粉壟耕作下施加脫硫石膏和生物炭對鹽漬土壤水熱鹽的影響研究

哈斯格日樂，屈忠義，王 凡

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2.巴彥淖爾市水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

鹽堿土是各種鹽土和堿土以及不同程度鹽化土和堿化土壤的總稱，其特點是土體中含有較多的鹽堿成分，土壤結(jié)構(gòu)性差，抑制植物的正常生長，甚至不能成活[1,2]。20世紀(jì)以來，國內(nèi)外許多專家學(xué)者對于鹽堿土改良的措施及機理研究取得了顯著成效，部分措施已在實際應(yīng)用中得到推廣[3-5]。粉壟耕作技術(shù)是一種物理性地改善土壤理化結(jié)構(gòu)和土壤環(huán)境而實現(xiàn)對鹽堿地改良的新型技術(shù)，對于鹽堿地的綜合治理有重要意義。

粉壟耕作是將土壤垂直旋磨粉碎、不交換土層并自然懸浮成壟，在壟面上直接播種或種植作物的方法，克服了傳統(tǒng)耕作難以深耕深松、及長期碾壓導(dǎo)致的土壤板結(jié)、地力下降等問題[6,7]。通過粉壟耕作改良鹽堿地后，土壤均勻度增大，降低土壤容重和緊實度，改善了土壤蓄水能力，提高田間水分利用效率，增強土壤通透性[8]。

目前化學(xué)改良措施的應(yīng)用范圍較廣，主要是通過在鹽堿土中施加化學(xué)試劑，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)鹽分淋洗來達(dá)到改良目的。大量研究表明脫硫石膏能顯著改善土壤的孔隙狀況，促進(jìn)土壤可溶性鹽分淋洗，降低土壤的鹽堿危害[9-12]，可以使土壤的堿化度、pH值和全鹽含量均大幅降低[13,14]，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[12]。同時大多數(shù)學(xué)者對生物炭進(jìn)行多方面深入研究。研究發(fā)現(xiàn)生物炭可以改變土壤的物理性質(zhì)[15]，而且發(fā)現(xiàn)生物炭的多微孔結(jié)構(gòu)，使得它的通氣性和透水性相當(dāng)?shù)暮?，有利于改善土壤質(zhì)量[16]，改善土壤保水性能[17]、減少養(yǎng)分損失，讓土壤變得更加的肥沃，降低土壤鹽、堿度[18]。Uzoma等[19]通過研究在沙質(zhì)土壤中施入15和20 t/hm2生物炭，產(chǎn)量分別提高150%和98%。勾芒芒等[20]研究發(fā)現(xiàn)施加生物炭能夠提高番茄產(chǎn)量98%到170%，同時提高土壤肥力。因此生物炭被稱為是良好的土壤改良劑。對于解決日益突出的資源環(huán)境、農(nóng)業(yè)發(fā)展等問題，提供新思路、新技術(shù)，極大推動我國可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。但目前關(guān)于粉壟耕作結(jié)合脫硫石膏和生物炭改良鹽堿地的研究鮮有報道。

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)受氣候、地下水位等因素影響，土壤鹽漬化程度較嚴(yán)重，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。為了改善河套灌區(qū)的土壤質(zhì)量，主要研究粉壟耕作下結(jié)合脫硫石膏和生物炭，對土壤的水熱鹽的影響和對作物增產(chǎn)的效果，實現(xiàn)該地區(qū)鹽堿荒地的改良和土地利用，為河套灌區(qū)大面積鹽堿地改良技術(shù)的推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市杭錦后旗改鹽增糧科技示范區(qū)(106°54′E，40°49′N)，該區(qū)地勢平坦，海拔為990～1 003 m，屬于溫帶大陸型氣候，年均降水量為130～180 mm，蒸發(fā)量較大，年蒸發(fā)量達(dá)2 000～2 400 mm，濕潤度0.1～0.2，熱量充足，全年日照3 100～3 200 h，10 ℃以上活動積溫2 700～3 200 ℃，無霜期120～150 d。供試土壤全鹽量12.97 g/kg，為重度鹽堿土，屬硫酸鹽-氯化物型鹽土，土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土。表層土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗土壤的基本理化性質(zhì)

Tab.1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

電導(dǎo)率/(μS·cm-1)pH砂粒/%粉粒/%黏粒/%有機質(zhì)/(g·kg-1)水解氮/(mg·kg-1)速效磷/(mg·kg-1)速效鉀/(mg·kg-1)全鹽量/(mg·kg-1)5272.008.9637.8055.007.2011.1640.8730.65280.5012.97

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗在向日葵生長季開展(2018年5月至10月)，試驗設(shè)常規(guī)耕作對照(CK)、粉壟耕作(F0)、脫硫石膏+粉壟耕作(F1)、生物炭+粉壟耕作(F2)等4個處理，每個處理3次重復(fù)，且隨機分布于試驗區(qū)，試驗區(qū)周圍設(shè)置2 m保護(hù)行。供試向日葵品種為K9102。向日葵穴播，行距50 cm，株距50 cm。

土壤粉壟于當(dāng)?shù)卮簠R前進(jìn)行直接用粉壟機械深旋耕作業(yè)，粉壟深度為40～50 cm。其中脫硫石膏用量設(shè)置為45 t/hm2[8]，生物炭施用量22.5 t/hm2[18]。采用地下水膜下滴灌，一膜兩行種植，一條滴管帶控制兩行向日葵灌溉。由張力計控制灌水時間，TDR進(jìn)行校核，灌溉下限-20 kPa，每次灌水定額225 m3/hm2。施肥方式為隨水施肥。底肥磷酸二胺(N18%，P2O546%)375 kg/hm2。追施尿素(N46%)375 kg/hm2。不同處理整地施肥、播種等農(nóng)藝措施完全一致。

1.3 測定項目和方法

土壤容重：環(huán)刀法測定。取樣時期為向日葵成熟期。取樣深度0～20 cm。

土壤質(zhì)量含水率：先將環(huán)刀樣在蒸餾水中浸泡24 h至飽和，取出控水2 min，稱初始質(zhì)量，放入壓力薄膜儀中，測定各處理土樣在0、20、40、60、80、100、200、300、400、500、600、800、1 000、2 000、3 500、4 500 kPa下土壤含水率。

土壤電導(dǎo)率：取樣時期為向日葵成熟期，測定深度為0～60 cm土層，取樣間隔為20 cm。經(jīng)自然風(fēng)干、磨碎、過2 mm篩，以土水比1︰5的比例浸提土壤，測定土壤浸提液電導(dǎo)率EC1︰5。

土壤溫度：采用分度值為1 ℃的金屬直角管地溫計測量地表5 cm處的土壤溫度，插放在向日葵膜內(nèi)兩植株間，具體觀測時間為8︰00-20︰00，每2 h觀測1次。

向日葵產(chǎn)量：于幼苗期調(diào)查向日葵的出苗數(shù)，統(tǒng)計其出苗率；收獲期測定盤徑和百粒質(zhì)量，并計算其籽粒產(chǎn)量。

1.4 土壤水分特征曲線擬合模型

VG 模型是van Genuchten于1980年在Mualem等的模型基礎(chǔ)上提出的土壤水分特征曲線模型：

(1)

式中：θ為土壤含水量；θr為土壤殘余含水量；θs為土壤飽和含水量；h為土壤水吸力；α為進(jìn)氣值倒數(shù)，n和m為影響土壤水分特征曲線形態(tài)的經(jīng)驗參數(shù)；m=1-1/n。

1.5 數(shù)據(jù)整理

試驗數(shù)據(jù)用Excel、RETC、SPSS等軟件進(jìn)行整理，用 LSD法進(jìn)行顯著性分析，p<0.05表示顯著性差異水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理VG模型擬合曲線

表2為各處理VG模型擬合的參數(shù)，由表2可以看出，CK、F0、F1、F2處理的容重分別為1.53、1.51、1.46、1.40 g/cm3，與CK相比，F(xiàn)0、F1、F2處理均顯著降低了土壤容重(p<0.05)，降低幅度分別為1.43%、4.37%、8.69%。F1、F2較F0減少了3.09%、7.49%。由此可見粉壟耕作下結(jié)合生物炭和脫硫石膏降低容重程度較單一粉壟處理更明顯，其中粉壟耕作下施加生物炭效果較好。同時VG模型的4個參數(shù)θs、θr、a、n與容重顯著相關(guān)，θs、θr、a和隨著容重的減小而逐漸增加，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，說明各項參數(shù)隨改良措施的不同存在差異，F(xiàn)0、F1、F2處理通過降低土壤的容重，使得土壤的孔隙度增加，增加土壤的飽和含水率θs和土壤的殘余體積含水率θr，這有利于增加土壤的水分環(huán)境，對作物的生長以及鹽分的淋洗具有重要的意義。參數(shù)n主要與土壤孔徑分布有關(guān)，不同的處理其孔徑也不同，所以n值也不同。

表2 VG模型擬合參數(shù)

Tab.2 Fitting parameters of VG model

處理容重/(g·cm-3)θsθrnαR2CK1.53a0.4190.0351.0830.0850.989F01.51b0.4200.0361.0820.0350.991F11.46c0.4220.0511.0620.0810.995F21.40d0.4320.1941.1620.0890.984

注：同一列不同字母表示各處理間在0.05水平上差異顯著。

2.2 土壤水分特征曲線

使用RETC軟件中的Van Genuchten模型對所有處理的實驗結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，擬合參數(shù)及決定系數(shù)R2如表2所示，擬合決定系數(shù)均大于0.97，說明使用 RETC軟件進(jìn)行VG模型擬合的土壤水分特征曲線結(jié)果是可信的。由圖1可知，隨著壓力值的增加，含水率在逐漸減少。壓力值在0～1 000 kPa時，水分特征曲線的斜率較小，土壤含水率由30%變化為17%，呈現(xiàn)規(guī)律為F2>F0>F1>CK。主要是粉壟后F0、F1、F2的孔隙度較大，其土壤飽和含水率較大，水分變化顯著。隨著壓力值的增大，斜率在變大。壓力值大于1 000 kPa時，含水率變化不明顯，呈現(xiàn)規(guī)律F2>F1>F0>CK，F(xiàn)0和CK比較沒有顯著差異，主要是土壤粉壟后土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，土壤不受毛細(xì)管作用的影響，使得水分容易排出，F(xiàn)1和F2和CK處理進(jìn)行比較，改良劑持水特性好，尤其F2處理。這也說明脫硫石膏和生物炭的應(yīng)用改善了土壤的持水性能，提高了水分的有效性。

圖1 不同處理土壤水分特征曲線Fig.1 Characteristic curves of soil moisture under different treatments

2.3 不同處理對土壤溫度的影響

土壤溫度的日變化以膜內(nèi)表層5 cm土壤溫度為例(圖2)，各處理土壤溫度的變化規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)先增大后減少趨勢，呈“S”型曲線，整體表現(xiàn)規(guī)律為：F2>F1>F0>CK。F0、F1、F2的溫度變化都明顯高于CK，主要是粉壟將土壤的毛管切斷后，降低土壤蒸發(fā)強度，有利于土壤的保溫效果，施加改良劑后，尤其是生物炭處理，明顯高于其他3個處理，這與生物炭是黑色物質(zhì)，具有吸熱效果有關(guān)。一天中溫度在16︰00-18︰00達(dá)到最高，后期土壤溫度開始降低，這主要是因為大氣溫度的影響，但是其整體的變化幅度較小，主要受覆膜的影響。

圖2 不同處理土壤溫度日變化Fig.2 Diurnal variation of soil temperature under different treatments

同時利用溫度增量表征土壤溫度變化幅度，由表3可以看出，一天中8︰00-12︰00各處理增幅范圍為2.2～4.2 ℃，其中F1處理下增幅最大，12︰00-16︰00的增幅范圍為3.7～4.2 ℃，16︰00-18︰00溫度增幅范圍-0.1～0.9 ℃，F(xiàn)1處理下最小。各處理整體增幅為2.27、2.47、2.67、2.73 ℃，可以看出12︰00-16︰00溫度變化大于其他兩個階段；在16︰00-20︰00溫度還有一定的增加，但都很小；F1處理不同時段的溫度增量變化幅度明顯。綜合分析，F(xiàn)0、F1、F2均能增加土壤溫度，F(xiàn)2處理均值為最大，這也證明了生物炭的增溫效果。

表3 不同時間段的溫度增量℃

Tab.3 Different time of temperature increment

處理8︰00-12︰0012︰00-16︰0016︰00-20︰00均值CK2.24.00.62.27F03.23.70.52.47F14.23.9-0.12.67F23.43.90.92.73

2.4 不同處理對土壤電導(dǎo)率的影響

土壤溶液含鹽量與電導(dǎo)率在一定濃度范圍內(nèi)呈正相關(guān)，用溶液電導(dǎo)率的大小來間接表征土壤含鹽量[20]。不同處理對電導(dǎo)率的影響較大(圖3)，CK電導(dǎo)率顯著大于其他處理，F(xiàn)0、F1、F2處理與CK相比都存在顯著性差異(p<0.05)，在0～20 cm土層，F(xiàn)0、F1、G2處理較CK分別降低17.10%、21.72%、23.13%，其中F1和F2之間沒有顯著性差異，但F1、F2較F0均存在顯著性差異(p<0.05)；20～40 cm土層，F(xiàn)0、F1、F2處理較CK分別降低24.51%、24.35%、27.25%，F(xiàn)0、F1、F2處理間沒有顯著性差異；40～60 cm土層，F(xiàn)0、F1、F2處理較CK分別降低38.06%、52.64%、60.97%，F(xiàn)0、F1、F2處理間均存在顯著性差異(p<0. 05)。F0、F1、F2處理與CK比較平均降低了26.51%、32.91%、37.11%，同時F1、F2較F0平均降低了9.70%、14.26%。F0、F1、F2與CK比較電導(dǎo)率均變小，這也說明了在各處理下土壤中的鹽分含量也有所降低，證明了粉壟耕作(F0處理)具有降鹽的效果，而F1和F2處理均低于F0處理，這也說明了生物炭和脫硫石膏能夠降低土壤的鹽分。

圖3 不同處理土壤電導(dǎo)率(0～60 cm)Fig.3 Different treatments on EC of soil depth 0～60 cm

在0～20、20～40和40～60 cm土層土壤的電導(dǎo)率變幅分別為4 053～5 272、2 927～4 023、905～2 319 μS/cm，土壤的上層電導(dǎo)率大于下層電導(dǎo)率，造成這種情況的原因可能與該地區(qū)地下水位高，降雨量少，土壤的蒸發(fā)量大，地面出現(xiàn)返鹽，造成地表土壤鹽分含量高有關(guān)。

2.5 不同處理對向日葵產(chǎn)量的影響

成熟期各處理向日葵出苗率、盤莖、百粒重、籽粒產(chǎn)量如表4所示，可以看出產(chǎn)量與出苗率、盤莖和百粒重呈正相關(guān)，出苗率較高，盤莖大，百粒重大的條件下則其產(chǎn)量也相應(yīng)較大。重度鹽漬土經(jīng)粉壟后，向日葵的出苗率顯著增加，由48%提高到84%，F(xiàn)0、F1、G2處理較CK分別提高了27.08%、60.42%和75.01%；盤莖分別提高了20.12%、66.09%、54.62%，百粒重分別提高了29.45%、62.46%、79.88%。F0、F1、F2處理產(chǎn)量均較CK顯著提高，較CK依次增產(chǎn)1 042.05、2 129.55、2 492.70 kg/hm2，

表4 向日葵產(chǎn)量

Tab.4 Sunflower yield

處理出苗率/%盤莖/cm百粒重/g籽粒產(chǎn)量/(kg·hm-2)增產(chǎn)率/%CK48d14.66d13.72d800.10dF061c17.61c17.76c1842.15c130F177b24.35a22.29b2929.65b266F284a22.67b24.68a3292.80a311

注：同一列不同字母代表處理間p<0.05 的顯著水平。

增產(chǎn)率為130%、266%、311%，籽粒產(chǎn)量提高效果依次為：F2>F1>F0>CK。相對于F0，F(xiàn)1和F2增產(chǎn)率為59.03%和78.75%，其中F2處理的產(chǎn)量最高，這主要是因為F2處理的百粒重與出苗率較高。F0、F1、F2處理的出苗率、盤莖、百粒重、籽粒產(chǎn)量較CK均存在顯著差異性 (p<0.05)，同時F0、F1、F2處理之間也均存在顯著性差異 (p<0.05)。綜合分析來說，以F2處理較優(yōu)，增產(chǎn)效果顯著。

3 結(jié) 語

本研究通過試驗發(fā)現(xiàn)粉壟耕作具有降鹽增產(chǎn)的效果，這與以往的報道一致[8,22]。同時粉壟耕作下施加脫硫石膏和生物炭效果較好，既在一定程度上降低了土壤鹽度，又提高了土壤中水分含量和溫度，對向日葵生長具有促進(jìn)作用，能提高向日向日葵產(chǎn)量，與韓劍宏等[18]研究結(jié)果一致。且對土壤水熱鹽的影響較單一粉壟處理更顯著，其中生物炭處理效果最佳，所以可在鹽堿地改良中可推廣普及。此外，粉壟耕作作為一種新的耕作方法和耕作制度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上還有很多需要改進(jìn)和完善的地方，粉壟作業(yè)的長期效果以及對土壤環(huán)境的改善程度，如何和暗管排鹽結(jié)合起來進(jìn)行鹽堿地改良還需進(jìn)行深入的研究。

通過田間對比試驗，主要得到以下結(jié)論：

(1)粉壟耕作、粉壟耕作施加脫硫石膏和施加生物炭可以降低土壤的容重，增大的土壤孔隙度，進(jìn)而使進(jìn)而使土壤水分含量增加。生物炭和脫硫石膏有著良好的持水能力，有利于提高土壤溫度，起到蓄水保墑的作用。為植物提供良好的水環(huán)境。

(2)粉壟耕作、粉壟耕作施加脫硫石膏和施加生物炭可降低土壤的鹽分，與常規(guī)耕作比較分別降低了26.51%、32.91%、37.11%，同時施加脫硫石膏和生物炭與單一粉壟比較平均降低了9.70%、14.26%。粉壟耕作具有降鹽抑鹽的效果，同時粉壟技術(shù)結(jié)合生物炭和脫硫石膏能顯著夠降低土壤的鹽分。

(3)與常規(guī)耕作相比較，粉壟耕作、粉壟耕作施加脫硫石膏和施加生物炭均能顯著提高向日葵盤莖和百粒重(p<0.05)，能夠明顯提高向日葵產(chǎn)量。其中生物炭處理促進(jìn)向日葵的產(chǎn)量效果最突出。