两种改良剂对晋南盐碱地土壤性质及藜麦产量的影响

庞春花,杨 洋,张永清,3,侯钰晨

(1.山西师范大学 生命科学学院,太原 030031;2.山西师范大学 现代文理学院,山西 临汾 041000;3.山西师范大学 地理科学学院,太原 030031)

盐碱土也被称为盐渍土,是盐、碱化土壤的总称[1]。土壤盐碱化是全世界土壤退化的主要问题之一,严重制约了作物的生长及产量[2]。盐碱土中的高盐度引起渗透和离子胁迫[3-4],严重影响了植物对土壤中Ca2+、K+、N 和P 等养分的吸收,甚至直接导致植物的死亡[5]。此外,土壤盐分会破坏土壤结构,引起土壤团聚力低下、土壤透气性差、水肥流失等问题[6]。山西省地处黄河中游东岸,干旱和盐碱化是其土壤最严重的两个退化现象。有研究表明,到2017年,山西省盐碱土面积已达26万hm2[7]。逐步增加的盐碱土面积,使得山西的农业发展受到了严重挑战。因此如何改良并利用盐碱土,充分发挥其农用价值,是生物与农业工作者亟待解决的问题。

长期以来,世界各国学者针对盐碱地的改良主要围绕水利改良、物理改良、化学改良和生物改良等四个方面展开[8]。化学改良可以通过增加土壤水稳性团聚体含量以改善土壤结构,降低土壤盐分和p H,在盐碱地改良中具有广阔的应用前景[9]。目前禾康盐碱土壤改良剂是最常用的改良剂,内含有芽孢杆菌、解磷解钾固氮菌等多种有益微生物菌群[10-11],可以改善土壤性质,但禾康盐碱土壤改良剂价格昂贵,不适宜长期施用,因此选用经济效益高、效果显著的改良剂对改良盐碱土具有重要意义。新型改良剂聚丙烯酰胺(Polyacrytamide,简称PAM,分子式[C3H5ON]n),一种高分子聚合物,近几年以用量少、效果显著而被众多学者青睐[12-13]。聚丙烯酰胺在水中会分解为水、二氧化碳、氨态氮等对土壤有益的物质,无任何残留[14]。目前关于这两种改良剂针对晋南盐碱土的改良效果及具体用量尚不明确。

藜麦(Chenopodium quinoaWilld),又称南美藜、奎奴亚藜、藜谷等,为1 a生藜科藜属草本植物,具有极高的营养价值[15]。由于原本的生长环境较为恶劣,使其具备了较高的水分利用效率和盐生植物特性而被广泛地种植在盐碱地上[16]。磷吸收是影响藜麦产量的重要因素之一[17],植物缺磷会导致禾谷类作物分蘖减少,成熟时间加长。磷对盐碱地上生长的作物除了供应营养之外还可调节根际p H[18],能够缓解盐碱对植物根系的迫害,但目前磷肥的利用效率低,磷肥过度施用又会带来一系列环境问题[19]。盐碱土土壤贫瘠,土壤团聚力低下,磷流失严重,进一步影响了植物根系磷的吸收[20]。已有大量研究结果表明,盐碱土壤改良剂能够增强玉米、水稻等作物磷的吸收,但目前关于晋南地区盐碱土壤改良剂的改良效果及提升藜麦磷吸收的研究较少。因此本试验以藜麦为材料,通过盆栽试验探讨PAM 与禾康盐碱土壤改良剂对晋南盐碱地的改良效果以及对藜麦产量的影响,旨在比较两种改良剂对晋南盐碱土的改良效果以及明确两种改良剂的最佳施入量,促进藜麦磷肥利用效率,提升藜麦产量,为改良剂后期在田间应用奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为山西省临汾市尧都区汾河东侧河岸0～20 cm 盐碱土,土壤基本化学性质见表1。改良剂阴离子聚丙烯酰胺(PAM,阴离子型,分子量800万)由河南巩义市新奇聚合物厂提供,禾康盐碱土壤改良剂由北京飞鹰绿地科技发展有限公司提供;供试种子为‘陇藜1号’白藜,购于山西忻州亿隆藜麦科技推广有限公司。供试培养容器采用圆形黑色营养钵(上口径35 cm,高度35 cm);供试肥料为尿素(含N 46.2%)、过磷酸钙(含P2O515.0%)和硫酸钾(含K2O 52.0%)。

表1 土壤基本化学性质Table 1 Basic chemical properties of soil

1.2 试验设计

盆栽试验于2020年4月中旬到10月在山西师范大学实验基地进行。试验采用完全随机设计。试验处理见表2,共8个处理,每个处理重复9次,共72盆,每盆装风干土10 kg。在花盆底部配有花盆托,花盆随机摆放。所有肥料按照各自处理在试验前一星期均作为基肥一次性施入,藜麦生长期间不追施任何肥料。选取颗粒饱满均匀、大小一致的藜麦种子,用去离子水冲洗,并且浸泡种子12 h,于2020-05-11采用穴播的方式进行播种,每盆用打孔器等间距打7个孔,每孔播5粒藜麦种子,每盆播种35粒。在种子上均匀盖土1.5 cm 以保证藜麦种子避光生存的条件。播种后,于每晚17:00等量浇水,使各个营养钵维持在相同的土壤含水量水平,待幼苗长到三叶一心时间苗,每盆保留大小相近的藜麦植株7 株。于2020-09-28(成熟期)取3次重复进行藜麦产量指标的测定,收获后,取3次重复土壤进行土壤含水量的测定,取3次重复土壤晒干至恒质量进行其余土壤指标的测定。

表2 试验设计Table 2 Test design

1.3 测定项目与方法

用湿筛法[21]测定土壤水稳性团聚体含量;用质量法[22]测定土壤全盐量(TS);用p H 计(Sartorius PB-10)测定土壤p H(水土比5∶1);用烘干法测定土壤含水率;用钼锑抗比色法[23]测定植物全磷;用称重法测定籽粒产量与千粒质量;用计数法测定有效分枝数、顶穗粒数与顶穗小穗数。

土壤脱盐率=(播种前土壤盐分含量-收获后土壤盐分含量)/播种前土壤盐分含量×100%

土壤钠吸附比(SAR):

式中,[Na+]、[Ca2+]、[Mg2+]为土壤Na+、Ca2+、Mg2+含量,单位为cmol/kg。

植株各部位磷吸收量=植株各部位生物量×植物各部位磷含量

磷肥农学效率=(施磷处理籽粒产量-不施磷处理籽粒产量)/施磷量

磷肥偏生产力=施磷处理籽粒产量/施磷量

增产率=(施磷处理籽粒产量-不施磷处理籽粒产量)/不施磷处理籽粒产量×100%

1.4 数据处理

运用Origin 2016b 软件对测定数据进行处理与绘图,运用SPSS 19.0 软件进行统计分析,采用单因素方差分析,用Duncan’s法进行多重比较,试验结果用“平均值±标准误”来表示。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对土壤水稳性团聚体含量的影响

土壤水稳性团聚体含量反映了土壤的稳定性、持水性和抗侵蚀能力,对土壤结构的稳定有重要作用。从表3可以看出,≥0.25 mm 水稳性团聚体百分数在常规施肥(G)处理下与对照(CK)相比有所提升,但提升效果不显著,表明磷肥可能在一定程度上改善盐碱土壤结构,提升土壤团聚力。常规施肥并添加改良剂的条件下,GX2 和GP2处理下≥0.25 mm 水稳性团聚体百分数均显著高于G 处理,增幅分别为45.4%、50.7%(P＜0.05),可见施用改良剂可以提高土壤水稳性团聚体的含量,增加土壤稳定性。GP3和GP1处理下,≥0.25 mm 水稳性团聚体百分数与G 处理无显著差异,说明改良剂PAM 用量过高或过低都不能明显提升土壤团聚力。综上分析可知,施用改良剂可以提升盐碱土壤水稳性团聚体的含量,增加土壤结构的稳定性,改良剂PAM 用量过高或过低对土壤水稳性团聚体的作用效果不显著。

表3 不同处理下土壤水稳性团聚体含量Table 3 Soil water-stable aggregate content under different treatments

2.2 不同改良剂对土壤全盐量和含水率的调控作用

从图1可以看出,施用改良剂对土壤全盐量具有一定的调控作用。作物收获后,CK 和G 处理下盐碱土壤均呈弱积盐状态,积盐率分别为4.3%、3.0%,可见单施肥会带入肥料本身的盐基离子,提升土壤全盐量。常规施肥并添加改良剂的条件下,各处理土壤均呈脱盐状态,其中效果最显著的是GX2 和GP2 处理,脱盐率分别为43.2%、40.0%(P＜0.05),说明改良剂具有显著的脱盐效果。与此同时,添加改良剂对盐碱土壤含水率也具有一定的调控作用。与CK 处理相比,G 处理提升土壤含水率,但两者之间无显著差异。常规施肥并添加改良剂的条件下,除GX3、GP3处理外其余处理与G 处理相比均具有显著差异,在GX2和GP2处理下土壤保水效果最好,分别 提 升41.8%、30.0%(P＜0.05),GX3 和GP3处理下保水效果下降,分别降低11.0%、18.1%,说明适宜的改良剂用量可以提升土壤含水率,改良剂用量过高反而会降低土壤含水率。综上分析可知,适宜的改良剂用量可以降低土壤全盐量,提升土壤含水率,缓解盐碱障碍,增强土壤保水能力。

图1 不同处理下土壤全盐量和含水率Fig.1 Total soil salt content and soil moisture content under different treatments

2.3 不同改良剂对土壤钠吸附比和土壤p H 的影响

土壤钠吸附比(Sodium absorption ration,SAR)是改良剂改良土壤过程中反映土壤盐碱程度的重要指标。从表4可以看出,CK 和G 处理下,作物收获后土壤SAR 较播种前均升高,增加率分别为8.1%、5.7%,两者之间差异不显著,说明施肥可增加土壤中的盐基离子,导致土壤SAR升高。常规施肥并添加改良剂后,作物播种前土壤SAR 会随着改良剂的用量而变化,且差异显著,说明改良剂施入土壤中可以明显改变土壤中离子含量,而作物收获后土壤SAR 较播种前均显著降低,其中GX2 处理降低效果最显著,降低39.3%(P＜0.05),其 次 是GP2 处 理,降 低28.7%,说明禾康改良剂对土壤SAR 的降低效果优于PAM,其本身含有的多种复合离子主要增加了盐碱土中钙、镁等矿质养分含量,从而显著降低土壤SAR 含量。

同时,从表4可以看出,CK 和G 处理条件下,收获后与播种前土壤p H相比差异不显著,可见单施肥料并不能降低盐碱造成的高酸碱度;常规施肥并添加改良剂的条件下,各处理收获后与播种前相比,土壤p H 均显著降低,其中GX2处理降低盐碱土壤p H 的效果最好,与播种前相比较降低0.36(P＜0.05),GP2处理效果次之,降低0.31,说明改良剂可以降低土壤酸碱度,缓解高盐碱胁迫。综上分析可知:两种改良剂均可降低土壤钠吸附比和土壤p H,改良盐碱土中的离子结构,降低钠离子含量,缓解盐碱胁迫。

表4 不同处理下土壤钠吸附比和p HTable 4 Soil sodium adsorption ratio and p H under different treatments

2.4 不同改良剂对藜麦产量及磷肥利用效率的影响

2.4.1 对藜麦产量的影响 从图2可以看出,不同改良剂处理对藜麦产量具有一定的影响。G 处理下,藜麦的籽粒产量、有效分枝数、顶穗粒数、顶穗小穗数和千粒质量与CK 处理相比均有所提高,但差异不显著,可见单施磷肥不能明显缓解高盐碱对藜麦的胁迫。常规施肥并添加改良剂的条件下,GX2和GP2处理与G 处理相比具有显著提升效果,籽粒产量、有效分枝数和顶穗粒数分别显著提升81.6%、78.5%和76.7%、70.0%及112.3%、71.5%,顶穗小穗数和千粒质量分别显著 提 升73.6%、67.9%和75.4%、61.5%(P＜0.05),两处理之间相比无显著差异。说明两种改良剂均能缓解盐碱胁迫,改善藜麦生存环境,提升藜麦产量。

图2 不同处理下藜麦产量Fig.2 Quinoa yield under different treatments

2.4.2 对磷肥利用效率的影响 各改良剂对藜麦磷肥利用效率的调控作用见表5,在盐碱土中,改良剂均能提高藜麦的地上部吸磷量、磷肥农学效率和磷肥偏生产力。常规施肥并添加改良剂的条件下,地上部吸磷量、磷肥农学效率和磷肥偏生产力随着改良剂用量的增加呈先增加后降低的趋势,在GX2和GP2处理下达到峰值,但两者之间差异不显著,说明改良剂可以增加盐碱土保肥能力,促进藜麦对磷的吸收。综上分析可知,两种改良剂对藜麦磷肥利用效率具有显著提升作用,在GX2和GP2处理下各项指标达到最好,且二者之间无显著差异。

表5 不同处理下藜麦磷肥利用率的变化Table 5 Changes in phosphate fertilizer utilization rate of quinoa under different treatments

3 讨论

3.1 不同改良剂对盐碱土壤的改良作用

本研究中,改良剂能显著提升晋南0～20 cm表层盐碱土壤水稳性团聚体含量和土壤含水率,同时显著降低土壤全盐量、钠吸附比和p H。其中以禾康盐碱土壤改良剂的作用效果最为明显,这是由于禾康盐碱土壤改良剂的p H 为2.0～3.0,适用于北方碱性盐碱土壤,其含有的有机高分子可以络合土壤中的盐离子,起到疏松土壤,破除板结,降低土壤盐分聚集,促进盐分淋洗的作用[18]。本研究在盆栽条件下,禾康盐碱土壤改良剂针对晋南盐碱土施用取得了显著效果,在添加量为4 m L/kg时最好,有效改善土壤性质,缓解土壤盐碱障碍,这与崔京荣[22]使用禾康盐碱土壤改良剂对河北省黄骅市盐碱土的改良效果一致。土壤在快速脱盐过程中,极易发生土壤碱化,因此在改良盐碱土的过程中,要加强对p H 的调控作用[24],而本研究在盐碱土壤中添加禾康盐碱土壤改良剂,土壤p H 显著降低,可能是由于改良剂中的有机高分子与土壤中盐分离子络合,使可溶性盐分离子转化为难溶性盐,使土壤迅速脱盐,进而促进土壤p H 显著降低[25-26]。禾康盐碱土壤改良剂能显著改良土壤结构,增加土壤水稳性团聚体含量,降低水分的流失,提高土壤的含水量[18]。在本研究中,4 m L/kg的禾康盐碱土壤改良剂能够显著提高土壤含水量,但6 m L/kg的禾康盐碱土壤改良剂会显著降低土壤含水量,可能由于添加了过量有机离子,破坏了土壤本身的结构,使得水分大量流失[22]。由于当地处于半干旱地区,年降水量平均值400～600 mm,降水量偏少,不利于土壤表层盐分的淋洗[27],盐碱土存在难治理,易复发,盐分含量较高等问题,盐碱土壤改良剂需持续施用。本研究中,禾康盐碱土壤改良剂的价格为45元/kg,价格昂贵,经济效益低,因此不适宜长期用于晋南地区盐碱土的改良。

保水剂聚丙烯酰胺(PAM)作为一种新型盐碱土壤改良剂,具有特殊结构单元酰胺基,该结构单元极易形成氢键,使PAM 具有亲水性、水溶性、抑制土壤水分蒸发等特点[28]。本研究中,在盐碱土中添加0.50 g/kg聚丙烯酰胺对土壤水稳性团聚体含量、全盐量和含水率有显著的调控作用。马鑫等[29]通过室内模拟试验研究了低分子量聚丙烯酰胺对盐渍化土壤的改良效果,结果表明:低分子量的阴离子PAM 对土壤的改良效果显著,高用量和低用量都不能有效改善盐碱土壤性质,故而本研究选用阴离子800万分子量PAM改良晋南盐碱土。王起凡[30]通过温室盆栽方法探究生物炭和PAM 对盐碱土的改良效果,结果表明:PAM 可以显著降低土壤p H,但在刚施入土壤时,会短暂提升土壤p H。本研究在播种前施入PAM 会导致土壤p H 的升高[31-32],可能是由于阴离子PAM 溶于水后呈碱性,收获后PAM显著降低土壤p H。毛文娟等[33]采用室内盆栽的方法,探究适宜浓度的PAM 对盐碱土壤的改良效果,结果表明:适宜浓度的PAM 能够降低土壤体积质量,提升土壤水稳性团聚体含量,从而达到降低土壤含盐量的目的。本研究中,0.50 g/kg的PAM 对土壤全盐量的降低效果显著,但PAM为0.75 g/kg时,对土壤全盐量的作用效果不明显,这可能由于过量PAM 本身较高的p H 使其加重了土壤盐碱障碍,导致其作用效果不显著[30]。与此同时,过量PAM 降低土壤水稳性团聚体的含量,进而造成土壤含水量显著降低[13]。在本研究中,PAM 的价格为6.2 元/kg,综合各处理改良效果与改良剂价格可知:PAM 与禾康盐碱土改良剂改良效果之间没有显著差异,但PAM 经济效益优于禾康盐碱土壤改良剂,具有价格低、效果明显等优点[9,29],适宜于晋南盐碱地长期施用。

3.2 不同改良剂对藜麦产量及磷肥利用效率的影响

在本研究中,不同改良剂对盐碱土中藜麦的籽粒产量、千粒质量、有效分枝数、顶穗粒数、顶穗小穗数和磷肥利用率有明显的提升作用,其中禾康盐碱土壤改良剂的效果最好,PAM 与禾康盐碱土壤改良剂之间没有显著差异。杜康瑞等[34]采用田间随机区组设计,探究了多种改良剂与肥料配施对盐碱地玉米生长发育的影响,结果表明:不同改良剂均提高了玉米的千粒质量、有效分枝数、顶穗粒数、顶穗小穗数、产量等经济指标,提升了玉米的磷肥利用效率。本研究中,4 m L/kg禾康盐碱土壤改良剂对藜麦产量和磷肥利用效率提升效果最为显著。这种增产作用是由于禾康改良剂是由芽孢类杆菌、硝化细菌、乳酸菌等多种有益微生物菌群及其代谢物复配而成,含有丰富的有机离子,能够改善植物生长环境,给植物提供营养,促进作物磷吸收,提高作物的产量[22]。本研究中,0.50 g/kg的PAM 对藜麦磷肥利用率提升效果显著,这种增产作用可能是由于PAM 通过增加土壤的保水性,减少土壤中盐分的聚集,降低土壤中的有害离子,改善作物生长环境,降低盐碱土壤的磷流失,增强作物的磷肥利用率[28]。本研究中,禾康盐碱土壤改良剂用量为4 m L/kg时对藜麦产量、地上部吸磷量、磷肥农学效率和偏生产力的提升效果最为显著,PAM 用量为0.50 g/kg的作用效果最好,说明试验用两种改良剂均能降低土壤中的有害离子,促进藜麦磷吸收,提升藜麦产量。

4 结论

新型改良剂PAM 与禾康盐碱土壤改良剂能显著改善盐碱土土壤性质,缓解盐碱胁迫,提升藜麦产量。在改良剂作用下,土壤水稳性团聚体含量、土壤含水率和藜麦产量均显著提升,土壤p H、土壤全盐量和土壤钠吸附比均显著降低。针对晋南盐碱土,PAM 最适用量为0.50 g/kg,禾康盐碱土壤改良剂最适用量为4 m L/kg。综合因素考虑在作用效果方面,两者之间差异不显著;在经济效益方面,PAM 优于禾康盐碱土壤改良剂。