有機硅復(fù)合肥對濱海鹽堿地土壤物理特性及夏玉米產(chǎn)量的影響

武海霞，康佳騰，宋福如，宋利強，宋繼強，任瑞瑞，郭海剛，程東娟

（1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省智慧水利重點實驗室，河北 邯鄲 056038；3.河北硅谷肥業(yè)有限公司，河北 邯鄲 057154）

0 引 言

全國第二次土壤普查結(jié)果顯示中國鹽堿地約有3.5 億hm2，面積為全國可利用土地4.88%，主要位于東部黃河三角口、渤海、淮海沿海平原、東北松嫩平原以及西北此類干旱、半干旱、地下水位高、礦化度大的地區(qū)。高鹽分濃度的鹽堿地對植物生長直接造成抑制作用和危害，嚴重制約了土地資源利用與農(nóng)業(yè)的發(fā)展，已經(jīng)成為世界性難題[1-3]。河北省滄州市地處渤海平原東部地區(qū)，屬于大陸性季風(fēng)氣候帶，全市近 1/2的耕地面積有不同程度鹽堿化，受季風(fēng)氣候影響，淺層土壤鹽分隨季節(jié)性變化明顯，由于淡水資源緊缺及不合理的灌溉制度措施，加劇了土壤鹽堿化程度[4]。該地區(qū)屬于濱海鹽堿土，具有容重大，通氣性和土壤內(nèi)部微生物活動性差等特點，土壤結(jié)構(gòu)性差，肥力低下，抑制了當?shù)刈魑镎ＩL[5-7]。如何有效改善鹽堿土土壤性質(zhì)，提高和保持土壤供肥能力，始終是學(xué)者們在鹽堿土改良方面的研究重點。

土壤物理性質(zhì)是決定土壤質(zhì)地和肥力水平的關(guān)鍵因素，牽連著農(nóng)業(yè)與環(huán)境的有機良好發(fā)展，良好的土壤物理性質(zhì)有利于土壤水肥鹽等的運移和內(nèi)部協(xié)調(diào)，從而增加土壤的肥力水平[8,9]。因此，改善鹽堿土物理性質(zhì)對于鹽堿地的改良至關(guān)重要。王會[10]等發(fā)現(xiàn)，連續(xù)秸稈翻耕可通過秸稈分解產(chǎn)生的多糖膠、脂肪等促進土壤有機膠結(jié)物質(zhì)形成，進而增加鹽堿土土壤團聚體的穩(wěn)定性；馬列[11]等的研究表明，通過添加菌糠，可以促進土壤團粒結(jié)構(gòu)形成，降低土壤容重，其中的腐植酸可改善土壤的持水性和透氣性，從而促進植株根系生長。但目前的改良方法在工程措施中實施難度大，化學(xué)生物改良劑制備困難，成本較高，且易造成二次污染[12]。尋求一種成本低廉，對環(huán)境污染程度較低的改良劑對鹽堿土治理將起到至關(guān)重要的作用。

河北硅谷肥業(yè)有限公司生產(chǎn)的有機硅復(fù)合肥具有加強土壤團粒聚集作用，可以破除土壤團板結(jié)，增強作物根系呼吸，其中含有的硅元素對作物生長狀況、抗逆性、重金屬脅迫、產(chǎn)量等都有明顯改善作用[13-15]。宋福如[16]等發(fā)現(xiàn)有機硅肥通過改善鹽堿地土壤理化特性，以此提高鹽堿土土壤肥力水平和玉米、水稻、甜菜等作物產(chǎn)量。目前已有成果并未系統(tǒng)研究有機硅功能肥施用量對濱海鹽堿地改良效果和大田作物產(chǎn)量的影響?；诖?，本文立足于有機硅功能肥如何提高濱海鹽堿地的治理效果，以大田夏玉米為研究對象，分析有機硅功能肥對土壤物理特性及夏玉米產(chǎn)量的影響，旨在為有機硅功能肥改良濱海鹽堿地提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況與材料

試驗于2021年6-10月在河北省滄州市海興縣中國科學(xué)院海興實驗站（38°13′N，117°48′E）進行，該區(qū)氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫞箨懠撅L(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫12 ℃，平均日照時數(shù)為2 750 h，年平均降雨量為600 mm，降雨多集中在6-8月。該地區(qū)土壤類型為中度鹽堿土，作物種植模式為冬小麥－夏玉米輪作；該地區(qū)土壤全氮0.47 g/kg，有效磷10.39 mg/kg，速效鉀136.81 mg/kg，土壤有機質(zhì)含量約10.72 g/kg，表層土壤pH值為8.36。試驗采用的有機硅復(fù)合肥來自河北硅谷肥業(yè)有限公司，總養(yǎng)分含量≥45%，氮≥15%，磷(P2O5)≥15%，鉀(K2O)≥15%，有機質(zhì)含量（以干基計） ≥15%，有機硅（SiO2） ≥3.5%，CaO≥0.5%，黃腐酸含量≥1.0%。試驗采用的當?shù)胤柿隙@，總養(yǎng)分含量≥45%，氮≥14%，磷(P2O5)≥16%，鉀(K2O)≥15%。

1.2 試驗設(shè)計

采用小區(qū)試驗方法，設(shè)置如下5 個處理，分別為：CK（僅施底肥）、T1（600 kg/hm2二銨）、T2（375 kg/hm2有機硅復(fù)合肥）、T3（750 kg/hm2有機硅復(fù)合肥）、T4（1 125 kg/hm2有機硅復(fù)合肥），每個處理3 次重復(fù)，共計15 個小區(qū)，每個小區(qū)面積為10 m×7 m=70 m2。2021年5月按小區(qū)進行撒肥后，立即旋耕讓肥料與耕作層土壤混勻，6月播種，10月收獲。玉米生長期間除草、防病蟲等管理措施與當?shù)毓芾砟Ｊ揭恢隆?/p>

1.3 項目測定

土壤樣品取土深度為 0～40 cm，收獲期，利用環(huán)刀在15個試驗小區(qū)分層取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 和30～40 cm 的土壤樣品，用于測定土壤容重、土壤孔隙度、飽和含水量，田間持水量和土壤吸水量。成熟期收獲玉米植株，測定玉米地上地下生物量、秸稈莖周長（測量位置位于根上3 cm左右處）、穗粗、穗高、鮮殼穗重、干穗重、穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒重，最后計算產(chǎn)量。

1.3.1 土壤容重、孔隙度測定

土壤容重、孔隙度通過環(huán)刀法測定。土壤容重計算公式如下：

式中：ρb表示土壤容重，g/cm3；m表示環(huán)刀內(nèi)濕土樣質(zhì)量；V表示環(huán)刀容積，cm3；θm表示土樣含水量，%。

土壤總孔隙度通過土壤容重計算得到，公式如下：

式中：Pt表示土壤總孔隙度，%；ds表示土壤密度，通常取2.65 g/cm3。

土壤毛管孔隙度計算公式如下：

式中：Pc表示毛管孔隙度，%；M1表示吸水至恒重的環(huán)刀樣品重量，g；M2表示烘干至恒重的環(huán)刀樣品重量，g。

土壤通氣孔隙度通過總孔隙度－毛管孔隙度可得，即：

式中：Pa為通氣孔隙度，%。

1.3.2 土壤田間持水量和飽和含水量測定

土壤田間持水量和飽和含水量采用烘干法測定。

1.3.3 土壤累積吸水量測定

將環(huán)刀樣品自然風(fēng)干后并稱取環(huán)刀樣品重量，后置于水箱當中并加水，使水面始終保持在環(huán)刀上壁外沿而不使水淹沒，分別經(jīng)過0.5、1、2、4、8、12 h 測量環(huán)刀樣品重量，每個環(huán)刀樣品重復(fù)3次[17]。

1.4 數(shù)據(jù)分析和處理

用Microsoft Excel 2016 對數(shù)據(jù)進行整理和作圖，采用SPSS 24.0 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用Duncan 新復(fù)極差法進行多重比較，用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析相關(guān)性。

2 結(jié)果分析

2.1 有機硅復(fù)合肥對土壤容重影響

土壤容重是土壤重要的物理性狀，是反映土壤密實程度的重要指標[18]。由圖1 可看出，不同處理之間0～40 cm 各土層的容重呈顯著性差異，隨著有機硅復(fù)合肥施用量的增加，0～40 cm 各土層的土壤容重呈減少趨勢。與對照組CK 相比，T4處理0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 和30～40 cm 各土層的容重降低程度最顯著，分別減少了0.25 g/cm3、0.22 g/cm3、0.28 g/cm3、0.12 g/cm3，降幅達16.1%、13.8%、17.6%、7.8%。T2 與T3 處理在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 各土層相比容重有一定程度降低，但不顯著。在30～40 cm 土層，除T4外其他處理與CK 相比，容重均有所增加。這是因為水分沖洗作用將表層的鹽分沖洗到該深度，由于改良劑施用量較少，較深土壤的改良效果不明顯，造成鹽分堆積，使該土層的容重增加。由圖1 可見，與對照組CK 相比，4 種施肥處理在0～20 cm土層均不同程度地降低了土壤容重，降低效果為T4>T3>T1>T2，在20～40 cm土層僅T4的降低效果顯著。

2.2 有機硅復(fù)合肥對土壤水力特性的影響

土壤總孔隙度、毛管孔隙度與通氣孔隙度是影響土壤肥力與作物根系生長的重要指標，孔隙度的增加意味著土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)的改善，同時可以促進作物對水分、養(yǎng)分的吸收，從而促進作物的生長，達到增產(chǎn)增收的目的[19]。土壤田間持水量與飽和含水量影響土壤的持水能力，其值越大，土壤的蓄水保水能力越強。本節(jié)中體現(xiàn)土壤水力特性的指標包括土壤總孔隙度、毛管孔隙度、通氣孔隙度、田間持水量和飽和含水量。由表1 可看出，不同處理之間0～40 cm 各土層的土壤水力特性指標呈顯著性差異，隨著有機硅復(fù)合肥施用量的增加，0～40 cm 各土層的土壤孔隙度，田間持水量和飽和含水量呈增加趨勢。與CK 相比，T4 處理的增加幅度最顯著，0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 各土層的總孔隙度分別增加了16.38%、10.65%、18.05%、14.28%，毛管孔隙度分別增加了10.29%、7.20%、13.79%、10.06%，通氣孔隙度分別增加了6.12%、3.56%、4.29%、4.19%，田間持水量分別增加了10.84%、9.62%、13.00%、8.9%，飽和含水量分別增加13.61%、10.70%、17.94%和11.39%。由表1 可見，與對照組CK 相比，4 種處理均不同程度地增加了土壤孔隙度，田間持水量和飽和含水量，增加效果為T4>T3>T1>T2。

表1 不同處理對0～40 cm各土層土壤水力特性的影響Tab.1 Effect of different treatments on the soil hydraulic characteristics of each soil layer of 0～40 cm

2.3 有機硅復(fù)合肥對土壤累積吸水量的影響

土壤吸水量的多少影響土壤水分運移能力，決定了作物從土壤汲取水分的難易程度。不同處理下0～40 cm 各土層的土壤累積吸水量曲線如圖2所示。隨著有機硅復(fù)合肥施用量的增加，玉米收獲期0～40 cm 各土層的土壤累積吸水量呈增加趨勢（圖2）。從圖2 中可以看出，T4 處理0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 各土層的土壤累積吸水量比其他處理高，分別為26.19 g、23.01 g、24.01 g、21.32 g，是CK 對照組的1.60、1.25、1.23和1.14倍，其次則是T3處理，分別為22.76 g、21.40 g、22.03 g、21.45 g，是CK 對照組的1.39、1.17、1.13 和1.15 倍，另外表層土壤累積吸水量增加幅度大于下部土層。對于T1、T2處理，相比CK對照組表層土壤累積吸水量增加顯著，但下部土層沒有顯著增加。與對照組CK 相比，在0～20 cm 與30～40 cm 土層上，2 h 后各個處理均能不同程度地增加了土壤累積吸水量，有效提高了土壤保水性，且增加效果為T4>T3>T1>T2。

圖2 不同處理下0～40 cm各土層的土壤累積吸水量曲線Fig.2 Curve of soil cumulative water absorption of each soil layer of 0～40 cm under different treatments

2.4 有機硅復(fù)合肥對玉米生長性狀和產(chǎn)量的影響

不同處理下玉米生長性狀見表2，各處理間莖周長、穗高和地上干重呈顯著性差異，穗粗和地下干重差異不顯著，隨著有機硅復(fù)合肥施用量的增加，玉米生長性狀指標呈增加趨勢。與CK 相比，T4處理的增加幅度最大，莖周長、穗粗、穗高、地下干重、地下干重分別增加了25.8%、6.51%、46.8%、11.21%、28.3%，其次是T3，分別增加了10.6%、4.55%、43.9%、12.77%、10.6%。

表2 不同處理下玉米生長性狀Tab.2 Growth traits of maize under different treatments

不同處理下玉米產(chǎn)量性狀見表3，各處理間，鮮殼穗重、干穗重、穗粒數(shù)、百粒重和產(chǎn)量呈顯著性差異，隨著有機硅復(fù)合肥施用量的增加，除百粒重以外（這是由于CK 處理的玉米穗禿尖較長，位于尖端的小穗粒取樣少，百粒重取樣大顆粒居多，故百粒重比其他處理要高），其他各產(chǎn)量性狀指標隨之增加。與CK 相比，T4處理的增加幅度最大，鮮殼穗重、干穗重、穗粒數(shù)和產(chǎn)量分別增加了51.12%、47.17%、64.86%、56.86%，其次是T3 處理，分別增加了42.71%、49.93%、52.70%、47.06%。綜上，各個處理均能不同程度地增加玉米產(chǎn)量，且增加效果為T4>T3>T1>T2。

表3 不同處理下玉米產(chǎn)量性狀Tab.3 Corn yield traits under different treatments

2.5 土壤物理特性指標和玉米產(chǎn)量的相關(guān)性分析

對0～40 cm 不同土層各處理的玉米產(chǎn)量、容重、飽和含水量、田間持水量與孔隙度兩兩之間進行相關(guān)性分析（表4），可知，在0～10 cm 土層，玉米產(chǎn)量與容重、毛管孔隙度呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.609、0.622（P＜0.01），與飽和含水量、田間持水量、總孔隙度呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.535、0.557、0.526（P＜0.05）；在10～20 cm 土層，僅有容重與產(chǎn)量呈極顯著負相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為-0.670（P＜0.01），飽和含水量、田間持水量、毛管孔隙度與產(chǎn)量則呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.494、0.562、0.566（P＜0.05）；當土層深度到達20～40 cm 時，各個指標與產(chǎn)量之間相關(guān)性不再顯著。對于容重、孔隙度、田間持水量和飽和含水量兩兩之間具有極顯著相關(guān)性，隨著土層深度的增加，相關(guān)性降低。

表4 土壤物理特性指標與玉米產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.4 Correlation coefficient matrix of soil physical property index and maize yield

3 討 論

滄州市屬于典型渤海灣平原鹽堿地，土壤主要類型為硫酸鹽-氯化物型鹽漬化土壤，土壤孔隙度、通氣性、透水性低下，導(dǎo)致作物大量減產(chǎn)甚至萎蔫凋亡[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿土施用有機硅復(fù)合肥之后，0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 各個土層的土壤容重分別降低了16.1%、13.8%、17.6%、7.8%（表1），總孔隙度、毛管孔隙度和通氣孔隙度顯著增加（表2）。這與前人發(fā)現(xiàn)指出，硅酸鹽可以增加土壤有效團聚體，提高土壤內(nèi)部的團聚作用，有效提升孔隙度、降低土壤容重的結(jié)論相一致[21-24]。這是由于有機硅復(fù)合肥中的Si-O-Si 鍵可對土壤顆粒以及一些鹽分離子產(chǎn)生吸附作用，同時其疏水基團也可以降低土壤內(nèi)部的黏結(jié)作用力，從而增大土壤顆粒之間的孔隙度，進一步加強土壤顆粒的團聚作用，從而降低土壤容重，改善了耕層土壤的物理特性，有效緩解了鹽堿土透水性差、作物生長困難的情況。

土壤的吸水能力、田間持水量及飽和含水量可以一定程度上反映土壤的水鹽運移速率和土壤肥力情況[25]。從本試驗中可以看出，在土壤中加入有機硅復(fù)合肥之后顯著改善了土壤的吸水能力（圖2），各個處理與CK 相比均有不同程度的增幅，原因是有機硅使土壤的毛管孔隙度增加、土壤容重減少（圖1 和表1），鞏煒[26]指出，毛管孔隙度大小直接影響著土壤吸水性能的優(yōu)劣，土壤中水分的吸收入滲能力隨之增加。土壤中的入滲水分依靠毛管作用力儲存在土壤內(nèi)部的毛管孔隙當中，由于土壤團聚體結(jié)構(gòu)的改善使得孔隙度增加[27,28]，土壤容重減少，顆粒間隙變大，故土壤內(nèi)部的儲水空間也更大，保水性能更加良好，土壤田間持水量與飽和含水量亦增加，減少了土壤水分流失，起到保墑作用（表1），這與韋本輝[29]提出粉壟改造可改善鹽堿土土壤飽和含水量的研究相一致。

土壤的容重、孔隙度與其飽和含水量、田間持水量之間具有一致性，而這些土壤特性的變化會影響到土壤的水肥運移能力，通過改善這些土壤特性，可促進作物的生長發(fā)育，最終達到增產(chǎn)增收的目的。本試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，表層土壤的孔隙度、容重、田間持水量、飽和含水量與產(chǎn)量之間具有顯著相關(guān)性（表4），通過施加有機硅復(fù)合肥，顯著增加了玉米的干物質(zhì)積累，T1，T2，T3 及T4 各處理分別提高作物產(chǎn)量34.1%、36.39%、47.05%和56.90%。這是由于有機硅復(fù)合肥中除了含有氮、磷、鉀等作物生長發(fā)育的必要元素外，其中有機硅對鹽堿土的改良作用使得土壤容重下降、孔隙度增加、持水吸水性能提升，更加有利于作物對土壤中的水肥吸收作用。而硅本身作為構(gòu)成植物體的必需元素之一，還能增強作物根系活力，提高營養(yǎng)物質(zhì)的汲取能力，促進了作物對水分和養(yǎng)分的吸收利用。這與蔣雄英等[30]發(fā)現(xiàn)的硅肥促進甘蔗對土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收作用達到增產(chǎn)增收的結(jié)果相一致；同時，林少雯[31]發(fā)現(xiàn)，單硅酸可以提高玉米的抗逆性并改善玉米的株高、葉面積、莖粗等生長因素，這說明硅肥有利于作物增產(chǎn)。同時，有機硅復(fù)合肥施用量對土壤改良效果和玉米產(chǎn)量有一定影響[32,33]，隨著有機硅復(fù)合肥施用量的增加，土壤改良效果越好，玉米產(chǎn)量增加幅度越大。當有機硅復(fù)合肥施用量較少時（375 kg/hm2），土壤改良效果和玉米產(chǎn)量增幅比當?shù)胤柿隙@的施用效果差，說明實現(xiàn)作物增產(chǎn)，不僅需要土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)適宜作物生長，還應(yīng)保證各種礦物元素肥力指標滿足作物生長的需求。

在濱海鹽堿地進行不同施肥量對鹽堿土改良以及玉米增產(chǎn)效果的試驗，有利于當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展，為鹽堿地農(nóng)業(yè)活動提供理論依據(jù)，對改良我國大量濱海鹽堿土，增加我國可耕種土地面積，保證“18 億畝”耕地質(zhì)量有重要意義。本研究施用的有機硅肥屬于有機肥料，本身具有肥效周期長的特點[34]，對長期施用有機硅復(fù)合肥對鹽堿土的改良效果以及作物生長和產(chǎn)量的影響仍需進一步試驗研究。

4 結(jié) 論

（1）有機硅復(fù)合肥的施用對濱海玉米鹽堿地土壤物理特性有一定的改善作用，隨著施用量的增加，土壤容重減少，土壤孔隙度，田間持水量、飽和含水量和土壤累積吸水量增加，從而達到改善土壤孔隙度、通氣性、透水性低下的效果。

（2）有機硅復(fù)合肥對玉米生長性狀和產(chǎn)量具有顯著影響，隨著施用量的增加，玉米的穗高、莖周長和地上干重生長性狀以及穗重、穗粒數(shù)及百粒重等產(chǎn)量指標增加，對玉米增產(chǎn)增收影響顯著。

（3）玉米產(chǎn)量與土壤容重、孔隙度、飽和含水量、田間持水量呈一定的相關(guān)性，而有機硅復(fù)合肥施用量對地下干重影響不大，可認為有機硅復(fù)合肥主要作用于鹽堿土的土壤結(jié)構(gòu)而非作用于玉米地下根系的發(fā)育，通過改善土壤的物理性質(zhì)來促進玉米產(chǎn)量增加。