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  农业资源与环境学报  2020, Vol. 37 Issue (5): 719-726  DOI: 10.13254/j.jare.2019.0447
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引用本文  

金梦野, 李小华, 黄占斌, 等. 三种材料复合施用对盐碱土壤改良效果的研究[J]. 农业资源与环境学报, 2020, 37(5): 719-726.
JIN Meng-ye, LI Xiao-hua, HUANG Zhan-bin, et al. Improvement of saline-alkali soil by compound application of three environmental materials[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2020, 37(5): 719-726.

基金项目

国家自然科学基金(41571303);天津市宁河区盐碱地土壤化学改良技术方法应用研究(HK2019-B2)

Project supported

The National Natural Science Foundation of China(41571303);Applied Research on Soil Chemical Improvement Technologies and Methods of Saline-alkali Soil in Ninghe District of Tianjin City(HK2019-B2)

通信作者

黄占斌, E-mail:Zbhuang2003@163.com

作者简介

金梦野(1995-), 女, 黑龙江绥化人, 硕士研究生, 从事土壤盐碱化改良研究。E-mail:jinmengye951015@163.com

文章历史

收稿日期: 2019-09-07
录用日期: 2019-11-08
三种材料复合施用对盐碱土壤改良效果的研究
金梦野1 , 李小华2 , 黄占斌1 , 杨永安3     
1. 中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院, 北京 100083;
2. 河北华勘地质勘查有限公司, 河北 廊坊 065201;
3. 天津市玉米良种场, 天津 301507
摘要: 为研发对盐碱土壤脱盐和对土壤结构具有同步改良效应的复合改良材料,选取脱硫石膏(A)、改性腐植酸(B)和高分子材料(C),通过室内土柱模拟方法,采用正交试验设计,探究三种材料对盐碱土壤盐分淋洗和结构改良同步增效的最优组合,分析不同材料对盐碱土壤的改良机理。结果表明:三种材料复合施用对盐碱土壤盐分淋洗和结构改良有明显效果,对盐碱土壤改良效果最优的组合为A3B1C3(脱硫石膏、改性腐植酸、高分子材料的添加量分别为60、2、0.1 g·kg-1),与对照(CK)相比,其淋溶液体积减少了14.22%,土壤钠吸附比(SAR)降低了30.43%,土壤团聚体含量增加24.45个百分点。研究表明,三种材料复合施用能够在改良盐碱土壤化学性质的同时改良盐碱土壤结构。
关键词: 盐碱土壤    pH    钠吸附比(SAR)    水溶性盐含量    复合材料    
Improvement of saline-alkali soil by compound application of three environmental materials
JIN Meng-ye1 , LI Xiao-hua2 , HUANG Zhan-bin1 , YANG Yong-an3     
1. College of Chemistry and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China;
2. Hebei Huakan Geological Exploration Co., Ltd., Langfang 065201, China;
3. The Corn Variety Farm of Tianjin, Tianjin 301507, China
Abstract: The aim of the present study was to develop composite materials with a simultaneous effect of desalination and improvement of the soil structure of saline-alkali soil using a soil column simulation test. To this end, the optimal combination of desulfurized gypsum (A), modified humic acid (B), and polymer material (C) was explored using an orthogonal experimental design. The improvement mechanism of different materials on saline-alkali soil was analyzed. The results showed that the three composite materials had significant effects on the desalination and structural improvement of the saline-alkali soil. The optimal combination was A3B1C3, and the amounts of A, B, and C were 60, 2 and 0.1 g·kg-1, respectively. Compared with the control, the volume of the leaching solution was reduced by 14.22% and the ratio of soil sodium adsorption was reduced by 30.43%. Moreover, the content of soil aggregates increased by 24.45 percent point. In conclusion, the application of the three composite materials could improve the chemical properties and structure of the saline-alkali soil.
Keywords: saline-alkali soil    pH    sodium adsorption ratio(SAR)    water soluble salt content    composite materials    

土壤盐碱化是指盐分在土壤表层积累,达到了某一阈值造成植物无法正常生长的现象[1],随着经济和城市化的快速发展,农林用地面积不断减少,改良和利用盐碱化土壤已经成为全球性问题[2-3]。据统计,我国盐碱化土壤总面积达990万hm2,约占全国土壤面积的1/10,盐碱土壤面积大、分布广、环境承载力较差,既是我国经济社会生态可持续发展的主要影响因素,也是重要的后备土地资源[4]

目前,盐碱地的主要改良措施有物理措施[5]、化学措施[6]、生物措施[7]、水利工程措施[8]。其中化学改良技术得到一定研究示范,确定改良剂的最佳用量是化学改良措施应用的技术核心[9],一般采用加入含钙物质来置换土壤胶体表面吸附的钠,也可采用加酸或酸性物质的方法进行盐碱化土壤改良[10]。赵文婧[11]在盐碱土壤改良的研究中主要重视土壤的洗盐过程,忽略了对土壤结构的改良,在地下水位升高情况下会导致土壤发生二次盐碱化,严重影响盐碱土壤改良的效果。

近年来,脱硫石膏、腐植酸和高分子材料在盐碱土壤改良的实际应用中颇受重视,脱硫石膏的主要成分是硫酸钙(CaSO4·2H2O),能够降低盐碱土壤的钠盐含量,达到改良盐碱土壤的目的[12-13]。腐植酸能够促进土壤团聚体的形成[14],同时促进脱硫石膏在土壤中的溶解,使土壤中的离子代换作用更彻底[15]。改性腐植酸是将腐植酸与氨水按一定比例均匀混合,NH+4与腐植酸分子上的羧基作用,同时又会与邻位二酚基作用,使改性腐植酸具有更高的活性[16]。高分子材料分子可与土壤中的物质产生水解、降解、亲和、吸附、交联等一系列反应,增加土壤中的大团聚体结构[17]。此外,高分子材料可以保持土壤结构,减少土壤结构中的水分蒸发,提高土壤的保水能力[18],使作物增产。目前,三种材料在盐碱土壤改良研究中分别取得一定的效果[19-21],但关于三种材料复合对盐碱土壤的改良效果研究较少。本文基于三种材料的协同与功能互补作用,采用正交试验设计,探索三种材料对盐碱土壤改良的优化组合,以期为滨海盐碱土壤改良的应用研究提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

供试土壤:天津玉米良种场农田表层土壤(0~20 cm),pH为8.09,其水溶性Ca2+、Na+、Mg2+含量为88、656、55 mg·kg-1。碱化度为18.04,钠吸附比(SAR)为2.1,水溶性盐含量为3.2 g·kg-1,属于中等盐碱化土壤,自然风干后,过5 mm筛,备用。

供试材料:脱硫石膏由河北建投任丘热电有限公司提供,其CaSO4·2H2O含量≥90%,pH为6.69,电导率为43.6 mS·cm-1;改性腐植酸由山西丰联农业有限公司提供,腐植酸含量>50%,pH为8.5,电导率为109.4 mS·cm-1;高分子材料,线性阴离子型聚丙烯酰胺,60~ 80目白色颗粒的水溶性材料,由北京金元易生态环境产业股份有限公司提供。

试验用水:去离子水,pH为6.65,电导率为0.612 mS·cm-1

1.2 试验装置

试验采用土柱淋溶装置,主体由有机玻璃滤片和玻璃土柱架构成(图 1)。土柱的最上层和最下层各放置一个带有小孔的玻璃滤板,在底层玻璃滤板上放置两层200目的纱布,以防止漏土。

图 1 土柱淋溶模拟试验装置 Figure 1 The equipment of soil column leaching experiment
1.3 试验设计

试验采用正交设计,试验点均衡分布,具有较强的代表性。本试验通过三因素三水平正交试验,采用土柱淋溶模拟方法,确定材料对盐碱化土壤改良的最佳组合。试验三因素为脱硫石膏(A)、改性腐植酸(B)和高分子材料(C),在课题组以往研究[22]基础上,确定A用量的三个水平为每千克干土中添加20、40、60 g,B用量的三个水平为每千克干土中添加2、6、10 g,C的三个用量水平为每千克干土中添加0.025、0.050、0.100 g。以未添加任何材料的处理作为对照(CK),共10个处理(表 1表 2),每个处理3个重复。

表 1 三种材料的添加量(g·kg-1土) Table 1 The quantity of the three materials(g·kg-1 soil)
表 2 各处理材料用量组合 Table 2 The material amount of each treatment

根据处理将复合材料与自然风干后过5 mm筛的土壤混合均匀后置于土柱内,在土柱的上层覆盖少量石英砂(约4 g,0.5 cm厚),保证淋溶时土壤的稳定性。调节水分至田间持水量的60%,将土柱在室温下放置1 d使土壤与复合材料充分反应。首次淋溶向土柱内加入200 mL去离子水,反应3 h后,收集土柱内的24 h淋溶液。首次淋溶后,将土柱放置在室温下自然蒸发,土壤含水率降至约60%(采用称质量法计算)时进行二次淋溶,淋溶过程与首次相同。

1.4 测定指标与方法

淋溶液指标:淋溶液体积采用量筒直接测定;pH采用玻璃电极法测定(LY/T 1239—1999)。

土壤指标:淋溶后将土壤从淋溶液中取出自然风干后,Na+、Mg2+、Ca2+含量采用ICP-MS(NexlON 300D,美国PerkinElmer公司)测定;采集土柱内中部10~15 cm淋溶后土壤样品自然风干后进行土壤水稳定性团聚体分析(TTF-100土壤团聚体分析仪,北京同德创业科技有限公司);土壤水溶性盐含量采用烘干法测定。

钠吸附比(SAR)是衡量土壤碱化度的重要指标,计算公式:

式中:CNa+为土壤中可交换态钠离子的浓度;CCa2+为土壤中可交换态钙离子的浓度;CMg2+为土壤中可交换态镁离子的浓度。

2 结果与分析 2.1 不同材料组合对土壤水分保持的影响

淋溶液体积能够代表土壤保水性能的优良,盐碱土壤对水分的保持能力较差,造成土壤发生板结现象。图 2显示了施加不同复合材料组合后淋溶液体积的变化情况,在两次淋溶过程中,添加不同复合材料处理后两次淋溶液总体积与对照(CK)相比均呈下降趋势,在第一次淋溶过程中,T1~T9的淋溶液体积较CK降低了8.48%~15.63%;第二次淋溶过程中,与CK相比,添加不同材料组合后的淋溶液体积降幅为1.09%~12.50%。此外,淋溶液体积的下降与高分子材料的添加量呈正相关。结果表明,三种材料的不同添加组合均能够提高盐碱土壤的水分保持性能。

不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)。下同 The different lowercase letters indicate significant differences among treatments(P < 0.05).The same below 图 2 不同材料组合对淋溶液体积的影响 Figure 2 The effect of different material combinations on the volume of leaching solution
2.2 不同材料组合对土壤水稳定性团聚体含量的影响

团聚体是土壤的重要组成部分,稳定的团聚体是土壤调节水、肥、气、热,对抗环境剧烈变化的重要条件[23],盐碱土壤中大于0.25 mm的团聚体结构较少,导致盐碱土壤中的微生物活性和酶活性较差。复合材料对淋溶后盐碱土壤水稳定性团聚体含量的影响见图 3。与CK相比,添加复合材料组合淋溶后(T1~T9),盐碱土壤中团聚体含量增至27.32%~53.83%,其中T3土壤团聚体含量增幅最大(P < 0.05)。表明三种材料的添加能够促进淋溶后盐碱土壤大团聚体的形成。

图 3 不同材料组合对土壤水稳定性团聚体含量的影响 Figure 3 The effect of different material combinations on the content of soil water-stable aggregates
2.3 不同材料组合对淋溶后盐碱土壤pH的影响

pH是盐碱土壤的重要化学指标,其变化会影响土壤中养分含量及酶的活性。图 4显示了在盐碱土壤中添加不同材料组合对淋溶后盐碱土壤pH的影响。与CK相比,添加复合材料组合使淋溶后盐碱土壤的pH值下降0.01~0.66个单位,其中T1对盐碱土壤pH值降低的效果最显著(P < 0.05)。

图 4 不同材料组合对淋溶后盐碱土壤pH值的影响 Figure 4 The effect of different material combinations on pH value of leached saline-alkali soil
2.4 不同材料组合对土壤水溶性盐含量的影响

盐碱土壤中盐分含量较高,导致土壤中渗透压不平衡,造成植物生理干旱。添加复合材料淋溶后,各处理盐碱土壤中的水溶性盐含量变化见图 5。与CK相比,各处理的土壤水溶性盐含量显著增加了0.02~ 0.04个百分点,且淋溶后盐碱土壤中水溶性盐含量随脱硫石膏用量增加呈增加趋势。

图 5 不同材料组合对盐碱土壤水溶性盐含量的影响 Figure 5 The effect of different material combinations on water soluble salt content in saline-alkali soils
2.5 不同材料组合对土壤钠吸附比(SAR)的影响

土壤盐碱化即土壤胶体吸附钠离子的过程,也是阳离子在土壤液相和固相间相互交换的过程。盐碱土壤SAR值在添加不同材料组合淋溶后的变化趋势如图 6所示,与CK相比,T1~T9盐碱土壤SAR值均呈下降趋势并达到了显著水平(P < 0.05),分别降低了39.13%、47.83%、30.43%、34.78%、26.09%、17.39%、30.43%、60.78%、43.48%,表明三种材料的复合施用能够降低盐碱土壤的SAR值,其中T8对降低土壤SAR值的效果最优。

图 6 不同材料组合对盐碱土壤SAR值的影响 Figure 6 The effect of different material combinations on SAR values of saline-alkali soils
3 讨论

土壤持水能力受土壤颗粒组成及孔隙度的影响[24],对添加不同材料淋溶后的淋溶液体积进行正交分析(表 3)。三种材料对盐碱土壤淋溶液极差影响表现为RC>RB>RA,且脱硫石膏与改性腐植酸对水分保持的效果相近,但高分子材料的保水效果远高于其他两种材料,这与李磐等[25]、武继承等[26]的研究结果一致。这可能是由于高分子材料结构中含有的酰基能够形成氢键,高分子材料与水分子可在氢键作用下形成高分子网束[27],网束内外渗透压不同,水分子流入网内,从而减少水分的流失和蒸发[28]

表 3 盐碱土壤物理性质正交分析 Table 3 The orthogonal analysis of physical properties of saline-alkali soils

土壤团聚体是土壤结构的基本单元,其稳定性对评价土壤质量具有重要意义[29]。研究表明,腐植酸能够降低土壤水溶性盐含量,增加土壤中团聚体结构[30];高分子材料能够促进土壤团聚体的形成,提高土壤吸水和保水性能[31],这与本研究结果一致,由表 3可知,各材料组合处理土壤团聚体含量较未施加材料处理均呈增加趋势,但因材料用量的不同,处理间差异显著。三种材料对盐碱土壤团聚体含量增加影响的大小顺序为高分子材料>改性腐植酸>脱硫石膏,造成这一现象的原因是高分子材料是阴离子线性结构分子,能够与土壤中的许多物质发生水解、降解、亲和、吸附等一些列化学反应,使之凝聚成为团粒结构[32],改良盐碱土壤。另外,改性腐植酸是一种胶体,能够与土壤中的微团聚体发生絮凝作用,促进土壤中团粒结构的形成[33]

盐碱土壤的改良通常是采用脱硫石膏等含Ca2+物质置换土壤表面的Na+,生成Na2SO4和CaCO3降低盐碱土壤含盐量、SAR值、pH值,但若土壤中pH值较高,CaCO3会将土壤中的营养元素固定,造成植物的营养缺失。已有研究表明,施入改良剂能够降低盐碱土壤pH值[34]。三种材料组合脱硫石膏对土壤pH值、水溶性盐含量、SAR值表现出良好的改良效果(表 4),这可能是由于脱硫石膏的主要成分是CaSO4·2H2O[35],CaSO4能够与盐碱土壤中的Na2CO3、NaHCO3等碱性物质发生反应,降低土壤的pH值[36],这与贺坤等[37]的研究结果一致。土壤SAR值与土壤中Na+浓度成正比,与Ca2+浓度与成反比,添加脱硫石膏能够增加土壤中的Ca2+浓度,同时能通过置换反应降低盐碱土壤中Na+含量[38],因此,脱硫石膏能够显著降低土壤SAR值。研究结果表明,添加脱硫石膏后可降低盐碱土壤中溶解性盐含量[39],这与本试验结果相反。但对比土壤中盐分离子含量比例可知,加入三种材料淋溶后的盐碱土壤中,钙盐含量增加而钠盐含量减少,再次论证脱硫石膏中的Ca2+能够与Na+发生置换反应[40],因此,盐碱土壤中的盐分类型发生了改变[41],且添加三种复合材料后土壤的含盐量均降到0.05%以下,对植物生长发育产生的不利影响较小。

表 4 盐碱土壤化学性质正交分析 Table 4 The orthogonal analysis of chemical properties of saline-alkali soils

表 3可知,三种材料对土壤水分保持效果最好的最优组合为A3B2C3,对促进土壤团聚体形成效果最好的最优组合为A3B3C3;由表 4可知,对土壤pH降低效果最好的最优组合为A1B1C1,对土壤水溶性盐降低效果最好的最优组合为A1B1C2,对土壤SAR值降低效果最好的最优组合为A3B2C2。因此,因素A是土壤pH值和土壤SAR值的主要影响因素,综合分析选择A3为最优水平。因素B是土壤水溶性盐和土壤团聚体结构的主要影响因素,综合分析选B1为最优水平。因素C是土壤水分保持和土壤团聚体结构的主要影响因素,综合分析选C3为最优水平。

4 结论

(1)通过土柱淋溶模拟试验证明,三种材料复合施用能够显著降低盐碱土壤pH、Na+含量及土壤SAR值,同时能够增强土壤的水分保持效果,促进土壤团聚体的形成。综合分析各项指标,A3B1C3(脱硫石膏、改性腐植酸、高分子材料的添加量分别为60、2、0.1 g·kg-1)是降低土壤盐分和改良土壤结构的最优组合。

(2)三种材料复合施用既能够改善盐碱土壤的化学性质,同时也能够改良土壤结构,防止土壤二次污染,保证了盐碱土壤改良的效果。

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