馬增輝， 王啟龍

（陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司西北分公司，陜西 榆林 719000）

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量卻不斷下降，我國(guó)人均耕地面積僅占世界水平的31%，耕地是糧食基本載體，耕地匱乏導(dǎo)致我國(guó)糧食安全面臨巨大風(fēng)險(xiǎn)。鹽堿地是我國(guó)儲(chǔ)備最大的土地資源，據(jù)調(diào)查，我國(guó)鹽堿荒地和影響耕地的鹽堿地總面積超過(guò)3 000萬(wàn)hm2, 其中鹽土占45.4%，堿土占2.5%，各類鹽堿化土壤占52.1%[1]。陜西省目前鹽堿地面積約21.3萬(wàn)hm2，主要分布在陜北榆林地區(qū)和關(guān)中渭南地區(qū)，其中，重、中度鹽堿地約16萬(wàn)hm2，且鹽堿化程度趨于嚴(yán)重，重、中度鹽堿地面積不斷增加[2]。目前，鹽堿地改良措施主要包括：水利改良措施（灌溉、淋洗、排水等）[3]、化學(xué)改良措施（生理酸性化肥、石膏、調(diào)理劑等）[4]、生物改良措施（耐鹽堿牧草、作物、綠肥等）[5]、農(nóng)業(yè)改良措施（深耕、覆沙、探鹽巧種等）[6]。

土壤改良劑是指能夠改善鹽堿地土壤結(jié)構(gòu)和理化指標(biāo)的制劑，可以通過(guò)調(diào)節(jié)土壤酸堿度(pH)、降低土壤含鹽量、改善土壤結(jié)構(gòu)等作用來(lái)改良鹽堿地，減少鹽堿地土壤對(duì)作物的危害[7]。姜增明等[8]分析了鹽堿地主要特性及其對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，闡述了不同土壤改良劑在鹽堿地改良中的作用，并建議在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)不同鹽堿地類型選擇適合的改良劑。吳志強(qiáng)等[9]通過(guò)田間試驗(yàn)研究了4種不同土壤改良劑（生石灰、有機(jī)肥、鈣鎂磷肥、土壤調(diào)理劑）在稻田上的應(yīng)用效果，結(jié)果表明，施用土壤改良劑不僅能不同程度改善土壤理化性質(zhì)，還能顯著提高水稻產(chǎn)量與產(chǎn)值，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，施用生石灰處理的產(chǎn)量與產(chǎn)投比最高。王紅等[10]選用秸稈生物炭、石膏、石膏+有機(jī)肥作為土壤改良劑對(duì)內(nèi)蒙古鹽漬化農(nóng)田土壤進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)施加生物炭和石膏可以顯著改善鹽堿地土壤理化性質(zhì)，降低土壤pH和含鹽量，增加土壤有效磷、堿解氮、有機(jī)質(zhì)含量。舒錕等[11]研究了“金阜豐”土壤改良劑的用量對(duì)定邊鹽堿地土壤理化性質(zhì)及水稻生長(zhǎng)的影響，結(jié)果顯示，陜北鹽堿地施加土壤改良劑可顯著降低表層土壤pH和含鹽量，增加水稻產(chǎn)量，基于水稻產(chǎn)量和鹽堿地改良效果，建議添加量為1 500～2 000 kg·hm-2。陜北地區(qū)氣候偏冷，晝夜溫差大，水稻種植規(guī)模小，雖然對(duì)于土壤改良劑使用有一定研究，但是對(duì)于不同種類土壤改良劑的比選研究較少。本研究通過(guò)在定邊縣堆子梁地區(qū)開(kāi)展大田試驗(yàn)，研究不同土壤改良劑對(duì)陜北鹽堿地土壤理化性質(zhì)及水稻產(chǎn)量的影響，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益分析，以確定適宜陜北鹽堿地的土壤改良劑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于陜西省西北部定邊縣堆子梁地區(qū)（35°31′02″—35°34′01″N，110°30′34″—110°33′36″E），該地區(qū)地處古河床上沖積母質(zhì)發(fā)育的鹽化草甸土壤區(qū)，因?yàn)榈貏?shì)平坦低洼、蒸發(fā)量大，鹽離子隨水流聚集，且地下水位埋藏淺、礦化度高、出流不暢，土壤鹽漬化特征明顯。該地區(qū)年平均降水量約330 mm，主要集中在7—9月，占全年降水量的61.34%，年平均蒸發(fā)量2 290 mm，年平均氣溫7.9 ℃，年平均日照時(shí)間2 700～2 800 h，年平均無(wú)霜期120～130 d，年平均凍土深度約100 cm。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用地為鹽堿耕地，前茬作物為玉米。供試脫硫石膏為陜西榆林能源集團(tuán)橫山煤電有限公司產(chǎn)生的廢棄脫硫石膏，其主要成分為CaSO4·2H2O（含量大于90%），含水量≤10%，pH 8.1，石膏處理的施用量為20 000 kg·hm-2[12]?！敖鸶坟S”土壤改良劑由內(nèi)蒙古阜豐生物科技有限公司生產(chǎn)，其中氮（N）含量約16%，有機(jī)質(zhì)含量約4%，pH 3.0～4.0，“金阜豐”土壤改良劑用量為2 000 kg·hm-2[11]。腐殖酸由榆林市鼎利源生態(tài)科技公司從神木風(fēng)化煤中提取，有效腐殖酸含量51%，水溶后pH 4.7，腐殖酸用量為2 000 kg·hm-2[13]。供試作物為水稻，品種為天津天隆種業(yè)科技有限公司研發(fā)的‘隆優(yōu)619’，2019年6月初人工插秧，插秧密度為1.8萬(wàn)株·hm-2，10月中旬水稻成熟收獲。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)土壤改良劑種類不同，田間試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理，分別為不施用土壤改良劑（CK）、施用脫硫石膏（desulfurized gypsum，F(xiàn)GD）、施用“金阜豐”土壤改良劑（“Jinfufeng” soil conditioner，SC）、施用腐殖酸（humic acid，HA），每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每個(gè)處理四周起壟覆膜，做好處理間隔離措施，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積80 m2（10 m×8 m），試驗(yàn)小區(qū)0—20、20—40、40—60 cm土層土壤樣品基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。各試驗(yàn)小區(qū)的施肥、病蟲害防治和田間灌溉等管理措施保持一致。尿素、磷酸二胺、氯化鉀的用量分別為334、196、96 kg·hm-2。試驗(yàn)田年灌溉量約15 000 m3·hm-2，灌溉水為井水，全鹽量為0.23 mg·L-1，pH 8.1。

表1 試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic soil physical and chemical properties of the test site

1.4 樣品的采集與處理

水稻收獲后，利用土鉆采集試驗(yàn)區(qū)土壤樣品，采樣深度為：0—20 cm（表層）、20—40 cm（中層）、40—60 cm（深層），通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定土壤水溶性鹽總量、pH、容重、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量。土壤pH采用電位法測(cè)定，水溶性鹽總量采用質(zhì)量法測(cè)定，容重采用環(huán)刀法測(cè)定[14]；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定，全氮采用半微量凱氏法測(cè)定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法測(cè)定，速效鉀采用火焰光度法測(cè)定[15]。

水稻成熟后，將4個(gè)處理組的水稻收割測(cè)產(chǎn)，并隨機(jī)選取代表性的水稻種子，對(duì)其千粒重進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。

1.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

2020年稻米平均收購(gòu)價(jià)格為3.5元·kg-1，每噸脫硫石膏、“金阜豐”土壤改良劑、腐殖酸購(gòu)買及施用綜合價(jià)格分別為400、2 700、2 500元，根據(jù)下列公式計(jì)算產(chǎn)值、純利潤(rùn)和產(chǎn)投比。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 11.4軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(jì)和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤改良劑對(duì)鹽堿地土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 土壤含鹽量變化 土壤含鹽量是反映土壤鹽堿化狀況的重要指標(biāo)，該值過(guò)高會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生損害，阻礙植物正常生長(zhǎng)發(fā)育，使其品質(zhì)變劣、產(chǎn)量降低。由圖1可以看出，施加腐殖酸可顯著降低表層（0—20 cm）土壤含鹽量，比對(duì)照降低12.43%。這主要是由于腐殖酸的陽(yáng)離子交換量較高，施入土壤后，可顯著提高土壤的陰離子吸附能力，減少表層土壤含鹽量；另外，腐殖酸能夠改良土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，提高土壤疏松度，破壞鹽分上升條件，起到隔鹽作用。方差分析結(jié)果顯示，施加脫硫石膏和“金阜豐”土壤改良劑的表層土壤含鹽量與對(duì)照無(wú)顯著差異。4個(gè)處理的土壤含鹽量均表現(xiàn)出表層高（0—20 cm）、中層低（20—40 cm）、底層高（40—60 cm）的分布規(guī)律。種植水稻前試驗(yàn)區(qū)土層0—20、20—40 cm含鹽量分別為2.97、2.10 g·kg-1，種植后4個(gè)處理0—20、20—40 cm 土層平均含鹽量分別為1.78、1.61 g·kg-1，說(shuō)明種植水稻能顯著降低土壤表層含鹽量，這主要是由于井水灌溉的淋洗作用，而且水稻種植后減少地表蒸發(fā)，水稻對(duì)土壤中鹽離子具有一定的吸收作用，另外種植水稻對(duì)于促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成以及改善土壤結(jié)構(gòu)具有顯著影響，可促進(jìn)土壤剖面的水運(yùn)動(dòng)，降低返鹽現(xiàn)象的發(fā)生，因此土壤含鹽量顯著降低[16]。

圖1 不同土壤改良劑條件下0—60 cm土層土壤含鹽量Fig.1 Soil salt content in 0—60 cm soil layer under different soil amendments

2.1.2 土壤pH變化 土壤pH是反映土壤酸堿狀況的重要指標(biāo)，會(huì)直接影響土壤中營(yíng)養(yǎng)元素形態(tài)和有效度，土壤pH過(guò)高或過(guò)低，都不利于植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收[17]。不同土壤改良劑處理下0—60 cm土層土壤pH分布情況如圖2所示，各處理均表現(xiàn)出表層土壤pH較低，深層土壤pH較高的分布規(guī)律。CK處理表層土壤pH較高，為8.9，達(dá)到強(qiáng)堿性，嚴(yán)重影響水稻正常生長(zhǎng)，3種土壤改良劑均可顯著降低表層土壤pH，與對(duì)照相比，F(xiàn)GD、SC、HA處理表層土壤pH分別降低5.78%、4.53%、5.55%?！敖鸶坟S”土壤改良劑pH為3.0～4.0，腐殖酸pH為4.7，均呈酸性，可以與土壤中的堿發(fā)生中和反應(yīng)，降低土壤pH；脫硫石膏的主要成分是CaSO4及少量CaSO3，土壤中加入脫硫石膏后，石膏中的Ca2+與土壤中游離的NaHCO3、Na2CO3發(fā)生作用，生成難溶的CaCO3或Ca(HCO3)2，降低土壤pH。

圖2 不同土壤改良劑條件下0—60 cm土層土壤pHFig.2 Soil pH of 0—60 cm soil layer under different soil amendments

2.1.3 土壤容重變化 土壤容重可以反映土壤緊實(shí)度，土壤緊實(shí)度是反映土壤水、肥、氣、熱等因素的重要物理學(xué)性狀，鹽漬土容重一般偏大，結(jié)構(gòu)緊實(shí)、滲透性差，改良與利用較為困難[18-19]。表2結(jié)果顯示，施加土壤改良劑可有效降低0—40 cm土層土壤容重、增大土壤空隙度，改善土壤物理性質(zhì)，其中，腐殖酸對(duì)土壤物理性狀的改善效果最好。與對(duì)照相比，F(xiàn)GD、SC、HA處理表層土壤容重分別顯著降低0.04、0.07、0.08 g·cm-3，中層土壤容重分別顯著降低0.07、0.10、0.11 g·cm-3，深層土壤容重?zé)o顯著差異。

表2 不同土壤改良劑條件下0—60 cm土層土壤容重Table 2 Soil bulk density of 0—60 cm soil layer under different soil amendments （g·cm-3）

2.1.4 土壤養(yǎng)分變化 土壤養(yǎng)分是指由土壤提供給植物的必需營(yíng)養(yǎng)元素，土壤養(yǎng)分主要包括土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀。不同土壤改良劑對(duì)陜北低洼鹽堿地土壤養(yǎng)分的影響如表3所示，相較于對(duì)照處理，添加“金阜豐”土壤改良劑和腐殖酸后土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量顯著提高，添加脫硫石膏后速效鉀含量顯著增高。這主要是由于“金阜豐”土壤改良劑和腐殖酸中含有一定量的有機(jī)質(zhì)和氮，能增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量，但其有效磷和速效鉀含量較低，因此影響不顯著；施加脫硫石膏后能夠促進(jìn)鉀元素被土壤膠體吸附，從而增加土壤交換性鉀離子的含量，土壤中的速效鉀含量也隨之增加。從土層深度層面來(lái)看，各處理土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量隨著土層深度的增加逐漸降低。其中，SC處理在各土層深度的有機(jī)質(zhì)含量均最大，平均值達(dá)到10.0 g·kg-1，分別較CK、FGD、HA處理提高21.61%、19.57%、3.37%，說(shuō)明“金阜豐”土壤改良劑對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加效果最為顯著。HA處理土壤全氮含量最高，平均為0.97 g·kg-1，分別較CK、FGD、SC處理提高35.14%、32.08%、14.02%。土壤速效鉀含量FGD處理最高，平均為113 mg·kg-1，分別較CK、SC、HA處理提高8.65%、8.65%、9.71%。

表3 不同土壤改良劑條件下0—60 cm土層土壤養(yǎng)分Table 3 Soil nutrients in 0—60 cm soil layer under different soil amendments

2.2 不同土壤改良劑對(duì)水稻產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響

水稻千粒重可以體現(xiàn)水稻籽粒大小與飽滿程度，是檢驗(yàn)稻米質(zhì)量和預(yù)測(cè)田間產(chǎn)量的重要依據(jù)。由表4可以看出，施加土壤改良劑可以提升水稻千粒重和產(chǎn)量。與對(duì)照相比，施加土壤改良劑的水稻千粒重和產(chǎn)量分別增加10.19%～13.59%和13.54%～27.95%。其中，HA處理千粒重和產(chǎn)量最大，分別達(dá)到23.4 g和7 380 kg·hm-2。另外，通過(guò)經(jīng)濟(jì)效益分析發(fā)現(xiàn)，施加土壤改良劑可以提升水稻產(chǎn)值和純利潤(rùn)，其中，HA處理獲得了最大的產(chǎn)值、純利潤(rùn)和產(chǎn)投比，分別為25 830.0元·hm-2、6 564元·hm-2和2.31，對(duì)比FGD和SC處理，HA處理產(chǎn)投比分別增加了67.01%和13.68%，綜合考慮稻米質(zhì)量、水稻產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，建議優(yōu)先選用腐殖酸改良本地區(qū)低洼鹽堿地。

表4 不同土壤改良劑下陜北低洼鹽堿地水稻的產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益Table 4 Rice yield and economic benefits in low-lying saline alkali land in Northern Shaanxi under different soil amendments

3 討論

土壤含鹽量過(guò)高會(huì)阻礙水稻正常生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致水稻吸水困難、生理干旱，破壞正常代謝，抑制光合作用和呼吸作用，影響葉綠蛋白的形成[13]；土壤酸堿性是影響土壤養(yǎng)分有效性的重要因素之一，pH過(guò)高或過(guò)低都不利于水稻對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收[17]。試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)低洼、蒸發(fā)量大，鹽離子隨水流聚集，且地下水位埋藏淺、礦化度高、出流不暢，土壤鹽漬化特征明顯，表層土pH為9.03，水溶性鹽總量為2.97 g·kg-1，嚴(yán)重影響水稻生長(zhǎng)發(fā)育。本試驗(yàn)選擇的3種土壤改良劑可顯著降低表層土壤pH，各處理較對(duì)照降低4.53%～5.57%，其中，腐殖酸可顯著降低表層土壤含鹽量，與對(duì)照相比，表層土壤含鹽量降低12.43%。周陽(yáng)[20]在脫硫石膏與腐殖酸改良鹽堿土效果研究中發(fā)現(xiàn)，脫硫石膏和腐殖酸共同施用，可顯著降低土壤pH和含鹽量；另外也有研究發(fā)現(xiàn)，“金阜豐”土壤改良劑可以有效降低土壤pH[11]，這與本研究結(jié)果基本相同。

土壤容重可以反映土壤緊實(shí)度，本研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿地中施加土壤改良劑，可有效降低土壤容重、改善土壤物理性質(zhì)，3種土壤改良劑以施用腐殖酸對(duì)土壤容重的改善效果最好。腐殖酸溶于水后形成親水膠體，在植物根系作用下，與土壤中鈣離子發(fā)生凝聚反應(yīng)而形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，使土壤容重降低、空隙度增大[21]。王燕[22]以科爾沁地區(qū)鹽漬化草甸土為研究對(duì)象，開(kāi)展不同改良措施對(duì)不同鹽漬化程度土壤容重影響試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)腐殖酸能在一定程度上調(diào)節(jié)土壤質(zhì)地，降低土壤容重，改善土壤物理結(jié)構(gòu)，這與本研究結(jié)果基本相同。

土壤養(yǎng)分是評(píng)價(jià)土壤生產(chǎn)力高低的重要指標(biāo)之一。添加“金阜豐”土壤改良劑和腐殖酸后土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量顯著提高；添加脫硫石膏后，速效鉀含量顯著提高。謝仕祺等[23]研究土壤改良劑對(duì)土壤養(yǎng)分及細(xì)菌群落的影響，發(fā)現(xiàn)施加土壤改良劑對(duì)土壤pH、有機(jī)質(zhì)、有效磷、堿解氮、速效鉀、交換性鈣鎂、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性有不同程度的提升。韓劍宏等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)蒙古包頭市鹽堿地耕層土壤中施加腐殖酸80 d后，土壤速效鉀、速效氮及有機(jī)質(zhì)均顯著提升，而有效磷含量較對(duì)照減少6.0%。周陽(yáng)[20]研究發(fā)現(xiàn)，使用脫硫石膏和腐殖酸改良鹽堿地，可顯著提升表層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀含量。使用腐殖酸和土壤改良劑增加土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量，這與本研究結(jié)果相同，而施用土壤改良劑增加土壤有效磷含量與本研究結(jié)果存在一定出入，這可能與試驗(yàn)使用的改良劑養(yǎng)分含量不同有關(guān)。

水稻產(chǎn)量和品質(zhì)是鹽堿地改良效果的直接體現(xiàn)，施加土壤改良劑可以顯著提升水稻千粒重和產(chǎn)量，與對(duì)照相比，施加土壤改良劑的水稻千粒重和產(chǎn)量分別增加10.19%～13.59%和13.54%～27.95%，其中，施加腐殖酸改良劑后，水稻千粒重和產(chǎn)量最大，這與前人研究結(jié)果相似[11]。脫硫石膏作為最常見(jiàn)的鹽堿地改良劑，能降低土壤pH，改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤通氣性和持水性，改善土壤微生物生長(zhǎng)繁殖環(huán)境，促進(jìn)水稻生長(zhǎng)[24]；“金阜豐”土壤改良劑呈酸性，且含有一定量有機(jī)質(zhì)，施加到鹽堿地土壤中，可以改變土壤膠體離子組成，調(diào)節(jié)土壤酸堿度，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高植物養(yǎng)分供應(yīng)，從而達(dá)到改良鹽堿地目的[25]；腐殖酸是一種弱酸，且?guī)в胸?fù)電的膠體，對(duì)土壤的酸堿度起到很好的調(diào)節(jié)作用，與土壤結(jié)合后起到隔鹽、吸鹽作用，同時(shí)腐殖酸含有植物生長(zhǎng)所必需的有機(jī)質(zhì)和微量元素，可為作物生長(zhǎng)發(fā)育提供必要的補(bǔ)充，增加作物產(chǎn)量[13]。通過(guò)經(jīng)濟(jì)效益分析發(fā)現(xiàn)，施加改良劑可以顯著提升水稻產(chǎn)值和純利潤(rùn)，其中施加腐殖酸處理獲得了最大的產(chǎn)值、純利潤(rùn)和產(chǎn)投比，綜合考慮稻米質(zhì)量、水稻產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，建議優(yōu)先選用腐殖酸土壤改良劑改良陜北低洼鹽堿地。