生态有机肥配施对滨海盐渍化土壤性质和玉米产量的影响

张晓东，鲁雪林，吴哲，王秀萍*，刘广明，陶树明，刘雅辉，韩建均

（1.河北省农林科学院滨海农业研究所，河北 唐山 063200；2.中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008；3.北京中耕绿洲生态科技有限公司，北京 100070；4.北京本农科技发展有限公司，北京100176）

受陆海交替作用的影响，滨海盐碱地土壤盐碱含量高、结构性差、养分贫瘠，种植作物产量低，严重制约着滨海土地资源质量的提升与农业的高效利用[1，2]。我国滨海盐碱地资源丰富，面积达9 913万hm2，是重要的后备土地资源。2011年李振声院士提出“建设渤海粮仓”，挖掘中低产田的增产潜力，以保障我国粮食总产持续稳定增长[3]。沧州滨海区是“渤海粮仓科技示范工程”的重要示范区，地处环渤海腹地，是历史上主要的盐碱区。该区土壤盐渍化程度高，含盐量一般为0.112%～1.67%，高者达3%以上，pH值一般在8.0以上；中低产田和盐碱荒地面积大，规模为30.44万hm2，占环渤海盐碱地总面积的近1/3，占河北省盐碱地总面积的82.48%[4]；粮食单产水平低，增产潜力大。经过多年治理，虽然障碍盐碱地规模有所减少、程度有所降低，但治理率不足13%；加上滨海盐渍化土壤受海水侵蚀的影响，低下水位低、矿化度高，返盐严重，导致作物产量低且不稳，生产可持续性差。据沧州市主要粮食生产状况分析，近年来该区玉米单产和总产均出现下跌趋势，严重影响了区域经济的可持续发展[5]。

在滨海盐渍化地区进行粮食生产，一方面要选用耐盐作物品种，同时还要提升土壤质量，培育相应的土壤肥力，以支撑作物的生产能力[6]。国内外科研工作者在滨海盐碱地治理与利用的理论研究（滨海盐碱地土壤盐分组成、空间分布特征、养分特征和生物特性）[7]、综合治理技术开发（台田降水、开沟洗盐、地下隔离、地上覆盖、套种绿肥等）[8]和改良物料材料选择（增施酸性无机肥、有机肥、磷石膏、有机无机复合物料等）[9]等方面进行了大量工作，在降低土壤含盐量、提高土壤肥力、增加提高粮食产量方面取得了良好成效。其中，有机物料具有环境友好、可持续性强的特点，越来越受到人们的关注[9，10]。研究表明，施用有机肥能够显著提高土壤有机质和速效养分含量，改善土壤结构，减少地面水分蒸发，抑制水盐向上运行，加速水盐向下淋洗，显著增加作物产量[10]；施用生物有机肥能够有效提高土壤微生物数量和土壤酶活性，促进养分循环与释放，缓解高pH值和EC（电导率）值等土壤理化参数，从根本上提升盐碱土质量，改善盐碱地土壤营养贫乏的现状[11]；秸秆还田能够降低土壤含盐量，提高土壤养分含量，芦苇秸秆还田在降低盐碱土pH值方面效果显著[12]；菌肥与有机肥配施能够显著降低滨海盐碱地土壤的含盐量、pH值和钠吸附比，改善盐碱地土壤肥力，增加盐碱地土壤微生物量数量，提高作物产量[13，14]。

玉米耐盐碱能力较强，且生长期正处于雨季，是滨海盐碱地区主要的粮食作物。玉米生长期短，但生物量大，因此对养分需求较多[15]。而盐渍土壤结构不合理、养分贫瘠，化肥施用后又很快溶解为离子，使得盐害叠加，易对种苗造成盐害，导致作物产量低且不稳。芦苇秸秆不仅在滨海区取材便利，而且质地坚硬，能降低土壤容重和含盐量，提高土壤N、P、K和有机质含量，从而提高土壤肥力[16]。以沧州地区典型的盐碱障碍耕地为研究对象，选择芦苇秸秆、有机肥和生物有机肥作为生物有机物料，研究3种物料不同用量配施对滨海盐渍化土壤脱盐降碱、肥力提高以及作物增产的效应，旨为构建滨海盐碱障碍耕地适宜的培肥改土增产技术体系，并实现区域盐渍化土壤资源的可持续利用，从而促进区域经济的进一步发展。

1 材料与方法

1.1 试验区基本情况

试验在沧州市南大港开发区进行。该区地处东经117°39′、北纬38°42′，属暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温14.01℃；地下水埋深常年在0.8～1.7 m，多为咸水，淡水资源极度匮乏，属于旱作雨养区。试验地土壤质地属粉砂壤质，容重1.49 g/cm3，pH值8.3～8.4，含盐量0.37%～0.48%，基础养分含量为有机质0.258%、有效磷27.27 mg/kg、碱解氮21 mg/kg、速效钾800.88 mg/kg，土壤特性表现为缺氮、少磷、有机质低，整体土壤养分水平低。土壤盐渍化严重，地下水位浅、矿化度高，淡水资源短缺，导致该区作物产量低，主要粮食作物小麦产量水平在4.5 t/hm2以下，玉米产量水平低于沧州市的平均水平（6.0 t/hm2）[17]。

试验于2019年6月27日开始，2020年11月结束。该区域2019年、2020年的日照时数分别为2 603.4和2 384.4 h；≥10℃积温分别为4 943.1和4 942.5℃；降水量分别为556.6和735.2 mm，降水集中在七八月（图1），分别占全年降水量的76.6%和76.35%。

图1 试验区2019～2020年的逐月降水量Fig.1 Monthly precipitation of experimental area from 2019 to 2020

1.2 试验材料

试验玉米品种为郑单958。

试验生物有机物料有芦苇秸秆、有机肥和生物有机肥3种。其中，芦苇秸秆为当地野生芦苇秸秆粉碎而成的长3～4 cm的短节；有机肥采用腐熟的干牛粪，有机质含量≥56%；生物有机肥由北京中耕绿洲生态科技有限公司提供，有效活菌数≥0.20亿个/g，有机质含量≥40%。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 选择芦苇秸秆、有机肥和生物有机肥作为改良土壤的物料，其施用量均设3个水平（表1）。采用三因素三水平的L9（33）正交试验设计（表2），所有试验小区均一次性基施三元复合肥（N、P2O5、K2O含量均为15%）600 kg/hm2，拔节至穗分化期追施尿素375 kg/hm2。2019年平整土地后，依次均匀撒施3种物料作为改良物料，然后浅耕20～30 cm。小区面积10.8 m2（1.2 m×9.0 m），随机区组排列，3次重复。

表1 3种生物有机物料不同水平的施用量Table 1 Different application levels of three kinds of biological organic materials

表2 基于L9（33）的正交试验设计Table 2 L9（33） orthogonal experimental design

玉米采取起大垄栽培，每垄种植3行，垄高15 cm，垄间距60 cm，穴播，4粒/穴，穴距40 cm；灌溉方式为滴灌，灌溉水矿化度为1.6 g/L，结合追肥进行滴灌。其他田间管理同常规。

1.3.2 测定项目与方法

1.3.2.1 土壤性状。分别在玉米种植前和收获后，每小区均采用“S”型取样法选择5个点位，用土钻法分层（0～20、20～40、40～60 cm）钻土，将同层土壤混匀作为该小区的土样，进行土壤性状指标的测定。其中，土壤含盐量测定采用土水质量比1∶5电导法；pH值测定采用土水质量比1∶5电位法；有机质含量测定采用重络酸钾氧化-容量法；碱解氮含量测定采用碱解扩散法；速效磷含量测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；脲酶活性测定采用靛酚比色法，以24 h后1 g土壤（干土）含有的NH3－N质量表示，单位为mg/（g·d）；蔗糖酶活性测定采用3，5-二硝基水杨酸比色法，以24 h后1 g干土生成的葡萄糖质量表示，单位为mg/（g·d）；过氧化氢酶活性测定采用高锰酸钾滴定法，以1 g干土消耗的0.002 mol/L高锰酸钾体积数表示，单位为mL/g。

1.3.2.2 玉米产量。玉米收获期，全小区收获测产。

1.3.3 土壤质量综合评价方法 通过主成分-隶属函数法，对各改良物料进行应用效应的综合评价。

1.3.4 数据分析 使用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理，利用SPSS 19.0软件进行Duncan（D）多重比对显著性分析和主成分分析，采用Origin 8.0软件做图。

2 结果与分析

2.1 生物有机物料配施对收获期土壤性状的影响

2.1.1 对土壤含盐量和pH值的影响 无论是原土（CK）还是生物有机物料配施处理，土壤含盐量均随土壤深度的增加而逐渐降低，均以0～20 cm耕层土壤含盐量最高（图2）。究其原因，与当季降水量少有关。试验年度逐月降水量图显示，10月降水量几乎为0，淋盐效果弱，而水分蒸发相对较强，导致0～20 cm表层土壤盐分积累，土壤盐渍化特征明显。

图2 生物有机物料配施对0～60 cm剖面土壤含盐量的影响Fig.2 Effects of combined application of biological organic materials on soil salt content in soil profile of 0-60 cm layer

生物有机物料配施处理的各层土壤含盐量和pH值均＜CK；但不同用量物料配施对各层土壤含盐量和pH值的影响程度不同，其中对0～20 cm土壤含盐量影响较大、对40～60 cm土壤含盐量影响最小，对各层土壤的pH值影响规律性不强（图3）。表明不同用量的芦苇秸秆、有机肥和生物有机肥配施均能够降低0～60 cm剖面土壤的盐渍化程度，其中对耕层土壤含盐量的调控作用最大。生物有机物料配施后，0～20 cm耕层土壤的含盐量由初始值0.42%降至0.14%～0.25%，其中T2、T3和T7处理效果较好，三者土壤含盐量均达到了0.2%以下，盐渍化土级别由强降至轻度，其中最高降盐幅度达57.14%；pH值由初始值8.35降至8.05～8.29，最高降幅为2.64%（表3）。可以看出，不同用量的芦苇秸秆、有机肥和生物有机肥配施均能够有效降低0～20 cm耕层土壤的盐碱化程度，达到一般耐盐碱作物可以正常生长的盐碱水平（0.2%～0.3%），其中T2、T3和T7处理降盐效果更好。

图3 生物有机物料配施对0～60 cm剖面土壤pH值的影响Fig.3 Effects of combined application of biological organic materials on pH value in soil profile of 0-60 cm layer

2.1.2 对土壤养分含量的影响 生物有机物料配施处理的土壤有机质、碱解氮和速效磷含量均显著＞CK（P＜0.05）；但不同用量物料配施对土壤各养分含量的影响程度不同，其中对有机质含量影响最大。表明不同用量的芦苇秸秆、有机肥和生物有机肥配施均能够明显提高土壤的有机质、碱解氮和速效磷含量，尤其是提高有机质含量效果更好。生物有机物料配施后，土壤有机质含量由初始值0.258%增至0.534%～0.821%，增幅为1.07～2.18倍，其中T3处理效果最好、T9处理效果次之，提升幅度分别为2.18倍和1.98倍；碱解氮含量由初始值21.00 mg/kg增至42.2～72.5 mg/kg，增幅为1.00～2.45倍，除T9处理外其他处理之间均无差异，其中T1～T4处理效果较好，提升幅度为2.25～2.45倍；速效磷含量由初始值27.27 mg/kg增至34.3～55.5 mg/kg，增幅为0.26～1.04倍，其中T1和T5处理效果较好，增幅达到1.00～1.04倍。

综上分析可以看出，在滨海盐渍化地区，将芦苇秸秆、有机肥和生物有机肥配施作为基肥施入，不仅可明显促进耕层土壤中盐分离子淋洗，降低土壤pH值，还可明显提高土壤有机质、碱解氮和速效磷含量，提升土壤养分级别1～2级，从而有效解决滨海盐渍化土壤缺氮、少磷、有机质低的状况。以降盐和提高有机质含量为主要改良目标时，T3处理效果最好，该处理下土壤含盐量为0.18%，土壤有机质含量为0.821%（最高）。

2.1.3 对土壤酶活性的影响 土壤质量不仅与土壤理化性质有关，还与土壤生物学性质紧密相关[18]。土壤酶含量是土壤生物学活性的综合表现，体现了土壤的综合肥力特征及其变化状况，是评价土壤肥力水平的重要指标[19]。其中，土壤脲酶活性反映了土壤的供氮能力；蔗糖酶活性反映了土壤有机碳积累与分解的转化规律；过氧化氢酶活性反映了土壤的呼吸强度[20]。

表3 生物有机物料配施对土壤性状的影响Table 3 Effects of combined application of biological organic materials on soil properties

生物有机物料配施处理的土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性均＞CK；但不同用量物料配施对各土壤酶活性的影响程度均较大。生物有机物料配施后，土壤脲酶活性以T3处理最高，较CK〔0.16 mg/（g·d）〕增加了1.85倍，且与其他处理差异也均达到了显著水平；蔗糖酶活性以T5、T3和T9处理较高，三者差异不显著，较CK〔6.54 mg/（g·d）〕提高了77.6%～115%；过氧化氢酶活性以T8处理最高，其次是T6、T3、T7、T2和T4处理，六者差异不显著，较CK（2.91 mL/g）提高了21.4%～50%（表4）。可以看出，不同用量的芦苇秸秆、有机肥和生物有机肥配施均能够提高盐碱地土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶的活性，其中对脲酶活性影响最大。总体来看，T3处理效果最好，该处理下，土壤脲酶活性〔0.457 mg/（g·d）〕最高，蔗糖酶活性〔13.07 mg/（g·d）〕和过氧化氢酶活性（4.370 mL/g）较高且均与其指标最高值差异不显著。

表4 生物有机物料配施对土壤酶活性的影响Table 4 Effects of combined application of biologidal organic materials on soil enzyme activities

2.2 生物有机物料配施对玉米产量的影响

生物有机物料配施处理的玉米产量为8 843.39～12 089.39 kg/hm2，均＞当地目前玉米平均产量水平7 500 kg/hm2，增产幅度为17.91%～61.19%；但不同用量物料配施对玉米产量影响较大（P＜0.05），其中T3处理产量最高（图4）。表明不同用量的芦苇秸秆、有机肥和生物有机肥配施均能够提高玉米产量，其中T3处理效果最好，该处理下玉米产量达到12 089.39 kg/hm2，较最低产量处理（T8）增产36.71%，效果明显。

2.3 影响土壤性状和产量的因子分析

图5 生物有机物料因素水平对土壤性状的影响力Fig.5 Impact of biological organic materials levels on soil properties

2.3.1 影响土壤性状的因子分析 极差分析结果（图5）显示，不同物料对土壤各性状的影响顺序不同，其中，对土壤含盐量影响的因素顺序为A＞C＞B，指标值随着因素A施用量的增加呈先上升后降低的变化；对pH值影响的因素顺序为A＞B＞C，但不同施用量处理之间指标值差异均不显著；对有机质含量影响的因素顺序为B＞A＞C，指标值随着因素B施用量的增加而逐渐增加；对碱解氮含量影响的因素顺序为A＞B＞C，指标值随着因素A施用量的增加而逐渐降低；对速效磷含量影响的因素顺序为B＞C＞A，指标值随着因素B施用量的增加而逐渐降低；对土壤主要生物学性质指标土壤脲酶活性影响的因素顺序为C＞B＞A，指标值随着因素C施用量的增加呈先降低后升高的变化。可以看出，芦苇秸秆主要在土壤脱盐、降低pH值、提升碱解氮含量方面起关键作用；有机肥主要在提升土壤有机质和速效磷含量方面起关键作用；生物有机肥主要在提高土壤脲酶活性方面起关键作用。

图6 生物有机物料因子对玉米产量的影响力Fig.6 Impact of biological organic materials levels on maize yield

2.3.2 影响玉米产量的因子分析 极差分析结果（图6）显示，各物料因素对玉米产量的影响顺序为C＞B＞A，指标值随着因素C和B施用量的增加而增加。说明生物有机肥和有机肥对玉米增产的作用高于芦苇秸秆，玉米产量随着生物有机肥和有机肥施用量的增加而提高。

2.4 基于主成分-隶属函数的生物有机物料配比综合评价

土壤性质的综合评价值反映了各处理改良土壤性质的效果，数值越大，表明对土壤性质的改良效果越好。采取主成分提取可得到4个主成分，其总的方差贡献率为89.16%（表5），也就是说，这4个主成分能够解释原来9个原始变量所包含信息的89.16%。基于主成分-隶属函数的生物有机物料综合评价结果（表6）显示，T3处理综合得分最高，表明该处理对土壤性质改良效果最优。

表5 主成分提取成分表Table 5 Total variance of extractions for PCA analysis

表6 主成分隶属函数综合评价值Table 6 PCA-membership function values

3 结论与讨论

滨海盐渍化地区土壤盐碱程度高、结构性差、养分含量低是限制区域作物产量提升的主要障碍因素，因此，改良盐碱土理化性状、提高耕地质量对滨海盐碱地农业可持续发展意义重大[21]。有机物料改良是一种可持续性强、生态环境友好的措施[22]。芦苇秸秆是滨海区自然生长、再生性强、对盐碱地有较好改良效果的有机物料[12]；生物有机肥具有降低土壤pH值和电导率，有效提高土壤酶活和微生物生物量，增加有机质和有效磷含量等作用；有机肥是提高盐碱地有机质的重要肥料。以芦苇秸秆、有机肥和生物有机肥为生物有机物料，探究不同用量的3种物料配施对滨海盐碱土障碍因子的削减作用，确立合理、高效的利用模式，可以为解决滨海区作物低产问题提供可靠技术与理论支撑。结果表明，有机物料配施初期主要对0～20 cm耕层土壤性状改良产生效果；芦苇秸秆在降低耕层土壤盐分和pH值，提高碱解氮含量方面起关键作用；有机肥在提高耕层土壤有机质和速效磷含量方面起关键作用；脲酶活性是指示滨海盐碱地土壤生物学性质的重要指标[23]，生物有机肥在提高耕层土壤酶活性和作物产量方面发挥关键作用。

生物有机物料配施可以有效提高耕层土壤质量。其中，土壤含盐量由初始值（原土）0.42%降至0.14～0.25%，pH值由初始值8.35降至8.05～8.29，土壤pH值更接近作物生长的适宜pH值，土壤盐渍化土级别由重度降至轻度；土壤有机质含量由初始值0.258%增至0.534%～0.821%，碱解氮含量由初始值21.00 mg/kg增至34.3～55.5 mg/kg，速效磷由初始值27.27 mg/kg增至42.2～72.5 mg/kg，分别提高了1.07～2.18倍、1.00～2.45倍和0.26～1.04倍。土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性均高于原土，其中，T3处理效果最好，其土壤脲酶活性〔0.457 mg/（g·d）〕最高，蔗糖酶活性〔13.07 mg/（g·d）〕和过氧化氢酶活性（4.370 mL/g）较高且均与其指标最高值差异不显著。可以看出，3种物料配施对土壤脱盐，提高有机质含量和土壤脲酶活性作用显著；尽管芦苇秸秆有降低土壤pH值的作用，但效果不显著，因此pH值是难以调控的障碍指标。由于芦苇秸秆腐烂形成腐殖质中的胡敏酸等一些酸类物质对土壤pH值起到了一定的降低效果[24]，但受施用量及作用时间的限制，影响了施用效果。芦苇秸秆较其它秸秆纤维素含量高、难降解，造成土壤通透性增强，盐分下渗速度加快；其与生物有机肥配施时，可以促进有机物的转化，从而提高土壤酶活性，实现重度盐渍化土壤质量的提升，利于盐碱地的可持续性发展。在滨海盐碱地作物生产实践中，应该加大芦苇秸秆还田的应用。

盐渍土壤各属性具有不确定性，生物有机物料配施对土壤各指标的影响效果不同。为了明确各物料配比对土壤的综合改良效果，本研究以土壤降盐提质、玉米增产为目标，采用L9（33）正交优化设计与综合评判分析相结合的方法，对综合效果较好的物料配比进行了筛选。结果显示，T3处理（A1B3C3，芦苇秸秆45 m3/hm2＋有机肥105 m3/hm2＋生物有机肥1 500 kg/hm2）综合效果最好，与原土指标相比，可以实现降盐57.14%，pH值降低0.06，有机质含量提升2.18倍，碱解氮含量提高2.31倍，速效磷含量提高25.8%，玉米产量较当地平均水平提高61.19%。由此表明，通过添加合理配比的有机物料，可以降低耕层土壤盐分，提高土壤有机质、碱解氮和速效磷含量以及土壤脲酶活性，从而改善土壤性状、提高土壤肥力，达到作物增产的目的。与赵其国院士[21]提出的“盐碱土改性、提质”的盐碱地高效利用理念相符合。