河沙與有機肥對鹽堿土改良效果及作物生長指標的影響

柴洪星，郭祥林，吳畏，張雪，高鵬浩，高佩玲，2

(1. 山東理工大學 農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博 255049；2. 山東理工大學 資源與環(huán)境工程學院，山東 淄博 255049)

據(jù)統(tǒng)計,我國鹽堿化與次生鹽堿化土地面積約為3.5×108hm2,占全球鹽堿地總面積4%左右[1]。土地發(fā)生鹽堿化會造成土壤板結,肥力下降,作物減產(chǎn)等問題,嚴重制約了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。黃河三角洲土地面積遼闊,自然資源豐富,是我國重要的經(jīng)濟開發(fā)區(qū)[3]。但由于海相沉積物與河相沉積物的疊加覆蓋作用,導致該區(qū)域土壤具有積鹽的特性,外加降雨不均且蒸發(fā)作用強,使得鹽分在土壤表層積累,鹽堿地面積達到24萬hm2,占黃三角全區(qū)面積的1/2[4],已成為阻礙該區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。改良鹽堿地并加以合理利用對該區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

藺亞莉等[5]研究發(fā)現(xiàn),鹽堿土摻沙可有效降低土壤容重,增加土壤孔隙度,提高土壤的通透性,進而影響鹽堿土的水鹽運移規(guī)律。周利穎等[6]通過室內土柱試驗探討了不同摻沙比例對重度鹽堿土水鹽運移的影響,研究發(fā)現(xiàn),土壤摻沙可以增加土壤的入滲能力,促進土壤水分向下運移,有效降低了0～30 cm土層土壤含鹽量。張宇航等[7]、相龍康等[8]研究發(fā)現(xiàn),土壤表層摻沙能降低土壤含鹽量,提高作物產(chǎn)量,其中摻沙15%改良效果最好。土壤發(fā)生鹽堿化會導致土壤貧瘠,進而導致作物減產(chǎn)[9],有機肥因其大團粒結構和高肥力的特性被廣泛應用于鹽堿地改良。El-Halim等[10]通過淋溶試驗發(fā)現(xiàn),施加有機肥能降低土壤容重,提高土壤的透水性,且對土壤含水率有積極的影響。李旭霖等[11]、趙曼等[12]研究發(fā)現(xiàn),施加有機肥能增加土壤微生物量,有效提高土壤的肥力,增加作物的產(chǎn)量,但自身帶有的大量鹽基離子,會造成短期內土壤鹽分增加。研究表明,河沙和有機肥用于改良鹽堿地具有良好的應用價值。綜上所述,目前對摻沙和有機肥改良鹽堿地研究多集中于單施改良劑對鹽堿地改良效果的研究,缺乏鹽堿地對二者耦合作用下響應研究。

黃河三角洲地區(qū)河沙資源儲量豐富,開發(fā)利用率低,且隨著該區(qū)域畜牧業(yè)集約化、規(guī)?；杆侔l(fā)展,動物糞便產(chǎn)量豐富,糞便排放對環(huán)境污染問題日益嚴重,肥料化已成為動物糞便資源化利用的主要方向[13]。因此,將黃三角地區(qū)河沙資源與動物糞便進行資源化再利用,對該區(qū)域鹽堿地改良和環(huán)境保護具有重要意義?；诖?本研究以黃河三角洲中度鹽堿土為研究對象,通過室內盆栽試驗,探究河沙與有機肥單施及二者耦合作用對鹽堿土壤水鹽分布、pH值和小麥生長指標的影響,以期為黃河三角洲地區(qū)鹽堿地的綜合治理提供數(shù)據(jù)支持與理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土取自山東省濱州市濱城區(qū)中裕生態(tài)產(chǎn)業(yè)園。試驗取土深度為40 cm,取試驗區(qū)原狀土測定土壤容重為1.39 g/cm3,田間持水率為28.62%,土壤初始全鹽量為2.381 g/kg,屬于中度鹽堿土,試驗用土預先去除石塊、碾碎、自然晾干后,過2 mm篩,試驗土壤的基本理化性質詳情見表1。利用Mastersizer 3000型激光粒度儀測定試驗土壤與河沙顆粒組成,具體結果見表2。根據(jù)國際土壤質地分類標準,本研究供試土壤為粉砂質土壤。

表1 試驗用土的基本理化性質

表2 試驗土顆粒組成

試驗采用的有機肥為黑色顆粒狀的免深耕有機肥,有機肥的原料為禽畜的糞便且氮磷鉀滿足N + P2O5+ K2O≥5%,有機質含量≥45%。

試驗選取春小麥品種為濟麥22號,盆栽規(guī)格為0.22 m × 0.24 m(內徑×高)。

試驗用沙采用黃河三角洲地區(qū)的黃河沙,河沙經(jīng)過洗凈晾干后過2 mm篩。

1.2 試驗準備

小麥種子預先用水浸泡 8 h,然后放于濕潤濾紙上,每隔2 h補水一次共補水24 h,保持種子濕潤,待種子露白時候,準備播種。

每盆裝土10 kg,底肥(氮肥、磷肥)與各改良劑混合均勻后裝盆(預留1 kg土作為覆土),稱重記錄(干土+盆重),各盆灌水按田間持水量灌水,灌透后稱每盆重量并記錄(田間持水量+盆重+干土重),靜置一天沉實,于第二天播種,將催芽處理后的種子撒在濕土表面,每盆播種20顆,用預留干土覆蓋。

1.3 試驗設計

本試驗主要研究河沙和有機肥單施和配施對黃河三角洲地區(qū)中度鹽堿土改良效果和小麥生長指標的影響并進行對比分析。本研究采用盆栽試驗,基于張宇航等[7]研究發(fā)現(xiàn)在中度鹽堿土摻沙具有提高土壤入滲能力、降低上層土壤含鹽量和增加小麥株高和干物質量的作用,且摻沙最好的比例為15%,故試驗河沙施用量采用15%。各改良劑施用量按照大田試驗施用量轉換為盆栽施用量,試驗設置CK(對照),單施改良劑處理(S、M1、M2、M3),肥沙配施處理(M1S、M2S、M3S),每個處理重復3次,改良劑處理施用量見表3。春小麥于2018年3月30日播種,每盆播種20顆,播種深度為4～5 cm,三葉期定苗6株/盆,于2018年7月2日收獲。

表3 盆栽試驗各處理施用量

1.4 樣品測定

樣品測定中,上層土是指深度在0～<10 cm的土,下層土是指深度在10～20 cm的土。

土壤含鹽量與降鹽率:稱取20 g過1 mm篩的風干土樣放于三角瓶中,加入100 mL蒸餾水,將三角瓶置于振蕩機上振蕩10 min,靜置15 min 后過濾,制成水土質量比為5∶1的澄清液并用DDS11-A數(shù)顯電導率儀測定其電導率值[11]。根據(jù)當?shù)赝寥篮}量與電導率之間的標定關系式,將電導率轉換成相應的含鹽量。轉換公式如下:

S=2.16ES5∶1+0.303,

(1)

式中:S為土壤含鹽量(g·kg-1);EC5∶1為25 ℃下土壤浸提液電導率(μS/cm)。

根據(jù)鹽分平衡原理計算土壤鹽分變化量ΔS、土壤降鹽率R,計算公式如下:

ΔS=Sb-Sa,

(2)

R=-(ΔS/Sa)×100%,

(3)

式中:ΔS為土壤鹽分變化量(%);Sa為播種前土壤鹽分含量(%);Sb為收獲后土壤鹽分含量(%);R為土壤鹽分變化率(%)。

土壤含水率:用烘干法測定含水率,稱取20 g左右的土放到稱重過后的鋁盒上,放入溫度為105 ℃的烘箱中烘干12 h,冷卻至室溫后立即稱重[12]。

pH值:使用電子天平稱取過2 mm篩的風干土樣10 g,放置于50 mL的離心管中,加入25 mL的去離子水。將離心管密封后,用振蕩器震蕩5 min,靜置1 h,然后用pH計(梅特勒-托利多有限公司)測定。

生長指標:試驗選用直尺測量植株的株高,每個盆栽試驗標定具有代表性的3株植株監(jiān)測其在全生育期內的變化。

產(chǎn)量指標:取植株樣本測定鮮重后,置于溫度為105 ℃烘箱殺青30 min,80 ℃烘干至恒重,測干物質產(chǎn)量。

2 結果與分析

2.1 各處理對土壤含水率的影響

不同處理對土壤含水率的影響如圖1所示。由圖1可知,各處理在不同土層的土壤含水率變化規(guī)律不同。在0～20 cm土層,各處理土壤含水率由高到低依次為M1S、S、M3S、M3、M2S、M1、M2、CK,與CK相比,有機肥處理均增加了土壤含水率。河沙處理土壤含水率較CK增加6.04%,具有顯著性差異(P<0.05)。肥沙配施處理土壤含水率均高于有機肥處理和CK,其中M1S處理對土壤含水率增幅程度最大,較CK增加9.47%;由圖1可知,各處理均降低了0～<10 cm土層土壤含水率,增加了10～20 cm土層土壤含水率,其中摻沙處理兩土層間土壤含水率差值最大。其原因可能為河沙與有機肥改變了土壤結構增加了土壤的入滲能力進而提高了下層土壤含水率[13-14]。綜上所述,各處理均增加了土壤入滲能力,提高了10～20 cm土層含水率,M1S處理對整個土層土壤含水率增幅效果最優(yōu),較CK增加9.47%,具有顯著性差異(P<0.05)。

(a)0～<10 cm土層

2.2 各處理對土壤鹽分的影響

不同處理對土壤含鹽量的影響如圖2所示。由圖2(a)可知,在0～<10 cm土層,土壤含鹽量由高到低依次為有機肥處理、CK、肥沙配施處理、河沙處理,與CK相比,有機肥處理增加了土壤含鹽量,其中M3處理增加了0.34 g/kg,具有顯著性差異(P<0.05)。河沙處理土壤含鹽量較CK降低17.1%,低于其余處理。肥沙配施處理土壤含鹽量均低于有機肥處理,說明摻沙增強了灌水對土壤表層鹽分的淋洗作用。由圖2(b)可知,在10～20 cm土層,與CK相比,有機肥處理均增加了土壤含鹽量,具有顯著性差異(P<0.05),河沙處理含鹽量較CK無明顯差異,配施處理土壤含鹽量均高于CK,且呈現(xiàn)隨著有機肥施加量增加含鹽量增加趨勢,其中M1S處理含鹽量均小于其余處理;在0～20 cm土層,各處理土壤含鹽量由高到低依次為M3、M1、M2、M3S、CK、M2S、M1S、S,其中S處理含鹽量最低,M1S處理含鹽量略高于S處理,但均小于其余處理。

(a) 0～<10 cm土層

為進一步比較分析各處理在0～<10 cm和10～20 cm土層對土壤鹽分的影響,本研究計算了不同處理在不同土層的土壤降鹽率,結果如表4所示。從表4中可知,在0～<10 cm土層,除M3處理外其余處理均降低了土壤含鹽量,其中S處理脫鹽效果最好,降鹽率高達28.22%,肥沙配施處理的脫鹽率均高于單施有機肥處理,其中M1S、M2S處理脫鹽效果較好,脫鹽率分別為21.78%,22.52%;在10～20 cm土層,各處理土壤含鹽量均出現(xiàn)累積現(xiàn)象,其中M3處理含鹽量增加了1.24 g/kg,高于其余處理。在有機肥施加條件下,摻沙處理土壤含鹽量均低于未摻沙處理,其中M1S處理土壤含鹽量增幅最小。綜合圖2與表4可得,有機肥處理增加了0～20 cm土層土壤含鹽量,河沙與肥沙配施處理均降低了0～20 cm土層土壤含鹽量,其中S處理脫鹽效果最優(yōu),M1S略遜于S。

表4 不同處理在不同土層的土壤降鹽率

2.3 不同改良劑對土壤pH值影響

圖3為各處理對土壤pH值影響。由圖3可知,各處理土壤pH值從大到小依次為S、CK、M1、M1S、M2、M3、M3S、M2S,有機肥處理降低了土壤pH值,且pH值隨著有機肥施加量增加而降低,與CK相比具有顯著性差異(P<0.05),其原因可能是有機肥自身呈現(xiàn)弱酸性,在其分解過程中會產(chǎn)生大量的酸性物質,因而能有效降低土壤pH值[15-16]。河沙處理增加了土壤pH值,但與CK相比無顯著性差異(P<0.05)。肥沙配施處理降低了土壤pH值,與CK相比有顯著性差異(P<0.05),其中M2S處理降低幅度最大,較CK降低9.04%。綜上所述,有機肥處理顯著降低了土壤pH值,河沙處理增加了土壤pH值,肥沙配施處理對土壤pH值的影響更為顯著,其中M2S處理改良效果最好。

圖3 各處理對土壤pH值影響

2.4 不同改良劑對小麥株高的影響

表5為小麥整個試驗期間株高的變化情況和顯著性分析。 由表5可知,在小麥生長初期,有機肥施用量對小麥株高影響極大,整體呈現(xiàn)隨著有機肥施用量增加而降低的趨勢,河沙處理與肥沙配施處理均增加了小麥株高,肥沙配施處理與有機肥處理相比對小麥株高的促進作用更為顯著;在收獲期(5月15日)各處理小麥株高從高到低依次為M1S、S、M2S、M3S、M1、M3、M2、CK,其中M1S處理促進作用最好,較CK增加20.17%。綜上可以看出,有機肥在施用初期對小麥株高無明顯促進作用,并且隨著施用量的增加反而產(chǎn)生抑制作用,隨著試驗進行,有機肥處理均增加了小麥株高,在整個生育期內,河沙處理和肥沙配施處理對小麥株高具有較好的促進作用,其中M1S處理促進效果最為顯著。

2.5 不同改良劑對小麥干物質量的影響

干物質量是評價作物產(chǎn)量的一個重要指標[17],由圖4可以看出,各處理對小麥干物質量影響程度由高到低依次為肥沙配施處理、單施河沙處理、有機肥處理、CK。有機肥施用量對小麥干物質量具有很大的影響, 整體呈現(xiàn)隨著有機肥施用量的增加小麥干物質量逐漸下降的規(guī)律,與CK相比均無顯著性差異(P<0.05)。河摻沙處理增加了小麥的干物質量,與CK相比無顯著性差異;肥沙配施處理均增加了小麥干物質量,且其值隨著有機肥施加量的增加而降低,其中,M1S處理小麥干物質量增幅程度最大,較CK增加14.28%,有顯著性差異(P<0.05)。

圖4 不同處理的小麥干物質量

3 討論

3.1 不同改良劑對土壤水分、鹽分的影響

本試驗研究發(fā)現(xiàn),有機肥處理與河沙處理均降低了0～<10 cm土層土壤含水率,增加了10～20 cm土層土壤含水率,這與周利穎等[[6]、El-Halim等[10]研究發(fā)現(xiàn)適當摻沙有助于土壤水分向下運動的結論一致。增大摻沙比可以提高土壤水分入滲性能,隨著摻沙比增大,入滲速率也在增大,其原因可能為有機肥與河沙均改變了土壤的物理結構,提高了土壤的入滲能力。有機肥也能改變土壤結構,有機肥通過促進形成土壤團粒結構來使土壤變得松軟。在0～20 cm土層,河沙與有機肥處理均增加了土壤含水率,且在有機肥施加條件下,表層摻沙對土壤含水率能力提升效果更為顯著,這表明肥沙配施處理能更好地提升鹽堿土壤的持水能力,這對缺水地區(qū)水資源高效利用具有重要意義,其中M1S處理效果最優(yōu)。

試驗結果表明,有機肥處理增加了0～20 cm土層的土壤含鹽量,這與劉媛媛等[18]研究發(fā)現(xiàn)施用有機肥顯著增加了鹽離子含量的結論相同,其原因可能為有機肥自身帶有大量鹽基離子,根據(jù)原子守恒原則,土壤含鹽量會進一步增加。河沙處理顯著降低了上層土壤含鹽量,提高了土壤脫鹽效率,有效促進了灌溉的水對上層土壤的淋洗,這與張宇航等[7]研究發(fā)現(xiàn)摻沙10%～20%的土壤脫鹽效果明顯的結論一致。摻沙能改變土壤顆粒組成,增加土壤有效孔隙度,加速土壤水分下滲,進而為鹽分運移提供動力,達到降低上層土壤含鹽量的效果。進一步比較有機肥處理、河沙處理和肥沙配施處理的脫鹽效果發(fā)現(xiàn),河沙處理的脫鹽效果優(yōu)于有機肥處理和肥沙配施處理,脫鹽效果最優(yōu),M1S處理脫鹽效果略低于河沙處理但優(yōu)于其余處理。

3.2 不同改良劑對土壤pH值和作物生長指標的影響

試驗結束時,河沙處理增加了土壤pH值,但與CK相比無顯著性差異(P<0.05),有機肥處理均降低了土壤的pH值,且pH值隨著有機肥施加量增加而降低,肥沙配施處理pH值均低于河沙處理,這表明施加有機肥能有效減輕土壤堿化程度,研究結果與李北齊等[19]發(fā)現(xiàn)施加的有機肥在土壤微生物及土壤酶活性的影響下,會在土壤中釋放大量有機酸使pH值降低的結論相符。其原因可能為有機肥含有豐富的腐植酸,其自身為弱酸性,在分解的過程中亦能產(chǎn)生大量酸性物質,因而能降低土壤pH值,起到中和鹽堿土pH值的作用。

本研究發(fā)現(xiàn),有機肥處理在試驗初期對小麥株高具有抑制作用,隨著試驗的進行,其對小麥生長的促進作用逐漸顯現(xiàn),在收獲期小麥株高和干物質量均高于CK,這表明施加有機肥雖然增加了土壤含鹽量,但整體對小麥生長有積極影響,這與李玉等[20]研究發(fā)現(xiàn)有機肥既能改變土壤理化性質,又能提高小麥產(chǎn)量的結論一致。在小麥整個生育期內,河沙處理與肥沙配施處理均增加了小麥株高和干物質量,且在施加有機肥條件下,摻沙對小麥生長指標的促進作用優(yōu)于未摻沙處理,這說明河沙能較好減輕鹽堿地對作物的鹽脅迫影響,其原因可能與河沙處理具有較好的脫鹽效果有關。通過進一步對比各改良劑對小麥生長指標的影響發(fā)現(xiàn),肥沙配施處理對小麥生長的促進作用優(yōu)于河沙處理和有機肥處理,其中M1S處理效果最好。

4 結論

1)各處理均增加了土壤入滲能力,提高了10～20 cm土層土壤含水率。河沙處理與有機肥處理均能提升0～20 cm土層土壤保水能力,肥沙配施處理對0～20 cm土層的土壤含水率提升幅度更為顯著,其中M1S處理含水率較CK增幅最大,增幅為9.47%。

2)除有機肥處理,其余處理均降低了0～20 cm土層土壤含鹽量,其中S處理脫鹽效果最優(yōu),M1S略低于S。

3)有機肥處理顯著降低了土壤的pH值,河沙處理增加了土壤pH值,但與CK相比無顯著性差異;肥沙配施處理對降低土壤pH值改良效果優(yōu)于河沙處理和有機肥處理,其中,M2S效果最優(yōu),M1S效果略遜于M2S。

4)試驗結束時,各處理均增加了小麥株高和干物質量,肥沙配施處理對小麥株高和干物質量的促進作用更為顯著;其中,M1S處理對小麥生長的促進作用最優(yōu)。

綜上所述,基于肥沙配施的M1S處理具有良好的保水脫鹽能力,同時對作物的株高和干物質量的促進作用最為顯著;因此,本研究中適合黃河三角洲地區(qū)鹽堿土的最佳改良方案為M1S(河沙15%+有機肥 5 t/hm2)。