于曉東,郭新送,陳士更,張麗,范仲卿,丁方軍,3
(1農(nóng)業(yè)農(nóng)村部腐植酸類肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東泰安 271600;2山東省腐植酸高效利用示范工程技術(shù)研究中心/山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司,山東泰安 271600;3土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室(泰安),山東泰安 271600;4肥城市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,山東泰安 271600)
土壤鹽漬化是制約土地生產(chǎn)力和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的全球性環(huán)境問(wèn)題[1],全世界鹽堿地面積約為9.55×108hm2,中國(guó)約有9.91×107hm2[2]。鹽堿土具有含鹽量高、pH高、土壤結(jié)構(gòu)差等不良理化性質(zhì)[3-4],嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量和品質(zhì),甚至造成植物死亡[5-7]。
改良鹽堿土的主要方法有物理、化學(xué)、生物改良[8-9]。物理改良是通過(guò)水利措施,高灌低排、壓鹽排堿。該措施一是需要地下水位低、具有完備的排堿排鹽系統(tǒng)、不易反鹽;二是工程量大,適用規(guī)模較小。石灰類改良劑能夠降低土壤全鹽含量和pH[10],是一種應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)、應(yīng)用最廣的化學(xué)改良法,但長(zhǎng)期使用可能導(dǎo)致土壤板結(jié)[11]。有機(jī)物料是公認(rèn)的用于改良土壤的物料,其中使用較多的是秸稈、有機(jī)肥及生物炭,秸稈及有機(jī)肥施用量大,效果良莠不齊,而生物炭作為生物改良劑,除了價(jià)格昂貴以外,還可能造成土壤次生污染[12]。
近年來(lái),以腐植酸為基礎(chǔ)物料的調(diào)理劑研發(fā)與應(yīng)用較多,作為腐植酸土壤調(diào)理劑,一方面其添加的腐植酸物質(zhì),施入土壤以后可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,形成弱酸緩沖體系,維持土壤酸堿平衡,改善土壤理化性狀[13-14];另一方面,添加了鈣、鎂、硅等礦物成分,對(duì)提高土壤陽(yáng)離子交換量、降低鹽堿化程度具有重要作用。為探究黃河三角洲鹽堿土腐植酸土壤調(diào)理劑的最佳用量,本研究對(duì)比不同用量的腐植酸土壤調(diào)理劑與常規(guī)肥料配伍對(duì)鹽堿土壤的改良效果,以期為腐植酸土壤調(diào)理劑的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)與實(shí)踐支撐。
研究田間試驗(yàn)于2016 年10 月—2019 年6 月在德州市德城區(qū)天衢辦事處二屯村進(jìn)行。試驗(yàn)地位于北緯37°27′,東經(jīng)116°18′56″。該地區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候,年均氣溫13.1℃,年均光照2660 h、光照率61%,年均降水556.2 mm,無(wú)霜期204天。
室內(nèi)試驗(yàn)于2017年6月—2019年6月在山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司進(jìn)行。
1.2.1 供試土壤土壤類型為鹽堿化土壤,表層質(zhì)地為潮壤土,肥力均勻,排灌條件良好。0~20 cm供試土壤基本理化性狀,見(jiàn)表1。
1.2.2 供試作物供試作物為小麥,品種為‘濟(jì)麥22’,播種量為150 kg/hm2。2016年種植日期為10月20日,2017 年種植日期為10 月13 日,2018 年種植日期為10月15 日,收獲日期分別為2017 年6 月14 日、2018 年6月7日、2019年6月10日。
1.2.3 供試肥料常規(guī)復(fù)混肥(N-P2O5-K2O為16-21-5),腐植酸土壤調(diào)理劑(CaO 含量18.0%,SiO2含量6.0%,MgO 含量5.0%,S 含量6.0%,HA 含量6%,pH 5.0~8.0)。以上肥料均由山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司提供。
1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)5 個(gè)處理(見(jiàn)表2),每個(gè)處理50 m2,3次重復(fù)。
試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行3 年,土壤調(diào)理劑與常規(guī)施肥時(shí)間一致,一次性基施。施肥時(shí)間為2016 年10 月15 日、2017 年10 月7 日、2018 年10 月11 日。各小區(qū)除施肥處理不同外,試驗(yàn)期間采取的其他農(nóng)藝措施和田間管理措施,諸如澆水、劃鋤、防病、除草等實(shí)施水平嚴(yán)格一致。
1.3.2 樣品采集與測(cè)定在每一季小麥?zhǔn)斋@時(shí),按照5點(diǎn)混合取樣法采集各個(gè)小區(qū)0~20 cm土壤樣品。參照《土壤農(nóng)化分析(第三版)》[15],測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、堿化度、pH、土壤全鹽含量、鈉離子、氯離子等指標(biāo)。
表1 供試土壤基本理化性狀
表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
小麥測(cè)產(chǎn)方法:在小麥?zhǔn)斋@時(shí),以小區(qū)為單位,在小區(qū)中間部位量取1 m2區(qū)域測(cè)定穗數(shù);隨機(jī)抽取100穗調(diào)查穗粒數(shù);收獲1 m2籽粒經(jīng)自然風(fēng)干,測(cè)定籽粒含水量后,折合成公頃產(chǎn)量,并測(cè)定千粒重。
1.3.3 試驗(yàn)儀器 恒溫?cái)?shù)顯油浴鍋(HH-S 型,江蘇,0.1℃)、分光光度計(jì)(754 型,上海,0.001)、火焰光度計(jì)(FP6410型,上海,0.1)、pH計(jì)(PHS-3C,杭州,0.01)、往復(fù)式振蕩機(jī)(SHZ-82A,常州,0.1℃)、鼓風(fēng)干燥箱(FXB101-1,上海,1℃)。
1.3.4 統(tǒng)計(jì)分析田間調(diào)查和室內(nèi)測(cè)定數(shù)據(jù)采用Excel和SAS 程序軟件(SAS 9.3,2012)進(jìn)行計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析與繪圖,采用Duncan 差異顯著性檢驗(yàn),分析不同處理間的顯著性(P<0.05)水平。
經(jīng)過(guò)連續(xù)3 年的田間小區(qū)試驗(yàn),試驗(yàn)前與試驗(yàn)后相比,各處理的土壤有機(jī)質(zhì)有一定的變化幅度,連續(xù)施用腐植酸土壤調(diào)理劑的土壤有機(jī)質(zhì)顯著高于常規(guī)施肥的土壤有機(jī)質(zhì),且有機(jī)質(zhì)含量呈升高趨勢(shì),到2019 年施用腐植酸土壤調(diào)理劑的小區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)較常規(guī)施肥提升3.8%~5.0%。不同用量腐植酸土壤調(diào)理劑對(duì)有機(jī)質(zhì)含量的影響不顯著(見(jiàn)表3)。到2019 年,施用腐植酸土壤調(diào)理劑與常規(guī)施肥相比能夠顯提高堿解氮、有效磷、速效鉀的含量,增幅分別為8.6%~12.0%、16.4%~29.2%、27.3%~30.7%。
不同用量腐植酸土壤調(diào)理劑處理的土壤堿解氮、速效鉀含量差異不顯著,有效磷的含量差異顯著且隨腐植酸土壤調(diào)理劑用量的增加而增加。
2.2.1 腐植酸土壤調(diào)理劑對(duì)土壤pH 的影響在鹽堿地上施用腐植酸土壤調(diào)理劑能降低土壤pH(見(jiàn)表4)。第一季小麥?zhǔn)斋@后,施用腐植酸土壤調(diào)理劑的土壤pH較未施用土壤調(diào)理劑處理降低0.10~0.29 個(gè)單位。不同腐植酸土壤調(diào)理劑施用量之間,以3000 kg/hm2施用量處理的土壤pH 降低幅度較大,顯著大于2250、1500 kg/hm2用量處理。第二季小麥?zhǔn)斋@后,施用腐植酸土壤調(diào)理劑處理的土壤pH 較2017 年有小幅降低;同時(shí),在本年度,較未施用土壤調(diào)理劑處理,土壤pH降低0.30~0.43 個(gè)單位。不同土壤調(diào)理劑用量間的土壤pH差異不顯著。在第三季小麥?zhǔn)斋@后的土壤pH變化基本同第二季一致,即施用土壤調(diào)理劑就能改善土壤的堿化程度,以2250~3000 kg/hm2用量較為適宜。
表3 不同處理的土壤化學(xué)指標(biāo)
表4 不同處理的土壤pH
2.2.2 腐植酸土壤調(diào)理劑對(duì)土壤堿化度的影響一般把堿化度>20%定為堿土,5%~20%定為堿化土。本試驗(yàn)過(guò)程中土壤一直處于堿化土狀態(tài),但施用土壤調(diào)理劑處理能減輕土壤堿化程度(見(jiàn)表5)。
表5 不同處理的土壤堿化度%
第一季小麥?zhǔn)斋@后,施用腐植酸土壤調(diào)理劑的土壤堿化度較未施用土壤調(diào)理劑處理降低2.1%~20.1%。不同腐植酸土壤調(diào)理劑施用量之間,以2250、3000 kg/hm2施用量處理的土壤堿化度降低幅度較大,顯著大于1500 kg/hm2用量處理。第二季小麥?zhǔn)斋@后,施用腐植酸土壤調(diào)理劑處理的土壤堿化度較2015年有小幅降低;同時(shí),在本年度,與未施用土壤調(diào)理劑處理相比,土壤堿化度降低6.1%~16.2%,不同腐植酸土壤調(diào)理劑用量間的土壤堿化度差異不顯著。在第三季小麥?zhǔn)斋@后,施用腐植酸土壤調(diào)理劑的土壤堿化度持續(xù)降低,變化規(guī)律基本同第一季一致,土壤堿化度降低4.6%~27.2%,施用腐植酸土壤調(diào)理劑能顯著降低土壤堿化度,其中,腐植酸土壤調(diào)理劑2250、3000 kg/hm2用量處理的土壤堿化度顯著低于1500 kg/hm2施用量。綜上,施用腐植酸土壤調(diào)理劑能夠降低土壤堿化度,且以2250~3000 kg/hm2用量較為適宜。
2.3.1 腐植酸土壤調(diào)理劑對(duì)土壤鹽分的影響鹽分是制約鹽堿地小麥產(chǎn)量的主要因素,尤其是小麥冬前的分蘗。施用堿性土壤調(diào)理劑對(duì)土壤鹽分有一定的抑制作用。從2016年開(kāi)始,連續(xù)施用腐植酸土壤調(diào)理劑的耕層土壤鹽分呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。與對(duì)照相比,施用腐植酸土壤調(diào)理劑降低土壤含鹽量0.53~0.70 g/kg,降幅19.06%~25.18%;而常規(guī)施肥處理的耕層土壤鹽分呈升高趨勢(shì)(見(jiàn)表6)。
經(jīng)過(guò)3 年的定位試驗(yàn),在鹽堿地上施用腐植酸土壤調(diào)理劑的耕層土壤脫鹽率為0.72%~11.15%(2017年小麥?zhǔn)斋@季)、6.07%~16.43%(2018 年小麥?zhǔn)斋@季)和17.28%~23.53%(2019 年小麥?zhǔn)斋@季),土壤鹽分逐年降低,降幅增大。不同腐植酸土壤調(diào)理劑用量間,施用2250、3000 kg/hm2的耕層土壤鹽分顯著低于1500 kg/hm2處理。施用2250 kg/hm2和3000 kg/hm2間在2015 年有顯著差異,而在2016年和2017年差異不顯著。綜上所述,腐植酸土壤調(diào)理劑2250~3000 kg/hm2用量對(duì)降低土壤鹽分較為適宜。
2.3.2 腐植酸土壤調(diào)理劑對(duì)土壤鈉離子的影響Na+是土壤鹽害的主要鹽分離子,也是土壤陽(yáng)離子交換量中主要的陽(yáng)離子,土壤調(diào)理劑中有大量的鈣、鎂二價(jià)離子,土壤膠體呈負(fù)電荷,在吸附土壤陽(yáng)離子時(shí)優(yōu)先吸附二價(jià)離子,同時(shí)已被土壤吸附的鈉離子也可通過(guò)鈣鎂離子的置換作用交換出來(lái),置換出的鈉離子在澆水或降雨的條件下淋溶到地下水中,從而降低耕層土壤中鈉離子含量。
第一季小麥?zhǔn)斋@后,施用腐植酸土壤調(diào)理劑的土壤鈉離子較未施用土壤調(diào)理劑處理降低6.7%~36.8%。不同腐植酸土壤調(diào)理劑施用量間以2250~3000 kg/hm2施用量處理的土壤鈉離子含量降低幅度較大,顯著大于1500 kg/hm2用量處理(見(jiàn)表7)。第二季、第三季小麥?zhǔn)斋@后,施用腐植酸土壤調(diào)理劑處理的土壤鈉離子含量較第一季有小幅降低,較未施用土壤調(diào)理劑的處理相比,耕層土壤鈉離子含量分別降低9.9%~42.2%(2018 年小麥?zhǔn)斋@季)和15.4%~42.7%(2019 年小麥?zhǔn)斋@季),變化規(guī)律基本同第一季一致,不同土壤調(diào)理劑施用量間以2250~3000 kg/hm2施用量處理的土壤鈉離子含量降低幅度較大。
表6 不同處理的土壤鹽分含量及脫鹽率
表7 不同處理的耕層土壤鈉離子含量g/kg
2.3.3 腐植酸土壤調(diào)理劑對(duì)土壤氯離子的影響土壤氯離子是土壤鹽害的主要陰離子。第一季小麥?zhǔn)斋@后,施用腐植酸土壤調(diào)理劑的土壤氯離子較未施用土壤調(diào)理劑處理降低10.3%~29.3%(見(jiàn)表8)。不同腐植酸土壤調(diào)理劑施用量之間,差異不顯著。第二季小麥?zhǔn)斋@后,施用腐植酸土壤調(diào)理劑處理的土壤氯離子含量較2015年有小幅降低;同時(shí),在本年度,較未施用土壤調(diào)理劑處理相比,土壤氯離子含量降低5.2%~33.7%,不同腐植酸土壤調(diào)理劑施用量間以2250~3000 kg/hm2施用量處理的土壤氯離子含量降低幅度較大,顯著大于1500 kg/hm2用量處理。在第三季小麥?zhǔn)斋@后,施用腐植酸土壤調(diào)理劑的土壤氯離子含量持續(xù)降低,變化規(guī)律基本同第二季一致,土壤氯離子含量降低20.7%~37.6%。綜上,施用腐植酸土壤調(diào)理劑能顯著降低土壤氯離子含量,其中,以腐植酸土壤調(diào)理劑2250~3000 kg/hm2用量的效果較好。
表8 不同處理的耕層土壤氯離子含量 g/kg
2016—2017 年,各處理的小麥產(chǎn)量在5234.90~6117.55 kg/hm2之間(見(jiàn)圖1)。其中施用腐植酸土壤調(diào)理劑處理的小麥產(chǎn)量顯著高于常規(guī)施肥處理,小麥產(chǎn)量提高幅度4.63%~9.87%。不同腐植酸土壤調(diào)理劑施用量處理間以1500 kg/hm2的施用量小麥產(chǎn)量最高,顯著高于3000 kg/hm2的施用量,但與施用2250 kg/hm2腐植酸土壤調(diào)理劑處里無(wú)顯著差異。
2017—2018 年,各處理的小麥產(chǎn)量在5332.95~6968.95 kg/hm2之間。其中施用腐植酸土壤調(diào)理劑處理的小麥產(chǎn)量顯著高于常規(guī)施肥處理,小麥產(chǎn)量提高幅度5.31%~16.30%。不同腐植酸土壤調(diào)理劑施用量處理間以3000 kg/hm2的施用量小麥產(chǎn)量較高,但腐植酸土壤調(diào)理劑2250 kg/hm2與3000 kg/hm2用量間的小麥產(chǎn)量無(wú)顯著差異。
2018—2019 年,各處理的小麥產(chǎn)量在4823.10~7075.85 kg/hm2之間。其中施用腐植酸土壤調(diào)理劑處理的小麥產(chǎn)量顯著高于常規(guī)施肥處理,小麥產(chǎn)量提高幅度7.47%~25.83%。不同腐植酸土壤調(diào)理劑施用量處理間以2250~3000 kg/hm2的施用量小麥產(chǎn)量較高,顯著高于其他用量處理,但腐植酸土壤調(diào)理劑2250 kg/hm2與3000 kg/hm2用量間的小麥產(chǎn)量無(wú)顯著差異。
土壤有機(jī)碳既為植物生長(zhǎng)提供碳源,維持土壤良好的物理結(jié)構(gòu),也是一個(gè)影響土壤微生物多樣性的重要因素[16]。腐植酸是一種天然有機(jī)物質(zhì),本身含碳量較高,作為土壤有機(jī)碳源,可補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)[17],對(duì)土壤肥力和碳循環(huán)均有較大影響。與常規(guī)施肥相比,連續(xù)施用腐植酸土壤調(diào)理劑以后,土壤有機(jī)質(zhì)含量提高3.8%~5.0%。這可能與腐植酸富含多種官能團(tuán)有關(guān)[18],與前人的研究結(jié)果一致[19]。土壤有效養(yǎng)分可被作物直接吸收利用,其含量對(duì)于作物生長(zhǎng)發(fā)育起著重要的作用。本研究中,經(jīng)過(guò)3 年試驗(yàn),與常規(guī)施肥相比,堿解氮、有效磷、速效鉀的含量均顯著增加,速效鉀增幅最大(27.3%~30.7%),其次是有效磷,堿解氮的增幅最小。這可能是由于腐植酸一方面能夠增加土壤中真菌的數(shù)量,其與土壤中速效氮磷鉀的含量呈極顯著正相關(guān)[20-21]。另一方面,腐植酸土壤調(diào)理劑中的腐植酸施入土壤以后,能夠減少磷的固定,活化被固定的磷,促進(jìn)無(wú)效鉀向有效鉀轉(zhuǎn)化,從而進(jìn)一步提高土壤中有效磷和速效鉀的含量,這與前人的研究結(jié)果一致[17,22]。
腐植酸是一種有機(jī)酸,能與土壤中陽(yáng)離子結(jié)合生成腐植酸鹽,進(jìn)而形成腐植酸-腐植酸鹽相互轉(zhuǎn)化的緩沖系統(tǒng),因此可以起到調(diào)節(jié)土壤酸堿度的作用[23]。本研究中,施用腐植酸土壤調(diào)理劑與常規(guī)施肥相比,能夠顯著降低土壤pH 0.30~0.43 個(gè)單位,與李鵬程等[24]研究結(jié)果一致。土壤的堿化度與土壤離子交換量、土壤交換性Na+的含量有關(guān)。土壤交換性Na+是重要的土壤改良指標(biāo)[25],土壤中存在的大量交換性Na+導(dǎo)致土壤不斷惡化[26]。本研究中,施用腐植酸土壤調(diào)理劑,能夠顯著降低土壤堿化度。連續(xù)施用腐植酸土壤調(diào)理劑3年后,土壤堿化度較常規(guī)施肥降低4.6%~27.2%。這可能是由于腐植酸土壤調(diào)理劑中含有Ca2+,能夠代換土壤中的Na+;另外腐植酸土壤調(diào)理劑中的腐植酸能夠中和堿性,可以吸附游離的Na+,導(dǎo)致土壤中交換性Na+的含量降低。這與邵玉翠等[27]的研究結(jié)果一致。
孫在金等[28]研究發(fā)現(xiàn),腐植酸能夠降低全鹽量12.2%~22.8%;李杰等[10]研究表明,施用腐植酸土壤調(diào)理劑,能夠降低鹽堿土壤含鹽量,脫鹽率15.1%~29.3%。本研究中,連續(xù)3 年施用腐植酸土壤調(diào)理劑,土壤含鹽量逐年降低,降幅增大,試驗(yàn)結(jié)束時(shí),土壤脫鹽率17.28%~23.53%,與前人的研究結(jié)果一致。李旭霖等[29]研究表明,施用改良劑處理能降低土壤中的Na+和Cl-含量,Na+含量減少了7.35%~42.53%,Cl-含量減少4.38%~54.1%。本研究中,施用腐植酸土壤調(diào)理劑處理的土壤鈉離子含量與常規(guī)施肥相比降低15.4%~42.7%,土壤氯離子含量降低20.7%~37.6%。與前人的研究結(jié)果一致。這可能是由于腐植酸土壤調(diào)理劑中的腐植酸含有大量的羧基和酚羥基等酸性官能團(tuán),使其具有很高的陽(yáng)離子交換量,能夠吸附和交換陽(yáng)離子。對(duì)于Na+,可以與腐植酸直接進(jìn)行離子交換,從而降低土壤溶液中Na+的濃度和危害,也可與腐植酸土壤調(diào)理劑帶入土壤中的Ca2+置換,加速Na+的淋洗,減低Na+的含量;對(duì)于Cl-,可能與腐植酸形成絡(luò)合物,改變了形態(tài),降低了土壤中的含量。
孫在金[30]研究表明,腐植酸調(diào)理劑能夠促進(jìn)棉花的生長(zhǎng),提高產(chǎn)量。張濟(jì)世等[7]也有相關(guān)類似的報(bào)道,發(fā)現(xiàn)腐植酸調(diào)理劑能夠提高小麥產(chǎn)量。李杰等[10]研究表明,施用腐植酸調(diào)理劑能夠提高番茄的產(chǎn)量。本研究中,施用腐植酸土壤調(diào)理劑處理的小麥產(chǎn)量顯著高于常規(guī)施肥處理,小麥產(chǎn)量提高7.47%~25.83%。與前人的研究結(jié)果一致。這一方面可能是由于腐植酸土壤調(diào)理劑能夠增加土壤速效氮磷鉀的含量,腐植酸能夠刺激根系吸收養(yǎng)分,促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育;另一方面,腐植酸能夠促進(jìn)作物對(duì)Mg2+和Fe2+的吸收,增加葉綠素含量,進(jìn)而增強(qiáng)光合作用,促進(jìn)干物質(zhì)積累,提高產(chǎn)量。
(1)腐植酸土壤調(diào)理劑能夠改善土壤化學(xué)性狀。與常規(guī)施肥相比,施用腐植酸土壤調(diào)理劑土壤有機(jī)質(zhì)含量提高3.8%~5.0%,堿解氮提高8.6%~12.0%,有效磷提高16.4%~29.2%,速效鉀提高27.3%~30.7%。不同用量腐植酸土壤調(diào)理劑處理的土壤堿解氮、速效鉀含量差異不顯著,有效磷的含量差異顯著且腐植酸土壤調(diào)理劑用量3000 kg/hm2處理最高。
(2)腐植酸土壤調(diào)理劑能夠改良土壤鹽堿障礙,降低土壤含鹽量。施用腐植酸土壤調(diào)理劑相比常規(guī)施肥處理,pH 降低0.30~0.43 個(gè)單位,堿化度降低4.6%~27.2%,脫鹽率達(dá)到17.28%~23.53%,鈉離子降低15.4%~42.7%,氯離子降低20.7%~37.6%。
(3)腐植酸土壤調(diào)理劑提高小麥產(chǎn)量,施用3 年后,與常規(guī)施肥相比,小麥產(chǎn)量提高7.47%~25.83%。但腐植酸土壤調(diào)理劑2250 kg/hm2與3000 kg/hm2用量間的小麥產(chǎn)量無(wú)顯著差異。
(4)在本試驗(yàn)條件下,施用腐植酸土壤調(diào)理劑2250 kg/hm2是改良黃河三角洲鹽堿土以及提高小麥產(chǎn)量的最佳用量。