玉米秸稈和Al2（SO4）3對(duì)蘇打鹽堿土 主要鹽堿化指標(biāo)的影響

王 楠，張 鑫，劉金華，臧金宇，趙興敏，王鴻斌，趙蘭坡

[吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部鹽堿土改良與利用（東北內(nèi)陸鹽堿地） 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130118］

我國(guó)松嫩平原鹽堿地面積約為500萬(wàn)hm2，而吉林省西部鹽堿土總面積約為173萬(wàn)hm2，占松嫩平原總面積的34%[1］，是世界三大鹽堿地集中區(qū)之一。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，鹽堿化土壤是低產(chǎn)土壤。吉林省西部水田面積占耕地面積的21.9%，受鹽堿地影響，單產(chǎn)僅為3000 kg/hm2[2］，其余大部分則是低產(chǎn)低效的旱田[3］。但鹽堿地分布區(qū)大多地勢(shì)平坦、土層深厚并且便于灌溉。因此，鹽堿土又是一種開發(fā)利用潛力巨大的土地資源。鹽堿土具有可溶性鹽含量和pH值高等特點(diǎn)，導(dǎo)致土壤肥力弱，糧食產(chǎn)量普遍較低[4］。在土壤眾多理化指標(biāo)中，土壤堿化度是一個(gè)重要的土壤性質(zhì)，影響土壤養(yǎng)分的有效性[5］。鹽堿土區(qū)土壤pH值、可溶性鹽含量和堿化度能夠體現(xiàn)出蘇打鹽堿土改良的效果[6］，探明以上指標(biāo)的變化對(duì)于綜合評(píng)價(jià)鹽堿化的改良效果具有重要意義。

近年來(lái)，鹽堿土改良利用成為人們研究的熱點(diǎn)，許多學(xué)者采用物理、化學(xué)、生物等[7-9］方法對(duì)鹽堿土進(jìn)行改良，并取得了一定的成效。本課題組一直致力于蘇打鹽堿土的改良利用，并且在Al2（SO4）3作為化學(xué)改良劑改良蘇打鹽堿土方面已取得了諸多研究成果。研究發(fā)現(xiàn)，蘇打鹽堿土加入Al2（SO4）3后，可明顯降低土壤的pH值，并且隨著Al2（SO4）3加入次數(shù)的增加，pH值逐漸降低[10］。鹽堿土中加入Al2（SO4）3后，溶解態(tài)Na+增多[11］。馬玉濤 等[12］通過(guò)田間試驗(yàn)研究施用Al2（SO4）3對(duì)新開墾蘇打鹽堿水田的快速改良和培肥效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，施用Al2（SO4）3后土壤堿化度顯著降低。王宇等[13］研究表明，Al2（SO4）3加入鹽堿土后，土壤pH值降低、陽(yáng)離子交換量呈顯著遞增趨勢(shì)，堿化度明顯降低，表明土壤結(jié)構(gòu)得到了良好改善。在土壤鹽堿化程度得以降低的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加有機(jī)質(zhì)含量，提高鹽堿土肥力，是實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)的又一重要舉措。目前，提高鹽堿土有機(jī)質(zhì)含量切實(shí)可行的方法就是秸稈還田[14］。秸稈還田既能改善土壤的理化性質(zhì)[15］，又可以為土壤提供養(yǎng)分[16-17］，是一種有效的鹽堿土改良方法。秸稈還田對(duì)表層土壤pH值的影響較大，且隨著還田年限的延長(zhǎng)，土壤pH值表現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì)[18］，同時(shí)，秸稈還田增加了土壤中的陽(yáng)離子交換量，進(jìn)而使土壤的堿化度降低，明顯改良了鹽堿化土壤[19］。

目前，關(guān)于Al2（SO4）3、秸稈單一使用對(duì)鹽堿土的改良已經(jīng)開展了一些研究[12，16-18］，但關(guān)于二者同時(shí)使用對(duì)蘇打鹽堿土的改良效果及機(jī)制尚不清楚。因此，本文以吉林省西部蘇打鹽堿土為供試土壤，研究玉米秸稈和Al2（SO4）3對(duì)蘇打鹽堿土pH值、可溶性鹽含量和陽(yáng)離子交換量的復(fù)合作用效果，并進(jìn)一步揭示蘇打鹽堿土鹽分和堿化度的變化，為蘇打鹽堿土高效改良及合理施用提供理論 依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試硫酸鋁為工業(yè)Al2（SO4）3。

供試玉米秸稈取自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田，田間自然風(fēng)干后再放入25oC烘干箱中烘干，取出雜物，粉碎并過(guò)1 mm篩，此秸稈的有機(jī)碳含量為486.14 g/kg。

供試蘇打鹽堿土采自吉林省大安市安廣鎮(zhèn)樂勝鄉(xiāng)（45.56° N，123.78° E），采用對(duì)角線布點(diǎn)法，共布置36個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)采樣深度為0～20 cm，樣品采集后混合均勻，用四分法獲取4 kg。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，自然風(fēng)干，研磨過(guò)2 mm篩備 用[20］，蘇打鹽堿土的主要化學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 蘇打鹽堿土的主要化學(xué)指標(biāo)

1.2 室內(nèi)模擬試驗(yàn)

試驗(yàn)中玉米秸稈和Al2（SO4）3分別設(shè)置4個(gè)和6個(gè)用量水平，共計(jì)24個(gè)處理，具體情況見 表2。依據(jù)表2中各處理的設(shè)置情況，向500 g蘇打鹽堿土中分別加入一定量的玉米秸稈和Al2（SO4）3， 并與土壤充分混勻后，向其中加入蒸餾水至土壤含水率為15%。將培養(yǎng)盒置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中，共計(jì)培養(yǎng)300 d。期間保持恒定含水量。培養(yǎng)結(jié)束后，將土壤樣品風(fēng)干，進(jìn)行鹽堿化指標(biāo)的分析 測(cè)試。

表2 培養(yǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)（%）

1.3 土壤基本理化性質(zhì)的測(cè)定方法

供試蘇打鹽堿土pH值采用電位法（水土比為5∶1）測(cè)定[21］；Ca2+、Mg2+采用EDTA絡(luò)合滴定 法[21］測(cè) 定；Na+、K+采 用 火 焰 光 度 法 測(cè) 定[21］，CO32-、HCO3-采用雙指示劑中和滴定法測(cè)定[22］；陽(yáng)離子交換量（CEC）采用乙酸鈉-火焰光度法測(cè) 定[21］；交換性鈉采用NH4OAc-NH4OH火焰光度法測(cè)定[21］。

土壤堿化度（ESP）是指土壤膠體吸附的交換性Na+占陽(yáng)離子交換量的百分率。

堿化度（%）=交換性鈉含量（Na+cmol/kg）/陽(yáng)離子交換量（cmol/kg）×100

1.4 數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)采用Origin 2018進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米秸稈和Al2（SO4）3施入蘇打鹽堿土后pH值的變化

圖1為添加玉米秸稈和Al2（SO4）3對(duì)蘇打鹽堿土pH值的影響。整體而言，隨著Al2（SO4）3加入量的增加，蘇打鹽堿土pH值明顯降低；而秸稈的引入，也略微促進(jìn)了pH值的降低。當(dāng)Al2（SO4）3加入量≤0.8%時(shí)，蘇打鹽堿土的pH值隨 Al2（SO4）3加入量增加表現(xiàn)為急劇下降的趨勢(shì)，下降幅度為1.330～1.935個(gè)單位。在Al2（SO4）3加入量為0.8%～2.0%時(shí)，蘇打鹽堿土pH值基本呈緩慢下降的趨勢(shì)，降幅為0.090～0.285個(gè)單位。在未添加玉米秸稈時(shí)，Al2（SO4）3加入量越大，蘇打鹽堿土pH值降低越多。與A0S0相比，在A0.4～2.0S0這些處理中，蘇打鹽堿土的pH值下降幅度為1.36～2.08個(gè)單位。在Al2（SO4）3加入量相同時(shí)，蘇打鹽堿土pH值隨玉米秸稈添加量增加而緩慢降低。如當(dāng)Al2（SO4）3加入量為0.8%時(shí)，A0.8S0、A0.8S5、A0.8S10和A0.8S15各處理的蘇打鹽堿土pH值分別降低了0.29、0.18和0.24個(gè)單位。

圖1 玉米秸稈和Al2（SO4）3對(duì)蘇打鹽堿土pH值的影響

2.2 玉米秸稈和Al2（SO4）3施入蘇打鹽堿土后可溶性鹽的變化

圖2為 玉 米 秸 稈 和Al2（SO4）3對(duì) 蘇 打 鹽堿土可溶性鹽含量的影響。如圖2所示，玉米秸稈和Al2（SO4）3的施入增加了蘇打鹽堿土的陽(yáng)離子含量。隨著Al2（SO4）3和玉米秸稈用量的增加，K+含量均呈上升趨勢(shì)。在Al2（SO4）3的協(xié)同作用下，隨玉米秸稈添加量的增加，K+含量有所提高，在A2.0S5、A2.0S10和A2.0S15處理中，K+含量與A2.0S0相比分別增加了18.3%、43.3%和188%。另一方面，在玉米秸稈添加量相同時(shí)，K+含量隨Al2（SO4）3加入量的增加而升高，在A0.4～2.0S15這些處理中，與A0S15相比，蘇打鹽堿土中K+含量增加了25.4%～158.0%。當(dāng)玉米秸稈添加量相同時(shí)，隨Al2（SO4）3加入量的增加，Na+含量呈現(xiàn)比較明顯的上升趨勢(shì)。與對(duì)照相比，Na+含量在A0.4～2.0S15這些處理中比在A0S15處理中提升了20.4%～68.6%。在Al2（SO4）3加入量相同時(shí)，玉米秸稈添加量越多，Na+含量升高得越快。在A2.0S5、A2.0S10和A2.0S15處理中，蘇打鹽堿土中Na+含量比A2.0S0處理分別高出了3.21%、4.44%和 7.10%。

圖2 玉米秸稈和Al2（SO4）3對(duì)蘇打鹽堿土可溶性鹽含量的影響

Ca2+和Mg2+含量隨著Al2（SO4）3加入量的增加而升高。在Al2（SO4）3加入量相同時(shí)，隨著玉米秸稈添加量增加，Ca2+、Mg2+含量均呈上升趨勢(shì)。A2.0S15處理的蘇打鹽堿土Ca2+含量最高。與A0S0處理相比，蘇打鹽堿土中Ca2+含量在A2.0S15、A2.0S0和A0S15處理中分別增加了16、6和1倍。由此可知，A2.0S15與A0S0之間的增量遠(yuǎn)大于A2.0S0、A0S15兩者與A0S0的增量的和。而在A0.4S15～A2.0S15這段區(qū)域，Mg2+含量呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，并在A2.0S15處理出現(xiàn)最大值。相同情況下，蘇打鹽堿土中Mg2+含量在A2.0S15、A2.0S0和A0S15處理中分別比A0S0高出了566%、415%和41.5%，A2.0S15與A0S0之間的增量大于A2.0S0、A0S15兩者與A0S0的增量的和。以上說(shuō)明在蘇打鹽堿土中添加玉米秸稈和Al2（SO4）3， 對(duì)于增強(qiáng)Ca2+和Mg2+含量有明顯的促進(jìn)作用。

添加玉米秸稈和Al2（SO4）3降低了蘇打鹽堿土中CO32-和HCO3-的含量。CO32-被Al2（SO4）3水解產(chǎn)生的H+所中和，從而導(dǎo)致CO32-含量降低，因此在土壤pH值相對(duì)較低的A1.2～2.0S0、A0.8～2.0S5、 A0.4～2.0S10以及A0～2.0S15處理中，CO32-均未檢出。在未添加Al2（SO4）3的條件下，CO32-含量隨玉米秸稈添加量的增加呈下降趨勢(shì)。在Al2（SO4）3加入量小于0.4%時(shí)，HCO3-含量隨著玉米秸稈添加量和 Al2（SO4）3的增加而出現(xiàn)大幅度降低。此階段HCO3-含量取決于玉米秸稈和Al2（SO4）3的共同作用。在Al2（SO4）3加入量大于0.4%時(shí)，HCO3-含量則主要取決于Al2（SO4）3的加入量。隨著 Al2（SO4）3加入量的增加，HCO3-含量逐漸減小，且各含量之間的差距也隨之減小。

2.3 玉米秸稈和Al2（SO4）3施入蘇打鹽堿土后CEC的變化

玉米秸稈和Al2（SO4）3對(duì)蘇打鹽堿土CEC的影響如圖3所示。由圖3可知，蘇打鹽堿土CEC隨玉米秸稈和Al2（SO4）3添加量的增加呈上升趨勢(shì)。如玉米秸稈添加量為5%時(shí)，CEC隨Al2（SO4）3加入量增加而升高，與A0S5相比，蘇打鹽堿土CEC在A0.4～2.0S5這些處理中高出了47.1%～117.7%，表明Al2（SO4）3對(duì)蘇打鹽堿土的CEC有一定的促進(jìn)作用。在Al2（SO4）3加入量相同時(shí)，玉米秸稈添加量越大，CEC越高。A0.8S5、A0.8S10和A0.8S15處理中CEC與A0.8S0相比分別提高了11.5%、17.5%和27.1%。

圖3 玉米秸稈和Al2（SO4）3對(duì)蘇打鹽堿土陽(yáng)離子 交換量的影響

2.4 玉米秸稈和Al2（SO4）3施入蘇打鹽堿土后ESP的變化

玉米秸稈和Al2（SO4）3對(duì)蘇打鹽堿土ESP的影響如圖4所示。從圖4可以看出，隨Al2（SO4）3和玉米秸稈添加量的增加，蘇打鹽堿土ESP呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。與A0S0相比，在A0.8S0、A0.8S5、A0.8S10、A0.8S15處理中，蘇打鹽堿土ESP分別下降 了42.2%、37.1%、26.7%、27.8%。與A0S15相比，在A0.8S15、A1.2S15、A1.6S15、A2.0S15處理中，蘇打鹽堿土ESP分別下降了32.8%、30.2%、37.0%、30.9%。在Al2（SO4）3加入量為2.0%時(shí)，蘇打鹽堿土ESP分別為22.50%、22.50%、20.2%、19.7%，且A2.0S15處理的蘇打鹽堿土ESP最低。由此可知，在Al2（SO4）3加入量達(dá)到最大時(shí)，玉米秸稈的引入對(duì)蘇打鹽堿土ESP影響不大。而在Al2（SO4）3加入量為2.0%時(shí)，蘇打鹽堿土CEC繼續(xù)增加，說(shuō)明交換性Na+已達(dá)飽和，這致使ESP趨近相同[23］。 在Al2（SO4）3加入量為0%～0.4%、玉米秸稈添加量為0%～15%時(shí)，蘇打鹽堿土ESP有明顯的下降趨勢(shì)，降幅為23.8%～33.7%。而在秸稈添加量為0%～15%、Al2（SO4）3加入量分別為0%和0.4%時(shí)，蘇打鹽堿土ESP的降幅則分別為8.1%～16.1%和3.68%～14.5%。說(shuō)明在這段區(qū)域內(nèi)，Al2（SO4）3對(duì)土壤ESP的降低起到了決定性作用。未加入Al2（SO4）3時(shí)，隨著玉米秸稈添加量的增加，蘇打鹽堿土ESP降低，主要體現(xiàn)在A0S5、A0S10和A0S15處理比A0S0處理分別減少了11.6%、25.9%和31.9%。

3 討論

3.1 玉米秸稈和Al2（SO4）3對(duì)蘇打鹽堿土pH值的影響

在添加Al2（SO4）3的基礎(chǔ)上，采用秸稈還田是改善鹽堿土土壤鹽分和堿化度的一項(xiàng)有效措施。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，Al2（SO4）3加入土壤后，土壤溶液中的Al3+會(huì)直接進(jìn)行水解作用，隨之出現(xiàn)相應(yīng)的單體鋁、多聚體鋁，以及豐富的H+，H+會(huì)和土壤中的OH-進(jìn)行中和反應(yīng)，所以降低了土壤的pH值[23］，但加入Al2（SO4）3過(guò)多時(shí)，土壤溶液會(huì)通過(guò)陽(yáng)離子交換反應(yīng)發(fā)揮出一定的緩沖性能，使其pH值不發(fā)生明顯變化，這與李秀軍[24］、Recheigl等[25］研究結(jié)果一致。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的另一個(gè)原因可能是秸稈在土壤腐解時(shí)會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸和二氧化碳被土壤微生物所利用，產(chǎn)生微生物量多，新陳代謝能力增強(qiáng)，產(chǎn)生的有機(jī)酸就越來(lái)越多，當(dāng)達(dá)到最高值時(shí)趨于平衡狀態(tài)，在此過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳會(huì)釋放到空氣中[26-27］。

3.2 玉米秸稈和Al2（SO4）3對(duì)蘇打鹽堿土可溶性鹽的影響

玉米秸稈和Al2（SO4）3的加入增加了蘇打鹽堿土中K+、Na+、Ca2+和Mg2+含量。其原因是 Al2（SO4）3中Al3+的水解作用產(chǎn)生大量的H+，促進(jìn)了土壤中碳酸鹽的溶解，Ca2+置換出土壤膠體所 吸 附 的K+以 及Na+，隨 著Al2（SO4）3不 斷 加入，產(chǎn)生的K+和Na+也逐漸增多[6］。另外，玉米秸稈中原本就含有豐富的鉀，研究表明，每100 g玉米秸稈中含鉀約為150 mg[27］，秸稈加入土壤之后，自身的鉀也會(huì)釋放出來(lái)，這是導(dǎo)致土壤中K+含量增加的另一個(gè)原因。由于蘇打鹽堿土中鹽分主要以碳酸鹽為主，秸稈加入土壤后發(fā)生腐解作用產(chǎn)生腐殖物質(zhì)，腐殖物質(zhì)的形成也促進(jìn)了碳酸鈣的溶解，激活了土壤中被固化的Ca2+，進(jìn)而提高了Na+的代換量[6］。Al2（SO4）3進(jìn)入土壤后會(huì)水解產(chǎn)生大量的H+，H+與土壤中CO32-結(jié)合形成HCO3-，從而使鈣鎂由碳酸鹽沉淀形式轉(zhuǎn)為碳酸氫鹽溶解態(tài)形式，進(jìn)而增加了鈣鎂離子含量[6］。秸稈分解礦化產(chǎn)生有機(jī)酸和CO2，其中，CO32-會(huì)釋放轉(zhuǎn)化成HCO3-，從而使CO32-含量逐漸減小[23］，而 Al2（SO4）3的存在則加速了秸稈的腐解，CO32-轉(zhuǎn)化成HCO3-，HCO3-與Al3+水解產(chǎn)生的H+反應(yīng)生成CO2和H2O，從而使得HCO3-含量降低[26］， 導(dǎo)致HCO3-含量逐漸降低的另一個(gè)原因是Al2（SO4）3逐漸加入后，Al3+水解產(chǎn)生H+，與HCO3-反應(yīng)進(jìn)而不斷地消耗HCO3-[27］。CO32-和HCO3-含量的減少標(biāo)志著蘇打鹽堿土總堿度（CO32-和HCO3-）的降低，該結(jié)果也從實(shí)際上證明了秸稈和Al2（SO4）3可以有效改良土壤總堿度[28］。

3.3 玉米秸稈和Al2（SO4）3對(duì)蘇打鹽堿土CEC和ESP的影響

玉米秸稈和Al2（SO4）3加入蘇打鹽堿土后，土壤CEC隨玉米秸稈添加量的增加而升高，這是因?yàn)殛?yáng)離子交換能力和土壤有機(jī)質(zhì)含量有一定的相關(guān)性[29-31］，Al2（SO4）3加速了秸稈在土壤中的腐解，在此過(guò)程產(chǎn)生的腐殖物質(zhì)中存在著大量的羧基、酚基、烯醇基以及酚羥基，此類官能團(tuán)能夠使土壤中陽(yáng)離子的交換位點(diǎn)變多[14］，進(jìn)而導(dǎo)致蘇打鹽堿土CEC增加。玉米秸稈進(jìn)入土壤后會(huì)形成一定量的CO2及有機(jī)酸，有機(jī)酸活化土壤碳酸鈣，其中的Ca2+與Mg2+則能夠和土壤膠體中的Na+進(jìn)行置換，最終降低了蘇打鹽堿土ESP[32］。

4 結(jié)論

在加入Al2（SO4）3的基礎(chǔ)上，將玉米秸稈還田可以進(jìn)一步有效降低蘇打鹽堿土的pH值。由于土壤pH值的降低，促進(jìn)了土壤中堿土金屬碳酸鹽的溶解，降低了CO32-和HCO3-的含量，使Ca2+和Mg2+等二價(jià)陽(yáng)離子含量增加，改善了土壤中交換性鹽基離子的結(jié)構(gòu)，陽(yáng)離子與土壤膠體上的Na+進(jìn)行置換，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)蘇打鹽堿土ESP的降低。由此可見，玉米秸稈和Al2（SO4）3對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的改良作用顯著。綜合而言，A0.8S15為改良蘇打鹽堿土的最佳處理組合。