不同改良措施對(duì)晉北鹽堿土鹽堿障礙和青貯玉米氮素吸收的調(diào)控

鄭敏娜， 梁秀芝， 韓志順， 康佳惠， 陳燕妮

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高寒區(qū)作物研究所， 山西 大同 037008)

土壤是人類(lèi)賴(lài)以生存的重要資源。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，耕地面積不斷縮減，逐漸逼近1.2×108km2紅線(xiàn)，著手開(kāi)發(fā)可利用的土地，對(duì)保證我國(guó)生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)安全具有重要意義[1]。其中，中、低度鹽堿地作為一種重要的土地資源，具有巨大的開(kāi)發(fā)潛力，是草牧業(yè)發(fā)展的優(yōu)先區(qū)域。大同盆地位于山西省北部，是我國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的重要組成部分，該區(qū)域蘇打型鹽堿地面積占比較大，蘇打含量高[2]，對(duì)于草-田生產(chǎn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，土壤鹽度高會(huì)嚴(yán)重制約土壤中氮素、磷素、鉀素等元素形態(tài)的轉(zhuǎn)化，降低肥料利用率[3]，致使土地生產(chǎn)力低下，影響到草牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，通過(guò)采取合理的措施或方法修復(fù)受鹽分影響的低效土壤，并進(jìn)行改良利用，有利于緩解人地矛盾、草糧矛盾，有助于農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展和提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于單獨(dú)使用改良劑和種植綠肥對(duì)于鹽堿地土壤理化性狀和氮素利用率的影響研究較多[9-10,13-14]，但將二者同時(shí)運(yùn)用到鹽堿土土壤改良中的研究較少。生物質(zhì)炭、石膏類(lèi)物質(zhì)等作為土壤改良劑，操作簡(jiǎn)便、成本較低、改良效果最穩(wěn)定；綠肥作為生物改良方式，投入成本低，并且對(duì)土壤恢復(fù)具有更顯著的正向促進(jìn)作用[2]。因此，本研究將土壤改良劑和生物改良方式相結(jié)合，開(kāi)展了不同改良調(diào)控措施對(duì)鹽堿田鹽堿障礙的消減和作物氮素吸收利用效率的研究，以期選取一套北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶適用的改鹽增效增產(chǎn)的改良-種植模式，達(dá)到改良鹽堿耕地及高效利用養(yǎng)分和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)地位于山西省朔州市山陰縣后所鄉(xiāng)后張堡村(9°25′28″ N，112°55′34″ E)，海拔920 m，該區(qū)域地處雁門(mén)關(guān)農(nóng)牧交錯(cuò)核心區(qū)，農(nóng)業(yè)區(qū)劃為中溫帶干旱區(qū)；年均降雨量為350～600 mm，年蒸發(fā)量大于1 600 mm，年均氣溫7.0℃，無(wú)霜期130 d左右；土壤屬堿化潮土，質(zhì)地輕壤偏砂型，土壤中鈉吸附比值較高，鹽堿化程度較嚴(yán)重，經(jīng)測(cè)定，樣地0～60 cm耕層土壤中平均含鹽量為2.12 g· kg-1，土壤容重為1.48 g·cm-3，pH值9.13，土壤有機(jī)質(zhì)含量為4.32 g·kg-1，堿化度為13.4%。

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)中供試青貯玉米品種為‘中玉88號(hào)’，綠肥選用毛葉苕子，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)綠肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系太原試驗(yàn)站提供。生物炭由江蘇溧陽(yáng)生物質(zhì)炭制備有限公司提供；石膏(CaSO4)由大同市第二發(fā)電廠(chǎng)提供；化肥(尿素，N：46.4%)由山東史丹利公司提供。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019—2020年進(jìn)行，試驗(yàn)以?xún)?nèi)陸中度蘇打型鹽漬土(Z)為研究對(duì)象，設(shè)對(duì)照處理(CK，不施肥，單播青貯玉米)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)置化肥+CaSO4+生物炭(L，單播青貯玉米)、化肥+CaSO4+生物炭+綠肥(LC1，2行青貯玉米間作2行綠肥)、化肥+CaSO4+生物炭+綠肥(LC2，2行青貯玉米間作3行綠肥)、化肥+CaSO4+生物炭+綠肥(LC3，2行青貯玉米間作4行綠肥)處理(表1)，其中：處理LC1，LC2，LC3為玉米和毛葉苕子間作，第二年玉米種植帶和毛葉苕子種植帶進(jìn)行輪換。試驗(yàn)處理按照完全隨機(jī)的方式排列，小區(qū)面積為4.4 m×6 m，每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)15個(gè)小區(qū)。

表1 試驗(yàn)各處理的具體信息

試驗(yàn)期間，于每年5月初進(jìn)行播種。各小區(qū)，在播種前將各改良劑和肥料混勻后施入土壤，其中：化肥(尿素，N：46.4%)施用量為385 kg·hm-2，CaSO4的施用量為4 500 kg·hm-2，生物炭的施用量為10 000 kg·hm-2；各小區(qū)玉米播種株距為50 cm，玉米種植帶間行距為50 cm；各小區(qū)毛葉苕子播種量均為60 kg·hm-2，毛葉苕子種植帶間及玉米與毛葉苕子之間的行距為30 cm。其他管理措施與當(dāng)?shù)氐某Ｒ?guī)管理模式相同。

1.4 樣品采集與測(cè)定

土壤電導(dǎo)率與pH測(cè)定采用1∶5土水比電導(dǎo)法(PHS-25酸度計(jì))和電極法(DDS-11A電導(dǎo)儀)測(cè)定，其余指標(biāo)參照魯如坤[15]和鮑士旦[16]的分析方法進(jìn)行測(cè)定；參照高珊[8]的方法計(jì)算土壤全鹽量、鈉吸附比、植株吸氮量、氮肥利用率、氮肥偏生產(chǎn)力等，具體計(jì)算公式如下：

土壤全鹽量(g·kg-1)=2.47×EC1∶5+0.26

土壤脫鹽率(%)=[播種前土壤鹽分含量(g·kg-1)—收獲后土壤鹽分含量(g·kg-1)]/播種前土壤鹽分含量(g·kg-1)×100%

式中，[Na+]、[Ca2+]、[Mg2+]為土壤Na+，Ca2+，Mg2+含量，cmol·kg-1。

植株地上部吸氮量(kg·hm-2)=地上部植株產(chǎn)量(kg·hm-2)×地上部植株全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)

氮肥利用率(%)=[處理區(qū)地上部吸氮量(kg·hm-2)—對(duì)照區(qū)地上部吸氮量(kg·hm-2)]/處理區(qū)施氮量(kg·hm-2)×100%

1.5 數(shù)據(jù)分析

本研究的數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析均采用Microsoft Excel 2010 軟件和IBM SPSS Statistics 20.0軟件進(jìn)行，不同處理間的差異顯著性水平運(yùn)用鄧肯(Duncan)法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改良措施對(duì)土壤pH的調(diào)控作用

不同改良措施對(duì)播種前和收獲后0～40 cm土壤pH產(chǎn)生了顯著影響(表2)。2019年，不同改良措施能顯著降低0～20 cm土壤pH(P<0.05)，其中，CL3處理收獲后降低表層(0～20 cm)土壤pH的效果最明顯，較播種前降低了0.73，L處理，CL1，CL2處理收獲后PH分別較播種前降低了0.13，0.19和0.28。4種改良措施對(duì)20～40 cm土壤pH的調(diào)控作用不明顯，僅CL3處理下，土壤pH顯著降低(P<0.05)，較播種前降低了0.55。而在CL2處理下20～40 cm土壤pH比播種前高。2020年，除CK，L處理外，CL1,CL2和CL3處理均能顯著降低0～20 cm土壤pH(P<0.05)，且CL3處理降低的幅度最大，達(dá)到0.16。各處理20～40 cm土壤pH播種前與收獲后無(wú)顯著差異，其中，CK和L處理呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。

表2 不同改良措施下0～40 cm土壤pH變化情況

2.2 不同改良措施對(duì)土壤鹽分的調(diào)控作用

在作物生長(zhǎng)周期內(nèi)，土壤鹽分呈季節(jié)性規(guī)律，各處理的土壤鹽分均表現(xiàn)出“春季積鹽—夏季淋鹽—秋季返鹽—冬季穩(wěn)鹽”的變化規(guī)律(圖1)，即春季(3—5月)土壤鹽分強(qiáng)烈表聚，夏季(6—8月)土壤快速淋洗脫鹽，秋季(9—11月)土壤緩慢積鹽，冬季(12—次年2月)土壤鹽分穩(wěn)定，且0～20 cm土壤含鹽量的變化較20～40 cm土壤劇烈。CaSO4、生物炭、綠肥等改良措施對(duì)0～40 cm土壤鹽分含量有一定的調(diào)控作用，與對(duì)照相比，各改良措施實(shí)施2年后，土壤鹽分均有不同程度的下降。在2019—2020年，作物生長(zhǎng)周期內(nèi)，對(duì)照(CK)0～20 cm，20～40 cm土壤均呈積鹽狀態(tài)，積鹽率分別達(dá)到7.94%和13.02%；其余處理0～20 cm，20～40 cm土壤均呈脫鹽狀態(tài)，0～20 cm土壤，L，CL1，CL2和CL3脫鹽率分別為22.05%，41.16%，39.18%和38.88%；20～40 cm土壤比0～20 cm土壤脫鹽率低，L，CL1，CL2和CL3等處理的脫鹽率分別為10.48%，18.80%，21.92%和18.95%。

圖1 不同改良措施下0～40 cm土壤含鹽量變化情況

2.3 不同改良措施對(duì)土壤鈉吸附比的調(diào)控作用

考慮到試驗(yàn)中種植的綠肥作物(毛葉苕子)根系分布較淺，且各改良劑主要施入0～20 cm的土壤表層，因此，在本研究中主要研究了0～20 cm土壤Na+，Ca2+，Mg2+等鹽分離子組成情況。土壤鈉吸附比(SAR)比值越大，土壤的鹽堿化程度越嚴(yán)重。在本試驗(yàn)中，與對(duì)照相比，4種改良措施均顯著降低了土壤的SAR(表3，P<0.05)。2019年，青貯玉米收獲后，在4種改良調(diào)控措施中，CL3處理SAR降幅最大，達(dá)到了38.01%，CL1處理次之，為30.13%；2020年，青貯玉米收獲后，在4種改良調(diào)控措施中，CL2處理SAR降幅最大，達(dá)到了45.45%，CL1處理次之，為39.65%。從2年的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，LC1處理對(duì)降低SAR的效果最為明顯，其次為CL3，CL2，L。

表3 不同改良措施下0～20 cm土壤鈉吸附比變化情況

2.4 不同改良措施對(duì)青貯玉米產(chǎn)量與氮素吸收的調(diào)控作用

與對(duì)照相比，4種改良措施均能顯著提高作物的生物產(chǎn)量(表4)。2019年，常規(guī)施肥下添加生物炭、CaSO4及種植不同行距的綠肥均能顯著提高青貯玉米的產(chǎn)量(P<0.05)。L，CL1，CL2，CL3處理下青貯玉米的產(chǎn)量較對(duì)照(CK)分別提高了26.71%，89.29%，58.72%和21.96%，其中，CL1處理增產(chǎn)效果最顯著，CL2處理次之；2020年，經(jīng)改良后的各小區(qū)青貯玉米產(chǎn)量有明顯提高，L，CL1，CL2和CL3處理玉米產(chǎn)量分別較2019年提高了26.56%，9.97%，28.30%和27.42%；2020年，在4種改良措施中，仍以CL1處理的增產(chǎn)效果最好，與對(duì)照相比，青貯玉米產(chǎn)量增加了88.92%，CL2處理次之，二者之間差異不顯著，但與其他處理間差異顯著(P<0.05)。

由表4可知，4種改良措施均能顯著促進(jìn)玉米地上部吸氮量(P<0.05)。2019年，L，CL1，CL2和CL3處理中，CL1和CL2處理的地上部吸氮量較高，分別較對(duì)照(CK)提高了87.02%和69.02%；至2020年，經(jīng)持續(xù)改良后的玉米地上部吸氮量進(jìn)一步提高，與對(duì)照(CK)間差異顯著(P<0.05)。經(jīng)過(guò)兩年的改良，4種改良措施明顯提高了鹽漬土氮肥的利用率，CL1處理對(duì)氮素吸收利用的提升作用優(yōu)于其他處理，分別為L(zhǎng)，CL2和CL3處理的1.90倍，1.22倍和1.47倍。

表4 不同改良措施對(duì)青貯玉米產(chǎn)量和氮肥利用率的影響

3 討論

3.1 不同改良措施對(duì)蘇打型土壤鹽堿障礙的削減作用

很多鹽堿地由于無(wú)法從事作物生產(chǎn)而成為撂荒地。但是，只要選擇適宜的牧草品種，并加以改良，這類(lèi)土地可以成為草牧業(yè)生產(chǎn)的重要場(chǎng)所[2,17]。

蘇打型鹽堿土具有土壤交換性Na+含量高的特點(diǎn)[18]，會(huì)使得蘇打型鹽堿土壤通透性差、質(zhì)地偏砂，并造成土壤養(yǎng)分低，土壤保水力差，嚴(yán)重影響到了作物的生長(zhǎng)環(huán)境[19]。通過(guò)向鹽堿土壤中添加具有特殊功能的物質(zhì)或植物是改變土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量、改善土壤肥力的有效途徑。一方面，生物炭或石膏作為鹽堿地改良中廣泛利用的改良劑[20]，其物質(zhì)中含有的Mg2+或Ca2+可以置換土壤膠體上Na+，提高土壤陽(yáng)離子交換量，以減輕單鹽毒害，改善土壤鹽堿障礙[8]。高珊等[8]在蘇北鹽堿地的研究結(jié)果表明，添加生物炭的處理土壤SAR降低了38.99%，與本試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律基本一致。另一方面，石膏、生物炭等材料，由于其自身結(jié)構(gòu)能起到增加土壤孔隙度，降低土壤容重等作用，可以明顯提高土壤導(dǎo)水導(dǎo)鹽系數(shù)，促進(jìn)土壤脫鹽，岳燕等[21]的試驗(yàn)結(jié)果表明，添加生物炭的土柱淋洗后，電導(dǎo)率顯著降低。在本試驗(yàn)條件下，添加石膏和生物炭后，各改良處理的脫鹽效果均較好，且0～20 cm土壤的降鹽效果優(yōu)于20～40 cm。此外，本研究在應(yīng)用土壤改良劑的同時(shí)，結(jié)合了生物改良措施，通過(guò)種植具有固氮作用的毛葉苕子來(lái)進(jìn)一步增加土壤養(yǎng)分輸入，提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量，起到改善土壤生態(tài)環(huán)境的作用。從本試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，種植綠肥作物(毛葉苕子)的綜合改良處理(CL1，CL2，CL3)對(duì)土壤鹽分的調(diào)控作用顯著優(yōu)于僅使用土壤改良劑的處理(L)(圖1，表3)。

3.2 不同改良措施對(duì)作物氮素吸收利用的調(diào)控

本試驗(yàn)中各改良措施均對(duì)青貯玉米的增產(chǎn)和氮素吸收起到了正向促進(jìn)作用，其中以CL1處理的成效最好(表4)。氮肥利用率的高低會(huì)受土壤類(lèi)型、種植方式、施氮量等因素的影響，而在鹽堿環(huán)境下，玉米產(chǎn)量及生物量顯著低于非鹽堿環(huán)境[22-23]，本試驗(yàn)條件下，作物的氮肥利用效率非常低，經(jīng)過(guò)2年的改良，氮肥利用率最高的CL1處理，也僅為19.54%，大大低于全國(guó)平均氮素利用率(35%～51%)[24]，這一方面可能是由于鹽堿土中鹽分含量高限制了玉米對(duì)養(yǎng)分的吸收，另一方面可能是由于鹽堿土土壤結(jié)構(gòu)差，6～8月水熱同期時(shí)，肥料養(yǎng)分損失量大[23]。在本試驗(yàn)中，與其他改良處理相比，LC1處理下地上總生物量顯著增加，這可能是因?yàn)長(zhǎng)C1處理的種植結(jié)構(gòu)更加合理，一方面有利于植物進(jìn)行光合作用，另一方面在改良土壤生態(tài)的同時(shí)更加有效地利用了土地資源，使生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到平衡，進(jìn)而顯著提高了生物產(chǎn)量。而CL2和CL3處理雖然對(duì)土壤起到了良好的調(diào)控作用，但是土地資源利用不充分，未能取到較高的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)不同改良措施下鹽堿地土壤化學(xué)性質(zhì)及氮素吸收利用研究，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用土壤改良劑的同時(shí)結(jié)合生物改良的措施能有效促進(jìn)鹽漬土降鹽脫堿，改善土壤結(jié)構(gòu)，尤以常規(guī)施肥下添加生物炭和CaSO4且以2∶2間作種植毛葉苕子和青貯玉米的處理對(duì)鹽堿地土壤的改良效果最好，其不僅降低了土壤電導(dǎo)率，而且明顯提高了青貯玉米生物產(chǎn)量和氮肥利用率。