淹水条件下改良剂对苏打盐化草甸土的洗盐效应

张明聪，周 伟，石礼文，王承昊，杜吉到，吴耀坤，张玉先

(1.黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江 大庆 163319; 2.黑龙江省盐碱地改良工程技术研究中心,黑龙江 大庆 163319; 3.大庆市启隆农业科技有限公司，黑龙江 大庆 163000; 4.黑龙江省农业科学院大庆分院，黑龙江 大庆 163319)

松嫩平原是世界三大苏打盐渍土分布区域之一[1]，属中温带半湿润气候向半干旱气候过渡区，受长白山阻隔，大陆性季风气候特征明显，春秋多风少雨，冬季严寒少雪，地质构造属中生代的沉陷地带，为易溶性盐分在土壤中大量聚集创造了极为有利的条件[2-3]。苏打盐渍土主要盐分为Na2CO3和NaHCO3，主要表现为土壤pH高，碱性强，物理结构恶化，渗透性极差等特点[4-6]。大量研究已证实碱性盐对作物萌发及根系生长的抑制作用显著大于中性盐[5-7]，因此苏打盐渍土生产能力低，土地资源难以得到充分利用，造成大量土地资源浪费[8]。灌溉洗盐是解决盐分表层聚集的有效方法之一[9-11]。针对这一问题，Mermond[12]和Letey[13]等认为，高频少量的淋洗方式在蒸发强烈的条件下使水层停留在土壤表层，从而起不到洗盐的目的；彭振阳[14-15]等也认为间歇淋洗能否提高淋洗效率不能一概而论，针对松嫩平原特殊的气候条件，土壤水分蒸发量远大于降雨量，而且地下水埋藏较浅，在盐碱土水稻种植中为降低因水分蒸发而引起二次返盐现象，一般水田仅在阴天进行适当晾田，因此亟需探讨淹水条件下苏打盐化草甸土中盐分的淋洗效应。苏打盐渍土质地粘重，土壤颗粒组成以粉粒和黏粒为主，透水性极差[16]，导致很难通过灌溉洗盐实现改良的目的，但可通过施加外源物质对土壤物理、化学性质进行改良。赵兰坡[17]认为，为提高灌溉洗盐效率，首要任务是改善盐渍土结构，以提高质地粘重土壤团聚体数量，增强土壤通透性。为解决这个问题，已研制出具有自主知识产权、成本较低的盐碱土壤改良剂，能有效增加土壤水稳性团聚体数量，增大土壤孔隙，降低土壤容重，提高土壤水分入渗速率，降低土壤交换性钠含量，达到较好的洗盐效果[18]。但关于改良剂在不同土层的土壤孔隙度、pH、交换性Na+含量和水稳性团聚体数量等指标的改良效果尚不明晰。为了进一步探究改良剂在盐碱土不同深度土层中的改良效果，本研究采用松嫩平原典型的苏打盐化草甸土进行室内土柱淋溶试验，在淹水条件下，设置添加不同剂量的改良剂处理，测定不同深度土层土壤物理化学等相关指标，探明淹水条件下不同用量的改良剂对苏打盐化草甸土盐分的淋洗效应，以期为松嫩平原干旱区盐碱地改良及盐碱地种植水稻提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试土壤 取自黑龙江省大庆市龙凤区落荒地土壤(124°19′～125°12′E，45°46′～46°55′N)，地表作物为碱蓬和羊草，供试土壤类型为苏打盐化草甸土。该地区位于松嫩平原中部，海拔126～165 m，地势较平坦，春秋多风少雨，冬季严寒少雪，蒸发量较大，平均年蒸发量为1 635 mm，年平均降水量427.5 mm，年平均风速为3.3 m·s-1。试验土壤位于季节性冻土区，冻融作用较为强烈，盐碱地分布广泛，土壤多为盐化草甸土，盐分组成以碳酸盐为主，土壤盐分分布呈明显的表聚性。按卡庆斯基分类制分类方法，该土壤为粉质黏壤土。土壤样品分别取自0～10、10～20、20～30、30～40 cm和40～50 cm土层，取样同时用环刀采集不同土层原状土用于土壤容重的测定。土壤样品自然晾干，分别过2 mm筛待测。供试土壤交换性Na+含量、pH和电导率[19]见表1。

表1 土壤交换性Na+含量、pH和电导率

1.1.2 供试改良剂 以硫酸铵和凹凸棒土为载体，按一定比例加入生物炭基肥、褪黑素、柠檬酸、硫酸铝、硫酸锌、硫酸亚铁、2-N,N-二乙氨基乙基己酸酯和脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸酯盐等，合成制作土壤改良剂。由大庆市启隆农业科技有限公司生产。图1A为浇灌自来水处理，表现为土壤粘重，孔隙小;图1B为自来水+改良剂处理，表现为土壤疏松，孔隙大，水分入渗速率大。

图1 改良剂改良苏打盐化草甸土效果Fig.1 Effects of a soil ameliorants on improvement of soda-salinized meadow soil

1.2 试验设计

试验于2019年4—7月采用土柱在实验室进行淋洗试验，设置6个不同改良剂处理S0、S1、S2、S3、S4、S5(每个土柱分别施用改良剂0.00、0.01、0.05、0.10、0.50、1.00 g，依据土柱代表面积换算成公顷用量分别为0.0、8.9、44.3、88.5、442.5、885.1 kg·hm-2)，每个处理均重复3次。

淋溶试验装置由土柱和马氏瓶两部分组成(图2)。试验土柱为有机玻璃材质，柱高70 cm，内径12 cm，管壁厚1 cm，管壁单侧具有4个圆形取样孔，间距10 cm，试验时用磨砂玻璃塞堵实，涂抹凡士林，防止水分流失，容器底部垫2层纱布，防止漏土，放置于直径15 cm、高5 cm的培养皿中，用于接淋出液。

从土柱底端开始向上分层装填过2 mm筛的风干土，共装填50 cm，10～20 cm土层按试验处理加入改良剂，充分混合均匀，40～50、30～40、20～30、10～20 cm和0～10 cm土层按原土壤剖面土层顺序依次加入土柱，根据原位土壤自然条件下的0～10、10～20、20～30、30～40 cm和40～50 cm的土壤容重1.4739、1.5560、1.6073、1.6721 g·cm-3和1.7011 g·cm-3，风干后土壤含水量和土柱体积计算每10 cm深度填装风干土质量，使土柱内各层土壤容重与自然情况下的容重基本相符。装填之前在土柱内壁涂抹凡士林，装填土柱时将土柱内壁边缘的土壤压实，确保无贴壁水流现象发生；在实际装填时每5 cm深度进行一次填土，并用夯实器将土样夯实，在填入下一层土壤时，使用毛刷将上一层界面刮毛，让相邻两层土壤紧密接触，以保证上下两层之间无明显分层，确保灌溉时土壤水盐运移的连续性。填装完毕后，在土表放置一张与土柱内径相同的带孔滤纸以防止灌水时对表土的冲刷。

试验用马氏瓶供水(为防止自来水中水溶性离子对本试验的干扰，灌溉水使用去离子水)，其横截面积0.0113 cm2，高60 cm，供水水头控制在1.5～2.0 cm，每2 d打开马氏瓶开关进行灌水，保证各处理灌溉时间相同，使土面淹水深度维持在20 cm，表层土壤始终处于饱和状态(模拟水稻田灌水洗盐)，试验周期为15 d，试验结束后在土柱10、20、30、40 cm孔隙处采集土样(50 cm没取样是因为水分没有渗入40～50 cm土层中，不存在洗盐的效应，在前期预备试验中，土柱淹水1个月仅S5处理水分渗入到40～50 cm土层，因此本试验未测定该层次相关指标)，将土样分为两部分，一部分经风干后过1 mm筛放入封口袋中，用于土壤理化指标的测定；一部分置于通风阴凉处自然风干，风干过程中沿土壤自然裂痕剥离为1 cm3左右的小块，将土样混合均匀，用于水稳性团聚体的测定。

1.进气孔；2.进气管；3.输水软管；4.取土口；5.试验土柱；6.马氏瓶 1. Air inlet; 2. Air inlet vent; 3. Water hose; 4. Soil extraction; 5. Soil column; 6. Markov bottle图2 淋溶试验装置图Fig.2 Diagram of leaching experiment

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤理化指标的测定 采用环刀法测定土壤容重及土壤孔隙度，从土柱上部用定制环刀(直径30 mm，高40 mm，体积28.26 cm3)进行分层取土，依次测定0～10、10～20、20～30 cm和30～40 cm深度土层4～7、14～17、24～27 cm和34～37 cm土壤容重，用夯实器慢慢向下敲打环刀，待环刀全部没入土壤，用自制铁钩将环刀取出，土壤烘干称重，计算孔隙度[19]；采用pH计(Sartorius PB-10,德国赛多利斯公司生产)测定土壤pH(水土比5∶1)；使用电导率仪(雷磁DDS-307，上海仪电科学仪器股份有限公司生产)测定土壤电导率(水土比5∶1)；采用烘干法测定土壤含水量；采用NH4OAc-NH4OH火焰光度法测定土壤交换性钠含量[19]；采用双指示剂-中和滴定法测定碳酸根和碳酸氢根含量[19]。

1.3.2 水稳性团聚体的测定 采用湿筛法[20]测定，每个样品取4份50 g风干土样置于4套孔径自上而下分别为5、2、1、0.5、0.25 mm套筛的顶层筛上，将套筛静止浸没在蒸馏水中5 min，湿筛15 min(振幅5 cm，频率30次·min-1，XY-100 型土壤团聚体分析仪，北京祥宇伟业仪器设备公司)，分别得到5个团聚体粒径组分。将各个筛网的团聚体土样转移到铝盒中，置于60℃烘箱中烘干，称重，记录各团聚体粒径的质量，用于计算各团聚体组分的占比。

(1)

(2)

(3)

式中,Wi为某级水稳性团聚体的质量分数(%)；mi为该级水稳性团聚体的质量(g)；MWD(mean weight diameter)为团粒均重直径(mm)；GMD(geometric mean diameter)为几何平均直径；xi为各级别团聚体的平均直径(mm)。

1.4 统计分析

用Microsoft Excel 2013进行原始数据的处理，Origin 2018进行图例绘制，SPSS 17.0数据处理软件进行相关数据统计分析，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著差异(LSD)法比较不同土层间和处理间土壤脱盐率的差异。

2 结果与分析

2.1 淹水条件下改良剂对盐化草甸土容重和孔隙度的影响

容重表示土壤疏松程度，如图3A所示，施用改良剂处理均可一定程度上降低土壤容重。在0～40 cm土层范围内，相同土层条件下，S1与S0处理相比差别不大，当改良剂施用量增加到每个土柱施用0.05 g以上时(S2)，与S0相比，土壤容重显著降低(30～40 cm除外)，其中，与0～10、10～20 cm和20～30 cm土层S0处理土壤容重相比，S3处理分别降低5.47%、5.38%和3.88%，S4处理分别降低8.0%、7.87%和6.35%，S5处理分别降低8.87%、9.60%和8.07%(P<0.05)。从图3B可以看出，不同土层土壤孔隙度随改良剂施用量的增加而呈增加趋势，与0～10、10～20 cm和20～30 cm土层S0处理孔隙度相比，S3分别增加5.38%、5.47%和3.82%，S4分别增加7.69%、7.81%和6.11%，S5处理分别增加8.46%、9.38%和7.63%(P<0.05)。说明施用改良剂后可以显著降低土壤容重，增加土壤孔隙，利于水分下渗；从土壤容重和改良剂用量上来看，S3处理为最优改良剂施用剂量。

图3 淹水条件下改良剂对盐化草甸土容重和孔隙度的影响Fig.3 Effects of a soil ameliorant on bulk density and porosity of soda-salinized meadow soil under flooding condition

2.2 淹水条件下改良剂对盐化草甸土pH和土壤质量含水量的影响

如图4A所示，土壤pH随改良剂用量的增加呈降低趋势，在不同深度土层pH值S1处理与S0相比差别不大，而当改良剂增加到S2处理用量之后，土壤pH呈显著降低趋势，其中与S0处理相比，S3、S4和S5不同深度土层pH降幅分别达到2.36%～3.89%、5.47%～9.58%(P<0.05)和7.39%～10.7%(P<0.05)，说明施用适宜改良剂可显著降低土壤pH。如图4B所示，施用改良剂处理0～10 cm土层土壤含水量均高于S0处理，其中S2、S3、S4和S5分别增加6.94%、16.0%、18.2%和26.5%(P<0.05)，10～20 cm土层S0处理土壤含水量仍为各处理最低(20.19%)，当土壤深度增加到20 cm以下时，S0处理20～30 cm和30～40 cm含水量仅为10.2%和8.04%，极显著低于施用改良剂处理(S2、S3、S4和S5)(P<0.01)。综上可知，未施改良剂处理苏打盐化草甸土土壤高度分散，土壤质地粘重，使水分渗入率低，土壤含水量远低于其他处理，而施用改良剂处理(S3、S4和S5)土壤孔隙度大，水分渗入率增大，使20～40 cm土层土壤含水量与0～20 cm土层相差不大。

图4 淹水条件下改良剂对盐化草甸土pH和土壤含水量的影响Fig.4 Effects of a soil ameliorant on pH and soil moisture content of soda-salinized meadow soil under flooding condition

2.3 淹水条件下改良剂对苏打盐化草甸土交换性钠、电导率和Na+淋失比率的影响

如图5A所示，10～20 cm土层交换性钠含量较0～10 cm土层显著增加，说明在淹水条件下土壤表层Na+随水而淋洗，降低表层土壤盐浓度，但未施用改良剂处理(S0)在0～10 cm和10～20 cm交换性钠含量均显著高于其他处理，增幅分别为5.88%～56.5%和4.84%～30.5%(P<0.05)；而当土壤深度达到20～30 cm时S0处理交换性钠含量与施用改良剂处理相比显著降低，表明施用改良剂处理表层土壤的交换性钠随水分而淋洗，并淀积在20～30 cm以下，洗盐效果显著；S5处理交换性钠含量最高，与S0处理相比，S3、S4和S5处理的交换性钠含量分别增加7.37%、12.8%和17.1%(P<0.05)，表明适量的改良剂施用量在增加水分入渗的同时可淋洗土壤溶液中交换性钠，降低土壤Na+含量。

如图5B所示，土壤10～20 cm的电导率与交换性钠含量变化趋势相同，均表现出淹水条件下10～20 cm土层电导率要高于0～10 cm土层，说明在淹水条件下0～10 cm苏打盐化草甸土盐基离子可被水淋洗至10～20 cm或以下土层，其中，0～10 cm土层中，S3、S4和S5处理电导率较S0处理分别降低49.0%、60.4%和58.2%(P<0.01)，10～20 cm土层S5处理电导率为各处理最高，较其他处理增幅6.69%～37.5%(P<0.05)，20～40 cm土层各处理均表现为S3、S4和S5电导率高于S0处理，而S1和S2低于S0处理。

图5 淹水条件下改良剂对盐化草甸土交换性钠含量和电导率的影响Fig.5 Effects of a soil ameliorant on exchangeable sodium content and electrical conductivity of soda-salinized meadow soil under flooding condition

表2为相同土层条件下施用改良剂处理与对照(S0)处理相比的Na+淋失比率。可以看出，0～10 cm和10～20 cm土层施用改良剂处理均可显著提高Na+淋失比率，而20～30 cm和30～40 cm土层各处理Na+淋失比率均显著低于对照，表明施用改良剂处理使0～20 cm土层Na+淋失至20～40 cm土层，0～20 cm土层作物根系活跃脱盐效果显著，其中，20～30 cm土层S4和S5处理Na+淋失比率较S1、S2和S3相比显著增加，说明改良剂施用数量对Na+淋失比率影响较大。从0～40 cm土层可以看出，S3、S4、S5处理Na+淋失比率远高于其他处理，表明施用适量改良剂有利于土壤中Na+淋失。

表2 不同土层Na+淋失比率/%

2.4 淹水条件下改良剂对盐化草甸土和的影响

图6 淹水条件下改良剂对盐化草甸土碳酸根和碳酸氢根的影响Fig.6 Effects of a soil ameliorant on content and content of soda-salinized meadow soil under flooding condition

2.5 淹水条件下改良剂对盐化草甸土水稳性团聚体含量、MWD和GMD的影响

水稳性团聚体数量和分布状况反映了土壤结构的稳定性、持水性、通透性和抗侵蚀的能力[21]。从表3可以看出，施用不同用量改良剂对不同深度土层不同级别水稳性团聚体影响较大，0～10 cm表现为施用改良剂处理≥0.25 mm水稳性团聚体的百分数均高于S0处理，其中S2、S3、S4和S5处理较S0相比分别增加25.6%、61.5%、115.8%和159.0%(P<0.01)，从不同级别水稳性团聚体可以看出，S1、S2和S3的≥0.25 mm水稳性团聚体数量提高主要是通过增加0.25～1.00 mm团聚体数量，而改良剂用量增加到S4以上时，可以提高所有级别团聚体的数量；10～20 cm土层表现与0～10 cm土层表现相一致，但施用改良剂处理的≥0.25 mm水稳性团聚体百分数均高于S0处理(P<0.05)；20～30 cm土层表现出与0～20 cm土层相类似的规律，其中S2、S3、S4和S5处理的≥0.25 mm水稳性团聚体百分数较S0分别增加15.9%、37.0%、67.7%和82.3%(P<0.01)；30～40 cm土层S0与S1、S2和S3相比无显著差别，而S4和S5显著高于S0处理，表明改良剂施用量低则30～40 cm土层水分入渗率低，而改良剂施用量增加至S4(0.5 g)以上时，水溶液可渗入30～40 cm，明显调节土壤水稳性团聚体数量，提高土壤保水和渗水能力。

表3 淹水条件下改良剂对盐化草甸土水稳性团聚体含量的影响

图7A为不同土层土壤平均质量直径(MWD)，如图所示，MWD随改良剂施用量增加呈增加的趋势，在0～10、10～20 cm和20～30 cm土层，S3比S0分别增加5.78%、6.85%和6.17%,S4分别增加24.6%、18.4%和12.1%，S5分别增加23.3%、34.4%和17.7%(P<0.05)差异达显著水平；在30～40 cm土层与S0相比，仅S4和S5分别增加16.7%和22.9%(P<0.01)，其他处理与S0差异均未达显著水平。图7B为不同土层土壤几何平均直径(GMD)，GMD随改良剂施用无规律性变化，0～10 cm表现为S0处理最高，显著高于S2、S3、S4和S5处理，分别增加11.0%、18.5%、7.03%和18.4%(P<0.05)，10～20 cm土层各处理未达显著差异水平，20～30 cm土层表现为S0处理最高，显著高于S2、S3、S4和S5，分别增加10.7%、14.7%、17.0%和13.6%(P<0.05)，而30～40 cm土层表现为S4和S5显著高于其他处理，且分别较S0处理增加21.6%和23.7%(P<0.01)。

注：*代表差异显著(P<0.05)。Note:* indicates significant differences (P<0.05).图7 淹水条件下改良剂对盐化草甸土MWD和GMD的影响Fig.7 Effects of a soil ameliorant on MWD and GMD of soda-salinized meadow soil under flooding condition

3 讨 论

长期以来，通过种植水稻改良盐碱地是一项促进生态环境发展的有利工程之一[22]。本试验通过室内土柱方法模拟水稻淹水环境，探究改良剂对盐碱土的改良效果。一般认为淹水条件下的淋洗效应受土壤结构、盐基离子种类和团聚体状况等因素的影响[1]。本研究表明每个土柱施用改良剂0.05 g以上(S3、S4和S5)处理(图3)显著降低0～30 cm土层土壤容重，增加土壤孔隙度，利于水分入渗。一般认为同一灌溉条件和同一土壤类型条件下，相同深度土壤含水量基本相同[23]，但本研究结果表明施用改良剂后提高不同深度土层的土壤含水量效果不同，主要因为盐化草甸土具有土壤粘重，孔隙度小，土壤高度分散、透水性差等特点[24-25]，在淹水条件下，水分滞留于20 cm左右土层，无法下渗，而施用改良剂后(0.1 g以上)土壤容重降低，孔隙度增加，在淹水条件下增加的孔隙被毛管水充满，使改良剂处理入渗量显著增加，利于盐分的淋洗，与赵金星[18]和董伟[26]等关于改良剂可以提高土壤水分入渗量的研究结果相一致，而与罗雪园[10]和王鹏山[11]等的研究结论相反，这种差异主要是由于供试土壤的质地条件及环境条件的差异所造成的。

电导率可用来表示土壤中可溶性盐分的溶出状况，可在一定程度上反映盐离子的含量。在前期赵金星等[18]的研究表明，盆栽水稻施用改良剂后0～20 cm土壤电导率显著增加，而本试验中，除S5处理外其他施用改良剂处理在0～10 cm和10～20 cm的电导率均低于S0处理，原因可能是盆栽水稻盆底封死不漏水，使盐基离子不能通过淋洗的方式洗脱而残留在盆中，使电导率高于不施改良剂处理，而本试验采用原位土柱模拟的方式，盐基离子均随水淋洗到下层，因而使电导率低于S0处理；而10～20 cm土层的S5处理和20～40 cm的S3、S4和S5处理电导率均高于S0处理(图5B)，这与大多数研究关于外源改良物质降低土壤电导率的结果不一致[32-33]，原因是本改良剂中含有的铝、铁和钙等离子，一部分与土壤Na+发生置换，置换Na+及部分铝、铁、钙等离子在水分的淋洗下，渗到下层使电导率提高，而S5处理电导率远高于其他处理，说明S5处理改良剂施用过多，易造成土壤污染和产品浪费。

土壤中水稳性团聚体是评定土壤微生物资源和土壤肥沃程度的重要指标，其值越高，土壤透水性和稳定性越强[34]。一般认为>0.25 mm的团聚体被称为土壤团粒结构体，>0.25 mm级别团聚体的质量百分比可以衡量土壤结构的优劣[20]。本试验中增施改良剂可以显著改善土壤结构，增加水稳性团聚体数量，在30～40 cm土层中(表3)，S0处理与S1、S2和S3处理相比，各级别水稳性团聚体的质量百分比均未达到显著水平，但与S4和S5处理相比均达显著水平，说明适当加大改良剂用量可以增加土壤孔隙，增强水分入渗强度，改良剂溶液淋洗至的土层均有明显改善土壤结构的功能。一般认为水稳定性团聚体的平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)是反映土壤团聚体稳定性的常用指标，团聚体的稳定性越好越有利于土壤对水分、养分的转化，促进植物的生长，达到改善土壤生产力的目的[35]。本试验中MWD与前人研究的结果相一致[34-35]，施用改良剂处理后获得较大的MWD，因此具有相对稳定的土壤结构；而GMD与前人研究结果不完全一致[34-35]，这可能与盐化草甸土土壤质地黏粒含量高有关，在0～30 cm土层中施用改良剂处理与S0处理相比，0.5～1.0 mm和0.25～0.50 mm水稳性团聚体数量增加高于1.0 mm以上的水稳性团聚体数量，因而使得S0处理GMD的值有高于施用改良剂的趋势，而30～40 cm土层S4和S5处理要远高于S0处理，原因主要是改良剂溶液渗入改善土壤结构，而S0处理水分未渗入该层，土壤仍保持原结构。

由于本试验研究土壤为重度苏打盐化草甸土，重点探索改良剂的应用效果，未能针对不同盐渍化程度的苏打盐化草甸土给出改良剂的施用数量，今后将作进一步探索，为改良苏打盐化草甸土和盐碱地种水稻提供更为丰富的科学依据。

4 结 论