碳調(diào)節(jié)劑降低次生鹽漬化土壤中可溶性鹽含量的可行性

盛海君， 杜 巖， 施凱峰， 單玉華,2， 封 克*

(1揚州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚州 225127; 2江蘇省有機固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210095)

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碳調(diào)節(jié)劑降低次生鹽漬化土壤中可溶性鹽含量的可行性

盛海君1，2， 杜 巖1， 施凱峰1， 單玉華1,2， 封 克1，2*

(1揚州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚州 225127; 2江蘇省有機固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210095)

【目的】設(shè)施土壤次生鹽漬化主要是由于氮肥施用過多造成的硝酸鹽在表土中的累積。本研究根據(jù)碳/氮互作原理，向次生鹽漬化土壤中添加碳調(diào)節(jié)劑(秸稈+腐解菌)，探討其降低土壤可溶性鹽含量的可行性?！痉椒ā刻颊{(diào)節(jié)劑主要以小麥成熟期秸稈磨成粉加入快腐菌劑制成。采用盆缽試驗方法，土壤鹽分動態(tài)試驗在每盆2.5kg土壤中添加150g碳調(diào)節(jié)劑，調(diào)節(jié)劑用量試驗在每盆中添加0(CK)、 30(T1)、 60 (T2)、 90(T3)、 120(T4)、 150(T5)和180g/pot(T6)碳調(diào)節(jié)劑，進行短期(7d)和長期(90d)培養(yǎng)，并在培養(yǎng)過程中測定土壤溶液的電導(dǎo)率、 可溶性鹽含量及離子組成。【結(jié)果】鹽分動態(tài)試驗監(jiān)測結(jié)果表明，土壤中加入碳調(diào)節(jié)劑后，明顯增加了起始電導(dǎo)值，隨培養(yǎng)進行，電導(dǎo)值不斷下降，呈二項式關(guān)系(y=0.0138x2-0.2681x+3.7768，r=0.9966**)，7d以后基本趨于穩(wěn)定。碳調(diào)節(jié)劑用量試驗結(jié)果表明，培養(yǎng)7d后，添加碳調(diào)節(jié)劑的所有處理其水溶性鹽含量均較對照有極顯著下降，下降幅度隨調(diào)節(jié)劑用量的增加而增加。培養(yǎng)90d后，添加碳調(diào)節(jié)劑的各處理土壤水溶性鹽呈現(xiàn)進一步下降趨勢。與培養(yǎng)7d時相比，T3和T4處理降幅最為明顯，其中T4處理在培養(yǎng)7d已降低23.82%的基礎(chǔ)上又降低了9.14%，總降幅達到32.96%，該結(jié)果說明碳調(diào)節(jié)劑的加入，其長期效應(yīng)也是不可忽視的。無論是短期培養(yǎng)還是長期培養(yǎng)，只要加入碳調(diào)節(jié)劑，土壤溶液中的硝酸根濃度均明顯下降，最多可使硝酸根濃度降低97.10%，這些結(jié)果說明，通過向次生鹽漬化土壤中加入碳調(diào)節(jié)劑來降低硝酸根含量的方法是可行的。碳調(diào)節(jié)劑還可大幅增加土壤速效鉀的含量，其中T6處理使土壤水溶性鉀濃度提高了近10倍，但對速效磷的補充有限。長期培養(yǎng)90d，速效氮、 磷、 鉀養(yǎng)分的變化與短期培養(yǎng)7d相似，只是銨態(tài)氮和硝態(tài)氮進一步明顯減少?！窘Y(jié)論】綜合考慮經(jīng)濟效益，理論上碳調(diào)節(jié)劑用量在36g/kg(T3處理)和48g/kg(T4處理)之間較為合適，但實際田間用量需經(jīng)過大田生產(chǎn)過程加以進一步驗正。

土壤; 次生鹽漬化; 硝酸根; 碳/氮互作; 碳調(diào)節(jié)劑

隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國設(shè)施蔬菜栽培面積已從1978年的0.53萬公頃發(fā)展到2011年的400多萬公頃[1]。但在高投入高產(chǎn)出的情況下，3年左右土壤即會出現(xiàn)不同程度的次生鹽漬化[2-3]，導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)降低[4-7]。我們在前期試驗中已發(fā)現(xiàn)，設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤的次生鹽漬化主要是由于氮肥施用過多造成的硝酸鹽在表土中的積累。雖然前人已提出多種解決蔬菜大棚土壤次生鹽漬化的途徑，如施肥預(yù)防[8-9]、 工程措施[10-11]、 生物除鹽[12-13]、 合理輪作[14]、 深耕和客土[15]、 施用生物有機肥[16-17]等，但有些措施的應(yīng)用會給周圍環(huán)境帶來二次污染[18]，如淹水洗鹽雖可將硝酸根向下淋洗出表層土壤，但增加了它們向地下水和地表水的遷移污染。此外，從養(yǎng)分資源的角度考慮，這也是對氮素資源的極大浪費。土壤微生物的礦質(zhì)化與同化這兩個作用是互為基礎(chǔ)的有機統(tǒng)一。從理論上講，在富含碳源的有機物質(zhì)礦質(zhì)化過程中，微生物在獲得大量碳源的同時，相應(yīng)地攝取分解產(chǎn)物中以至土壤中氮素等養(yǎng)分，使土壤有效態(tài)養(yǎng)分減少，同化強度大于礦質(zhì)化，形成了凈的同化作用。這個過程既可降低土壤溶液中的硝酸根含量，同時也會增加土壤有機質(zhì)含量(包括微生物細(xì)胞體以及復(fù)雜的代謝產(chǎn)物)，改進土壤的理化性狀[19]。本研究根據(jù)這個原理，通過向土壤中添加由秸稈和菌劑制備的碳調(diào)節(jié)劑，為土壤提供大量合適碳源，并在培養(yǎng)過程中對土壤溶液電導(dǎo)率和硝酸根含量以及其他離子加以測定，在驗證該理論的基礎(chǔ)上，為緩解大棚土壤次生鹽漬化找到一條經(jīng)濟、 環(huán)保、 簡便的新途徑。

1　材料與方法

1.1試驗材料

供試土壤為紅黃壤，取自江蘇省江陰市某蔬菜基地大棚次生鹽漬化嚴(yán)重的表層20cm土壤。土壤為重粘土(卡慶斯基制, 激光粒度儀法)，pH6.9，有機質(zhì)19.83g/kg、 全氮1.62g/kg、 硝態(tài)氮1332mg/kg、 銨態(tài)氮19.5mg/kg、 速效磷74mg/kg、 速效鉀270mg/kg、 鹽分14.44g/kg(電導(dǎo)率3.08mS/cm)。

碳調(diào)節(jié)劑主要以小麥成熟期秸稈磨成粉加入快腐菌劑制成。秸稈粉主要成分: 有機碳 460g/kg、 全氮8.24g/kg、 磷0.94g/kg、 鉀18.83g/kg、 鈉1.4g/kg、 鈣1.80g/kg、 鎂1.2 0g/kg、 硫1.94g/kg、 氯3.20g/kg。快腐菌劑為南京寧糧生物工程有限公司生產(chǎn)的秸稈速腐劑(該產(chǎn)品每公頃建議施用量30kg)。

1.2試驗設(shè)計

1.3測定項目與方法

1.3.2 土壤化學(xué)性質(zhì)和速效養(yǎng)分分析采用水土比5 ∶1浸提，利用土壤鹽分計測定電導(dǎo)率，pH計法測定pH值; 銨態(tài)氮含量采用KCl浸提靛酚藍比色法測定; 速效磷含量采用0.5mol/LNaHCO3浸提鉬藍比色法測定; 速效鉀含量采用1.0mol/LNH4OAc浸提火焰光度法測定。

1.4數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計方法

采用MicrosoftExcel2003軟件對數(shù)據(jù)進行處理和繪圖，采用SPSS19.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗(LSD法)。

2　結(jié)果與分析

2.1碳調(diào)節(jié)劑對土壤電導(dǎo)率及水溶性鹽分組成的影響

在7天的培養(yǎng)過程中，對照土壤電導(dǎo)率始終穩(wěn)定在3.08mS/cm左右，表明土壤水溶性鹽分含量基本沒有發(fā)生改變; 而添加碳調(diào)節(jié)劑明顯增加了起始的電導(dǎo)值，但隨培養(yǎng)過程的進行，電導(dǎo)值不斷下降(圖1)，電導(dǎo)與培養(yǎng)時間之間呈現(xiàn)出較好的二項式關(guān)系(y=0.0138x2-0.2681x+3.7768)，其相關(guān)系數(shù)(r)達到0.9966。從圖1看，電導(dǎo)率的明顯下降期主要發(fā)生在處理后培養(yǎng)的前7天，7天后下降緩慢，說明加入碳調(diào)節(jié)劑可在短時間內(nèi)顯著降低土壤中的可溶性鹽分含量。

電導(dǎo)率變化的實質(zhì)是溶液中帶電離子量的變化。根據(jù)每種元素的原子量，可以得到每種離子在添加碳調(diào)節(jié)劑后的數(shù)量變化，也即由它們導(dǎo)致的電荷的變化量。根據(jù)表1可知，加入碳調(diào)節(jié)劑培養(yǎng)10天后，土壤溶液中4種陽離子所帶電荷總數(shù)減少了50.35mmol/kg，4種陰離子所帶電荷總數(shù)減少了58.61mmol/kg。

圖1　土壤電導(dǎo)隨培養(yǎng)時間的變化曲線Fig.1　Electroconductivity change of soil with incubation days

[注(Note): 圖中小、 大寫字母示差異顯著(P<0.05)、 極顯著(P<0.01)Smallandcapitallettersmeansignificantdifferenceat0.05and0.01levels.]

表1　不同處理培養(yǎng)10天后可溶性鹽分組成變化及電荷增減 (g/kg)Table 1　Variation of soluble salt composition and charge number after 10 days’ incubation

2.2碳調(diào)節(jié)劑用量對土壤鹽分含量和組成的影響

2.2.1 碳調(diào)節(jié)劑用量對總可溶性鹽含量的長期影響秸稈也含有一定量的鹽分，因此選擇適宜的調(diào)節(jié)劑用量對指導(dǎo)實際應(yīng)用非常重要。在本試驗中，培養(yǎng)7d后，添加調(diào)節(jié)劑的所有處理其水溶性鹽含量均較對照有極顯著下降，下降幅度隨調(diào)節(jié)劑用量的增加而增加。降低最多的T6處理(180g/pot)與CK相比，水溶性鹽含量降低了24.17%(表2)。這一結(jié)果與表1中結(jié)果相比，變化趨勢基本一致，只是因培養(yǎng)時的溫度不同(動態(tài)試驗平均室溫35℃左右，用量試驗平均室溫25℃左右)，導(dǎo)致下降幅度存在差異。從陰陽離子組成看，不同碳調(diào)節(jié)劑添加量對土壤中陽離子總量影響不大，主要是影響了陰離子總量，從對照的10.74g/kg下降到T6處理的7.66g/kg左右，下降幅度28.69%。說明碳調(diào)節(jié)劑主要通過有效降低次生鹽漬化土壤中陰離子的含量來降低土壤水溶性鹽分(表2)。培養(yǎng)90d后，添加碳調(diào)節(jié)劑的各處理土壤水溶性鹽呈現(xiàn)進一步下降的趨勢。與培養(yǎng)7天時相比，T3和T4的降低幅度最為明顯。其中T4在培養(yǎng)7天時已降低23.82%的基礎(chǔ)上又降低了9.14%，總降低幅度達到32.96%。該結(jié)果說明碳調(diào)節(jié)物質(zhì)的加入，其長期效應(yīng)也是不可忽視的(表2)。

表2　不同碳調(diào)節(jié)劑用量下可溶性鹽的含量Table 2　The effect of cabon regulator added on water soluble salt content

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同小、 大寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05) 、 極顯著(P<0.01)Valuesfollowedbydifferentsmallcapitalandlettersinthesamecolumnaresignificantat0.05and0.01levelsamongtreatments.

本實驗中，土壤水溶性鹽含量與電導(dǎo)率的測定值之間存在著極顯著的正相關(guān)關(guān)系，7d培養(yǎng)和90d培養(yǎng)的水溶性鹽含量與相應(yīng)電導(dǎo)率間的相關(guān)系數(shù)r分別達0.9978**(n=7)、 0.9894**(n=7)，即添加碳調(diào)節(jié)劑各處理土壤電導(dǎo)率變化特征與水溶性鹽含量變化一致。因此在將來進行實際應(yīng)用時，可以通過測定土壤溶液的電導(dǎo)率(離子濃度)來對土壤鹽化程度進行正確的判斷。

2.2.3 不同碳調(diào)節(jié)劑用量對土壤速效N、P、K養(yǎng)分含量的影響碳調(diào)節(jié)劑的加入不僅改變了土壤中的

表3不同碳調(diào)節(jié)劑用量下土壤鹽分離子含量(g/kg)

Table3Soilsaltironcontentsaffectedbydifferentstrawamendmentamounts

培養(yǎng)天數(shù)(d)Incubationdays處理TreatmentK+Na+Ca2+Mg2+NO-3HCO-3Cl-SO2-47T60.933aA0.316abA1.627gG0.420dC0.171gG0.324aA2.032aA5.129aAT50.813bB0.325aA1.741fF0.425dC0.860fF0.299bA1.898bB4.623bABT40.625cC0.315abA1.855eE0.417dC1.394eE0.236cB1.650cC4.504bABCT30.587dD0.324aA2.227dD0.443cB2.983dD0.189dC1.522dC4.422bcBCT20.388eE0.324aA2.502cC0.454bB4.159cC0.163eC1.227eD4.310bcBCT10.223fF0.323aA2.636bB0.449bcB4.980bB0.107fD1.023fE4.003cBCCK0.095gG0.311bA2.813aA0.487aA5.898aA0.052gE0.800gF3.987cC90T60.973aA0.339cBC1.520eE0.417cC0.129fE0.237aA2.037aA5.301aAT50.755bB0.314dD1.452fF0.392eE0.217efE0.208bAB1.805bB5.254aAT40.575cC0.298eD1.497eE0.394eDE0.241eE0.196bcB1.647cC4.832abABT30.543dD0.369aA1.866dD0.404dD1.758dD0.183cdBC1.469dD4.413bcBCT20.388eE0.353bAB2.350cC0.434bB3.702cC0.161dC1.254eE4.344bcBCT10.238fF0.333cC2.602bB0.438bB4.736bB0.100eD1.028fF4.116cCCK0.095gG0.311dD2.813aA0.487aA5.898aA0.052fE0.800gG3.987cC

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同小、 大寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)、 極顯著(P<0.01)Valuesfollowedbydifferentsmallcapitalandlettersinthesamecolumnaresignificantat0.05and0.01levelsamongtreatments.

氮磷鉀養(yǎng)分總量，也通過物質(zhì)的轉(zhuǎn)化影響著土壤中不同形態(tài)的氮、 磷、 鉀含量。對加入不同量碳調(diào)節(jié)劑處理培養(yǎng)一段時間后速效氮磷鉀養(yǎng)分的測定結(jié)果(表4)表明，培養(yǎng)7天時，土壤中銨態(tài)氮含量隨碳調(diào)節(jié)劑用量增加而增加，硝態(tài)氮含量隨碳調(diào)節(jié)劑增加而減少。速效磷含量在所有添加碳調(diào)節(jié)劑后均有所增加，但幅度不大，也不存在隨用量遞增的趨勢。速效鉀含量隨添加碳調(diào)節(jié)劑的用量增加而明顯增加。對90d的長期培養(yǎng)來說，速效氮磷、 鉀養(yǎng)分的變化與短期相似，只是銨態(tài)氮和硝態(tài)氮進一步明顯減少，這主要是在微生物的作用下，無機氮向有機氮的持續(xù)轉(zhuǎn)化所致。

表4　不同碳調(diào)節(jié)劑用量下土壤速效養(yǎng)分含量(mg/kg)Table 4　The contents of available nutrients under different of amendment amount of carbon regulator

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同小、 大寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)、 極顯著(P<0.01)Valuesfollowedbydifferentsmallcapitalandlettersinthesamecolumnaresignificantat0.05and0.01levelsamongtreatments.

3　討論

3.1設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤次生鹽漬化的特征

3.2利用碳調(diào)節(jié)劑降低土壤硝酸鹽含量的可行性

3.3碳調(diào)節(jié)劑對氮磷鉀速效養(yǎng)分的影響

設(shè)施農(nóng)業(yè)中由于大量單一使用氮肥，還會造成營養(yǎng)元素間的不平衡。碳調(diào)節(jié)劑的施用一方面可以明顯降低過高的土壤硝態(tài)氮含量，同時可以通過秸稈中含有的大量鉀，明顯彌補設(shè)施農(nóng)業(yè)中鉀肥的不足，而鉀對蔬菜生產(chǎn)特別是對茄果類的產(chǎn)量和品質(zhì)影響極大。本試驗證實，碳調(diào)節(jié)劑的投入對土壤速效鉀的補充量很大，最大量處理(T6)使土壤水溶性鉀濃度在原有基礎(chǔ)上提高了近10倍(表3)。但從結(jié)果看，碳調(diào)節(jié)劑的投入對速效磷含量的增加有限，這主要是因為秸稈的含磷量低所致。

3.4碳調(diào)節(jié)劑使用適宜溫度條件

溫度對微生物的影響是廣泛的，改變溫度必然會影響微生物體內(nèi)所進行的多種生物化學(xué)反應(yīng)。本研究中，碳調(diào)節(jié)劑用量試驗是在秋天進行的，平均室溫25℃左右，培養(yǎng)90天后T5處理與CK相比，水溶性鹽含量降低了28%，與前一試驗(夏天進行，平均室溫35℃左右)10天水溶性鹽含量下降32.9%有一定的差距，這一結(jié)果說明，稍高的溫度條件更有利于鹽分下降，同時可以大大縮短培養(yǎng)時間。

3.5碳調(diào)節(jié)劑適宜用量的確定

蔬菜生長對鹽分含量的要求有一定的范圍[31]，并非越低越好。本試驗通過添加不同量碳調(diào)節(jié)劑的結(jié)果表明，對降低總水溶性鹽含量而言，當(dāng)碳調(diào)節(jié)劑用量超過120g/pot(T4)時，其降鹽效果已不明顯(表2); 對于降低硝酸根含量而言，較為明顯的效果也發(fā)生在120g/pot(T4)以內(nèi)的碳調(diào)節(jié)劑用量處理。采用盆栽試驗對處理后植物的實際生長過程進行的考察也表明，T3和T4小青菜出苗率最高，分別為92%、 90%，CK處理不出苗(資料另文發(fā)表)。考慮到經(jīng)濟效益，本試驗條件下推薦T3(90g/pot)或T4(120g/pot)用量處理。但由于本試驗采用的是室內(nèi)盆缽試驗，該推薦是否符合大棚的實際生產(chǎn)還有待進一步研究明確。

4　結(jié)論

2)加入碳調(diào)節(jié)劑在短期培養(yǎng)和長期培養(yǎng)中均可明顯降低土壤溶液中硝酸根的濃度，在一定范圍內(nèi)，降低幅度隨碳調(diào)節(jié)劑加入量的增加而增加，本實驗條件下最多可在原有濃度上降低97.10%;

3)加入碳調(diào)節(jié)劑可大幅增加土壤速效鉀的含量，但對速效磷的補充有限;

4)綜合考慮經(jīng)濟效益，推薦碳調(diào)節(jié)劑用量為36g/kg(T3)或48g/kg(T4)，但還需經(jīng)過實際生產(chǎn)加以驗證。

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Feasibilityofmitigatingthesecondarysalinizationingreenhousesoilbycarbonregulator

SHENGHai-jun1,2,DUYan1,SHIKai-feng1,SHANYu-hua1,FENGKe1,2*

(1 College of Environmental Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu 225009, China;2 Jiangsu Collaborative Innovation Center for Solid Organic Waste Resource Utilization, Nanjing, Jiangsu 210095, China)

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[CX(12)3021]; 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2013CB127404); 江蘇省科技支撐計劃(BE2014345，BE2013360)資助。

盛海君(1966—)，女，江蘇宜興人，高級農(nóng)藝師, 主要從事農(nóng)田障礙土壤修復(fù)研究。E-mail:hjsheng@yzu.edu.cn

E-mail:fengke@yzu.edu.cn

S152.7;S512.1

A

1008-505X(2016)01-0192-09

交稿日期: 2014-06-16接受日期: 2015-01-13網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-02-12