三種環(huán)境材料及其復合施用對鹽堿化土壤的改良效果研究

金夢野，黃 娟，侯 嬪，黃占斌*

（1.中國礦業(yè)大學（北京）化學與環(huán)境工程學院，北京 100083；2.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518040）

鹽堿土壤廣泛分布在世界較干旱區(qū)域和沿海平原地區(qū)，是重要的后備耕地資源[1]。據(jù)全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)顯示，我國鹽堿土壤總面積約為991萬hm2，占我國土壤總面積的10%，而我國人均耕地面積遠低于世界水平[2]。濱海鹽堿地是我國鹽堿地的主要類型之一，該地主要受海水的影響，季節(jié)返鹽現(xiàn)象較高。鹽堿地的土壤含鹽量高則會導致土壤發(fā)生板結(jié)、孔隙度減小、通透性差、土壤養(yǎng)分與有機質(zhì)含量低等問題[3-4]，造成農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量下降[5]，這已經(jīng)成為阻礙農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。

目前，國內(nèi)外在鹽堿地改良方面進行了大量研究，應用的改良技術(shù)主要有物理、化學、生物和水利工程等措施[6-7]?；瘜W措施在鹽堿土壤改良的應用中較為廣泛，研究表明，利用化學措施使用改良劑可以快速降低鹽堿土壤的鈉吸附比（SAR），增大土壤孔隙度，減少土壤中可溶性Na+含量，加快土壤中鹽分的淋洗[8]。但以往研究中只重視鹽堿化土壤的“脫鹽過程”[9]，在鹽堿土壤結(jié)構(gòu)改良、肥力提升及灌溉排水結(jié)合方面重視不足，導致在脫鹽過程完成后地下水位升高時，鹽分會再次返到土壤表層，造成土壤二次鹽堿化，極大影響鹽堿化土壤的改良效果。

采用不同功能的環(huán)境材料復合是目前鹽堿土壤改良材料研發(fā)的重要方向，特別是將具有土壤脫鹽功能和改善土壤理化性質(zhì)功能的材料復合施用，同時達到鹽分淋洗和改良土壤結(jié)構(gòu)的目的。環(huán)境材料是具有最小環(huán)境負荷和最大使用功能的一類材料[9]，其三大特性是功能性、環(huán)保性和經(jīng)濟性[10]，這種理念的材料在鹽堿土壤改良材料的選擇中備受關(guān)注，其中腐植酸、脫硫石膏和高分子材料頗受重視。腐植酸（Hu?mic Acid，HA）是廣泛存在于自然界中的一類有機化合物，其含有的活性官能團具有離子交換和絡合能力[11]，易于與鹽堿土壤中的離子發(fā)生離子交換作用。另外，腐植酸分子結(jié)構(gòu)中的基團還可與離子發(fā)生絡合作用，促進土壤團聚體的形成[12]。通過物理或化學方法改性后的腐植酸有更高的比表面積和活性，具有更強的吸附作用和螯合作用。脫硫石膏是燃煤電廠煙氣脫硫產(chǎn)生的廢棄物，主要成分是CaSO4·2H2O。大量試驗研究[13-14]證明，脫硫石膏能夠降低鹽堿土壤中的堿化度pH和含鹽量。高分子材料是一種陰離子線型化合物在水中溶解形成的展開式鏈狀結(jié)構(gòu)，能夠促進土壤團聚體結(jié)構(gòu)的形成，增強土壤的吸水、保水性能并促進植物生長[15-16]。張開祥等[17]研究發(fā)現(xiàn)，施加腐植酸-聚丙烯酰胺復合材料能夠改善土壤理化性質(zhì)，促進酸棗種子萌發(fā)。王明華等[18]研究發(fā)現(xiàn)，石膏與聚丙烯酰胺材料按一定的比例復合后能夠降低植物體內(nèi)Na+含量，增強幼苗的酶活性。張伶波等[19]通過在山東地區(qū)土壤中施用脫硫石膏與腐植酸復合成的材料，降低了土壤的pH值且增加了玉米產(chǎn)量。目前，對鹽堿土壤的改良方向主要集中在脫鹽和增強土壤酶活性方面，而對土壤結(jié)構(gòu)改良和化學性能改良等綜合研究相對較少。本研究基于不同材料的功能互補和環(huán)境材料的特性，以天津濱海鹽堿土為研究對象，采用土柱淋溶試驗方法，將改性腐植酸、脫硫石膏和高分子材料及其復合材料對鹽堿土壤改良的效果進行比較分析，為濱海鹽堿土壤改良提供應用依據(jù)。

1 材料及方法

1.1 材料

供試土壤采自天津市寧河區(qū)玉米良種場農(nóng)田0～20 cm表層土，其pH為8.10，水溶性 Na+、Ca2+、Mg2+含量分別為 660、90、60 mg·kg-1，SAR 為 2.1，堿化度（ESP）為18.04，含鹽量為0.32%，屬于中等鹽堿化土壤。土壤從田間取回，自然風干后過5 mm篩備用。

改性腐植酸由山西豐聯(lián)農(nóng)業(yè)有限公司提供，其總HA含量≥50%，pH為8.52，EC為109.45 mS·cm-1；脫硫石膏由河北建投任丘熱電有限公司提供，pH為6.70，EC為 43.61 mS·cm-1，其主要成分 CaSO4·2H2O的含量為91.32%；高分子材料由北京金元易生態(tài)環(huán)境產(chǎn)業(yè)股份有限公司提供，其為線性陰離子型聚丙烯酰胺，白色顆粒，60～80目的水溶性材料。

1.2 試驗裝置

試驗淋溶裝置由有機玻璃和玻璃土柱架構(gòu)成（圖1）。淋溶柱的最頂端和最底端各放置一塊帶有小孔的有機玻璃濾板，為防止漏土，濾板上放置兩層200目的紗布。每個土柱內(nèi)裝入500 g風干土壤和環(huán)境材料的混合物，表面覆蓋少量石英砂（約4 g，0.5 cm厚），以保證淋洗土壤的穩(wěn)定性，防止擾亂表層土層。

土壤水分淋溶前，加200 mL去離子水使土壤水分接近田間最大持水量，室溫下放置1 d，使土壤與改良劑充分反應。首次淋溶前將淋溶柱底端用止水夾夾住，加入200 mL去離子水，反應3 h后，打開止水夾，收集24 h淋溶液。將淋溶柱放在室溫條件下自然蒸發(fā)4 d后稱質(zhì)量，至土壤含水率降到60%左右進行第二次淋溶，淋溶過程與首次相同。試驗用水為去離子水，pH為6.73，EC為0.61 mS·cm-1。

圖1 土柱淋溶模擬試驗裝置Figure 1 The equipment of soil column leaching experiment

1.3 試驗設計

以課題組前期研究結(jié)果為基礎[20]，采用單因素優(yōu)選法，分析三種環(huán)境材料及其復合施用對鹽堿土壤的改良機制。單施材料脫硫石膏、改性腐植酸、高分子材料的添加量分別為土壤干質(zhì)量的15.00%、1.50%、0.03%；復合材料的添加比例為脫硫石膏∶改性腐植酸∶高分子材料=30∶3∶0.06，總添加量為土壤干質(zhì)量的0.80%，其pH為7.40，Ca2+含量為23.00%；另設不添加任何材料的鹽堿土壤作為對照（CK）。共5個處理，每個處理設3個重復。

1.4 測定指標與方法

淋溶液體積采用量筒法測定；pH采用玻璃電極法測定（LY/T 1239 —1999）；Na+、Ca2+、Mg2+含量采用ICPMS（NexlON 300D，美國PerkinElmer公司）測定；土壤水溶性含鹽量采用烘干法測定；土壤水穩(wěn)定性團聚體采用團聚體分析儀測定（TTF-100，北京同德創(chuàng)業(yè)科技有限公司）；SAR是衡量土壤堿化度的重要指標，計算公式為：

試驗所獲得的數(shù)據(jù)用Origin 2018進行繪圖。所研究數(shù)據(jù)用SPSS19.0軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同環(huán)境材料對土柱淋溶后鹽堿土壤pH的影響

pH可反映鹽堿化土壤酸堿程度，若鹽堿化土壤的pH較高，則其含有的CaCO3不能溶解，會與鹽堿土壤中的P發(fā)生化學反應，將P固定，導致植物缺P。添加脫硫石膏、改性腐植酸、高分子材料及其復合材料淋溶后鹽堿土壤pH的變化如圖2所示。與CK相比，添加脫硫石膏、改性腐植酸及復合材料處理，淋溶后的鹽堿土壤pH降幅為0.67%～7.46%，其中添加脫硫石膏淋溶后土壤pH降至6.89，與CK達到顯著差異（P＜0.05）；添加高分子材料處理，淋溶后鹽堿土壤pH較CK增加了6.12%。實驗結(jié)果表明，單施脫硫石膏對降低淋溶后鹽堿土壤的pH效果最顯著，其次是復合材料處理組。

2.2 不同環(huán)境材料對土柱淋溶后鹽堿土壤SAR的影響

鹽堿土壤的形成是土壤膠體吸附Na+的過程，也是土壤固相和液相間陽離子相互交換的過程。由圖3可知，與CK相比，添加脫硫石膏、改性腐植酸、高分子材料及復合材料淋溶后，鹽堿土壤的SAR均有不同程度的下降，分別降低了37.70%、1.64%、7.10%、26.23%，脫硫石膏處理組對降低土壤SAR值達到了顯著水平（P＜0.05），說明單施脫硫石膏對降低淋溶后鹽堿土壤SAR效果最優(yōu)，其次是復合材料處理組。

圖2 不同環(huán)境材料對淋溶后土壤pH的影響Figure 2 The effects of different environmental materials on pH of leaching solution

圖3 不同環(huán)境材料對土壤SAR值的影響Figure 3 The effects of different environmental materials on soil SARvalues

2.3 不同環(huán)境材料對土柱淋溶后鹽堿土壤水溶性鹽總量的影響

含鹽量是鹽堿土壤的重要屬性。鹽堿土壤中的鈉鹽含量較高，使土壤與植物間的滲透壓失衡，導致植物生理干旱而吸水困難，枯萎甚至死亡。添加環(huán)境材料對鹽堿土壤中水溶性鹽總量的影響如圖4所示。在鹽堿土壤中加入改性腐植酸、高分子材料淋溶后，鹽堿土壤的含鹽總量分別降低至0.42、1.17 g·kg-1，脫硫石膏處理和復合材料處理的土壤含鹽量分別增加至8.66、5.59 g·kg-1，說明單施改性腐植酸和高分子材料可降低淋溶后鹽堿土壤的水溶性，其中，與CK相比，改性腐植酸對土壤水溶性鹽的降低達到了顯著水平，脫硫石膏和復合材料處理組能夠增加淋溶后鹽堿土壤的水溶性鹽含量。

2.4 不同環(huán)境材料對鹽堿土壤水分保持的影響

圖4 不同環(huán)境材料對土壤含鹽量的影響Figure 4 The effects of different environmental materials on soil salt content

圖5 環(huán)境材料對土壤水分保持的影響Figure 5 The effects of environmental materials on soil water conservation

淋溶液體積即能表示土壤的保水能力，鹽堿化土壤的保水能力較差，導致土壤發(fā)生板結(jié)現(xiàn)象，影響植物的生長。不同環(huán)境材料對土壤水分保持的影響見圖5。添加脫硫石膏、改性腐植酸、高分子材料、復合材料后，第一次收集的淋溶液體積分別比CK減少了2.27%、2.73%、49.09%、6.36%。第二次淋溶過程中，添加脫硫石膏、改性腐植酸、復合材料的處理組淋溶液體積與CK沒有明顯差異，但高分子材料處理組淋溶液體積較CK減少了13.14%。說明單施高分子材料對鹽堿土壤保持水分效果最好，其次是復合材料處理組。

2.5 不同環(huán)境材料對土柱淋溶后鹽堿土壤水穩(wěn)定性團聚體的影響

土壤團聚體是良好的土壤結(jié)構(gòu)體，對調(diào)節(jié)土壤水、氣、溫起到重要作用，鹽堿土壤中大于0.25 mm的土壤團聚體數(shù)量較少，導致土壤發(fā)生板結(jié)現(xiàn)象，影響植物對營養(yǎng)成分的吸收。不同環(huán)境材料對鹽堿土壤各級土壤團聚體的影響見表1。施加環(huán)境材料后鹽堿土壤中大于0.25 mm的團聚體含量呈增加趨勢，說明添加環(huán)境材料能夠促進鹽堿土壤中團聚體結(jié)構(gòu)的形成，且各處理中0.25～0.5 mm的土壤團聚體的比例顯著增加。與CK相比，添加脫硫石膏、改性腐植酸、高分子材料及復合材料淋溶后鹽堿土壤團聚體含量分別增加了0.83%、9.48%、15.70%、20.41%。

3 討論

鹽堿土壤中Na+含量較高，造成土壤黏重、透水透氣性差等現(xiàn)象，一般通過增加土壤中的Ca2+濃度，置換土壤表面交換位點上的Na+，加之淋洗作用使Na+排出[21]，且Ca2+與鹽堿土壤中的HCO2-3反應可降低土壤的pH。本試驗結(jié)果也表明（圖2），添加含Ca2+的脫硫石膏對降低土壤pH有顯著效果，且在一定范圍內(nèi)土壤淋溶液pH的降低與脫硫石膏添加量呈正相關(guān)。這主要是因為脫硫石膏含有的Ca2+能夠?qū)⑼寥滥z體中的Na+置換出來，Na+與水和CO2反應生成NaHCO3，CaSO4與 NaHCO3反應生成 Na2SO4和 CaCO3[22]，有利于土壤pH向中性轉(zhuǎn)化，這與Smaoui-Jardak等[23]的研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)，添加脫硫石膏對降低土壤SAR值效果顯著（圖3），這是由于脫硫石膏中提供的Ca2+在土壤溶液中能夠與交換性Na+發(fā)生置換反應[24]，由SAR值定義式可知：SAR值與土壤中的Ca2+含量成反比，與Na+含量成正比。由于土壤中Na+含量降低，且脫硫石膏水溶條件下Ca2+含量增加，因此導致土壤SAR值降低；另外，改性腐植酸可改善土壤結(jié)構(gòu)，增強土壤透水性能，有利于Na+溶出，降低土壤SAR值，這與秦萍等[25]、Nan等[26]的研究結(jié)果一致。

表1 不同環(huán)境材料處理對土壤團聚體含量影響（%）Table 1 The effects of different environmental materialson soil aggregate content（%）

鹽堿土壤改良的目的之一是降低土壤含鹽量，尤其是Na+含量。大量研究表明，施用脫硫石膏能夠降低鹽堿土壤的可溶性鹽含量[27-28]，這與本試驗的結(jié)果相反。這一方面可能是由于脫硫石膏導致土壤中鹽離子含量升高，盡管能隨淋溶流失，但土壤中尚存大量可交換態(tài)鹽離子，遇水將很快隨水排出土壤[29]；另一方面是，在添加脫硫石膏后土壤中發(fā)生置換作用，土壤中的Na+含量降低，因此，淋溶后的鹽堿土壤中的鹽類成分由對植物結(jié)構(gòu)和組織有害的鈉鹽，轉(zhuǎn)變成對植物細胞膜合成有利的鈣鹽[30]。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖4），施用改性腐植酸和高分子材料能夠降低淋溶后鹽堿土壤的水溶性鹽含量，改性腐植酸含有的活性官能團具有吸附、螯合作用，可通過促進土壤中團聚體的形成提高土壤的通透性，加快土壤中鹽分的淋洗，降低土壤中水溶性鹽總量[31]，這與王倩姿等[32]的研究結(jié)果一致。高分子材料是陰離子線性材料，在土壤中遇水后分子鏈逐漸展開，將周圍的土壤顆粒凝聚，形成土壤大團聚體，改善土壤結(jié)構(gòu)，增大土壤孔隙度，降低土壤中含鹽量，本研究結(jié)果與王春霞等[33]的研究結(jié)果一致。

鹽堿土壤中水分含量低、大于0.25 mm土壤團聚體含量少是影響植物生長的主要因素。本試驗結(jié)果表明（圖5、表1），高分子材料對土壤水分保持具有較好的效果，這主要是因為其含有的酰胺基容易與水分子在土壤膠體表面結(jié)合，促進高分子網(wǎng)束展開，結(jié)合網(wǎng)束內(nèi)的親水離子，造成滲透壓的不平衡，水分子流入網(wǎng)內(nèi)且自身運動受到壓力限制，從而減少土壤水分流失，這在李佳佳等[34]、劉洋等[35]的研究中都有論證。與CK相比，復合材料對土壤中團聚體含量增加的效果最優(yōu)，這主要是因為高分子材料呈鏈狀結(jié)構(gòu)，鹽堿土壤中的鹽離子能夠使分子鏈發(fā)生卷曲，影響鏈端吸附小于0.25 mm顆粒的能力[36]，而且高分子材料結(jié)構(gòu)中含有酰胺基等基團，可通過形成氫鍵實現(xiàn)凝聚作用[37]。高分子聚合物以吸附、纏繞、貫穿等方式捕捉分散土粒，從而使之凝聚成團粒，故能吸附粒徑在0.25～0.5 mm的團聚體[38]。此外，氨化腐植酸含有羥基、羧基等活性官能團，易于與土壤中的離子發(fā)生絡合作用，促進土壤團聚體的形成[39]。因此，將高分子材料與氨化腐植酸復合施用對土壤團聚體結(jié)構(gòu)的形成有更好的效果。

4 結(jié)論

（1）土柱淋溶試驗表明，脫硫石膏、改性腐植酸、高分子材料和復合材料對鹽堿土壤改良均有一定效果，但對鹽堿土壤的改良機制不同。脫硫石膏能夠降低鹽堿土壤pH和土壤SAR值；高分子材料能夠增強鹽堿土壤水分保持效果，促進土壤團聚體結(jié)構(gòu)的形成；改性腐植酸主要作用是降低鹽堿土壤中水溶性含鹽量。

（2）三種環(huán)境材料的復合材料能夠顯著促進鹽堿土壤中團聚體的形成，其協(xié)同作用能夠改變鹽堿土壤理化性質(zhì)，特別是能夠改良土壤結(jié)構(gòu)，防止土壤二次返鹽，提高鹽堿土壤改良的效果。