有机-无机肥耦合“增碳控盐”模式对中轻度盐碱地的改良效应

来源:用户上传      作者:王靖荃　李云　王家辉　诸葛玉平　娄燕宏　崔秀敏

　　 摘要：本着“增碳控盐”的理念，从施肥模式入手，在山东省无棣中轻度盐碱地上开展基于缓控释肥、有机-无机复混肥和生物有机肥或腐植酸增效肥等组成的不同肥料类型耦合，并结合施用脱硫石膏和苜蓿还田进行土壤改良，研究各处理下土壤养分离子及盐分离子在0～40 cm土层的运移特征及苜蓿的生物学效应，探索中轻度盐碱地最佳“增碳控盐”改良模式。结果表明：与常规化肥处理相比，各“增碳控盐”组合处理均可改善0～20 cm土层盐碱土速效氮磷钾的肥力状况，提高苜蓿产量，增幅达8.62%～71.99%。NO-3、NH+4、K+在0～40 cm土层均存在一定程度的淋失，添加外源碳质有一定缓解效果但未能逆转淋失的趋势。生物有机肥和腐植酸增效肥可显著降低0～20 cm土层Cl-、Na+浓度，有效阻滞深层盐分的上行运移累积，降低土壤盐碱度。两年的田间试验表明，“增碳控盐”配合CaSO4与苜蓿还田可显著改善盐碱土根层的速效养分，实现保肥固肥和降盐控盐的目的，后茬小麦-玉米的增产幅度达5%～30%。
　　关键词：盐碱地;苜蓿;增碳控盐;土壤改良
　　中图分类号：S156.4 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2020）05-0070-07
　　Abstract Based on the concept of controlling salt and increasing carbon， this study was carried out with different fertilization modes in medium-light saline alkali soil in Wudi County， Shandong Province. Through coupling different fertilizer types， such as slow-controlled release fertilizer， organic-inorganic compound fertilizer， bio-organic fertilizer and humic acid synergism fertilizer， it was aimed to improve the soil combined with desulfurization gypsum and alfalfa improvement. The transport characteristics of nutrient ions and saline ions in 0～40-cm soil layer and the biological effects of alfalfa were tested to explore the best  improving model for medium-light saline alkali soil. The results showed that compared with the application of conventional chemical fertilizer， each mode of controlling salt and increasing carbon could improve the fertility of available nitrogen， phosphorus and potassium in 0～20-cm saline alkali soil， and the alfalfa yield increased by 8.62%～71.99%. NO-3， NH+4 and K+ were leached to a certain extent in the 0～40-cm soil layer. The addition of exogenous carbon had a certain alleviation effect but failed to reverse the trend of nutrient leaching. Bio-organic fertilizer and humic acid synergist fertilizer could significantly reduce the concentration of Cl-， Na+ in 0～20-cm saline alkali soil， effectively block the upward movement and accumulation of saline ions from deep layer. Two years of field experiments showed that controlling salt and increasing carbon combined with CaSO4 and green manure returning to the field could significantly improve the available nutrients in the root layer of saline alkali soil， achieve the purpose of maintaining fertility and reducing and controlling salt; and the following wheat and maize yields increased by 5%～30%.
　　Keywords Saline alkali soil; Alfalfa; Controlling salt and increasing carbon; Soil improvement
　　 鹽碱土是在各种自然环境和人为因素的综合作用下，盐分离子参与土壤形成过程，并以盐（碱）化过程为主导作用而形成的土壤。盐碱土具有盐化层或碱化层，土壤中含有大量可溶性盐类，理化性状差，抑制根系生长，甚至使部分作物无法正常成活。盐碱土是重要的后备土壤资源，改良利用盐碱地可以增加耕地面积，缓解人多地少的矛盾[1，2]。 　　在长期的生产实践中，前人总结出一系列的盐碱地治理技术，如挖沟开渠、秸秆还田、种植耐盐作物、深耕深翻、添加改良剂等[3，4]。水利工程措施即单纯的大水漫灌洗盐在改良盐渍化土壤方面非常有效，但在水资源短缺的干旱半干旱地区难以实现可持续发展;化学措施短期效果显著，但有投入高的局限性;生物措施具备低投入、可持续、环境友好等优点，是盐碱地改良最有潜力的途径[5]。脱硫石膏是优良的盐碱土改良剂，能够显著降低土壤pH值、提高农作物的出苗率和产量[6-8]。CaSO4降低pH值的同时也带来丰富的Ca2+，这不仅可以通过“维茨效应”提高植物的“利己性”选择吸收，而且有利于土壤形成稳定性的有机-无机复合胶体，降低土壤的盐碱度[9，10]。因此，土壤“降盐”的同时必须伴随“增碳”才是盐碱地土壤改良的可持续发展途径。
　　 苜蓿（Medicago sativa L.），有“牧草之王”的美誉，兼具耐旱、耐盐、适应性广、抗逆性强、再生性强等优点。作为豆科植物，苜蓿根系具有固氮作用，且地上部分具有较高的营养价值和经济效益，是改良中轻度盐碱地的理想植物[11]。本试验利用不同有机-无机肥料-生物有机肥组合，配合石膏脱盐和苜蓿培土，通过源头肥料控制，实现过程增碳降盐、尾端绿植培肥，以探索出中轻度盐碱地土壤可持续发展的高效模式。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验材料
　　 试验在山东省滨州市无棣渤海粮仓进行。供试土壤为中度盐碱地，土壤pH值7.68，电导率548.3 μS/cm，硝态氮含量6.82 mg/kg、铵态氮35.15 mg/kg、有效磷16.75 mg/kg和速效钾198.5 mg/kg。苜蓿品种为“耐盐之星”，紫花耐旱型。
　　1.2 试验设计及方法
　　 试验共设6个肥料处理（见表1）。小区面积5 m×10 m=50 m2。重复3次，随机排列，小区之间置留2 m间隔带。对照（CK）为当地习惯用复合肥（N-P2O5-K2O=15-15-15）;处理用肥料分别为包膜缓控释肥（N-P2O5-K2O=16∶21∶4）;化成型缓控释肥（N-P2O5-K2O=25∶10∶10）;有机-无机复混肥总养分（N+P2O5+K2O）为25%。T1～T6处理均撒施石膏3 000 kg/hm2。所有肥料均基施，增碳控盐产品均以基肥形式撒施并翻耕，其它栽培管理措施同常规。苜蓿于2017年10月16日播种，收割3茬后于2018年10月8日将苜蓿翻耕入土，其它肥料处理同前。2018年10月—2019年10月开展小麦-玉米轮作，收获时调查产量。1.3 测定项目及方法
　　分别于苜蓿出苗期（2017年11月7日）、开花期（2018年6月19日）、成熟期（2018年9月30日），采集土壤样品。于2018年5月15日、6月19日、9月30日共收割三茬苜蓿植株樣品测定产量。每小区按对角线取样法用土钻（内径5 cm）在苜蓿窄行中间采集0～20 cm和20～40 cm深度土样5个点，土壤充分混匀后用9号塑封袋带回实验室。取部分鲜土测定硝态氮、铵态氮含量，剩余部分自然风干、研磨、过筛，保存备用。
　　土壤指标测定：硝态氮、铵态氮用KCl浸提、流动分析仪（AA3，德国）测定;土壤速效养分和土壤阴阳离子含量测定参照鲍士旦[12]的方法进行。小麦成熟后，每小区实打实收，采用“1 m双行法”调查小麦产量;玉米成熟后，每小区选取有代表性的10株，将地上部全部收获，按秸秆和籽粒分开，调查穗粒数、穗行数，风干后称量穗重，脱粒后称重，测定千粒重，并计算籽粒产量。
　　1.4 数据处理
　　 采用 Microfost Excel 2003 和 DPS 7.0 软件对数据进行统计分析，Duncan’s法进行多重比较，利用WPS 软件作图。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同施肥模式对盐碱土硝态氮、铵态氮含量的影响
　　 从图1A可以看出，0～20、20～40 cm土层中，“增碳控盐”组合对苜蓿不同生育期土壤的NO-3含量影响不同。T2、T3、T6处理的0～20 cm土层土壤NO-3含量均显著高于对照，尤其是T6处理（有机-无机复混肥+生物有机肥），整个生育期NO-3含量均显著高于CK和其它处理，至成熟期0～20 cm土层仍比CK高出46.31%，即使是降雨较多的季节，0～20 cm土层中T6处理的NO-3含量依然最高。近等量养分投入的有机-无机复混肥+腐植酸改性肥的T3处理一直显著低于T6，说明有机-无机复混肥和生物有机肥耦合对氮素的固持能力强于腐植酸改性肥。
　　 从0～20 cm和20～40 cm土层垂直方向NO-3变化趋势看，随着生育期的延长和自然降水及灌溉的淋洗，不同增碳降盐组合处理土壤均存在一定程度的下渗，但NO-3含量淋失率低于对照。
　　 从整体分布来看，20～40 cm铵态氮含量比0～20 cm偏高（图1B），说明盐碱土垂直方向NH+4亦存在一定程度的淋失现象，但差异不显著。0～20 cm土层中各个增碳控盐组合均可显著提高铵态氮含量，20～40 cm也有相似的增长趋势，但增幅均相对较小。与NO-3不同的是，T2处理（包膜缓控释肥+腐植酸改性肥）对0～20 cm土层NH+4提升效果最显著，无论是0～20 cm还是20～40 cm土层，至10月份时均保持最高水平。
　　2.2 不同施肥模式对盐碱土有效磷、速效钾含量的影响
　　 由图2A看出，与 CK相比，各增碳控盐组合多能不同程度提高有效磷含量。有效磷在0～20 cm和20～40 cm土层垂直方向及各处理间差异均较大，0～20 cm土层含量显著高于20～40 cm土层，这显然有利于苜蓿根系的养分吸收。0～20 cm土层化学合成型缓控释肥处理的土壤有效磷显著高于其它处理，尤其是配合生物有机肥的T4处理，使缓慢释放的有效磷被稳定固持在0～20 cm根层土壤，有效阻控磷素淋失。而20～40 cm土层，有效磷以有机-无机复混肥配合生物有机肥的T6处理含量最高，可见中度盐碱土壤中，增施有益微生物菌肥对于有效锁住根层土壤的有效磷效果极其显著。 　　 由图2B可以看出，各施肥组合对0～20 cm和20～40 cm土層的速效钾影响均十分明显。0～20 cm土层，各个增碳控盐组合的速效钾均显著高于对照，尤以包膜缓控释肥+腐植酸改性肥组合的T2处理最高，其次是有机-无机复混肥+腐植酸改性肥处理的T3处理。从垂直方向看，对照土壤存在严重的K+淋失，0～20 cm土层 K+浓度为187.5 mg/kg，而20～40 cm 土层K+浓度227.5 mg/kg，上升21.3%，差异极显著。而添加外源碳质和控盐产品的处理，0～20 cm 土层K+浓度均明显高于20～40 cm，提高幅度达10.5%～20.3%，说明缓控释肥配合增施腐植酸改性肥或生物有机肥均可有效阻控K+向深层淋失。
　　2.3 不同施肥模式对盐碱土Na+、Mg2+、Ca2+的影响
　　 由图3A看出，0～20 cm土层Na+含量明显高于20～40 cm土层，且上下变化趋势相似，说明0～40 cm土层Na+含量主要来自深层地下水的上行运移带盐。外源增碳控盐组合处理可显著降低0～20 cm和20～40 cm土壤游离Na+含量，降幅为4.73%～6.26%。
　　 由图3B看出，增碳控盐组合处理中，盐碱土0～40 cm层次Mg2+含量呈现下降趋势，无论是0～20 cm还是20～40 cm土层，均以有机-无机复混肥+生物有机肥组合的T6处理降幅最大（5.26%～6.17%）。0～20 cm和20～40 cm土层 Mg2+在各处理间的变化趋势相似，而盐碱土垂直方向上Mg2+的浓度差异仅在5%左右，说明其分布相对均匀，且受外界水肥影响较小。
　　 由图3C看出，由于所有处理均施加了脱硫石膏（CaSO4），土壤中Ca2+含量显著上升，高出对照139.8%～150.6%。0～20 cm和20～40 cm土层Ca2+分布差异较小，说明Ca2+在中轻度盐碱土垂直方向形态分布比较稳定。
　　
　　2.4 不同施肥模式对盐碱土Cl-、HCO-3、SO2-4的影响
　　 由图4A可知，不同增碳控盐组合处理均显著降低0～20 cm和20～40 cm土层Cl-含量，其中以有机-无机复混肥+腐植酸改性肥的T3和有机-无机复混肥+生物有机肥的T6 处理Cl-降幅最大。从Cl-浓度分布和变化趋势分析，0～40 cm土层的Cl-的积累主要来自深层水分的上移，外源碳质的添加可有效阻控Cl-随地下水向上运移进入根层土壤。
　　 由图4B可知，增碳控盐组合处理显著降低0～40 cm土层HCO-3浓度，其中降幅最大的是T6处理。0～20 cm土层的HCO-3浓度显著高于20～40 cm土层，说明土壤中的HCO-3跟Na+和Cl-一样，亦主要来源于地下水的上行运移留盐。外施缓控释肥和有机碳质可以显著阻截HCO-3的上移，使其降幅达6.27%～12.37%，显著高于Na+和Cl-。
　　由图4C可以看出，同钙离子相似，添加脱硫石膏的各增碳控盐组合均显著提高0～40 cm土层SO2-4含量，各处理间高出对照126%～129%。0～20 cm和20～40 cm土层SO2-4分布差异较小，均在5%上下。说明SO2-4同Ca2+相似，在中轻度盐碱土0～40 cm土层垂直方向形态分布比较均匀，SO2-4浓度只有Ca2+浓度的1/3。
　　2.5 不同施肥模式对苜蓿及小麦、玉米产量的影响
　　 由表2可知，各增碳控盐组合处理的苜蓿三茬总产量均高于对照，尤其T4、T5和T6处理增产达23.7%～35.5%，而随后一年的的小麦-玉米增产依然明显，趋势同苜蓿相似。小麦、玉米产量均以T6处理最高，分别比对照增产31.9%和29.4%。说明外源增碳降盐组合可以有效固持无机化肥提供的养分，有机碳质投入越高，根层土壤固持养分的能力越强，有益微生物越多，养分持续性越久。
　　3 讨论与结论
　　 从盐碱土0～40 cm土层中NO-3、NH+4的分布状况看，二者均存在一定程度的淋失，配施外源生物有机肥和腐植酸并未改变氮素淋失的趋势。相对于氮素，有效磷在0～40 cm土层淋失小得多，外源碳质的添加可不同程度缓解氮磷钾在盐碱土垂直方向的淋失损耗。
　　 化学合成型缓控释肥、包膜缓控释肥、有机-无机复混肥配合生物有机肥和腐植酸改性肥均可显著改善土壤速效氮、磷、钾的肥力状况，土壤有机质也有一定程度提升。一方面，这与缓控释肥的养分释放特性相关，氮磷钾速效养分释放缓慢，与苜蓿生长需求基本一致，降低铵态氮的挥发、硝态氮淋失、磷钾的固定及淋失损耗[12，13];另一方面，由于生物有机肥和腐植酸改性肥所携带的功能基团丰富，增加对养分离子的固持，提升养分离子的有效性与时效性[14，15];而且，有机-无机复合胶体的增加可以有效阻滞下层水分向上运移过程带来的盐分积累，使积聚在盐碱土表层土壤中的盐分离子Cl-、Na+、HCO-3显著降低。同时，由于外源石膏的施入，使根层土壤游离Ca2+增加，更加有利于根系选择性吸收必需营养元素，从而避免过高盐分离子度对根系的伤害[6-8]。根系对氮磷钾养分的吸收能力增强，苜蓿产量增幅达5.5%～35.5%。因此，“增碳控盐”组合在苜蓿生产中应用一定程度上可以实现培肥土壤、降盐控盐的目的[16-19]。
　　 从苜蓿收获后茬小麦-玉米年际轮作的生态效应看，苜蓿作为绿肥改土的效果非常明显。最后一茬苜蓿粉碎还田后，改种小麦-玉米，有机-无机复混肥与生物有机肥的组合依然保持增产的趋势。说明在中轻度盐碱地土壤中，在满足必需营养元素供应的基础上，外源有机物和有益微生物投入越多，越有利于阻滞盐分的上行积累和矿质养分的下行淋失[20]。因此，中轻度盐碱地土壤，以外源增碳+生物固碳为主导，附以缓控释肥和Ca2+有益协助的草粮轮作模式，可以实现控盐降盐和培肥地力的生产目的。 　　参 考 文 献：
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