改良剂与有机物料结合对新开碱地稻田土壤性状的优化

杨祥波

(吉林农业科技学院 农学院，吉林 吉林 132101)

吉林省西部苏打盐碱土总面积为170万hm2，约占松嫩平原盐碱土总面积的34%[1]，该区域地处温带半干旱气候区，蒸发量是降水量的2～3倍，成土母质风化释放的可溶性盐无法淋溶，强烈的蒸发条件使土壤中的可溶性盐通过毛管孔隙随水上升至地表，待水分蒸发后，盐分在地表聚集，主要盐分组成为Na2CO3和NaHCO3，含有少量硫酸盐和氯化物。由于较高的碱性和恶劣的理化性质，自然肥力极度贫瘠。水稻是盐碱地先锋作物[2]，长期种稻通过“以水洗盐、以水压盐”不仅使劣质土壤得到改善，而且土壤表层盐碱度得以淡化，更好发挥土地资源的潜力[3]。对盐碱地实施种稻改良是扩充吉林省后备耕地资源、突破吉林省粮食总产的重要途径。然而，仅通过种稻改良盐碱地的效果十分有限，在此基础上进行化学改良剂和有机物料的施用是将种稻、改良与培肥相结合，更好发挥盐碱地经济与生态效益的最佳途径。

这里做出假设，以菌糠为吸附载体搭载适量的Al2(SO4)3改良剂，结合机械深埋技术将附着Al2(SO4)3的菌糠施于盐碱地较深土层(>15 cm)，菌糠质轻且疏松多孔，在盐碱地土层易形成“空气隔离层”，进而达到“上可培肥、下能阻断毛管上升水”的目的[6]，在充分抑制返盐作用的同时培肥耕作层，最终创建适宜水稻生长的良好环境。为了验证这一假设，本研究采用田间试验法，将自制的亚克力管套作在水田中，在其中施用等量化肥以及不同配比的菌糠与Al2(SO4)3，设置16个配比，在水稻苗期、孕穗期和成熟期对土壤速效氮磷钾、有机碳(SOC)、阳离子交换量(CEC)、碱化度(ESP)以及交换性Ca2+、Mg2+含量进行动态分析，进而揭示菌糠与Al2(SO4)3在新开碱地稻田土壤性状上有优化作用的最佳配比，相关成果可为 “生态互利”农业生产模式的探索提供技术参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验地选址吉林省镇赉县坦途镇向阳村好斯台屯，选择尚未开垦的撂荒碱地(123°26′21″E，46°11′27″N)进行稻作试验，新开碱地经过3次灌、排水，土壤基本性质如下：有机质含量11.2 g/kg、碱解氮含量65.6 mg/kg、有效磷含量8.6 mg/kg、速效钾含量132.6 mg/kg、pH值9.36。采用自制中空的亚克力透明管(外径380 mm，壁厚5 mm，半径0.185 m，面积为0.107 5 m2)套在灌水的新开碱地稻田中。硫酸铝采用国药试剂Al2(SO4)3·18H2O，用Al表示；菌糠取自吉林市丰满区旺起镇，是栽培木耳的废弃袋料经粉碎过0.25 mm筛制得，与鸡粪干粉末按照1∶1质量比混合，制成菌糠混料(Chicken manure∶Spent mushroom substrates=1∶1，用Cs表示)，以下简称菌糠，经检测，有机质含量为57.4%，N、P2O5、K2O含量分别为1.76%、0.87%、1.91%，pH值为7.55。

1.2 试验设计

试验共设16个处理，每个处理3次平行，依据不同处理在管内施入相应的改良剂、有机物料(表1)及肥料(N、P2O5、K2O分别由硫酸铵、磷酸二铵、硫酸钾分析纯试剂提供，施用量为160、80、90 kg/hm2)，施入3 d后进行插秧，每个管内按4穴插秧，株、行距为20 cm×30 cm，上下通透，管壁封闭，进行半封闭管内水稻栽培试验。结合水稻生育关键时期：苗期(6月10日)、孕穗期(8月4日)、成熟期(9月28日)，用塑封袋采集管内0～20 cm耕层土样，立即摊开风干，磨细过0.10 mm筛，备用。

表1 菌糠与Al2(SO4)3不同配比对应的处理编号

1.3 测试方法

碱解氮、有效磷、速效钾、SOC含量分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法、乙酸铵浸提—火焰光度法、重铬酸钾氧化—外加热法测定；CEC、交换性Na+含量分别采用乙酸钠—火焰光度法、乙酸铵-氢氧化铵交换—火焰光度法测定，根据交换性Na+与CEC含量之比计算ESP；交换性Ca2+、Mg2+含量采用EDTA浸提—原子吸收分光光度法测定[17]。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2003对数据整理，ANOVA进行差异显著性(P<0.05)比较，用SPSS 18.0软件进行单因素方差分析，所有数值均为3次重复的平均值(平均值±标准偏差)。

2 结果与分析

2.1 改良剂与有机物料结合对新开碱地稻田土壤速效养分的影响

由表2可知，在水稻苗期，Al2(SO4)3用量为0、2.0、3.0 t/hm2的条件下，增施菌糠可有效增加土壤碱解氮的含量。与水稻苗期相比，在Al2Cs0和Al2Cs4处理条件下，成熟期新开碱地土壤碱解氮含量分别增加了25.9%、10.3%，此外，在其余处理影响下，成熟期新开碱地土壤碱解氮含量均较水稻苗期有所降低，降低幅度最大的为Al3Cs8处理，降幅达49.1%，其次为Al0Cs0、Al3Cs0、Al3Cs12处理，三者降幅均约为46.1%。可见，基于3.0 t/hm2Al2(SO4)3的施用条件，菌糠用量为0、8.0、12.0 t/hm2时均可促进土壤碱解氮的消耗。

与水稻苗期相比，Al0Cs4、Al0Cs8、Al0Cs12、Al3Cs12处理下的土壤有效磷含量在水稻成熟期均有所降低，降低幅度分别为21.7%、12.5%、41.5%、32.1%，Al2Cs0和Al3Cs4处理下的结果差异不显著，而其余处理均有利于土壤有效磷含量的显著增加，其中，增幅较大的是Al2Cs8和Al1Cs0处理下的48.3%、44.0%。值得一提的是，当Al2(SO4)3用量为1.0 t/hm2时，无论菌糠用量是多少，历经水稻生长季均有利于土壤有效磷的保蓄。

在速效钾方面，与苗期相比，Al2Cs12、Al3Cs0、Al3Cs8和Al3Cs12处理均可显著增加水稻成熟期土壤速效钾的含量，其中增幅较大的是Al3Cs0处理，达到了37.1%，Al3Cs4处理下的变化不显著，而其余处理均有利于土壤速效钾的消耗，其中Al0Cs0—Al0Cs12处理下速效钾含量降幅在35.9%～60.4%，Al1Cs0—Al1Cs12处理下的降幅在20.4%～34.7%，Al2Cs0—Al2Cs8的降幅在21.8%～30.4%，由此可见，增加Al2(SO4)3用量更有利于降低新开碱地土壤速效钾含量的消耗，在Al2(SO4)3用量达到3.0 t/hm2时，甚至使速效钾含量在一个水稻生长季后仍然稳中有增。此外，在苗期对比各处理间的差异可以发现，在施用等量Al2(SO4)3前提下，增施菌糠可有效提高土壤速效钾的含量水平。

表2 不同处理对新开碱地稻田土壤碱解氮、有效磷及速效钾含量的动态影响Tab.2 Dynamic effects of different treatments on the available N,P and K contents in newly reclaimed alkali paddy field mg/kg

注：表格中数据格式为平均值±标准偏差，数据后的不同小写字母表示同一处理在不同水稻生育期间的结果差异显著(P<0.05,Duncan’s法)，不同大写字母代表同一Al2(SO4)3用量下，不同处理之间的结果差异显著(P<0.05,Duncan’s法)，下同。

Note：The expression of data in the table is mean±standard deviation.The different lowercase letters after data indicate significant differences among different rice growth periods under the same treatment (P<0.05,Duncan’s method).The different uppercase letters represent significant differences among different treatments at the same dosage of Al2(SO4)3(P<0.05,Duncan’s method),the same below.

2.2 改良剂与有机物料结合对新开碱地稻田土壤有机碳(SOC)含量的影响

由图1可以看出，在水稻苗期，基于等量Al2(SO4)3，增施菌糠均有利于SOC含量的增加。与水稻苗期相比，成熟期Al0Cs0—Al0Cs12处理下新开碱地稻田土壤SOC含量下降了13.3%～48.6%，Al1Cs0—Al1Cs12处理下SOC含量降低了8.6%～24.9%，其中较大的降幅分别出现在Al0Cs12和Al1Cs12处理，可见，基于Al2(SO4)3用量为0或1.0 t/hm2时，最大的菌糠施用量(12.0 t/hm2)能够最大程度地促进SOC的矿化分解。然而，继续增加Al2(SO4)3用量后，SOC的变化规律恰好相反，随水稻生育时期的推进表现为渐趋增加的趋势，由Al2Cs0至Al2Cs12，有机碳增加幅度介于51.8%～68.5%，其中，Al2Cs4处理下的SOC增加幅度最大，而在Al3Cs0—Al3Cs12处理中，SOC增加幅度为13.3%～54.9%，对SOC含量提升幅度最大达到Al3Cs12处理下的54.9%。

不同小写字母表示同一处理在不同水稻生育期间的结果差异显著(P<0.05, Duncan’s法)，不同大写字母代表同一Al2(SO4)3用量下，不同处理之间的结果差异显著(P<0.05, Duncan’s法)，下同The different lowercase letters indicate the significant differences among the different rice growth periods at the same treatment (P<0.05, Duncan’s method). The different uppercase letters represent the significant differences among the different treatments at the same dosage of Al2(SO4)3(P<0.05, Duncan’s method), the same below图1 不同处理对新开碱地稻田土壤SOC含量的动态影响Fig.1 Dynamic effects of different treatments on the SOC content in newly reclaimed alkali paddy field

2.3 改良剂与有机物料结合对新开碱地稻田土壤阳离子交换量(CEC)、碱化度(ESP)的影响

由图2可知，Al3Cs4、Al3Cs8和Al3Cs12处理能够使新开碱地稻田CEC随水稻生育期进行而渐趋增加，水稻成熟期土壤CEC比苗期分别高出17.0%、53.2%、72.6%，而其余处理下的土壤CEC均有逐渐降低的规律，相比较而言，Al0Cs12和Al1Cs0处理在各自Al2(SO4)3用量下对于土壤CEC在整个水稻生育期均有显著促进。与水稻苗期相比，在成熟期土壤CEC降低幅度最大的为Al0Cs0处理，可见，Al2(SO4)3和菌糠的施用能够缓解CEC的降低，甚至通过适宜的配比可使CEC增加，如Al3Cs4、Al3Cs8和Al3Cs12处理。由上述规律可知，菌糠和Al2(SO4)3用量均为0 t/hm2时，历经水稻生长季，土壤CEC降低幅度最大，而菌糠与Al2(SO4)3用量均为最大时，土壤CEC的增加幅度最大。结合Al3Cs4、Al3Cs8和Al3Cs12处理对于CEC的促进作用来看，Al2(SO4)3用量的增加对于新开碱地土壤CEC的促进作用更大，当Al2(SO4)3用量为3.0 t/hm2时，辅以4.0、8.0、12.0 t/hm2的菌糠均可随水稻生育期的进行而增加新开碱地土壤的CEC。

图2 不同处理对新开碱地稻田土壤CEC的动态影响Fig.2 Dynamic effects of different treatments on the CEC in newly reclaimed alkali paddy field

由图3可知，与苗期相比，在水稻成熟期，Al0Cs0—Al0Cs12处理能够使新开碱地稻田ESP降低24.1%～86.9%，其中，使ESP降低幅度达到最大的处理是Al0Cs4，其次是Al2Cs0和Al1Cs8处理下的72.5%、72.3%，而在Al3Cs0—Al3Cs12处理下，土壤ESP反而增加了23.8%～435.3%，其中，增加幅度最大的是来自于Al3Cs0处理下的435.3%，其次是Al1Cs12处理下的243.4%。可见，在不施用Al2(SO4)3的情况下，施用0～12.0 t/hm2菌糠可有效降低新开碱地稻田的ESP，尤其是4.0 t/hm2菌糠的施入对土壤ESP的降低效果更为明显。

图3 不同处理对新开碱地稻田土壤ESP的动态影响Fig.3 Dynamic effects of different treatments on the ESP in newly reclaimed alkali paddy field

2.4 改良剂与有机物料结合对新开碱地稻田土壤交换性Ca2+、Mg2+含量的影响

由表3可知，与苗期相比，各处理在水稻成熟期土壤交换性Ca2+含量均有所增加，Al0Cs0处理下的增加幅度为33.0%，其他处理的增加幅度均小于该处理，Al1Cs4处理的增加幅度为32.1%，其次是Al0Cs4处理的30.4%，增加幅度较低的为Al2Cs0处理的5.9%以及Al3Cs12处理的6.2%。可见，历经水稻生长季，各处理下的土壤交换性Ca2+含量均有所增加，增加幅度最大的来自于不施菌糠和Al2(SO4)3的对照处理，而施用菌糠或(及)Al2(SO4)3的处理尽管也可以增加土壤交换性Ca2+含量，但增加幅度要低于对照处理。在供试处理中，Al3Cs0处理可显著降低水稻苗期土壤的交换性Ca2+含量，其次为Al3Cs4和Al3Cs8处理，可推断，大剂量施用Al2(SO4)3且配施较少的菌糠不利于土壤交换性Ca2+含量的增高。

表3 不同处理对新开碱地稻田土壤交换性Ca2+、Mg2+含量的动态影响

在交换性Mg2+离子方面，Al0Cs0处理在水稻生育期表现稳定，并无显著变化，其余处理与苗期相比，在水稻成熟期均有所增加，增加幅度均大于不施菌糠和Al2(SO4)3的对照处理，交换性Mg2+增加幅度最大的是来自于Al3Cs0处理下的19.1%，增加幅度最小的是Al3Cs12处理下的8.6%。Al1Cs0—Al1Cs12处理下土壤交换性Mg2+的增加幅度为11.5%～12.6%，相应低于Al2Cs0—Al2Cs12处理下的13.8%～16.6%，即施用2.0 t/hm2Al2(SO4)3的系列处理，其在增加土壤交换性Mg2+水平上要高于施用1.0 t/hm2Al2(SO4)3的系列处理。

3 结论与讨论

Al2(SO4)3和菌糠的施入能够缓解CEC的降低，甚至通过适宜配比的调控可使CEC增加，3.0 t/hm2Al2(SO4)3和12.0 t/hm2菌糠的配比对CEC的促进作用最为显著，这说明，菌糠经过1 a腐解可形成疏松多孔的结构[11]，其输入可增加阳离子的吸附点位，然而，Al2(SO4)3的施入又会带入Al3+，占据一部分吸附点位，因此两者间适宜的配比可以增加土壤的CEC。李月芬等[24]研究指出，Al2(SO4)3施入土壤后会水解产生大量H+，促进了土壤中碱土金属碳酸盐的溶解，使交换性Ca2+、Mg2+等二价阳离子与Na+产生交换作用，降低了土壤的ESP。然而，在本试验中，施用较大量的Al2(SO4)3并不利于ESP降低以及交换性Ca2+浓度的增高，前文提到在土壤胶体阳离子交换能力上，Al3+远大于Na+，大量Al3+的引入能够将苏打盐碱土中的Na+置换出来[1]，成为游离态，在水稻生长后期浅水层灌溉时，Na+淋溶作用降低，更多滞留在土壤中，不利于ESP的降低。而在不施用Al2(SO4)3的情况下，菌糠的施用更益于ESP的降低，这与菌糠降解产生游离酸和腐解产生有机酸促进Ca2+、Mg2+交换Na+的作用有关。经过水稻生长季，施用Al2(SO4)3和菌糠后的土壤交换性Ca2+、Mg2+浓度均有所增加，这与李月芬等[24]、王帅等[6]报道的结果相似，即含有相当数量CaCO3的苏打盐碱土经Al2(SO4)3改良后，交换性Ca2+有所增加。虽然，3.0 t/hm2Al2(SO4)3和12.0 t/hm2菌糠的施入更有利于新开碱地稻田保肥与供肥协调，考虑到降低ESP对水稻生产的益处，可适当减少Al2(SO4)3的用量。