不同改良劑配施對(duì)河套灌區(qū)堿化土壤理化性質(zhì)及枸杞生長(zhǎng)的影響

黃浦江,方 昭,余海龍,張峰舉,黃菊瑩

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院,寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院,寧夏 銀川 750021;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,陜西 楊凌712100;4.寧夏大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

鹽堿土是各種鹽土和堿土以及不同程度鹽化和堿化土壤的總稱(chēng)[1],其分布廣泛,是重要的后備土地資源[2]。目前我國(guó)鹽堿地面積約占世界鹽堿地總面積的10.4%,且主要分布在西北、華北、東北和沿海地區(qū)[3-4]。在我國(guó)人口增加、耕地減少的情況下,最大限度地開(kāi)發(fā)利用鹽堿地資源對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[5]。

長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者們一直致力于各種鹽堿地改良措施的研究[6-14],如采用明溝和暗溝排鹽[10-12]和深松改土等[9]物理措施進(jìn)行鹽堿地改良;應(yīng)用工、農(nóng)業(yè)廢棄物脫硫石膏[13, 15-16]或磷石膏[17]以及生物炭[6]等化學(xué)措施改良鹽堿土;以及通過(guò)種植或篩選耐鹽堿植物進(jìn)行生物降鹽改土實(shí)踐[9, 18]。其中,化學(xué)改良措施以其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、快速高效等特點(diǎn)備受環(huán)境治理領(lǐng)域?qū)W者們的關(guān)注。以往大多數(shù)研究采用單一改良劑進(jìn)行鹽堿地治理會(huì)存在諸多弊端,難以實(shí)現(xiàn)理想的改良效果[15-16, 19-21],如單施脫硫石膏雖然可以對(duì)土壤中鹽基離子起到置換作用,但不能完全解決堿化土壤“粘、板、瘦”等理化性質(zhì)所引起的作物生長(zhǎng)不良問(wèn)題[15-16, 20, 22]。近年來(lái),諸多學(xué)者也開(kāi)始探究多種改良劑組合配施的改良方式,這樣不僅可以解決大量廢棄物(如脫硫石膏,醋糟,生物炭等)的資源化處置問(wèn)題,同時(shí)還可以彌補(bǔ)施用單一改良劑的短板問(wèn)題。

寧夏河套灌區(qū)鹽堿地分布范圍廣,土壤pH值和堿化度高、質(zhì)地粘重,土壤肥力低。近年來(lái)在人為因素和自然因素綜合影響下,大量鹽堿荒地和低產(chǎn)鹽堿化面積不斷擴(kuò)大,致使生態(tài)環(huán)境惡化和可耕地面積減少,嚴(yán)重制約了該區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。枸杞(Lyciumchinense)作為我國(guó)西北地區(qū)主要經(jīng)濟(jì)及生態(tài)樹(shù)種之一,具有耐旱抗堿、耐沙荒貧瘠、綜合經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn),因此被大面積推廣種植,在促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展以及推動(dòng)地區(qū)脫貧等方面發(fā)揮了重要作用[23]。鑒于脫硫石膏和不同功能改良劑組合模式對(duì)堿化土壤的改良研究還相對(duì)較少,本研究以枸杞為供試材料,探討了利用當(dāng)?shù)厝济弘姀S廢棄物脫硫石膏配施不同功能改良劑對(duì)土壤鹽堿指標(biāo)、養(yǎng)分狀況以及枸杞農(nóng)藝性狀的影響,進(jìn)而篩選最優(yōu)改良組合方案,旨在為河套地區(qū)鹽堿地治理和恢復(fù)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)樣地位于寧夏平羅西大灘鹽堿地改良實(shí)驗(yàn)基地,地處河套灌區(qū)西南部(106°24′209″E,38°50′289″N),平均海拔約1 200 m,屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候:平均氣溫8.5 ℃;年平均降水量180 mm,且大多集中在7—9月;多年平均蒸發(fā)量1 755 mm,且在4—5月份時(shí)蒸發(fā)量最大。試驗(yàn)區(qū)地形平緩,坡度較小,常年地下水位1.5～2.0 m;地下水礦化度平均為3.25 g·L-1。研究區(qū)主要土壤類(lèi)型為龜裂堿土(俗稱(chēng)白僵土)。供試土壤為中度鹽化堿土,其理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)供試土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil properties of the test soils in the study area

1.2 供試材料

本試驗(yàn)供試枸杞品種為‘寧杞九號(hào)’,由寧夏農(nóng)林科學(xué)研究院提供。供試枸杞苗為兩年生幼苗,地徑約為0.8～1.0 cm,株高約為50～60 cm。改良劑(脫硫石膏、醋糟、菌肥、保水劑、微肥、誘抗素)來(lái)源及主要成分見(jiàn)表2。

1.3 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組排列,共包括7個(gè)處理:T1(不施用改良劑,對(duì)照);T2(脫硫石膏);T3(脫硫石膏+醋糟+菌肥);T4(脫硫石膏+菌肥);T5(脫硫石膏+醋糟+菌肥+保水劑);T6(脫硫石膏+微肥);T7(脫硫石膏+誘抗素)。每個(gè)處理設(shè)置4次重復(fù),共計(jì)28個(gè)小區(qū),各小區(qū)面積為40 m2(5 m × 8 m)。各小區(qū)間按照寬50 cm和高30 cm的規(guī)格打埂。不同組合處理下改良劑的最佳施用量參考該地區(qū)同類(lèi)相關(guān)研究[8, 20, 22, 24](表3),其中微肥為硼肥、鋅肥和鐵肥各45 kg·hm-2;誘抗素是將0.10% S-誘抗素水劑稀釋1 000倍后使用噴霧器對(duì)移栽后的枸杞植株莖葉進(jìn)行均勻噴施。

表3 不同改良劑組合配施下對(duì)應(yīng)的施用量Table 3 Applied amount under different modifier combinations

2013年5月11日進(jìn)行枸杞移栽,株行距為100 cm×200 cm,移栽前施入基肥:有機(jī)肥22.5 t·hm-2,N∶P2O5∶K2O配比為30∶15∶18。此后3年未施入任何改良劑,僅按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民施肥習(xí)慣在春季和秋季施用化肥。將不同改良劑和有機(jī)肥在整地時(shí)均勻撒施在各小區(qū)壟下,用旋耕機(jī)將其與耕層(0～25 cm)土壤充分混合均勻,然后灌水洗鹽,灌水量遵照當(dāng)?shù)厣a(chǎn)習(xí)慣確定,枸杞生育期內(nèi)不再進(jìn)行灌水。

1.4 樣品采集和測(cè)定方法

1.4.1 土壤指標(biāo)的測(cè)定 于2013—2016年每年8月中旬在每個(gè)小區(qū)用土鉆按“梅花形”采集0～20 cm和20～40 cm土壤樣品,重復(fù)4次。每層土樣均勻混合后過(guò)2 mm網(wǎng)篩分為兩部分:一部分直接用于pH值和電導(dǎo)率(EC)測(cè)定;另外一部分自然風(fēng)干后過(guò)1 mm網(wǎng)篩用于土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鹽含量、堿解氮、速效磷和速效鉀的測(cè)定。其中分別采用pH計(jì)法和電導(dǎo)率法測(cè)定土壤pH、EC和全鹽含量;土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量分別采用重鉻酸鉀外加熱法、凱氏定氮法、鉬銻抗比色法測(cè)定;土壤堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定;土壤速效磷含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3法測(cè)定;土壤鹽基離子Na+、Ca2+和Mg2+分別用火焰光度法和EDTA滴定法測(cè)定[25]。鈉吸附比(SAR)計(jì)算公式為:

1.4.2 枸杞生長(zhǎng)性狀指標(biāo)測(cè)定 2013—2016年,在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)統(tǒng)計(jì)枸杞成活數(shù)并計(jì)算成活率/保存率(2013年為成活率,2014—2016為保存率),然后在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選取3行,每行連續(xù)選5株用于測(cè)定枸杞株高和產(chǎn)量。枸杞成活率(%)=成活數(shù)/栽植數(shù)×100;保存率(%)=保存數(shù)/栽植當(dāng)年成活數(shù)×100;產(chǎn)量(kg·hm-2)=枸杞果實(shí)干質(zhì)量/種植面積。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理后,采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著性差異法(LSD)比較不同處理間枸杞農(nóng)藝性狀和土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的差異(顯著性水平為P<0.05),分析之前對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布和方差齊性檢驗(yàn);并用Pearson相關(guān)分析檢驗(yàn)枸杞農(nóng)藝性狀與土壤理化指標(biāo)之間的相關(guān)性,數(shù)據(jù)分析和繪圖分別在SPSS 22.0 和Origin 2021軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤pH值、全鹽及鈉吸附性比(SAR)的影響

不同改良措施對(duì)枸杞地土壤pH值和全鹽含量的影響如表4所示。4年間不同改良處理在一定程度上降低了枸杞地0～20 cm和20～40 cm土壤pH值和全鹽含量,其中2013年不同處理對(duì)兩個(gè)土層pH值和全鹽含量無(wú)顯著影響(P>0.05)。2014—2016年,不同處理下兩土層pH值和全鹽含量下降比例均以T4和T5處理最為顯著(2014年全鹽除外)。對(duì)于SAR而言,2013年不同處理使表層0～20 cmSAR較對(duì)照顯著下降,而對(duì)20～40 cmSAR影響較弱。經(jīng)過(guò)4年改良后,T2、T3、T4和T5處理下兩土層SAR較對(duì)照處理均顯著降低,其中下降比例以T5最多。

表4 不同處理對(duì)土壤pH、全鹽和SAR的影響(平均值,n=4)Table 4 Effects of different treatments on soil pH, total salt contents and sodium adsorption ratio (mean value, n=4)

2.2 不同處理對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮和全磷的影響

通過(guò)對(duì)枸杞試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)分析顯示(表5),不同處理均提高了不同土層有機(jī)碳含量,并且隨改良年限的延長(zhǎng),各處理下有機(jī)碳含量逐年增加,其中以2016年有機(jī)碳增加比例最大。與對(duì)照處理相比,2013—2016年不同處理對(duì)土壤全氮含量有一定的提升作用,其中不同處理下0～20 cm土壤全氮含量平均增加比例高于20～40 cm,T4、T5和T6處理在不同年份均表現(xiàn)出最高的增加比例。對(duì)于土壤全磷含量而言,除2015年0～20 cm和20～40 cm土壤全磷含量較對(duì)照有所降低外,其余年份不同處理下兩土層全磷含量均呈現(xiàn)微弱的增加趨勢(shì),其中T4處理顯著高于對(duì)照處理(P<0.05)。

表5 不同處理對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量的影響(平均值,n=4)/(g·kg-1)Table 5 Effects of different treatments on soil organic carbon, total nitrogen and total phosphorus contents (mean value,n=4)

2.3 不同處理對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響

對(duì)于土壤速效養(yǎng)分而言(表6),2013—2016年中不同處理對(duì)不同土層堿解氮含量有顯著提升作用,T5處理對(duì)0～20 cm(20～40 cm)土壤堿解氮含量提升作用最為明顯,與對(duì)照相比分別增加了23.43%(61.78%),218.67%(3.94%),23.70%(68.95%)和15.15%(33.97%)。不同處理對(duì)速效磷和速效鉀的影響隨配施功能改良劑種類(lèi)不同而異,整體對(duì)表層0～20 cm速效磷和速效鉀含量有一定的提升作用,而對(duì)20～40 cm土壤速效磷和速效鉀含量影響較弱或不存在一致的規(guī)律性變化。

表6 不同處理對(duì)土壤速效養(yǎng)分含量的影響(平均值,n=4)/(mg·kg-1)Table 6 Effects of different treatments on the content of available nutrients in soil (mean value, n=4)

2.4 不同處理對(duì)枸杞農(nóng)藝性狀的影響

從不同改良年限來(lái)看,2013—2016年不同處理使枸杞成活率/保存率較對(duì)照分別提高了6.8%～32.7%,19.9%～46.7%,18.71%～41.11%和18.76%～37.31%(圖1)。隨改良年限的延長(zhǎng),各處理下枸杞存活率/保存率有所降低;不同改良處理下枸杞株高較對(duì)照處理均有明顯增加,并隨改良時(shí)間的延長(zhǎng)而逐年增大。2014、2015和2016年枸杞株高分別比2013年平均增加68.2%、76.3%和77.6%。對(duì)于枸杞產(chǎn)量而言,不同處理下枸杞產(chǎn)量隨改良年限呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢(shì),其中以2015年枸杞產(chǎn)量增幅最大,相較對(duì)照平均增加610.7%。另外,2013—2016年改良過(guò)程中枸杞存活率/保存率、株高和產(chǎn)量均以T5處理(脫硫石膏+醋糟+菌肥+保水劑)最大。

注:不同小寫(xiě)字母表示同一年份處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters mean significant differences between treatments in the same year (P<0.05).圖1 不同處理對(duì)枸杞成活率/保存率、株高和產(chǎn)量的影響Fig.1 Effects of different treatments on the survival rate/ preservation rate, plant height and yield of Lycium chinensis

2.5 不同改良措施下枸杞農(nóng)藝性狀的影響因素分析

不同處理下枸杞農(nóng)藝性狀與土壤和氣候因子間的相關(guān)分析結(jié)果表明(圖2),不同土壤理化性質(zhì)指標(biāo)對(duì)枸杞農(nóng)藝性狀(成活率、株高和產(chǎn)量)的影響不同。具體而言,枸杞成活率主要與0～20 cm土層全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,而與0～20 cm土層pH值呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。對(duì)于株高和產(chǎn)量而言,二者與不同土層有機(jī)碳、堿解氮和速效鉀含量呈較強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),但與0～20 cm土層pH值以及兩土層全鹽含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。相比之下,年均氣溫與枸杞株高和產(chǎn)量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),年均降水量與株高和產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),而二者對(duì)枸杞成活率/保存率的影響均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。

注 Note:*: P≤0.05;**: P≤0.01;***: P≤0.001.圖2 枸杞農(nóng)藝性狀與環(huán)境因子間的相關(guān)分析Fig.2 Correlation analysis between agronomic traits of Lycium chinense and environmental factors

3 討 論

與以往施用單一改良劑研究不同,本研究針對(duì)寧夏河套灌區(qū)堿化土壤特性,將脫硫石膏廢棄物與不同功能改良劑組合配施,發(fā)現(xiàn)不同改良劑組合配施一定程度上降低了土壤pH值和全鹽含量;改良初期,由于不同組合改良劑施入時(shí)間較短,2013年各處理土壤pH值和全鹽含量下降程度均未達(dá)到顯著差異(P>0.05);隨著改良年限增加,改良后期(2014—2016年)較對(duì)照處理均顯著下降。分析認(rèn)為,研究區(qū)土壤本身的堿化環(huán)境具有一定的酸緩沖能力;另一方面各組合處理中醋糟和脫硫石膏作為偏酸性廢棄物,在中和土壤pH值和降低堿化度方面具有調(diào)節(jié)作用,而且醋糟和石膏配施也可能會(huì)增加石膏的溶解量,進(jìn)而提升Na+置換能力,從而增加脫硫石膏降堿抑鹽的效果。隨著改良年限增加,土壤鹽基組分逐漸被改變并減少了單鹽毒害的發(fā)生。但對(duì)于降鹽方面,脫硫石膏本身作為一種鹽,長(zhǎng)期施用或者管理不善都有可能導(dǎo)致土壤全鹽含量增加[22],因此不同堿化土壤改良也需要嚴(yán)格控制脫硫石膏的施用量。鈉吸附性比是衡量土壤鹽堿化程度的重要指標(biāo),經(jīng)過(guò)4年改良試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不同改良劑組合處理下土壤鈉吸附比均有所降低,其中以T2、T3和T4處理下降程度最為顯著,而T6和T7處理較對(duì)照下降程度較小。這主要是一方面脫硫石膏本身含有大量Ca2+、Mg2+類(lèi)化合物,土壤中Ca2+、Mg2+離子濃度的增加會(huì)引起SAR降低;另外醋糟和菌肥的配施不僅為土壤中提供了大量有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分元素,同時(shí)也引入大量有益微生物,促進(jìn)了養(yǎng)分釋放速率[21,24,27]以及團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,對(duì)于降鹽改土也起到很好的效果;而微量元素和誘抗素與脫硫石膏的配施對(duì)于鈉吸附比起到降低作用不太顯著甚至可能有負(fù)面影響。

土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷以及速效養(yǎng)分是評(píng)估耕地質(zhì)量高低的重要指標(biāo)。不同改良劑組合配施對(duì)0～20 cm土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮含量的提升作用優(yōu)于20～40 cm,且其影響程度隨改良年限推移而逐漸增強(qiáng);而對(duì)于土壤全磷、速效磷、速效鉀含量促進(jìn)作用整體較弱或不存在一致的規(guī)律性變化。一般而言,單施脫硫石膏對(duì)土壤肥力的改善作用有限,不能很好的解決堿化土壤“粘、板、瘦”等不良性質(zhì)[8]。本研究中發(fā)現(xiàn)脫硫石膏與不同功能改良劑配施一定程度上可以彌補(bǔ)上述缺陷。幾種組合改良劑型間,以T5處理對(duì)不同土層有機(jī)碳、全氮、堿解氮含量等肥力指標(biāo)提升作用最為明顯。這主要是因?yàn)門(mén)5處理中醋糟為養(yǎng)分貧瘠的土壤補(bǔ)充了大量的有機(jī)質(zhì)和微量元素,同時(shí)微生物菌肥的施加增加了土壤微生物數(shù)量和相關(guān)代謝酶活性,使得鹽堿土壤速效養(yǎng)分和有機(jī)碳等含量隨改良年限增加而增加,這與大多數(shù)改良劑與菌肥配施試驗(yàn)結(jié)果較為一致[28-29];此外,由于研究區(qū)常年干旱少雨、蒸發(fā)量大,保水劑的配施一定程度上可以降低水分蒸發(fā)和提高土壤含水量,這對(duì)于提高干旱地區(qū)作物抗旱保水能力和增產(chǎn)增收方面具有較為廣闊的應(yīng)用前景[30-31]。

本研究相關(guān)分析結(jié)果顯示,枸杞成活率主要與表層全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。對(duì)于株高和產(chǎn)量而言,二者與不同土層有機(jī)碳、堿解氮和速效鉀含量呈較強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),但與0～20 cm土壤pH值以及兩土層全鹽含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。幾種改良劑組合配施對(duì)枸杞成活率、株高和產(chǎn)量的提升作用主要是通過(guò)增加土壤有機(jī)碳、速效鉀、堿解氮含量以及營(yíng)造適宜于枸杞正常生長(zhǎng)發(fā)育的pH值和全鹽環(huán)境實(shí)現(xiàn)的。此外,研究區(qū)的氣候條件(溫度和降水)對(duì)枸杞的植株生長(zhǎng)和產(chǎn)量提高也存在重要影響,因而在枸杞生長(zhǎng)發(fā)育期內(nèi)保證適宜的溫度和水分供應(yīng)才能實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益。水分和微量元素對(duì)枸杞果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育、外觀、色澤也有重要影響,不同改良措施中保水劑、微肥和醋糟的配施一定程度上保證了枸杞對(duì)水分和微量元素的生長(zhǎng)需求。鹽堿地微量元素含量其實(shí)并不低,但大多都被土壤固定難以釋放出來(lái),因此適當(dāng)?shù)卦黾油寥牢⒘吭貙?duì)于鹽堿地枸杞產(chǎn)量和品質(zhì)也具有較大影響。大多數(shù)鹽堿地由于灌溉、長(zhǎng)期洗鹽等措施導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)普遍含量偏低,而醋糟作為有機(jī)副產(chǎn)物,與脫硫石膏配合添加一定程度上增加了土壤中有機(jī)質(zhì)含量,從而提高了枸杞產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。綜合對(duì)比不同改良措施前后土壤鹽堿指標(biāo)、養(yǎng)分狀況以及枸杞農(nóng)藝性狀,其中脫硫石膏+醋糟+菌肥+保水劑組合改良效果最佳。此外,鑒于本研究數(shù)據(jù)相對(duì)陳舊,因此還需進(jìn)行長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),深入探討不同改良措施下的長(zhǎng)期治理效果,以便為河套地區(qū)同類(lèi)型鹽堿地的生態(tài)治理提供更為精準(zhǔn)的理論依據(jù)和推廣示范效果。

4 結(jié) 論

2013—2016年試驗(yàn)及綜合數(shù)據(jù)分析表明,不同改良劑組合配施有助于提高土壤有機(jī)碳、全氮和速效養(yǎng)分,降低pH值、SAR和全鹽含量,促進(jìn)了枸杞生長(zhǎng)發(fā)育,其組合配施效果整體優(yōu)于單施脫硫石膏,并且影響程度隨改良年限推移而逐漸增強(qiáng);枸杞農(nóng)藝性狀指標(biāo)主要與有機(jī)碳、堿解氮、速效鉀含量和年均降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,而與pH值、全鹽和年均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。不同改良劑組合型間,脫硫石膏+醋糟+菌肥+保水劑配施在增加土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量、降堿抑鹽和實(shí)現(xiàn)枸杞增產(chǎn)增收方面效果顯著,今后的實(shí)際推廣應(yīng)用中還需綜合考慮其經(jīng)濟(jì)成本和應(yīng)用效果,最終確定最佳的改良方案。