廖 栩，楊 帆，王志春，管清杰，何明良，安豐華，楊洪濤,5，趙丹丹,5，朱文東,5

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所， 吉林 長春130102；2.航天凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，湖南 長沙 410000；3.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150040；4.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081；5.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

東北松嫩平原是蘇打鹽漬土集中分布區(qū)之一，受鹽漬化影響的土地面積超過373萬hm2[1-2]。蘇打鹽漬土是一種高度退化和低產(chǎn)的土壤，土壤膠體吸附的大量Na+，致使土壤pH增加，堿化度升高，土壤團聚體崩解，黏粒分散阻塞孔隙[3-5]，土壤導(dǎo)水能力降低，造成土壤脫鹽困難，影響作物生長發(fā)育[6-7]。

成功改良鹽漬土需要兩個過程：(1)提供高價陽離子以替換土壤交換位置的Na+，促進土壤黏粒絮凝；(2)通過淋洗將鹽分從土壤中排出[8]。脫硫石膏被認為是土壤中Ca2+的重要來源，能增加土壤溶液電解質(zhì)濃度，減少交換性Na+含量，從而改善土壤物理性質(zhì)[9]。另一方面，添加有機物料也是一種修復(fù)鹽漬土的方法，它們能促進蘇打鹽漬土團聚體的形成和鹽分淋洗[10-11]。而淋洗是改良鹽漬土另一個重要過程，通過溶解土壤中可溶性鹽，從土壤中將鹽分除去[12]，從而改良鹽漬土。崔媛等人研究表明，脫硫石膏可以有效提高蘇打鹽化土的導(dǎo)水能力[13]。而秸稈還田可以改善土壤養(yǎng)分的供應(yīng)，降低土壤容重、改善土壤的孔隙狀況[14-15]。采用脫硫石膏改良蘇打鹽漬土雖然改善土壤導(dǎo)水性，但缺少作物所需營養(yǎng)物質(zhì)；而秸稈這種有機質(zhì)難以分解，改良過程漫長，而將兩種改良物質(zhì)結(jié)合改良蘇打鹽漬土的應(yīng)用研究還鮮有報道。以往鹽堿地改良研究多集中于改良物質(zhì)添加后對土壤鹽堿的影響，對改良后土壤導(dǎo)水性的研究較少[16]，而且較少考慮水分淋洗過程中鹽分脫離根層的過程變化以及淋洗過程中土壤溶液離子的量化研究。本文針對松嫩平原蘇打鹽漬土，通過脫硫石膏和腐解秸稈改良蘇打鹽漬土的方法與淋洗方式相結(jié)合，利用室內(nèi)土柱模擬試驗，研究改良物質(zhì)添加對土壤導(dǎo)水性的影響以及淋洗脫鹽過程變化，為蘇打鹽漬土改良利用提供基礎(chǔ)理論。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自吉林省白城市(N44°13′57″～46°18′，E121°38″～121°22′)，該區(qū)域?qū)儆诎霛駶?、半干旱溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年平均溫度為5.1 ℃，年均降水量介于300～500 mm，降雨主要集中在5-9月份。該地區(qū)年均蒸發(fā)量約為1 500～1 900 mm，蒸發(fā)量遠大于降雨量[17-18]。取土深度為0～50 cm，供試土壤為蘇打鹽漬土，理化性質(zhì)見表1。脫硫石膏取自吉林省白城市熱電廠，其理化性質(zhì)列于表2，本試驗脫硫石膏重金屬含量遠低于國標農(nóng)用污泥控制標準(GB 4284-2018)。腐解秸稈為玉米腐解秸稈，取自吉林公主嶺，自然堆垛腐熟2年，腐解率48%，水分21%，有機質(zhì)15%，腐殖酸9%。

表1 供試土壤的基本性質(zhì)Table 1 Basic soil properties in the experiment

表2 脫硫石膏主要成分和重金屬含量Table 2 Main desulfurized gypsum components in the experiment

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 實驗裝置。土柱使用有機玻璃材質(zhì)制成，土柱直徑為5 cm，高為25 cm。距離頂部2.5 cm處設(shè)有進水口，為試驗淋洗液的入口；土柱底部設(shè)有進出水口(圖1)，進水口為使土壤飽和所需的水分入口，出水口為土壤淋出液的水分出口。

1.2.2 試驗設(shè)計。試驗在中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所(長春)溫室中進行。風(fēng)干的土樣、腐解秸稈和脫硫石膏均粉碎，過2 mm篩分別混合均勻。土柱內(nèi)先放置于內(nèi)徑一致的滲濾孔板，上面加2 cm厚石英砂作為反濾層，土壤填裝高度為15 cm，容重為1.3 g·cm-3，各處理管理措施一致。淋洗試驗共設(shè)置4個處理，對照(CK)：無改良處理；腐解秸稈改良(CS)：土壤參混量32 g·kg-1；脫硫石膏改良(G)：土壤參混量16 g·kg-1；腐解秸稈和脫硫石膏混合改良(CSG)：土壤參混量32 g·kg-1腐解秸稈和16 g·kg-1脫硫石膏。每處理重復(fù)3次，按照試驗處理將各改良劑與供試土壤混合均勻，試驗進行了80 d。淋洗液為溫室中自來水，其化學(xué)性質(zhì)見表3。

表3 淋洗液的化學(xué)組成Table 3 The chemical compositions of leachate solution

將馬氏瓶與土柱底端相連接，先從底部進行潤濕。待飽和后，將馬氏瓶與上端進水口相連，保持土壤上方3.5 cm恒定水頭對土柱進行淋洗，淋洗體積為5倍土壤孔徑體積(PV)[19]，土柱下端放置燒杯收集淋出液，分析鹽堿指標，記錄每1PV(150 ml)所需時間。淋洗完成后，收集土樣進行測試。飽和導(dǎo)水率的計算使用Darcy′s等式：

式中：KS是飽和導(dǎo)水率(cm·s-1)；Q是流出液的流量(ml)；A是滲透的橫截面積(cm2)；t是滲透時間(s)；L是土柱長度(cm)；H是恒定水頭高度(cm)。

1.3 測定指標與方法

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用DPS 7.05對數(shù)據(jù)進行分析，采用單因素試驗統(tǒng)計分析方法對各個試驗處理進行差異顯著性檢驗，Origin 8.5繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改良處理對土壤物理性質(zhì)的影響

各處理濕潤峰均表現(xiàn)為前期快速后期緩慢的上升的趨勢(圖2A)。統(tǒng)計分析表明，其速率大小順序為：G > CSG > CS > CK，其平均入滲速率分別為：15 cm·h-1、9 cm·h-1、0.312 cm·h-1和0.288 cm·h-1。脫硫石膏單獨使用(G)以及與腐解秸稈復(fù)合(CSG)使用的入滲速度較快，分別是對照組的52.0倍和31.2倍。與對照相比，腐解秸稈能促進土壤水分入滲，但其效果不明顯，僅提高了8.3%。

不同處理對土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)的影響差異顯著(圖2B，2C)。腐解秸稈處理(CS)在淋洗過程中飽和導(dǎo)水率隨著淋洗液體積的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，其他改良處理土壤Ks隨著淋洗液體積的增加呈增加趨勢。統(tǒng)計結(jié)果表明，各種處理在淋洗期間的Ks大小順序為：G >CSG >CK >CS，其Ks值分別為11.6、7.46、0.11和0.10 cm·h-1。脫硫石膏單獨(G)和復(fù)合使用(CSG)的Ks分別是對照組的99倍和63.5倍。

不同處理對土壤含水率的影響較大(圖2D)。CK、CS、G以及CSG土壤含水率分別為36.7%、41.6%、31.7%和35.0%。脫硫石膏處理(G)和復(fù)合處理(CSG)土壤含水率顯著低于腐解秸稈處理(CS)(P<0.05)。

2.2 不同處理淋出液化學(xué)性質(zhì)動態(tài)變化

淋洗過程中各處理的淋出液EC的曲線見圖3A。所有處理淋出液EC均在2PV時達到高點，各改良處理淋出液EC均高于對照組，CSG處理組的淋出液EC最高，隨后依次是G、CS和CK。隨著淋洗體積的增加，淋出液EC值逐漸減小。

隨著淋洗體積的變化，對照組和腐解秸稈處理(CS)淋出液pH值均先上升后下降，其峰值分別為9.29和9.33(圖3B)。而脫硫石膏處理(G)和復(fù)合處理(CSG)淋出液pH先上升，隨后逐漸穩(wěn)定，數(shù)值在介于8.2 ～ 8.5。脫硫石膏處理(G)和復(fù)合處理(CSG)淋出液pH在5個PV體積均低于腐解秸稈處理(CS)和對照組(CK)。各處理淋出液總堿度的變化趨勢與其淋出液pH一致。

復(fù)合處理(CSG)淋出液累計鈣鎂離子總量顯著高于其他處理(P<0.05，圖3D)。腐解秸稈(CS)、脫硫石膏(G)和復(fù)合使用處理(CSG)累計鈣鎂離子總量分別是對照處理(CK)的12.4倍、27.6倍以及34倍。

各改良處理淋出液累積鈉離子量均高于對照組(圖3E)。與腐解秸稈單獨處理(CS)相比，在腐解秸稈中添加脫硫石膏能增加淋出液Na+累積量，而復(fù)合處理相比單獨使用脫硫石膏淋出液鈉離子累積量要低12.7%。脫硫石膏處理(G)、復(fù)合處理(CSG)和腐解秸稈處理(CS)淋出液Na+累積量相比對照組(CK)分別高27.4%、13.1%和8.7%。并且，脫硫石膏處理(G)和復(fù)合處理(CSG)鈉離子淋出時間顯著減少(P<0.05)(圖3F)。與對照組相比，腐解秸稈單獨處理的土壤在較長的時間內(nèi)流失較少的Na+，但在70 d后腐解秸稈處理組Na+流失速率顯著上升。

2.3 不同處理對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

淋洗后，各處理的土壤EC均較初始EC顯著降低(P<0.05)，平均降低率為76%。而改良處理土壤EC與對照組相比差異不顯著(圖4)。

淋洗前后不同處理土壤可溶性Na+含量和鈣鎂離子含量差異顯著(表4)。淋洗后，各處理土壤可溶性Na+較初始含量均顯著下降(P<0.05)，CK、CS、G和CSG分別下降70.7%、88.4%、73.8%和73.1%。各改良處理土壤可溶性Na+均顯著低于對照組(P<0.05)，含有石膏的兩個處理之間沒有差異，腐解秸稈處理土壤可溶性Na+含量最低。各個改良處理土壤中鈣鎂離子含量較初始值均有顯著增加，CS、G和CSG分別增加110%、118%和141%，而對照組較初始值下降23%。

表4 不同處理土壤可溶性Ca2+、Mg2+和Na+含量變化 Table 4 Changes of soil soluble Ca2+,Mg2+ and Na+ with different treatments before and after leaching

改良前，土壤初始SAR值為5.24。淋洗后各處理SAR均顯著減少(P<0.05)，并且所有改良處理土壤SAR均顯著低于對照組(P<0.05)。含有脫硫石膏的處理之間差異不顯著。不同處理對SAR的降低率不同，范圍為從66%到92%，依次為腐解秸稈(CS)>腐解秸稈+脫硫石膏(CGS)>脫硫石膏(G)>對照(CK)(圖5)。

3 討 論

不同改良措施可改善鹽漬土理化性質(zhì)，進而影響土壤水力學(xué)特性。本研究發(fā)現(xiàn)，所有改良處理均能提高鹽漬土入滲速率，而腐解秸稈處理土壤滲速率提高較少，僅提高8.3%，這與王珍等人[20]的研究結(jié)果一致。這可能是由于粉碎的秸稈含水量低，在飽和過程中吸水，從而改善了土壤入滲。另外，本研究中發(fā)現(xiàn)對照組飽和導(dǎo)水率(Ks)在淋洗過程中上升，這是因為鹽漬土中交換性Na+被淋洗出來所導(dǎo)致。而腐解秸稈處理在淋洗過程中，導(dǎo)水率先下降，在70 d后上升，這可能是腐解秸稈顆粒吸水體積變大，堵塞孔隙導(dǎo)致導(dǎo)水率下降；隨著淋洗時間的增加，腐解秸稈被降解成腐殖酸，微生物活性提高，促進團聚體的形成[21]，導(dǎo)水率隨之上升。脫硫石膏處理為土壤溶液提供了Ca2+，能夠代換出土壤膠體中吸附的鈉離子，促進土壤粘粒絮凝，因此增加了土壤飽和導(dǎo)水率[22-23]。

根據(jù)淋出液的化學(xué)性質(zhì)結(jié)果，本研究發(fā)現(xiàn)各改良處理淋出液EC均在2PV時到達最高點，這是由于土柱最初是從底部飽和，可溶性鹽隨著濕潤鋒向土柱上部移動。因此，該土柱內(nèi)鹽漬土在其剖面上的鹽分濃度分布不均勻，隨著淋洗的發(fā)生，鹽分隨水向土柱下部移動。則在1PV時淋出液鹽分濃度較低，隨后由于累積的鹽分從剖面頂部向下移動而增加了淋出液的濃度。隨著淋洗體積的增加，EC繼續(xù)降低，直到淋溶的EC與土壤溶液達到平衡為止[19]。該研究結(jié)果與Jalali等[21]與Chaganti[19]的研究一致，其發(fā)現(xiàn)施加有機改良于退化土壤中，在淋洗初期，淋出液EC增加。本研究中復(fù)合處理和腐解秸稈處理鈉離子淋出量相比對照組分別高19.0%和8.5%。這是因為脫硫石膏中Ca2+提高了代換出鹽漬土中交換性Na+的交換速率[20]，從而使土壤在脫硫石膏和腐解秸稈的共同作用下，向溶液中釋放出更多的Na+。在其他研究中，用各種改良劑處理鹽堿土?xí)r也觀察到類似的鈉淋洗結(jié)果[20,24-27]。

本研究中各處理土壤EC均減小，這是淋洗除鹽的結(jié)果。但各個改良處理土壤EC均高于對照，這些結(jié)果與Chaganti[19]研究指出淋洗后加入脫硫石膏等改良劑的土壤EC低于無處理結(jié)果相反。這可能因為淋洗時間較短，脫硫石膏溶解所產(chǎn)生的鈣離子沒有完全被淋洗出來。另一方面，有機質(zhì)長時間腐解，產(chǎn)生腐殖酸等，這對土壤礦物質(zhì)有一定的溶解能力，促進礦質(zhì)風(fēng)化，有利于二價陽離子的釋放。本研究中發(fā)現(xiàn)淋洗后各改良處理均顯著降低鹽漬土SAR，這與Chaganti[19]和Shaaban等[28]的研究結(jié)果一致，其發(fā)現(xiàn)經(jīng)脫硫石膏和有機改良劑改良的土壤在淋洗后，SAR顯著減少。這可能是腐解秸稈經(jīng)長時間淋洗，降解成腐殖酸，腐殖酸中含有多種官能團，這些官能團具有生物與化學(xué)活性，賦予腐殖酸很強的離子交換能力，使其在蘇打鹽漬土的改良過程中，能夠吸附部分游離的鈉離子[21]。

4 結(jié) 論

(1)脫硫石膏和腐解秸稈添加改善鹽堿地土壤物理性質(zhì)得到改善。改良處理能提高土壤入滲速率；含脫硫石膏處理顯著提高土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)，而在短時間內(nèi)，腐解秸稈處理不能改善土壤導(dǎo)水性，在70 d后才提高土壤導(dǎo)水率；腐解秸稈處理土壤含水率最高，材料保水性好。

(2)脫硫石膏和腐解秸稈改良后鹽堿地土壤的淋出液化學(xué)性質(zhì)顯著不同。各改良處理淋出液中鈣鎂離子較對照含量高，表明改良材料對土壤溶液能提供大量的二價陽離子；脫硫石膏和復(fù)合施用較對照能淋洗出更多鈉離子。

(3)脫硫石膏和腐解秸稈改良降低鹽堿地土壤鹽堿指標。淋洗后，脫硫石膏和復(fù)合處理可溶性鈉離子較對照顯著降低，各改良處理土壤可溶性鈣鎂離子較對照組顯著增加；各個改良處理的土壤SAR也較對照顯著降低。