生物基磺酸鹽改良劑對鹽堿土的改良效果及油葵生長的影響

李 娜，張峰舉，許 興，曹 兵，尹應(yīng)武，張議丹

(1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏大學(xué) 環(huán)境工程研究院，銀川 750021；3.廈門大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，福建廈門 361005；4.北京紫光英力化工技術(shù)有限公司，北京 100085)

土壤鹽堿化導(dǎo)致土地退化問題是全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)面臨的重要難題。世界范圍受土壤鹽堿化影響耕地面積約3.4×108hm2，占總耕地面積的23%[1]。土壤鹽堿化導(dǎo)致的主要農(nóng)作物產(chǎn)量損失每年達(dá)1 200億美元[2]。另外，土壤鹽堿化通常與土地退化、荒漠化過程相伴生，甚至相互誘發(fā)、相互轉(zhuǎn)化，對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅[3-4]。隨著全球人口增長對土地資源、農(nóng)作物生產(chǎn)和美好環(huán)境需要不斷擴大，探索鹽堿土壤有效防治措施對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境改善，推動區(qū)域乃至全球經(jīng)濟、社會和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

鹽堿化土壤治理的核心是減少土壤有害鹽分，改善作物生長發(fā)育的土壤環(huán)境。鹽堿地治理主要包括水利工程物理、改良劑化學(xué)、耐鹽堿植物種植的生物和農(nóng)藝耕作措施等，并在實踐中強調(diào)水利工程措施基礎(chǔ)作用和因地制宜化學(xué)、物理、生物等措施綜合運用[5]。隨著對鹽堿化土壤認(rèn)識的不斷深入，土壤改良劑的功效備受重視和研究，已成為鹽堿地治理系列方法和措施的重要組成部分[6]。生物基磺酸鹽改良劑是北京紫光英力公司以林木枝條、秸稈、風(fēng)化煤等生物質(zhì)原料在溫和條件下直接磺化生產(chǎn)穩(wěn)定水溶性改良劑。研究表明，施用生物質(zhì)磺酸鹽改良劑能夠降低設(shè)施土壤pH和全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、改善土壤質(zhì)量，促進(jìn)番茄植株生長，提高果實品質(zhì)與產(chǎn)量的效果[7]，在鹽堿化土壤治理中具有一定應(yīng)用潛力。同時，種植耐鹽植物的生物措施也被認(rèn)為是未來鹽堿地改良修復(fù)和高效利用的突破口[8]。油葵作為中國的四大油料作物之一，具有一定的耐鹽性和較高的經(jīng)濟價值，有著鹽堿地先鋒作物的美譽[9]。因此，用油葵作為試驗研究作物，可以在改良利用鹽堿地的同時創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益。

黃河河套寧夏平原是西北干旱區(qū)土壤鹽堿化較為嚴(yán)重地區(qū)之一。寧夏平原現(xiàn)有耕地面積44.11萬hm2，其中鹽堿化地占耕地總面積的49.7%，土壤鹽堿化已成為制約寧夏生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟社會發(fā)展關(guān)鍵因素[10-11]。在運用生態(tài)理念綜合治理實現(xiàn)干旱半干旱區(qū)鹽堿地持續(xù)改良背景下，急需開發(fā)和引進(jìn)生態(tài)友好型的鹽堿土治理新技術(shù)、新材料和新方法[12]。生物基磺酸鹽改良劑酸性強并富含天然的小分子纖維素、磺酸基、酚羥基、醇羥基活性基團，具有降堿促排鹽功能，符合鹽堿地生態(tài)改良發(fā)展趨勢。為此，本研究探討不同用量生物基磺酸鹽改良劑對鹽堿土的改良效果及油葵生長的影響，明確試驗所用生物基磺酸鹽改良劑在所研究土壤環(huán)境下的最佳施用量，旨在為生物基磺酸鹽改良劑應(yīng)用于土壤鹽堿化治理提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗土壤 供試土壤采自黃河河套寧夏平原北部石嘴山市平羅縣前進(jìn)農(nóng)場中度鹽堿化荒地，用鐵鍬采集0～20 cm耕作土層土壤600 kg。采集的土壤帶到試驗站后風(fēng)干、碾碎、過0.5 mm篩、混合均勻后備用。供試土壤pH 10.26，全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.53 g·kg-1，有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.95 g·kg-1，堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)26.4 g·kg-1，速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.2 g·kg-1，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)170.6 g·kg-1。

1.1.2 生物基磺酸鹽改良劑 生物基磺酸鹽改良劑由北京紫光英力公司提供，是廈門大學(xué)、北京紫光英力化工技術(shù)有限公司利用清潔化學(xué)技術(shù)制成多功能生物質(zhì)水溶性高分子材料。其主要成分為小分子纖維素、半纖維素硫酸單酯鹽、木質(zhì)素磺酸鹽和腐殖酸磺酸鹽的混合物，其pH 1.1、電導(dǎo)率534 mS·cm-1、氮磷鉀總養(yǎng)分≥6%、有機質(zhì)≥50%、腐植酸≥30%。

1.2 試驗設(shè)計

采用單因素多重復(fù)試驗設(shè)計，生物基磺酸鹽改良劑施用量設(shè)0 kg·hm-2(CK)、750 kg·hm-2(T1)、1 500 kg·hm-2(T2)、2 250 kg·hm-2(T3)和3 000 kg·hm-2(T4)5個處理，重復(fù)3次。

盆栽試驗在寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院溫室進(jìn)行。試驗用花盆的規(guī)格為34 cm×28 cm(直徑×高)，每盆按1.45 g·cm-3的體積質(zhì)量填土30.26 kg，并預(yù)留約6 cm邊緣。按照試驗設(shè)計計算每盆生物基磺酸鹽改良劑用量，稱量后與250 mL自來水混合均勻倒于試驗盆表面。第2天按900 m3·hm-2的量灌水1次，待土壤表面泛白時破碎精量播種油葵。油葵品種為‘KWS204’,每盆播種9粒種子。油葵出苗期不澆水,出苗后每隔1周按1 200 m3·hm-2量澆水1次。出苗后計算出苗率,并在苗期取樣6株用于生理生化指標(biāo)測定，剩余2株生長至現(xiàn)蕾期測定光合、株高等指標(biāo)，并結(jié)束試驗。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤理化指標(biāo)測定 將采集的土樣風(fēng)干，碾碎，過1 mm孔徑篩,按m(土)∶V(水)=1∶5與去離子水混合，振蕩，過濾，取上清液測定。pH測定采用酸度計法,全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定采用電導(dǎo)法[13]。依據(jù)寧夏鹽堿土含鹽量與電導(dǎo)率關(guān)系經(jīng)驗公式[14]計算土壤全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)：y=0.160 9x2+2.917 6x-0.014 1。式中，x為土壤的電導(dǎo)率，y為土壤的全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3.2 油葵生理生化指標(biāo)測定 油葵光合速率用Li-6400光合儀進(jìn)行測量，葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、丙二醛(MDA)質(zhì)量摩爾濃度、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)活性等參照《植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)》方法測定[15]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析方法

采用Excel 2013 對試驗數(shù)據(jù)分析處理，用SAS 8.1進(jìn)行單因素方差分析，處理間多重比較采用Duncan’s新復(fù)極差法。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物基磺酸鹽改良劑對土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 對土壤全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 由圖1可知，土壤全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨生物基磺酸鹽改良劑施用量增加呈先降后升趨勢，且油葵現(xiàn)蕾期各處理土壤全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯小于播種前。油葵播種前經(jīng)過1次灌水，T1、T2、T3、T4土壤全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)較對照分別低8.46%、11.14%、47.44%和34.97%，其中T3土壤含鹽量最低為2.36 g·kg-1。經(jīng)過一段時期隔周灌水至油葵蕾期，T1、T2、T3、T4土壤全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)較對照分別低33.00%、24.63%、62.07%和54.19%，處理T3全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低為0.77 g·kg-1，且處理組均與對照差異顯著。然而，從取樣時間看，現(xiàn)蕾期各個處理土壤含鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)較改良前降低55.19%～83.00%，而油葵播前僅降低0.88%～47.90%。另外，無論播種前還是現(xiàn)蕾期，當(dāng)生物基磺酸鹽改良劑施用量為2 250 kg·hm-2時，土壤全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，說明土壤的全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)和改良劑的施入量并不成正比的關(guān)系，生物基磺酸鹽改良劑施入量過大時，土壤的全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)反而會增大。

不同小寫字母表示不同處理在0.05水平差異顯著，下同 Different lowercase letters indicate significant difference among different treatments at 0.05 level,the same below

2.1.2 對土壤pH的影響 由圖2可知，土壤pH隨生物基磺酸鹽改良劑施用量增加呈降低趨勢，且油葵現(xiàn)蕾期各處理土壤pH小于播種前。當(dāng)生物基磺酸鹽改良劑施用量為750～3 000 kg·hm-2時，油葵播種前土壤pH由改良前10.26 降至10.01～9.64，降低2.44%～6.04%；現(xiàn)蕾期土壤pH由改良前10.26降至9.92～9.63，降低3.31%～6.14%。方差分析結(jié)果表明，無論油葵播種前還是現(xiàn)蕾期，當(dāng)生物基磺酸鹽改良劑施用量達(dá)到并超過2 250 kg·hm2時，T3、T4處理與對照組間土壤pH達(dá)到顯著差異。說明，生物基磺酸鹽改良劑可降低土壤的pH。

圖2 不同處理下土壤pH變化Fig.2 Changes of soil pH under different treatments

2.2 生物基磺酸鹽改良劑對油葵葉片生理生化特性的影響

由表1可見，油葵苗期和現(xiàn)蕾期葉片葉綠素與可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著生物基磺酸鹽改良劑施用量增加呈現(xiàn)先升后降趨勢。在苗期和現(xiàn)蕾期，T1～T4 處理葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比CK分別高-5.59%～24.48%和4.96%～38.02%，且均以T3處理最高并與CK和T4間差異顯著。當(dāng)生物基磺酸鹽改良劑施用量由T1增至T3時，苗期和現(xiàn)蕾期葉片的可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)比CK分別高-13.09%～29.98%和21.73%～61.48%，而T4與T3相比則分別降低31.12%和27.95%,且T3與CK和T4間差異顯著。說明，一定量的生物基磺酸鹽改良劑能增加葉片中的葉綠素與可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)，過量則會產(chǎn)生反作用。

表1 不同處理下油葵葉片生理指標(biāo)Table 1 Physiological indexes of oil sunflower under different treatments

注：同行不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note：Different letters in the same row meant significant difference at 0. 05 level,the same below.

生物基磺酸鹽改良劑對油葵葉片葉綠素的影響不但反映在其質(zhì)量分?jǐn)?shù)上，而且表現(xiàn)在其光合速率上。隨著生物基磺酸鹽改良劑施用量增加，苗期和現(xiàn)蕾期葉片凈光合速率總體也呈先升高后降低的變化趨勢(表1)。當(dāng)生物基磺酸鹽改良劑用量按T1、T2和T3順序增加時，苗期和現(xiàn)蕾期葉片凈光合速率較CK依次高2.17%、13.16%、38.72%和0.04%、3.88%、19.97%。然而，當(dāng)施用量增加至T4時，在苗期和現(xiàn)蕾期T4與T3相比卻分別降低26.50%和13.04%，且T4與T3間差異顯著。

在不同生育期(表1)油葵葉片CAT和 POD活性均隨著生物基磺酸鹽改良劑施用量增加呈升高后降低的變化趨勢。當(dāng)生物基磺酸鹽改良劑施用量由T1、T2、T3、T4順序增加時，苗期和現(xiàn)蕾期葉片CAT活性較CK分別依次高3.45%、41.45%、125.81%、41.00%和7.41%、31.38%、83.12%、23.32%，且施用量越多的T4與T3相比差異顯著并反而分別降低37.56%和32.66%。另外，與CK相比，苗期T1、T2、T3、T4處理葉片POD活性提高16.63%、44.07%、58.93%、26.71%，現(xiàn)蕾期POD活性提高了25.10%、43.22%、117.58%、60.80%，且無論那個生育期T3處理的POD活性最強，并與其他各個處理間達(dá)到顯著差異水平。由此說明說明適量的改良劑可以增強油葵葉片中的CAT、和POD活性，增強代謝能力，防止葉片脂膜過度氧化，提高油葵葉片的抗逆能力。

與CAT和POD不同，隨著生物基磺酸鹽改良劑施用量增加，油葵葉片苗期MDA質(zhì)量摩爾濃度總體呈降低的變化趨勢，且在T3處理時降至最低。與CK相比，苗期各個處理MDA質(zhì)量摩爾濃度分別降低14.79%、16.50%、28.04%、18.85%，各處理間差異顯著?，F(xiàn)蕾期T1、T2、T4處理與CK差異不顯著，T3處理葉片MDA質(zhì)量摩爾濃度較對照降低25.06%，并且與各處理之間形成顯著差異?？梢钥闯?，改良劑不同施用量對葉片MDA質(zhì)量摩爾濃度的影響在苗期效果大于現(xiàn)蕾期，當(dāng)改良劑的施用量為2 250 kg·hm-2時，油葵葉片受到傷害程度最小。

2.3 生物基磺酸鹽改良劑對油葵出苗率和株高的影響

油葵是典型的耐鹽堿的作物，可以在6‰以下的鹽堿土中生存，本試驗播種時土壤鹽堿度均符合出苗條件，在水分充足情況下，均可以出苗[16]。由表2可見，雖然T2的出苗率最高，但CK、T1、T2、T4和T3間差異不顯著，不同處理對油葵出苗率影響不明顯。然而，隨著生物基磺酸鹽改良劑施用量增加，油葵苗期和現(xiàn)蕾期株高均呈現(xiàn)升高趨勢。當(dāng)生物基磺酸鹽改良劑施用量增加時，苗期株高為CK

表2 不同處理下油葵出苗率和株高Table 2 Seedling emergence rate and plant height of oil sunflower under different treatments

3 討論與結(jié)論

土壤改良劑能有效地改善土壤理化性狀和土壤養(yǎng)分狀況，并能積極影響土壤微生物活動從而提高土壤的生產(chǎn)力，是鹽堿土壤修復(fù)的重要措施之一[17]。含有纖維素、木質(zhì)素等天然的有機高分子化合物的農(nóng)作物秸稈材料被土壤微生物分解時能夠釋放有機酸、陽離子并增加有機質(zhì)，從而起到改良鹽堿化土壤作用[18]。然而，由于大量秸稈還田于鹽堿地存在腐熟時間長、起效慢等問題而在實踐中應(yīng)用困難[19]。近年來，隨著人工合成的創(chuàng)新技術(shù)新發(fā)展，將農(nóng)作物秸稈合成為土壤調(diào)理劑成為可能。本研究所用生物基磺酸鹽改良劑是農(nóng)作物秸稈通過清潔化學(xué)技術(shù)制成的多功能生物質(zhì)水溶性高分子材料[20-21]。因而，利用生物基磺酸鹽改良劑在改良鹽堿土壤時，不但通過化學(xué)原理降低土壤的pH，而且通過天然產(chǎn)物中的高分子化合物分解作用改善土壤結(jié)構(gòu)促進(jìn)鹽分淋洗。劉馨等[7]研究表明，北京紫光英力公司提供的生物基水溶性有機肥能夠明顯降低設(shè)施土壤pH和電導(dǎo)率。本研究也明確生物基磺酸鹽改良劑具有降低土壤pH和全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的效果，但其效果與其施用量具有先升高后降低趨勢，其原因在于生物質(zhì)磺酸鹽改良劑自身的全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)很大，當(dāng)施用量過大時，會導(dǎo)致土壤電導(dǎo)率增加，而2 250 kg·hm-2施用量是降低土壤pH和全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最佳用量。

植物體內(nèi)的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、光合速率、CAT、POD、MDA等生理指標(biāo)均反映了植物受逆境脅迫的程度[15]。當(dāng)植物體受到鹽脅迫后，CAT、POD 等酶的活性降低而不能清除體內(nèi)的活性氧來保護(hù)酶系統(tǒng)，膜質(zhì)過氧化則反映在MDA質(zhì)量摩爾濃度的增加上[22]。本研究中生物基磺酸鹽改良劑使油葵葉片的CAT和POD活性均不同程度提高，而MDA卻不同程度下降，表明其施用不但降低土壤鹽脅迫，而且增強油葵體內(nèi)活性氧清除力，保護(hù)酶系統(tǒng)并維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和完整性,緩解鹽堿脅迫對油葵細(xì)胞組織傷害，改善生長狀態(tài)。表現(xiàn)在當(dāng)生物基磺酸鹽改良劑施用量為1 500～3 000 kg·hm-2時，葉片葉綠素含量比CK高-2.10%～38.02%，光合速率較CK提高1.96%～38.72%。在呼吸消耗大致相同的情況下，植物光合能力越強，則光合產(chǎn)物積累的越多，植株的株高就越高。本研究中生物基磺酸鹽改良劑施用量為1 500～3 000 kg·hm-2時，油葵株高比CK提高20.55%～35.61%。然而，當(dāng)生物基磺酸鹽施用量為3 000 kg·hm-2時，葉片葉綠素含量、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)和株高相比2 250 kg·hm-2有所降低，2 250 kg·hm-2用量下油葵生長發(fā)育特性最好。另外，植物對鹽堿脅迫的緩解機制包括合成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、提高酶的抗氧化能力、對離子選擇性吸收、營養(yǎng)平衡、改變代謝類型、調(diào)整生物量的分配等方法[22]，生物基磺酸鹽改良劑對油葵CAT、POD、MDA、葉綠素含量影響機制還需要深入研究。研究表明，施用生物基磺酸鹽改良劑可有效降低土壤pH和全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)，促進(jìn)油葵生長發(fā)育，但過量施用會起到相反效果。因此，生物基磺酸鹽改良劑在寧夏平羅西大灘鹽堿地最佳施用量為2 250 kg·hm-2。