不同改良措施对定边盐碱地土壤理化性质、黑麦草生长及产量的影响

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摘要：为探究不同改良措施改良盐碱地效果，采用田间试验和室内分析相结合的方法，以牧草和绿肥兼用型黑麦草作为供试作物，研究覆沙、覆秸秆和施加改良剂3种处理措施对重度盐碱地土壤结构、理化性质、黑麦草生长和产量的影响，以及施用脱硫石膏对0～20 cm土层土壤和黑麦草中重金属含量的影响。结果表明，与对照相比，通过改良措施0～20 cm土壤含盐量降低1.16～2.22 g/kg，pH值下降0.05～0.94，容重降低0.06～0.12 g/cm3，土壤理化性状得到改善;黑麦草出苗率提高43.35%～69.95%，3茬黑麦草鲜草总产量提高34.24%～92.04%;施用脱硫石膏会显著增加土壤中汞（Hg）、铅（Pb）、砷（As）和铬（Cr）的含量和黑麦草叶片中Pb、As、Cr的含量，但土壤重金属含量未超过GB 15618—1995《土壤环境质量标准》规定的二级土壤使用标准，黑麦草中重金属含量检测符合GB 13078—2001《饲料卫生标准》的规定。此外，本研究还表明，对于定边县盐碱地3种盐碱地改良措施以施加脱硫石膏效果最好，可在同类型盐碱地大力推广应用。

关键词：脱硫石膏;盐碱地;黑麦草;土壤理化性质;重金属

中图分类号： S156  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）11-0282-04

近年来，随着我国社会和经济的高速发展，工业化、城市化的进程不断加快以及人口的持续增长，我国耕地数量和质量不断下降，粮食安全面临巨大风险。盐碱土作为我国目前资源量最大的后备土地资源，根据第二次全国土壤普查资料，我国现有盐土1 600万hm2，碱土81.99万hm2，各类盐化碱化土壤1 800万hm2。迄今为止，尚有80%左右的盐渍土尚未得到有效的开发利用，有着巨大的开发潜力[1]。陕西省目前仍有盐碱地面积约14万hm2，其中耕地占79.7%，林地、园地、牧草地共占16.9%，未利用地占3.4%;且盐碱化程度趋于严重，中、重度盐碱地占75%左右，千亩（1 hm2=15亩）以上集中连片的盐碱地超过300个[2]。不断加大盐碱地治理力度，对增加农民收入、保障重要农产品有效供给、保护生态安全等具有重要意义。

近几年国内对陕北盐碱地研究较多，并取得了一定的成就，陕西省农业科学院通过实地调研发现，覆沙压盐措施在榆林市多个县区的盐碱地改良中得到广泛应用，尤其是在温度较低、地下水位高和土壤盐渍化较重的地区，改良效果尤为显著，根据土壤的盐碱程度确定覆沙厚度，中、重度盐碱地一般取5～10 cm比较合适[3]。李芙荣等通过田间微区试验研究表明，秸秆表层覆盖可以有效降低潜水层蒸发量，增加土壤蓄水空间和入渗能力，提高水分利用率，具有明显的保墒和抑盐效果，有利于作物生长[4]。肖国举等通过田间试验研究得出，施用脱硫石膏可以显著改善中、重度盐碱地土壤含盐量、碱化度、总碱度和pH值，且脱硫石膏最佳施用量为 20 000 kg/hm2[5]。

盐渍化土壤的形成是一个长期且复杂的过程，由于不同区域的盐碱土成土母质、自然环境等因素存在较大差异，各改良措施间盐碱化改良效果相差较大[6-7]。本研究以耐寒、耐旱、耐盐碱的绿肥兼饲草——黑麦草为供试作物，在陕北定边干旱区进行重度盐碱地改良试验，对比分析不同改良措施下土壤理化性质动态变化及作物生长状况，以期为陕北地区盐渍化土壤改良利用提供理论参考与技术依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省西北部榆林市定边县（107°15′～108°22′E、36°49′～37°53′N），平均海拔1 605 m，属于温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温7.9 ℃，年平均降水量 316.9 mm，年平均无霜期141 d左右，年平均日照2 600 h，能完全满足作物对光热的需要，是全国最佳的黑麦草适生区之一。定边县有19.20万hm2耕地，7.33万hm2盐碱地，其中重度盐碱地4.27万hm2、中度盐碱地1.93万hm2、轻度盐碱地1.13万hm2[2]。2016年试验开始前测定土壤基本理化性状，测定结果见表1。

1.2 試验材料与设计

试验共设4个处理，分别为空白对照、覆沙、覆秸秆（玉米秸秆）、施加盐碱地改良剂（脱硫石膏）。覆沙厚度、覆秸秆量和施加脱硫石膏量均参考中、重度盐碱地的田间最佳施用量，分别为10 cm、7 500 kg/hm2和20 000 kg/hm2。试验采用随机区组设计，每个处理设置3个重复，试验小区面积为 3 m×5 m。种植黑麦草品种为中国农业科学院草原研究所研制的伊犁特。

2016年9月10日人工开沟等距离条播，黑麦草用种量为20 kg/hm2，基本苗种植密度为350万～400万株/hm2。采用底肥与追肥相结合的方式施肥，播种时一次性施入磷酸二胺200 kg/hm2。分蘖期施入尿素50 kg/hm2、氯化钾 35 kg/hm2。黑麦草刈割后第2天，采用尿素150 kg/hm2、氯化钾 10 kg/hm2 兑水浇泼1次，并及时除虫和杂草。

1.3 样品采集与处理

1.3.1 土壤与植株样品的采集与处理 2016年9月10日至2017年10月23日，在黑麦草不同时期，从每个小区采集 0～20 cm 土层样品测定土壤水溶性盐总量、pH值、容重。2017年10月黑麦草鲜草收割后，在对照和施加脱硫石膏2个处理区采集0～20 cm混合土样9个，测定施用脱硫石膏后土壤中镉（Cd）、汞（Hg）、铅（Pb）、硒（Se）、砷（As）、铬（Cr）等重金属含量。

2016年黑麦草鲜草收获时，分别在对照、施加脱硫石膏2个处理区各采集16份黑麦草叶片，用于测定施用脱硫石膏后黑麦草叶片中Cd、Hg、Pb、As、Cr等重金属的含量变化。采集的样品在室内用自来水和去离子水冲洗干净，在鼓风烘箱内90 ℃杀青30 min，后于90 ℃烘至恒质量，粉碎过筛后装瓶备用。

1.3.2 测定方法 质量法测定水溶性总盐含量;电位法测定土壤pH值（水 ∶ 土=5 ∶ 1，质量比）;环刀法测定土壤容重;土壤和黑麦草叶片中的重金属Cd、Hg、Pb、As、Cr含量采用电感耦合等离子体质谱法（GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的測定》）测定[8]。

2 结果与分析

2.1 不同改良措施对盐碱地土壤理化性质的影响

2.1.1 土壤含盐量 盐碱地土壤中的盐分具有“盐随水走”的运动规律，土壤含盐量受降水和灌溉的影响较大[9]。由图1可知，覆沙，覆秸秆、施加脱硫石膏3种处理2016—2017年土壤耕层盐分含量总体呈先升高后缓慢降低趋势，2016年平均盐分含量分别为4.68、4.21、3.85 g/kg，3种处理相比天然对照区0～20 cm土层土壤的含盐量平均值分别降低0.56、1.03、1.39 g/kg。2016年各处理耕层土壤含盐量略有增加，一方面是因为第1年开垦农田土壤理化性质差，透水性不好，盐分背景值较高，耕种、灌溉过程中淋洗效果不明显，地表多处出现积水现象;另一方面是由于2016年研究区地下水位较高、矿化度高、蒸发量大，深层土壤盐分受地表强烈蒸发随水上移到耕层。

2017 年度各个处理 0～20 cm土层土壤含盐量明显低于

2016年，一方面农田耕作措施以及盐碱地改良措施增加了 0～20 cm土层土壤各种养分含量，改善了土壤结构和理化性状，灌溉时能够有效地将土壤盐分淋洗到更深土层;另一方面2017年5—8月研究区地下水位低，高矿化度地下水对 0～20 cm 土层土壤的含盐量影响较小。

从2年的土壤含盐量的监测结果综合来看，覆沙，覆秸秆、施加脱硫石膏3种改良措施均有助于降低土壤盐分，不同改良措施降低土壤盐分的顺序为施用脱硫石膏>覆沙>覆秸秆。

2.1.2 土壤pH值 从表2可以看出，不同改良措施下的耕层土壤pH值在2016年和2017年黑麦草生长期均比对照低。2017年8月24日，覆秸秆、覆沙和施加脱硫石膏的耕层土壤pH值分别比对照降低0.05、0.18和0.94。方差分析结果显示，在耕层土壤pH值的相同监测期内，覆秸秆处理和覆沙处理的土壤pH值与对照之间总体不存在显著差异。施加脱硫石膏处理的耕层土壤pH值比对照显著降低，2016平均比对照降低0.63，2017年平均比对照降低0.96，说明通过施加脱硫石膏进行盐碱地改良，对第2年的土壤仍有影响。

2.1.3 土壤容重 盐渍土的容重一般偏大、结构紧实、土壤团粒结构少、透水透气性较差，改良与利用较为困难[10-11]。2017年第2茬黑麦草收获后各层土壤容重测定结果（表3）表明，通过改良措施可有效降低土壤容重、改善土壤物理性质。3种改良措施以施用脱硫石膏对土壤物理性状的改善效果最好。从2016年的数据可以看出，覆秸秆对0～60 cm土层土壤容重无显著性影响，覆沙和施加脱硫石膏显著降低了0～20 cm土层土壤容重，但对更深层的土壤容重无显著性影响。另外，从2017年数据可以看出，3种改良措施对土壤容重均有显著的改善作用。

2.2 不同改良措施对黑麦草鲜草产量的影响

由表4可以看出，3种不同改良措施均可显著提高黑麦草的出苗率，覆沙、覆秸秆和施用脱硫石膏的出苗率分别比对照提高54.19%、43.35%、69.95%，2016年黑麦草鲜草产量分别比对照增加60.84%、39.24%、112.48%，表明3种不同改良措施均有提高黑麦草出苗率和产量的效果。2016年施用脱硫石膏鲜草产量最高，收获了1茬黑麦草后，2017年鲜草产量仍以脱硫石膏试验小区的最高，结果表明，第1年的改良措施对第2年的鲜草产量仍有显著的增产效果。施用脱硫石膏的3茬黑麦草产量分别比对照平均提高5 759、4 463、4 530 kg/hm2，平均增产112.48%、78.96%、86.19%。

2.3 施用脱硫石膏对耕层土壤和黑麦草重金属含量的影响

作为燃煤电厂的废弃物，脱硫石膏含有一些重金属元素，这些重金属元素随着施用脱硫石膏改良盐碱地而进入土壤中，为了探明施用脱硫石膏对土壤环境、黑麦草、饲草安全性的影响，对施用脱硫石膏的0～20 cm土层土壤和2017年收获的黑麦草叶片中Cd、Hg、Pb、As、Cr含量进行检测。测定结果（表5）表明，施用脱硫石膏会显著增加土壤中Hg、Pb、As、Cr的含量和黑麦草叶片中Pb、As、Cr的含量。其中土壤中Hg、As、Pb和Cr含量分别比对照增加0.02、0.48、0.92、0.77 mg/kg。黑麦草叶片中未检测到Cd含量，Hg含量较对照未增加，Pb、As和Cr含量随着脱硫石膏施加比对照显著增加。0～20 cm土层土壤和黑麦草叶片中Cr含量最高，其次是Pb，Hg和Cd的含量较少。

3 讨论

土壤盐渍化的根本问题是矿化度较高的水在土体中运动，所以控制地下水位上升或降低地下水位、减少土壤水分蒸发是解决土壤盐渍化的关键[12-13]。地表覆盖措施可隔断土壤与大气的联系以降低土壤水分散失，有效减少地面蒸发，抑制地表返盐，调节土壤水热过程，使盐分向地表聚集的过程逐渐减弱，促进养分循环及作物生长，从而能使盐渍土壤生态过程向良性转化[14]。陕北地区是陕西省乃至全国玉米和小麦适生区之一，玉米和小麦等农作物种植面积较大，植物秸秆资源量较为丰富[15]，文献资料表明，覆盖秸秆可以有效降低土面蒸发量，同时改善土壤结构，降低土壤容重，提高土壤通透性，对盐渍土有非常明显的保墒保温、抑制盐分表聚、促进降水淋盐等作用，促进作物生长和发育及提高作物产量[16]。另外，作物秸秆中含有大量的碳、氮、磷、钾及微量元素等营养元素，是土壤养分的重要补给源。

覆沙压盐是改良土壤次生盐渍化的重要措施之一，也是目前陕北盐碱地开发利用的常用方法之一。覆沙压盐能改变土壤的理化性状，提高地温，防止盐分上升，有利于作物的生长发育进而提高作物产量，故有“沙压碱、赛金板”。在中、重度盐碱土上覆盖风沙土可以起到“沙压碱、沙压盐”的作用，即通过沙地土壤毛管空隙大、不能形成毛管吸力的作用，限制下层盐碱土的盐分向上移动，使之分布于立地土壤的某一深层下面，实现上面覆沙层发展耕作层的目的;或由于覆盖的风沙土与下面的盐碱土发生一定程度的混合，能够调节土壤黏沙比例，降低容重，改善土壤结构，降低盐分效果[17]。

石膏作为一种传统的化学改良剂，国内外学者已指出其改良作用机制在于降低了土壤pH值、碱化度和容重，同时提高了土壤的渗透速度、孔隙度及脱盐率，土表不易结壳[18]，石膏改良碱土成功的经验已经被国内外众多学者认同。一般对pH值偏高的土壤采用石膏进行改良，用石膏中的钙离子置换出吸附在土壤胶体上的钠离子，并在灌水淋洗的作用下，将钠离子淋洗到作物根层以外，從而减轻钠离子对土壤颗粒的分散程度，并降低土壤pH值，为作物生长创造良好的土壤水盐环境[19]。脱硫石膏的主要成分为CaSO3、CaSO4，性质与天然石膏类似，并含有丰富的Ca、S、Si等植物必需的矿质营养，能够替代天然石膏改良盐碱土壤[20]。研究表明，采用脱硫石膏进行盐碱土改良并种植油葵时，脱硫石膏改良的深度一般设为20～30 cm，建议采用犁翻后再旋耕的方法，有利于提高改良效果并促进作物的生长发育[21]。

4 结论

试验结果表明，在中、重度盐碱地覆沙、覆秸秆和施加脱硫石膏，与对照相比，2017年第2茬黑麦草收获后0～20 cm土层土壤含盐量降低1.16～2.22 g/kg，pH值下降0.05～0.94，容重降低0.06～0.12 g/cm3，土壤理化性质得到了有效改善，黑麦草生长状况得到了显著提高，黑麦草的出苗率提高43.35%～69.95%，3茬鲜草总产量提高34.24%～92.04%。总体而言，3种措施均有助于陕西省定边县盐渍土的改良，且以施用脱硫石膏效果最好。

施用脱硫石膏改良盐碱地，其所含有害元素虽然没有形成直接污染，但有害元素在黑麦草各部位的含量已相对增加，形成了对生物链的潜在危害。检测结果表明，施用脱硫石膏改良盐碱地虽然会显著增加耕层土壤和黑麦草中的重金属含量，但土壤和黑麦草中Cd、Hg、Pb、As、Cr等重金属的含量远低于GB 15618—1995《土壤环境质量标准》和国家饲料卫生指标 GB 13078—2001《饲料卫生标准》规定值，因此合理施加脱硫石膏改良盐碱地后的农用土壤和生产的黑麦草是安全的。

黑麦草是我国陕北地区广泛种植的耐旱耐盐碱的优质饲草兼绿肥作物，扩大中、重度盐碱地改良规模和黑麦草的种植，对建立“改良盐碱地-种植牧草-发展畜牧业-有机肥还田-盐碱地改善”的循环农业经济模式具有重要的参考价值[22]。

盐渍化土壤的形成是一个长期而复杂的过程，盐渍土改良也是一个复杂的系统性工程。任何单一的措施，都有其自身适用条件和技术优势及局限性。针对定边县盐碱地的现状，建议采用综合措施进行改良，耕作前可大面积采用石膏、过磷酸钙等生理酸性化肥进行改良，在补充土壤养分的同时中和土壤碱性。此外，可以在表层覆秸秆或者覆沙，进一步改善土壤理化结构、抑制土壤返盐。

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