朱 琪,史中兴,寇燕燕,刘 斌,2,陈 亮,栾倩倩
(1.甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心 甘肃景泰 730400;2.甘肃农业大学园艺学院 兰州 730070;3.甘肃省农业工程技术研究院 甘肃武威 733006)
盐碱化土壤在世界范围内分布广泛,根据世界粮农组织(FAO)统计发布,我国约有盐碱土壤面积9913 万hm2[1],大面积主要分布在干旱和半干旱地区,而且还在以每年1%的速度增长,约占我国耕地总面积的25%[2-3]。在我国人口和环境的巨大压力背景下,盐碱土壤作为重要的后备土地资源,对其改良治理以及合理开发利用是我国农业可持续发展的重要途径之一[4]。因此,如何改良治理及合理开发盐碱地资源已成为核心议题。民勤绿洲灌区地处甘肃省河西走廊东北部,是我国典型的干旱绿洲农业区,具有气候干燥、日照时间长、光辐射强、昼夜温差大等特点,非常适宜于蔬菜和瓜果类的糖分积累[5]。但近年来由于当地地下水资源的大量开采,导致地下水位不断下降、水质矿化度升高,土地荒漠化、盐碱化面积大幅度增加[6]。据统计和研究发现,民勤绿洲盐碱化耕地面积约32 240.36 hm2,占民勤绿洲耕地总面积的30.09%[7]。土壤平均含水率为12.97%,整体偏低;土壤平均含盐量为47.02 g·kg-1,土壤盐碱化严重制约了干旱绿洲农业经济的可持续发展[8]。因此,如何改善民勤地区土壤盐碱化并提高作物抗盐碱胁迫能力引起大量学者关注。前人研究表明,土壤盐碱化会造成耕作土壤肥力下降、理化性状退化、土壤结构变差等土壤问题,植被农作物营养吸取功能和生理代谢功能受到影响、形态结构和根茎发育不良、产量降低、作物适种性和品质降低,严重时会出现枯萎、离子中毒甚至死亡等现象,威胁到大部分作物的生长[9-11]。朱伟等[12]研究表明,盐碱土壤中含有大量的碱性盐NaHCO3和Na2CO3,Na+含量较高,盐离子和养分间的竞争作用容易造成土壤中铁、磷等营养元素流失,导致土壤养分有效性降低,进一步抑制作物对养分的吸收与利用。武小靖等[13]在枸杞研究中发现,盐碱胁迫直接损伤枸杞叶片的膜结构,导致细胞内形成过量的氧自由基,影响细胞的生理生化过程,进而影响植物蛋白质合成以及光合作用等,使枸杞植株不能正常生长,甚至死亡。孟祥浩等[14]在盐碱地条件下研究发现,盐碱土壤显著影响小麦花后旗叶的光合效率、灌浆速率及产量和品质要素等。
目前,国内外对治理开发利用盐碱地有大量研究和不少方法经验,这些水利工程改良技术[15]、农艺措施[16]、化学改良技术[17]、生物修复技术[18]、水产养殖[19]、综合措施[20]等方法在短期内对盐碱地治理有较明显效果,但随着时间推移,土体深层中可溶性盐类通过毛细管作用重新在土壤表层积累,造成土壤盐碱化和次生盐碱化,且无法规模推广。盐碱地原位工程化根治技术利用优势特色资源凹凸棒石,研制了凹凸棒石盐碱阻隔材料,创新了原位化根治技术,能有效切断土壤盐碱迁移毛细通道,对深层可溶性盐类在土壤耕作层集聚有明显阻隔作用,具有降低土壤含盐量、提高作物产量的明显效果,抑制土壤盐碱化和次生盐碱化的发生,形成了以凹凸棒石盐碱阻隔材料为核心的盐碱地治理新模式,已在玉米[21]、小麦[22]、甜瓜[23]等作物上试验推广应用,土壤脱盐率为18.5%~76.0%,农作物平均增产8.2%~68.1%,生态和经济效益明显[21-23]。生物有机肥是指将具有特定功能的微生物与腐熟的有机肥复合而成的一类兼具微生物肥料和有机肥效果的新型肥料[24]。钟辉丽等[25]研究表明,生物有机肥既有利于增产和改善农产品品质,还可以改善土壤理化性质、提高土壤保肥保水能力和减少土壤盐分含量,提高土壤酶活性,活化土壤中被固定的土壤养分,利于作物吸收。陈小倩等[26]在盐碱地大麦施用生物有机肥研究中发现,可以显著降低土壤盐碱化程度,大麦分蘖数、有效穗数、千粒质量等均明显提高,增产8.54%。施用生物有机肥可以显著提高辣椒叶片的可溶性蛋白质含量和过氧化物酶活性,促进辣椒的叶面积指数增大,单株挂果数增加2~10 个,单果质量提高0.03~0.30 g,并且可以提高果实的总辣椒素含量、粗脂肪含量和粗蛋白含量[27]。
甜瓜(Cucumis melo)是民勤绿洲农业区重要的经济作物,是当地重要的支柱产业之一,给农业生产带来了显著的经济效益[28]。但长期以来,有关盐碱地原位工程化根治技术和生物有机肥主要集中在对盐碱地土壤含盐量和养分、作物生长发育及产量等研究,而采用盐碱地原位工程化根治技术和增施生物有机肥对盐碱地土壤养分、土壤酶活性和甜瓜产量及品质的影响鲜见报道。因此,笔者在大田条件下设定不同盐碱地原位工程化根治技术核心材料凹凸棒石盐碱阻隔材料铺设量和生物有机肥施肥量,分析比较土壤盐碱化性状、养分状况、酶活性和甜瓜产量及品质的变化,从而确定凹凸棒石盐碱阻隔材料铺设量与增施生物有机肥施肥量的最佳组合,以期为治理开发利用民勤绿洲盐碱地土壤和促进甜瓜增产提质关键技术提供科学的理论依据。
试验于2021 年9 月至2022 年8 月在甘肃省民勤县农业技术推广中心试验站进行。试验地位于河西走廊东段的民勤绿洲,为半封闭内陆荒漠区,温带大陆性极干旱气候,年均降水量110 mm,年蒸发量2644 mm,昼夜温差25.2 ℃,年均气温7.8 ℃,日照时数为3073 h。供试土地平整、排灌方便、形状规整。
供试材料:凹凸棒石盐碱阻隔材料、凹晶地力恢复剂由甘肃靖远凹晶矿业开发有限公司提供。供试甜瓜品种为金红宝,由甘肃宇海农业科技有限公司选育,系当地主栽品种。供试生物有机肥为沃华农生物有机肥,以乳酸菌及酵母菌为主体,其中有效菌数为5000 万·g-1以上,活性成分为氮+磷+钾≥5%(w,后同),有机质45%,购于山东沃华农业科技股份有限公司。
试验采用二因素裂区试验设计。设凹凸棒石盐碱阻隔材料铺设量为主区,生物有机肥施肥量为副区。凹凸棒石盐碱阻隔材料铺设量设2 个水平,分别为45.0、37.5 t·hm-2,生物有机肥施肥量设3 个水平,分别为高(1800 kg·hm-2)、中(1200 kg·hm-2)、低(600 kg·hm-2),共6 个处理组合,以不铺设凹凸棒石盐碱阻隔材料、当地施肥习惯为对照(CK)。试验共7 个处理,每个处理3 次重复,共21 个小区,小区面积为40 m2(2 m×20 m)。
盐碱地原位工程化技术处理:试验地于2021年9 月开挖50~70 cm 土壤后,将下层基础及侧壁进行整平处理,并用压路机进行夯实。采用“三明治”摊铺机将凹凸棒石盐碱阻隔材料按试验设计铺设量铺设,然后在凹凸棒石盐碱阻隔材料上铺设细沙和细颗粒土壤作为保护层,铺设厚度为10 cm,将上层土壤回填。于2021 年9-11 月采用灌水洗盐方式进行上层土壤盐分清除,共洗盐4 次,周期为7 d,每次用水量2250 m3·hm-2。上层土壤盐分清除后,将凹晶地力恢复剂颗粒均匀撒于土壤表面进行土壤地力恢复处理,使用量为3750 kg·hm-2,然后用旋耕机械进行耕作,土壤地力恢复期为6 个月。
甜瓜于2022 年4 月30 日播种,8 月2 日采收。采用水旱塘栽培,水旱塘宽2 m,水沟宽70 cm,旱塘宽130 cm,株距45 cm,双蔓整枝,每株留1 果,施肥水平和当地水平相一致。播种开沟时生物有机肥与基肥一次性集中施入,基肥施磷二铵[64%(含N 18%;含P2O546%)(w,后同),云南三环中化化肥有限公司生产]150 kg·hm-2、尿素[含N≥46.4%,甘肃刘化(集团)有限责任公司生产)300 kg·hm-2,过磷酸钙(含P2O5≥12%,山东科达化肥有限责任公司生产)750 kg·hm-2。坐瓜后追施尿素150 kg·hm-2、硫酸钾[含K2O≥52%,甘肃刘化(集团)有限责任公司生产]75 kg·hm-2,果实膨大期追施尿素75 kg·hm-2,在果实膨大期用尼龙网垫垫瓜。
土壤pH 值、含盐量和养分测定:在甜瓜成熟期,采用S 型取样法,用取土刀刮去地表杂物,用土钻取根区0~20 cm 深度土壤处理后分成2 份,委托甘肃省农业工程技术研究院土壤分析中心测定土壤化学性质和酶活性。采用电极法[21-22],使用pHS-25 型酸度计测定pH 值;采用重铬酸钾硫酸氧化-外加热法[21-22]测定有机质含量;采用电导率法[21-22],使用DDS-12A 数显电导率仪测定含盐量;采用凯氏定氮法[21-22],使用Kjeltec8200 半自动定氮仪测定全氮含量;采用碱解扩散法[21-22],使用28YX-500 型电热恒温培养箱测定碱解氮含量;采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法[21-22],使用Cary50 紫外可见分光光度计测定有效磷含量;采用乙酸铵提取-火焰光度法[21-22],使用Sherwood M410 火焰光度计测定速效钾含量。
土壤酶活性测定:采用苯酚钠-次氯酸钠比色法[29]测定土壤脲酶活性;采用磷酸苯二钠法[29]测定碱性磷酸酶活性;采用高锰酸钾滴定法[29]测定过氧化氢酶活性。
产量和品质测定:甜瓜成熟时每个小区采收全部果实测算产量。每个小区选取5 个果实测定单瓜质量和品质。采用WYT-A 型手持糖度折光仪[30]测定可溶性固形物含量;采用蒽酮比色法[30]测定可溶性糖含量;采用GMK-855F 型酸度计[30]测定可滴定酸含量;采用2,6 二氯靛酚法[30]测定维生素C含量。
采用SPSS 19.0 软件进行数据统计分析,基于试验设计,因凹凸棒石盐碱阻隔材料铺设量比增施生物有机肥对盐碱地土壤的治理效果显著,以凹凸棒石盐碱阻隔材料铺设量进行主因素分析,采用新复极差法(Duncan)比较不同处理间的差异显著性。采用Excel 2007 软件制图。
由表1 可以看出,不同凹凸棒石盐碱阻隔材料铺设量处理下,随着凹凸棒石盐碱阻隔材料铺设量的增加,盐碱地土壤的含盐量和pH 值呈逐渐下降的趋势。45.0 t·hm-2处理土壤含盐量最低,为0.79%,其次为37.5 t·hm-2处理,为0.88%,分别较CK 降低0.53%、0.44%,脱盐率分别为40.15%、33.33%,3 个处理之间差异极显著。45.0 t·hm-2处理的pH 较CK 降低了0.95,差异极显著,37.5 t·hm-2处理与CK 差异不显著。45.0 t·hm-2处理土壤有机质含量最高,为12.51 g·kg-1,较37.5 t·hm-2、CK 分别提高了16.81%、39.31%,且3 个处理间差异极显著。土壤养分方面,45.0、37.5 t·hm-2处理的全氮、速效钾含量均极显著高于CK,45.0 t·hm-2处理全氮、速效钾含量分别比CK 提高了19.30%、16.41%,37.5 t·hm-2处理全氮、速效钾含量分别比CK 提高了10.53%、13.18%。45.0 t·hm-2处理碱解氮含量为72.11 mg·kg-1,极显著高于37.5 t·hm-2处理和CK;有效磷含量(39.29 mg·kg-1)极显著高于CK,与37.5 t·hm-2处理差异不显著。表明凹凸棒石盐碱阻隔材料能显著降低盐碱地土壤的含盐量,降低土壤pH 值,显著提高土壤的有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量,且45 t·hm-2铺设量处理优于其他处理。
表1 不同处理土壤盐碱化性状及养分含量
同一凹凸棒石盐碱阻隔材料铺设量在不同生物有机肥施肥量处理下,45.0 t·hm-2处理下3 种施肥量处理间土壤含盐量和pH 值均无显著差异,但均显著低于CK;高施肥量处理的有机质含量、碱解氮含量显著高于中施肥量、低施肥量处理,其中高施肥量处理有机质含量、碱解氮含量分别比中施肥量提高了10.66%、28.70%,分别比低施肥量提高了32.58%、47.51%;高施肥量处理速效钾含量最高,为188.60 mg·kg-1,显著高于低施肥量,与中施肥量差异不显著;3 种施肥量处理间土壤全氮含量、有效磷含量均无显著差异,3 种施肥量处理有效磷和速效钾含量均显著高于CK。37.5 t·hm-2处理下,土壤含盐量随着生物有机肥施肥量的增加呈逐渐降低趋势,高施肥量处理土壤含盐量(0.81%)较低施肥量显著降低了13.83%;pH 值各施肥量处理之间无显著差异;高施肥量处理有机质含量、碱解氮含量均显著高于中、低施肥量处理,高施肥量处理有机质、碱解氮含量分别较中施肥量处理显著提高了17.47%、30.36%,分别较低施肥量处理提高了13.72%、24.45%;3 种施肥量处理间全氮、有效磷、速效钾含量均无显著差异。表明生物有机肥高施肥量处理可以显著降低土壤的含盐量,显著提高有机质和碱解氮含量,高施肥量和中施肥量可以显著提高速效钾含量。
由表2 可以看出,不同凹凸棒石盐碱阻隔材料铺设量处理下,随着凹凸棒石盐碱阻隔材料铺设量的增加,盐碱地土壤的脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶等活性均呈增加趋势。45.0 t·hm-2处理的土壤脲酶(7.95 mg·g-1·24 h-1)、碱性磷酸酶(27.03 mg·g-1·24 h-1)、蔗糖酶(4.05 mg·g-1·24 h-1)活性均极显著高于37.5 t·hm-2处理和CK,其中45.0 t·hm-2处理3 种酶活性分别比37.5 t·hm-2处理提高了18.66%、12.67%、23.10% ,分 别 比CK 提 高 了64.26%、14.97%、108.76%。37.5 t·hm-2处理的脲酶活性、蔗糖酶活性均极显著高于CK。表明铺设适量凹凸棒石盐碱阻隔材料能显著提高盐碱地土壤的脲酶和蔗糖酶活性,45.0 t·hm-2铺设量处理优于其他处理。
表2 不同处理土壤酶活性
同一凹凸棒石盐碱阻隔材料铺设量在不同生物有机肥施肥量处理下,随着生物有机肥施肥量的增加,45.0 t·hm-2处理土壤脲酶活性和37.5 t·hm-2处理蔗糖酶活性基本呈增加的趋势。在45.0 t·hm-2处理下,高施肥量处理土壤脲酶活性最高,为9.47 mg·g-1·24 h-1,显著高于其他2 个处理,较中施肥量、低施肥量分别提高了25.76%、38.25%,3 种施肥量处理土壤脲酶活性均显著高于CK;高施肥量、中施肥量处理的土壤碱性磷酸酶和蔗糖酶活性均显著高于CK,但均与低施肥量之间差异不显著。在37.5 t·hm-2处理下,高施肥量处理的土壤脲酶活性最高,为8.13 mg·g-1·24 h-1,显著高于其他2 个处理,较中施肥量、低施肥量分别提高了38.27%、33.72%,3 种施肥量处理土壤脲酶活性均显著高于CK;在碱性磷酸酶活性方面,高施肥量处理较中施肥量处理显著提高了17.07%;在蔗糖酶活性方面,高施肥量、中施肥量处理分别较低施肥量处理显著提高了33.81%、21.58%。表明生物有机肥高、中、低施肥量均可以显著提高土壤的脲酶活性,高施肥量、中施肥量可以显著提高土壤的蔗糖酶活性。
由表3 可知,不同凹凸棒石盐碱阻隔材料铺设量处理下,45.0 t·hm-2处理甜瓜的经济产量最高,为42 708.65 kg·hm-2,37.5 t·hm-2处理次之,为41 638.20 kg·hm-2,2 个处理间差异不显著,但均极显著高于CK,分别较CK 提高了16.33%、13.42%。表明凹凸棒石盐碱阻隔材料能显著提高甜瓜的经济产量,45.0 t·hm-2铺设量处理优于其他处理。
表3 不同处理甜瓜经济产量
同一凹凸棒石盐碱阻隔材料铺设量处理,在45.0 t·hm-2处理下,生物有机肥中施肥量的甜瓜经济产量最高,为43 459.80 kg·hm-2,但与高施肥量、低施肥量间产量差异不显著,3 种施肥量处理均显著高于CK。在37.5 t·hm-2处理下,高施肥量的甜瓜产量最高,为43 014.60 kg·hm-2,显著高于低施肥量处理,但与中施肥量差异不显著,3 种施肥量处理均显著高于CK。表明生物有机肥高、中、低施肥量处理均可以显著提高甜瓜的经济产量。
由表4 可知,不同凹凸棒石盐碱阻隔材料铺设量处理下,45.0、37.5 t·hm-2处理甜瓜的单瓜质量、维生素C 含量均极显著高于CK,45 t·hm-2处理甜瓜的单瓜质量、维生素C 含量较CK 分别提高了16.17%、27.23%,37.5 t·hm-2处理甜瓜的单瓜质量、维生素C 含量较CK 分别提高了13.17%、17.96%;可滴定酸含量较CK 分别降低21.84%、14.94%,45.0 t·hm-2和37.5 t·hm-2处理之间差异不显著。45.0 t·hm-2处理的可溶性糖含量最高,为11.10%,显著高于CK,与37.5 t·hm-2处理差异不显著。45.0、37.5 t·hm-2处理的可溶性固形物含量无显著差异。表明凹凸棒石盐碱阻隔材料能显著提高甜瓜单瓜质量和维生素C 含量,显著降低可滴定酸含量,45.0 t·hm-2处理优于其他处理。
表4 不同处理甜瓜的品质
同一凹凸棒石盐碱阻隔材料铺设量处理,在45.0 t·hm-2处理下,甜瓜的单瓜质量、可溶性固形物含量、可溶性糖含量、维生素C 含量和可滴定酸含量随不同生物有机肥施肥量变化无显著差异,但各处理单瓜质量、可溶性糖含量、维生素C 含量均显著高于CK,高、中施肥量处理可滴定酸含量显著低于CK,可溶性固形物含量均与CK 无显著差异。在37.5 t·hm-2处理下,高施肥量和中施肥量的可溶性糖含量均显著高于低施肥量,分别提高了24.12%、15.53%,低施肥量与CK 差异不显著;高施肥量处理维生素C 含量最高,为11.37 mg·100 g-1,较中施肥量显著提高了11.47%,3 种施肥量维生素C 含量均显著高于CK;在可滴定酸含量方面,高施肥量处理可滴定酸含量最低,为0.66%,较低施肥量显著降低18.52%,与中施肥量差异不显著。表明生物有机肥高施肥量处理可以显著提高甜瓜果实的可溶性糖和维生素C 含量,降低可滴定酸含量。
我国干旱半干旱农业区土壤盐碱化问题严重,盐碱地的改良和治理是缓解土地资源紧张和改善生态环境的有效途径[31]。研发高效环保的盐碱地治理材料和方法,可以为提高盐碱地利用和土地生产效率提供有力的技术支撑。笔者利用白银地区优势特色资源凹凸棒石,研制的凹凸棒石盐碱阻隔材料和创新的原位工程化根治技术具有降低土壤含盐量和提高作物产量的明显效果,抑制土壤盐碱化和次生盐碱化的发生,结合生物有机肥特性探索综合方法对盐碱地的改良效果,为减少化学肥料使用量、建设绿色高效农业提供理论依据。笔者研究发现,盐碱地原位化根治技术和生物有机肥综合治理后,土壤脱盐率达33.33%~40.15%,pH 值降低0.75~0.95,这与寇燕燕等[23]在甜瓜上的研究结果一致,并且优于只应用盐碱地原位化根治技术对盐碱地土壤的治理效果。土壤有机质、全氮等营养元素含量是土壤中重要的肥力指标,因此分析盐碱地治理效果时分析可供作物利用的营养元素是衡量土壤肥力的重要依据。笔者研究发现,在盐碱地原位化根治技术的基础上增施生物有机肥,可以显著提高土壤有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量,这与汪睿[32]、杜倩等[33]的研究结果一致,是由于生物有机肥富含腐殖酸,可降低土壤pH 和土壤含盐量,同时增加有机质的含量,具有提高土壤肥力和刺激作物生长的作用。合适的土壤有机质和营养元素水平是作物获得高产的物质基础。笔者的研究结果显示,盐碱地原位化根治技术和生物有机肥综合治理后,甜瓜的经济产量提高了13.42%~16.33%,这与寇燕燕等[23]在甜瓜的研究结果一致,并且优于只应用盐碱地原位化根治技术的甜瓜的最高增产率12.59%,可能是增施生物有机肥后,生物有机肥增加了土壤有效活菌数和土壤微生物总数,促进了土壤中的有机质分解,增加和平衡了作物耕作层土壤的养分含量,从而促进作物产量和品质的提高,这与马茜等[34]的研究结果一致。马阳等[35]研究表明,增施有机肥、生物有机肥对提高土壤有机质和养分与减缓土壤盐碱化有显著作用,从而降低土壤对作物的盐胁迫和提高作物的耐盐碱能力。
在生态系统的有机质分解和养分循环催化作用中,土壤酶的作用至关重要[36]。前人研究表明,土壤酶与土壤肥力直接相关,土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶4 种酶活性可以作为评价土壤肥力的重要指标[37-38]。脲酶是土壤中唯一能使土壤中尿素分子中的碳氢键打开,生成氨和二氧化碳,对尿素的转化具有重大影响的酶,氨是植物氮素营养的来源之一[39]。碱性磷酸酶主要来源于植物根系和土壤微生物的分泌物,对土壤中有机磷的水解有重要贡献[37]。蔗糖酶将蔗糖转化为葡萄糖供植物体利用,是一种水解酶,能够改善和提高土壤肥力,也可以作为评价土壤熟化程度和土壤肥力水平的一个指标[40]。笔者的研究结果表明,盐碱地原位化根治技术和生物有机肥综合治理后,盐碱地土壤的脲酶和蔗糖酶活性均显著提高,45.0 t·hm-2处理土壤脲酶活性和37.5 t·hm-2处理蔗糖酶活性随着生物有机肥施肥量的增加基本呈增加的趋势,这与曹群等[37]、吴文利等[41]的研究结果一致,可能是通过综合治理后土壤可溶性盐离子浓度降低,提高了与微生物代谢有关的有效碳、氮、磷元素含量,优化了土壤理化性质,促进了矿物质循环,增施生物有机肥又提高了土壤中微生物的多样性,促进了土壤微生物的繁殖和代谢,从而提高了土壤酶的活性。
笔者的试验结果表明,盐碱地原位工程化根治技术和增施生物有机肥可以显著降低土壤的含盐量,降低或显著降低pH 值,提高土壤的有机质含量、全氮含量、碱解氮含量和速效钾含量,提高土壤的脲酶活性、碱性磷酸酶活性和蔗糖酶活性,提高甜瓜的经济产量及果实的可溶性糖含量和维生素C含量,降低可滴定酸含量,增产提质效果良好。笔者的试验条件下,在民勤绿洲应用盐碱地原位工程化技术获得盐碱地治理较优效果的核心材料凹凸棒石盐碱阻隔材料铺设量为45.0 t·hm-2,增施生物有机肥施肥量为1800 kg·hm-2。