滴灌條件下條施鈣基改良劑對重度鹽堿地的改土效果

張文新 ，張文超 ，李 璇 ，張 菁 ，王淑娟 ，李 彥 ，徐立珍 ，趙永敢

（1.清華大學 能源與動力工程系，北京 100084；2.清華大學 山西清潔能源研究院，山西 太原 030032）

我國鹽堿地面積達1 億hm2[1]，嚴重制約我國生態(tài)環(huán)境保護及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展。河套平原地處內(nèi)陸，是我國西北最主要的農(nóng)區(qū)與生態(tài)脆弱區(qū)，河套灌區(qū)排水不暢是造成原生與次生鹽堿化的主要原因[2]。因此，迫切需要研發(fā)適用于當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展方向的鹽堿地改良技術，以提高當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及土地資源化利用率。

脫硫石膏是改良鹽堿地常見的改良劑之一，能有效改善鹽堿土壤的理化性質。但脫硫石膏在鹽堿地改良中的應用仍然面臨兩大難題：施用量過大和灌水量大。數(shù)據(jù)顯示，單一施用脫硫石膏的施用量在22 500～37 500 kg/hm2[3-4]；利用脫硫石膏為主要原料的土壤調理劑需要大量灌水才能實現(xiàn)對鹽堿土的改良[4]，并不符合節(jié)水優(yōu)先政策。目前，主要采取脫硫石膏配施其他有機物料以及不同施用方式來降低脫硫石膏在改良鹽堿地中的施用量和灌水量。

脫硫石膏配施的有機物料主要包括有機肥（豬糞、牛糞和羊糞）[5]、生物炭[6]、腐殖酸[7]、糠醛渣[8]及其他物料。鈣基改良劑中的脫硫石膏可以加速鹽分淋洗和降堿[9]，配施的有機物料能增加土壤養(yǎng)分含量、降低土壤容重及協(xié)同降堿。研究表明，脫硫石膏配施生物炭能顯著改善土壤環(huán)境，脫硫石膏施用量減量達50%，而且脫硫石膏配施其他物料相較于單獨施用脫硫石膏處理作物鮮質量提高10%以上[6]。脫硫石膏配施有機肥可降低脫硫石膏22%的施用量，且高量脫硫石膏與低量脫硫石膏配施有機肥對作物生物指標無顯著影響[5]。

鈣基改良劑施用方式包括混施、條施和穴施?；焓┦氢}基改良劑常見的一種施用方式[10-11]，但其會加快鈣基改良劑中脫硫石膏的溶解，導致大量鈣鹽的釋放[12]，從而造成資源浪費、縮短改良時間。理論上，條施和穴施的鈣基改良劑分布比較集中，較低的溶解速率和溶質擴散限制了脫硫石膏Ca2+的溶出速率，可在降低鹽脅迫的同時延長改良時間[13]。這2 種集中式（條施和穴施）的施用方式，其當年未利用的脫硫石膏在第2年可通過農(nóng)耕措施改善其他區(qū)域的土壤。穴施和條施相比，雖然二者的土壤改良效果相近，但條施脫硫石膏方便機械化，在大規(guī)模改良時能降低投入成本。

鹽堿地區(qū)域干旱缺水，節(jié)水又高效地改良鹽堿地是主要技術難點之一。目前適用于干旱缺水地區(qū)鹽堿地的節(jié)水措施主要有覆蓋地膜、起壟、滴灌等[14]。在條施的基礎上進行滴灌，有利于脫硫石膏溶解及定點灌溉作物，能有效提升水分的利用效率[15-16]。以脫硫石膏為主的復合調理劑能降低脫硫石膏的施用量，增加土壤中的養(yǎng)分；結合適合的施用方式及節(jié)水措施能更有效改良鹽堿土壤。

本研究以3 種脫硫石膏為主的鈣基改良劑結合條施和滴灌措施，開展不同改良劑施用量梯度試驗，通過對比土壤理化性質和養(yǎng)分含量等確定最佳施用量，并分析改良效果，為河套平原鹽堿地改良土壤調理劑提供新的產(chǎn)品以及相應的施用技術支持。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年7—10月在內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市五原縣八里橋村進行，其地理坐標為108.211 598°E，41.060 178°N。試驗區(qū)屬中溫帶大陸性氣候，年均降雨量170 mm，多集中在7—9月；年平均氣溫7.7 ℃，無霜期127～136 d。試驗地點土壤為重度鹽堿土，土壤平均pH 值為8.2，表層土壤鹽分含量達到0.9%（表1）。試驗區(qū)灌水99%引自黃河（礦化度約為0.56 g/L），當?shù)剞r(nóng)耕春秋時各灌一次水。隨機采集3 個0～100 cm 剖面的5 個土層土壤的混合樣品，試驗土壤基礎化學性質結果如表1 所示，0～20、20～40 cm 土層的養(yǎng)分含量如表2所示。

表1 試驗土壤化學性質Tab.1 The chemical properties of soil tested

表2 試驗土壤養(yǎng)分含量Tab.2 The nutrient contents of soil tested

1.2 試驗材料

試驗開始前，將脫硫石膏分別與羊糞、生物炭按質量比為2∶3 配制2 種鈣基型土壤改良劑，命名為鈣基改良劑FM（脫硫石膏+羊糞）和鈣基改良劑FB（脫硫石膏+生物炭），將脫硫石膏單獨作為改良劑FGDG。其中，脫硫石膏來自內(nèi)蒙古巴彥淖爾市烏拉特前旗燃煤發(fā)電廠（北方聯(lián)合電力有限責任公司），試驗前用五點法采集了脫硫石膏樣品，經(jīng)微波消解后，采用電感耦合等離子體質譜測定脫硫石膏中主要元素濃度，表明脫硫石膏主要含398 g/kg CaO、486 g/kg SO3、20.5 g/kg SiO2、8.4 g/kg MgO、2.4 g/kg Fe2O3、8.2 g/kg Al2O3、0.8 g/kg K2O、6.5 g/kg Na2O 以及69.2 g/kg 其他組分；生物炭來源于江蘇倍增農(nóng)業(yè)科技有限公司，羊糞來源于五原八里橋農(nóng)戶養(yǎng)殖場，生物炭和羊糞的養(yǎng)分含量如表3 所示；摻混肥料來源于內(nèi)蒙古五原縣金和昌肥業(yè)有限責任公司。

表3 羊糞與生物炭產(chǎn)品養(yǎng)分含量Tab.3 The nutrients of sheep manure and biochar

1.3 試驗方法

本研究采用小區(qū)試驗，總面積為0.2 hm2，每個小區(qū)面積為27 m2（6.0 m×4.5 m），采用隨機區(qū)組排列。設置3 種鈣基改良劑產(chǎn)品（FM、FB 和FGDG）的5 種不同施用量（0、1.5、3.0、4.5、6.0 t/hm2）共計15 個處理，每個處理重復3 次，其中施用量為0 t/hm2作為對照組。開展試驗之前，使用旋耕機對試驗小區(qū)表層0～20 cm 土壤進行旋耕；使用起壟機對整個小區(qū)起壟，兩壟間距為60 cm，壟頂與壟溝高差為20 cm。人工將3 種改良劑按不同施用量處理均勻條施在溝底。隨后鋪設滴灌帶，并在試驗田中安裝張力入滲儀。2021年7月31日第1 次向試驗田中滴灌5 h，灌水量為30 mm，確保試驗小區(qū)完全濕潤。在灌水開始后7 d 內(nèi)，通過觀察張力入滲儀，及時滴灌保證土壤水勢為0；第8 天開始，滴灌次數(shù)調整為每周2 次；30 d 后保證滴灌次數(shù)為每月4 次。2021年9月20日施入摻混肥料。2021年10月14日采集各處理表層0～20 cm 土壤樣品。

土壤樣品經(jīng)過自然風干、研磨、篩分（2 mm）。稱取土樣10 g，加入50 mL 去離子水（土水比1∶5法），振蕩10 min 后進行抽濾，制得浸提液。土壤電導率采用梅特勒-托利多臺式電導率儀（FE-30）測定浸提液，再根據(jù)經(jīng)驗公式轉換為全鹽量；土壤pH值采用梅特勒-托利多pH 計（FE-20）測定浸提液；用電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜儀（Leeman，美國）測定水溶性離子K+、Na+、Ca2+和Mg2+含量，然后根據(jù)公式計算鈉吸附比（SAR）[12]；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定，銨態(tài)氮含量采用靛酚藍比色法測定，硝態(tài)氮含量采用雙波長紫外分光光度法測定，有效磷含量采用鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用醋酸銨浸提法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2019 進行數(shù)據(jù)處理與圖表繪制，使用SPSS 19.0 軟件進行數(shù)據(jù)的單因素分析和相關性分析（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 3 種改良劑對土壤鹽堿指標的影響

從圖1 可以看出，相較初始土壤pH 值，在滴灌的作用下對照組降低了0.1，降幅不明顯；改良劑FGDG 施用量1.5、3.0、4.5、6.0 t/hm2處理組土壤的pH 值較對照組分別降低了6%、5%、6%和7%，各處理之間無顯著性差異；改良劑FM 施用量3.0、4.5、6.0 t/hm2較對照組分別降低了4%、5%和7%，且與對照組間差異顯著；改良劑FB 對土壤pH 值降低無顯著影響，施用量3.0、4.5、6.0 t/hm2處理較對照組僅分別降低了2%、1%和2%。3 種鈣基改良劑施用量與土壤pH 值呈線性負相關（表4）；施用量為6.0 t/hm2時的土壤pH 值最低；改良劑FGDG 相較于其他2 種改良劑降堿效果最優(yōu)。

圖1 3 種鈣基改良劑對土壤pH 的影響Fig.1 Effects of three calcium-based ameliorants on soil pH

從圖2 可以看出，相較初始值，對照組的土壤全鹽量在滴灌作用下降低了22.6%。改良劑FGDG各施用量處理較對照組分別降低了22.2%、30.7%、7.6%和11.3%，各處理之間無顯著性差異；從含鹽總量趨勢變化來看，改良劑FGDG 的土壤全鹽量隨著改良劑FGDG 施用量的增加呈先降低后增加的趨勢，施用量為3.0 t/hm2時土壤全鹽量最低。改良劑FM 處理組施用量1.5～4.5 t/hm2時較對照組分別降低18.5%、13.4% 和10.9%；改良劑FM處理組施用量為3.0 t/hm2時，土壤全鹽量最低；施用量為6.0 t/hm2時全鹽量較對照組增加了14.4%，與其他施用量組間差異顯著。改良劑FB 各施用量處理與對照組之間無顯著差異；施用量為1.5、3.0 t/hm2時較對照組分別降低9.3%和0.2%；當施用量為4.5、6.0 t/hm2時，土壤全鹽量較對照組分別增加了20.6% 和19.1%；從含鹽總量趨勢變化來看，改良劑FB 土壤全鹽量呈增加趨勢，施用量為1.5 t/hm2時土壤全鹽量最低。3 種改良劑對土壤全鹽量的影響趨勢為先降低后增加（表4）；3 種鈣基改良劑對全鹽量降低最為明顯的降鹽效果最好的為改良劑FGDG，其次為FM 和FB。

圖2 3 種鈣基改良劑對土壤全鹽量的影響Fig.2 Effects of three calcium-based ameliorants on soil total salt content

表4 3 種鈣基改良劑施用量與土壤鹽堿指標和水溶性離子關系Tab.4 The relationships between the application rates of three calcium-based ameliorants and the salinity and alkalinity parameters and water-soluble ions in soil

由圖3 可知，改良劑FGDG 各施用量的SAR較對照組分別降低了55.7%、40.8%、42.7% 和53.0%，施用量1.5、6.0 t/hm2與施用量3.0、4.5 t/hm2處理組間存在顯著性差異；通過線性擬合，F(xiàn)GDG施用量為4.5 t/hm2時的土壤SAR 最低。改良劑FM 各施用量的SAR 較對照組分別降低了33.6%、34.5%、31.4%和37.0%，與對照組存在顯著差異；通過線性擬合，改良劑FM 施用量為4.5 t/hm2時土壤SAR 最低。改良劑FB 對土壤SAR 降低有顯著性影響，各施用量處理較對照組分別降低了39.1%、40.2%、34.5% 和27.0%；施 用 量1.5、3.0、4.5、6.0 t/hm2處理組顯著降低了土壤SAR；通過線性擬合，改良劑FB 施用量為3.0 t/hm2時土壤SAR 最低。在滴灌作用下，較初始值對照組的土壤SAR下降達17.7%；土壤的SAR 值隨3 種改良劑施用量的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢（表4），但最低點滯后于土壤全鹽量變化。對SAR 降低最為明顯的處理是改良劑FGDG，其次為FB 和FM。

圖3 3 種鈣基改良劑對土壤SAR 的影響Fig.3 Effects of three calcium-based ameliorants on soil SAR

水溶性Na+含量變化趨勢隨改良劑施用量增加呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢；土壤水溶性Ca2+含量與改良劑施用量呈線性正相關。改良劑FB 對水溶性Ca2+的吸附效果明顯優(yōu)于改良劑FM（表4）。

2.2 3 種改良劑對土壤養(yǎng)分的影響

從圖4 可以看出，3 種鈣基改良劑對土壤速效鉀含量無顯著影響；土壤銨態(tài)氮含量由高至低分別為FGDG>FM>FB，其中，改良劑FGDG 的土壤銨態(tài)氮含量高于對照組。隨著3 種改良劑的加入土壤硝態(tài)氮含量逐漸增加，施用量為6.0 t/hm2時的增量最為顯著；改良劑FB 在施用量為0～4.5 t/hm2時，對土壤硝態(tài)氮無顯著影響；改良劑FGDG 對土壤硝態(tài)氮含量增加的效果最好，其次為改良劑FM和FB。

圖4 3 種改良劑改良鹽堿土后土壤養(yǎng)分的變化Fig.4 Changes of soil nutrients after saline-sodic soil amelioration by three ameliorants

改良劑FM 和FB 能顯著增加土壤有效磷含 量，F(xiàn)B 效果優(yōu)于FM；改良劑FGDG 處理的土壤有效磷含量最低；與對照組相比，改良劑FM 施用量4.5 t/hm2處理顯著增加土壤有效磷含量，其余施用量處理均與對照組間無顯著差異。改良劑FB 較對照組顯著增加土壤有效磷含量，各施用量之間無顯著差異。

3 討論

3.1 土壤改良劑對土壤鹽堿指標的影響

有研究表明，在大水漫灌、降雨或滴灌作用下，部分鈉鹽被淋洗至深層，表層土壤pH 值降低，這部分鹽主要以水溶性Na+為主，對交換性Na+并無作用[17-18]。本研究中，對照組土壤pH 值有所降低，但降幅不顯著。鹽堿地中決定土壤酸堿度的要素主要包括CO32-、HCO3-和交換性Na+的含量，因滴灌引起的土壤pH 值降低主要是由碳酸鹽及碳酸氫鹽的淋洗引起。3 種鈣基改良劑中脫硫石膏在滴灌的作用下溶解釋放出水溶性鈣離子與土壤中水溶性CO32-和HCO3-發(fā)生沉淀反應，從而達到降低土壤酸堿度的效果；且施用量越高，在脫硫石膏溶解度范圍內(nèi)能溶解出更多水溶性鈣離子，降堿效果更加顯著。改良劑脫硫石膏對土壤pH 值的降低最為顯著，但施用量之間無顯著性差異，主要原因為試驗小區(qū)土壤pH 值較低，過量脫硫石膏溶解出的Ca2+幾乎全部與CO32-發(fā)生反應，因此，施用量對pH 值降低無顯著效果。由于改良劑脫硫石膏+羊糞、脫硫石膏+生物炭二者的脫硫石膏量低于改良劑脫硫石膏，因此，這2 個改良劑處理對降低土壤pH 值效果相對于改良劑脫硫石膏較差。此外，改良劑脫硫石膏+生物炭對土壤pH 值降低效果沒有改良劑脫硫石膏+羊糞好，原因可能在于改良劑脫硫石膏+生物炭中生物炭本身具有較強離子吸附性能[19]。

本研究結果顯示，在滴灌的作用下，對照組能有效淋洗鹽分。改良劑脫硫石膏的土壤全鹽量隨著施用量的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，降低土壤全鹽量效果最佳。土壤全鹽量的降低主要由改良劑中脫硫石膏在滴灌作用下釋放出鈣離子引起，在鈣離子富足的情況下，土壤膠體會逐步形成類晶團聚體，出現(xiàn)類晶團聚體再絮凝等現(xiàn)象[20]，從而打通并擴大了土壤表層及深層的孔隙通道；在滴灌作用下，表層土壤釋放的鹽離子逐漸淋洗至深層土壤[11]。鈣基改良劑脫硫石膏+羊糞、脫硫石膏+生物炭二者的脫硫石膏量僅為改良劑脫硫石膏的2/5，但在條施狀態(tài)下能釋放出大量Ca2+促進鹽分釋放與淋溶；配施的羊糞和生物炭則能有效吸附這些離子，這也是改良劑脫硫石膏+羊糞、脫硫石膏+生物炭2 種改良劑土壤全鹽量隨著施用量的增加而增加的原因之一[21]。此外，改良劑脫硫石膏+生物炭中的配料生物炭具有多孔結構，能夠提供大量的吸附位點[22]，相較于羊糞中的有機質具有較高的離子吸附性能，這也是造成改良劑脫硫石膏+生物炭處理土壤鹽分含量高于改良劑脫硫石膏+羊糞處理的主要原因。

本研究中，在滴灌作用下，對照組能有效淋洗水溶性Na+從而導致土壤SAR 降低。相較對照組，添加鈣基改良劑能顯著降低土壤SAR，但降低效果有所不同。鈣基改良劑中脫硫石膏釋放出的鈣離子能交換出原吸附在土壤中的交換性Na+，在滴灌的作用下，水溶性Na+和交換性Na+被淋洗至深層土壤，這也是造成土壤表層SAR 降低的主要原因[10,23]。改良劑脫硫石膏+羊糞雖然對鹽堿土壤的SAR 的降低有顯著效果，但施用量之間無顯著性差異，主要原因在于羊糞能降低土壤容重，更有利于促進Na+和Ca2+的淋洗。在3 種改良劑中，改良劑脫硫石膏+生物炭對土壤SAR 降低效果稍弱，原因在于生物炭具能吸附大量的水溶性離子。

3.2 土壤改良劑對土壤養(yǎng)分含量的影響

本研究結果顯示，3 種鈣基改良劑及其施用量對土壤速效鉀無顯著性影響，但改良劑脫硫石膏+羊糞處理的土壤速效鉀含量略高于改良劑脫硫石膏+生物炭。改良劑中的脫硫石膏含有微量鉀元素，脫硫石膏不僅能促使Na+的淋溶，還能引起K+的淋失。本研究在試驗中期撒施過復合肥，但改良后土壤速效鉀含量無變化，其原因在于脫硫石膏促進速效鉀的流失以及植物對速效鉀的吸收。此外，羊糞含有部分鉀離子，可能是造成改良劑脫硫石膏+羊糞處理相對于脫硫石膏+生物炭的土壤速效鉀含量略高的原因。

土壤銨態(tài)氮含量主要受到硝化、揮發(fā)、淋失、土壤吸附和植物吸收等過程影響。本研究中，相較于改良前，改良后土壤銨態(tài)氮有所降低。影響鹽堿地土壤銨態(tài)氮的主要限制因素是土壤酸堿度，堿性土壤中OH-能與銨根離子反應形成氨氣而造成銨態(tài)氮的損失[24]。脫硫石膏能顯著降低鹽堿地土壤pH值，改良劑脫硫石膏處理組中土壤銨態(tài)氮含量在3 種鈣基改良劑中含量最高。改良劑脫硫石膏+生物炭處理的土壤銨態(tài)氮含量高于改良劑脫硫石膏+羊糞，可能是由于生物炭具有較高銨根離子吸附能力[23]，且隨著施用量的增加，這種現(xiàn)象更加明顯。

在本研究的3 種鈣基改良中，改良劑脫硫石膏在施用量為0～4.5 t/hm2時的土壤硝態(tài)氮含量最高，主要原因在于過量脫硫石膏有效降低土壤pH值，從而高含量的銨態(tài)氮能氧化轉變?yōu)橄鯌B(tài)氮的過程也隨之增強。改良劑脫硫石膏+羊糞對土壤硝態(tài)氮含量影響呈現(xiàn)隨施用量增加而增多的主要原因是羊糞中有機質與土壤中水分分解成銨鹽[25]，但由于土壤中銨根離子無顯著變化，因此，銨根離子被氧化為硝態(tài)氮。對于改良劑脫硫石膏+生物炭，生物炭雖然能增加土壤碳固定、降低土壤容重，但沒有外源的有機質作為補充，因此，隨著施用量的增加，土壤硝態(tài)氮含量無顯著變化。

本研究3 種鈣基改良劑均含有脫硫石膏，其磷酸鈣溶解度高于碳酸鈣。因此，在鈣基改良劑改良鹽堿土壤的過程中先生成CaCO3，其次水溶性鈣才與土壤水溶性CO32-發(fā)生反應。由于鹽堿土壤酸堿度較低，富余的脫硫石膏與有效磷反應生成磷酸鈣，導致有效磷含量有一定程度的降低。

4 結論

本研究結果表明，在滴灌條件下，條施鈣基改良劑能有效降低重度鹽堿土的土壤酸堿度、土壤全鹽量和SAR；脫硫石膏、脫硫石膏+羊糞和脫硫石膏+生物炭3 種改良劑改良重度鹽堿土的最佳施用量分別為4.5、4.5、3.0 t/hm2；脫硫石膏改良劑雖然能有效改善重度鹽堿土性質，但相對于其他2 種改良劑，施用量較大。

3 種鈣基改良劑對土壤速效鉀含量影響不大。脫硫石膏改良劑在施用復合肥后，能提高土壤硝態(tài)氮的含量，但對銨態(tài)氮的提高不顯著；改良劑脫硫石膏+羊糞、脫硫石膏+生物炭對土壤銨態(tài)氮影響不大，且低于脫硫石膏改良劑；改良劑脫硫石膏+羊糞能顯著增加土壤硝態(tài)氮，僅次于脫硫石膏，而脫硫石膏+生物炭則不顯著；改良劑脫硫石膏+羊糞和脫硫石膏+生物炭則能明顯增加有效磷的含量，其中改良劑脫硫石膏+生物炭更為顯著。3 種鈣基改良劑對土壤有機質含量增加并不顯著，其中改良劑脫硫石膏+羊糞處理有機質含量最高。