不同改良措施對(duì)定邊鹽堿地土壤理化性質(zhì)、黑麥草生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

王啟龍 盧楠 魏樣

摘要：為探究不同改良措施改良鹽堿地效果，采用田間試驗(yàn)和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，以牧草和綠肥兼用型黑麥草作為供試作物，研究覆沙、覆秸稈和施加改良劑3種處理措施對(duì)重度鹽堿地土壤結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、黑麥草生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，以及施用脫硫石膏對(duì)0～20 cm土層土壤和黑麥草中重金屬含量的影響。結(jié)果表明，與對(duì)照相比，通過改良措施0～20 cm土壤含鹽量降低1.16～2.22 g/kg，pH值下降0.05～0.94，容重降低0.06～0.12 g/cm3，土壤理化性狀得到改善;黑麥草出苗率提高43.35%～69.95%，3茬黑麥草鮮草總產(chǎn)量提高34.24%～92.04%;施用脫硫石膏會(huì)顯著增加土壤中汞（Hg）、鉛（Pb）、砷（As）和鉻（Cr）的含量和黑麥草葉片中Pb、As、Cr的含量，但土壤重金屬含量未超過GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的二級(jí)土壤使用標(biāo)準(zhǔn)，黑麥草中重金屬含量檢測(cè)符合GB 13078—2001《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。此外，本研究還表明，對(duì)于定邊縣鹽堿地3種鹽堿地改良措施以施加脫硫石膏效果最好，可在同類型鹽堿地大力推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：脫硫石膏;鹽堿地;黑麥草;土壤理化性質(zhì);重金屬

中圖分類號(hào)： S156? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）11-0282-04

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工業(yè)化、城市化的進(jìn)程不斷加快以及人口的持續(xù)增長(zhǎng)，我國(guó)耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量不斷下降，糧食安全面臨巨大風(fēng)險(xiǎn)。鹽堿土作為我國(guó)目前資源量最大的后備土地資源，根據(jù)第二次全國(guó)土壤普查資料，我國(guó)現(xiàn)有鹽土1 600萬(wàn)hm2，堿土81.99萬(wàn)hm2，各類鹽化堿化土壤1 800萬(wàn)hm2。迄今為止，尚有80%左右的鹽漬土尚未得到有效的開發(fā)利用，有著巨大的開發(fā)潛力[1]。陜西省目前仍有鹽堿地面積約14萬(wàn)hm2，其中耕地占79.7%，林地、園地、牧草地共占16.9%，未利用地占3.4%;且鹽堿化程度趨于嚴(yán)重，中、重度鹽堿地占75%左右，千畝（1 hm2=15畝）以上集中連片的鹽堿地超過300個(gè)[2]。不斷加大鹽堿地治理力度，對(duì)增加農(nóng)民收入、保障重要農(nóng)產(chǎn)品有效供給、保護(hù)生態(tài)安全等具有重要意義。

近幾年國(guó)內(nèi)對(duì)陜北鹽堿地研究較多，并取得了一定的成就，陜西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院通過實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，覆沙壓鹽措施在榆林市多個(gè)縣區(qū)的鹽堿地改良中得到廣泛應(yīng)用，尤其是在溫度較低、地下水位高和土壤鹽漬化較重的地區(qū)，改良效果尤為顯著，根據(jù)土壤的鹽堿程度確定覆沙厚度，中、重度鹽堿地一般取5～10 cm比較合適[3]。李芙榮等通過田間微區(qū)試驗(yàn)研究表明，秸稈表層覆蓋可以有效降低潛水層蒸發(fā)量，增加土壤蓄水空間和入滲能力，提高水分利用率，具有明顯的保墑和抑鹽效果，有利于作物生長(zhǎng)[4]。肖國(guó)舉等通過田間試驗(yàn)研究得出，施用脫硫石膏可以顯著改善中、重度鹽堿地土壤含鹽量、堿化度、總堿度和pH值，且脫硫石膏最佳施用量為 20 000 kg/hm2[5]。

鹽漬化土壤的形成是一個(gè)長(zhǎng)期且復(fù)雜的過程，由于不同區(qū)域的鹽堿土成土母質(zhì)、自然環(huán)境等因素存在較大差異，各改良措施間鹽堿化改良效果相差較大[6-7]。本研究以耐寒、耐旱、耐鹽堿的綠肥兼飼草——黑麥草為供試作物，在陜北定邊干旱區(qū)進(jìn)行重度鹽堿地改良試驗(yàn)，對(duì)比分析不同改良措施下土壤理化性質(zhì)動(dòng)態(tài)變化及作物生長(zhǎng)狀況，以期為陜北地區(qū)鹽漬化土壤改良利用提供理論參考與技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省西北部榆林市定邊縣（107°15′～108°22′E、36°49′～37°53′N），平均海拔1 605 m，屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫7.9 ℃，年平均降水量 316.9 mm，年平均無(wú)霜期141 d左右，年平均日照2 600 h，能完全滿足作物對(duì)光熱的需要，是全國(guó)最佳的黑麥草適生區(qū)之一。定邊縣有19.20萬(wàn)hm2耕地，7.33萬(wàn)hm2鹽堿地，其中重度鹽堿地4.27萬(wàn)hm2、中度鹽堿地1.93萬(wàn)hm2、輕度鹽堿地1.13萬(wàn)hm2[2]。2016年試驗(yàn)開始前測(cè)定土壤基本理化性狀，測(cè)定結(jié)果見表1。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，分別為空白對(duì)照、覆沙、覆秸稈（玉米秸稈）、施加鹽堿地改良劑（脫硫石膏）。覆沙厚度、覆秸稈量和施加脫硫石膏量均參考中、重度鹽堿地的田間最佳施用量，分別為10 cm、7 500 kg/hm2和20 000 kg/hm2。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，試驗(yàn)小區(qū)面積為 3 m×5 m。種植黑麥草品種為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所研制的伊犁特。

2016年9月10日人工開溝等距離條播，黑麥草用種量為20 kg/hm2，基本苗種植密度為350萬(wàn)～400萬(wàn)株/hm2。采用底肥與追肥相結(jié)合的方式施肥，播種時(shí)一次性施入磷酸二胺200 kg/hm2。分蘗期施入尿素50 kg/hm2、氯化鉀 35 kg/hm2。黑麥草刈割后第2天，采用尿素150 kg/hm2、氯化鉀 10 kg/hm2 兌水澆潑1次，并及時(shí)除蟲和雜草。

1.3 樣品采集與處理

1.3.1 土壤與植株樣品的采集與處理 2016年9月10日至2017年10月23日，在黑麥草不同時(shí)期，從每個(gè)小區(qū)采集 0～20 cm 土層樣品測(cè)定土壤水溶性鹽總量、pH值、容重。2017年10月黑麥草鮮草收割后，在對(duì)照和施加脫硫石膏2個(gè)處理區(qū)采集0～20 cm混合土樣9個(gè)，測(cè)定施用脫硫石膏后土壤中鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、硒（Se）、砷（As）、鉻（Cr）等重金屬含量。

2016年黑麥草鮮草收獲時(shí)，分別在對(duì)照、施加脫硫石膏2個(gè)處理區(qū)各采集16份黑麥草葉片，用于測(cè)定施用脫硫石膏后黑麥草葉片中Cd、Hg、Pb、As、Cr等重金屬的含量變化。采集的樣品在室內(nèi)用自來(lái)水和去離子水沖洗干凈，在鼓風(fēng)烘箱內(nèi)90 ℃殺青30 min，后于90 ℃烘至恒質(zhì)量，粉碎過篩后裝瓶備用。

1.3.2 測(cè)定方法 質(zhì)量法測(cè)定水溶性總鹽含量;電位法測(cè)定土壤pH值（水 ∶ 土=5 ∶ 1，質(zhì)量比）;環(huán)刀法測(cè)定土壤容重;土壤和黑麥草葉片中的重金屬Cd、Hg、Pb、As、Cr含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（GB 5009.268—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測(cè)定》）測(cè)定[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改良措施對(duì)鹽堿地土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 土壤含鹽量 鹽堿地土壤中的鹽分具有“鹽隨水走”的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，土壤含鹽量受降水和灌溉的影響較大[9]。由圖1可知，覆沙，覆秸稈、施加脫硫石膏3種處理2016—2017年土壤耕層鹽分含量總體呈先升高后緩慢降低趨勢(shì)，2016年平均鹽分含量分別為4.68、4.21、3.85 g/kg，3種處理相比天然對(duì)照區(qū)0～20 cm土層土壤的含鹽量平均值分別降低0.56、1.03、1.39 g/kg。2016年各處理耕層土壤含鹽量略有增加，一方面是因?yàn)榈?年開墾農(nóng)田土壤理化性質(zhì)差，透水性不好，鹽分背景值較高，耕種、灌溉過程中淋洗效果不明顯，地表多處出現(xiàn)積水現(xiàn)象;另一方面是由于2016年研究區(qū)地下水位較高、礦化度高、蒸發(fā)量大，深層土壤鹽分受地表強(qiáng)烈蒸發(fā)隨水上移到耕層。

2017 年度各個(gè)處理 0～20 cm土層土壤含鹽量明顯低于

2016年，一方面農(nóng)田耕作措施以及鹽堿地改良措施增加了 0～20 cm土層土壤各種養(yǎng)分含量，改善了土壤結(jié)構(gòu)和理化性狀，灌溉時(shí)能夠有效地將土壤鹽分淋洗到更深土層;另一方面2017年5—8月研究區(qū)地下水位低，高礦化度地下水對(duì) 0～20 cm 土層土壤的含鹽量影響較小。

從2年的土壤含鹽量的監(jiān)測(cè)結(jié)果綜合來(lái)看，覆沙，覆秸稈、施加脫硫石膏3種改良措施均有助于降低土壤鹽分，不同改良措施降低土壤鹽分的順序?yàn)槭┯妹摿蚴?覆沙>覆秸稈。

2.1.2 土壤pH值 從表2可以看出，不同改良措施下的耕層土壤pH值在2016年和2017年黑麥草生長(zhǎng)期均比對(duì)照低。2017年8月24日，覆秸稈、覆沙和施加脫硫石膏的耕層土壤pH值分別比對(duì)照降低0.05、0.18和0.94。方差分析結(jié)果顯示，在耕層土壤pH值的相同監(jiān)測(cè)期內(nèi)，覆秸稈處理和覆沙處理的土壤pH值與對(duì)照之間總體不存在顯著差異。施加脫硫石膏處理的耕層土壤pH值比對(duì)照顯著降低，2016平均比對(duì)照降低0.63，2017年平均比對(duì)照降低0.96，說明通過施加脫硫石膏進(jìn)行鹽堿地改良，對(duì)第2年的土壤仍有影響。

2.1.3 土壤容重 鹽漬土的容重一般偏大、結(jié)構(gòu)緊實(shí)、土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)少、透水透氣性較差，改良與利用較為困難[10-11]。2017年第2茬黑麥草收獲后各層土壤容重測(cè)定結(jié)果（表3）表明，通過改良措施可有效降低土壤容重、改善土壤物理性質(zhì)。3種改良措施以施用脫硫石膏對(duì)土壤物理性狀的改善效果最好。從2016年的數(shù)據(jù)可以看出，覆秸稈對(duì)0～60 cm土層土壤容重?zé)o顯著性影響，覆沙和施加脫硫石膏顯著降低了0～20 cm土層土壤容重，但對(duì)更深層的土壤容重?zé)o顯著性影響。另外，從2017年數(shù)據(jù)可以看出，3種改良措施對(duì)土壤容重均有顯著的改善作用。

2.2 不同改良措施對(duì)黑麥草鮮草產(chǎn)量的影響

由表4可以看出，3種不同改良措施均可顯著提高黑麥草的出苗率，覆沙、覆秸稈和施用脫硫石膏的出苗率分別比對(duì)照提高54.19%、43.35%、69.95%，2016年黑麥草鮮草產(chǎn)量分別比對(duì)照增加60.84%、39.24%、112.48%，表明3種不同改良措施均有提高黑麥草出苗率和產(chǎn)量的效果。2016年施用脫硫石膏鮮草產(chǎn)量最高，收獲了1茬黑麥草后，2017年鮮草產(chǎn)量仍以脫硫石膏試驗(yàn)小區(qū)的最高，結(jié)果表明，第1年的改良措施對(duì)第2年的鮮草產(chǎn)量仍有顯著的增產(chǎn)效果。施用脫硫石膏的3茬黑麥草產(chǎn)量分別比對(duì)照平均提高5 759、4 463、4 530 kg/hm2，平均增產(chǎn)112.48%、78.96%、86.19%。

2.3 施用脫硫石膏對(duì)耕層土壤和黑麥草重金屬含量的影響

作為燃煤電廠的廢棄物，脫硫石膏含有一些重金屬元素，這些重金屬元素隨著施用脫硫石膏改良鹽堿地而進(jìn)入土壤中，為了探明施用脫硫石膏對(duì)土壤環(huán)境、黑麥草、飼草安全性的影響，對(duì)施用脫硫石膏的0～20 cm土層土壤和2017年收獲的黑麥草葉片中Cd、Hg、Pb、As、Cr含量進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)定結(jié)果（表5）表明，施用脫硫石膏會(huì)顯著增加土壤中Hg、Pb、As、Cr的含量和黑麥草葉片中Pb、As、Cr的含量。其中土壤中Hg、As、Pb和Cr含量分別比對(duì)照增加0.02、0.48、0.92、0.77 mg/kg。黑麥草葉片中未檢測(cè)到Cd含量，Hg含量較對(duì)照未增加，Pb、As和Cr含量隨著脫硫石膏施加比對(duì)照顯著增加。0～20 cm土層土壤和黑麥草葉片中Cr含量最高，其次是Pb，Hg和Cd的含量較少。

3 討論

土壤鹽漬化的根本問題是礦化度較高的水在土體中運(yùn)動(dòng)，所以控制地下水位上升或降低地下水位、減少土壤水分蒸發(fā)是解決土壤鹽漬化的關(guān)鍵[12-13]。地表覆蓋措施可隔斷土壤與大氣的聯(lián)系以降低土壤水分散失，有效減少地面蒸發(fā)，抑制地表返鹽，調(diào)節(jié)土壤水熱過程，使鹽分向地表聚集的過程逐漸減弱，促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)及作物生長(zhǎng)，從而能使鹽漬土壤生態(tài)過程向良性轉(zhuǎn)化[14]。陜北地區(qū)是陜西省乃至全國(guó)玉米和小麥適生區(qū)之一，玉米和小麥等農(nóng)作物種植面積較大，植物秸稈資源量較為豐富[15]，文獻(xiàn)資料表明，覆蓋秸稈可以有效降低土面蒸發(fā)量，同時(shí)改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重，提高土壤通透性，對(duì)鹽漬土有非常明顯的保墑保溫、抑制鹽分表聚、促進(jìn)降水淋鹽等作用，促進(jìn)作物生長(zhǎng)和發(fā)育及提高作物產(chǎn)量[16]。另外，作物秸稈中含有大量的碳、氮、磷、鉀及微量元素等營(yíng)養(yǎng)元素，是土壤養(yǎng)分的重要補(bǔ)給源。

覆沙壓鹽是改良土壤次生鹽漬化的重要措施之一，也是目前陜北鹽堿地開發(fā)利用的常用方法之一。覆沙壓鹽能改變土壤的理化性狀，提高地溫，防止鹽分上升，有利于作物的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)而提高作物產(chǎn)量，故有“沙壓堿、賽金板”。在中、重度鹽堿土上覆蓋風(fēng)沙土可以起到“沙壓堿、沙壓鹽”的作用，即通過沙地土壤毛管空隙大、不能形成毛管吸力的作用，限制下層鹽堿土的鹽分向上移動(dòng)，使之分布于立地土壤的某一深層下面，實(shí)現(xiàn)上面覆沙層發(fā)展耕作層的目的;或由于覆蓋的風(fēng)沙土與下面的鹽堿土發(fā)生一定程度的混合，能夠調(diào)節(jié)土壤黏沙比例，降低容重，改善土壤結(jié)構(gòu)，降低鹽分效果[17]。

石膏作為一種傳統(tǒng)的化學(xué)改良劑，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已指出其改良作用機(jī)制在于降低了土壤pH值、堿化度和容重，同時(shí)提高了土壤的滲透速度、孔隙度及脫鹽率，土表不易結(jié)殼[18]，石膏改良?jí)A土成功的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者認(rèn)同。一般對(duì)pH值偏高的土壤采用石膏進(jìn)行改良，用石膏中的鈣離子置換出吸附在土壤膠體上的鈉離子，并在灌水淋洗的作用下，將鈉離子淋洗到作物根層以外，從而減輕鈉離子對(duì)土壤顆粒的分散程度，并降低土壤pH值，為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的土壤水鹽環(huán)境[19]。脫硫石膏的主要成分為CaSO3、CaSO4，性質(zhì)與天然石膏類似，并含有豐富的Ca、S、Si等植物必需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，能夠替代天然石膏改良鹽堿土壤[20]。研究表明，采用脫硫石膏進(jìn)行鹽堿土改良并種植油葵時(shí)，脫硫石膏改良的深度一般設(shè)為20～30 cm，建議采用犁翻后再旋耕的方法，有利于提高改良效果并促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育[21]。

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，在中、重度鹽堿地覆沙、覆秸稈和施加脫硫石膏，與對(duì)照相比，2017年第2茬黑麥草收獲后0～20 cm土層土壤含鹽量降低1.16～2.22 g/kg，pH值下降0.05～0.94，容重降低0.06～0.12 g/cm3，土壤理化性質(zhì)得到了有效改善，黑麥草生長(zhǎng)狀況得到了顯著提高，黑麥草的出苗率提高43.35%～69.95%，3茬鮮草總產(chǎn)量提高34.24%～92.04%?？傮w而言，3種措施均有助于陜西省定邊縣鹽漬土的改良，且以施用脫硫石膏效果最好。

施用脫硫石膏改良鹽堿地，其所含有害元素雖然沒有形成直接污染，但有害元素在黑麥草各部位的含量已相對(duì)增加，形成了對(duì)生物鏈的潛在危害。檢測(cè)結(jié)果表明，施用脫硫石膏改良鹽堿地雖然會(huì)顯著增加耕層土壤和黑麥草中的重金屬含量，但土壤和黑麥草中Cd、Hg、Pb、As、Cr等重金屬的含量遠(yuǎn)低于GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和國(guó)家飼料衛(wèi)生指標(biāo) GB 13078—2001《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定值，因此合理施加脫硫石膏改良鹽堿地后的農(nóng)用土壤和生產(chǎn)的黑麥草是安全的。

黑麥草是我國(guó)陜北地區(qū)廣泛種植的耐旱耐鹽堿的優(yōu)質(zhì)飼草兼綠肥作物，擴(kuò)大中、重度鹽堿地改良規(guī)模和黑麥草的種植，對(duì)建立“改良鹽堿地-種植牧草-發(fā)展畜牧業(yè)-有機(jī)肥還田-鹽堿地改善”的循環(huán)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)模式具有重要的參考價(jià)值[22]。

鹽漬化土壤的形成是一個(gè)長(zhǎng)期而復(fù)雜的過程，鹽漬土改良也是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程。任何單一的措施，都有其自身適用條件和技術(shù)優(yōu)勢(shì)及局限性。針對(duì)定邊縣鹽堿地的現(xiàn)狀，建議采用綜合措施進(jìn)行改良，耕作前可大面積采用石膏、過磷酸鈣等生理酸性化肥進(jìn)行改良，在補(bǔ)充土壤養(yǎng)分的同時(shí)中和土壤堿性。此外，可以在表層覆秸稈或者覆沙，進(jìn)一步改善土壤理化結(jié)構(gòu)、抑制土壤返鹽。

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