盐碱化土壤的保水能力较差，导致土壤发生板结现象，影响植物的生长。不同环境材料对土壤水分保持的影响见图5。添加脱硫石膏、改性腐植酸、高分子材料、复合材料后，第一次收集的淋溶液体积分别比CK减少了2.27%、2.73%、49.09%、6.36%。第二次淋溶过程中，添加脱硫石膏、改性腐植酸、复合材料的处理组淋溶液体积与CK没有明显差异，但高分子材料处理组淋溶液体积较CK减少了13.14%。说明单施高分子材料对盐碱土壤保持水分效果最好，其次是复合材料处理组。

2.5 不同环境材料对土柱淋溶后盐碱土壤水稳定性团聚体的影响

土壤团聚体是良好的土壤结构体，对调节土壤水、气、温起到重要作用，盐碱土壤中大于0.25 mm的土壤团聚体数量较少，导致土壤发生板结现象，影响植物对营养成分的吸收。不同环境材料对盐碱土壤各级土壤团聚体的影响见表1。施加环境材料后盐碱土壤中大于0.25 mm的团聚体含量呈增加趋势，说明添加环境材料能够促进盐碱土壤中团聚体结构的形成，且各处理中0.25～0.5 mm的土壤团聚体的比例显著增加。与CK相比，添加脱硫石膏、改性腐植酸、高分子材料及复合材料淋溶后盐碱土壤团聚体含量分别增加了0.83%、9.48%、15.70%、20.41%。

3 讨论

盐碱土壤中Na+含量较高，造成土壤黏重、透水透气性差等现象，一般通过增加土壤中的Ca2+浓度，置换土壤表面交换位点上的Na+，加之淋洗作用使Na+排出[21]，且Ca2+与盐碱土壤中的HCO2-3反应可降低土壤的pH。本试验结果也表明（图2），添加含Ca2+的脱硫石膏对降低土壤pH有显著效果，且在一定范围内土壤淋溶液pH的降低与脱硫石膏添加量呈正相关。这主要是因为脱硫石膏含有的Ca2+能够将土壤胶体中的Na+置换出来，Na+与水和CO2反应生成NaHCO3，CaSO4与 NaHCO3反应生成 Na2SO4和 CaCO3[22]，有利于土壤pH向中性转化，这与Smaoui-Jardak等[23]的研究结果一致。本研究发现，添加脱硫石膏对降低土壤SAR值效果显著（图3），这是由于脱硫石膏中提供的Ca2+在土壤溶液中能够与交换性Na+发生置换反应[24]，由SAR值定义式可知：SAR值与土壤中的Ca2+含量成反比，与Na+含量成正比。由于土壤中Na+含量降低，且脱硫石膏水溶条件下Ca2+含量增加，因此导致土壤SAR值降低；另外，改性腐植酸可改善土壤结构，增强土壤透水性能，有利于Na+溶出，降低土壤SAR值，这与秦萍等[25]、Nan等[26]的研究结果一致。

表1 不同环境材料处理对土壤团聚体含量影响（%）Table 1 The effects of different environmental materialson soil aggregate content（%）

盐碱土壤改良的目的之一是降低土壤含盐量，尤其是Na+含量。大量研究表明，施用脱硫石膏能够降低盐碱土壤的可溶性盐含量[27-28]，这与本试验的结果相反。这一方面可能是由于脱硫石膏导致土壤中盐离子含量升高，尽管能随淋溶流失，但土壤中尚存大量可交换态盐离子，遇水将很快随水排出土壤[29]；另一方面是，在添加脱硫石膏后土壤中发生置换作用，土壤中的Na+含量降低，因此，淋溶后的盐碱土壤中的盐类成分由对植物结构和组织有害的钠盐，转变成对植物细胞膜合成有利的钙盐[30]。研究结果发现（图4），施用改性腐植酸和高分子材料能够降低淋溶后盐碱土壤的水溶性盐含量，改性腐植酸含有的活性官能团具有吸附、螯合作用，可通过促进土壤中团聚体的形成提高土壤的通透性，加快土壤中盐分的淋洗，降低土壤中水溶性盐总量[31]，这与王倩姿等[32]的研究结果一致。高分子材料是阴离子线性材料，在土壤中遇水后分子链逐渐展开，将周围的土壤颗粒凝聚，形成土壤大团聚体，改善土壤结构，增大土壤孔隙度，降低土壤中含盐量，本研究结果与王春霞等[33]的研究结果一致。

盐碱土壤中水分含量低、大于0.25 mm土壤团聚体含量少是影响植物生长的主要因素。本试验结果表明（图5、表1），高分子材料对土壤水分保持具有较好的效果，这主要是因为其含有的酰胺基容易与水分子在土壤胶体表面结合，促进高分子网束展开，结合网束内的亲水离子，造成渗透压的不平衡，水分子流入网内且自身运动受到压力限制，从而减少土壤水分流失，这在李佳佳等[34]、刘洋等[35]的研究中都有论证。与CK相比，复合材料对土壤中团聚体含量增加的效果最优，这主要是因为高分子材料呈链状结构，盐碱土壤中的盐离子能够使分子链发生卷曲，影响链端吸附小于0.25 mm颗粒的能力[36]，而且高分子材料结构中含有酰胺基等基团，可通过形成氢键实现凝聚作用[37]。高分子聚合物以吸附、缠绕、贯穿等方式捕捉分散土粒，从而使之凝聚成团粒，故能吸附粒径在0.25～0.5 mm的团聚体[38]。此外，氨化腐植酸含有羟基、羧基等活性官能团，易于与土壤中的离子发生络合作用，促进土壤团聚体的形成[39]。因此，将高分子材料与氨化腐植酸复合施用对土壤团聚体结构的形成有更好的效果。

4 结论

（1）土柱淋溶试验表明，脱硫石膏、改性腐植酸、高分子材料和复合材料对盐碱土壤改良均有一定效果，但对盐碱土壤的改良机制不同。脱硫石膏能够降低盐碱土壤pH和土壤SAR值；高分子材料能够增强盐碱土壤水分保持效果，促进土壤团聚体结构的形成；改性腐植酸主要作用是降低盐碱土壤中水溶性含盐量。

（2）三种环境材料的复合材料能够显著促进盐碱土壤中团聚体的形成，其协同作用能够改变盐碱土壤理化性质，特别是能够改良土壤结构，防止土壤二次返盐，提高盐碱土壤改良的效果。