河沙与有机肥对盐碱土改良效果及作物生长指标的影响

柴洪星，郭祥林，吴畏，张雪，高鹏浩，高佩玲，2

(1. 山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049；2. 山东理工大学 资源与环境工程学院，山东 淄博 255049)

据统计,我国盐碱化与次生盐碱化土地面积约为3.5×108hm2,占全球盐碱地总面积4%左右[1]。土地发生盐碱化会造成土壤板结,肥力下降,作物减产等问题,严重制约了农业的可持续发展[2]。黄河三角洲土地面积辽阔,自然资源丰富,是我国重要的经济开发区[3]。但由于海相沉积物与河相沉积物的叠加覆盖作用,导致该区域土壤具有积盐的特性,外加降雨不均且蒸发作用强,使得盐分在土壤表层积累,盐碱地面积达到24万hm2,占黄三角全区面积的1/2[4],已成为阻碍该区域农业发展的重要因素。改良盐碱地并加以合理利用对该区域农业可持续发展具有重大意义。

蔺亚莉等[5]研究发现,盐碱土掺沙可有效降低土壤容重,增加土壤孔隙度,提高土壤的通透性,进而影响盐碱土的水盐运移规律。周利颖等[6]通过室内土柱试验探讨了不同掺沙比例对重度盐碱土水盐运移的影响,研究发现,土壤掺沙可以增加土壤的入渗能力,促进土壤水分向下运移,有效降低了0～30 cm土层土壤含盐量。张宇航等[7]、相龙康等[8]研究发现,土壤表层掺沙能降低土壤含盐量,提高作物产量,其中掺沙15%改良效果最好。土壤发生盐碱化会导致土壤贫瘠,进而导致作物减产[9],有机肥因其大团粒结构和高肥力的特性被广泛应用于盐碱地改良。El-Halim等[10]通过淋溶试验发现,施加有机肥能降低土壤容重,提高土壤的透水性,且对土壤含水率有积极的影响。李旭霖等[11]、赵曼等[12]研究发现,施加有机肥能增加土壤微生物量,有效提高土壤的肥力,增加作物的产量,但自身带有的大量盐基离子,会造成短期内土壤盐分增加。研究表明,河沙和有机肥用于改良盐碱地具有良好的应用价值。综上所述,目前对掺沙和有机肥改良盐碱地研究多集中于单施改良剂对盐碱地改良效果的研究,缺乏盐碱地对二者耦合作用下响应研究。

黄河三角洲地区河沙资源储量丰富,开发利用率低,且随着该区域畜牧业集约化、规模化迅速发展,动物粪便产量丰富,粪便排放对环境污染问题日益严重,肥料化已成为动物粪便资源化利用的主要方向[13]。因此,将黄三角地区河沙资源与动物粪便进行资源化再利用,对该区域盐碱地改良和环境保护具有重要意义。基于此,本研究以黄河三角洲中度盐碱土为研究对象,通过室内盆栽试验,探究河沙与有机肥单施及二者耦合作用对盐碱土壤水盐分布、pH值和小麦生长指标的影响,以期为黄河三角洲地区盐碱地的综合治理提供数据支持与理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用土取自山东省滨州市滨城区中裕生态产业园。试验取土深度为40 cm,取试验区原状土测定土壤容重为1.39 g/cm3,田间持水率为28.62%,土壤初始全盐量为2.381 g/kg,属于中度盐碱土,试验用土预先去除石块、碾碎、自然晾干后,过2 mm筛,试验土壤的基本理化性质详情见表1。利用Mastersizer 3000型激光粒度仪测定试验土壤与河沙颗粒组成,具体结果见表2。根据国际土壤质地分类标准,本研究供试土壤为粉砂质土壤。

表1 试验用土的基本理化性质

表2 试验土颗粒组成

试验采用的有机肥为黑色颗粒状的免深耕有机肥,有机肥的原料为禽畜的粪便且氮磷钾满足N + P2O5+ K2O≥5%,有机质含量≥45%。

试验选取春小麦品种为济麦22号,盆栽规格为0.22 m × 0.24 m(内径×高)。

试验用沙采用黄河三角洲地区的黄河沙,河沙经过洗净晾干后过2 mm筛。

1.2 试验准备

小麦种子预先用水浸泡 8 h,然后放于湿润滤纸上,每隔2 h补水一次共补水24 h,保持种子湿润,待种子露白时候,准备播种。

每盆装土10 kg,底肥(氮肥、磷肥)与各改良剂混合均匀后装盆(预留1 kg土作为覆土),称重记录(干土+盆重),各盆灌水按田间持水量灌水,灌透后称每盆重量并记录(田间持水量+盆重+干土重),静置一天沉实,于第二天播种,将催芽处理后的种子撒在湿土表面,每盆播种20颗,用预留干土覆盖。

1.3 试验设计

本试验主要研究河沙和有机肥单施和配施对黄河三角洲地区中度盐碱土改良效果和小麦生长指标的影响并进行对比分析。本研究采用盆栽试验,基于张宇航等[7]研究发现在中度盐碱土掺沙具有提高土壤入渗能力、降低上层土壤含盐量和增加小麦株高和干物质量的作用,且掺沙最好的比例为15%,故试验河沙施用量采用15%。各改良剂施用量按照大田试验施用量转换为盆栽施用量,试验设置CK(对照),单施改良剂处理(S、M1、M2、M3),肥沙配施处理(M1S、M2S、M3S),每个处理重复3次,改良剂处理施用量见表3。春小麦于2018年3月30日播种,每盆播种20颗,播种深度为4～5 cm,三叶期定苗6株/盆,于2018年7月2日收获。

表3 盆栽试验各处理施用量

1.4 样品测定

样品测定中,上层土是指深度在0～<10 cm的土,下层土是指深度在10～20 cm的土。

土壤含盐量与降盐率:称取20 g过1 mm筛的风干土样放于三角瓶中,加入100 mL蒸馏水,将三角瓶置于振荡机上振荡10 min,静置15 min 后过滤,制成水土质量比为5∶1的澄清液并用DDS11-A数显电导率仪测定其电导率值[11]。根据当地土壤含盐量与电导率之间的标定关系式,将电导率转换成相应的含盐量。转换公式如下:

S=2.16ES5∶1+0.303,

(1)

式中:S为土壤含盐量(g·kg-1);EC5∶1为25 ℃下土壤浸提液电导率(μS/cm)。

根据盐分平衡原理计算土壤盐分变化量ΔS、土壤降盐率R,计算公式如下:

ΔS=Sb-Sa,

(2)

R=-(ΔS/Sa)×100%,

(3)

式中:ΔS为土壤盐分变化量(%);Sa为播种前土壤盐分含量(%);Sb为收获后土壤盐分含量(%);R为土壤盐分变化率(%)。

土壤含水率:用烘干法测定含水率,称取20 g左右的土放到称重过后的铝盒上,放入温度为105 ℃的烘箱中烘干12 h,冷却至室温后立即称重[12]。

pH值:使用电子天平称取过2 mm筛的风干土样10 g,放置于50 mL的离心管中,加入25 mL的去离子水。将离心管密封后,用振荡器震荡5 min,静置1 h,然后用pH计(梅特勒-托利多有限公司)测定。

生长指标:试验选用直尺测量植株的株高,每个盆栽试验标定具有代表性的3株植株监测其在全生育期内的变化。

产量指标:取植株样本测定鲜重后,置于温度为105 ℃烘箱杀青30 min,80 ℃烘干至恒重,测干物质产量。

2 结果与分析

2.1 各处理对土壤含水率的影响

不同处理对土壤含水率的影响如图1所示。由图1可知,各处理在不同土层的土壤含水率变化规律不同。在0～20 cm土层,各处理土壤含水率由高到低依次为M1S、S、M3S、M3、M2S、M1、M2、CK,与CK相比,有机肥处理均增加了土壤含水率。河沙处理土壤含水率较CK增加6.04%,具有显著性差异(P<0.05)。肥沙配施处理土壤含水率均高于有机肥处理和CK,其中M1S处理对土壤含水率增幅程度最大,较CK增加9.47%;由图1可知,各处理均降低了0～<10 cm土层土壤含水率,增加了10～20 cm土层土壤含水率,其中掺沙处理两土层间土壤含水率差值最大。其原因可能为河沙与有机肥改变了土壤结构增加了土壤的入渗能力进而提高了下层土壤含水率[13-14]。综上所述,各处理均增加了土壤入渗能力,提高了10～20 cm土层含水率,M1S处理对整个土层土壤含水率增幅效果最优,较CK增加9.47%,具有显著性差异(P<0.05)。

(a)0～<10 cm土层

2.2 各处理对土壤盐分的影响

不同处理对土壤含盐量的影响如图2所示。由图2(a)可知,在0～<10 cm土层,土壤含盐量由高到低依次为有机肥处理、CK、肥沙配施处理、河沙处理,与CK相比,有机肥处理增加了土壤含盐量,其中M3处理增加了0.34 g/kg,具有显著性差异(P<0.05)。河沙处理土壤含盐量较CK降低17.1%,低于其余处理。肥沙配施处理土壤含盐量均低于有机肥处理,说明掺沙增强了灌水对土壤表层盐分的淋洗作用。由图2(b)可知,在10～20 cm土层,与CK相比,有机肥处理均增加了土壤含盐量,具有显著性差异(P<0.05),河沙处理含盐量较CK无明显差异,配施处理土壤含盐量均高于CK,且呈现随着有机肥施加量增加含盐量增加趋势,其中M1S处理含盐量均小于其余处理;在0～20 cm土层,各处理土壤含盐量由高到低依次为M3、M1、M2、M3S、CK、M2S、M1S、S,其中S处理含盐量最低,M1S处理含盐量略高于S处理,但均小于其余处理。

(a) 0～<10 cm土层

为进一步比较分析各处理在0～<10 cm和10～20 cm土层对土壤盐分的影响,本研究计算了不同处理在不同土层的土壤降盐率,结果如表4所示。从表4中可知,在0～<10 cm土层,除M3处理外其余处理均降低了土壤含盐量,其中S处理脱盐效果最好,降盐率高达28.22%,肥沙配施处理的脱盐率均高于单施有机肥处理,其中M1S、M2S处理脱盐效果较好,脱盐率分别为21.78%,22.52%;在10～20 cm土层,各处理土壤含盐量均出现累积现象,其中M3处理含盐量增加了1.24 g/kg,高于其余处理。在有机肥施加条件下,掺沙处理土壤含盐量均低于未掺沙处理,其中M1S处理土壤含盐量增幅最小。综合图2与表4可得,有机肥处理增加了0～20 cm土层土壤含盐量,河沙与肥沙配施处理均降低了0～20 cm土层土壤含盐量,其中S处理脱盐效果最优,M1S略逊于S。

表4 不同处理在不同土层的土壤降盐率

2.3 不同改良剂对土壤pH值影响

图3为各处理对土壤pH值影响。由图3可知,各处理土壤pH值从大到小依次为S、CK、M1、M1S、M2、M3、M3S、M2S,有机肥处理降低了土壤pH值,且pH值随着有机肥施加量增加而降低,与CK相比具有显著性差异(P<0.05),其原因可能是有机肥自身呈现弱酸性,在其分解过程中会产生大量的酸性物质,因而能有效降低土壤pH值[15-16]。河沙处理增加了土壤pH值,但与CK相比无显著性差异(P<0.05)。肥沙配施处理降低了土壤pH值,与CK相比有显著性差异(P<0.05),其中M2S处理降低幅度最大,较CK降低9.04%。综上所述,有机肥处理显著降低了土壤pH值,河沙处理增加了土壤pH值,肥沙配施处理对土壤pH值的影响更为显著,其中M2S处理改良效果最好。

图3 各处理对土壤pH值影响

2.4 不同改良剂对小麦株高的影响

表5为小麦整个试验期间株高的变化情况和显著性分析。 由表5可知,在小麦生长初期,有机肥施用量对小麦株高影响极大,整体呈现随着有机肥施用量增加而降低的趋势,河沙处理与肥沙配施处理均增加了小麦株高,肥沙配施处理与有机肥处理相比对小麦株高的促进作用更为显著;在收获期(5月15日)各处理小麦株高从高到低依次为M1S、S、M2S、M3S、M1、M3、M2、CK,其中M1S处理促进作用最好,较CK增加20.17%。综上可以看出,有机肥在施用初期对小麦株高无明显促进作用,并且随着施用量的增加反而产生抑制作用,随着试验进行,有机肥处理均增加了小麦株高,在整个生育期内,河沙处理和肥沙配施处理对小麦株高具有较好的促进作用,其中M1S处理促进效果最为显著。

2.5 不同改良剂对小麦干物质量的影响

干物质量是评价作物产量的一个重要指标[17],由图4可以看出,各处理对小麦干物质量影响程度由高到低依次为肥沙配施处理、单施河沙处理、有机肥处理、CK。有机肥施用量对小麦干物质量具有很大的影响, 整体呈现随着有机肥施用量的增加小麦干物质量逐渐下降的规律,与CK相比均无显著性差异(P<0.05)。河掺沙处理增加了小麦的干物质量,与CK相比无显著性差异;肥沙配施处理均增加了小麦干物质量,且其值随着有机肥施加量的增加而降低,其中,M1S处理小麦干物质量增幅程度最大,较CK增加14.28%,有显著性差异(P<0.05)。

图4 不同处理的小麦干物质量

3 讨论

3.1 不同改良剂对土壤水分、盐分的影响

本试验研究发现,有机肥处理与河沙处理均降低了0～<10 cm土层土壤含水率,增加了10～20 cm土层土壤含水率,这与周利颖等[[6]、El-Halim等[10]研究发现适当掺沙有助于土壤水分向下运动的结论一致。增大掺沙比可以提高土壤水分入渗性能,随着掺沙比增大,入渗速率也在增大,其原因可能为有机肥与河沙均改变了土壤的物理结构,提高了土壤的入渗能力。有机肥也能改变土壤结构,有机肥通过促进形成土壤团粒结构来使土壤变得松软。在0～20 cm土层,河沙与有机肥处理均增加了土壤含水率,且在有机肥施加条件下,表层掺沙对土壤含水率能力提升效果更为显著,这表明肥沙配施处理能更好地提升盐碱土壤的持水能力,这对缺水地区水资源高效利用具有重要意义,其中M1S处理效果最优。

试验结果表明,有机肥处理增加了0～20 cm土层的土壤含盐量,这与刘媛媛等[18]研究发现施用有机肥显著增加了盐离子含量的结论相同,其原因可能为有机肥自身带有大量盐基离子,根据原子守恒原则,土壤含盐量会进一步增加。河沙处理显著降低了上层土壤含盐量,提高了土壤脱盐效率,有效促进了灌溉的水对上层土壤的淋洗,这与张宇航等[7]研究发现掺沙10%～20%的土壤脱盐效果明显的结论一致。掺沙能改变土壤颗粒组成,增加土壤有效孔隙度,加速土壤水分下渗,进而为盐分运移提供动力,达到降低上层土壤含盐量的效果。进一步比较有机肥处理、河沙处理和肥沙配施处理的脱盐效果发现,河沙处理的脱盐效果优于有机肥处理和肥沙配施处理,脱盐效果最优,M1S处理脱盐效果略低于河沙处理但优于其余处理。

3.2 不同改良剂对土壤pH值和作物生长指标的影响

试验结束时,河沙处理增加了土壤pH值,但与CK相比无显著性差异(P<0.05),有机肥处理均降低了土壤的pH值,且pH值随着有机肥施加量增加而降低,肥沙配施处理pH值均低于河沙处理,这表明施加有机肥能有效减轻土壤碱化程度,研究结果与李北齐等[19]发现施加的有机肥在土壤微生物及土壤酶活性的影响下,会在土壤中释放大量有机酸使pH值降低的结论相符。其原因可能为有机肥含有丰富的腐植酸,其自身为弱酸性,在分解的过程中亦能产生大量酸性物质,因而能降低土壤pH值,起到中和盐碱土pH值的作用。

本研究发现,有机肥处理在试验初期对小麦株高具有抑制作用,随着试验的进行,其对小麦生长的促进作用逐渐显现,在收获期小麦株高和干物质量均高于CK,这表明施加有机肥虽然增加了土壤含盐量,但整体对小麦生长有积极影响,这与李玉等[20]研究发现有机肥既能改变土壤理化性质,又能提高小麦产量的结论一致。在小麦整个生育期内,河沙处理与肥沙配施处理均增加了小麦株高和干物质量,且在施加有机肥条件下,掺沙对小麦生长指标的促进作用优于未掺沙处理,这说明河沙能较好减轻盐碱地对作物的盐胁迫影响,其原因可能与河沙处理具有较好的脱盐效果有关。通过进一步对比各改良剂对小麦生长指标的影响发现,肥沙配施处理对小麦生长的促进作用优于河沙处理和有机肥处理,其中M1S处理效果最好。

4 结论

1)各处理均增加了土壤入渗能力,提高了10～20 cm土层土壤含水率。河沙处理与有机肥处理均能提升0～20 cm土层土壤保水能力,肥沙配施处理对0～20 cm土层的土壤含水率提升幅度更为显著,其中M1S处理含水率较CK增幅最大,增幅为9.47%。

2)除有机肥处理,其余处理均降低了0～20 cm土层土壤含盐量,其中S处理脱盐效果最优,M1S略低于S。

3)有机肥处理显著降低了土壤的pH值,河沙处理增加了土壤pH值,但与CK相比无显著性差异;肥沙配施处理对降低土壤pH值改良效果优于河沙处理和有机肥处理,其中,M2S效果最优,M1S效果略逊于M2S。

4)试验结束时,各处理均增加了小麦株高和干物质量,肥沙配施处理对小麦株高和干物质量的促进作用更为显著;其中,M1S处理对小麦生长的促进作用最优。

综上所述,基于肥沙配施的M1S处理具有良好的保水脱盐能力,同时对作物的株高和干物质量的促进作用最为显著;因此,本研究中适合黄河三角洲地区盐碱土的最佳改良方案为M1S(河沙15%+有机肥 5 t/hm2)。