滴灌条件下条施钙基改良剂对重度盐碱地的改土效果

张文新 ，张文超 ，李 璇 ，张 菁 ，王淑娟 ，李 彦 ，徐立珍 ，赵永敢

（1.清华大学 能源与动力工程系，北京 100084；2.清华大学 山西清洁能源研究院，山西 太原 030032）

我国盐碱地面积达1 亿hm2[1]，严重制约我国生态环境保护及农业经济发展。河套平原地处内陆，是我国西北最主要的农区与生态脆弱区，河套灌区排水不畅是造成原生与次生盐碱化的主要原因[2]。因此，迫切需要研发适用于当地经济发展方向的盐碱地改良技术，以提高当地生态系统稳定性及土地资源化利用率。

脱硫石膏是改良盐碱地常见的改良剂之一，能有效改善盐碱土壤的理化性质。但脱硫石膏在盐碱地改良中的应用仍然面临两大难题：施用量过大和灌水量大。数据显示，单一施用脱硫石膏的施用量在22 500～37 500 kg/hm2[3-4]；利用脱硫石膏为主要原料的土壤调理剂需要大量灌水才能实现对盐碱土的改良[4]，并不符合节水优先政策。目前，主要采取脱硫石膏配施其他有机物料以及不同施用方式来降低脱硫石膏在改良盐碱地中的施用量和灌水量。

脱硫石膏配施的有机物料主要包括有机肥（猪粪、牛粪和羊粪）[5]、生物炭[6]、腐殖酸[7]、糠醛渣[8]及其他物料。钙基改良剂中的脱硫石膏可以加速盐分淋洗和降碱[9]，配施的有机物料能增加土壤养分含量、降低土壤容重及协同降碱。研究表明，脱硫石膏配施生物炭能显著改善土壤环境，脱硫石膏施用量减量达50%，而且脱硫石膏配施其他物料相较于单独施用脱硫石膏处理作物鲜质量提高10%以上[6]。脱硫石膏配施有机肥可降低脱硫石膏22%的施用量，且高量脱硫石膏与低量脱硫石膏配施有机肥对作物生物指标无显著影响[5]。

钙基改良剂施用方式包括混施、条施和穴施。混施是钙基改良剂常见的一种施用方式[10-11]，但其会加快钙基改良剂中脱硫石膏的溶解，导致大量钙盐的释放[12]，从而造成资源浪费、缩短改良时间。理论上，条施和穴施的钙基改良剂分布比较集中，较低的溶解速率和溶质扩散限制了脱硫石膏Ca2+的溶出速率，可在降低盐胁迫的同时延长改良时间[13]。这2 种集中式（条施和穴施）的施用方式，其当年未利用的脱硫石膏在第2年可通过农耕措施改善其他区域的土壤。穴施和条施相比，虽然二者的土壤改良效果相近，但条施脱硫石膏方便机械化，在大规模改良时能降低投入成本。

盐碱地区域干旱缺水，节水又高效地改良盐碱地是主要技术难点之一。目前适用于干旱缺水地区盐碱地的节水措施主要有覆盖地膜、起垄、滴灌等[14]。在条施的基础上进行滴灌，有利于脱硫石膏溶解及定点灌溉作物，能有效提升水分的利用效率[15-16]。以脱硫石膏为主的复合调理剂能降低脱硫石膏的施用量，增加土壤中的养分；结合适合的施用方式及节水措施能更有效改良盐碱土壤。

本研究以3 种脱硫石膏为主的钙基改良剂结合条施和滴灌措施，开展不同改良剂施用量梯度试验，通过对比土壤理化性质和养分含量等确定最佳施用量，并分析改良效果，为河套平原盐碱地改良土壤调理剂提供新的产品以及相应的施用技术支持。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2021年7—10月在内蒙古自治区巴彦淖尔市五原县八里桥村进行，其地理坐标为108.211 598°E，41.060 178°N。试验区属中温带大陆性气候，年均降雨量170 mm，多集中在7—9月；年平均气温7.7 ℃，无霜期127～136 d。试验地点土壤为重度盐碱土，土壤平均pH 值为8.2，表层土壤盐分含量达到0.9%（表1）。试验区灌水99%引自黄河（矿化度约为0.56 g/L），当地农耕春秋时各灌一次水。随机采集3 个0～100 cm 剖面的5 个土层土壤的混合样品，试验土壤基础化学性质结果如表1 所示，0～20、20～40 cm 土层的养分含量如表2所示。

表1 试验土壤化学性质Tab.1 The chemical properties of soil tested

表2 试验土壤养分含量Tab.2 The nutrient contents of soil tested

1.2 试验材料

试验开始前，将脱硫石膏分别与羊粪、生物炭按质量比为2∶3 配制2 种钙基型土壤改良剂，命名为钙基改良剂FM（脱硫石膏+羊粪）和钙基改良剂FB（脱硫石膏+生物炭），将脱硫石膏单独作为改良剂FGDG。其中，脱硫石膏来自内蒙古巴彦淖尔市乌拉特前旗燃煤发电厂（北方联合电力有限责任公司），试验前用五点法采集了脱硫石膏样品，经微波消解后，采用电感耦合等离子体质谱测定脱硫石膏中主要元素浓度，表明脱硫石膏主要含398 g/kg CaO、486 g/kg SO3、20.5 g/kg SiO2、8.4 g/kg MgO、2.4 g/kg Fe2O3、8.2 g/kg Al2O3、0.8 g/kg K2O、6.5 g/kg Na2O 以及69.2 g/kg 其他组分；生物炭来源于江苏倍增农业科技有限公司，羊粪来源于五原八里桥农户养殖场，生物炭和羊粪的养分含量如表3 所示；掺混肥料来源于内蒙古五原县金和昌肥业有限责任公司。

表3 羊粪与生物炭产品养分含量Tab.3 The nutrients of sheep manure and biochar

1.3 试验方法

本研究采用小区试验，总面积为0.2 hm2，每个小区面积为27 m2（6.0 m×4.5 m），采用随机区组排列。设置3 种钙基改良剂产品（FM、FB 和FGDG）的5 种不同施用量（0、1.5、3.0、4.5、6.0 t/hm2）共计15 个处理，每个处理重复3 次，其中施用量为0 t/hm2作为对照组。开展试验之前，使用旋耕机对试验小区表层0～20 cm 土壤进行旋耕；使用起垄机对整个小区起垄，两垄间距为60 cm，垄顶与垄沟高差为20 cm。人工将3 种改良剂按不同施用量处理均匀条施在沟底。随后铺设滴灌带，并在试验田中安装张力入渗仪。2021年7月31日第1 次向试验田中滴灌5 h，灌水量为30 mm，确保试验小区完全湿润。在灌水开始后7 d 内，通过观察张力入渗仪，及时滴灌保证土壤水势为0；第8 天开始，滴灌次数调整为每周2 次；30 d 后保证滴灌次数为每月4 次。2021年9月20日施入掺混肥料。2021年10月14日采集各处理表层0～20 cm 土壤样品。

土壤样品经过自然风干、研磨、筛分（2 mm）。称取土样10 g，加入50 mL 去离子水（土水比1∶5法），振荡10 min 后进行抽滤，制得浸提液。土壤电导率采用梅特勒-托利多台式电导率仪（FE-30）测定浸提液，再根据经验公式转换为全盐量；土壤pH值采用梅特勒-托利多pH 计（FE-20）测定浸提液；用电感耦合等离子体-原子发射光谱仪（Leeman，美国）测定水溶性离子K+、Na+、Ca2+和Mg2+含量，然后根据公式计算钠吸附比（SAR）[12]；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定，铵态氮含量采用靛酚蓝比色法测定，硝态氮含量采用双波长紫外分光光度法测定，有效磷含量采用钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用醋酸铵浸提法测定。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2019 进行数据处理与图表绘制，使用SPSS 19.0 软件进行数据的单因素分析和相关性分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 3 种改良剂对土壤盐碱指标的影响

从图1 可以看出，相较初始土壤pH 值，在滴灌的作用下对照组降低了0.1，降幅不明显；改良剂FGDG 施用量1.5、3.0、4.5、6.0 t/hm2处理组土壤的pH 值较对照组分别降低了6%、5%、6%和7%，各处理之间无显著性差异；改良剂FM 施用量3.0、4.5、6.0 t/hm2较对照组分别降低了4%、5%和7%，且与对照组间差异显著；改良剂FB 对土壤pH 值降低无显著影响，施用量3.0、4.5、6.0 t/hm2处理较对照组仅分别降低了2%、1%和2%。3 种钙基改良剂施用量与土壤pH 值呈线性负相关（表4）；施用量为6.0 t/hm2时的土壤pH 值最低；改良剂FGDG 相较于其他2 种改良剂降碱效果最优。

图1 3 种钙基改良剂对土壤pH 的影响Fig.1 Effects of three calcium-based ameliorants on soil pH

从图2 可以看出，相较初始值，对照组的土壤全盐量在滴灌作用下降低了22.6%。改良剂FGDG各施用量处理较对照组分别降低了22.2%、30.7%、7.6%和11.3%，各处理之间无显著性差异；从含盐总量趋势变化来看，改良剂FGDG 的土壤全盐量随着改良剂FGDG 施用量的增加呈先降低后增加的趋势，施用量为3.0 t/hm2时土壤全盐量最低。改良剂FM 处理组施用量1.5～4.5 t/hm2时较对照组分别降低18.5%、13.4% 和10.9%；改良剂FM处理组施用量为3.0 t/hm2时，土壤全盐量最低；施用量为6.0 t/hm2时全盐量较对照组增加了14.4%，与其他施用量组间差异显著。改良剂FB 各施用量处理与对照组之间无显著差异；施用量为1.5、3.0 t/hm2时较对照组分别降低9.3%和0.2%；当施用量为4.5、6.0 t/hm2时，土壤全盐量较对照组分别增加了20.6% 和19.1%；从含盐总量趋势变化来看，改良剂FB 土壤全盐量呈增加趋势，施用量为1.5 t/hm2时土壤全盐量最低。3 种改良剂对土壤全盐量的影响趋势为先降低后增加（表4）；3 种钙基改良剂对全盐量降低最为明显的降盐效果最好的为改良剂FGDG，其次为FM 和FB。

图2 3 种钙基改良剂对土壤全盐量的影响Fig.2 Effects of three calcium-based ameliorants on soil total salt content

表4 3 种钙基改良剂施用量与土壤盐碱指标和水溶性离子关系Tab.4 The relationships between the application rates of three calcium-based ameliorants and the salinity and alkalinity parameters and water-soluble ions in soil

由图3 可知，改良剂FGDG 各施用量的SAR较对照组分别降低了55.7%、40.8%、42.7% 和53.0%，施用量1.5、6.0 t/hm2与施用量3.0、4.5 t/hm2处理组间存在显著性差异；通过线性拟合，FGDG施用量为4.5 t/hm2时的土壤SAR 最低。改良剂FM 各施用量的SAR 较对照组分别降低了33.6%、34.5%、31.4%和37.0%，与对照组存在显著差异；通过线性拟合，改良剂FM 施用量为4.5 t/hm2时土壤SAR 最低。改良剂FB 对土壤SAR 降低有显著性影响，各施用量处理较对照组分别降低了39.1%、40.2%、34.5% 和27.0%；施 用 量1.5、3.0、4.5、6.0 t/hm2处理组显著降低了土壤SAR；通过线性拟合，改良剂FB 施用量为3.0 t/hm2时土壤SAR 最低。在滴灌作用下，较初始值对照组的土壤SAR下降达17.7%；土壤的SAR 值随3 种改良剂施用量的增加呈现先降低后增加的趋势（表4），但最低点滞后于土壤全盐量变化。对SAR 降低最为明显的处理是改良剂FGDG，其次为FB 和FM。

图3 3 种钙基改良剂对土壤SAR 的影响Fig.3 Effects of three calcium-based ameliorants on soil SAR

水溶性Na+含量变化趋势随改良剂施用量增加呈现出先降低后增加的趋势；土壤水溶性Ca2+含量与改良剂施用量呈线性正相关。改良剂FB 对水溶性Ca2+的吸附效果明显优于改良剂FM（表4）。

2.2 3 种改良剂对土壤养分的影响

从图4 可以看出，3 种钙基改良剂对土壤速效钾含量无显著影响；土壤铵态氮含量由高至低分别为FGDG>FM>FB，其中，改良剂FGDG 的土壤铵态氮含量高于对照组。随着3 种改良剂的加入土壤硝态氮含量逐渐增加，施用量为6.0 t/hm2时的增量最为显著；改良剂FB 在施用量为0～4.5 t/hm2时，对土壤硝态氮无显著影响；改良剂FGDG 对土壤硝态氮含量增加的效果最好，其次为改良剂FM和FB。

图4 3 种改良剂改良盐碱土后土壤养分的变化Fig.4 Changes of soil nutrients after saline-sodic soil amelioration by three ameliorants

改良剂FM 和FB 能显著增加土壤有效磷含 量，FB 效果优于FM；改良剂FGDG 处理的土壤有效磷含量最低；与对照组相比，改良剂FM 施用量4.5 t/hm2处理显著增加土壤有效磷含量，其余施用量处理均与对照组间无显著差异。改良剂FB 较对照组显著增加土壤有效磷含量，各施用量之间无显著差异。

3 讨论

3.1 土壤改良剂对土壤盐碱指标的影响

有研究表明，在大水漫灌、降雨或滴灌作用下，部分钠盐被淋洗至深层，表层土壤pH 值降低，这部分盐主要以水溶性Na+为主，对交换性Na+并无作用[17-18]。本研究中，对照组土壤pH 值有所降低，但降幅不显著。盐碱地中决定土壤酸碱度的要素主要包括CO32-、HCO3-和交换性Na+的含量，因滴灌引起的土壤pH 值降低主要是由碳酸盐及碳酸氢盐的淋洗引起。3 种钙基改良剂中脱硫石膏在滴灌的作用下溶解释放出水溶性钙离子与土壤中水溶性CO32-和HCO3-发生沉淀反应，从而达到降低土壤酸碱度的效果；且施用量越高，在脱硫石膏溶解度范围内能溶解出更多水溶性钙离子，降碱效果更加显著。改良剂脱硫石膏对土壤pH 值的降低最为显著，但施用量之间无显著性差异，主要原因为试验小区土壤pH 值较低，过量脱硫石膏溶解出的Ca2+几乎全部与CO32-发生反应，因此，施用量对pH 值降低无显著效果。由于改良剂脱硫石膏+羊粪、脱硫石膏+生物炭二者的脱硫石膏量低于改良剂脱硫石膏，因此，这2 个改良剂处理对降低土壤pH 值效果相对于改良剂脱硫石膏较差。此外，改良剂脱硫石膏+生物炭对土壤pH 值降低效果没有改良剂脱硫石膏+羊粪好，原因可能在于改良剂脱硫石膏+生物炭中生物炭本身具有较强离子吸附性能[19]。

本研究结果显示，在滴灌的作用下，对照组能有效淋洗盐分。改良剂脱硫石膏的土壤全盐量随着施用量的增加呈现先降低后增加的趋势，降低土壤全盐量效果最佳。土壤全盐量的降低主要由改良剂中脱硫石膏在滴灌作用下释放出钙离子引起，在钙离子富足的情况下，土壤胶体会逐步形成类晶团聚体，出现类晶团聚体再絮凝等现象[20]，从而打通并扩大了土壤表层及深层的孔隙通道；在滴灌作用下，表层土壤释放的盐离子逐渐淋洗至深层土壤[11]。钙基改良剂脱硫石膏+羊粪、脱硫石膏+生物炭二者的脱硫石膏量仅为改良剂脱硫石膏的2/5，但在条施状态下能释放出大量Ca2+促进盐分释放与淋溶；配施的羊粪和生物炭则能有效吸附这些离子，这也是改良剂脱硫石膏+羊粪、脱硫石膏+生物炭2 种改良剂土壤全盐量随着施用量的增加而增加的原因之一[21]。此外，改良剂脱硫石膏+生物炭中的配料生物炭具有多孔结构，能够提供大量的吸附位点[22]，相较于羊粪中的有机质具有较高的离子吸附性能，这也是造成改良剂脱硫石膏+生物炭处理土壤盐分含量高于改良剂脱硫石膏+羊粪处理的主要原因。

本研究中，在滴灌作用下，对照组能有效淋洗水溶性Na+从而导致土壤SAR 降低。相较对照组，添加钙基改良剂能显著降低土壤SAR，但降低效果有所不同。钙基改良剂中脱硫石膏释放出的钙离子能交换出原吸附在土壤中的交换性Na+，在滴灌的作用下，水溶性Na+和交换性Na+被淋洗至深层土壤，这也是造成土壤表层SAR 降低的主要原因[10,23]。改良剂脱硫石膏+羊粪虽然对盐碱土壤的SAR 的降低有显著效果，但施用量之间无显著性差异，主要原因在于羊粪能降低土壤容重，更有利于促进Na+和Ca2+的淋洗。在3 种改良剂中，改良剂脱硫石膏+生物炭对土壤SAR 降低效果稍弱，原因在于生物炭具能吸附大量的水溶性离子。

3.2 土壤改良剂对土壤养分含量的影响

本研究结果显示，3 种钙基改良剂及其施用量对土壤速效钾无显著性影响，但改良剂脱硫石膏+羊粪处理的土壤速效钾含量略高于改良剂脱硫石膏+生物炭。改良剂中的脱硫石膏含有微量钾元素，脱硫石膏不仅能促使Na+的淋溶，还能引起K+的淋失。本研究在试验中期撒施过复合肥，但改良后土壤速效钾含量无变化，其原因在于脱硫石膏促进速效钾的流失以及植物对速效钾的吸收。此外，羊粪含有部分钾离子，可能是造成改良剂脱硫石膏+羊粪处理相对于脱硫石膏+生物炭的土壤速效钾含量略高的原因。

土壤铵态氮含量主要受到硝化、挥发、淋失、土壤吸附和植物吸收等过程影响。本研究中，相较于改良前，改良后土壤铵态氮有所降低。影响盐碱地土壤铵态氮的主要限制因素是土壤酸碱度，碱性土壤中OH-能与铵根离子反应形成氨气而造成铵态氮的损失[24]。脱硫石膏能显著降低盐碱地土壤pH值，改良剂脱硫石膏处理组中土壤铵态氮含量在3 种钙基改良剂中含量最高。改良剂脱硫石膏+生物炭处理的土壤铵态氮含量高于改良剂脱硫石膏+羊粪，可能是由于生物炭具有较高铵根离子吸附能力[23]，且随着施用量的增加，这种现象更加明显。

在本研究的3 种钙基改良中，改良剂脱硫石膏在施用量为0～4.5 t/hm2时的土壤硝态氮含量最高，主要原因在于过量脱硫石膏有效降低土壤pH值，从而高含量的铵态氮能氧化转变为硝态氮的过程也随之增强。改良剂脱硫石膏+羊粪对土壤硝态氮含量影响呈现随施用量增加而增多的主要原因是羊粪中有机质与土壤中水分分解成铵盐[25]，但由于土壤中铵根离子无显著变化，因此，铵根离子被氧化为硝态氮。对于改良剂脱硫石膏+生物炭，生物炭虽然能增加土壤碳固定、降低土壤容重，但没有外源的有机质作为补充，因此，随着施用量的增加，土壤硝态氮含量无显著变化。

本研究3 种钙基改良剂均含有脱硫石膏，其磷酸钙溶解度高于碳酸钙。因此，在钙基改良剂改良盐碱土壤的过程中先生成CaCO3，其次水溶性钙才与土壤水溶性CO32-发生反应。由于盐碱土壤酸碱度较低，富余的脱硫石膏与有效磷反应生成磷酸钙，导致有效磷含量有一定程度的降低。

4 结论

本研究结果表明，在滴灌条件下，条施钙基改良剂能有效降低重度盐碱土的土壤酸碱度、土壤全盐量和SAR；脱硫石膏、脱硫石膏+羊粪和脱硫石膏+生物炭3 种改良剂改良重度盐碱土的最佳施用量分别为4.5、4.5、3.0 t/hm2；脱硫石膏改良剂虽然能有效改善重度盐碱土性质，但相对于其他2 种改良剂，施用量较大。

3 种钙基改良剂对土壤速效钾含量影响不大。脱硫石膏改良剂在施用复合肥后，能提高土壤硝态氮的含量，但对铵态氮的提高不显著；改良剂脱硫石膏+羊粪、脱硫石膏+生物炭对土壤铵态氮影响不大，且低于脱硫石膏改良剂；改良剂脱硫石膏+羊粪能显著增加土壤硝态氮，仅次于脱硫石膏，而脱硫石膏+生物炭则不显著；改良剂脱硫石膏+羊粪和脱硫石膏+生物炭则能明显增加有效磷的含量，其中改良剂脱硫石膏+生物炭更为显著。3 种钙基改良剂对土壤有机质含量增加并不显著，其中改良剂脱硫石膏+羊粪处理有机质含量最高。