耕作协同物料添加对苏打盐碱化耕地土壤理化性质的影响

聂朝阳，杨 帆，王志春，郭亮亮，安丰华，刘建波，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.吉林农业大学农学院，吉林 长春 130102)

西辽河平原分布约1.6×105hm2盐渍土，约占其总面积的9.3%,其中多为苏打盐碱化土壤[1]。苏打盐碱化土壤由于土壤胶体吸附大量的交换性钠，破坏了团粒结构的稳定性，增加了土壤黏性，使土壤孔隙阻塞、通气不畅，好气微生物和酶活性降低、种类减少，导致养分转化过程受阻，土壤养分有效性降低，有机质匮乏，进而影响了植物生长发育[2-4]。此外苏打盐碱化土壤中存在大量NaCO3和Na2HCO3，植株受到盐分胁迫，导致生理干旱，影响植物正常生理功能[5]。因此，通过采取合适的措施改良苏打盐碱化土壤，对研究区农业可持续发展具有重要意义。

针对盐碱化土壤改良和利用所面临的一系列问题，国内外进行了大量的研究，其核心方式主要为物理改良、化学改良、生物改良和工程措施[6]。其中，物理改良和化学改良因其操作简易和改良效果稳定，在盐碱化土壤改良利用中具有广阔的前景。深松和粉垄是重要的土壤物理改良措施，研究表明粉垄措施疏松了表层土壤，降低了表层土壤容重，同时切断土壤毛细管，提高淋洗效果，防止反盐作用，对盐碱化土壤物理性质改善作用明显[7]。深松可以松动犁底层，增加土壤透气性和土壤水分，提高土壤蓄水保水能力，降低容重[8-9]。深松和粉垄能够有效改善土壤物理性质，利于耕层降碱脱盐，但仅通过深松和粉垄措施降碱脱盐速率较低，改良周期长，且无法有效补充和提高土壤养分含量，因此需要与化学改良相结合。腐植酸类物质和脱硫石膏在盐碱化土壤化学改良中应用广泛。腐植酸类物质作为一种构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[10]，能够提高土壤养分含量，促进土壤团聚体形成，使土壤的保水保肥能力得到改善[11]；同时，腐植酸类物质具有含氧酸性官能团，如羧基、酚羟基和磺酸基等[12]，拥有较强的阳离子交换性和缓冲能力，能够提高土壤缓冲性能。脱硫石膏是通过钙离子置换土壤胶体表面吸附的钠离子，降低土壤的钠离子含量，改善土壤盐碱障碍。

综上所述，前人的研究已经证实，使用化学措施和物理措施能够改善盐碱化土壤的理化性质，提高作物产量，但多以单一改良措施进行研究，将物理和化学措施结合的综合改良盐碱化耕地土壤的研究较少。因此，本文以苏打盐碱化耕地土壤为对象，以腐植酸、复合调理剂、脱硫石膏为改良物料并结合深松和粉垄耕作措施，研究其对苏打盐碱化耕地土壤理化性质的影响，以期为西辽河平原苏打盐碱化耕地土壤改良和规模化利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

表1 试验区土壤基本性质Table 1 Basic properties of soil in the test area

1.2 供试材料

供试作物为玉米，品种为‘迪卡159’，由当地合作社提供。试验采用3种改良物料：脱硫石膏由通辽市热电厂提供，主要成分是CaSO4·2H2O，含量为74.3%；腐植酸采购自黑龙江丰亨生物科技有限公司，是从褐煤中提取的大分子有机物质，主要成分为腐植酸(≥75%)、可溶物质(≥95%)；复合调理剂由黑龙江丰亨生物科技有限公司提供，呈黑色颗粒状，主要成分为腐植物质、复合钙源和微量元素等，有机质≥80%，活化腐植酸≥80%，N+P2O5+K2O≥5%。

1.3 试验设计

采用随机区组设计，设置9个改良处理，试验处理如表2所示。每个处理3次重复，共27个试验区，每个试验小区面积为24 m×45 m=1 080 m2，整个试验区面积约29 334.8 m2。玉米于2020年5月3日种植，同年10月12日收获。种植前平整土地，均匀施撒腐熟牛粪75 m3·hm-2和复合肥(N∶P2O5∶K2O为20∶20∶5)450 kg·hm-2作为底肥。改良物料使用撒肥机进行撒施，撒施完毕后按照处理分别进行30 cm深松和40 cm 粉垄，并统一进行25 cm浅翻。对照处理仅施入底肥和浅翻25 cm，底肥施用量与各处理相同。玉米株行距30 cm×60 cm，种植密度55 558株·hm-2。灌溉方式为浅埋滴灌，其他田间管理措施均与当地常规管理方式一致。

表2 试验设计Table 2 Experiment design

1.4 测试指标和方法

土壤钠吸附比(SAR)和总碱度计算公式如下：

试验区按照0～10、10～20、20～30 cm和30～40 cm分层采用环刀法进行土壤容重、总孔隙度的测定，通过计算获得土壤三相比[13]。

1.4.2 玉米生长指标及产量 在玉米成熟期，每个小区随机选取有代表性的10 m双行，每隔5穗取1穗，共取10穗，每个处理3次重复，测定玉米产量构成要素，计算各处理区的理论产量。

1.5 数据处理与分析

采用Excel对数据进行整理，采用SPSS 25和Origin 2019进行数据处理和作图，显著性分析采用邓肯单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 耕作协同物料添加对土壤物理性质的影响

2.1.1 土壤容重 容重是评价土壤质量的重要指标之一。由图1可知，0～30 cm土层，不同处理均表现为随着土壤深度的增加土壤容重增加，且不同处理间差异显著。不同耕作协同物料添加处理均降低了耕层土壤容重，其中粉垄协同物料添加处理的土壤容重均小于深松。各处理的土壤容重从小到大排列为：FG>FT>FF>FTF>SG>STF>SF>ST>CK，FG处理土壤容重降低最为显著(P<0.05)，较CK平均降低21.4%。

图1 耕作协同物料添加对土壤容重的影响Fig.1 Effects of tillage synergistic materials addition on soil bulk density

2.1.2 土壤总孔隙度 根据土壤容重对土壤总孔隙进行计算，由图2可知，与土壤容重的变化规律相反，耕作协同物料添加处理均提高了土壤总孔隙度。0～30 cm土层，不同处理的土壤总孔隙度均随着土壤深度的增加而下降，粉垄协同物料添加处理的土壤总孔隙度大于深松，土壤总孔隙度从大到小排列为：FG>FT>FF>FTF>SG>STF>SF>ST>CK，FG处理土壤总孔隙度提高最为显著(P<0.05)，较CK平均提高30.2%。

图2 耕作协同物料添加对土壤总孔隙度的影响Fig.2 Effect of tillage synergistic materials addition on soil total porosity

2.1.3 土壤三相比 耕作协同物料添加对土壤三相比影响较大，主要表现为各处理均较对照降低了0～40 cm土层土壤固相比，提高了土壤液相比，在10～40 cm土层粉垄协同物料添加处理的土壤气相比高于深松(图3)。10～20 cm和20～30 cm土层，土壤三相比变化显著。10～20 cm土层，除ST处理外，其他处理土壤固相比较CK均降低，其中FG和FT处理下降幅度最大，较CK分别下降21.9%和20.4%；各处理均提高了土壤液相比，其中FG和FT处理的土壤液相比提高幅度高于其他处理；除SF和ST处理的土壤气相比较CK降低外，其他处理均不同程度提高。与CK相比，20～30 cm土层各处理均降低了土壤固相比，气相比则不同程度增加，其中FG处理的土壤固相比较CK下降23.3%，下降幅度最大，FTF处理的土壤气相比较CK提高76.4%，提高幅度高于其他处理；土壤液相比各处理之间及其CK之间差异显著，其中SG、FG、FF和FT处理均提高了土壤液相比。整体而言，粉垄协同物料添加对土壤三相比的改善作用优于深松。

图3 耕作协同物料添加对不同土层土壤三相比的影响Fig.3 Effect of tillage synergistic materials addition on soil three phase ratio of different soil depth

2.2 耕作协同物料添加对土壤化学性质的影响

2.2.1 土壤pH 与CK相比，耕作协同物料添加显著降低了0～40 cm土层土壤pH(P<0.05)(图4A)，其中20～40 cm土层降低幅度(12.4%～21.3%)大于0～20 cm土层(6.8%～17.7%)。在0～20 cm和20～40 cm土层，FG处理的土壤pH显著低于CK及其他改良处理(P<0.05)，较CK分别降低17.7%和21.3%；其次为FTF处理，较CK分别降低了9.3%和14.8%。除FG处理外，其余各改良处理之间土壤pH在0～20 cm和20～40 cm土层并无显著差异。

2.2.2 土壤含盐量 由图4B可知，与CK相比，0～40 cm土层除STF处理的土壤含盐量升高外，其他处理均不同程度降低，不同土层深度各处理之间存在显著差异。0～20 cm土层，SG、ST、FG、FF和FTF处理的土壤含盐量较CK显著降低(P<0.05)，降低幅度为39.5%～63.5%。20～40 cm土层，SG处理的土壤含盐量较CK显著降低(P<0.05)，除STF处理外，其他处理的土壤含盐量较CK降低，差异未达显著水平。

2.2.3 土壤钠吸附比 由图4C可知，耕作协同物料添加降低了0～40 cm土层土壤钠吸附比(SAR)。0～20 cm土层，SG、SF、FTF处理的土壤SAR较CK显著下降(P<0.05)，其中FTF下降幅度最为显著(P<0.05)，较CK下降71.5%。20～40 cm土层，与CK相比，除FT处理无显著差异外，其他处理均显著降低了土壤SAR，其中FTF处理较CK下降78.3%，下降最为显著(P<0.05)。

2.2.4 土壤总碱度 由图4D可知，耕作协同物料添加处理的土壤总碱度在0～40 cm土层均较CK不同程度降低。0～20 cm土层，SF、ST、FG、FF和FT较CK显著下降(P<0.05)，下降幅度为20.7%～27.6%；20～40 cm土层，各处理较CK均显著下降(P<0.05)，其中STF和FT下降最为显著，均较CK降低47.9%。

注：不同小写字母表示0～20 cm土层不同处理之间在0.05水平差异显著；不同大写字母表示20～40 cm土层不同处理之间0.05水平差异显著。Note：Difference lowercase letters mean significant difference between treatments in 0～20 cm soil depth at 0.05 level, and difference capital letters mean significant difference between treatments in 20～40 cm soil depth at 0.05 level.图4 耕作协同物料添加对不同土层土壤化学性质的影响Fig.4 Effects of tillage synergistic materials addition on soil chemical properties of different soil depth

2.3 耕作协同物料添加对土壤养分的影响

表3为不同改良处理对土壤养分的影响，由表3可知，与CK相比，耕作协同物料添加增加了土壤有机质和有效磷含量，不同改良处理对土壤全氮和速效钾影响具有显著差异。

表3 耕作协同物料添加对不同土层土壤养分的影响Table 3 Effects of tillage synergistic materials addition on soil nutrients of different soil depth

2.3.1 土壤有机质 通过对土壤有机质分析发现，0～20 cm土层，与CK相比，各处理均提高了土壤有机质含量，其中SF较CK提高最大，增幅为51.5%，其次为STF，较CK提高36.5%；20～40 cm土层，除FF处理的土壤有机质含量较CK无显著差异外，其他处理均显著提高土壤有机质含量(P<0.05)，提高幅度为34.2%～63.9%。

2.3.2 土壤全氮 通过对土壤全氮分析发现，0～20 cm土层，不同改良处理对土壤全氮影响不同，除FG和FF处理的土壤全氮含量较CK下降外，其他处理较CK增加8.8%～20.4%，其中ST处理较CK提高最为显著；20～40 cm土层，除FF处理的土壤全氮含量较CK降低，其他处理与CK相比土壤全氮含量增加2.7%～16.4%。

2.3.3 土壤有效磷 通过对土壤有效磷分析发现，与CK相比，不同改良处理显著提高土壤有效磷含量(P<0.05)，0～20 cm土层，各改良处理土壤有效磷含量较CK增加75.0%～314.0%，其中FTF处理的增幅最大；20～40 cm土层，FT和FF处理的土壤有效磷含量较CK增加3倍以上，其他处理较CK也均不同程度提高。

2.3.4 土壤速效钾 通过对土壤速效钾分析发现，0～20 cm土层，各处理的土壤速效钾含量较CK增加20.7%～81.0%，其中ST和FG处理较CK增加显著(P<0.05)；20～40 cm土层，STF、FG和FT处理的土壤速效钾含量较CK显著提高，分别提高17.6%、18.4%和22.1%。

Note：Different lowercase letters mean significant difference between 0～20 cm soil depth and 0.05 level, and different capital letters mean significant difference between 20～40 cm soil depth and 0.05 level.

2.4 耕作协同物料添加对玉米产量及产量构成要素的影响

由表4可知，耕作协同物料添加处理玉米产量较CK显著提高(P<0.05)，处理间比较，FTF处理产量最高，较CK提高37.6%；FG处理产量最低，较CK提高9.8%；其他处理与CK无显著差异。产量构成要素比较，玉米穗行数和行粒数均表现为耕作协同物料添加处理显著高于CK(P<0.05)，处理间无显著性差异。SF和FT处理的玉米百粒重显著低于CK(P<0.05),其他处理与CK无显著差异。

表4 耕作协同物料添加对玉米产量及产量构成要素的影响Table 4 Effects of tillage synergistic materials addition on maize yield and yield components

3 讨 论

3.1 耕作协同物料添加对土壤物理性质的影响

苏打盐碱化土壤物理性质恶劣，主要表现为土壤水分升高时不透水，水分易从地表流失；当土壤水分含量下降时，土壤会形成坚硬的结壳，影响作物生长发育。耕作措施通过对土壤耕层进行机械扰动以松动耕层，使土壤颗粒重新排列组合来改善土壤物理性质，进而对土壤水、肥、气、热进行调节[14]。本研究表明，深松、粉垄分别与物料施加综合处理均显著降低了土壤容重，增加了土壤总孔隙度，土壤结构得到改善。一方面，深松和粉垄对土壤物理性质改善作用显著，巨兆强等[15]通过对比传统旋耕处理和深松处理对土壤性质的影响发现，深松耕作能够明显改善耕层土壤的物理性质，降低土壤容重，增加总孔隙度和土壤含水率；孙美乐等[16]通过研究发现，与传统翻耕相比，粉垄耕作降低了土壤耕作层的容重，增加了土壤含水量。本研究还发现，施用相同物料情况下，粉垄处理对土壤容重、总孔隙度、硬度和三相比的改善效果优于深松处理，0～40 cm土层深度进行粉垄处理的土壤容重与深松处理相比平均降低10.5%，土壤总孔隙度平均提高12.6%，这是因为粉垄耕作通过专用机械垂直螺旋型钻头将土壤进行粉碎且自然悬浮成垄，可起到深松和旋耕的双重作用[17-19]。另一方面腐植酸类物质、脱硫石膏对改善土壤结构具有积极作用，Nan等[20]通过研究发现，向盐碱土中施加褐煤腐植酸显著降低了土壤容重，改善土壤孔隙结构；石婧等[21]研究发现脱硫石膏有利于降低盐碱化土壤容重，增加土壤总孔隙度，这与本研究结果相似。

3.2 耕作协同物料添加对土壤化学性质的影响

本研究表明，耕作与物料添加可以有效降低苏打盐碱化土壤耕层盐分含量。孙在金[22]通过研究发现，与无任何物料施用的对照相比较，向盐碱化土壤中施用腐植酸和脱硫石膏均能降低土壤含盐量，这与本研究的结果相似。在本研究中，土壤含盐量20～40 cm土层大于0～20 cm土层，这是因为深松和粉垄的耕作措施疏松了表层土壤，改善了土壤结构，利于耕层脱盐；腐植酸、脱硫石膏和复合调理剂通过离子置换、吸附等作用加速脱盐过程，在土壤水分的作用下土壤盐分向深层运移。与对照相比，耕作和物料添加有效改善了苏打盐碱化耕地土壤的盐碱障碍，土壤pH、SAR和总碱度分别降低6.8%～21.3%、20.7%～78.3%和17.1%～47.7%。一方面深松和粉垄改善耕层土壤结构，促进耕层土壤降碱排盐，李瑞平[23]研究发现与免耕相比，深松降低了10～30 cm土层土壤pH。另一方面腐植酸类物质和脱硫石膏对耕层土壤降碱作用显著，脱硫石膏的离子置换作用，产生易溶中性盐，降低土壤pH值和SAR[24]；而腐植酸是一类多环稠环有机化合物，可以通过吸附、交换和酸碱中和等作用使土壤pH和SAR降低[25]；复合调理剂以腐植酸物质和复合钙源为主要组成物质，同时具有离子置换以及腐植酸的吸附、交换和酸碱中和作用，高慧敏等[26]发现腐植酸和脱硫石膏配施能够显著降低土壤pH且改良效果优于腐植酸和脱硫石膏单施，这是因为腐植酸和石膏配施可加大石膏的溶解量，进而提升Na+置换能力，强化了改土效果，这与本研究结果相似。

3.3 耕作协同物料添加对土壤养分和玉米产量的影响

有机质是土壤的重要组成部分，对改善土壤理化性质、调节土壤养分循环具有重要作用，是评价土壤生产力的关键指标[27]。在本研究中，腐植酸、脱硫石膏以及复合调理剂均提高了耕层土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量，其中土壤有机质增加2.5%～63.9%。这与张晓东等[4]研究表明向盐渍土中施用腐植酸、有机肥、石膏和秸秆能够显著提高耕层土壤有机质、有效磷和碱解氮含量的研究结果一致，也与王福友等[28]通过研究发现向盐渍土中增加腐植酸能够有效提高土壤有机质含量的研究结果一致。大量研究表明，脱硫石膏和腐植酸单施或配施以及腐植酸的衍生品施用均能促进作物生长，提高作物产量[29-31]。王丹等[32]通过研究发现,脱硫石膏与有机物料配施可有效提高棉花产量，增产效果优于脱硫石膏和有机物料单施。孙在金[22]研究发现腐植酸和脱硫石膏施用均能显著提高棉花的产量，且腐植酸和脱硫石膏配施促进植物生长效果更佳。本试验中不同综合措施均有效提高了玉米产量，其中深松30 cm并施用复合调理剂22 500 kg·hm-2和腐植酸6 000 kg·hm-2处理及粉垄 40 cm并施用复合调理剂22 500 kg·hm-2和腐植酸6 000 kg·hm-2处理的玉米产量较对照分别提高21.7%和37.6%。一方面，深松和粉垄降低了耕作层土壤容重，增加土壤孔隙度，改善了根系的生长条件，利于作物根系生长和深扎，形成良好的根系体系[7]，进而促进作物生长，提高作物产量；另一方面，土壤中的腐植酸类物质对植物生长产生直接和间接的影响[33]。腐植酸能够刺激植物根系生长，提高根系养分吸收能力，促进植物生长发育[34]；还能通过调控土壤与肥料中养分的有效性，影响土壤微生物数量结构，改善土壤环境，间接促进了植物的生长[35]。

3 结 论

耕作协同物料添加改善了土壤理化性质。一方面，各改良处理均降低了土壤容重、提高土壤总孔隙度，改善土壤结构，粉垄施用物料处理对土壤结构的改善作用优于深松施用物料处理。另一方面，深松和粉垄结合物料施用均降低了土壤pH、SAR和总碱度，其中粉垄40 cm并施用复合调理剂22 500 kg·hm-2和腐植酸6 000 kg·hm-2处理显著降低了0～40 cm土层pH和SAR，较对照分别降低12.1%和74.9%。

耕作协同物料添加提高了苏打盐碱化土壤养分含量和作物产量。各处理均提高了土壤有机质和有效磷含量，其中粉垄并施用复合调理剂22 500 kg·hm-2和腐植酸6 000 kg·hm-2提高显著，分别较对照提高39.5%和124.6%。粉垄并施用复合调理剂22 500 kg·hm-2和腐植酸6 000 kg·hm-2处理的玉米穗行数、行粒数和理论产量均显著高于对照，较对照分别提高8.7%、35.8%和37.6%。综上所述，粉垄并施用复合调理剂22 500 kg·hm-2和腐植酸6 000 kg·hm-2处理为西辽河平原苏打盐碱化耕地最优土壤改良措施。