石膏對蘇打鹽堿土壤理化性質(zhì)的影響

黃艷飛， 陳君梅， 辛亞寧， 吳慶麗

(成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院，成都 611130)

吉林省西部松嫩平原的蘇打鹽堿地是我國重要的土壤資源，受鹽漬化影響的土地面積超過373萬hm2。蘇打鹽堿土是一種高度退化的土壤，土壤膠體吸附大量Na+，致使土壤pH增加、堿化度升高、土壤團(tuán)聚體崩解、黏粒分散。因此，如何改良利用蘇打鹽堿土是亟待解決的關(guān)鍵問題[1-2]。

長期以來，前人圍繞蘇打鹽堿土的改良及利用展開了大量的研究工作，提出了包括化學(xué)、物理、生物和水利改良等一系列單項(xiàng)或綜合改良措施，取得了一定的改良效果[3-8]。成功改良蘇打鹽堿土需要兩個(gè)過程：①提供高價(jià)陽離子以替換土壤交換鈉離子，促進(jìn)土壤黏粒絮凝；②通過排水將鹽分從土壤中排出。石膏被認(rèn)為是土壤中鈣離子的重要來源，能增加土壤溶液電解質(zhì)濃度，減少土壤交換性鈉離子含量，從而改善土壤物理性質(zhì)[9-10]。排水是改良鹽堿土的另一個(gè)重要過程，通過溶解土壤中可溶性鹽，將鹽分從土壤中去除[11-12]，從而使鹽堿土得到改良。以往鹽堿地改良研究多集中于改良物質(zhì)添加后對土壤鹽堿的影響，而較少考慮排水過程中交換性離子脫離土壤的過程變化以及排水過程中土壤溶液離子的量化研究，且將硫酸鈣改良劑與灌排水相結(jié)合改良蘇打鹽堿地的相關(guān)研究較少。為此，本研究針對吉林西部松嫩平原蘇打鹽堿土，將石膏改良蘇打鹽堿土的方法與灌排水相結(jié)合，利用室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究添加不同劑量硫酸鈣改良劑對鹽堿土pH、鹽分含量、堿化度等土壤理化性質(zhì)的影響及排水脫鹽過程變化，為蘇打鹽堿地改良、水田建立提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1供試土壤 供試土壤為2017年10月采自吉林省西部白城市大安市聯(lián)合鄉(xiāng)建設(shè)村未經(jīng)改良的重度蘇打鹽堿土。土壤類型為草甸堿土，土壤pH 10.3，土壤水溶性鹽分含量 3.7 g·kg-1，土壤交換性K+含量 0.521 cmol·kg-1，土壤交換性Na+含量 16.65 cmol·kg-1，土壤交換性Ca2+含量 1.559 cmol·kg-1，土壤交換性Mg2+含量 0.714 cmol·kg-1，土壤堿化度(exchangeable sodium saturation percent age，ESP)76.67%。將采集的土壤自然風(fēng)干，過 2 mm篩混勻備用。

1.1.2化學(xué)改良劑 化學(xué)改良劑為石膏(二水硫酸鈣，CaSO4·2H2O，分析純)，購自于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司“滬試”牌。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年11—12月開展，分別設(shè)置添加不同劑量石膏和灌排水的模擬試驗(yàn)。其中，石膏的添加量參考田間實(shí)際用量分別設(shè)置0、0.6%、1.2%和2.4% 共4種劑量等級，即400 g土壤中分別加入0、2.4、4.8和9.6 g 石膏。4種劑量等級共設(shè)置6個(gè)處理，分別為CK：不施加石膏+灌排水；T1∶0.6%石膏+灌排水；T2∶0.6%石膏+灌排水，石膏于起始和第2天排水后分別加入2.4 g；T3∶1.2%石膏+灌排水；T4∶1.2%石膏+不灌排水，僅起始加入去離子水400 mL，第5天排水；T5∶2.4%石膏+灌排水；T1、T3、T4和T5處理的石膏均為起始時(shí)一次性加入。每個(gè)處理3次重復(fù)。容器為1 000 mL三角瓶，蘇打鹽堿土添加量為400 g，初次加入去離子水400 mL，攪拌均勻靜置沉淀24 h后，先用上清液把軟管內(nèi)部加滿，然后夾住出口，沒夾住的一端插入上清夜中，將上清液排凈后收集，每次再重新加入去離子水135 mL。連續(xù)灌排水5次，每次間隔24 h。各處理的灌排水量詳見表1。

表1 各處理的灌排水量

1.3 測定方法

土壤上清液pH采用電位法測定；土壤上清液電導(dǎo)率(electric conductivity，EC)采用電導(dǎo)法測定[13]；將土壤上清液過濾后用于土壤水溶性鉀鈉鈣鎂離子的測定，采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測定；土壤交換性鉀鈉鈣鎂的測定采用乙酸銨浸提電感耦合等離子發(fā)射光譜法[14]。土壤前處理及指標(biāo)測定均根據(jù) NY/T 1121.5—2006農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《石灰性土壤陽離子交換量的測定》進(jìn)行。

①土壤堿化度通過式(1)計(jì)算得到。

(1)

②石膏利用量、石膏利用率、石膏排出損失量、石膏排出損失率、石膏去向不明、溶液剩余量、排出鈉離子、排出鈣離子及石膏溶液剩余量通過以下公式計(jì)算。

石膏利用量=(最終土壤中交換性鈣含量-起始土壤中交換性鈣含量)×土壤質(zhì)量×石膏摩爾質(zhì)量

(2)

石膏利用率=(最終土壤中交換性鈣含量-起始土壤中交換性鈣含量)×土壤質(zhì)量×石膏摩爾質(zhì)量/石膏用量×100%

(3)

石膏排出損失量=上清液水溶性鈣離子含量×排水量×石膏摩爾質(zhì)量

(4)

石膏排出損失率=上清液水溶性鈣離子含量×排水量×石膏摩爾質(zhì)量/石膏用量×100%

(5)

石膏去向不明=石膏用量-石膏利用量-石膏損失量

(6)

溶液剩余量=總加水量-總排水量

(7)

排出鈉離子=上清液水溶性鈉離子含量×排水量

(8)

排出鈣離子=上清液水溶性鈣離子含量×排水量

(9)

石膏溶液剩余量=溶液剩余中石膏濃度×溶液剩余體積

(10)

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 石膏對蘇打鹽堿土的凝聚作用

土壤膠體的凝聚作用是形成土壤微團(tuán)聚體和團(tuán)聚體的首要條件，因此高分散性的蘇打鹽堿土改良，首要考慮改良劑對土壤膠體的絮凝作用。水土界面分化越明顯，水層越清晰，土壤沉淀的體積越小，上清液越多，即土壤絮凝作用越顯著。表1顯示，初始加入水400 mL，起始水土比為1∶1，后面每次加入水135 mL，攪拌均勻靜置沉淀24 h后將上清液排凈收集，即排水量=上清液量，排出上清液越多，土壤黏粒絮凝作用越強(qiáng)。第1天，T3、T5處理上清液為135 mL；T1和T2處理上清液為100 mL；CK為懸濁液，且后期持續(xù)加水也無絮凝沉淀及上清液排出。即第1天土壤絮凝作用為T5、T3>T1、T2>CK。由此表明，石膏能夠改善蘇打鹽堿土的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，石膏用量不足時(shí)，絮凝效果不佳；超過一定量后，繼續(xù)增加石膏量，凝聚效果未得到改變。

2.2 石膏對上清液pH及EC的影響

圖1表明，加入石膏后上清液pH快速下降，由10.31下降至8.19～8.55；之后隨著排灌水的進(jìn)行，上清液pH又略有上升。第5天，T1、T3和T5處理上清液pH分別升至9.53、8.52和8.34，其中，T3和T5處理顯著低于T1處理；T2處理再次加入石膏后，上清液pH又降低，在第4天顯著低于T1處理。

注：不同小寫字母表示相同時(shí)間不同處理間差異在P<0.05水平顯著。

上清液電導(dǎo)率(EC)是測定上清液水溶性鹽含量的指標(biāo)，T3、T4和T5處理上清液EC在第1天起始時(shí)基本一致，顯著高于T1、T2處理，除了石膏溶解外，還有置換出來的鈉離子溶解在水中。隨著排灌水的進(jìn)行，上清液EC逐漸降低。其中，T4處理因不灌排水，上清液EC不變；T3處理上清液EC的下降速率高于T5處理；T2處理因第2天再次添加石膏上清液EC顯著高于T1處理。

2.3 石膏對上清液離子組成的影響

圖2顯示，上清液隨著排水的進(jìn)行，各離子濃度呈逐漸降低的趨勢。T3與T5處理在第1、2、3天上清液中水溶性鈉離子含量相同，顯著高于T1處理，可能是由于T1處理石膏用量不足導(dǎo)致置換出的水溶性鈉離子較少。T3與T5處理第1天上清液水溶性鈣離子含量相同，顯著高于T1處理，隨后T1和T3處理上清液鈣離子含量呈逐漸降低趨勢，而T5處理上清液水溶性鈣離子濃度一直穩(wěn)定在1.100～1.236 cmol·L-1，與鈣離子化合物在水中離子組成及其溶解度有關(guān)。T2處理第2天再次加入石膏后上清液中水溶性鈣離子和鈉離子含量呈先增加后降低趨勢，在第3天均顯著高于T1處理。T4處理未進(jìn)行灌排水，其第5天上清液水溶性鈣離子和鈉離子濃度與T3處理第1天時(shí)相同，且T4處理上清液EC(圖1)從第1到第5天維持不變，說明不灌排水情況下反復(fù)攪拌絮凝沉淀蘇打鹽堿土不會繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)。

注：不同小寫字母表示相同時(shí)間不同處理間差異在P<0.05水平顯著。

2.4 石膏對土壤交換性離子及堿化度的影響

T1處理的鈉鈣置換比為4.11(表2)，顯著高于其他處理。圖3顯示，加入石膏后，隨著攪拌、絮凝沉淀和排水，石膏中鈣離子置換土壤膠體的交換性鈉離子使土壤交換性鈉離子含量逐漸減低，交換性鈣離子含量逐漸增加至穩(wěn)定。T1處理土壤交換性鈣離子含量第2天起不再增加，但土壤交換性鈉離子繼續(xù)降低，可能是由于排水降低了上清液中水溶性鈉離子含量，導(dǎo)致土壤膠體中交換性鈉離子向水溶液中運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致土壤膠體中交換性鈉離子含量繼續(xù)降低。

注：不同小寫字母表示相同時(shí)間不同處理間差異在P<0.05水平顯著。

表2 不同石膏處理下土壤中被置換出Na+及置換進(jìn)Ca2+

加入石膏后，隨著排灌水的進(jìn)行，土壤堿化度(ESP)逐漸降低，T1、T2、T3、T4和T5處理的土壤ESP分別降至50.40%、38.26%、33.00%、55.65%、25.23%，顯著低于CK，且各處理間也存在顯著差異。T2處理第2天再次加入石膏后土壤ESP的降幅高于T1處理。CK處理無絮凝沉淀，土壤ESP反而逐漸增加，可能是由于土壤水溶性鈉離子轉(zhuǎn)換為交換性鈉離子，導(dǎo)致土壤ESP增加。T4處理第5天的土壤交換性鈉離子、土壤交換性鈣離子和土壤ESP與T3處理第1天基本一致，由此表明，后續(xù)不灌排水，攪拌絮凝沉淀不會繼續(xù)置換土壤膠體中交換性鈉離子， 因此，推斷T4處理土壤交換性鈉離子、交換性鈣離子、土壤ESP在第1至第5天維持不變。

2.5 石膏利用率

表3顯示，上清液中二水硫酸鈣濃度均低于二水硫酸鈣溶解度。隨著灌排水的進(jìn)行，T5處理上清液中二水硫酸鈣濃度逐漸上升，從1.89‰至2.13‰；T1、T2和T3處理上清液中二水硫酸鈣濃度逐漸降低。表4顯示，排出的上清液中水溶性鈉離子濃度要顯著高于水溶性鈣離子濃度。通過排出上清液中大量的水溶性鈉離子，促使土壤交換性鈉離子向水溶性鈉離子移動(dòng)，有效降低土壤堿化度。分次施用石膏的利用率(T2)高于單次施用(T1)，但差異不顯著，鈉離子排出量低于單次施用。

表3 不同石膏處理上清液中二水硫酸鈣的濃度

表4 不同石膏處理下二水硫酸鈣的利用

3 討論

除石膏中鈣離子置換土壤膠體吸附的鈉離子外，通過排水也可將土壤鈉離子排出土體，從而降低土壤堿化度[20]。在水環(huán)境下，硫酸鈣大量溶解，有利于鈣離子與土壤膠體吸附的鈉離子發(fā)生反應(yīng)。通過排出上清液，鈉離子被排出土體。由于硫酸鈉與硫酸鈣在水中溶解度不同，上清液中水溶性鈉離子含量顯著高于水溶性鈣離子含量，大量水溶性鈉離子的排出有利于硫酸鈣繼續(xù)溶解。當(dāng)硫酸鈣消耗殆盡時(shí)，通過排水仍然可以促使土壤交換性鈉離子向水溶性鈉離子移動(dòng)，從而降低土壤堿化度。水田排水洗鹽是改良蘇打鹽堿土的重要措施，因此，石膏改良蘇打鹽堿地效果與排灌水存在密切關(guān)系[21]。加入石膏改良劑短時(shí)間內(nèi)可能無法使土壤堿化度降至目標(biāo)值，只有在足量改良劑情況下通過灌排水持續(xù)發(fā)生置換反應(yīng)才能逐步降低土壤堿化度及土壤鹽分含量。

石膏施用量會影響土壤改良效果及石膏利用率。T1處理土壤堿化度的降幅顯著低于T3和T5處理，土壤絮凝效果也低于T3和T5處理。 T5處理改良效果與T3差異不顯著，但石膏利用率顯著低于T3處理。脫硫石膏的改良效果隨著脫硫石膏的用量增加而增大，但超過一定范圍后繼續(xù)增加用量改良效果無顯著提升[22]。T2處理為分次施用改良劑，與T3處理相比，石膏利用率無顯著差異，但大田實(shí)施二次拋撒難度增加。綜上所述，推薦1.2%石膏用量(T3處理)為較優(yōu)用量。