文献参数: 王涛, 李建国, 路迅, 等.不同改良剂对滨海盐渍土盐分离子及玉米生长的影响[J].水土保持通报,2026,46(2):100-110. Citation:Wang Tao, Li Jianguo, Lu Xun, et al. Influence of different amendments on salt ions and maize growth in coastal saline soil [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2026,46(2):100-110.
长期以来,土壤盐渍化是限制农业发展的关键因素,对土壤健康、作物生长及农业可持续发展构成了严重威胁
[1]。滨海地区在成陆过程中受到海水浸渍的影响,土壤普遍具有含盐量高、物理结构差和肥力低等特点
[2],是中国重要的盐渍化发生区。因此,快速降低土壤盐分、改善土壤理化性质是这一地区实现作物增产与农业开发的前提和基础。当前,治理滨海盐渍土的方法包括物理排盐、优化灌溉方式以及添加改良剂等
[3]。因操作简便、成本低廉与效果显著等优势,添加改良剂已成为滨海地区农户改良盐渍化土壤的常用手段之一。
大量研究证实,添加改良剂对于滨海盐渍土的脱盐、增产具有良好的应用效果。例如,生物炭具有多孔结构,施用后可以改善盐渍土理化性质,提升土壤持水能力,从而缓解盐碱胁迫,实现作物增产
[4]。Zhang Peng等
[5]制备了一种新型生物炭(BPBC),发现其能通过酸碱中和反应显著降低盐渍土的电导率与含盐量,同时提升土壤养分水平,优化土壤微生物群落结构,进而促进玉米的萌发与生长。王莹等
[6]采用两种生物炭(污泥水热炭、稻壳热解炭)对黄河三角洲的盐渍土进行改良,结果表明两种生物炭在改良土壤理化性质方面各有侧重,但都促进了植物的生长。此外,无机改良剂(硅酸钙、硫酸镁、石膏等)的施用可以有效减少Na⁺,Cl⁻等离子在土壤中的积累,其机理为无机改良剂中的Ca
2+,Mg
2+等离子将Na
+置换出来,减少了Na
+对盐渍化土壤的危害
[7]。石婧等
[8]与姜展博等
[9]发现,施用脱硫石膏可以显著降低土壤pH值、交换性钠百分率以及盐基离子含量,同时增加土壤孔隙度,进而提升作物的产量。而有机改良剂的添加不仅能降低土壤盐分,还能提升土壤孔隙度、有机质含量以及微生物多样性,具有多重效益
[10]。彭佳等
[11]的研究表明,施用有机肥能显著改善盐渍土的养分状况与盐渍化程度,并有效降低作物患病率。其中,添加水平为15 t/hm
2时,改良效果最为显著。综合而言,不同类型的改良剂在盐渍土改良中各具优势,不仅展现出良好的应用前景,也为后续深入开展盐渍土改良研究提供了基础。
基于此,本研究通过连续2 a的定位观测对比试验,结合低、中、高3个添加水平,同时考虑农户施用复合肥的特点与习惯,分析了生物炭、脱硫石膏、鸡粪与复合肥配施对滨海盐渍土盐分离子及玉米生长的影响,旨在揭示不同改良剂添加后滨海盐渍土盐分离子的动态变化过程以及玉米生长指标的差异,为制定精细化滨海地区盐渍土脱盐改良管理措施提供信息和数据支持。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验区位于江苏省盐城市大丰区,地处黄海之滨,是中国典型的滨海盐渍土分布区,年平均气温14.4 ℃,年降水量1 066.7 mm,年日照时数2 214.4 h。试验田土壤属于中度砂质盐渍土,位于围垦45 a左右的垦区。研究区土壤容重1.33~1.51 g/cm3,电导率1 547~5 340 μS/cm, pH值8.15~8.73,有机碳含量5.70~6.81 g/kg,全氮含量0.82~0.97 g/kg。
1.2 试验设计
试验设对照(CK)以及生物炭(BC)、脱硫石膏(DG)与鸡粪(CM)3个改良剂添加类型,每个类型设低、中、高3个添加水平,共计10个试验小区,每个小区面积24 m²(4 m×6 m),中间用深沟隔离。参照当地农户的长期施肥量以及前人研究
[12-14],确定各改良剂添加水平(
表1)。
复合肥(氮磷钾肥)总养分≥45%,N-P
2O
5-K
2O含量百分比为15-15-15。生物炭原料为玉米秸秆,采购自河南星源环保材料有限公司,在400~600 ℃高温下经6~8 h热解炭化成黑色粉末状;脱硫石膏主要成分为二水硫酸钙CaSO
4·2 H
2O,采购自河北友盛耐火材料公司。鸡粪有机肥来自当地农户自养的家禽,在播种前进行充分的沤肥、晒干处理。改良剂部分理化性质如
表2所示。试验小区内选择玉米(蠡玉88)作为试验观测对象,种植方式为穴播,植株行距60 cm,株距25 cm,每穴播种2粒种子,约20 d间苗,每穴保留1株玉米。改良剂在播种前一次性撒入试验小区并与土壤充分混匀。并定期除草以保证试验结果的准确性。
1.3 采样与测定
土壤样品的采集时间为2022年玉米的播种期(5月29日)、成熟期(9月10日),2023年玉米的播种期(4月9日)、成熟期(9月10日)。每个试验小区每次随机采集3个表层土壤样品(0—20 cm),所有土样带回后进行自然风干,去除植物残体等部分杂质后过2 mm及0.149 mm筛孔并装入密封袋备用。2 mm土样用于制备水土比5∶1的浸提液,后用离子色谱仪测定K+,Na+,Ca2+,Mg2+,Cl-,SO42-,NO3-的含量,用电导率仪测定电导率,用pH计测定pH值。土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)含量用0.149 mm土样结合元素分析仪测定。土壤容重采用环刀法测定。玉米性状指标与产量于成熟期进行测定,株高为每个试验小区随机选取的3株玉米株高的平均值;地上生物量为每个试验小区随机采集的3株玉米植株充分晾晒后称重,并取平均值得到的单株生物量;玉米产量为对应试验小区内所有玉米果实脱粒后,称重,得到单位面积产量。其中,钠吸附比的计算公式为
式中:SAR为钠吸附比(mmol/L)0.5; ,,分别为浸提液中Na+,Ca2+,Mg2+的浓度(mmol/L)。
1.4 数据处理
采用Excel 2016进行数据初步处理与分析;使用 SPSS 27进行不同处理间数据差异显著性分析(Duncan多重比较法);使用Origin 2024软件绘制图形;应用R软件进行 Mantel分析。
2 结果与分析
2.1 不同改良剂添加下土壤理化性质变化特征
改良剂添加对土壤容重(BD)含量的影响较小(图
1a,
1b),但经过2 a改良后,BD在各水平鸡粪处理下较CK显著降低;改良剂添加对pH影响不同(图
1c,
1d),高水平脱硫石膏处理(DG
3)对于降低土壤pH值效果较为显著。不同水平的改良剂添加对电导率(EC)的影响大致体现为低水平的改良剂降低土壤EC效果较优,较高水平的改良剂会促进EC的升高(图
1e,
1f)。如2022年成熟期,EC在低水平生物炭处理(BC
1)下均值为2 100 µS/cm,较CK下降了54.8%,而高水平鸡粪处理(CM
3)下均值为5 456 µS/cm,较CK上升了17.4%。综合3种不同改良剂,降低EC效果表现为:生物炭>脱硫石膏>鸡粪。
改良剂对SOC含量的影响在玉米成熟期达到显著水平(图
2a,
2b)。2022年成熟期低水平脱硫石膏处理(DG
1)与2023年成熟期低水平生物炭处理(BC
1)下,SOC较CK显著升高,分别达到8.31 g/kg和9.3 g/kg。改良剂添加对TN含量影响不显著或有负向影响(图
2c,
2d)。其中,2022年播种期低水平脱硫石膏处理(DG
1)下TN含量最低,均值为0.67 g/kg,较CK下降25.2%;2023年种植期各处理间TN差异并不显著。改良剂添加对C/N的影响在玉米成熟期时与CK达到显著水平(图
2e,
2f)。3种改良剂对提升C/N的效果表现为:生物炭>脱硫石膏>鸡粪。
2.2 不同改良剂对土壤盐分离子及SAR的影响
不同改良剂对土壤Na
+含量的影响差异显著(
p<0.05)(图
3a,
3b)。其中,低水平脱硫石膏处理(DG
1)对Na
+含量的降低作用最为显著,基本为同时期最低值,如2023年播种期其均值为611.89 mg/kg, BC
1,DG
2处理次之。
高水平鸡粪处理(CM
3)下,Na
+含量表现出一定的上升趋势,但与CK差异不显著;改良剂添加对土壤K
+,Mg
2+含量的影响总体表现为中低水平的改良剂促进离子含量的降低,而高水平反之(图
3c—
3f),但与CK差异不显著(
p>0.05);高水平脱硫石膏添加(DG
3)显著(
p<0.05)提高了土壤Ca
2+含量(图
3g,
3h),
2 a内其值均在950 mg/kg以上。其余处理与CK差异不显著(
p>0.05)。
中低水平的改良剂对Cl
-含量降低效果明显(图
4a,
4b)。其中,中低水平脱硫石膏处理对土壤Cl
-含量降低效果最好,在2023年播种期,低水平脱硫石膏处理(DG
1)的土壤Cl
-含量为整个生长周期内的最低值(495.72 mg/kg)。改良剂对土壤NO
3-含量具有提升作用(图
4c,
4d),其中高水平鸡粪处理(CM
3)较CK上升效果最为显著,在所有时期(除2022播种期)均为最高值。高水平的脱硫石膏处理(DG
3)显著提高了SO
42-含量,部分时期SO
42-含量超过5 000 mg/kg,表现出最强的促进效应(图
4e,
4f)。
SAR值在脱硫石膏处理下较CK下降最为显著(图
5a,
5b)。2023年玉米成熟期,在中等水平脱硫石膏处理(DG
2)下的均值为4.18(mmol/L)
0.5,较CK降低78.55%,是改良期间降幅最大的处理组。此外,SAR在高水平生物炭与鸡粪处理下较CK降低趋势不显著或有小幅上升趋势,且这一趋势随着改良时间的延长愈加明显。
2.3 不同改良剂对玉米生长性状的影响
在玉米成熟期,株高在脱硫石膏添加处理下的响应最为明显(图
6a,
6b),其中,中等水平脱硫石膏处理(DG
2)较CK显著升高,2 a株高均值分别为183 cm和166 cm。玉米生物量在生物炭处理(BC)与脱硫石膏处理(DG)中变化较大。2022年,中等水平生物炭(BC
2)与低水平脱硫石膏(DG
1)处理下的生物量较高,均值分别为135.37 g和129.17 g;2023年,中等水平脱硫石膏(DG
2)与高水平脱硫石膏(DG
3)处理下的生物量较高,均值分别为101.79 g和99.34 g(图
6c,
6d)。改良剂的添加均提升了玉米产量(图
7a,
7b)。2022年,中等水平脱硫石膏处理(DG
2)相较于CK产量提升最为明显,产量为2.337 t/hm
2,是CK的9.16倍,其次为中等水平生物炭(BC
2)、低水平生物炭(BC
1)。鸡粪处理(CM)对于产量提升的效果相对较弱。2023年,中等水平脱硫石膏处理(DG
2)表现最佳,产量为2.190 t/hm
2,是CK的8.82倍,其次为低水平脱硫石膏(DG
1)、高水平脱硫石膏(DG
3)处理。各水平的生物炭处理对产量提升的效果相对较弱。
2.4 盐渍土性质变化与玉米生长性状相关性分析
Mantel分析结果表明,玉米生长性状指标与部分土壤理化性质、盐分离子指标相关性较强(
图8)。其中,EC与除SO
42-外的所有离子呈显著正相关,与pH值呈显著负相关;SAR与Na
+,K
+,Cl
-,Ca
2+,SO
42-相关性较强;pH值与所有盐分离子呈负相关;BD与除SO
42-外的所有离子呈负相关,与TN呈正相关;SOC与TN与盐分离子呈负相关;C/N与NO
3-,Ca
2+,Mg
2+呈显著正相关;盐分离子之间总体呈显著正相关性。株高与SAR, pH值, BD, C/N显著相关(Mantel’s
p<0.05),生物量与pH和 C/N显著相关(Mantel’s
p<0.05),产量与SAR和BD显著相关(Mantel’s
p<0.05)。
3 讨 论
3.1 不同改良剂添加对土壤理化性质和盐分离子的影响
本研究中,随着改良剂施用量增加,各盐分离子与EC总体呈现同步上升趋势。这可能是由于大量施用改良剂形成的较厚土表覆盖层阻碍了土壤水分的渗透和蒸发,并改变了土壤结构和通气性,从而导致EC增大。
此外,改良剂本身所携带的外源物质(鸡粪中较高的可溶性盐分和养分、脱硫石膏中的Ca2+和SO42-等)在高施用量下容易引起土壤盐分累积,导致土壤EC升高。
添加生物炭对土壤pH值的影响在不同阶段表现出不同的变化趋势。施用初期,生物炭可能促进了有机质的快速分解,导致pH值下降。随着施用量的增加,后期pH值会由于生物炭本身的高稳定性与碱性
[15]而有所回升。EC在生物炭施用下较CK总体呈降低趋势,这主要归因于生物炭较大的孔隙度和比表面积,促进了土壤水分的渗透
[4],减少了土壤表面的蒸发。生物炭的施用可直接提高SOC含量,机制在于其本身含有大量稳定的碳源,这与张进红等
[16]的研究结果相似。在不同水平生物炭处理下,土壤TN含量较CK减小,主要是因为生物炭对氮素具有吸附能力,可能导致短期内根区土壤TN下降
[17],且盐渍土的高盐分促进了土壤中铵态氮的硝化,加速了氮素的挥发
[18],这也是其他改良剂添加下TN下降的主要原因。而由于土壤中的碳含量相对增加且氮含量相对减少,导致土壤C/N增加。以往的研究表明,生物炭能显著降低盐渍土中部分盐分离子(尤其是Na
+,Cl⁻)的含量
[19-20],本研究结果与之相符。生物炭的施用增强了土壤的吸附及离子交换能力,有利于Na⁺和Cl⁻的固定与快速淋滤,同时改善了作物生长与根系活力,增强了对土壤中Na⁺的吸收。生物炭的施用对NO
3-表现为一定的促进作用,可能是由于生物炭通过影响矿化速率、减少反硝化或改变淋洗损失等途径,在短期内提高了土壤NO
3-含量。
脱硫石膏在改良土壤理化性质及盐分离子方面的总体效果明显优于生物炭和鸡粪,但其主要改良的是土壤的化学性质而非物理性质,因此各水平脱硫石膏的施用对土壤BD影响较小,而对降低pH值, EC与SAR的作用明显。
脱硫石膏施用后,大量Ca
2+将土壤中的Na
+置换形成Na
2 SO
4等中性盐,从而降低了pH值
[7],Na
+随着Ca
2+的置换而减小,EC和SAR也随之降低。同时,植物生长增加了地表有机质的输入,而Ca
2+与土壤中有机质发生反应
[7],有利于SOC的固定,这也是SOC和C/N在脱硫石膏的添加下增加的主要影响因素。研究表明
[21],脱硫石膏能显著降低土壤Na
+,Cl
-含量,增加Ca
2+,Mg
2+,SO
42-等离子含量,本研究也得出类似的结论。
中低水平鸡粪添加对降低土壤EC具有一定的作用,主要是因为鸡粪中丰富的有机物质在土壤中分解产生大量的有机酸,这些有机酸可有效促进土壤中盐分的淋洗,从而降低EC。充分发酵后的鸡粪呈现弱碱性,因此在鸡粪处理下pH值随改良时间推进总体较CK呈上升趋势,与汪吉东等
[22]的结论类似。改良初期,鸡粪处理对于提升SOC具有一定优势,但随着改良时间延长,其效果逐渐弱于生物炭,原因可能是鸡粪中有机质以易分解的活性有机碳为主,分解速度较快,而生物炭结构稳定,在中长期的改良过程中表现出更显著的SOC提升效果。鸡粪处理虽然对土壤中Na
+,Cl
-含量降低具有一定作用,但由于其本身含有一定量的Na
+,Cl
-,Ca
2+,Mg
2+[23],导致施用效果不及生物炭或脱硫石膏。此外,作为热性肥料
[24],鸡粪可为土壤提供丰富的有机氮和钾元素,因此K
+和NO
3-的增加趋势更为显著。
Mantel分析表明,EC与大部分盐分离子呈显著正相关,尤其是Na
+,Cl
-。高浓度的Na
+和Cl
-会抑制土壤微生物活性、减少植物残体的输入,而微生物是土壤有机质分解和转化的主要驱动力,其活性下降可能导致SOC积累减少,这在以往大多数研究中得到印证
[25-26]。因此,滨海盐渍土改良主要目标之一是降低土壤中Na
+和Cl
-含量。SAR与Ca
2+呈显著负相关,主要是由于土壤中Ca
2+与Na
+存在拮抗关系
[27]。在盐渍土改良过程中,适当增加Ca
2+含量有助于改善土壤结构,减少Na⁺的不利影响。土壤pH值是反映土壤酸碱状态的重要指标,本研究中,除K⁺外,pH值与其他盐分离子均呈显著负相关,这与王丽娜等
[28]的研究略有差异。pH值与阳离子中的Mg
2+、阴离子中的NO
3-呈极显著负相关,这可能是因为土壤pH的升高导致Mg
2+以难溶形式存在,降低了其有效性和作物吸收量,从而导致负相关;在较高碱性土壤中,微生物活性的变化可能会抑制氮素的转化过程,尤其是硝化作用,因此pH值与NO
3-呈显著负相关。
3.2 不同改良剂添加对玉米生长的影响
盐渍土改良的最终目的是实现作物增产,因此作物的生长状况是评估改良效果的重要指标。研究结果表明,不同改良剂的添加均促进了玉米生长。生物炭在改良第2年对于提升株高和生物量的效果弱于第1年,可能是生物炭的积累导致pH值升高,影响了作物对养分的吸收,Mantel分析中株高、生物量与pH的显著相关也证实了这一点。脱硫石膏的施用效果总体优于生物炭与鸡粪。一方面,其对降低土壤SAR效果更显著,缓解了土壤碱化对玉米根系生长的抑制作用,促进了根系对水分和养分的吸收。另一方面,Ca
2+是玉米植株细胞壁的重要组成部分,其含量增多有利于增强细胞壁的稳定性,从而影响了玉米茎秆的生长以及地上生物的总质量,这一点在付娆
[29]的研究中也得以印证。改良剂的施用均提升了玉米的产量,这在以往的研究中得以证明
[30]。生物炭主要通过改善土壤物理性质(容重等)促进根系下扎和水分控制、缓解土壤盐结皮和板结状况,从而提升作物产量。脱硫石膏与鸡粪能够改善土壤的离子组成与养分输送状况,具体而言,脱硫石膏施用后显著降低了土壤中Na
+,Cl
-含量和pH值,并通过输入Ca
2+降低SAR,缓解盐分胁迫与土壤碱化;鸡粪施用则通过增加有机质,直接为作物提供了养分,提高了玉米产量。
4 结 论
(1) 不同水平的生物炭、脱硫石膏和鸡粪添加均在一定程度上改善了土壤的理化性质,但不同的改良剂与不同施加水平的影响效果存在差异。生物炭的添加对土壤SOC, C/N的增加以及BD与EC降低效果较优,且持续性较好。脱硫石膏能显著降低土壤pH值, EC, SAR, Na+,Cl-,并提高Ca2+,SO42-以及其他离子的含量,较为全面地改善了盐渍土的核心指标。鸡粪添加对土壤K+,Mg2+,NO3-增加以及BD降低有一定作用。此外,随着改良剂施用水平的增加,土壤各盐分离子浓度与EC也基本呈增加趋势。
(2) 不同改良剂均提升了玉米株高、生物量以及产量,其中脱硫石膏的施用效果最优,生物炭次之。综合3种不同水平的改良剂,中等水平脱硫石膏(5 t/hm2)对滨海地区盐渍土脱盐以及作物增产效果最佳。
国家自然科学基金项目“滨海地区种-养系统的碳排放及其补偿效应研究”(42271287)
“基于土壤微阴影补偿的滨海农田盐渍化无人机遥感研究”(42371053)
江苏省碳达峰与碳中和技术创新专项资金(BE2023855)
江苏师范大学研究生科研与实践创新计划项目(2024XKT0074)