土体有机重构对盐碱地土壤理化特征的影响

Effect of Organic Reconstitution of Soil on Physical and Chemical Characteristics of Saline Soil

摘要: 为了研究覆沙对盐碱地改良的效应，与2017年在富平中试基地设置覆沙厚度分别为0 cm、5 cm、7 cm、9 cm、11 cm、13 cm和15 cm的混合比例，在种植玉米收获后，分析测定了0~60 cm土层土壤的pH、电导率、全盐量、K⁺、Na⁺、CO₃^2-和Cl^-含量。结果表明：1) 各覆沙厚度处理下，同一处理不同土层土壤的pH、电导率和全盐量差异显著(P < 0.05)，且覆沙厚度为15 cm，改善效果最为明显(P < 0.05)。2) 每个处理下，随着土层深度的增加，K⁺离子含量大体都呈现先增加后减小的趋势；Na⁺离子含量随着土壤土层深度的增加变化不显著(P < 0.05)；覆沙15 cm处理下，CO₃^2-离子含量呈现先增加后减少的趋势，其它处理表现趋势不明显；覆沙15 cm处理下；Cl^-离子含量随着土层深度的增加，呈现先减小后增大的趋势。综上所述，覆沙15 cm整体改善土壤效果最佳，覆沙5 cm和7 cm对20~30 cm中层土壤理化性质改善效果最佳。

Abstract: In order to study the effect of overburden on the improvement of saline-alkali soil, and the mixing ratio of the overburden thickness of 0 cm, 5 cm, 7 cm, 9 cm, 11 cm, 13 cm and 15 cm were set in the fuling pilot test base in 2017. After planting corn harvest, pH, conductivity, total salinity, K⁺, Na⁺, CO₃^2- and Cl^- content of the soil layer of 0 - 60 cm were analyzed and measured. The results showed that: 1) Under the treatment of each overburden thickness, the soil pH, conductivity and total salinity of different soil layers under the same treatment were significantly different, and the overburden thickness was 15 cm, with the most obvious improvement effect. 2) Under each treatment, with the increase of soil depth, K⁺ content generally shows a trend of first increase and then decrease. Na⁺ ion content did not change significantly with the increase of soil depth. Under 15 cm of sediment covering treatment, the content of CO₃^2- ions showed a trend of increasing first and then decreasing, while other treatments showed no obvious trend. 15 cm of sediment coated; the content of Cl^- decreases first and then increases with the increase of soil depth. To sum up, 15 cm of sediment was the best overall improvement of soil, and 5 cm and 7 cm of sediment were the best improvement of physical and chemical properties of 20 - 30 cm middle soil.

1. 引言

土地日益盐渍化已成为世界土地利用的重大难题之一 [1] [2] ，全世界盐碱土和中国盐碱土总面积分别为10⁹ hm²和3.46 × 10⁷ hm²，其中原生盐化型土壤约占盐碱土总面积为52.3%；次生盐化型占40.2%和各种碱化型土地占8.5%，由其它影响因素造成的约为7.60 × 10⁷ hm²，包括：特殊的地理位置、施肥过量、耕作方式等等 [3] [4] [5] 。

针对土壤盐分成因、特征以及节水灌溉水盐分运行时空特征、盐碱地改良等技术的综合研究，取得了阶段性进展，有效的缓解了盐碱土危害，并取得了新的研究成果 [6] [7] [8] 。比如暗管排水，淡水压盐，改排为蓄等等 [9] [10] 。针对陕北定边盐碱地治理项目区地下水位高、土层板结、排水条件差、生态环境极度脆弱的问题。拟通过拌沙来改变其土层结构，增加土壤孔隙度。当地盐碱主要由于高矿化度地下水在强烈蒸发作用下，通过毛管孔隙向上运移而导致，所以要改良其盐碱现状，需要改善其孔隙结果，破除毛管孔隙，减少地下水上移路径。本文通过研究利用在耕作层拌沙，增大通气孔隙的方法来改良定边盐碱地，以期达到增加耕地面积和保护生态的目的。

2. 材料与方法

2.1. 研究区概况

本试验于2016年开始，试验地位于富平实验基地，即陕西省渭南市富平县杜村镇褚塬村(109˚11'N, 34˚42'E)。该区属暖温带半湿润气候区，年均降雨量 472.97 mm ，7~9月份降雨量占全年降雨量的49%，年蒸发量1000~ 1300 mm ，无霜期225 d，年平均气温 13.4 ℃ ，夏季最高气温 41.8 ℃ ，冬季最低气温−10℃，年光能辐射总量123.9~127.8 kca∙cm⁻²，气候条件能够满足作物生长需要。

2.2. 试验设计

1) 试验田规划总长度 15 米 左右，设计每个田块为2 m *2 m，深度 1 米 ，田块南边墙面留观测孔，共7个试验田块， 1 米 宽观测坑道。按覆沙厚度分别考虑了0 cm、5 cm、7 cm、9 cm、11 cm、13 cm和15 cm。模型设计图如图1。

2) 试验田种植作物为玉米和小麦。每块试验田施肥、灌溉、除草、防虫均一致。小麦籽种播种量为9 kg/亩。种植前施足底肥，施磷酸二铵20 kg/亩，尿素10 kg/亩。冬灌各处理每亩追施尿素10~15公斤，春季亩追施尿素10~15公斤，冬灌春灌各一次。

2.3. 测定项目与方法

1) 土样采集。在春玉米收获后，依据土壤对角线取样法，设置3个取样点，取样深度和取样间隔分别为60 cm和10 cm。

2) 指标测定。测定土样的全盐量和电导率，测定方法参照《土壤农业化学分析方法》。土壤电导率采用水土比为5:l；利用雷磁电导率仪直接进行测定；全盐量采用水浴烘干法进行测定；K⁺和Na⁺利用火焰光度计测定； ${\text{CO}}_3^{2-}$ 利用自动电位滴定仪测定；Cl⁻利用硝酸银容量法测定 [11] 。

2.4. 数据处理

试验数据采用SPSS (PASW Statistics 16.0)进行单因素方差分析，利用EXCEL 2007和Sigmaplo 12.5进行数据整理并制图。

3. 结果分析

3.1. pH变化

由图2可知，所有处理下的盐碱地的pH值都偏碱性，最小值为8.95，最大值为9.68。对照处理下，随着土层深度的增加，土壤pH值基本保持不变，有较小幅度的波动，说明土壤pH值不随土壤深度的变化而变化。0~10 cm土层，覆土15 cm处理差异最显著，pH值从9.32降为9.03。10~20 cm土层中，覆沙15 cm处理差异最显著，显著降低土壤pH值。20~30 cm和30~40 cm土层中，覆沙9 cm处理差异最显著，显著降低土壤pH值(P < 0.05)。40~50 cm土层，覆沙反而增加了土壤pH值。50~60 cm土层中，各处理间差异不显著。

覆沙15 cm处理下，小麦生长显著好于其他处理，0~20 cm土层中，pH值与其他处理相比也是最低的，结合小麦的生长情况，说明小麦对pH值较敏感，当土壤中pH值达到9.5以上，会严重阻碍其发芽、出苗和成活。

Figure 1. The top view of the model

图1. 模型俯视图

Figure 2. Effect of soil pH between 0 - 60 cm soil layers with different thickness of sand

图2. 不同覆沙厚度0~60 cm土层土壤pH差异

3.2. 电导率分析

从图3可知，覆盖沙子可以明显降低土壤的电导率，并且随着土层深度的增加，土壤电导率大体呈现逐步增加趋势。对同一土层进行分析，0~10 cm土层中，除过覆沙11 cm处理，其它处理与对照相比，均显著降低土壤电导率。10~20 cm、20~30 cm土层中，每个处理都极显著降低了土壤电导率。30~40 cm和40~50 cm土层中，每个处理都降低了土壤电导率。50~60 cm土层中，覆沙7 cm，可以显著降低土壤电导率，其它处理与对照相比基本没差异。

同一处理进行分析，对照处理下，土壤电导率随着土层深度的增加呈现先增大后减小的趋势，在20~30 cm时达到最大值3.02 ms/cm。覆土5 cm、9 cm和13 cm处理下，土壤的电导率都随着土层深度的增加逐渐增大。覆土7 cm处理下，电导率随着土层深度的增加呈现先增加后降低的趋势，在40~50 cm土层时，电导率达到了最大值，为1.46 ms/cm，之后慢慢降低。覆土11 cm处理下，电导率随着土层深度的增加呈现先降低后升高的趋势，在10~20 cm土层时达到最低值，之后慢慢升高，最高为2.3 ms/cm。覆土15 cm处理下，电导率随着土层深度的增加呈现先降低后升高的趋势，在10~20 cm土层时达到最低值，之后慢慢升高，最高为2.98 ms/cm。各种覆沙处理下，0~30 cm土层的土壤电导率均在2 ms/cm以下，不影响植物的正常生长。

3.3. 全盐分析

从图4可知，覆盖沙子可以降低土壤的全盐量，这主要是因为沙子本身盐分含量少。对照处理下，随着土层深度的增加，土壤的全盐量呈现先增加最后降低的趋势，在30~40 cm土层达到最大值14.94 g/kg，盐分富集区域为10~40 cm土层间。0~10 cm土层，随着覆沙厚度的增加，各个处理的全盐量基本呈现逐渐减小趋势。覆沙15 cm处理下，全盐量与对照相比显著降低，从9.62 g/kg降到6.2 g/kg。10~20 cm土层中，每个处理都可以极显著降低土壤全盐量，覆沙15 cm处理差异最显著，与对照相比，从14.54 g/kg降到4.68 g/kg。20~30 cm和30~40 cm土层中，每个处理都可以降低土壤全盐量，覆沙7 cm处理下，差异最显著。40~50 cm土层中，各个处理间差异不显著。50~60 cm土层中，覆沙7 cm处理下，差异最显著，其他处理间差异不显著，与对照相比，差异显著，显著提高了土壤全盐量。

覆沙7 cm和覆沙15 cm处理下小麦长势较好，其他处理小麦出苗很少，长势很差，这两种处理下0~20 cm土层中的全盐量都是最低的，结合小麦的生长情况，可以说明小麦对盐害反应敏感，当全盐量大于8 g/kg将严重阻碍其发芽、出苗。

Figure 3. Effect of soil conductivity between 0 - 60 cm soil layers with different thickness of sand

图3. 不同覆沙厚度0~60 cm土层土壤电导率差异

Figure 4. Effect of soil total salt between 0 - 60 cm soil layers with different thickness of sand

图4. 不同覆沙厚度0~60 cm土层土壤全盐差异

3.4. K⁺离子含量分析

从图5可知，覆沙可以减少盐碱地中K⁺离子含量，且可以显著减少0~30 cm土层中的K⁺离子含量。对照处理下，K⁺离子含量随着土层深度的增加而呈现先增加后减小的趋势，在20~30 cm土层时达到最大值0.049 g/kg。因对照处理中小麦几乎没有出苗率，可以忽略小麦对土壤的影响而得出，随着土层深度的增加，土壤中K⁺离子含量随着土层深度的增加而先增加后减小的结论，在20~30 cm土层达到峰值。每个处理下，随着土层深度的增加，K⁺离子含量大体都呈现先增加后减小的趋势。0~10 cm土层中，每个处理与对照相比，都可以显著降低土壤中K⁺离子含量，覆沙13 cm处理差异最显著，K⁺离子含量降低幅度最大，从0.03 g/kg为0.005 g/kg。10~20 cm土层中，每个处理与对照相比，都可以显著降低土壤中K⁺离子含量，覆沙7 cm、9 cm、11 cm、13 cm和15 cm处理下的K⁺离子含量都在0.01 g/kg以下。20~60 cm土层，覆沙可以降低土壤中的K⁺离子含量，但是各土层之间，差异不明显，各处理间差异也不明显。总体来说，0~30 cm土层的K⁺离子含量显著低于对照，可能是由于0~30 cm土层为植物根系分布的主要区域，K⁺离子作为植物生长发育所必需的大量元素被小麦根系大量吸收所致。

3.5. Na⁺离子含量分析

从图6可知，覆沙可以减少土壤中Na⁺离子含量，尤其可以显著减少0~20 cm土层中的Na⁺离子含量。对照处理下，Na⁺离子含量随着土壤土层深度的增加基本没有太大变化。0~10 cm土层中，覆沙11 cm的与对照相比没有差异，其他处理均差异显著，显著降低Na⁺离子含量。10~20 cm土层中，每个处理与对照相比，都显著降低了Na⁺离子含量，覆沙15 cm的效果最显著，从1.731 g/kg降到0.136 g/kg。20~30 cm和30~40 cm土层中，每个处理下，Na⁺离子含量均有不同程度的降低。40~50 cm土层中，每个处理间差异不显著，Na⁺离子含量均降低。50~60 cm土层中，除过覆沙7 cm处理下，Na⁺离子含量显著降低外，其他处理与对照相比差异都不显著，各处理间差异也不显著。

Figure 5. Effect of soil K⁺ between 0 - 60 cm soil layers with different thickness of sand

图5. 不同覆沙厚度0~60 cm土层土壤K⁺差异

Figure 6. Effect of soil Na⁺ between 0 - 60 cm soil layers with different thickness of sand

图6. 不同覆沙厚度0~60 cm土层土壤Na⁺差异

各种处理下，Na⁺离子含量与对照相比，均有减少，原因可能有两点，一是沙子中间Na⁺含量少，与盐碱土混合后，可以减少Na⁺含量。二是植物生长发育需要Na⁺，处于0~20 cm土层中的Na⁺作为植物需要的微量元素被吸收，从而导致土层中的Na⁺含量减少。

3.6. $C{O}_3^{2-}$ 离子含量分析

从图7可知，对照处理下，随着土层深度的增加，土壤中 ${\text{CO}}_{\text{3}}^{\text{2}-}$ 离子含量呈现先减小后增加的趋势，在20~30 cm土层达到最小值。覆沙15 cm处理下， ${\text{CO}}_{\text{3}}^{\text{2}-}$ 离子含量呈现先增加后减少的趋势，在20~30 cm土层时达到最大值。0~10 cm土层中，覆沙15 cm可以显著减少 ${\text{CO}}_{\text{3}}^{\text{2}-}$ 离子含量，其他处理下，离子含量均高于对照。10~20 cm土层中，覆沙5 cm可以显著降低 ${\text{CO}}_{\text{3}}^{\text{2}-}$ 离子的含量，其他处理间差异不明显。20~30 cm土层中，覆沙15 cm可以极显著增加 ${\text{CO}}_{\text{3}}^{\text{2}-}$ 离子含量，覆沙9 cm可以显著增加 ${\text{CO}}_{\text{3}}^{\text{2}-}$ 离子含量，其他处理与对照相比差异不大。30~40 cm土层中，覆沙15 cm可以显著增加 ${\text{CO}}_{\text{3}}^{\text{2}-}$ 离子含量，其他处理也均可以增加 ${\text{CO}}_{\text{3}}^{\text{2}-}$ 离子含量。40~50 cm土层中，各处理间差异不大，证明覆沙厚度对40~50 cm土层的 ${\text{CO}}_{\text{3}}^{\text{2}-}$ 离子含量无影响。50~60 cm土层中，覆沙5 cm和7 cm可以显著降低 ${\text{CO}}_{\text{3}}^{\text{2}-}$ 离子含量，其他处理与对照相比，差异不显著。

3.7. Cl⁻离子含量分析

从图8可知，对照处理下，随着土层深度的增加，Cl⁻离子含量呈现先增大后减小的趋势，在20~30 cm土层达到最大值。从整个土层0~60 cm看，除过覆沙15 cm的其他处理都呈现一个趋势，随着土层深度的增加，Cl⁻离子含量呈现逐渐升高。覆沙15 cm处理下，Cl⁻离子含量随着土层深度的增加，呈现先减小后增大的趋势，在10~20 cm土层，达到最低值。0~10 cm土层中，覆沙5 cm、7 cm、9 cm、13 cm和15 cm，可以极显著降低Cl⁻离子含量，覆沙11 cm可以显著降低Cl⁻离子含量。10~20 cm土层中，每个处理都可以极显著降低土壤中Cl⁻离子含量，其中覆沙15 cm最显著，Cl⁻离子含量达到最低值为0.013 g/kg。20~30 cm和30~40 cm土层中，每个处理都可以显著降低Cl⁻离子含量。40~50 cm土层中，覆沙5 cm和7 cm可以显著降低Cl⁻离子含量，其他处理与对照相比Cl⁻离子含量有所降低。50~60 cm土层中，只有覆土7 cm的可以显著降低Cl⁻离子含量，其它处理与对照相比，差异不明显。

Figure 7. Effect of soil ${\text{CO}}_3^{2-}$ between 0 - 60 cm soil layers with different thickness of sand

图7. 不同覆沙厚度0~60 cm土层土壤 ${\text{CO}}_3^{2-}$ 差异

Figure 8. Effect of soil Cl⁻ between 0 - 60 cm soil layers with different thickness of sand

图8. 不同覆沙厚度0~60cm土层土壤Cl⁻差异

4. 结论

通过研究不同覆沙厚度对盐碱地的改良作用，分析0~60 cm不同土层土壤各指标的大小及差异性，对于pH的变化，覆沙厚度15 cm对土壤有减小作用，并且对于小麦出苗及生长有积极作用；覆盖沙子可以明显降低土壤的电导率，并且随着土层深度的增加，土壤电导率大体呈现逐步增加趋势；覆沙对于土壤全盐含量也有较显著的改良作用；针对四种阴阳离子含量，不同的覆沙厚度对于不同土层土壤的影响效果是不一样的，变化趋势不显著，但覆沙可改善土壤毛孔，有效抑制盐分的蒸发。

基金项目

陕西省重点科技创新团队计划项目(2016KCT-23)；地建集团内部科研项目(DJNY2017-05) (DJNY2018-14)。

参考文献