稻殼深施改良蘇打堿土理化性質(zhì)長期效應(yīng)

王秋菊，劉 峰，常本超，新家憲，劉艷霞，姜 輝，焦 峰

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稻殼深施改良蘇打堿土理化性質(zhì)長期效應(yīng)

王秋菊1,2，劉 峰1，常本超1，新家憲3，劉艷霞4，姜 輝5，焦 峰6※

（1. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，哈爾濱 150086； 2. 黑龍江省土壤環(huán)境與植物營養(yǎng)重點實驗室， 哈爾濱 150086； 3. 日本NICH研究所，日本札幌 079-01； 4. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院遙感技術(shù)中心，哈爾濱 150086； 5. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研處，哈爾濱 150086； 6. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶 163319）

鹽漬土是中國重要耕地土壤，由于土壤中鹽基離子含量高，影響植物生育，為此改良鹽漬土意義重大。該研究以黑龍江省蘇打堿土為供試土壤，采用土層置換犁將稻殼埋于20~30cm土層中，以單獨的機(jī)械耕作不埋稻殼為對照，田間作業(yè)8 a后再次調(diào)查土壤理化性質(zhì)，研究結(jié)果：土壤有機(jī)碳、速效氮、磷、鉀含量與對照比有增加趨勢，各層土壤pH值降低0.37～0.41，Na+降低40.68～212.35 mg/kg；土壤固相率約40%，與對照比下降了3.68%～8.86%，土壤總孔隙度增加到57.38%～60.58%之間，有效孔隙比例大，占總孔隙的22.7%～26.8%，對照有效孔隙占總孔隙的19.0%～23.7%；土壤通氣、透水性分別是對照的10～121 5倍和118～173 5倍，0～30 cm土層水庫容量高于對照18.58 mm；速效水庫容高于對照10.71 mm；稻殼深施持續(xù)后效長，改善蘇打堿土比單一機(jī)械耕作有效，是適合鹽漬土改良的一項技術(shù)，而且可以通過機(jī)械手段得以實現(xiàn)。

耕作；土壤；鹽分；蘇打堿土；稻殼；深施；孔隙

0 引 言

鹽漬土是中國重要土壤資源。據(jù)《中國鹽漬土》記述[1]，中國鹽漬土的面積為9.91×107hm2。在中國東北地區(qū)(遼寧、吉林、黑龍江、內(nèi)蒙古），鹽漬土面積約為8.05×106hm2，占全國鹽漬土總面積的7.12%或7.19%[2]。鹽漬土按照自然條件可以分為內(nèi)陸鹽漬土和濱海鹽漬土[3]。黑龍江省鹽漬土屬于內(nèi)陸型鹽漬土，包括鹽土、堿土，總面積2.43×106hm2，已墾為耕地的面積為1.6×106hm2，占第二次土壤普查鹽漬土總面積的66.03%。主要分布在松嫩平原的安達(dá)、肇東、肇源、大慶、富裕、杜蒙等市縣，以及三江平原也有零星分布[4]。各級政府和科研部門非常重視鹽漬土的改良，先后提出了各種改良鹽漬土的技術(shù)與方法。在鹽漬土改良中主要采用施有機(jī)肥、石膏、土壤調(diào)理劑進(jìn)行改良[5-6]；耕作改土方面以深松技術(shù)為主，但后效短[7-8]；在有的地方采用暗管排鹽工程技術(shù)[9-11]，效果雖好，成本高，推廣難；在鹽漬土利用方面東北地區(qū)種植水稻的效果明顯[12]，但受到水源等因素制約。稻殼深施技術(shù)是作者所在課題組提出的一種改良鹽漬土的技術(shù)[13]。選用稻殼為改土物料，一是利用稻殼二氧化硅（10%～21%）、纖維素和半纖維素（34%～42%、16%～22%）以及木質(zhì)素（21%～26%）含量高，耐腐爛和通氣透水性好的特性[14-16]，可以促進(jìn)土壤形成穩(wěn)定大孔隙，利于土壤排鹽和降低毛管力，減輕鹽分表聚；二是稻殼來源廣、成本低，資源豐富[17]，利于大面積推廣應(yīng)用。

為探索改良鹽漬土的新途徑，筆者等在蘇打堿土上開展了稻殼機(jī)械深施試驗，結(jié)果證明，稻殼深施區(qū)在降低土壤容重、增加通透性、改善三相比的效果明顯；連續(xù)2a調(diào)查苜蓿產(chǎn)量，稻殼深施區(qū)比對照平均增產(chǎn)25.4%～33.2%[13]。但其持續(xù)的改土后效尚未見報道。本文在上述改土試驗區(qū)上繼續(xù)開展土壤理化性質(zhì)調(diào)查，意圖通過比較改土后第8年的改土區(qū)與對照區(qū)土壤理化性質(zhì)變化，明確稻殼深施的持續(xù)效果，為鹽漬土改良提供可靠技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗設(shè)在黑龍江省蘭西縣遠(yuǎn)大鄉(xiāng)勝利村黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院草業(yè)研究所試驗基地院內(nèi)的撂荒農(nóng)田進(jìn)行（125°28′24″E，46°32′17″N)。研究區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，近10a平均降雨量450mm，年平均氣溫3.1 ℃，≥10 ℃有效活動積溫2 760 ℃[18]。

供試土壤為蘇打堿土，黑土層厚度為20～25 cm，表層疏松，下層為緊實的柱狀結(jié)構(gòu)，具備典型的蘇打堿土剖面構(gòu)造。試驗地土壤基本性質(zhì)如表1。

表1 試驗地土壤基本性質(zhì)

1.2 試驗處理

試驗2個處理，分別為深耕和稻殼深施處理，試驗區(qū)采用大區(qū)對比研究，每區(qū)面積2 000 m2。

深耕區(qū)（對照）：采用土層置換犁，將0～20 cm表層土與下面的20～40 cm心土層進(jìn)行土層置換，耕深40 cm。

稻殼深施區(qū)：采用土層置換犁將鋪在地表稻殼深施作業(yè)，總耕深約40 cm。首先在試驗區(qū)表面平鋪約10 cm厚稻殼（100 t/hm2)，然后根據(jù)土層置換犁作業(yè)原理將稻殼翻埋到25～30 cm土層中。

試驗處理時間為2009年11月10－15日，2010年4月下旬用組合耙交叉耙2次，平整土地。在播種前施肥硫酸銨（含N 21%）100 kg/hm2、過磷酸鈣（P2O514%）1 000 kg/hm2，之后耙平，播種苜蓿，2014年秋草地更新，2015年改種玉米（先玉335），2016、2017年種植大豆（黑農(nóng)48），施肥及田間管理同一般大田。

1.3 調(diào)查項目

在實施改土后第2年和第3年分別對處理土壤進(jìn)行了物理、化學(xué)性質(zhì)調(diào)查。本次調(diào)查是在改土后第8年(2017年)進(jìn)行。調(diào)查項目與方法如下：

土壤化學(xué)樣品取樣方法：按照0～10、>10～20、>20～30 cm土層土壤隨機(jī)取樣，每個處理取樣5點，混合后按四分法留500 g左右?guī)Щ貙嶒炇绎L(fēng)干、備用。

圖1 稻殼深施田間作業(yè)

化學(xué)指標(biāo)分析方法：土壤全氮含量測定采用凱氏定氮法測定；全磷含量采用HF-硝酸混合消煮，鉬銻藍(lán)比色法測定；全鉀含量采用HF-硝酸混合消煮，原子吸收分光光度法測定；堿解氮含量采用擴(kuò)散吸收法測定；速效磷含量測定采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測定[19]；速效鉀含量測定采用乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法測定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定；水溶性鉀、鈣、鈉、鎂離子采用原子吸收分光光度法測定；氯離子采用硝酸銀滴定法測定；碳酸根和碳酸氫根采用雙指示劑滴定法測定，硫酸根采用硫酸鋇比濁法測定[20]；土壤pH值采用pH指示劑法測定。

土壤物理樣品取樣方法：參照日本的《土壌および作物の診斷基準(zhǔn)-分析法》一書[21]，在取化學(xué)樣品的各點中，選取有代表性的一點挖長、寬、高為60 cm×60 cm×60 cm土壤剖面，用100mL環(huán)刀分層取原狀土樣測定土壤物理性質(zhì)。取樣層次分別為0～10、>10～20、>20～30 cm土層，每個土層取3個重復(fù)樣品，環(huán)刀樣扣蓋后用膠帶密封，帶回實驗室備用。

土壤物理指標(biāo)測定方法：土壤容重采用環(huán)刀稱重法測定；土壤通氣系數(shù)采用DIK-5001土壤透氣性測定儀測定；飽和導(dǎo)水率采用DIK-4012土壤透水性測定儀測定；土壤三相比采用DIK-1130土壤三相測定儀測定[22]；土壤孔隙分布測定方法：采用砂柱和壓力膜儀測定不同壓力下土壤水分含量，得出土壤水分-吸力關(guān)系曲線，根據(jù)該曲線求得土壤孔隙當(dāng)量直徑（=3/），得出不同當(dāng)量直徑孔隙（%），即土壤不同孔隙的分布，注：為孔隙當(dāng)量直徑（mm），為水柱高度（cm）。

各個土層土壤儲水量計算方法如下

=×××10 （1）

式中為儲水量，mm；為土壤容重，g/cm3；為土層厚度，cm；為土壤質(zhì)量含水量，%[23]。

土壤儲水量劃分標(biāo)準(zhǔn)為：

重力水含水量（%）=飽和含水量（%）?田間持水量（%，水吸力：63 cm） （2）

速效水含水量=田間持水量（%）?初期凋萎含水量（%，水吸力：6 618 cm） （3）

遲效水含水量=初期凋萎含水量（%）?永久凋萎含水量（%，水吸力：16 544 cm） （4）

無效水含水量為水吸力超過16 544 cm以上的植物不能吸收的土壤水分[24]。上述數(shù)據(jù)均可通過土壤水分—吸力關(guān)系曲線求得。

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

從表2中看出，稻殼深施土壤有機(jī)質(zhì)含量高于對照；各土層土壤速效氮、磷、鉀含量高于對照；稻殼深施可以降低土壤pH值，土壤pH值降低0.37～0.41。

表2 不同處理土壤養(yǎng)分

從圖2中看出，蘇打堿土鹽基離子組成以Na+為主，稻殼深施增加了土壤大孔隙比例，改善了土壤通透性和排水能力，降低了土體中的鹽基離子總量，特別是降低了土體中的Na+和HCO3-濃度，其中Na+質(zhì)量濃度降低40.68～212.35 mg/kg，HCO3-也有明顯降低的趨勢。由于土壤pH值與Na+和HCO3-離子濃度呈正相關(guān)[25-26]，因此認(rèn)為土壤pH值降低主要是Na+濃度降低帶來的結(jié)果。

圖2 不同土層鹽基離子含量

2.2 對土壤物理性質(zhì)的影響

從圖3中看出，稻殼深施處理8 a后，土壤固相率約40%，明顯低于對照，與對照比土壤固相率下降3.68%～8.86%；氣相率高達(dá)20%，也明顯高于對照，說明土壤通氣性良好；土壤總孔隙度，稻殼深施區(qū)為57.38%～60.58%之間，對照僅為48.52%～56.89%。

圖3 不同處理土壤三相

從土壤孔隙組成看（圖4），0～10、>10～20、>20～30 cm土壤通氣孔隙（>0.05 mm）占總孔隙比例分別為28.34%、16.36%和20.76%，分別是對照的5.91倍和9.52倍；有效孔隙（0.000 2～0.05 mm）比例分別占總孔隙的26.8%、25.6%、22.7%，對照有效孔隙分別占總孔隙比例的22.2%、23.7%、19.0%，稻殼深施可以增加土壤有效孔隙比例，降低無效孔隙（<0.000 2 mm）比例。土壤大孔隙和有效孔隙增加，可以促進(jìn)水分的流動，利于土壤洗鹽。

從表3看出，稻殼深施區(qū)土壤容重比對照低0.16～0.23 g/cm3，其中20～30 cm土層降低幅度最大。土壤的通氣系數(shù)，稻殼深施區(qū)165×10-6～243×10-6cm/s，比對照高10～1 215倍。土壤飽和導(dǎo)水率，稻殼深施區(qū)是對照的118～1 735倍，>10～20和>20～30 cm的土層差異明顯。

圖4 不同處理土壤孔隙分布

表3 土壤容重、通氣、透水性

不同處理區(qū)0～30 cm土壤水庫容儲水測定結(jié)果如圖5所示，稻殼深施區(qū)總儲水庫容164.06 mm，比對照高18.58 mm；其中有效儲水庫容41.14 mm，比對照高9.6 mm。稻殼深施增加速效水庫容，為33.19 mm，高于對照10.71 mm，保證了土壤的供水能力增強(qiáng)。

圖5 不同處理土壤水庫容

3 討 論

稻殼深施技術(shù)是通過機(jī)械將稻殼這種不宜腐爛的物質(zhì)鋪在25～30 cm土層土壤中，在土壤中構(gòu)建穩(wěn)定的大孔隙，形成阻隔層，在提高土壤排水能力同時，切斷上土層的水力聯(lián)系。剖面調(diào)查看出，稻殼不易腐爛，即使是施入土壤8 a后仍保持原來狀態(tài)（圖6），由此可見，稻殼是可以保證改土具有長期效果的資源。稻殼深施8a后調(diào)查結(jié)果，土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、磷、鉀含量均比對照高（表1）。由于稻殼在土壤中分解程度比較低，因此表1中土壤有機(jī)質(zhì)含量的差異可能來源是機(jī)械作業(yè)精度差導(dǎo)致的取樣誤差或是苜蓿根系量的差異所致，有待于進(jìn)一步研究。另一方面稻殼自身養(yǎng)分含量低，土壤速效養(yǎng)分增加可能不是稻殼腐解釋放養(yǎng)分的結(jié)果，最大的可能性是由于土壤通氣性提高增強(qiáng)了土壤微生物活性，促進(jìn)了土壤養(yǎng)分有效化[27-29]。稻殼深施區(qū)比對照土壤水溶性鹽基離子總量低，尤其是土壤中Na+和HCO3-降低是改善土壤pH的重要原因，前期試驗表明，稻殼深施技術(shù)可以保持土壤形成大孔隙，使深層緊實的土壤變得疏松，增加土壤由上向下的透水能力[13]；8a后調(diào)查結(jié)果，土壤孔隙度、通氣、透水性仍明顯高于對照。早年采用深松改良鹽漬土[30]，后效短，需要連年深松；也有研究認(rèn)為深松效果可持續(xù)2 a[31]，深松等深耕技術(shù)改良蘇打堿土的持續(xù)后效短與這類土壤高分散特性有關(guān)。蘇打堿土鈉離子含量高，土壤以單粒存在，土壤在擾動后會很快恢復(fù)原狀[4]。所以單一的機(jī)械耕作對蘇打堿土改良效果不理想，需要一定的介質(zhì)為改土物料。改良鹽漬土的材料也很多，如石膏、腐殖酸、秸稈、有機(jī)肥等，都可作為改良鹽漬土的材料[32-34]，但這些材料或存在成本較高問題或效果不明顯或改良土壤時期長的問題。稻殼也是一種有機(jī)物料，無污染，不易腐爛，成本低，利用稻殼為介質(zhì)，埋入土壤后可以在土壤中長時間保持原狀態(tài)，擾動后土壤恢復(fù)性差，能長時間改變土壤的結(jié)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)土壤的水、氣、熱等環(huán)境，改變土壤的不良性狀和障礙因子，從而達(dá)到適合植物生長的環(huán)境，改土8a后土壤緊實度仍低于對照處理，大孔隙和有效孔隙數(shù)量占有比例大，土壤儲水容高，可被植物吸收利用的有效水分多，能保證植物生長對水分的需求。稻殼深施技術(shù)是一項工省效宏的鹽堿地治理技術(shù)。

圖6 稻殼深施后土壤剖面

另外，研究區(qū)物理性質(zhì)具有比較大的穩(wěn)定性，空間變異小，故本文原狀土取樣方法參照文獻(xiàn)[21]挖取一個剖面，取樣缺少重復(fù)性可能會對研究結(jié)果產(chǎn)生一定誤差，今后對土壤原狀土田間取樣過程和方法會適當(dāng)進(jìn)行改進(jìn)，增加取樣位點。

本研究是在大田條件下采用機(jī)械作業(yè)的田間對比試驗，由于機(jī)械作業(yè)存在不均一性，不如小區(qū)模擬試驗精準(zhǔn)，測定的數(shù)據(jù)誤差較大是本研究的缺憾，但總的規(guī)律是真實可信的，試驗結(jié)果更能反映生產(chǎn)實際情況。為了避免田間機(jī)械作業(yè)的精確度差的問題，在今后的研究中，應(yīng)采用大田機(jī)械作業(yè)試驗與人工模擬相結(jié)合的方式，以提高研究的精確度。

4 結(jié) 論

稻殼深施技術(shù)是一項有效的改良鹽漬土不良狀態(tài)的改土技術(shù)，改土后效長，效果好。

1）與深耕對照相比，稻殼深施土壤有機(jī)碳、速效氮、磷、鉀含量增加，10～30 cm的土層鹽基離子總量、土壤pH值及Na+降低，稻殼深施8 a后效果依然明顯。

2）稻殼深施可降低土壤固相比率，土壤固相達(dá)40%左右，土壤總孔隙度增加、有效孔隙比例大，達(dá)總孔隙的22.7%～26.8%，土壤通氣、透水性明顯高于對照，土壤貯水能力增加，0～30 cm土層水庫容量高于對照18.58 mm；速效水分供給量大，為33.19 mm，高于對照10.71 mm。

3）稻殼深施一次作業(yè)后，比單一的機(jī)械作業(yè)后效期長，改善土壤效果明顯，即可改善土壤物理性質(zhì)，又可調(diào)節(jié)土壤化學(xué)性質(zhì)，是一項綜合改良土壤的技術(shù)。

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Long-term effect of deep application of rice husk improving physical and chemical properties of soda alkaline soil

Wang Qiuju1,2, Liu Feng1, Chang Benchao1, Ken Araya3,Liu Yanxia4, Jiang Hui5, Jiao Feng6※

(1.,,150086,; 2150086,; 3.079-01,; 4.150086,; 5.150086,; 6,163319,)

Saline soil is an important soil resource in China. The area of saline soil in China is 9.91×106 hm2. The total area of saline soil in Heilongjiang province is 2.43×106 hm2, and the area cultivated for cultivated land is 1.6×106 hm2. The saline soil in Heilongjiang province is mainly distributed in Anda, Zhaodong, Zhaoyuan, Daqing in the Songnen Plain, and the Sanjiang plain also has a small amount of distribution. Because of the high content of exchange base in saline soil, it is harmful to the growth of crops. Therefore, governments at all levels and scientific research departments have spent great amount of resources to the improvement of saline soil, and have developed various techniques and methods for improving saline soil, such as subsoiling, gypsum, soil conditioner, salt pipe disposal and so on. However, there are some problems with these methods. Rice husk deep application technology is the technology for improving saline soil developed by our research group for many years. Rice husk has many advantages, such as ample source of material, low cost and resistance to decay. In this study, soda alkaline soil of Heilongjiang province was used as test soil, and rice husk was embedded in 20-30 cm soil layer by a special machine, and the single mechanical tillage without rice husk was used as the control. The results of two years’ investigation showed that rice husk deep application had significant effects on improving soil physical and chemical properties and forage yield. Based on that, field with rice husk amendment conducted eight years ago was investigated for soil physical and chemical properties. The results showed that after eight years of deep application of rice husks, the effects on the physical and chemical properties of the modified soda alkaline soil were still obvious. The soil organic carbon, available nitrogen, phosphorus and potassium content of rice hull deep application showed an increasing trend compared with treatments without rice husk applications. The total amount of exchange base decreased in 0 - 30 cm soil layer, and the pH value of each layer decreased by 0.37-0.41, and the content of Na+decreased by 40.68 - 212.35 mg/kg soil. After eight years of deep application of rice husk, the soil solid phase rate was still in a downward trend, the solid phase of soil was about 40% and decreased 3.68% - 8.86% than control soil. The total soil porosity increased between 57.38% - 60.58%. The proportion of effective pores is large, accounting for 22.7%-26.8% of the total porosity. The soil aeration and water permeability were obviously higher than those of control, and were 10-1 215 times and 118-1 735 times as much as those of the control. The reservoir capacity of 0-30 cm soil layer was increased, 18.58 mm higher than that of the control. The available reservoir capacity was 33.19 mm, 10.71 mm higher than that of the control. Rice hull deep application has long lasting effect, and the improved effect of soda alkaline soil is obvious. The effectiveness of rice husk application with single mechanical tillage is a technique suitable for the improvement of saline soil and can be achieved by mechanical means.

cultivation; soils; salts; soda alkaline soil; rice husk; deep application; pore

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.020

S156.4

A

1002-6819(2018)-02-0147-06

2017-08-30

2017-12-20

公益性行業(yè)專項（201303126-7），科技支撐項目（2014BAD11B01-A027），省招標(biāo)項目（GA14B101-A04）

王秋菊，博士，副研究員，從事土壤改良研究。Email：bqjwang@126.com

焦 峰，博士，副研究員，從事土壤和作物營養(yǎng)生理研究。Email：jiaofeng1980@163.com

王秋菊，劉 峰，常本超，新家憲，劉艷霞，姜 輝，焦 峰. 稻殼深施改良蘇打堿土理化性質(zhì)長期效應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(2)：147－152. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.020 http://www.tcsae.org

Wang Qiuju, Liu Feng, Chang Benchao, Ken Araya, Liu Yanxia, Jiang Hui, Jiao Feng. Long-term effect of deep application of rice husk improving physical and chemical properties of soda alkaline soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 147－152. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.020 http://www.tcsae.org