不同改良劑對東營鹽堿地改良效果研究

張志美 袁 夢 李 燊 紀瑤瑤 喬英云 田原宇

中國石油大學（華東）化學工程學院 青島 266580

全球鹽堿地面積已超過9.55×108hm2[1]，約占陸地總面積的10%[2]，并以年1.0×106～1.5×106hm2的速度增加[3～5]。原農業(yè)部全國第二次土壤普查結果表明，我國鹽堿地面積約3.46×107hm2，占全國可利用土地總面積的4.88%。研究表明，近1.00×107hm2鹽堿地具有潛在開發(fā)利用價值[6]。因此，對鹽堿地進行改良利用具有重大意義。

東營市位于山東省北部，地處東經118°07′～119°10′，北緯36°55′～38°10′，屬暖溫帶季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春季干旱少雨，秋季雨水少[7]，極易造成土壤鹽分積累，形成鹽堿地。由于受到海水的長期浸漬，地下水位升高，在強烈的地表蒸發(fā)作用下，海水隨毛細管上升后水分蒸發(fā)，鹽分留在地表形成鹽堿地。同時，黃河每年會沖擊出新的淤土形成新的鹽堿地。目前，東營市主要采用灌溉洗鹽、引洪放淤、“上農下漁”、暗管排鹽、種植水稻、增施有機肥料、平整土地、深耕深翻、種植耐鹽堿牧草和樹木等措施改良鹽堿地[8，9]。由于這些方法大部分需要利用水利措施，耗水量大且沒有從根本上解決土壤鹽堿化的問題，因此尋找操作簡單、節(jié)約水資源、改良效果穩(wěn)定的改良方式顯得尤為重要。

使用腐植酸、紅石膏和粉煤灰等化學改良劑改良鹽堿地的研究已有很多，但大多數(shù)研究都以土壤pH、孔隙度、電導率、全鹽量和土壤所含營養(yǎng)元素等為研究重點，未對鹽堿土壤形成的最關鍵因素（土壤團粒結構過細所形成的毛細現(xiàn)象）進行深入研究。因此，本試驗利用褐煤發(fā)電產生的廢棄物粉煤灰、鈦白粉生產過程中產生的廢棄物紅石膏、廢棄秸稈熱解產生的液體腐植酸和粉狀腐植酸為改良劑改良東營鹽堿地，以增大土壤團粒結構、減弱毛細現(xiàn)象為研究重點，比較4種改良劑對鹽堿地的改良效果，以期為東營鹽堿地改良選擇合適的改良劑，實現(xiàn)“以廢治廢”、從源頭上治理鹽堿地的目的。

1 材料及方法

1.1 材料

試驗使用的鹽堿土壤取自山東省東營市墾利區(qū)永安鎮(zhèn)鹽堿地。液體腐植酸取自山東聊城年產20000 t生物質自混合下行循環(huán)流化床毫秒熱解工業(yè)裝置生產的生物質熱解液體，是廢棄的秸稈在常壓中等溫度（約500 ℃）、較高的升溫速率103～104℃/s、蒸汽停留時間1 s以內快速熱解產生的。粉煤灰從錫林格勒華能發(fā)電廠購買，紅石膏從濟南裕興化工廠購買。粉狀腐植酸是液體腐植酸減壓蒸餾后產生的含棕黑腐植酸較多的腐植酸。

試驗主要儀器見表1，液體腐植酸和粉狀腐植酸的成分分析見表2。紅石膏粒徑＜100 μm，pH 8.26，有機質0.12%，容重0.6020 g/cm3，全鹽量13.12 g/kg。粉煤灰粒徑＜100 μm，pH 10.48，有機質0.01%，C 0.41%，H 0.54%，N 0%，S 1.24%，全鹽量1.82 g/kg。鹽堿土壤中粒徑大于0.25 mm的水穩(wěn)性大團聚體比例為11.27%，毛細管水上升高度為52.5 cm，有機質1.39%，全鹽量3.65 g/kg，pH 7.77，出苗率0，為重度鹽堿土壤。

表1 主要儀器Tab.1 Main instruments

1.2 試驗設計

試驗采用簡單混合攪拌的方式，將液體腐植酸和粉狀腐植酸分別按1%（99 g鹽堿土壤，1 g液體腐植酸/粉狀腐植酸溶于18 g水中）、2%、3%、4%和5%的比例（占總質量的質量比）添加到鹽堿土壤中并攪拌混合均勻，在室溫下老化7天，待鹽堿土壤團粒結構穩(wěn)定后測定其理化性質。使用紅石膏和粉煤灰改良鹽堿土壤時，將紅石膏和粉煤灰分別按5%（95 g鹽堿土壤與5 g紅石膏/粉煤灰混合均勻后，加18 g水攪拌）、10%、15%和20%的比例添加到鹽堿土壤中并攪拌混合均勻，在室溫下老化7天，待鹽堿土壤團粒結構穩(wěn)定后測定其理化性質。

1.3 測定指標與方法

試驗按照等量、隨機和多點混合的原則對鹽堿土壤進行取樣，土壤理化性質的測定方法如表3所示。

2 結果與分析

2.1 土壤pH

pH是鹽堿土壤堿化度的重要評價標準[10]，由圖1（a）可知，液體腐植酸和粉狀腐植酸均能降低鹽堿土壤pH，使土壤pH分別降至7.31～7.60和7.66～7.73，這是由于腐植酸中含有羧基、酚羥基和醇羥基等酸性官能團[11]，導致腐植酸呈弱酸性。用腐植酸改良鹽堿土壤時，腐植酸中的酸性官能團釋放出的H+與鹽堿土壤中的OH-結合生成H2O，降低了鹽堿土壤pH；同時腐植酸是一種弱酸，能與土壤中的陽離子結合生成腐植酸鹽，形成腐植酸-腐植酸鹽相互轉化的緩沖系統(tǒng)，從而很好地調節(jié)土壤酸堿度[12]。

由圖1（b）可知，隨紅石膏加入比例增加，鹽堿土壤pH緩慢升高，但改良的鹽堿土壤pH小于8.5，不會造成堿害[13]；隨粉煤灰加入比例增加，鹽堿土壤pH上升顯著，加入10%、15%和20%粉煤灰時，鹽堿土壤pH分別為9.01、9.48和9.53，而土壤pH大于9時會嚴重影響作物正常生長發(fā)育，甚至導致作物死亡[14]。因此，在利用粉煤灰改良鹽堿土壤時，要注意粉煤灰用量不能太高，同時可以考慮將粉煤灰與酸性改良劑復配改良鹽堿土壤，以減輕粉煤灰引起的堿害。

圖1 加入不同改良劑對鹽堿土壤pH的影響Fig.1 Effects of adding different amendments on the pH of saline-alkali soil

2.2 土壤團粒結構

土壤中粒徑大于0.25 mm的水穩(wěn)性大團聚體比例對土壤質量有重要影響，當其比例大于40%時，毛細現(xiàn)象被抑制，可有效地降低土壤鹽堿化[15～17]。

由圖2可知，隨改良劑加入量的增加，鹽堿土壤中粒徑大于0.25 mm的水穩(wěn)性大團聚體比例整體增加較大，液體腐植酸、粉狀腐植酸改良的鹽堿土壤水穩(wěn)性大團聚體比例由11.27%分別增至20.24%～63.98%和14.16%～28.77%，這是因為腐植酸分子中的含氧酸性官能團，包括芳香族和脂肪族結構上的羧基、醇羥基和酚羥基等，具有很強的離子交換能力，能以離子鍵和共價鍵的形式與Fe2+和Cd2+等金屬離子形成絡合物或螯合物，導致土壤中的水穩(wěn)性大團聚體比例增加[18]；此外，腐植酸可作為土壤團粒結構形成的黏結劑，提高土壤有機-無機復合度，增加土壤中大粒徑水穩(wěn)性團聚體的含量[19]。由圖2（c）和（d）可知，紅石膏和粉煤灰改良的鹽堿土壤水穩(wěn)性大團聚體比例分別增至11.74%～16.68%和15.24%～28.04%。改良效果最好的是液體腐植酸。

圖2 加入不同改良劑對鹽堿土壤水穩(wěn)性大團聚體的影響Fig.2 Effects of adding different amendments on water-stable macroaggregates of saline-alkali soil

2.3 土壤毛細現(xiàn)象

由圖3（a）可知，液體腐植酸改良的鹽堿土壤毛細現(xiàn)象由52.5 cm降至5.8～10.7 cm，降低了79.62%～88.95%；同理，由圖3（b）（c）（d）可知，粉狀腐植酸、紅石膏、粉煤灰改良的鹽堿土壤毛細現(xiàn)象分別降低了76.95%～84.38%、52.38%～63.24%、40.38%～52.19%。這是因為4種改良劑對鹽堿土壤都有團聚作用，提高了鹽堿土壤中水穩(wěn)性大團聚體比例，有助于減小土壤顆粒過細形成的毛細現(xiàn)象，減輕土壤板結和鹽堿化程度。

圖3 不同改良劑改良的鹽堿土壤毛細現(xiàn)象Fig.3 The capillary phenomenon of saline-alkali soil improved by different amendments

2.4 土壤有機質和全鹽量

土壤有機質含量與土壤質量一般呈正相關關系[20]，土壤鹽分含量是判斷土壤是否鹽堿化的重要標準之一。

由表4可知，土壤有機質含量隨液體腐植酸和粉狀腐植酸加入比例增加不斷增大，較原鹽堿土壤分別增加21.02%～68.34%和21.91%～51.57%。另外，由于腐植酸對鹽堿離子具有螯合、吸附和離子交換作用，能促進土壤顆粒形成大團聚體結構，降低細顆粒土壤毛細現(xiàn)象，減少水分蒸發(fā)攜帶到土壤表面的鹽分[19]。同時，因為腐植酸膠體帶負電，改良土壤后能增加土壤對陽離子的吸附性，起到吸鹽、阻隔鹽分的作用[12]，因此，腐植酸能顯著降低鹽堿土壤中的全鹽量，液體腐植酸和粉狀腐植酸使其分別較原土減小29.86%～70.96%和1.37%～20.82%。

紅石膏和粉煤灰中的有機質含量很低，加入到鹽堿土壤中通過稀釋效應會使土壤更加貧瘠，出現(xiàn)如表4所示的鹽堿土壤有機質含量降低的現(xiàn)象。同時，因為紅石膏中含有的大量Ca2+能代換出鹽堿土壤中的Na+，使土壤中的可溶性鹽分更容易被浸提到溶液中，導致改良的鹽堿土壤全鹽量增加，而全鹽量增加易造成農作物脫水死亡，還需通過淋洗方式將置換出的Na+排出[21]。

表4 不同改良劑改良的鹽堿土壤中的有機質和全鹽量Tab.4 Organic matter and total salt content of saline-alkali soil improved by different amendments

3 結論與討論

（1）試驗所用4種改良劑均可增大鹽堿土壤

團粒結構，減小毛細現(xiàn)象，達到改良鹽堿地的效果，但紅石膏和粉煤灰對鹽堿土壤的改良效果不及腐植酸。（2）紅石膏和粉煤灰呈堿性，過量施用易造成堿害，應控制其用量或與酸性改良劑復配施用。（3）紅石膏和粉煤灰改良的鹽堿土壤有機質含量低，可與有機質含量豐富的改良劑復配施用。（4）腐植酸可以中和鹽堿土壤pH，黏結土壤顆粒，增加水穩(wěn)性大團聚體比例，減小毛細現(xiàn)象，增加土壤中的有機質含量，是從源頭上治理鹽堿地最有效的方法。（5）綜合分析鹽堿土壤理化性質的變化情況，液體腐植酸的改良效果最佳。

加入1%液體腐植酸/粉狀腐植酸就已經達到了很好的改良效果，為降低經濟成本，后續(xù)應繼續(xù)研究更低含量的腐植酸對鹽堿土壤的改良效果。另外，改良后的鹽堿土壤養(yǎng)分、盆栽試驗和田間種植試驗還有待進一步研究；腐植酸復配紅石膏/粉煤灰改良鹽堿土壤也有待后續(xù)進一步研究。