外源物料添加对西辽河平原苏打盐碱化耕地土壤改良效果研究

聂朝阳，杨帆，王志春，郭亮亮，张璐，安丰华，张释心

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102； 2.中国科学院大学，北京 100049； 3.吉林农业大学，吉林 长春 130118)

0 引 言

土壤盐碱化是世界性的环境恶化问题，是导致土壤退化的主要因素之一[1]。目前全世界约有盐碱化土壤9.6×108hm2，其中干旱半干旱地区分布面积最为广泛。我国盐碱化土壤面积约占全世界的10%，主要分布在西北、华北、东北及沿海地区[2]。西辽河平原东接松辽平原，位于半干旱气候区，是我国典型的农牧交错地带，现有耕地134.74万hm2，其中盐碱化耕地占耕地总面积的50.6%[3]。该区域耕地土壤以苏打盐碱化土壤为主，土壤结构恶劣，盐碱障碍严重，极大限制了农作物生长和区域农业可持续发展。

目前对盐碱化土壤的改良主要依靠化学改良、物理改良、生物改良和水利工程措施[4-5]。其中，化学改良因其改良效果稳定，在盐碱化土壤改良利用中具有广阔的前景。前人的研究发现向土壤中添加外源物料能够改善土壤的理化性质，提高作物产量。腐熟牛粪能够降低土壤容重和紧实度，提高土壤养分含量和作物产量[6]。腐殖酸类物质能够有效降低土壤电导率和钠吸附比，改善土壤理化性质，提高土壤速效养分含量，促进作物生长[7-8]。微生物菌肥对土壤有一定的修复作用，能够降低轻、中度滨海盐渍土的土壤盐分，改善棉花生长的土壤环境[9-10]。在苏打盐碱化土壤中，施用脱硫石膏能够降低土壤pH、碱化度和钠吸附比，改善土壤盐碱障碍[11-12]。同时，外源物料配合施用可提高改土效果，促进作物生长。向盐碱土中施用由脱硫石膏、腐殖酸和保水剂为材料的复合调理剂能够有效降低土壤硬度，降低土壤pH，提高土壤养分[13]。施用以磷石膏、有机肥、腐殖酸和玉米秸秆为原料的复合改良物料能够有效降低土壤盐碱指标，增加土壤肥力和黄蜀葵产量[14]。脱硫石膏与腐殖酸配施显著改善了盐碱地土壤理化性质，降低了土壤盐碱胁迫，促进植物生长[15]。

前人对盐碱化土壤改良研究多以滨海盐渍土和盐碱化草甸或草原土壤为研究对象，而对经过人为耕作的苏打盐碱化耕地土壤的改良研究尚不充分，且前人较多关注在相同盐碱程度下不同改良物料对苏打盐碱化土壤的改良效果，而对不同盐碱程度土壤改良效果研究较少。不同盐碱程度土壤对作物生长的主要障碍因子有所差异，同种物料对不同盐碱程度土壤改良并不具有普适性，因此对不同盐碱程度土壤需因地制宜地选择改良物料。本研究以西辽河平原轻、中和重度苏打盐碱化耕地土壤为研究对象，采用田间控制微区试验方法，研究外源物料添加对不同盐碱程度土壤障碍消减以及作物生长的影响，明确各改良措施在不同盐碱程度土壤改良上的应用效果，为该地区苏打盐碱化耕地土壤改良提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2021年在内蒙古自治区通辽市科尔沁左翼中旗花吐古拉乡三家子村盐碱化耕地改良试点示范区(43°49′18″N,122°09′24″E)进行，该试验区位于西辽河平原东部，为典型内陆苏打盐碱化耕地土壤，气候为中温带大陆性季风气候，四季分明，气温日较差和年较差均较大，全年最高气温35.8 ℃，最低气温-25.1 ℃，年均温7 ℃，无霜期202天。年降水量在342 mm～392 mm，降水量随季节波动较大。供试土壤为该试验区的苏打盐碱化耕地的耕层(0～40 cm)土壤。供试土壤养分含量为：轻度苏打盐碱化耕地土壤：有机质1.93 g·kg-1，全氮1.19 g·kg-1，有效磷35.5 mg·kg-1，速效钾133.8 mg·kg-1；中度苏打盐碱化耕地土壤：有机质21.9 g·kg-1，全氮1.32 g·kg-1，有效磷32.6 mg·kg-1，速效钾157.1 mg·kg-1；重度苏打盐碱化耕地土壤：有机质18.3 g·kg-1，全氮1.11 g·kg-1，有效磷14.23 mg·kg-1，速效钾135.9 mg·kg-1。其他基本土壤性质见表1。

表1 不同盐碱程度土壤基本性质

1.2 供试材料

本试验中玉米品种为迪卡159。试验采用5种改良物料：腐熟牛粪；微生物菌肥(吉林省隆源化肥有限公司)；脱硫石膏，呈白色粉末状，主要成分为CaSO4·2H2O，化学成分为SO3(52.56%)，CaO(35.25%)；腐殖酸(黑龙江丰亨生物科技有限公司)，主要成分为腐殖酸(≥75%)、可溶物质(≥95%)；复合调理剂(黑龙江丰亨生物科技有限公司)，主要成分为腐殖物质，复合钙原，微量元素等，有机质(≥50%)，活化腐殖酸(≥30%)，N+P2O5+K2O(≥5%)。

1.3 试验设计

试验采用田间控制微区试验，设置轻度、中度和重度三种不同盐碱程度土壤，每种盐碱程度土壤各设置4个处理，共设置12个处理，每个处理3次重复，具体外源物料及用量参照表2。

表2 微区试验设计

各微区之间使用120 cm×120 cm×50 cm聚乙烯框(无底)间隔，减少各处理之间的相互影响。聚乙烯框放置深度为40 cm，上部露出地面约10 cm。供试土壤过筛去除碎石和较大土块，按照设计容重1.40 g·cm-3将806 kg土样分0～20 cm和20～40 cm两层装入聚乙烯框中，所装土壤容重均一，接近田间耕层容重。20～40 cm土层无物料和腐熟牛粪添加。将外源物料与土样混合均匀后装入0～20 cm，并均匀压至距聚乙烯框顶部10 cm处。各处理均施用腐熟牛粪30 m3·hm-2和复合肥(有机质≥20%，N-P2O5-K2O=10-5-5)450 kg·hm-2，一次性施入后期无追肥，对照底肥施用量与改良处理相同。

玉米人工点播，垄上种植，行距60 cm，株距20 cm，种植密度83 334株·hm-2。灌溉方式采用浅埋滴灌，因不涉及灌溉影响，故灌水次数和灌水量与当地灌溉制度相同。其他田间管理措施与当地一致。

1.4 样品采集与测试指标

土壤碱化度计算公式如下：

(1)

土壤钠吸附比(SAR)和总碱度的计算公式如下：

(2)

(3)

在(2)和(3)式中离子浓度单位为mmolc·L-1；SAR单位为(mmolc·L-1)1/2；总碱度单位mmolc·L-1。

2021年秋季玉米收获后使用TYD-2土壤硬度仪进行土壤硬度测定，测定的土层深度为0～40 cm，每5 cm进行土壤硬度记录；每个微区按照0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm分层采用环刀法测定土壤容重(Bulk density，BD)、总孔隙度(Total porosity，TP)，通过计算获得土壤三相比。土壤三相比结构距离(Soil three-phase structure distance，STPSD)和广义土壤结构指数(Generalized soil structure index，GSSI)为评价土壤结构的重要指标，STPSD越接近0，GSSI越接近100表示土壤结构越接近理想状态[17-18]。

STPSD和GSSI的计算公式如下：

STPSD =[(Xg-50)2+(Xg-50)(Xg-25)+(Xy-25)2]0.5

(4)

GSSI=[(Xg-25)XYXq]0.4769

(5)

(4)和(5)式中Xg为固相体积比；Xy为液相体积比；Xq为气相体积比，单位均为%。

1.4.2 作物产量的测定。在玉米成熟后，将各微区中玉米全部收获，自然风干后脱粒测定粒重，以14%标准含水率折算微区产量，再由微区产量折算单位面积产量。

1.5 数据处理与分析

试验数据由Microsoft Excel 2016进行初步整理，统计分析采用SPSS 25.0软件进行，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)、邓肯(Duncan)法进行多重比较(P<0.05)。采用Origin 2021软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 外源物料添加对苏打盐碱化耕地土壤容重和总孔隙度的影响

土壤容重反映土壤结构的优劣，是土壤质量的重要评价指标之一。在不同盐碱程度土壤中，与对照相比，外源物料添加降低了不同土层深度的土壤容重。在轻度苏打盐碱化耕地土壤中，10～20 cm土层，JF处理的土壤容重显著低于CK1(P<0.05)，较CK1降低5.5%；20～30 cm土层，FA处理的土壤容重显著降低(P<0.05)，较CK1下降7.4%；30～40 cm土层，各改良处理的土壤容重均显著低于CK1(P<0.05)。在中度苏打盐碱化耕地土壤中，F2处理在不同土层深度的土壤容重均低于CK2及其他改良处理，其中0～10 cm土层显著低于CK2(P<0.05)，较CK2下降5.2%。在重度苏打盐碱化耕地土壤中，与CK3相比，仅FF1和FF2处理在0～10 cm土层土壤容重下降显著，分别下降5.3%和11.9%(P<0.05)。土壤总孔隙度的变化规律与土壤容重相反(表3)。在轻度和中度苏打盐碱化耕地土壤中，各改良处理的土壤总孔隙度与对照均无显著差异。在重度苏打盐碱化耕地土壤中，FF2处理的土壤总孔隙度在0～10 cm土层较CK3显著提高了15.7%(P<0.05)，10～40 cm土层各处理与CK3之间无显著差异。

表3 外源物料添加对土壤容重和总孔隙度的影响

2.2 外源物料添加对苏打盐碱化耕地土壤硬度的影响

图1为外源物料添加对不同盐碱程度苏打盐碱化耕地土壤硬度的影响。由图1所示，在轻度苏打盐碱化耕地土壤中，不同处理比较，0～30 cm土层FA处理的土壤硬度最小(P<0.05)，其他处理无显著差异。在中度苏打盐碱化耕地土壤中，F2处理的土壤硬度在不同土层深度均低于CK2和其他改良处理。在重度苏打盐碱化耕地土壤中，不同处理比较，0～30 cm土层FF2处理的土壤硬度最小(P<0.05)，其他处理无显著差异；30～40 cm土层，FF2处理的土壤硬度显著增加，FF1处理的土壤硬度小于CK3和其他改良处理。

图1 外源物料添加对土壤硬度的影响

2.3 外源物料添加对苏打盐碱化耕地土壤三相比的影响

外源物料添加对苏打盐碱化耕地土壤三相比影响较大，大致表现为外源物料添加降低了不同盐碱程度土壤固相比，液相比例升高(图2)。在轻度苏打盐碱化耕地土壤中，与CK1相比，JF处理的土壤固相比在0～40 cm土层降低，土壤液相比提高。土壤三相比结构距离(STPSD)和广义土壤结构指数(GSSI)表现为JF处理的STPSD小于CK1及其他改良处理，GSSI大于CK1及其他改良处理，JF处理的土壤结构最接近理想状态(表4)。在中度苏打盐碱化耕地土壤中，0～40 cm土层F2处理的土壤固相比较CK2均不同程度下降，且下降幅度大于其他改良处理，土壤液相比较CK2不同程度提高，STPSD和GSSI表现为在0～20 cm土层，F2处理的STPSD最小，GSSI最大，土壤结构最接近理想状态；在20～30 cm土层，F2处理STPSD小于CK2，其他处理均大于CK2，土壤结构最接近理想状态。在重度苏打盐碱化耕地土壤中，FF2处理改善了0～30 cm土层的土壤结构，具体表现为在0～30 cm 土层，土壤固相比较CK3及其他改良处理下降，土壤液相比不同程度提高，STPSD低于CK3和其他改良处理，GSSI较CK3和其他改良处理明显提高。

表4 外源物料添加对土壤三相比的影响

图2 外源物料添加对土壤三相比的影响

2.4 外源物料添加对苏打盐碱化耕地土壤化学性质的影响

图3(A)为不同外源物料添加对土壤pH的影响，在轻度苏打盐碱化耕地土壤中，各改良处理的土壤pH与CK1无显著差异。在中度苏打盐碱化耕地土壤中，F1和F2处理的各土层土壤pH均显著低于CK2(P<0.05)，其中F2处理的土壤pH下降幅度最大，在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm较CK2分别降低0.73、0.66和0.45个单位，其次为F1处理，在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm分别降低0.65、0.51和0.28个单位。在重度苏打盐碱化耕地土壤中，仅FF2处理的0～20 cm土层土壤pH显著低于CK3(P<0.05)，较CK3平均降低0.29个单位。

由图3(B)可知，外源物料添加对轻度苏打盐碱化耕地土壤碱化度无显著影响，但对中度和重度苏打盐碱化耕地土壤碱化度影响显著。在中度苏打盐碱化耕地土壤中，与CK2相比，F1和F2处理显著降低了0～20 cm土层土壤碱化度(P<0.05)，平均降低49.8%和42.2%；在20～40 cm土层，与SG处理相比，F1和F2处理的土壤碱化度显著降低(P<0.05)，但与CK2无显著差异。在重度苏打盐碱化耕地土壤中，与CK3相比，FF1和FF2处理显著降低了0～10 cm土壤碱化度(P<0.05)，其中FF2处理下降幅度最大，为27.6%，其次为FF1处理；10～40 cm土层，各改良处理与CK3均无显著差异。

图3(C)为外源物料添加对苏打盐碱化耕地土壤钠吸附比(SAR)的影响，由图可知，在轻度苏打盐碱化耕地土壤中，各改良处理与CK1无显著差异。在中度苏打盐碱化耕地土壤中，F1和F2处理的各土层深度土壤SAR较CK2显著降低(P<0.05)，在0～40 cm土层，F1处理的土壤SAR较CK2平均下降21%，F2处理平均下降19.8%，SG处理仅在10～20 cm土层显著降低(P<0.05)。在重度苏打盐碱化耕地土壤中，FF1和FF2处理的土壤SAR在0～40 cm土层中均低于CK3，其中FF2处理的土壤SAR降低显著(P<0.05)，较CK3平均降低20.7%，SF处理的土壤SAR在各土层深度与CK3均无显著差异。

由图3(D)可知，外源物料添加对轻度苏打盐碱化耕地土壤总碱度无显著影响，但对中度和重度苏打盐碱化耕地土壤总碱度影响显著。在中度苏打盐碱化耕地土壤中，与CK2相比，F1和F2处理显著降低了各土层深度的土壤总碱度(P<0.05)，其中F2降低幅度最大，在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm较CK2分别显著降低43.6%、39.5%和27.3%(P<0.05)。在重度苏打盐碱化耕地土壤中，FF2处理的各土层深度土壤总碱度较CK3均显著降低(P<0.05)，平均降低30.8%，降低幅度大于其他改良处理。

注：不同小写字母表示相同盐碱程度下同一土层不同处理之间存在显著差异(P<0.05)。

2.5 外源物料添加对玉米产量的影响

在不同盐碱程度土壤中，外源物料添加均不同程度提高了玉米产量(图4)。在轻度苏打盐碱化耕地土壤中，NF处理的玉米产量较CK1显著提高11.1%(P<0.05)，FA和JF处理与CK1和NF均无显著差异。在中度苏打盐碱化耕地土壤中，与CK2相比，F1和F2处理的玉米产量分别显著提高13.4%和11.8%(P<0.05)，SG处理的玉米产量较CK2无显著差异。在重度苏打盐碱化耕地土壤中，FF2处理的玉米产量最高，较CK3显著提高29.8%(P<0.05),其他处理之间无显著差异。

注：不同字母表示在相同土壤类型中不同处理间在0.05水平差异显著。Note：Different letters indicate significant differences at 0.05 level between treatments in the same soil type.

相关性分析表明，在不同盐碱程度土壤中，玉米产量与土壤盐碱指标均呈负相关关系(图5)，在轻度苏打盐碱化耕地土壤中，玉米产量与土壤pH、总碱度和SAR的相关系数分别为-0.69、-0.62和-0.48。在中、重度苏打盐碱化耕地土壤中，玉米产量与土壤pH、总碱度、SAR和ESP显著负相关关系，R值均小于-0.7。在轻、重度苏打盐碱化耕地土壤中，玉米产量与土壤容重、总孔隙度呈显著相关性，其中与土壤容重呈显著负相关关系，相关系数分别为-0.79和-0.98，与土壤总孔隙度呈显著正相关关系。中度苏打盐碱化耕地土壤中玉米产量与土壤容重、总孔隙度无显著相关性。

注：BD代表容重；TP代表总孔隙度；TA代表总碱度；SAR代表土壤钠吸附比；ESP代表土壤碱化度；Y代表玉米产量。

3 讨 论

3.1 外源物料添加对土壤物理性质的影响

本研究表明不同外源物料添加对土壤结构均有改善作用，其中微生物菌肥对土壤结构的改善作用优于腐熟牛粪和腐殖酸，表现为添加微生物菌肥降低了耕层土壤容重和硬度，增加土壤孔隙度，优化了土壤三相比。微生物菌剂多孔及较大比表面积具有较高的吸附性能，促进土壤团聚体的形成，提高土壤含水量，优化土壤三相比[19]。韦建玉等[20]研究发现，施用不同类型微生物菌剂均降低了土壤容重，提高了土壤总孔隙度，改善了土壤结构，这与本研究结果一致。而且，复合调理剂单施以及与腐殖酸配施均降低土壤容重、硬度和固相比，提高了土壤总孔隙度和液相比，改善效果优于脱硫石膏单施以及与腐殖酸配施。腐殖酸作为一种形成土壤有机无机复合体的有机胶体物质和有机大分子物质[21]，能在一定程度上促进土壤团粒结构的形成，加强土壤通透性，增加土壤总孔隙度，使土壤的保水保肥能力得到改善[22]。Nan等[23]研究表明，向盐碱土中施加褐煤腐植酸明显促进了土壤中团聚体的凝聚，改善土壤结构，这与本研究结果相似。

3.2 外源物料添加对土壤化学性质的影响

前人的研究表明微生物菌肥、腐熟牛粪和腐殖酸能够调节土壤pH，降低土壤盐碱障碍[24-25]。本研究发现，3种外源物料对轻度苏打盐碱化耕地土壤pH、钠吸附比、碱化度和总碱度影响并不显著，一方面可能是因为供试土壤为轻度苏打盐碱化耕地土壤，盐碱较低；另一方面可能与试验周期较短有关。复合调理剂单施以及与腐殖酸配施，有效降低中度和重度苏打盐碱化耕地土壤pH、碱化度、SAR和总碱度，改良效果优于脱硫石膏单施以及与腐殖酸配施。复合调理剂以腐殖物质和复合钙源为主要成分，在Ca2+置换土壤胶体吸附的Na+的同时发挥腐殖酸官能团作用，配施腐殖酸能够提升Ca2+对Na+的置换能力，强化复合调理剂的改土效果。已有研究表明，脱硫石膏单施及与腐殖酸配施能够改善土壤理化性质，缓解土壤盐碱障碍[9,26-28]，但本研究发现脱硫石膏施用对降低土壤盐碱障碍的作用并不显著，这可能与浅埋滴灌的灌溉方式有关，浅埋滴灌灌溉水量较少，而Ca2+与Na+的置换反应需要土壤水的参与，脱硫石膏在土壤中的溶解周期为3～4 年[29]，因此灌溉对脱硫石膏改良效果具有显著的影响。

3.3 外源物料添加对玉米产量的影响

作物产量是衡量土壤改良和培肥效果最直接的标准[30]。本研究表明在苏打盐碱化耕地土壤中施用外源物料能够有效提高玉米产量，且土壤理化性质是影响作物产量的重要因素[31]。一方面苏打盐碱化耕地土壤物理性质较差，板结严重，不利于植物根系的生长；另一方面土壤较高的pH和碱化度抑制了作物根系对土壤养分的吸收，降低土壤肥力[32]。而外源物料添加降低了耕层土壤容重，增加了土壤总孔隙度，促进作物根系向下生长，提高作物对根际土壤养分的利用，改善土壤离子化学环境，降低土壤对作物的盐碱胁迫，促进了作物养分吸收，提高作物产量[33]。高惠敏等[34]研究发现，向盐碱土中单施腐殖酸、农家肥以及配施脱硫石膏和腐殖酸后土壤容重下降，土壤物理结构得到改善，土壤盐碱指标均不同程度降低，向日葵产量明显提高，这与本研究结果相似。各改良处理对比发现，在中度苏打盐碱化耕地土壤中，施用复合调理剂处理的玉米产量显著高于脱硫石膏，在重度苏打盐碱化耕地土壤中，复合调理剂配施腐殖酸处理的玉米产量要高于脱硫石膏配施腐殖酸，这是因为复合调理剂对土壤理化性质的改善效果优于脱硫石膏，同时复合改良剂中的腐殖质成分能够与金属离子产生络合作用，降低土壤中养分离子的流失，提高土壤养分有效性，从而提高玉米产量[35]。

4 结 论

(1)在轻度苏打盐碱化耕地土壤中施用腐殖酸6 000 kg·hm-2玉米产量显著提高，耕层土壤容重平均降低4.3%，土壤结构得到改善。

(2)在中度苏打盐碱化耕地土壤中施用复合调理剂22 500 kg·hm-2降低了耕层土壤容重，土壤硬度低于其他改良处理，土壤结构得到明显改善，耕层土壤pH、碱化度和钠吸附比显著降低，玉米产量显著提高。

(3)在重度苏打盐碱化耕地土壤中施用复合调理剂22 500 kg·hm-2并配施腐殖酸6 000 kg·hm-2，0～10 cm土层的土壤容重显著降低，土壤孔隙度显著提高，0～30 cm土层的土壤硬度显著降低，耕层土壤pH平均下降0.29个单位，土壤碱化度、总碱度和钠吸附比显著降低，玉米增产29.8%。