土壤改良剂对松嫩平原盐碱土壤理化性状、水稻生长及产量的影响

李 鹏,田 苗,任 安,李德萍,赵婷婷,贺 丹,姜 虹,任 毅, 李明昊,代红喜

(1.黑龙江省农垦科学院农畜产品综合利用研究所,黑龙江 哈尔滨 150036; 2.黑龙江省绿色食品科学研究院,黑龙江 哈尔滨 150028)

东北地区作为我国重要的商品粮生产基地,对保障中国的粮食安全起着关键作用[1]。 东北地区松嫩平原盐碱地总面积高达342 万hm2,盐碱土由于pH 值高、含盐量高导致土壤通透性差,孔隙度低、易板结,不适于植株生长,降低作物产量[2]。 而土壤改良材料的正确使用可以有效缓解以上诸多问题。

土壤改良剂按原料来源大致分为4 类,即天然改良剂、人工合成改良剂、天然—合成共聚物改良剂和生物改良剂[3]。 本研究应用的松土精、盐碱土专用改良剂、黄腐酸钾分别属于人工合成改良剂、生物改良剂和天然改良剂。 松土精是一种无公害、无残留的高分子生物聚合物,易吸水,在土壤中遇水会慢慢解成气体和带电正负粒子,从而起到松解土壤、改善土壤板结的作用。 施用后增强土壤保水性和吸水性。 田丽等通过玉米盆栽试验,研究松土精对玉米幼苗的生长生理状况的影响,结果表明松土精对玉米幼苗生长有促进作用[4]。 薛利等采用大区试验,研究松土精对土壤和棉花生长的影响,结果表明松土精可提高棉田 0～10 cm 土壤有机质含量,明显降低棉田土壤紧实度。 棉花生育期施用松土精后,可减少棉花蕾铃脱落,增产效果显著,并提高经济效益[5]。 盐碱土专用土壤改良剂含有大量的有益微生物活性菌,其主要成分为解淀粉芽孢杆菌、胶冻样芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌,其分泌的抗菌物质能提高植物的抗病虫害能力,还能活化土壤,增加土壤吸收养分能力,延长肥效,连续使用可改善土壤团粒结构和土壤板结情况。 庞宁等筛选了两种耐盐碱菌,与实验室现有的溶磷菌、纤维素降解菌进行组合,并通过水稻盆栽试验验证了复合微生物菌剂在土壤理化性质、水稻形态及生理指标的作用效果,结果表明复合菌剂可以降低土壤 pH 值、电导率,对苏打盐碱土有一定的改良效果[6]。 向君亮等在大庆草原盐碱土中分离出一种耐盐碱菌株S11,盐碱胁迫条件下,浸种接菌处理苜蓿种子后,种子发芽率、幼苗根长和株高都有所增加[7]。杨威等研究了5 种生物菌在盐碱胁迫下对玉米生理指标的影响,菌剂作用于植物上通过降低丙二醛的积累或抗氧化酶SOD 活性减弱细胞的损伤,减轻盐碱对植物的胁迫[8]。 黄腐酸钾含有65%以上腐殖酸,可以改善土壤通透性,促进作物根系生长[9]。 王相平等研究发现,黄腐酸钾可增加土壤有机质含量、改善土壤性质,提高棉花产量[10]。 张济世等研究发现,腐殖酸可降低土壤 pH、改善土壤结构[11]。

松土精、盐碱土专用改良剂、黄腐酸钾在改良盐碱土上应用广泛,但多集中在旱田应用,在水稻田应用不多。本研究在水稻插秧前应用松土精、盐碱土专用改良剂及黄腐酸钾,验证其对盐碱土土壤理化性质及水稻生长的影响,以期为水稻盐碱土改良提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于 2022 年在闫家岗农场进行,该地位于哈尔滨市道里区机场路19 km 处,地理坐标为北纬45°34′～45°39′,东经126°17′～126°21′。 该地区年平均气温为3.4 ℃,年平均降雨量为380 mm,年平均积温2 851 ℃。试验小区旁边设有1 m 深的排水沟,进行排水排盐。 试验区土壤pH 8.4,为轻度盐碱地,有效磷40.2 mg/kg,速效钾125.5 mg/kg、有机质 18.2 g/kg,供试土壤八大盐离子组成如表1 所示。

表1 供试土壤八大盐离子含量 (cmol/kg)Table 1 Content of eight major salt ions in soil

1.2 供试材料选择

试验采用3 种土壤改良剂:①松土精(金杞农乐);②盐碱土专用改良剂(业盛旺生物官方旗舰店);③黄腐酸钾(济南甲虫化工有限责任公司)。 供试水稻品种为龙粳31。

1.3 试验设计

试验共设5 个处理,施用量按照改良剂商品施用量或参照文献中最适施用量设置,分别为 CK(对照,不添加任何改良剂)、S(松土精,3.75 kg/hm2)、G(盐碱土专用改良剂,3.75 kg/hm2)、H(黄腐酸钾,250 kg/hm2)、SH(松土精,3.75 kg/hm2+黄腐酸钾,250 kg/hm2)。 每个处理设置3 次重复,随机排列,小区面积均为27 m2。 2022 年 5 月9日,将改良材料一次性均匀施入试验地中,采用旋耕机使改良剂与土壤充分混合,每个处理正常施肥。 然后平整土地,试验小区开始灌水、泡田和排水。 5 月25 日插秧,行距为30 cm,株距为14 cm。 期间正常田间管理,10 月8日收获。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 土壤理化性质的测定

春耕前和水稻收获后,在每个试验小区按照5 点采样法设5 个采样点采集0～30 cm 土样,并进行混合,四分法留取土样。 将上述样品自然阴干过筛用于分析理化性质。 水溶性盐总量采用残渣烘干-质量法测定;土壤pH采用玻璃电极法测定,水土质量比为2.5 ∶1;土壤EC 采用EC 仪测定,水土比5 ∶1[12]。 阳离子交换量CEC 采用三氯化六氨合钴浸提—分光光度法;土壤碱化度计算参照文献[13];交换性钠离子浓度采用乙酸铵—氢氧化铵交换—火焰光度法;土壤有机质含量用重铬酸钾外加热法测定,全氮含量采用凯氏定氮法测定,全磷含量采用酸溶—钼锑抗比色法测定,全钾含量用火焰光度法测定[12]。

1.4.2 农艺性状及产量的测定

收获期每小区随机选取3 处1 m×1 m 对水稻进行取样,统计该样方内株高及有效分蘖数,烘干后计算地上部干物质量。 每个小区完全收获后测定产量。

1.5 数据分析

试验数据用 Excel 2013 进行处理,用 SPSS 软件对数据进行分析统计。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对土壤pH 及交换性钠的影响

由图1 可知,4 个改良剂处理均能显著降低土壤pH值(P＜0.05)。 与CK 相比,处理S、G、SH、H 土壤pH 值分别降低了0.5%、0.2%、1.2%和1.3%,其中H 处理降低土壤pH 的效果最为显著。

图1 不同改良剂对土壤pH 的影响Figure 1 Changes of soil pH under different modifiers

由图2 可以看出,4 个改良剂处理均能降低土壤交换性钠含量,但效果不显著。 H 处理土壤交换性钠含量最低,与CK 相比降低了4.0%,其次为G、SH、S 处理,分别降低了3.3%、3.0%和1.3%。

图2 不同改良剂对土壤交换性钠的影响Figure 2 Changes of soil exchangeable sodium under different modifiers

2.2 改良剂对土壤理化性质的影响

土壤速效磷、速效钾、有机质是反映土壤养分状况的关键指标,改良后三者含量高低是反映改良效果的重要因素。 由表2 可知,与对照相比,4 个改良剂处理均能提高土壤速效磷、速效钾及有机质含量。 除SH 处理下土壤速效磷含量与CK 无显著差异外,其余处理土壤速效磷含量均显著高于CK,G 处理土壤速效磷含量最高,其次为S、H、SH 处理,与CK 相比分别增加了41.5%、19.3%、7.9%和0.6%,各处理间差异显著(P＜0.05)。 与对照相比,4 个改良剂处理均能显著提高土壤速效钾含量,SH 处理土壤速效钾含量最高,其次为H、S、G 处理,与CK 相比分别增加了34.8%、27.0%、17.0%和9.9%。 由表2 可以看出,4 个改良剂处理均可增加土壤有机质含量,但增加效果不显著。

表2 不同改良剂处理对土壤理化性质的影响Table 2 Effects of different modifiers on soil physical and chemical properties

2.3 改良剂对土壤离子组成的影响

由表3 可知,4 个改良剂处理均可使土壤HCO3- 含量升高,与CK 相比差异不显著(P＜0.05)。 S 处理HCO3-含量最高,与CK 相比平均升高了22.7%,其次为G、SH、H 处理,分别升高了16.7%、10.6%和10.6%。 添加改良剂后,土壤Cl-含量降低,与CK 相比降低了6.3%～49.2%,其中SH 处理降幅最高,为49.2%,其次为H、G处理,分别降低32.8%和31.3%。 4 个改良剂处理均可提高土壤SO42-含量,SH 处理SO42-含量最高,与CK 相比升高了44.6%,其次为S、H、G 处理,分别提高了16.3%、13.9%和4.8%。 施加改良剂后,土壤Na+含量增加,平均增加了43.8%～154.2%,Na+含量G 处理＞S 处理＞SH 处理＞H 处理。 4 个改良剂处理均可降低土壤Ca2+含量,G处理土壤Ca2+含量最低,SH、H、S 处理其次,分别降低了50.0%、27.6%、22.4%和7.9%。 施入改良剂后土壤K+、Mg2+含量变化不大。

表3 不同改良剂处理下土壤离子组成及差异 (cmol/kg)Table 3 Soil ion compositions and differences under different modifiers

2.4 不同改良剂对水稻生长及产量的影响

表4 反映了不同改良剂对水稻株高、分蘖数、地上部干物质量及产量的影响。 由表4 可知,不同改良剂对水稻生长均有一定的促进作用,与对照相比,除G 处理使水稻株高降低外,S、H、SH 处理水稻株高分别提高了7.2%、0.9%和5.9%;S、G、H、SH 处理水稻分蘖数分别增加了51.8%、25.0%、18.8%和48.2%;S、G、H、SH 处理水稻地上部干物质量分别增加了38.8%、14.9%、29.8%和47.4%;S、G、H、SH 处理水稻产量分别增加了8.4%、3.9%、9.4%和12.3%。 可见,SH 处理能显著提高水稻株高、地上部干物质量及产量。

表4 不同处理对水稻生长的影响Table 4 Effects of different treatments on rice growth

3 结论与讨论

试验结果表明,4 个改良剂处理均能够显著降低土壤pH,处理S、G、SH、H 土壤pH 值分别降低了0.5%、0.2%、1.2%和1.3%,SH、H 处理降低 pH 的效果较优;4 种改良剂均能够有效提高土壤速效钾、速效磷、有机质含量,降低土壤交换性钠含量,并能促进水稻生长,提高水稻产量,与CK 相比,S、G、H、SH 处理水稻产量分别增加了8.4%、3.9%、9.4%和12.3%,SH 处理能显著提高水稻株高、地上部干物质量及产量;改良后土壤 HCO3-、SO42-、Na+含量升高,Cl-+SO42-/ CO3-+HCO3-比值显著降低,Cl-、Ca2+含量降低,Mg2+、K+含量无明显变化。 综合分析结果表明,改良剂SH 效果较为显著。

Na+、Cl-作为盐胁迫的两大离子,对植物的主要毒害表现为:使植物体渗透调节失衡,影响植物对水分的吸收[14～16]。 改良前土壤的主要阳离子是Na+,占土壤阳离子总量的比例＞80%,其次为Ca2+和Mg2+,占阳离子总量的比例分别为12.6%和6.0%,K+占比例最低,仅为0.7%,这与前人研究结果一致[17]。 SO42-和 HCO3-则为主要阴离子,盐分主要以小苏打( NaHCO3)和硫酸钠(Na2SO4) 为主,( Cl-+SO42-)与 HCO3-的比值为2.45,这与前人研究结果不一致,但也符合东北盐渍化土壤的盐分组成的特点[18]。 本试验中,4 个改良剂处理施入土壤后,发生了离子吸附交换、化学反应等过程,使土壤中各种盐基离子含量发生变化[19]。 改良后土壤Mg2+、K+含量变化不大,Ca2+含量降低,可能与试验地土壤为轻度盐碱土,Ca2+比Mg2+、K+更容易淋失有关[20～21]。 改良后土壤HCO3-、SO42-、Na+含量升高,Cl-、Ca2+含量降低,这与唐雪等用脱硫石膏、黄腐酸钾钾和稻壳改良盐碱土试验不十分一致,可见,不同的土壤性质、不同的添加剂、试验地排水、灌溉等设施都会影响土壤改良作用,需要具体的试验来验证。 改良后土壤Cl-+SO42-/ CO3-+HCO3-比值显著降低,说明试验地土壤中可溶盐组成类型发生了转化,具有一定的改良效果。 黄腐酸钾是从泥炭、褐煤、风化煤中提取,含有65%以上的腐殖酸,含有羟基、酚羟基等活性官能基团,具有弱酸性,能降低碱性土壤pH 值,作为一种缓释肥料,还能为植物提供营养,提高植物产量。 松土精和盐碱土专用土壤改良剂施入土壤中后,可改善土壤团粒结构和土壤板结,加强盐分淋溶效果,从而pH 得到改善,提高植物产量。 朱芸、韩剑宏等研究发现,腐殖酸使土壤 pH 降低,并提高土壤速效磷、速效钾及有机质含量[22～23]。 沙月霞等、庞宁等研究发现,生物菌剂可以降低盐碱地pH,改良土壤营养状况[24,6]。 罗俊等研究发现,松土精可降低土壤紧实度和总孔隙度,改善土壤物理性状[25]。 祝海竣等研究发现,松土精可以缓解盐碱胁迫对水稻生长发育和产量造成的影响,增加水稻产量[26]。 杨兴旺研究发现,松土精可显著促进葡萄植株生长、增大茎粗[27]。 王安东等研究表明,水稻增施黄腐酸钾可增加每穗粒数,进而增加产量,最高增产比例为3.57%[28]。 刘馨研究发现,枯草芽孢杆菌可促进黄瓜植株生长、增大茎粗[29]。 赵思崎等研究发现,微生物复合菌剂可显著提高水稻的生长指标[30]。 本试验中,松土精、盐碱土专用土壤改良剂和黄腐酸钾均可降低土壤pH、增加土壤速效磷、速效钾、有机质含量促进水稻分蘖、增加水稻地上部干物质量、提高水稻产量,这与前人的研究结果一致。 与其它处理相比,松土精与黄腐酸钾复合(SH)处理在降低土壤pH、增加土壤速效钾含量、增加产量方面相比其它处理效果显著,说明松土精与黄腐酸钾复合(SH)各组分均发生了作用,通过加量施用松土精或者黄腐酸钾单一改良剂不会有同样的效果。