不同改良模式对滨海盐渍土土壤理化性质的影响

张子璇，牛蓓蓓，李新举*

1. 土肥资源高效利用国家工程实验室，山东 泰安 271018；2. 山东农业大学资源与环境学院，山东 泰安 271018

土壤盐渍化已逐步成为影响土地生产力和农业可持续发展的全球性环境问题（曹雨桐等，2017），因受海水倒灌、频繁的旱涝气候变化等不同驱动力的影响，中国黄河三角洲地区地下水位较浅，矿化度较高，地下水盐分易集聚地表（吕真真等，2017），致使该地区盐渍土面积大且分布广泛，土壤理化性质差、养分有效性低和土壤生产力低等现象普遍存在。此外，由于滨海地区本身土壤中盐分的组成离子含量相对较高，不同区域的盐渍化程度不同，均使滨海盐渍土的改良难度增加（张济世等，2017）。

针对盐渍土改良这一亟待解决的问题，不少学者采用了秸秆还田（杨东等，2017；王会等，2019）、施用添加剂（张济世等，2017；张凌云等，2005）、种植耐盐牧草（李志丹等，2004）和以谷物轮作为主的保护性耕作（Chiter et al.，2018）等措施。农作物秸秆是中国农业生产的主要废弃物之一，每年焚烧、堆积和遗弃的秸秆占总量的97%左右，这不仅造成资源的浪费，还污染了环境。研究表明，作为农业生产中主要废弃物的秸秆通过不同方式还田对于盐碱地的调控具有重要作用。其中，秸秆覆盖不仅可以稳定土壤温度，抑制水分蒸发、控制盐分，还可以起到提高土壤肥力、使土壤逐步向良性状态转化的积极作用（杨东等，2016）；秸秆掩埋30 cm或40 cm可以优化土壤物理性状，有效改善土壤结构，提高土壤含水率，具有良好的控抑盐效果，显著提高作物产量（赵永敢等，2013）。施用脱硫石膏和有机肥作为改良盐渍土的重要农艺措施，可以有效改善土壤物理性状、提高土壤有机质含量、抑制土壤返盐。其中，脱硫石膏可对盐碱地土壤起到良好的脱盐脱碱效果，有利于植株的生长发育，其主要成分硫酸钙（CaSO4·2H2O）经土壤中水溶解后形成可替换土壤胶体上的Na离子的Ca离子，不易吸附水分子的同时可使土壤胶体微粒间凝聚成微粒团；当水分子渗入微粒之间或土壤缺水时会产生微粒团膨胀或龟裂的现象，而整个过程的无限循环则使土壤更为疏松，透水性增强，若配合有机肥的施用亦可增强土壤的吸水吸肥能力，更有利于实现改良盐碱土的目的（毛玉梅等，2016；沈婧丽等，2016a）。增施有机肥可以熟化表层土壤，增加土壤养分含量，降低土壤电导率（刘艳等，2014），其所含有的腐植酸类物质对土壤中的盐离子有很强的交换能力和吸附作用，可提高作物对土壤矿物质的吸收和同化能力，有利于土壤团粒结构的形成、进一步增加土壤的缓冲能力、中和盐碱土中的碱性以维持土壤的酸碱平衡；其次，有机肥激发土壤中氮、磷释放的同时为作物提供养分、增加土壤有机质、促进微生物繁殖、增强土壤保水保肥能力，进一步优化盐碱地土壤环境（马飞等，2016）。

目前，关于秸秆覆盖、秸秆深埋、有机肥和脱硫石膏等改良措施的单方面研究较多，但其四者集成模式对滨海盐渍土改良效果的研究未见报道。因此本试验以黄河三角洲轻中度和重度盐渍土为研究对象，分析不同改良模式对盐渍土土壤理化性状及土壤养分变化的影响，探讨不同程度滨海盐渍土的最优改良组合，旨在进一步改善黄河三角洲滨海盐渍土的农业生态环境、提高作物产量和促进农业经济的发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山东省东营市利津县山东汇邦渤海农业开发有限公司试验基地（118.60°E，37.78°N），该区域属于暖温带半湿润季风气候区，多年平均气温为13.2 ℃，年日照时数 2800.8 h，无霜期234 d，冻土期44 d，年平降水量598.1 mm。土壤类型以盐化潮土和滨海盐土为主。试验田土壤为滨海盐渍土，根据盐渍化程度分为轻中度滨海盐渍土和重度滨海盐渍土，其表层土壤（0—20 cm）理化性质详见表1。

1.2 试验设计

本研究为裂区试验设置，试验期为2017年10月—2018年6月，共设计2种盐渍化程度的试验地：轻中度（T1）和重度（T2）。试验主处理为秸秆处理，副处理为施加改良剂处理。主处理设秸秆覆盖（F1）、秸秆掩埋（F2）和秸秆覆盖+掩埋（F3）共3种方式；副处理设脱硫石膏（A）、有机肥（B）、脱硫石膏+有机肥（C）共3种方式；不同程度盐渍化土试验地块中未做任何处理的小区为相应的对照区（CK），其中包括无秸秆对照、无改良剂对照和无秸秆+改良剂对照。具体试验设计见表2。每种盐渍化程度样地上设置16个处理，每个处理3次重复，共48个小区，每个试验小区长8 m，宽4 m，面积为32 m2。各试验小区之间设1 m宽的隔离带。2017年10月铺设和掩埋秸秆，所有处理均采用水稻秸秆，覆盖厚度5 cm，覆盖量9000 kg·hm-2；掩埋深度30 cm，掩埋量9000 kg·hm-2。首先对需要秸秆掩埋的小区进行表土剥离和秸秆铺设，表土回填后统一进行脱硫石膏和有机肥施加，然后所有小区进行小麦种植，小麦品种为济麦22，最后完成秸秆覆盖工作。脱硫石膏和有机肥的施用量参考前人研究确定（张济世等，2017；杨东等，2018；沈婧丽等，2016b；肖国举等，2010；刘广明等，2011），轻中度试验区施用量分别为脱硫石膏10.0 t·hm-2、有机肥6.7 t·hm-2；重度试验区施用量分别为脱硫石膏 12.9 t·hm-2、有机肥 11.0 t·hm-2（表 2）。有机肥一次性作为基肥施入，试验后期无脱硫石膏和有机肥的追加施用。其他田间管理方式采用当地常规管理模式。

1.3 样品采集分析

1.3.1 土壤样品采集与测定

分别于2018年3月小麦返青期和6月小麦成熟期进行土样采集。采用五点取样法采集各试验小区0—20 cm表层土壤样品。将所取得的土壤样品去除根系和石块等杂物，充分混匀后装入无菌自封袋内。土壤样品带回实验室内，首先用烘干法测定土壤含水率，然后自然风干，磨碎，过筛（100目和 20目）后，进行相关指标测定。用电导率仪测定土壤电导率；重铬酸钾容量法——外加热法测定土壤有机质；碱解扩散法测定土壤碱解氮；碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法测定土壤有效磷；乙酸铵浸提浸提-火焰光度法测定土壤速效钾（鲍士旦，1999）。各处理做3次重复实验。

表1 试验田不同程度盐渍化土壤理化性质Table 1 Physicochemical properties of different degrees of salinized soil in experimental fields

表2 试验处理设计Table 2 Test processing design

1.3.2 试验数据分析

该试验数据使用Microsoft Excel 2013进行基本处理，使用SPSS 21.0进行统计分析。其中结果差异显著性检验采用Fisher’s LSD检验方法，差异显著性水平设置为P＜0.05；相关性分析采用Pearson相关系数进行评价，最后使用Origin 19.0、Microsoft Excel 2013和Photoshop CC 2018结合制图。

为评价不同秸秆还田方式和添加剂的使用对不同程度盐渍土表土（0—20 cm）盐分的抑制效果，运用以下公式计算盐分抑制效率（SIE）（Xie et al.，2017）：

其中，Sck指同一时期无任何方式和施加剂的纯对照处理，Sstraw为不同盐渍化程度土壤在不同处理下的电导率值，所有数值取不同处理下3个重复实验数据的平均值。

2 结果与分析

2.1 不同改良模式对轻中度盐渍土土壤性质的影响

2.1.1 不同改良模式对轻中度盐渍土土壤水分的影响

水是土壤盐分的载体，抑制水分蒸发可有效降低土壤盐分。图1为不同改良模式下轻中度盐渍土土壤含水率的变化，可以看出，返青期和成熟期各处理的土壤含水率分别在 30%—50%、20%—40%之间，成熟期土壤含水率降低是因为黄河三角洲地区6月气温升高，水分蒸发量逐渐增加。但与对照（T1CK）相比（水分下降比例25%）其他3种秸秆还田方式下各处理的土壤含水率无明显下降，且T1F2即秸秆掩埋方式下土壤保水性最好（下降比例14.6%）。此外，不同秸秆还田方式下C处理的土壤含水率值均最高，除T1F2B处理的土壤含水率低于T1F2CK处理外，其余各处理土壤含水率均呈现出 C＞A＞B＞CK的趋势。整体来看，返青期和成熟期土壤含水率达最高值且保水效果最好的处理为T1F2C。

图1 不同处理下轻中度盐渍化土壤水分分布Fig. 1 Water distribution of light and moderate salinized soil under different treatments

2.1.2 不同改良模式对轻中度盐渍土土壤盐分的影响

土壤中的水盐运移一直有着“盐随水来，盐随水去”的规律（杨东等，2017），盐分在土体中的再分配受到土壤水分这一主要驱动力的影响。土壤电导率值是反映土壤中可溶性盐总量的重要指标，不同改良模式下轻中度盐渍化土壤的电导率值的变化见表 3。不同时期不同秸秆还田方式和处理下轻中度盐渍化土壤盐分控制效率（SIE）之间存在明显差异（图 2）。整体来看，T1F1、T1F2和 T1F3方式下各处理的土壤电导率基本低于T1CK方式所对应的各处理的土壤电导率，且T1F2方式的SIE均值在 4种方式中最高（返青期 16.47%；成熟期22.17%）；在同种秸秆还田方式下 A、B、C处理的土壤电导率也基本低于其相应对照处理，其 SIE值在返青期和成熟期均呈现 C＞A＞B＞CK的趋势。由此看出，T1F2C改良模式对土壤盐分控制效果最优，不同时期T1F2C处理下土壤电导率均较其对照处理呈现出最大降幅（分别为21.07%和35.57%），SIE值达最高值（分别为27.99%和31.83%）。此外，随着蒸发强度的增大，成熟期土壤含盐量普遍高于返青期，但T1F2C处理下成熟期土壤盐分却低于返青期，这进一步证明秸秆掩埋和脱硫石膏、有机肥的结合对表层土壤起到了良好的降盐效果。

2.1.3 不同改良模式对轻中度盐渍土土壤养分的影响

不同时期不同秸秆还田方式和不同处理之间的土壤养分含量差异较为显著（表 4）。从秸秆还田方式来看，T1F1和T1F2两种方式下的土壤养分含量较为丰富，成熟期更为明显，说明秸秆单独覆盖和单独掩埋方式对于轻中度盐渍化表土土壤的保肥效果更佳。所有处理中，T1F2B和T1F2C两种处理下表土土壤养分含量较对照增加效果最为明显。从不同时期来看，两期土壤有机质和速效钾含量基本持平，无明显变化；土壤有效磷和碱解氮含量分别以20.56%（T1F2B）、41.60%（T1F2C）和54.74%（T1F2B）、15.89%（T1F2C）的涨幅增加，说明在秸秆掩埋方式下施加有机肥对轻中度盐渍土的增肥效果最为显著。而有效磷含量在 T1CKC处最高（返青期 18.72 mg·kg-1；成熟期 19.81 mg·kg-1），是由于秸秆本身对土壤、添加剂和植株养分的部分吸收会导致表土土壤养分不均、成熟期部分处理的表土土壤养分略高于返青期甚至出现CK处理较高的现象（张娟等，2019）。

表3 不同处理下轻中度盐渍化土壤电导率Table 3 Conductivity of light and moderate salinized soil under different treatments

图2 不同处理下轻中度盐渍化土壤SIE分布Fig. 2 Distribution of SIE in light and moderate salinized soil under different treatments

2.2 不同改良模式对重度盐渍土土壤性质的影响

2.2.1 不同改良模式对重度盐渍土土壤水分的影响

与轻中度盐渍土相比，不同改良模式下重度盐渍土表土土壤含水率整体较低，返青期和成熟期的土壤含水率均低于35%（图3）。其中T2F3方式下土壤含水率最高（返青期27.51%，成熟期23.23%），且成熟期与返青期的水分减少程度最小（平均4.28%），这说明秸秆覆盖和秸秆掩埋共同作用下的重度盐渍土土壤保水效果最佳。此外，T2F3方式下C处理的土壤含水率始终保持最高，分别为返青期32.31%和成熟期26.21%，且A和C处理的土壤含水率之差有所减少，这说明施用脱硫石膏和有机肥可以促使重度盐渍土土壤水的渗透速率降低、减少水分蒸发。

2.2.2 不同改良模式对重度盐渍土土壤盐分的影响

重度盐渍土土壤板结情况严重导致通气性和透水性差，严重抑制了土壤盐分淋洗（杨凯等，2018），而秸秆还田措施被证实可以有效缓解土壤板结，从而降低盐分。从表5不同改良模式下土壤的电导率值可以看出，秸秆还田处理下的土壤电导率均较对照发生了不同程度的下降，其中T2F3方式下的土壤电导率下降最为明显，两期较对照分别平均减少了 390.42 μS·cm-1和 664.75 μS·cm-1。

表4 不同处理下轻中度盐渍化土壤养分含量Table 4 Nutrient content of light and moderate salinized soil under different treatments

图3 不同处理下重度盐渍土土壤水分分布Fig. 3 Soil water Distribution of Severe Saline Soil under Different Treatments

除 T2F3方式外其他秸秆还田方式的盐分均有所升高，且两期SIE均值均呈现出T2F3＞T2F1≈T2F2＞T2CK的趋势（图4），由此看来，秸秆还田措施尤其是覆盖和掩埋同时使用对盐分表聚较为严重的重度盐渍土控制效果更佳。此外，同一秸秆还田方式下的盐分控制程度呈现出 C＞A＞B＞CK的趋势。其中，T2F3C处理的表层土壤盐分含量最少，两期分别为 1091.33 μS·cm-1和 929.41 μS·cm-1，成熟期较返青期减少 14.84%，其 SIE值在两期中均居峰值，分别为34.83%和53.71%，同比上升18.88%，超出预期保水抑盐效果。

2.2.3 不同改良模式对重度盐渍土土壤养分的影响

对比不同改良模式下重度盐渍土土壤养分水平（表6），发现T2F3方式下土壤养分含量在返青期和成熟期均整体较高，尤其体现在土壤碱解氮和速效钾平均含量上，分别达到了返青期 86.02 mg·kg-1和 315.01 mg·kg-1、成熟期 112.42 mg·kg-1和405.04 mg·kg-1，而T2F1和T2F2方式下土壤养分含量则无明显差异。不同秸秆还田方式下各处理间土壤养分含量差异较大。就有机质而言，T2F2B和T2F3C两种处理下的土壤有机质含量在返青期和成熟期整体显著高于（P＜0.05）同期其它处理；且返青期T2F3C处理和成熟期T2F2B处理下的土壤有机质较其CK处理的土壤有机质含量增加量最多，分别为 3.47 g·kg-1和 9.30 g·kg-1，这说明增施有机肥是提升重度盐渍土土壤有机质的主要途径。对于其他速效养分，各秸秆还田方式下的C处理的土壤有效磷、碱解氮和速效钾含量均最高，成熟期各处理的土壤有效磷、碱解氮和速效钾含量较返青期基本呈上升趋势，以T2F2B和T2F3C处理最佳。这两种处理下土壤各养分指标显著高于（P＜0.05）其他处理，体现了有机肥和脱硫石膏在小麦生长期内对土壤养分释放和土壤缓效养分活化量＞小麦吸收量（邹传俊，2011），使重度盐渍土处理的表层土壤养分含量出现增加的现象。

表5 不同处理下重度盐渍土土壤电导率Table 5 Conductivity of soil in severe saline soil under different treatments

图4 不同处理下重度盐渍土土壤SIE分布Fig. 4 Distribution of SIE of Severe Saline Soil under Different Treatments

表6 不同处理下重度盐渍土土壤养分含量Table 6 Nutrient content of soil in severe saline soil under different treatments

2.3 不同秸杆还田方式对土壤施肥效果的影响

为探讨不同秸秆还田方式与施肥效果之间的关系，我们分析了不同秸秆还田方式下施肥与不施肥土壤养分指标的相关性（表 7）。结果显示秸秆覆盖（F1）和秸秆覆盖+掩埋（F3）方式与土壤有机质含量，秸秆覆盖（F1）方式与土壤有效磷、速效钾含量以及秸秆掩埋（F2）和无秸秆处理方式（CK）与土壤碱解氮含量在一定程度上呈显著或极显著正相关关系。结果表明，F1、F2和F3方式下施肥对有机质、有效磷、碱解氮和速效钾4种土壤盐分含量的影响均可充分说明秸秆还田配合施肥在增加土壤养分含量上效果优于无秸秆处理。其中，秸秆覆盖可显著提高施用有机肥对土壤有机质、有效磷和速效钾的增加效果；而秸秆掩埋和无秸秆处理情况下，有机肥对土壤碱解氮的增加效果更佳明显。这主要是因为秸秆在起到有效提高植物利用效率的作用的同时会分解部分有机肥氮素使其损失（Caiyan et al.，2018；张洁，2014）。

表7 不同秸秆还田方式下施肥与不施肥土壤养分指标相关性Table 7 Correlation between indicators of soil fertility and fertilization of soil under different straw returning methods

3 讨论

季节变化是影响土壤水盐含量变化的重要因素。由于研究区5、6月气温升高，天气炎热干燥，蒸发量加大，加剧了土壤盐分表聚现象，故成熟期的土壤含水率和EC值均分别低于和高于返青期。对照处理（无秸秆还田和改良剂添加）下轻中度和重度盐渍土表层（0—20 cm）土壤在小麦返青期和成熟期均呈现土壤含水率最低、EC值最高的现象，这验证了秸秆还田与不同改良剂相结合的改良措施对滨海盐渍土起到显著的保水脱盐的作用。结合盐分抑制效率（SIE）结果及不同组合处理效果进行综合分析，可以看出脱硫石膏和有机肥并施措施下土壤的SIE值明显高于改良剂单施的土壤，高于无任何改良剂添加。这说明有机肥和脱硫石膏并施可起到相互补充与促进的作用，使得盐分抑制和保水控水的效果更佳。

对于滨海盐渍土，土壤含水率和电导率并不能完全衡量土壤的改良效果，还要综合分析养分的变化。总的来说，不同秸秆还田方式和不同改良剂对不同程度盐渍土的改良效果存在一定差异。采取改良措施的轻中度盐渍土的土壤有机质和速效钾含量均较对照土壤显著增加，在秸秆掩埋结合有机肥和脱硫石膏的处理下土壤有效磷和碱解氮含量均高于单独施加任一改良剂的处理和对照处理；同样，采取改良措施的重度盐渍土的土壤有机质、碱解氮和速效钾含量均较对照土壤明显增加，尤其是4种措施均施（秸秆覆盖+秸秆掩埋+脱硫石膏+有机肥）的改良模式下土壤养分含量上升最显著，但由于试验时间短且重度盐渍土区原始土壤肥力低、土壤有效磷背景值较低导致其返青期土壤有效磷含量增加幅度不大。

整体来说，T1F2C和T2F3C两种改良模式分别为轻中度和重度盐渍土最佳的改良模式，且施加改良措施对重度盐渍土的改良效果优于对轻中度盐渍土的效果。但从两种盐渍土的土壤水分保持能力、盐分抑制效率和有机质、氮磷钾等养分含量呈现出的增加趋势可以看出，研究区盐渍土的土壤物理结构逐渐得到改善，形成了适宜作物生长的团粒结构，土壤肥力也在增加。以上两种最优改良模式可为黄河三角洲地区不同盐渍化程度滨海盐渍土的土壤改良和农业生产提供理论和生产指导。

本试验主要针对两种盐渍化程度土壤采取秸秆还田和添加改良剂的不同改良措施，通过分析小麦生长期土壤耕层（0—20 cm）6种主要理化指标（水分、电导率、有机质、碱解氮、速效钾、有效磷）的变化，筛选滨海盐渍土的最优改良模式。对于改良措施下盐分离子等其他指标和深层土壤（20—80 cm）的理化性质的年际变化、小麦生长状况及产量还需进一步研究，以更好地指导黄河三角洲盐碱地的改良与农业生产。

4 结论

本研究分别对比了秸秆覆盖、秸秆掩埋、脱硫石膏和有机肥的不同组合模式对黄河三角洲轻中度和重度盐渍土土壤性质的影响，结果表明不同改良模式对不同程度滨海盐渍土均起到了一定的保水抑盐增肥的作用。整体改良效果排序为秸秆覆盖+秸秆掩埋＞秸秆掩埋＞秸秆覆盖；在同种秸秆还田方式下，脱硫石膏和有机肥组合的改良效果较单一成分施用效果更佳。具体来说，对于控制水分损失、抑制盐分表聚的作用，有机肥+脱硫石膏＞脱硫石膏＞有机肥；对于提高土壤肥力、增加土壤养分有效性的效果，有机肥+脱硫石膏＞有机肥＞脱硫石膏。

从不同盐渍化程度土壤来看，总体上，秸秆还田方式配合改良剂对重度盐土的改良效果最好，轻中度次之。具体差异体现在秸秆掩埋+有机肥和脱硫石膏（T1F2C）这一改良模式在轻中度盐渍土的效果最佳；而对重度盐渍土而言，秸秆覆盖+秸秆掩埋+有机肥和脱硫石膏（T2F3C）组合对土壤的改良效果优于其他改良措施；这表明在轻中度盐渍土区，秸秆掩埋方式就可以满足其保水抑盐效果，而在重度盐渍土区域则需要秸秆覆盖和掩埋方式并用来达到最优改良效果。

结合不同秸秆还田方式下施肥与不施肥对土壤养分含量的影响来看，整体相关性较高，秸秆覆盖（F1）和秸秆覆盖+掩埋（F3）方式与土壤有机质含量，秸秆覆盖（F1）方式与土壤有效磷、速效钾含量以及秸秆掩埋（F2）和无秸秆处理方式（CK）与土壤碱解氮含量在一定程度上呈显著或极显著正相关关系。充分表明秸秆还田配合施肥在增加土壤养分含量上效果最佳。