3種材料對高水位土壤返鹽及植物生長的影響

吳永健　唐永杰　顧婉聰　孫紅文　劉春光

摘 要：采用土柱試驗(yàn)，模擬具有較高水位的鹽漬土層，以堿茅作為供試植物，考察了4A沸石、電氣石和粉煤灰對土壤的改良效果。結(jié)果表明，3種材料未能抑制土壤返鹽，對植物的生長也未表現(xiàn)出促進(jìn)作用。4A沸石使土壤變得緊實(shí)，甚至抑制堿茅的生長。電氣石對土壤返鹽和植物生長均無顯著影響。粉煤灰加劇了土壤返鹽，但也促進(jìn)了堿茅的根系向鹽度較低的深層伸展，從而緩解了鹽脅迫。本研究認(rèn)為，3種材料均不適合抑制土壤返鹽和緩解鹽對植物的脅迫，粉煤灰有助于抑制鹽漬土的板結(jié)。

關(guān)鍵詞：鹽漬土；4A沸石；電氣石；粉煤灰；堿茅

中圖分類號：S156.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.04.018

Abstract： To evaluate the effect of 4A zeolite， tourmaline， and fly ash on the amendment of soil with high saline groundwater table， a soil column experiment was conducted using salt tolerant grass， Puccinellia tenuiflora. The results showed that there was no significant effect of these three materials on the inhibition of salt accumulation in topsoil. Also， the three materials showed no effect on the increase of plant growth. The 4A zeolite tightened the soil andeven inhibited plant growth. Tourmaline showedno significant effect on salt accumulation in topsoil and plant growth.Fly ash increased saltaccumulation in topsoil， but itstimulated plant rootextending to deepersoil with lower salinity， resulting in an alleviation of salt stress. This study indicated that all the three materials were unsuitable forthe inhibitionof salt accumulation in topsoil， while fly ash can be used to loosen tight saline soil.

Key words：salinesoil；4A zeolite； tourmaline； fly ash； puccinellia tenuiflora

土壤鹽漬化是一個世界性資源和生態(tài)問題，是生態(tài)恢復(fù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個重要的限制因素。在各類改良方法中，在土壤中施用改良劑的方法得到廣泛關(guān)注。利用特定的改良劑調(diào)節(jié)鹽堿土的理化性質(zhì)，緩解鹽分對植物的傷害，相比于其他方法具有見效快、投入小、周期短的優(yōu)點(diǎn)。近年來，越來越多的材料開始被應(yīng)用于土壤改良或修復(fù)，包括糠醛渣、生物炭、沸石、電氣石、粉煤灰等。

沸石是一種多孔礦物，具備良好的吸附性能。有研究表明，天然沸石加入土壤后增加了蘿卜的產(chǎn)量，并且起到了阻隔鹽分的作用[1]，沸石已成為一種有效的鹽堿化土壤改良劑[2]。4A沸石相較于天然沸石而言，其吸附能力更加優(yōu)秀，結(jié)構(gòu)、性質(zhì)均一，因而對于水溶液中的Na+應(yīng)當(dāng)具有更好的吸附能力。然而，尚沒有4A沸石用于鹽堿地土壤改良方面的報導(dǎo)。電氣石是一類礦物的統(tǒng)稱，具有復(fù)雜的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，具有一定的吸附性能，其用于吸附重金屬的研究已被廣泛報導(dǎo)[3]。有研究發(fā)現(xiàn)，電氣石對Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+等離子均有吸附效果，是一種優(yōu)良的新型吸附劑[4]。然而，電氣石對于Na+的吸附研究則少見，將其用于鹽堿土壤改良的報道罕見[5]。粉煤灰是燃煤工業(yè)產(chǎn)生的廢棄物，將其用于改良土壤已有廣泛報導(dǎo)[6]。有研究發(fā)現(xiàn)，在濱海鹽漬土中施用一定的粉煤灰后可以降低土壤容重，增加孔隙度，提高土壤的透水、透氣能力，使土壤含水量上升[7]。然而，粉煤灰良好的透水效果在干旱但高地下水位的地區(qū)是否會加重土壤表層鹽分的積累，尚未得到證實(shí)。

較高的地下水位是導(dǎo)致表層積聚鹽分的一個主要原因，而以往關(guān)于高鹽土壤改良的研究較少考慮地下水中鹽分向上遷移的貢獻(xiàn)。本研究試圖通過土柱試驗(yàn)，模擬具有較高水位的土層，以堿茅為供試植物，考察4A沸石、電氣石、粉煤灰對表層土壤鹽分聚積和對植物生長的影響。希望通過本研究的開展，為灘涂等地下水位較高的土層鹽漬化的緩解提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)在南開大學(xué)日光溫室進(jìn)行，起止時間為2013年10月22日（植物移栽）至2014年2月28日（收獲）。在試驗(yàn)期間溫室內(nèi)氣溫范圍為0～35 ℃，日均溫約為10 ℃，相對濕度約為10%～70%。試驗(yàn)中后期由于氣溫下降，于2013年12月25日將試驗(yàn)場地轉(zhuǎn)移至室內(nèi)日光燈培養(yǎng)架（光照度為72 mol·m-2·s-1），直至2014年2月28日收獲。室內(nèi)氣溫約為20～28 ℃，濕度約為20%～50%。

試驗(yàn)用土取自山東壽光，基本理化性質(zhì)為：含水率3.39%，有機(jī)質(zhì)2.46%，堿解氮26.61 mg·kg-1，速效磷9.10 mg·kg-1，含鹽量1.05 g·kg-1，pH值為7.98。堿茅（Puccinellia tenuiflora）種子由天津園林綠化研究所提供；4A沸石由南開大學(xué)催化劑廠提供，過400目篩；電氣石購于天津市鴻雁礦產(chǎn)品有限公司，過400目篩；粉煤灰取自南開大學(xué)供熱站。

以聚氯乙烯（PVC）管為容器（內(nèi)徑110 mm，高400 mm），一端以聚乙烯（PE）袋封口（兩層），每管裝土4.5 kg。底部放置一個塑料托盤，防止聚乙烯袋與地面摩擦破裂（圖1）。

1.2 試驗(yàn)方法

將堿茅種子播撒在聚苯乙烯育苗盤中，3周后將幼苗移栽至PVC管。

試驗(yàn)設(shè)置兩個鹽濃度水平：0 g NaCl·kg-1干土（無脅迫組），10 g NaCl·kg-1干土（脅迫組）。每個鹽度水平下設(shè)置4組改良劑處理：不施加改良劑；4A沸石；電氣石；粉煤灰。

所有改良劑添加量均為10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），與土壤混勻后裝柱。每組處理設(shè)4個平行，共計32個柱子。每個處理移栽50株幼苗，幼苗移栽經(jīng)5 d適應(yīng)后，給脅迫組處理添加鹽脅迫（10 g·kg-1），以NaCl溶液形式，由聚乙烯袋口加入（圖1）。添加去離子水使水位至15 cm高度，試驗(yàn)期間每天檢查水位變化，并從塑料袋口處加去離子水，維持塑料袋內(nèi)水位為15 cm。在生長期內(nèi)澆灌兩次霍格蘭營養(yǎng)液，共計100 mL·柱-1。

1.3 指標(biāo)測定方法及數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)結(jié)束時，在不損傷植株根系前提下，對每個處理均勻挖取基質(zhì)表面下方5 cm處土壤。用于測量可溶性鹽含量，以土壤浸提液（水土比5∶1）的電導(dǎo)率表示。

收獲堿茅地上、地下部分，于105 ℃殺青15 min，80 ℃烘干12 h，研磨，消解，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP OES）測定鈉元素含量。消解過程如下：稱取0.2 g左右（精確到小數(shù)點(diǎn)后4位）樣品，加入65%硝酸7 mL，30%過氧化氫1 mL，用微波消解儀消解。消解過程由程序控制：首先升溫至130 ℃，持續(xù)5 min，升溫至150 ℃，持續(xù)5 min，升溫至180 ℃，持續(xù)10 min，停止加熱，冷卻至室溫，以去離子水定容至25 mL，經(jīng)0.45 μm醋酸纖維微孔濾膜過濾備測。

數(shù)據(jù)處理使用IBMSPSS Statistics 20進(jìn)行單因素方差分析（Duncan多重比較，P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對堿茅生物量的影響

由圖2可知，在無鹽脅迫時，土壤中施加電氣石和粉煤灰對堿茅生物量無顯著影響，施加4A沸石的處理堿茅生物量顯著低于其他處理組；添加鹽脅迫的處理中，電氣石與粉煤灰處理對堿茅生物量影響不大，4A沸石的加入則顯著降低堿茅生物量。在該試驗(yàn)條件下，10 g·kg-1NaCl脅迫顯著降低了堿茅的生物量。從堿茅生物量上看，施加的3種改良劑均無顯著的改良效果。在試驗(yàn)期間發(fā)現(xiàn)，保持充足供水條件下，4A沸石處理土壤表層極為干燥，水分上行困難，因此堿茅難以生長，試驗(yàn)中期即出現(xiàn)枯亡的現(xiàn)象。

2.2 不同處理對土壤表層含鹽量的影響

采集植株收獲后的表層土壤，測定其水溶液電導(dǎo)率，以表示土壤含鹽量，其結(jié)果如圖3。在無脅迫處理中，粉煤灰處理與其余處理的電導(dǎo)率有顯著差異。在脅迫處理組，粉煤灰處理與其余處理的電導(dǎo)率差異顯著。這表明，粉煤灰會顯著加劇土壤鹽分在表土層的積聚。為排除添加劑引入鹽分造成影響，用烘干殘渣法測定了4A沸石、電氣石、粉煤灰各自的可溶性鹽含量，粉煤灰可溶性鹽含量與實(shí)驗(yàn)用土接近（約1 g·kg-1），4A沸石與電氣石自身可溶性鹽含量較低（約為0.1 g·kg-1）。在無脅迫處理組中改良劑引入的鹽分不超過土壤基質(zhì)，在脅迫處理組中，不同改良劑引入的鹽分相比于10 g·kg-1的脅迫強(qiáng)度只占不到1%[（1-0.1）×0.1÷10=0.9%]，因此本研究中不考慮改良劑引入鹽分的影響。

本試驗(yàn)中脅迫強(qiáng)度由添加的NaCl質(zhì)量控制，為更加直觀地比較脅迫強(qiáng)度（10 g NaCl·kg-1 ）與試驗(yàn)后土壤含鹽量，筆者取電導(dǎo)率數(shù)值最大的一組土壤樣品（7.41 ms·cm-1，約相當(dāng)于18.7 g·L-1的NaCl水溶液）用烘干殘渣法測定，其含鹽量為20.1 g·kg-1。由于試驗(yàn)設(shè)定的脅迫強(qiáng)度為10 g·kg-1（考慮土壤基質(zhì)背景含鹽量則約為11 g·kg-1），即土柱下部土壤含鹽量顯然低于平均脅迫強(qiáng)度。該結(jié)果表明，在本試驗(yàn)設(shè)定的高水位條件下，柱狀土壤中的鹽分含量從上到下依次降低，表層土壤含鹽量遠(yuǎn)高于土壤平均含鹽量。

2.3 不同處理對堿茅植株內(nèi)鈉含量的影響

從圖4可以看出，脅迫組相比于無脅迫組，堿茅體內(nèi)鈉含量顯著上升。添加4A沸石的處理植株體內(nèi)鈉含量顯著高于其他處理。除此之外，無論是脅迫組還是無脅迫處理組，電氣石或粉煤灰的加入對堿茅植株內(nèi)鈉含量均無顯著影響。

從圖5可以看出，鈉主要積累于堿茅的地上部分。各處理組堿茅根部對鈉的累積無太大差異，地上部分脅迫組相比于無脅迫組也無數(shù)量級差異。在只考慮均值的情況下，可以發(fā)現(xiàn)，粉煤灰的加入略微提高了堿茅的生物量，降低了植株體內(nèi)鈉濃度，所以在圖5中，脅迫+粉煤灰處理相比于脅迫對照具有差異。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

（1）4A沸石、電氣石、粉煤灰3種物質(zhì)加入土壤后均未能減緩?fù)寥利}分向地表富集，且粉煤灰顯著促進(jìn)了土壤返鹽；

（2）粉煤灰對鹽堿土壤有一定的改良效果，主要體現(xiàn)在降低土壤容重，促進(jìn)鹽分表聚，使得耐鹽植物能夠更好地在土壤深層扎根，吸收深層低鹽土壤的水分，降低鹽害；

（3）粉末狀4A沸石和電氣石對緩解植物鹽脅迫并無明顯作用，不宜用作鹽漬化土壤改良劑。

3.2 討 論

粉末狀4A沸石不適用于土壤改良。在本次試驗(yàn)中，粉末狀4A沸石加入土壤后，在低鹽濃度下（無脅迫處理組）略微提高了表土含鹽量，與脅迫對照相比則略微降低了表土含鹽量，但均不顯著。從圖2生物量的結(jié)果中可以看出，4A沸石加入土壤后不僅未促進(jìn)堿茅的生長，反而顯著地降低了堿茅的生物量。試驗(yàn)過程中亦發(fā)現(xiàn)4A沸石處理組在供水充足情況下，土壤表層仍十分干燥，土壤板結(jié)嚴(yán)重。4A沸石是一種人工合成材料，通常是極細(xì)的粉末。呈粉末狀的4A沸石加入土壤中后，使土壤黏粒組分大大增加，土壤中黏粒成分升高雖然會增加土壤飽和含水率[8]，但同時會使土壤水力傳導(dǎo)系數(shù)下降[9]，凋萎系數(shù)升高。由于4A沸石用于鹽漬化土壤改良尚無報道，我們比較使用沸石對鹽漬土進(jìn)行改良的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，多數(shù)試驗(yàn)使用的沸石粒徑以4 × 6、6 × 8、6 × 14等篩網(wǎng)規(guī)格描述，約相當(dāng)于4.75～3.35、3.35～2.36、3.35 ～1.40 mm[10]，其粒徑均遠(yuǎn)大于4A沸石。

電氣石對于鹽漬化土壤并無明顯改良效果。生物量、試驗(yàn)后表土含鹽量、植物體內(nèi)鈉含量等多項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果顯示，添加電氣石的處理組相比于對照組均無顯著差異，即電氣石不會加重鹽漬土表返鹽，但也不會促進(jìn)植物生長。鑒于有眾多文獻(xiàn)指出，電氣石對多種重金屬離子具有較強(qiáng)的吸附能力[11]，為避免土壤重金屬富集，對植物產(chǎn)生毒害，不推薦使用電氣石作為鹽漬化土壤改良劑。

粉煤灰施加入土壤后，可以疏松土質(zhì)，有助于植物扎根，并且吸收利用土層深處含鹽量較低的水分，從而降低鹽害。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰的加入會顯著加重鹽漬土土表的返鹽，但不會對植物生長產(chǎn)生較大影響。已有研究指出，粉煤灰加入鹽堿土壤后會改善土壤容重、滲透系數(shù)等物理性指標(biāo)[12]，對比脅迫+粉煤灰處理與脅迫處理，可以看出植物體內(nèi)累積的鈉有所降低。結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件下土壤鹽分分布從上到下遞減的現(xiàn)象，這是因?yàn)樵邴}分總量一定的情況下，粉煤灰的加入導(dǎo)致鹽分表聚，土壤下層含鹽量降低，且粉煤灰處理疏松的土質(zhì)利于堿茅在深層扎根，可以吸收利用下層水分，進(jìn)而減少鈉的吸收。植物體內(nèi)鈉含量數(shù)據(jù)表明，堿茅對于鹽分的吸收總量并不高，其耐鹽機(jī)理主要是根部對鹽分的選擇性吸收[13]，即對于此類植物，相比于表土含鹽量，根區(qū)土壤含鹽量對其影響較大。添加適當(dāng)?shù)母牧紕?，以加重土表鹽分富集為代價，降低深層土壤含鹽量也許值得嘗試，但是在自然條件下鹽分遷移更加復(fù)雜，尚需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

本研究采取的試驗(yàn)方式模擬了濱海鹽土環(huán)境的高地下水位特點(diǎn)，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有較好透氣、透水能力的土壤在該種情況下鹽分更容易聚集在土表，但植物在能獲得充分水分的情況下，仍能較好地生長。本試驗(yàn)的局限在于試驗(yàn)前未能考慮到4A沸石的性狀對于土壤質(zhì)地的影響，導(dǎo)致部分處理組的植物生長狀況不佳，其結(jié)果難以用作鹽分脅迫效果的依據(jù)。

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