不同土壤改良剂对陕北低洼盐碱地土壤理化性质及水稻产量和经济效益的影响

马增辉， 王启龙

（陕西省土地工程建设集团有限责任公司西北分公司，陕西 榆林 719000）

近年来，我国经济快速发展，耕地数量和质量却不断下降，我国人均耕地面积仅占世界水平的31%，耕地是粮食基本载体，耕地匮乏导致我国粮食安全面临巨大风险。盐碱地是我国储备最大的土地资源，据调查，我国盐碱荒地和影响耕地的盐碱地总面积超过3 000万hm2, 其中盐土占45.4%，碱土占2.5%，各类盐碱化土壤占52.1%[1]。陕西省目前盐碱地面积约21.3万hm2，主要分布在陕北榆林地区和关中渭南地区，其中，重、中度盐碱地约16万hm2，且盐碱化程度趋于严重，重、中度盐碱地面积不断增加[2]。目前，盐碱地改良措施主要包括：水利改良措施（灌溉、淋洗、排水等）[3]、化学改良措施（生理酸性化肥、石膏、调理剂等）[4]、生物改良措施（耐盐碱牧草、作物、绿肥等）[5]、农业改良措施（深耕、覆沙、探盐巧种等）[6]。

土壤改良剂是指能够改善盐碱地土壤结构和理化指标的制剂，可以通过调节土壤酸碱度(pH)、降低土壤含盐量、改善土壤结构等作用来改良盐碱地，减少盐碱地土壤对作物的危害[7]。姜增明等[8]分析了盐碱地主要特性及其对作物生长的影响，阐述了不同土壤改良剂在盐碱地改良中的作用，并建议在实际应用中根据不同盐碱地类型选择适合的改良剂。吴志强等[9]通过田间试验研究了4种不同土壤改良剂（生石灰、有机肥、钙镁磷肥、土壤调理剂）在稻田上的应用效果，结果表明，施用土壤改良剂不仅能不同程度改善土壤理化性质，还能显著提高水稻产量与产值，通过对比发现，施用生石灰处理的产量与产投比最高。王红等[10]选用秸秆生物炭、石膏、石膏+有机肥作为土壤改良剂对内蒙古盐渍化农田土壤进行改良，发现施加生物炭和石膏可以显著改善盐碱地土壤理化性质，降低土壤pH和含盐量，增加土壤有效磷、碱解氮、有机质含量。舒锟等[11]研究了“金阜丰”土壤改良剂的用量对定边盐碱地土壤理化性质及水稻生长的影响，结果显示，陕北盐碱地施加土壤改良剂可显著降低表层土壤pH和含盐量，增加水稻产量，基于水稻产量和盐碱地改良效果，建议添加量为1 500～2 000 kg·hm-2。陕北地区气候偏冷，昼夜温差大，水稻种植规模小，虽然对于土壤改良剂使用有一定研究，但是对于不同种类土壤改良剂的比选研究较少。本研究通过在定边县堆子梁地区开展大田试验，研究不同土壤改良剂对陕北盐碱地土壤理化性质及水稻产量的影响，并结合经济效益分析，以确定适宜陕北盐碱地的土壤改良剂。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于陕西省西北部定边县堆子梁地区（35°31′02″—35°34′01″N，110°30′34″—110°33′36″E），该地区地处古河床上冲积母质发育的盐化草甸土壤区，因为地势平坦低洼、蒸发量大，盐离子随水流聚集，且地下水位埋藏浅、矿化度高、出流不畅，土壤盐渍化特征明显。该地区年平均降水量约330 mm，主要集中在7—9月，占全年降水量的61.34%，年平均蒸发量2 290 mm，年平均气温7.9 ℃，年平均日照时间2 700～2 800 h，年平均无霜期120～130 d，年平均冻土深度约100 cm。

1.2 试验材料

试验用地为盐碱耕地，前茬作物为玉米。供试脱硫石膏为陕西榆林能源集团横山煤电有限公司产生的废弃脱硫石膏，其主要成分为CaSO4·2H2O（含量大于90%），含水量≤10%，pH 8.1，石膏处理的施用量为20 000 kg·hm-2[12]。“金阜丰”土壤改良剂由内蒙古阜丰生物科技有限公司生产，其中氮（N）含量约16%，有机质含量约4%，pH 3.0～4.0，“金阜丰”土壤改良剂用量为2 000 kg·hm-2[11]。腐殖酸由榆林市鼎利源生态科技公司从神木风化煤中提取，有效腐殖酸含量51%，水溶后pH 4.7，腐殖酸用量为2 000 kg·hm-2[13]。供试作物为水稻，品种为天津天隆种业科技有限公司研发的‘隆优619’，2019年6月初人工插秧，插秧密度为1.8万株·hm-2，10月中旬水稻成熟收获。

1.3 试验设计

根据土壤改良剂种类不同，田间试验设置4个处理，分别为不施用土壤改良剂（CK）、施用脱硫石膏（desulfurized gypsum，FGD）、施用“金阜丰”土壤改良剂（“Jinfufeng” soil conditioner，SC）、施用腐殖酸（humic acid，HA），每个处理设置3个重复，每个处理四周起垄覆膜，做好处理间隔离措施，每个试验小区面积80 m2（10 m×8 m），试验小区0—20、20—40、40—60 cm土层土壤样品基本理化性质见表1。各试验小区的施肥、病虫害防治和田间灌溉等管理措施保持一致。尿素、磷酸二胺、氯化钾的用量分别为334、196、96 kg·hm-2。试验田年灌溉量约15 000 m3·hm-2，灌溉水为井水，全盐量为0.23 mg·L-1，pH 8.1。

表1 试验地土壤基本理化性质Table 1 Basic soil physical and chemical properties of the test site

1.4 样品的采集与处理

水稻收获后，利用土钻采集试验区土壤样品，采样深度为：0—20 cm（表层）、20—40 cm（中层）、40—60 cm（深层），通过室内试验测定土壤水溶性盐总量、pH、容重、有机质、全氮、有效磷和速效钾含量。土壤pH采用电位法测定，水溶性盐总量采用质量法测定，容重采用环刀法测定[14]；有机质采用重铬酸钾容量法测定，全氮采用半微量凯氏法测定，有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法测定，速效钾采用火焰光度法测定[15]。

水稻成熟后，将4个处理组的水稻收割测产，并随机选取代表性的水稻种子，对其千粒重进行测量计算。

1.5 经济效益分析

2020年稻米平均收购价格为3.5元·kg-1，每吨脱硫石膏、“金阜丰”土壤改良剂、腐殖酸购买及施用综合价格分别为400、2 700、2 500元，根据下列公式计算产值、纯利润和产投比。

1.6 数据分析

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 11.4软件进行数据处理统计和显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同土壤改良剂对盐碱地土壤理化性质的影响

2.1.1 土壤含盐量变化 土壤含盐量是反映土壤盐碱化状况的重要指标，该值过高会对植物产生损害，阻碍植物正常生长发育，使其品质变劣、产量降低。由图1可以看出，施加腐殖酸可显著降低表层（0—20 cm）土壤含盐量，比对照降低12.43%。这主要是由于腐殖酸的阳离子交换量较高，施入土壤后，可显著提高土壤的阴离子吸附能力，减少表层土壤含盐量；另外，腐殖酸能够改良土壤团聚结构，提高土壤疏松度，破坏盐分上升条件，起到隔盐作用。方差分析结果显示，施加脱硫石膏和“金阜丰”土壤改良剂的表层土壤含盐量与对照无显著差异。4个处理的土壤含盐量均表现出表层高（0—20 cm）、中层低（20—40 cm）、底层高（40—60 cm）的分布规律。种植水稻前试验区土层0—20、20—40 cm含盐量分别为2.97、2.10 g·kg-1，种植后4个处理0—20、20—40 cm 土层平均含盐量分别为1.78、1.61 g·kg-1，说明种植水稻能显著降低土壤表层含盐量，这主要是由于井水灌溉的淋洗作用，而且水稻种植后减少地表蒸发，水稻对土壤中盐离子具有一定的吸收作用，另外种植水稻对于促进土壤团聚体形成以及改善土壤结构具有显著影响，可促进土壤剖面的水运动，降低返盐现象的发生，因此土壤含盐量显著降低[16]。

图1 不同土壤改良剂条件下0—60 cm土层土壤含盐量Fig.1 Soil salt content in 0—60 cm soil layer under different soil amendments

2.1.2 土壤pH变化 土壤pH是反映土壤酸碱状况的重要指标，会直接影响土壤中营养元素形态和有效度，土壤pH过高或过低，都不利于植物根系对营养元素的吸收[17]。不同土壤改良剂处理下0—60 cm土层土壤pH分布情况如图2所示，各处理均表现出表层土壤pH较低，深层土壤pH较高的分布规律。CK处理表层土壤pH较高，为8.9，达到强碱性，严重影响水稻正常生长，3种土壤改良剂均可显著降低表层土壤pH，与对照相比，FGD、SC、HA处理表层土壤pH分别降低5.78%、4.53%、5.55%。“金阜丰”土壤改良剂pH为3.0～4.0，腐殖酸pH为4.7，均呈酸性，可以与土壤中的碱发生中和反应，降低土壤pH；脱硫石膏的主要成分是CaSO4及少量CaSO3，土壤中加入脱硫石膏后，石膏中的Ca2+与土壤中游离的NaHCO3、Na2CO3发生作用，生成难溶的CaCO3或Ca(HCO3)2，降低土壤pH。

图2 不同土壤改良剂条件下0—60 cm土层土壤pHFig.2 Soil pH of 0—60 cm soil layer under different soil amendments

2.1.3 土壤容重变化 土壤容重可以反映土壤紧实度，土壤紧实度是反映土壤水、肥、气、热等因素的重要物理学性状，盐渍土容重一般偏大，结构紧实、渗透性差，改良与利用较为困难[18-19]。表2结果显示，施加土壤改良剂可有效降低0—40 cm土层土壤容重、增大土壤空隙度，改善土壤物理性质，其中，腐殖酸对土壤物理性状的改善效果最好。与对照相比，FGD、SC、HA处理表层土壤容重分别显著降低0.04、0.07、0.08 g·cm-3，中层土壤容重分别显著降低0.07、0.10、0.11 g·cm-3，深层土壤容重无显著差异。

表2 不同土壤改良剂条件下0—60 cm土层土壤容重Table 2 Soil bulk density of 0—60 cm soil layer under different soil amendments （g·cm-3）

2.1.4 土壤养分变化 土壤养分是指由土壤提供给植物的必需营养元素，土壤养分主要包括土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾。不同土壤改良剂对陕北低洼盐碱地土壤养分的影响如表3所示，相较于对照处理，添加“金阜丰”土壤改良剂和腐殖酸后土壤有机质、全氮含量显著提高，添加脱硫石膏后速效钾含量显著增高。这主要是由于“金阜丰”土壤改良剂和腐殖酸中含有一定量的有机质和氮，能增加土壤有机质、全氮含量，但其有效磷和速效钾含量较低，因此影响不显著；施加脱硫石膏后能够促进钾元素被土壤胶体吸附，从而增加土壤交换性钾离子的含量，土壤中的速效钾含量也随之增加。从土层深度层面来看，各处理土壤有机质、速效钾含量随着土层深度的增加逐渐降低。其中，SC处理在各土层深度的有机质含量均最大，平均值达到10.0 g·kg-1，分别较CK、FGD、HA处理提高21.61%、19.57%、3.37%，说明“金阜丰”土壤改良剂对土壤有机质含量的增加效果最为显著。HA处理土壤全氮含量最高，平均为0.97 g·kg-1，分别较CK、FGD、SC处理提高35.14%、32.08%、14.02%。土壤速效钾含量FGD处理最高，平均为113 mg·kg-1，分别较CK、SC、HA处理提高8.65%、8.65%、9.71%。

表3 不同土壤改良剂条件下0—60 cm土层土壤养分Table 3 Soil nutrients in 0—60 cm soil layer under different soil amendments

2.2 不同土壤改良剂对水稻产量和经济效益的影响

水稻千粒重可以体现水稻籽粒大小与饱满程度，是检验稻米质量和预测田间产量的重要依据。由表4可以看出，施加土壤改良剂可以提升水稻千粒重和产量。与对照相比，施加土壤改良剂的水稻千粒重和产量分别增加10.19%～13.59%和13.54%～27.95%。其中，HA处理千粒重和产量最大，分别达到23.4 g和7 380 kg·hm-2。另外，通过经济效益分析发现，施加土壤改良剂可以提升水稻产值和纯利润，其中，HA处理获得了最大的产值、纯利润和产投比，分别为25 830.0元·hm-2、6 564元·hm-2和2.31，对比FGD和SC处理，HA处理产投比分别增加了67.01%和13.68%，综合考虑稻米质量、水稻产量和经济效益，建议优先选用腐殖酸改良本地区低洼盐碱地。

表4 不同土壤改良剂下陕北低洼盐碱地水稻的产量及经济效益Table 4 Rice yield and economic benefits in low-lying saline alkali land in Northern Shaanxi under different soil amendments

3 讨论

土壤含盐量过高会阻碍水稻正常生长发育，导致水稻吸水困难、生理干旱，破坏正常代谢，抑制光合作用和呼吸作用，影响叶绿蛋白的形成[13]；土壤酸碱性是影响土壤养分有效性的重要因素之一，pH过高或过低都不利于水稻对土壤养分的吸收[17]。试验区地势低洼、蒸发量大，盐离子随水流聚集，且地下水位埋藏浅、矿化度高、出流不畅，土壤盐渍化特征明显，表层土pH为9.03，水溶性盐总量为2.97 g·kg-1，严重影响水稻生长发育。本试验选择的3种土壤改良剂可显著降低表层土壤pH，各处理较对照降低4.53%～5.57%，其中，腐殖酸可显著降低表层土壤含盐量，与对照相比，表层土壤含盐量降低12.43%。周阳[20]在脱硫石膏与腐殖酸改良盐碱土效果研究中发现，脱硫石膏和腐殖酸共同施用，可显著降低土壤pH和含盐量；另外也有研究发现，“金阜丰”土壤改良剂可以有效降低土壤pH[11]，这与本研究结果基本相同。

土壤容重可以反映土壤紧实度，本研究发现，盐碱地中施加土壤改良剂，可有效降低土壤容重、改善土壤物理性质，3种土壤改良剂以施用腐殖酸对土壤容重的改善效果最好。腐殖酸溶于水后形成亲水胶体，在植物根系作用下，与土壤中钙离子发生凝聚反应而形成团粒结构，使土壤容重降低、空隙度增大[21]。王燕[22]以科尔沁地区盐渍化草甸土为研究对象，开展不同改良措施对不同盐渍化程度土壤容重影响试验，发现腐殖酸能在一定程度上调节土壤质地，降低土壤容重，改善土壤物理结构，这与本研究结果基本相同。

土壤养分是评价土壤生产力高低的重要指标之一。添加“金阜丰”土壤改良剂和腐殖酸后土壤有机质、全氮含量显著提高；添加脱硫石膏后，速效钾含量显著提高。谢仕祺等[23]研究土壤改良剂对土壤养分及细菌群落的影响，发现施加土壤改良剂对土壤pH、有机质、有效磷、碱解氮、速效钾、交换性钙镁、过氧化氢酶和蔗糖酶活性有不同程度的提升。韩剑宏等[16]研究发现，在内蒙古包头市盐碱地耕层土壤中施加腐殖酸80 d后，土壤速效钾、速效氮及有机质均显著提升，而有效磷含量较对照减少6.0%。周阳[20]研究发现，使用脱硫石膏和腐殖酸改良盐碱地，可显著提升表层土壤有机质、全氮和速效钾含量。使用腐殖酸和土壤改良剂增加土壤有机质和全氮含量，这与本研究结果相同，而施用土壤改良剂增加土壤有效磷含量与本研究结果存在一定出入，这可能与试验使用的改良剂养分含量不同有关。

水稻产量和品质是盐碱地改良效果的直接体现，施加土壤改良剂可以显著提升水稻千粒重和产量，与对照相比，施加土壤改良剂的水稻千粒重和产量分别增加10.19%～13.59%和13.54%～27.95%，其中，施加腐殖酸改良剂后，水稻千粒重和产量最大，这与前人研究结果相似[11]。脱硫石膏作为最常见的盐碱地改良剂，能降低土壤pH，改善土壤理化性质，增加土壤通气性和持水性，改善土壤微生物生长繁殖环境，促进水稻生长[24]；“金阜丰”土壤改良剂呈酸性，且含有一定量有机质，施加到盐碱地土壤中，可以改变土壤胶体离子组成，调节土壤酸碱度，改善土壤结构，提高植物养分供应，从而达到改良盐碱地目的[25]；腐殖酸是一种弱酸，且带有负电的胶体，对土壤的酸碱度起到很好的调节作用，与土壤结合后起到隔盐、吸盐作用，同时腐殖酸含有植物生长所必需的有机质和微量元素，可为作物生长发育提供必要的补充，增加作物产量[13]。通过经济效益分析发现，施加改良剂可以显著提升水稻产值和纯利润，其中施加腐殖酸处理获得了最大的产值、纯利润和产投比，综合考虑稻米质量、水稻产量和经济效益，建议优先选用腐殖酸土壤改良剂改良陕北低洼盐碱地。