改良剂对盐碱地燕麦生长及土壤物理性状的调控效应

Effects of amendments on oat growth and soil physical properties in saline-alkali soils

摘要

目的 推进旱区盐碱土的治理和适应性种植，有助于夯实粮食安全的根基和促进生态、经济的可持续发展。 方法 采用单因素随机区组设计，研究了有机肥、粉煤灰、生物炭、糠醛渣、蚯蚓粪、腐殖酸、克碱王7种改良剂单施以及以单施的1/2用量进行的粉煤灰+有机肥、粉煤灰+糠醛渣、生物炭+糠醛渣、蚯蚓粪+腐殖酸4种配施对盐碱地土壤物理性状及燕麦生长的调控效应。 结果 粉煤灰+糠醛渣、生物炭+糠醛渣的配施方式较不施改良剂的燕麦出苗率显著提高了5.47%~5.96%；腐殖酸单施及4种混施使成活率提高了9.47%~11.14%。所有施用改良剂的处理较不施的对照植株干物质积累量增加，抽穗期、开花期、成熟期的增幅分别为15.25%~72.88%、11.21%~38.32%和9.91%~45.95%；3个时期混施又较单施提高了9.30%~50.00%、5.19%~24.37%和7.09%~32.79%，且以粉煤灰+糠醛渣、生物炭+糠醛渣的增幅最大。燕麦草产量，配施处理较不施改良剂显著增加16.56%~19.99%，较单施处理增加5.26%~8.14%，4种配施的增产效应无显著差异。糠醛渣、腐殖酸单施以及4种配施方式均显著降低了土壤容重，提高了土壤孔隙度；和不施改良剂相比，粉煤灰+糠醛渣、生物炭+糠醛渣的土壤容重降低了8.53%~9.38%，孔隙度增加了10.97%~13.42%。 结论 生物炭与糠醛渣、粉煤灰与糠醛渣的两种配施方式更有利于盐碱地燕麦的生长及土壤物理性状的调控。

Abstract

Objective Promoting the management and adaptive planting of saline-alkali soil in arid areas should help to consolidate the foundation of food security and improve the sustainable development of ecology and economy. Method A single factor randomized block design was used to study the effects of different types of amendments on soil physical properties and oat growth in saline-alkali soil.The types of amendments were single application of organic fertilizer，fly ash，biochar，furfural residue，vermicompost，humic acid and Kejianwang and combined application of fly ash + organic fertilizer，fly ash + furfural residue，biochar + furfural residue，vermicompost + humic acid with its 1/2 dose in single application. Result The combined application of fly ash + furfural residue and biochar + furfural residue significantly increased oat seedling emergence rate by 5.47%~5.96 % compared to no amendment.Use of humic acid alone and four mixed applications increased oat survival rate by 9.47%~11.14%.Plant dry matter accumulation of all the treatments with amendments increased compared to the control，and the increase rates at heading，flowering and maturity stages were 15.25%~72.88%，11.21%~38.32 % and 9.91%~45.95% respectively.The four mixed applications in the three periods increased by 9.30%~50.00%，5.19%~24.37% and 7.09%~32.79% compared with single application，and the greatest increase was from fly ash + furfural residue and biochar + furfural residue.The yield of oat grass increased significantly by 16.56 %~19.99 % in the combined application treatment compared to the non-amendment treatment and by 5.26%~8.14% compared to all single application treatments.There was no significant difference in the yield increasing effect of the four combined applications.Single application of furfural residue，humic acid and the four combined applications significantly reduced soil bulk density and increased soil porosity.Compared to no amendment，soil bulk density of fly ash + furfural residue and biochar + furfural residue decreased by 8.53%~9.38% and porosity increased by 10.97%~13.42%. Conclusion The two combined applications of biochar and furfural residue，fly ash and furfural residue，are more conducive to oat growth and regulation of soil physical properties in saline-alkali soils.

Graphical abstract

关键词

改良剂 / 盐碱地 / 燕麦 / 容重 / 孔隙度 / 生物量

Key words

amendment / saline-alkali soils / oat / bulk density / porosity / biomass

Author summay

陈文涛，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

土壤盐碱化严重制约农业的发展，已成为世界农业面临的重要生态环境问题^［1］。据统计，全球盐碱地总面积约为9.56×10⁹ hm²，中国盐碱化和次生盐碱化土地总面积约为3.82×10⁸ hm²，占全球盐碱地总面积的4%左右^［2-4］。近年来，我国西北内陆旱区土壤盐碱化程度仍呈上升趋势，仅河西走廊盐碱地总面积已达7.53×10⁵ hm²，占可耕地农田的17%^［5］。土壤盐碱化已经严重影响到当地的农业生产和经济发展^［6］，改良和开发利用盐碱化土壤对提高该地区农业可持续发展意义重大。

盐碱地治理方法包括改良土壤法和作物适应法^［7］，适应性种植是盐碱地开发利用的重要途径。燕麦（Avena sativa L.）是禾本科燕麦属粮饲兼用作物，具有耐盐碱特性^［8］，较小麦等作物耐盐碱性更强，且在西北内陆广泛栽培种植^［9-10］，适宜轻-中度盐碱地种植使用。西北地区盐碱地适应性种植中作物的保苗、促生措施多样，诸如冬灌压盐、地膜覆盖、掺沙后播种、播种后灌溉及施用改良剂改良土壤等^［11-13］。冬灌压盐、掺沙、播种后灌溉等短期内可有效抑制盐分积聚，利于作物保苗^［14-15］；施用改良剂的化学途径，可通过离子代换、酸碱中和等有效进行盐渍化的治理，还可借助有机质对土壤结构和养分状况的改善等有效调节盐碱土的理化性质而改良盐碱土，具有见效快和实施方便等优点，对作物的促生效果显著^［16-17］。但部分化学改良剂制造成本高，或易造成土壤二次污染^［13］；部分改良剂单施条件下效果不全面、负面影响突出^［18-19］。由于盐碱土的成因多样，且各地区盐碱土的立地条件及特性各异，筛选出适宜的改良剂尤为关键，盲目照搬他人或其他区域的研究成果通常难以产生预期的效果，甚至可能适得其反。河西地区盐碱土改良剂的历史研究涉及的试材种类较少，且多为单一施用效果的探讨，深入探讨不同性能改良的单施及复配效果，有助于因地制宜改良和利用盐碱土资源。

本研究以改良剂的性能和来源为主要出发点，选择了以有机物料为主的七种改良剂，探讨其对燕麦生长及土壤通透性能的调控效应，以期筛选出对燕麦促生效果良好的改良剂，为西北内陆旱区盐碱地的治理提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2022年4~9月在甘肃省酒泉市生地湾亚盛农场进行。试点海拔1 229 m，年平均气温8.3 ℃，最高气温40.5 ℃，最低气温-29.6 ℃，年平均日照时数3 321 h。试验年度蒸发量为2 141.4 mm，燕麦生育期内降水量为25 mm。供试土壤为重度盐渍土^［20］，其基本理化性质见表1。

1.2 试验材料

供试燕麦品种为白燕2号，购自酒泉市金塔亚盛分公司营销部。

供试改良剂均为商品性产品，其来源和成分见表2。

1.3 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，以改良剂的种类为试验因素，设12个水平，分别为A₀（不施改良剂，对照）、A₁（有机肥30 000 kg/hm²）、A₂（粉煤灰30 000 kg/hm²）、A₃（玉米秸秆生物炭30 000 kg/hm²）、A₄（糠醛渣30 000 kg/hm²）、A₅（蚯蚓粪3 750 kg/hm²）、A₆（腐殖酸1 500 kg/hm²）、A₇（粉煤灰15 000 kg/hm²+有机肥15 000 kg/hm²）、A₈（粉煤灰15 000 kg/hm²+糠醛渣15 000 kg/hm²）、A₉（生物炭15 000 kg/hm²+糠醛渣15 000 kg/hm²）、A₁₀（蚯蚓粪1 875 kg/hm²+腐殖酸750 kg/hm²）、A₁₁（克碱王334 kg/hm²），共12个处理，重复3次。改良剂的用量参考相关文献确定或依据厂家的推荐用量适度调整。

所有处理均施氮肥（N）112.5 kg/hm²、磷肥（P₂O₅）75 kg/hm²、钾肥（K₂O）112.5 kg/hm²。氮肥、磷肥和钾肥的品种分别为尿素（N≥46%）、过磷酸钙（P₂O₅≥16%）和硫酸钾（K₂O≥45%），所有肥料均作为基肥，于播种前和改良剂均匀撒在各试验小区，翻耕后进行播种。试验小区长5 m，宽3 m，面积15 m²；小区间隔40 cm，区组间隔50 cm，试验地四周设1 m保护行。

燕麦播种量为500 kg/hm²，条播，行距13 cm，播深3 cm。采用“干播湿出”，播种后灌水，各处理生育期内灌水量相同，全生育期灌水量为3 000 m³/hm²，采用喷灌方式进行。播种日期为5月8日，收获期为8月8日，生育期内人工除草。

1.4 测定指标及方法

出苗率：于苗期对每个试验小区采用“单位行长法”选择3行进行出苗调查记录，计算出苗率^［21］。

成活率：于拔节期对每个试验小区已出苗燕麦的成活株数进行调查记录，计算成活率^［21］。

株高和茎粗：于抽穗期、开花期和成熟期，采集各小区具有代表性的样株15株，用米尺测量其株高，用游标卡尺测量其茎粗（根部与茎部的连接点）^［22］。

干物质：测定株高和茎粗后的样株，分器官（根、茎、叶、穗）置于烘箱105 ℃杀青，之后80 ℃烘干至恒质量，称取干质量^［23］。

干草产量：齐地面刈割小区内所有植株，并将其置于自然条件下风干称质量^［24］。

土壤容重和孔隙度：环刀法^［25］。

1.5 数据处理及统计分析方法

运用Excel 2019进行数据处理和图表绘制，SPSS 21进行方差分析和多重比较，多重比较采用Duncun法。

2 结果与分析

2.1 改良剂对燕麦出苗率和成活率的影响

施用改良剂有利于提高燕麦的出苗率（图1）。但仅有A₈和A₉具有显著的提升效果，分别较A₀提高了5.96%和5.47%；施用改良剂后燕麦的成活率亦呈增加趋势，且A₆、A₇、A₈、A₉和A₁₀的成活率显著高于A₀，增幅分别为9.47%、10.61%、11.06%、10.86%和11.14%；除A₀之外的其他10个处理间均无显著差异。可见，改良剂对燕麦的保苗作用随时间的后移效果渐显，由仅仅A₈、A₉ 2个处理提高了出苗率5.50%左右到A₆~A₁₀ 5个处理提高了成活率10.00%左右；综合出苗率及成活率，配施的A₈和A₉最利于燕麦的保苗。

2.2 改良剂对燕麦茎秆生长的影响

燕麦茎秆的生长状况因改良剂的种类而异（表4）。抽穗期和开花期，单施的A₁、A₃、A₅和所有配施的处理（A₇~A₁₀）的株高均较A₀显著提升，以A₇最高，于2个生育时期内较其他施用改良剂的处理分别提高3.14%~27.13%和1.63%~23.03%；其次为A₁₀处理。成熟期，A₇与A₁₀的株高较其他处理显著提高8.57%~24.10%和6.96%~22.26%，但二者之间无显著差异。3个生育时期内，与不施用改良剂相比，A₃、A₅、A₇、A₈、A₉、A₁₀均显著增加了株高，增幅分别为15.14%~25.16%、6.57%~16.85%和5.19%~17.35%；以A₇和A₁₀最有利于生殖生长期茎秆的伸长生长。改良剂的施用均显著增加了燕麦茎秆的粗度，3个生育时期内，施用改良剂的A₁~A₁₁处理较A₀分别增加19.49%~20.34%、11.93%~20.00%和13.98%~21.61%。其中，抽穗期除A₂和A₁₁之外的其他各处理间差异不显著；开花期A₇和A₉的茎粗显著高于其他处理，增幅为5.33%~13.59%，且A₇大于A₉处理；成熟期，A₇、A₉、A₁₀的茎粗显著高于其他处理，但三者之间无显著性差异。抽穗期到成熟期，A₇和A₉的增粗效果更佳，3个生育时期较不施改良剂的增幅分别为19.07%~20.34%、17.89%~20.00%及21.61%~47.00%。可见，A₇和A₁₀对茎秆伸长生长及增粗生长的促进效果更显著。

2.3 改良剂对燕麦干物质积累及草产量的影响

改良剂的施用影响燕麦各器官及整株的干物质积累量（图2）。抽穗、开花、成熟3个时期，各器官及整株均表现为施用改良剂的A₁~A₁₁大于不施的A₀的趋势，且茎秆、穗及整株均呈现配施的A₇~A₁₀大于单施的A₂~A₆、A₁₁的趋势。草产量的变化亦具有上述2个趋势（图3）。

抽穗期，根和穗的生物量，单施的A₂、A₃、A₄、A₅、A₆和A₁₁较不施的A₀显著提高20.00%~40.00%和30.00%~80.00%；配施的A₇、A₈、A₉和A₁₀较A₀显著提高50.00%~60.00%和100.00%~130.00%，且较单施显著提高7.14%~45.45%和11.11%~76.92%。A₃、A₄、A₅和A₆的茎秆干物质量较对照A₀显著提高了8.00%~24.00%，且所有配施处理的茎重较对照显著提高28.00%~40.00%，较单施处理提高3.23%~34.62%。对叶器官而言，所有单施处理较不施改良剂显著提高28.57%~85.71%。整株干物质积累，单施和配施处理中分别以A₆和A₉最高，分别较对照显著提升45.76%和72.88%，A₉又较A₆显著提升18.60%。

开花期，根器官的干物质量以A₉和A₁₀处理下更高，较A₀显著提高了45.45%和54.55%；对茎、叶和穗而言，施用改良剂处理的干物质量显著高于不施改良剂，且配施的A₇、A₈、A₉和A₁₀效果更显著，较A₀分别提高了37.50%~47.50%、11.54%~38.46%及31.03%~34.48%，较单施的A₁~A₆及A₁₁分别提高了5.77%~34.09%、13.33%~28.57%及2.70%~25.81%。单株干物质的变化趋势与抽穗期一致，单施处理中以A₆最高，配施处理中A₉最高，且较对照分别显著提升26.17%和38.32%。随着生育时期的推进，改良剂的促生效果持续体现。

成熟期，各器官生长对改良剂的响应与开花期的趋势基本一致。处理A₂、A₇、A₈、A₉和A₁₀对根干重的提升效果显著，以配施处理效果更佳，单施与配施处理较A₀分别提高16.67%和25.00%~41.67%；A₁和A₂之外的茎、A₁₁之外的叶以及除A₁之外的穗，施用改良剂后的干物质量均显著提高，较对照提高12.20%~48.78%、11.11%~37.04%和12.90%~67.74%，配施处理效果更佳。整株的干物质量与前两个时期基本一致，单施处理中A₆的促生效果最大，配施处理中A₉的促生效果更明显，分别较对照提升27.03%和45.95%。

由图3可知，改良剂的施用显著提高了燕麦的草产量，总体趋势为A₁₀>A₉>A₈>A₇>A₂>A₃>A₄>A₁₁，以配施处理增产效果更佳，较不施改良剂显著增加16.56%~19.99%，较单施的A₁、A₄、A₅、A₆和A₁₁显著增加了5.26%~8.14%，即较A₂、A₃之外的单施处理显著增加。配施较单施显著的增产效果可能与改良剂混合后更有利于调节燕麦生长的根际环境有关。

综上，改良剂的配施整体较单施更有利于盐碱地燕麦的生长和增产，生物炭与糠醛渣配施、蚯蚓粪与腐殖酸配施下更有利于燕麦的生长和增产。

2.4 改良剂对土壤容重和孔隙度的影响

燕麦收获后，与不施改良剂相比，施用改良剂处理的耕层土壤容重和孔隙度分别表现为降低和提升趋势（图4）。单施的A₂、A₄、A₆和A₁₁较不施的A₀容重显著降低4.48%~6.06%，单施的所有处理间无显著差异；配施处理A₇、A₈、A₉和A₁₀较A₀土壤容重显著降低8.53%~8.80%，较单施处理降低2.94%~8.80%，各配施处理间无显著差异。

由图4可知，A₁、A₄、A₅、A₆和A₁₁的土壤孔隙度较A₀显著提升，增幅分别为5.74%、5.48%、5.94%、8.95%和4.80%，其中A₆又较A₂、A₃显著增加5.74%和6.58%；A₇、A₈、A₉和A₁₀对土壤孔隙度的调控效应更加明显，较A₀分别增加13.90%、10.97%、13.42%和9.22%，以A₇和A₉的提升效果更佳，显著高于所有单施处理。

可见，粉煤灰与有机肥、生物炭与糠醛渣两两配施更有利于耕层土壤通透性能的改善。

3 讨论

3.1 不同改良剂对盐碱地作物生长的影响

施用改良剂是调控盐碱地作物生长的重要措施。施用腐殖酸^［26-28］后，种植的向日葵和番茄均表现为高产，产量较对照显著提高5.51%~47.00%和19.20%。本研究施用的腐殖酸对燕麦也具有显著的促生增产效果。这可能是施用腐殖酸改善了耕层土壤特性，增加有机物提高了土壤肥力；同时也说明腐殖酸对盐碱地作物生长调控的持久性^［29-30］。添加生物炭后，旱区盐碱地小白菜、棉花、水稻以及高粱茎秆生长均有提升^［31-33］，其中棉花、高粱的生物产量分别增加36.1%和32.98%，小白菜株高提升了85.71%。本研究也验证了生物炭对作物的促生效果，对燕麦茎秆的增粗、伸长生长及生物量的提升均有显著的促进作用。该作用可能与生物炭的多孔性可改善土壤性状，同时增大持水能力密切相关^［34］。糠醛渣作为一种酸性改良剂，施用后利于土壤通透性及有机养分的调控，对种植的水稻和苕子的促生性较高^［35-36］，其中苕子株高和干质量较空白对照提升了58.40%和76.50%，水稻产量显著提高25.58%，这与本试验糠醛渣处理下燕麦增产的结果相吻合。可见，腐殖酸、糠醛渣等改良剂有利于旱区耐盐作物的生长和增产。

当前，改良剂的研究由单施向复配递进，以充分发挥不同性能改良剂的耦合效果。研究表明，生物炭与腐殖酸的联合施用显著提升了玉米出苗率和株高^［37］，促生效果大于其单施；粉煤灰与醋糟配施，在适宜配比下可促进高粱的生长^［38］，其单株生物量较对照显著提高13.26%，较单施醋糟提升了2.73%。这与本研究中粉煤灰与糠醛渣配施下的燕麦生物量较单施均增加的趋势一致。上述研究表明合理配施能更大程度发挥改良剂的作用，更有利于作物促生增产。

3.2 不同改良剂对盐碱地土壤物理性状的影响

土壤容重是衡量土壤透气性、入渗性能的重要指标，在盐碱地的调控中至关重要。研究显示，施用粉煤灰和糠醛渣显著影响容重的变化^［39-40］，分别降低了3.76%、30.00%。这与本研究粉煤灰与糠醛渣对容重的降低作用趋势一致，都起到了疏松土壤的作用。将粉煤灰与醋糟1∶1配施到盐碱地^［38］，土壤容重较单施醋糟降低了9.00%。本研究也表明两种改良剂配施下的容重呈现较单施降低的变化趋势，与前人的研究结果相似。可见，配施较单施有利于降低土壤的容重。

除容重外，孔隙度也是反映土壤通透性能的关键指标。添加生物炭、有机肥、蚯蚓粪和腐殖酸均有利于提高盐碱地耕层土壤的通透性^{［25，41-42］}，孔隙度提升率分别为13.92%、4.24%和4.17%、49.58%和61.43%。本研究中单施有机肥、糠醛渣、蚯蚓粪以及腐殖酸后孔隙度也提高了5.48%~8.95%。可见，上述五种有机改良剂单施对盐碱土均具有显著的疏松耕层功能。生物炭与无机废渣配施对土壤通透性能的调控效果显著^［43］，本研究也得出了配施较相应的单施孔隙度提高的结果。这表明改良剂的适宜复配可显著改善盐碱土耕层的物理性能。

4 结论

改良剂单施条件下，糠醛渣和腐殖酸可以显著降低土壤容重并提高孔隙度，以腐殖酸的效果最佳；生物炭+糠醛渣、粉煤灰+糠醛渣、粉煤灰+有机肥、蚯蚓粪+腐殖酸的配施处理均显著降低了土壤容重并提高了土壤孔隙度，其中前二者的效果大于其他配施处理，且大于单施腐殖酸。上述4种配施均较各改良剂单施有利于燕麦成苗及其产量的形成；以生物炭+糠醛渣、粉煤灰+糠醛渣的促生效果更佳。

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基金资助

甘肃省科技计划项目（科技重大专项）“不同土壤类型耕地质量及产能提升技术研究”(21ZD4NA023-02)