棉粕對(duì)鹽漬化土壤團(tuán)聚體中交換性鹽基離子的影響

馬宏秀,張開祥,孟春梅,李宗飛,王開勇

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院,新疆 石河子 832000)

【研究意義】新疆被視為世界的鹽堿土博物館,鹽漬化種類繁多,土壤退化及鹽堿化問(wèn)題突出,嚴(yán)重威脅到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全[1-5]。據(jù)統(tǒng)計(jì),新疆鹽漬化總面積可達(dá)8.48×106hm2,現(xiàn)耕地中已有31.1 %的面積受到鹽漬化的危害[6]。土壤團(tuán)聚體作為土壤主要組成部分,其研究一直備受關(guān)注。土壤團(tuán)聚體中的膠結(jié)物質(zhì)是影響土壤團(tuán)聚體含量和穩(wěn)定性的主要因素,土壤團(tuán)聚體的主要膠結(jié)劑是有機(jī)質(zhì)(主要有機(jī)殘?bào)w和菌絲等粗有機(jī)質(zhì))、粘粒及二三氧化物(主要有無(wú)定形Fe2O3和Al2O3)[7-8]。因此,能夠影響土壤膠結(jié)劑的土地利用方式、耕作管理、等措施都會(huì)影響土壤團(tuán)聚體含量、組成和穩(wěn)定性[9-13]。土壤團(tuán)聚體大小及其組成比例的變化影響土壤理化性質(zhì),從而影響土壤供肥保肥能力和作物生長(zhǎng)。我國(guó)每年產(chǎn)棉籽約1000萬(wàn)t以上,其中提取棉油后的棉籽餅粕達(dá)600萬(wàn)t,資源量全球第一[14]。新疆是我國(guó)最大的商品棉生產(chǎn)基地,棉花產(chǎn)量不斷增長(zhǎng)的同時(shí)帶動(dòng)了棉籽榨油副產(chǎn)物棉粕數(shù)量的穩(wěn)定增加,使得新疆成為我國(guó)棉粕主產(chǎn)區(qū)之一?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】劉玉國(guó)等人就鹽漬化土壤改良劑進(jìn)行相關(guān)研究,針對(duì)鹽漬化土壤在試驗(yàn)室對(duì)幾種常見(jiàn)物質(zhì)進(jìn)行初次篩選,并對(duì)改良后鹽漬化土壤的EC值和pH值進(jìn)行測(cè)定,其中葵粕、棉粕、檸檬酸、沼液改良鹽漬化土壌效果較好[15]。棉粕通過(guò)微生物發(fā)酵而產(chǎn)生的腐植酸,可制備成肥料。腐殖酸肥料不僅能提高肥料利用率,促進(jìn)作物生長(zhǎng),還具有良好的改良土壤及使作物增產(chǎn)增收的作用[16]。王娟娟等[17]研究表明,含生化腐植酸的水溶性肥料可明顯增加茄子產(chǎn)量,增產(chǎn)率可達(dá)33 %,經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益顯著。【本研究切入點(diǎn)】以往的研究結(jié)果已充分證實(shí),棉粕的加工產(chǎn)物對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu),提高作物產(chǎn)量作用顯著,那么棉粕本身是否也存在同樣的效果,還有待進(jìn)一步論證?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本實(shí)驗(yàn)以2種鹽漬化土壤為背景,研究棉粕改良鹽漬化土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,為綠洲區(qū)鹽漬化土壤改良與培肥、地力定向培育和長(zhǎng)效保持土壤資源持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2015年在新疆石河子大學(xué)試驗(yàn)站(N 44°18′42.37″,E 86°03′20.72″)進(jìn)行,前茬作物為棉花,土壤質(zhì)地為壤土,pH 7.73,全氮0.5 g·kg-1,有效磷(P)20.40 mg·kg-1,有效鉀(K)112 mg·kg-1,有機(jī)質(zhì)16.19 g·kg-1, 鹽度(EC1:5)0.28 dS·m-1。供試材料為棉花,品種為新陸早60號(hào)。供試肥料為棉粕和開磷高塔硝硫基復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=17-17-17)與尿素(N=46 %)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用兩因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),因素A為4種中性鹽(NaCl)或堿性鹽(Na2CO3),分別代表非鹽漬化、輕度、中度、重度鹽堿土;因素B為4種棉粕施用量。試驗(yàn)共有7個(gè)處理,分別為：CK(中性鹽/堿性鹽0 g/kg+棉粕0 kg/hm2)；LNZ(中性鹽4 g/kg+棉粕1500 kg/hm2)；MNZ(中性鹽8 g/kg+棉粕3000 kg/hm2)；HNZ(中性鹽12 g/kg+棉粕6000 kg/hm2)；LNJ(堿性鹽4 g/kg+棉粕1500 kg/hm2)；MNJ (堿性鹽8 g/kg+棉粕3000 kg/hm2)；HNJ(堿性鹽12 g/kg+棉粕6000 kg/hm2)。每個(gè)處理重復(fù)3次。

在試驗(yàn)的前一年,先采集混合土樣,測(cè)定實(shí)驗(yàn)地基礎(chǔ)含鹽量。再將NaCl和Na2CO32種鹽以澆灌的方式對(duì)試驗(yàn)小區(qū)預(yù)先進(jìn)行鹽化處理,至試驗(yàn)小區(qū)達(dá)到預(yù)定含鹽量為止。同時(shí)將預(yù)定的棉粕施用量均勻地撒入各個(gè)小區(qū),再在原地進(jìn)行0～20 cm淺翻處理。小區(qū)面積5 m2,小區(qū)間距1.5 m。試驗(yàn)采用滴灌,一膜2管4行,配置模式40+20+40(cm),膜距40 cm,行距20 cm。施氮300 kg/hm2,五氧化二磷237 kg/hm2,氧化鉀237 kg/hm2。全生育期共滴灌水4200 m3/hm2。試驗(yàn)于2015年4月播種,7月收獲。其他管理措施同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.3 測(cè)定方法

采集的土壤樣品置于通風(fēng)處風(fēng)干,同時(shí)剔除小石塊和動(dòng)植物殘?bào)w,并把大土塊沿自然結(jié)構(gòu)面掰成10 mm左右的小土塊。將風(fēng)干土樣100 g分別置于5,2,1,0.25 mm的套篩上,于轉(zhuǎn)速180 r/min的振蕩儀振蕩5 min,分別得到>5 mm,2～5 mm,1～2 mm,0.25～1 mm,<0.25 mm的5種粒徑團(tuán)聚體,重復(fù)3次。繼續(xù)將>1 mm的土樣在牛皮紙上用木塊壓碎過(guò)1mm篩,裝袋保存?zhèn)溆谩?/p>

制備1∶5土水比的土壤浸出液,吸取一定量的浸出液,用火焰光度計(jì)測(cè)定土壤交換性K+和交換性Na+的含量;用EDTA滴定法分別測(cè)定交換性Ca2+和交換性Mg2+的含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖,采用SPSS18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團(tuán)聚體中交換性K+的含量變化

由表1可知,在同一土層中在相同濃度和棉粕的處理下,碳酸鈉型土壤中交換性K+含量均高于氯化鈉型土壤(P<0.05)。兩類鹽化土壤中交換性K+在不同土層變化不明顯,表明土壤中交換性K+受土層變化的影響較小。在不同粒徑中,氯化鈉型土壤中交換性K+主要分布于大團(tuán)聚體中,而碳酸鈉型土壤中交換性K+主要分布于微團(tuán)聚體中。

表1 土壤團(tuán)聚體中交換性K+的含量

注：同一行不同大寫字母表示不同粒級(jí)在0.05水平上差異顯著,同一列不同小寫字母表示不同鹽處理相同粒級(jí)在0.05水平上差異顯著,下同。

Note: The same row with different capital letters indicate different graded significant difference at the 0.05 level, the same column with different lowercase letters indicate different salt processing the same graded significant difference at the 0.05 level.The same as below.

棉粕對(duì)氯化鈉型和碳酸鈉型0～20 cm土層各粒徑土壤團(tuán)聚體中K+含量影響不同。與CK相比,兩類鹽化土壤中各處理>5 mm團(tuán)聚體中K+含量均有不同程度降低,降低幅度為20.5 %～49.5 %;2～5、1～2 mm團(tuán)聚體中K+含量均有不同程度增加,增加幅度為3.9 %～74.6 %;氯化鈉型鹽化土壤0.25～1 mm、<0.25 mm團(tuán)聚體中K+含量均有不同程度降低,降低幅度為19.9 %～68.4 %,碳酸鈉型鹽化土壤0.25～1、<0.25 mm團(tuán)聚體中K+含量變化規(guī)律與之相反,均有不同程度增加,增加幅度為7.5 %～60.6 %。

棉粕對(duì)氯化鈉型和碳酸鈉型20～40 cm土層各粒徑土壤團(tuán)聚體中K+含量影響不同。與CK相比,兩類鹽化土壤中各處理>5、0.25～1、<0.25 mm團(tuán)聚體中K+含量均有不同程度增加,增加幅度為7.1 %～171.7 %。;2～5、1～2 mm團(tuán)聚體中K+含量均有不同程度降低,降低幅度為5.1 %～60.5 %。表明在表層棉粕對(duì)氯化鈉型土壤大團(tuán)聚體中K+含量有不同程度增加作用,而棉粕對(duì)碳酸鈉型土壤小團(tuán)聚體中K+含量有不同程度增加作用。在20～40 cm土層兩類鹽化土壤均會(huì)增加>5、0.25～1、<0.25 mm團(tuán)聚體中交換性K+的積累。

2.2 土壤團(tuán)聚體中交換性Na+的含量變化

由表2可知，在同一土層中相同濃度和棉粕處理下,碳酸鈉型土壤中交換性Na+含量均高于氯化鈉型土壤(P<0.05)。在不同土層中,0～20 cm土層中>5 mm團(tuán)聚體Na+含量明顯高于20～40 cm土層,其他各粒徑較0～20 cm土層普遍在20～40 cm土層呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)。表明表層>5 mm粒徑中交換性Na+不宜淋溶到下部土層,而其它粒徑中交換性Na+宜淋溶到下部土層。在不同粒徑中,交換性Na+主要分布于微團(tuán)聚體中。其主要是因?yàn)镹a+是高強(qiáng)度的分散劑,會(huì)直接影響大團(tuán)聚體的形成[18],從而較難在大團(tuán)聚體中聚積。

棉粕對(duì)氯化鈉型和碳酸鈉型0～20 cm土層各粒徑土壤團(tuán)聚體中Na+含量影響相同,均有不同程度增加,但碳酸鈉型增加幅度遠(yuǎn)大于氯化鈉型。與CK相比,氯化鈉型土壤增加幅度為2.4 %～127.2 %,2～5和0.25～1 mm團(tuán)聚體增加幅度較其它團(tuán)聚體大;碳酸鈉型土壤增加幅度為19.0 %～392.3 %,0.25～1和<0.25 mm團(tuán)聚體增加幅度較其它團(tuán)聚體大。

棉粕對(duì)氯化鈉型和碳酸鈉型20～40 cm土層各粒徑土壤團(tuán)聚體中Na+含量影響相同,均有不同程度增加,但碳酸鈉型增加幅度遠(yuǎn)大于氯化鈉型。與CK相比,氯化鈉型土壤增加幅度為4.1 %～415.9 %,2～5和1～2 mm團(tuán)聚體增加幅度較其它團(tuán)聚體大;碳酸鈉型土壤增加幅度為144.8 %～1278.7 %,>5 mm團(tuán)聚體增加幅度較其它團(tuán)聚體大。表明棉粕對(duì)氯化鈉型和碳酸鈉型土壤中各粒徑團(tuán)聚體交換性Na+含量的積累有一定的促進(jìn)作用,碳酸鈉型土壤較為顯著。

表2 土壤團(tuán)聚體中交換性Na+的含量

2.3 土壤團(tuán)聚體中交換性Ca2+的含量變化

由表3可知,在同一土層中相同濃度和棉粕處理下,氯化鈉型土壤中交換性Ca2+含量均顯著高于碳酸鈉型土壤(P<0.05),這與K+、Na+的結(jié)論不同。不同土層中,0～20 cm土層中各粒徑團(tuán)聚體Ca2+含量低于20～40 cm土層,原因是田間灌水及雨水的淋溶作用,導(dǎo)致Ca2+向下淋洗,再者,棉花的根系主要集中在0～40 cm[19],植物的根系活動(dòng)能增加土壤的孔隙及鈣離子的水平,同時(shí)根際土壤中部分CO2分壓的增加,可以增加碳酸鈣的溶解性[22]。在不同粒徑中,交換性Mg2+在各粒徑團(tuán)聚體中分布較為均勻。

棉粕對(duì)氯化鈉型和碳酸鈉型0～20 cm土層各粒徑土壤團(tuán)聚體中Ca2+含量影響不同。與CK相比,氯化鈉型土壤中>5、0.25～1 mm團(tuán)聚體中Ca2+含量均有不同程度降低,降低幅度為13.8%～35.2 %,2～5、1～2、<0.25 mm團(tuán)聚體中Ca2+含量均有不同程度增加,增加幅度為3.8-51.9 %;碳酸鈉型土壤中各粒徑Ca2+含量均有不同程度降低,降低幅度為1.5 %～52.9 %。

棉粕對(duì)氯化鈉型和碳酸鈉型20～40 cm土層各粒徑土壤團(tuán)聚體中Ca2+含量影響相反。與CK相比,氯化鈉型土壤中各粒徑團(tuán)聚體中Ca2+含量均有不同程度增加,增加幅度為1.1 %～44.2 %, 1～2 mm團(tuán)聚體中增加幅度最大;碳酸鈉型土壤中各粒徑Ca2+含量均有不同程度降低,降低幅度為10.5 %～46.8 %。表明在氯化鈉型土壤條件下,0～20>5、0.25～1 mm團(tuán)聚體會(huì)影響交換性Ca2+的積累,其它各粒徑會(huì)增加交換性Ca2+的積累。

表3 土壤團(tuán)聚體中交換性Ca2+的含量

2.4 土壤團(tuán)聚體中交換性Mg2+的含量變化

由表4可知,在同一土層中相同濃度和棉粕處理下,碳酸鈉型土壤中交換性Mg2+含量均高于氯化鈉型土壤(P<0.05)。在不同土層中,棉粕對(duì)CK和氯化鈉型土壤在0～20 cm土層中Mg2+的含量高于20～40 cm土層,而碳酸鈉型土壤則相反。表明在氯化鈉型土壤中Mg2+沒(méi)有出現(xiàn)大量的流失,而在碳酸鈉型土壤中Mg2+流失較為嚴(yán)重。土壤團(tuán)聚體中交換性Mg2+的含量隨粒徑變化規(guī)律并不顯著。在不同粒徑中,交換性Mg2+主要分布于大團(tuán)聚體中。

棉粕對(duì)氯化鈉型和碳酸鈉型0～20 cm土層各粒徑土壤團(tuán)聚體中Mg2+含量影響不同。與CK相比,氯化鈉型土壤中>5、0.25～1 mm團(tuán)聚體中Mg2+含量均有不同程度增加,增加幅度為90.9 %～397.7 %,2～5、1～2、<0.25 mm團(tuán)聚體中Mg2+含量均有不同程度降低,降低幅度為25.9%～91.9 %;碳酸鈉型土壤各粒徑Mg2+含量均有不同程度增加,增加幅度為1.7 %～779.8 %,>5和0.25～1 mm團(tuán)聚體增加幅度較大。

棉粕對(duì)氯化鈉型和碳酸鈉型20～40 cm土層各粒徑土壤團(tuán)聚體中Mg2+含量影響不同。與CK相比,氯化鈉型土壤中>5 mm團(tuán)聚體中Mg2+含量降低幅度為68.1 %～81.9 %,2～5、1～2、0.25～1、<0.25 mm團(tuán)聚體中Mg2+含量均有不同程度增加,增加幅度為3.7 %～240.0 %,0.25～1、 <0.25 mm團(tuán)聚體增加幅度較大;碳酸鈉型土壤中各Mg2+含量均有不同程度增加,增加幅度為8.3 %～1388.6 %, <0.25 mm團(tuán)聚體增加幅度最大。表明氯化鈉型土壤在表層大團(tuán)聚體中利于Mg2+的積累,而在20～40 cm土層小團(tuán)聚體中利于Mg2+的積累,碳酸鈉型土壤在不同土層各粒徑中均會(huì)增加團(tuán)聚體中Mg2+的含量。

2.5 土壤團(tuán)聚體(Ca2++Mg2+)/(K++Na+)含量比值與團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量的關(guān)系

由表5可知,在同一土層中相同濃度和棉粕處理下,>5和2～5 mm粒徑中氯化鈉型土壤中(Ca2++Mg2 +)/(K++Na+)含量的比值均高于碳酸鈉型土壤,其余各粒徑則相反。不同處理間差異顯著(P<0.05)。不同土層中,除2～5 mm團(tuán)聚體,<2 mm團(tuán)聚體在20～40 cm土層中(Ca2++Mg2+)/(K++Na+)含量的比值高于0～20 cm土層。這主要是Na+在土壤表層積累和Ca2+、Mg2+向下淋失的結(jié)果[20]。在0～20 cm土層中土壤團(tuán)聚體含量隨粒徑的減小先降低再升高最后降低,這與王晟強(qiáng)等[21]研究結(jié)果一致。在20～40 cm土層中土壤團(tuán)聚體含量隨粒徑的減小而減小。團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量中>0.25 mm的大團(tuán)聚體約占86 %,其中以>5 mm粒徑團(tuán)聚體總量最大,約占團(tuán)聚體總量的25 %。相同土層處理間差異顯著(P<0.05)。鄭子成等[22]研究報(bào)道,在干篩條件下土壤團(tuán)聚體均以>5 mm粒徑為主,濕篩條件下土壤團(tuán)聚體以<0.25 mm粒徑為主。粒徑>0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量是土壤肥沃的標(biāo)志之一[23]。表明兩類鹽化土壤受團(tuán)聚體百分含量變化的作用不明顯。土壤團(tuán)聚體中粒徑越大,含量越高,土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也就越好[24]。

表4 土壤團(tuán)聚體中交換性Mg2+的含量

表5 土壤團(tuán)聚體(Ca2++Mg2+)/(K++Na+)含量比值與團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量的關(guān)系

棉粕對(duì)氯化鈉型和碳酸鈉型0～20 cm土層各粒徑土壤團(tuán)聚體中(Ca2++Mg2 +)/(K++Na+)含量的比值影響相同。與CK相比,均有不同程度增加,但碳酸鈉型增加幅度遠(yuǎn)大于氯化鈉型。氯化鈉型鹽化土壤增加幅度為1.5 %～36 %,碳酸鈉型鹽化土壤增加幅度為7.17 %～147.13 %。由表5可知,在表層棉粕對(duì)氯化鈉型土壤大團(tuán)聚體和碳酸鈉型土壤各粒徑團(tuán)聚體(Ca2++Mg2+)/(K++Na+)含量的比值隨濃度的增加而增加,表明棉粕對(duì)兩類鹽化土壤的改良均有不同程度作用。

棉粕對(duì)氯化鈉型和碳酸鈉型20～40 cm土層各粒徑土壤團(tuán)聚體中(Ca2++Mg2+)/(K++Na+)含量的比值影響相同,與0～20 cm土層各粒徑土壤團(tuán)聚體相似,氯化鈉型鹽化土壤增加幅度為0.78 %～190.70 %。碳酸鈉型鹽化土壤增加幅度為50.60 %～341.55 %。由表5可知,棉粕對(duì)氯化鈉型土壤2～5 mm團(tuán)聚體(Ca2++Mg2+)/(K++Na+)含量的比值隨濃度的增加而降低,其他粒徑均升高,表明棉粕對(duì)氯化鈉型土壤在20～40 cm土層除2～5 mm團(tuán)聚體之外的各粒徑中發(fā)揮一定作用。而碳酸鈉型土壤在<0.25 mm團(tuán)聚體(Ca2++Mg2+)/(K++Na+)含量的比值隨濃度的增加而增加,其他粒徑均先升后降,表明棉粕對(duì)碳酸鈉型土壤在20～40 cm土層小團(tuán)聚體中作用顯著。

3 討 論

常規(guī)模式的耕作條件下會(huì)降低團(tuán)聚體穩(wěn)定性[25],主要表現(xiàn)為大團(tuán)聚體含量降低。微團(tuán)聚體的含量升高。本試驗(yàn)中,>0.25的大團(tuán)聚體約占86 %,其中以>5 mm 粒徑團(tuán)聚體總量最大。土壤的形成過(guò)程中,膠體表面的吸附交換特性[26]、鹽基離子間作用及其性質(zhì)[27]、生物物質(zhì)循環(huán)[28]和淋溶作用[29]都會(huì)對(duì)鹽基離子的分布產(chǎn)生顯著影響。本試驗(yàn)中,各團(tuán)聚體鹽基離子平均含量的大小為Na+>Ca2+>K+>Mg2+。氯化鈉型土壤交換性Ca2+和碳酸鈉型土壤中交換性Mg2+主要儲(chǔ)存于20～40 cm土層,可能與二者的淋溶強(qiáng)度相對(duì)較大有關(guān)[30]。在不同粒徑中,碳酸鈉型土壤中交換性K+和兩類鹽化土壤中交換性Na+主要分布于微團(tuán)聚體中,交換性Mg2+在各粒徑團(tuán)聚體中分布較為均勻,氯化鈉型土壤中交換性K+和交換性Ca2+主要分布于大團(tuán)聚體中。說(shuō)明棉粕對(duì)氯化鈉型土壤團(tuán)聚體中交換性K+和交換性Ca2+離子的積累有積極的影響。

在同一土層中相同濃度和棉粕的處理下,>5和2～5 mm粒徑中氯化鈉型土壤中(Ca2++Mg2+)/(K++Na+)含量的比值均高于碳酸鈉型土壤,其余各粒徑則相反。說(shuō)明二價(jià)鹽基離子的積累和一價(jià)鹽基離子的減少促進(jìn)了氯化鈉型土壤大團(tuán)聚體的形成,土壤團(tuán)聚性較好。

4 結(jié) 論

由土壤團(tuán)聚體中交換性鹽基離子的變化可以看出,棉粕對(duì)氯化鈉型土壤較碳酸鈉型土壤改良效果較為明顯。