0 引言
土壤盐渍化是制约土地生产力和农业可持续发展的全球性环境问题
[1],全世界盐碱地面积约为9.55×10
8 hm
2,中国约有9.91×10
7 hm
2[2]。盐碱土具有含盐量高、pH高、土壤结构差等不良理化性质
[3,4],严重影响作物产量和品质,甚至造成植物死亡
[5,6,7]。
改良盐碱土的主要方法有物理、化学、生物改良
[8,9]。物理改良是通过水利措施,高灌低排、压盐排碱。该措施一是需要地下水位低、具有完备的排碱排盐系统、不易反盐;二是工程量大,适用规模较小。石灰类改良剂能够降低土壤全盐含量和pH
[10],是一种应用时间最长、应用最广的化学改良法,但长期使用可能导致土壤板结
[11]。有机物料是公认的用于改良土壤的物料,其中使用较多的是秸秆、有机肥及生物炭,秸秆及有机肥施用量大,效果良莠不齐,而生物炭作为生物改良剂,除了价格昂贵以外,还可能造成土壤次生污染
[12]。
近年来,以腐植酸为基础物料的调理剂研发与应用较多,作为腐植酸土壤调理剂,一方面其添加的腐植酸物质,施入土壤以后可以增加土壤有机质含量,形成弱酸缓冲体系,维持土壤酸碱平衡,改善土壤理化性状
[13,14];另一方面,添加了钙、镁、硅等矿物成分,对提高土壤阳离子交换量、降低盐碱化程度具有重要作用。为探究黄河三角洲盐碱土腐植酸土壤调理剂的最佳用量,本研究对比不同用量的腐植酸土壤调理剂与常规肥料配伍对盐碱土壤的改良效果,以期为腐植酸土壤调理剂的推广应用提供理论依据与实践支撑。
1 材料与方法
1.1 试验时间、地点
研究田间试验于2016年10月—2019年6月在德州市德城区天衢办事处二屯村进行。试验地位于北纬37°27′,东经116°18′56″。该地区属暖温带大陆性气候,年均气温13.1℃,年均光照2660 h、光照率61%,年均降水556.2 mm,无霜期204天。
室内试验于2017年6月—2019年6月在山东农大肥业科技有限公司进行。
1.2 试验材料
1.2.1 供试土壤 土壤类型为盐碱化土壤,表层质地为潮壤土,肥力均匀,排灌条件良好。0~20 cm供试土壤基本理化性状,见表1。
| 检测项目 | 有机质/(g/kg) | 碱解氮/(mg/kg) | 有效磷/(mg/kg) | 速效钾/(mg/kg) | 水溶性盐总量/(g/kg) | pH |
| 检测结果 | 10.2 | 35.5 | 13.1 | 149.5 | 3.3 | 8.1 |
1.2.2 供试作物 供试作物为小麦,品种为‘济麦22’,播种量为150 kg/hm2。2016年种植日期为10月20日,2017年种植日期为10月13日,2018年种植日期为10月15日,收获日期分别为2017年6月14日、2018年6月7日、2019年6月10日。
1.2.3 供试肥料 常规复混肥（N-P2O5-K2O为16-21-5）,腐植酸土壤调理剂（CaO含量18.0%,SiO2含量6.0%,MgO含量5.0%,S含量6.0%,HA含量6%,pH 5.0~8.0）。以上肥料均由山东农大肥业科技有限公司提供。
1.3 试验方法
1.3.1 试验设计 试验设5个处理（见表2）,每个处理50 m2,3次重复。
| 编号 | 处理 |
| T1 | 常规施肥+施用腐植酸土壤调理剂3000 kg/hm2 |
| T2 | 常规施肥+施用腐植酸土壤调理剂2250 kg/hm2 |
| T3 | 常规施肥+施用腐植酸土壤调理剂1500 kg/hm2 |
| T4 | 常规施肥 |
| T5 | 空白 |
试验连续进行3年,土壤调理剂与常规施肥时间一致,一次性基施。施肥时间为2016年10月15日、2017年10月7日、2018年10月11日。各小区除施肥处理不同外,试验期间采取的其他农艺措施和田间管理措施,诸如浇水、划锄、防病、除草等实施水平严格一致。
1.3.2 样品采集与测定 在每一季小麦收获时,按照5点混合取样法采集各个小区0~20 cm土壤样品。参照《土壤农化分析（第三版）》
[15],测定土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、碱化度、pH、土壤全盐含量、钠离子、氯离子等指标。
小麦测产方法：在小麦收获时,以小区为单位,在小区中间部位量取1 m2区域测定穗数;随机抽取100穗调查穗粒数;收获1 m2籽粒经自然风干,测定籽粒含水量后,折合成公顷产量,并测定千粒重。
1.3.3 试验仪器 恒温数显油浴锅（HH-S型,江苏,0.1℃）、分光光度计（754型,上海,0.001）、火焰光度计（FP6410型,上海,0.1）、pH计（PHS-3C,杭州,0.01）、往复式振荡机（SHZ-82A,常州,0.1℃）、鼓风干燥箱（FXB101-1,上海,1℃）。
1.3.4 统计分析 田间调查和室内测定数据采用Excel和SAS程序软件(SAS 9.3, 2012)进行计算、统计分析与绘图,采用Duncan差异显著性检验,分析不同处理间的显著性(P<0.05)水平。
2 结果与分析
2.1 腐植酸土壤调理剂对土壤化学性状的影响
经过连续3年的田间小区试验,试验前与试验后相比,各处理的土壤有机质有一定的变化幅度,连续施用腐植酸土壤调理剂的土壤有机质显著高于常规施肥的土壤有机质,且有机质含量呈升高趋势,到2019年施用腐植酸土壤调理剂的小区土壤有机质较常规施肥提升3.8%~5.0%。不同用量腐植酸土壤调理剂对有机质含量的影响不显著（见表3）。到2019年,施用腐植酸土壤调理剂与常规施肥相比能够显提高碱解氮、有效磷、速效钾的含量,增幅分别为8.6%~12.0%、16.4%~29.2%、27.3%~30.7%。
| 测定时间(年.月.日) | 处理 | 有机质/(g/kg) | 碱解氮/(mg/kg) | 有效磷/(mg/kg) | 速效钾/(mg/kg) |
| 2017.6.14 | T1 | 10.35b | 36.15b | 14.26c | 157.09d |
| T2 | 10.34b | 35.89b | 13.23b | 156.20d |
| T3 | 10.34b | 35.93b | 13.45b | 152.54c |
| T4 | 10.25a | 32.64a | 12.46a | 129.56b |
| T5 | 10.22 a | 32.06a | 12.49a | 116.99a |
| 2018.6.7 | T1 | 10.45b | 36.43b | 14.37c | 158.19d |
| T2 | 10.42 b | 35.74b | 14.30c | 157.10d |
| T3 | 10.41b | 35.14b | 13.72b | 152.33c |
| T4 | 10.27a | 31.88a | 12.47a | 128.85b |
| T5 | 10.25a | 31.39a | 12.36a | 114.55a |
| 2017.9.10 | T1 | 10.94b | 36.95b | 16.26d | 159.98d |
| T2 | 10.84b | 36.52b | 15.46c | 157.44cd |
| T3 | 10.82b | 35.80 b | 14.66b | 155.73c |
| T4 | 10.42a | 32.98a | 12.59a | 122.38b |
| T5 | 10.41a | 32.92a | 12.28a | 113.70a |
| 注：同列数据后不同字母表示处理间在0.05水平差异显著。下同。 |
不同用量腐植酸土壤调理剂处理的土壤碱解氮、速效钾含量差异不显著,有效磷的含量差异显著且随腐植酸土壤调理剂用量的增加而增加。
2.2 腐植酸土壤调理剂对土壤盐碱障碍特性的影响
2.2.1 腐植酸土壤调理剂对土壤pH的影响 在盐碱地上施用腐植酸土壤调理剂能降低土壤pH（见表4）。第一季小麦收获后,施用腐植酸土壤调理剂的土壤pH较未施用土壤调理剂处理降低0.10~0.29个单位。不同腐植酸土壤调理剂施用量之间,以3000 kg/hm2施用量处理的土壤pH降低幅度较大,显著大于2250、1500 kg/hm2用量处理。第二季小麦收获后,施用腐植酸土壤调理剂处理的土壤pH较2017年有小幅降低;同时,在本年度,较未施用土壤调理剂处理,土壤pH降低0.30~0.43个单位。不同土壤调理剂用量间的土壤pH差异不显著。在第三季小麦收获后的土壤pH变化基本同第二季一致,即施用土壤调理剂就能改善土壤的碱化程度,以2250~3000 kg/hm2用量较为适宜。
| 试验处理 | 2017.6.14 | 2018.6.7 | 2019.6.10 |
| T1 | 8.46a | 8.33a | 7.92a |
| T2 | 8.62a | 8.39a | 7.98a |
| T3 | 8.65b | 8.46a | 8.05b |
| T4 | 8.78c | 8.52b | 8.14c |
| T5 | 8.75c | 8.76c | 8.35d |
2.2.2 腐植酸土壤调理剂对土壤碱化度的影响 一般把碱化度>20%定为碱土,5%~20%定为碱化土。本试验过程中土壤一直处于碱化土状态,但施用土壤调理剂处理能减轻土壤碱化程度（见表5）。
| 处理 | 2017.6.14 | 2018.6.7 | 2019.6.10 |
| T1 | 5.58a | 5.73a | 5.48a |
| T2 | 6.25a | 5.81a | 5.46a |
| T3 | 6.40b | 6.42a | 6.37b |
| T4 | 6.54c | 6.24b | 6.68c |
| T5 | 6.98c | 6.84c | 7.53d |
第一季小麦收获后,施用腐植酸土壤调理剂的土壤碱化度较未施用土壤调理剂处理降低2.1%~20.1%。不同腐植酸土壤调理剂施用量之间,以2250、3000 kg/hm2施用量处理的土壤碱化度降低幅度较大,显著大于1500 kg/hm2用量处理。第二季小麦收获后,施用腐植酸土壤调理剂处理的土壤碱化度较2015年有小幅降低;同时,在本年度,与未施用土壤调理剂处理相比,土壤碱化度降低6.1%~16.2%,不同腐植酸土壤调理剂用量间的土壤碱化度差异不显著。在第三季小麦收获后,施用腐植酸土壤调理剂的土壤碱化度持续降低,变化规律基本同第一季一致,土壤碱化度降低4.6%~27.2%,施用腐植酸土壤调理剂能显著降低土壤碱化度,其中,腐植酸土壤调理剂2250、3000 kg/hm2用量处理的土壤碱化度显著低于1500 kg/hm2施用量。综上,施用腐植酸土壤调理剂能够降低土壤碱化度,且以2250~ 3000 kg/hm2用量较为适宜。
2.3 腐植酸土壤调理剂对土壤盐分及离子组成影响
2.3.1 腐植酸土壤调理剂对土壤盐分的影响 盐分是制约盐碱地小麦产量的主要因素,尤其是小麦冬前的分蘖。施用碱性土壤调理剂对土壤盐分有一定的抑制作用。从2016年开始,连续施用腐植酸土壤调理剂的耕层土壤盐分呈现降低趋势。与对照相比,施用腐植酸土壤调理剂降低土壤含盐量0.53~0.70 g/kg,降幅19.06%~25.18%;而常规施肥处理的耕层土壤盐分呈升高趋势（见表6）。
| 处理 | 全盐/(g/kg) | | 脱盐率/% |
| 2017年 | 2018年 | 2019年 | | 2017年 | 2018年 | 2019年 |
| T1 | 2.47a | 2.34a | 2.08a | | 11.15 | 16.43 | 23.53 |
| T2 | 2.66b | 2.43a | 2.15a | | 4.32 | 13.21 | 20.96 |
| T3 | 2.76c | 2.63b | 2.25b | | 0.72 | 6.07 | 17.28 |
| T4 | 2.82d | 2.80c | 2.78c | | -1.44 | 0 | -2.21 |
| T5 | 2.78d | 2.80c | 2.72c | | — | — | — |
经过3年的定位试验,在盐碱地上施用腐植酸土壤调理剂的耕层土壤脱盐率为0.72%~11.15%（2017年小麦收获季）、6.07%~16.43%（2018年小麦收获季）和17.28%~23.53%（2019年小麦收获季）,土壤盐分逐年降低,降幅增大。不同腐植酸土壤调理剂用量间,施用2250、3000 kg/hm2的耕层土壤盐分显著低于1500 kg/hm2处理。施用2250 kg/hm2和3000 kg/hm2间在2015年有显著差异,而在2016年和2017年差异不显著。综上所述,腐植酸土壤调理剂2250~3000 kg/hm2用量对降低土壤盐分较为适宜。
2.3.2 腐植酸土壤调理剂对土壤钠离子的影响 Na+是土壤盐害的主要盐分离子,也是土壤阳离子交换量中主要的阳离子,土壤调理剂中有大量的钙、镁二价离子,土壤胶体呈负电荷,在吸附土壤阳离子时优先吸附二价离子,同时已被土壤吸附的钠离子也可通过钙镁离子的置换作用交换出来,置换出的钠离子在浇水或降雨的条件下淋溶到地下水中,从而降低耕层土壤中钠离子含量。
第一季小麦收获后,施用腐植酸土壤调理剂的土壤钠离子较未施用土壤调理剂处理降低6.7%~36.8%。不同腐植酸土壤调理剂施用量间以2250~3000 kg/hm2施用量处理的土壤钠离子含量降低幅度较大,显著大于1500 kg/hm2用量处理（见表7）。第二季、第三季小麦收获后,施用腐植酸土壤调理剂处理的土壤钠离子含量较第一季有小幅降低,较未施用土壤调理剂的处理相比,耕层土壤钠离子含量分别降低9.9%~42.2%（2018年小麦收获季）和15.4%~42.7%（2019年小麦收获季）,变化规律基本同第一季一致,不同土壤调理剂施用量间以2250~3000 kg/hm2施用量处理的土壤钠离子含量降低幅度较大。
| 处理 | 2017年 | 2018年 | 2019年 |
| T1 | 0.98a | 0.85a | 0.82a |
| T2 | 1.05a | 0.98a | 0.86a |
| T3 | 1.40b | 1.28b | 1.15b |
| T4 | 1.50c | 1.42c | 1.36c |
| T5 | 1.55c | 1.47c | 1.43c |
2.3.3 腐植酸土壤调理剂对土壤氯离子的影响 土壤氯离子是土壤盐害的主要阴离子。第一季小麦收获后,施用腐植酸土壤调理剂的土壤氯离子较未施用土壤调理剂处理降低10.3%~29.3%（见表8）。不同腐植酸土壤调理剂施用量之间,差异不显著。第二季小麦收获后,施用腐植酸土壤调理剂处理的土壤氯离子含量较2015年有小幅降低;同时,在本年度,较未施用土壤调理剂处理相比,土壤氯离子含量降低5.2%~33.7%,不同腐植酸土壤调理剂施用量间以2250~3000 kg/hm2施用量处理的土壤氯离子含量降低幅度较大,显著大于1500 kg/hm2用量处理。在第三季小麦收获后,施用腐植酸土壤调理剂的土壤氯离子含量持续降低,变化规律基本同第二季一致,土壤氯离子含量降低20.7%~37.6%。综上,施用腐植酸土壤调理剂能显著降低土壤氯离子含量,其中,以腐植酸土壤调理剂2250~ 3000 kg/hm2用量的效果较好。
| 处理 | 2017年 | 2018年 | 2019年 |
| T1 | 0.58a | 0.55a | 0.53a |
| T2 | 0.65a | 0.63a | 0.56a |
| T3 | 0.70a | 0.73b | 0.65b |
| T4 | 0.78b | 0.77c | 0.82c |
| T5 | 0.82b | 0.83c | 0.85d |
2.4 腐植酸土壤调理剂对小麦产量的影响
2016—2017年,各处理的小麦产量在5234.90~ 6117.55 kg/hm2之间（见图1）。其中施用腐植酸土壤调理剂处理的小麦产量显著高于常规施肥处理,小麦产量提高幅度4.63%~9.87%。不同腐植酸土壤调理剂施用量处理间以1500 kg/hm2的施用量小麦产量最高,显著高于3000 kg/hm2的施用量,但与施用2250 kg/hm2腐植酸土壤调理剂处里无显著差异。
2017—2018年,各处理的小麦产量在5332.95~6968.95 kg/hm2之间。其中施用腐植酸土壤调理剂处理的小麦产量显著高于常规施肥处理,小麦产量提高幅度5.31%~16.30%。不同腐植酸土壤调理剂施用量处理间以3000 kg/hm2的施用量小麦产量较高,但腐植酸土壤调理剂2250 kg/hm2与3000 kg/hm2用量间的小麦产量无显著差异。
2018—2019年,各处理的小麦产量在4823.10~7075.85 kg/hm2之间。其中施用腐植酸土壤调理剂处理的小麦产量显著高于常规施肥处理,小麦产量提高幅度7.47%~25.83%。不同腐植酸土壤调理剂施用量处理间以2250~3000 kg/hm2的施用量小麦产量较高,显著高于其他用量处理,但腐植酸土壤调理剂 2250 kg/hm2与3000 kg/hm2用量间的小麦产量无显著差异。
3 讨论
3.1 腐植酸土壤调理剂对土壤化学性状的影响
土壤有机碳既为植物生长提供碳源,维持土壤良好的物理结构,也是一个影响土壤微生物多样性的重要因素
[16]。腐植酸是一种天然有机物质,本身含碳量较高,作为土壤有机碳源,可补充土壤有机质
[17],对土壤肥力和碳循环均有较大影响。与常规施肥相比,连续施用腐植酸土壤调理剂以后,土壤有机质含量提高3.8%~5.0%。这可能与腐植酸富含多种官能团有关
[18],与前人的研究结果一致
[19]。土壤有效养分可被作物直接吸收利用,其含量对于作物生长发育起着重要的作用。本研究中,经过3年试验,与常规施肥相比,碱解氮、有效磷、速效钾的含量均显著增加,速效钾增幅最大(27.3%~30.7%),其次是有效磷,碱解氮的增幅最小。这可能是由于腐植酸一方面能够增加土壤中真菌的数量,其与土壤中速效氮磷钾的含量呈极显著正相关
[20,21]。另一方面,腐植酸土壤调理剂中的腐植酸施入土壤以后,能够减少磷的固定,活化被固定的磷,促进无效钾向有效钾转化,从而进一步提高土壤中有效磷和速效钾的含量,这与前人的研究结果一致
[17,22]。
3.2 腐植酸土壤调理剂对土壤盐碱障碍特性的影响
腐植酸是一种有机酸,能与土壤中阳离子结合生成腐植酸盐,进而形成腐植酸-腐植酸盐相互转化的缓冲系统,因此可以起到调节土壤酸碱度的作用
[23]。本研究中,施用腐植酸土壤调理剂与常规施肥相比,能够显著降低土壤pH 0.30~0.43个单位,与李鹏程等
[24]研究结果一致。土壤的碱化度与土壤离子交换量、土壤交换性Na
+的含量有关。土壤交换性Na
+是重要的土壤改良指标
[25],土壤中存在的大量交换性Na
+导致土壤不断恶化
[26]。本研究中,施用腐植酸土壤调理剂,能够显著降低土壤碱化度。连续施用腐植酸土壤调理剂3年后,土壤碱化度较常规施肥降低4.6%~27.2%。这可能是由于腐植酸土壤调理剂中含有Ca
2+,能够代换土壤中的Na
+;另外腐植酸土壤调理剂中的腐植酸能够中和碱性,可以吸附游离的Na
+,导致土壤中交换性Na
+的含量降低。这与邵玉翠等
[27]的研究结果一致。
3.3 腐植酸土壤调理剂对土壤盐分及离子组成影响
孙在金等
[28]研究发现,腐植酸能够降低全盐量12.2%~22.8%;李杰等
[10]研究表明,施用腐植酸土壤调理剂,能够降低盐碱土壤含盐量,脱盐率15.1%~29.3%。本研究中,连续3年施用腐植酸土壤调理剂,土壤含盐量逐年降低,降幅增大,试验结束时,土壤脱盐率17.28%~23.53%,与前人的研究结果一致。李旭霖等
[29]研究表明,施用改良剂处理能降低土壤中的Na
+和Cl
-含量,Na
+含量减少了7.35%~42.53%,Cl
-含量减少4.38%~54.1%。本研究中,施用腐植酸土壤调理剂处理的土壤钠离子含量与常规施肥相比降低15.4%~42.7%,土壤氯离子含量降低20.7%~37.6%。与前人的研究结果一致。这可能是由于腐植酸土壤调理剂中的腐植酸含有大量的羧基和酚羟基等酸性官能团,使其具有很高的阳离子交换量,能够吸附和交换阳离子。对于Na
+,可以与腐植酸直接进行离子交换,从而降低土壤溶液中Na
+的浓度和危害,也可与腐植酸土壤调理剂带入土壤中的Ca
2+置换,加速Na
+的淋洗,减低Na
+的含量;对于Cl
-,可能与腐植酸形成络合物,改变了形态,降低了土壤中的含量。
3.4 腐植酸土壤调理剂对小麦产量的影响
孙在金
[30]研究表明,腐植酸调理剂能够促进棉花的生长,提高产量。张济世等
[7]也有相关类似的报道,发现腐植酸调理剂能够提高小麦产量。李杰等
[10]研究表明,施用腐植酸调理剂能够提高番茄的产量。本研究中,施用腐植酸土壤调理剂处理的小麦产量显著高于常规施肥处理,小麦产量提高7.47%~25.83%。与前人的研究结果一致。这一方面可能是由于腐植酸土壤调理剂能够增加土壤速效氮磷钾的含量,腐植酸能够刺激根系吸收养分,促进作物生长发育;另一方面,腐植酸能够促进作物对Mg
2+和Fe
2+的吸收,增加叶绿素含量,进而增强光合作用,促进干物质积累,提高产量。
4 结论
（1）腐植酸土壤调理剂能够改善土壤化学性状。与常规施肥相比,施用腐植酸土壤调理剂土壤有机质含量提高3.8%~5.0%,碱解氮提高8.6%~12.0%,有效磷提高16.4%~29.2%,速效钾提高27.3%~30.7%。不同用量腐植酸土壤调理剂处理的土壤碱解氮、速效钾含量差异不显著,有效磷的含量差异显著且腐植酸土壤调理剂用量3000 kg/hm2处理最高。
（2）腐植酸土壤调理剂能够改良土壤盐碱障碍,降低土壤含盐量。施用腐植酸土壤调理剂相比常规施肥处理,pH降低0.30~0.43个单位,碱化度降低4.6%~27.2%,脱盐率达到17.28%~23.53%,钠离子降低15.4%~42.7%,氯离子降低20.7%~37.6%。
（3）腐植酸土壤调理剂提高小麦产量,施用3年后,与常规施肥相比,小麦产量提高7.47%~25.83%。但腐植酸土壤调理剂2250 kg/hm2与3000 kg/hm2用量间的小麦产量无显著差异。
（4）在本试验条件下,施用腐植酸土壤调理剂2250 kg/hm2是改良黄河三角洲盐碱土以及提高小麦产量的最佳用量。
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表1 供试土壤基本理化性状
图1 不同处理的小麦产量
