兩種改良劑對晉南鹽堿地土壤性質及藜麥產量的影響

龐春花,楊 洋,張永清,3,侯鈺晨

(1.山西師范大學 生命科學學院,太原 030031;2.山西師范大學 現代文理學院,山西 臨汾 041000;3.山西師范大學 地理科學學院,太原 030031)

鹽堿土也被稱為鹽漬土,是鹽、堿化土壤的總稱[1]。土壤鹽堿化是全世界土壤退化的主要問題之一,嚴重制約了作物的生長及產量[2]。鹽堿土中的高鹽度引起滲透和離子脅迫[3-4],嚴重影響了植物對土壤中Ca2+、K+、N 和P 等養(yǎng)分的吸收,甚至直接導致植物的死亡[5]。此外,土壤鹽分會破壞土壤結構,引起土壤團聚力低下、土壤透氣性差、水肥流失等問題[6]。山西省地處黃河中游東岸,干旱和鹽堿化是其土壤最嚴重的兩個退化現象。有研究表明,到2017年,山西省鹽堿土面積已達26萬hm2[7]。逐步增加的鹽堿土面積,使得山西的農業(yè)發(fā)展受到了嚴重挑戰(zhàn)。因此如何改良并利用鹽堿土,充分發(fā)揮其農用價值,是生物與農業(yè)工作者亟待解決的問題。

長期以來,世界各國學者針對鹽堿地的改良主要圍繞水利改良、物理改良、化學改良和生物改良等四個方面展開[8]?；瘜W改良可以通過增加土壤水穩(wěn)性團聚體含量以改善土壤結構,降低土壤鹽分和p H,在鹽堿地改良中具有廣闊的應用前景[9]。目前禾康鹽堿土壤改良劑是最常用的改良劑,內含有芽孢桿菌、解磷解鉀固氮菌等多種有益微生物菌群[10-11],可以改善土壤性質,但禾康鹽堿土壤改良劑價格昂貴,不適宜長期施用,因此選用經濟效益高、效果顯著的改良劑對改良鹽堿土具有重要意義。新型改良劑聚丙烯酰胺(Polyacrytamide,簡稱PAM,分子式[C3H5ON]n),一種高分子聚合物,近幾年以用量少、效果顯著而被眾多學者青睞[12-13]。聚丙烯酰胺在水中會分解為水、二氧化碳、氨態(tài)氮等對土壤有益的物質,無任何殘留[14]。目前關于這兩種改良劑針對晉南鹽堿土的改良效果及具體用量尚不明確。

藜麥(Chenopodium quinoaWilld),又稱南美藜、奎奴亞藜、藜谷等,為1 a生藜科藜屬草本植物,具有極高的營養(yǎng)價值[15]。由于原本的生長環(huán)境較為惡劣,使其具備了較高的水分利用效率和鹽生植物特性而被廣泛地種植在鹽堿地上[16]。磷吸收是影響藜麥產量的重要因素之一[17],植物缺磷會導致禾谷類作物分蘗減少,成熟時間加長。磷對鹽堿地上生長的作物除了供應營養(yǎng)之外還可調節(jié)根際p H[18],能夠緩解鹽堿對植物根系的迫害,但目前磷肥的利用效率低,磷肥過度施用又會帶來一系列環(huán)境問題[19]。鹽堿土土壤貧瘠,土壤團聚力低下,磷流失嚴重,進一步影響了植物根系磷的吸收[20]。已有大量研究結果表明,鹽堿土壤改良劑能夠增強玉米、水稻等作物磷的吸收,但目前關于晉南地區(qū)鹽堿土壤改良劑的改良效果及提升藜麥磷吸收的研究較少。因此本試驗以藜麥為材料,通過盆栽試驗探討PAM 與禾康鹽堿土壤改良劑對晉南鹽堿地的改良效果以及對藜麥產量的影響,旨在比較兩種改良劑對晉南鹽堿土的改良效果以及明確兩種改良劑的最佳施入量,促進藜麥磷肥利用效率,提升藜麥產量,為改良劑后期在田間應用奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為山西省臨汾市堯都區(qū)汾河東側河岸0～20 cm 鹽堿土,土壤基本化學性質見表1。改良劑陰離子聚丙烯酰胺(PAM,陰離子型,分子量800萬)由河南鞏義市新奇聚合物廠提供,禾康鹽堿土壤改良劑由北京飛鷹綠地科技發(fā)展有限公司提供;供試種子為‘隴藜1號’白藜,購于山西忻州億隆藜麥科技推廣有限公司。供試培養(yǎng)容器采用圓形黑色營養(yǎng)缽(上口徑35 cm,高度35 cm);供試肥料為尿素(含N 46.2%)、過磷酸鈣(含P2O515.0%)和硫酸鉀(含K2O 52.0%)。

表1 土壤基本化學性質Table 1 Basic chemical properties of soil

1.2 試驗設計

盆栽試驗于2020年4月中旬到10月在山西師范大學實驗基地進行。試驗采用完全隨機設計。試驗處理見表2,共8個處理,每個處理重復9次,共72盆,每盆裝風干土10 kg。在花盆底部配有花盆托,花盆隨機擺放。所有肥料按照各自處理在試驗前一星期均作為基肥一次性施入,藜麥生長期間不追施任何肥料。選取顆粒飽滿均勻、大小一致的藜麥種子,用去離子水沖洗,并且浸泡種子12 h,于2020-05-11采用穴播的方式進行播種,每盆用打孔器等間距打7個孔,每孔播5粒藜麥種子,每盆播種35粒。在種子上均勻蓋土1.5 cm 以保證藜麥種子避光生存的條件。播種后,于每晚17:00等量澆水,使各個營養(yǎng)缽維持在相同的土壤含水量水平,待幼苗長到三葉一心時間苗,每盆保留大小相近的藜麥植株7 株。于2020-09-28(成熟期)取3次重復進行藜麥產量指標的測定,收獲后,取3次重復土壤進行土壤含水量的測定,取3次重復土壤曬干至恒質量進行其余土壤指標的測定。

表2 試驗設計Table 2 Test design

1.3 測定項目與方法

用濕篩法[21]測定土壤水穩(wěn)性團聚體含量;用質量法[22]測定土壤全鹽量(TS);用p H 計(Sartorius PB-10)測定土壤p H(水土比5∶1);用烘干法測定土壤含水率;用鉬銻抗比色法[23]測定植物全磷;用稱重法測定籽粒產量與千粒質量;用計數法測定有效分枝數、頂穗粒數與頂穗小穗數。

土壤脫鹽率=(播種前土壤鹽分含量-收獲后土壤鹽分含量)/播種前土壤鹽分含量×100%

土壤鈉吸附比(SAR):

式中,[Na+]、[Ca2+]、[Mg2+]為土壤Na+、Ca2+、Mg2+含量,單位為cmol/kg。

植株各部位磷吸收量=植株各部位生物量×植物各部位磷含量

磷肥農學效率=(施磷處理籽粒產量-不施磷處理籽粒產量)/施磷量

磷肥偏生產力=施磷處理籽粒產量/施磷量

增產率=(施磷處理籽粒產量-不施磷處理籽粒產量)/不施磷處理籽粒產量×100%

1.4 數據處理

運用Origin 2016b 軟件對測定數據進行處理與繪圖,運用SPSS 19.0 軟件進行統(tǒng)計分析,采用單因素方差分析,用Duncan’s法進行多重比較,試驗結果用“平均值±標準誤”來表示。

2 結果與分析

2.1 不同改良劑對土壤水穩(wěn)性團聚體含量的影響

土壤水穩(wěn)性團聚體含量反映了土壤的穩(wěn)定性、持水性和抗侵蝕能力,對土壤結構的穩(wěn)定有重要作用。從表3可以看出,≥0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體百分數在常規(guī)施肥(G)處理下與對照(CK)相比有所提升,但提升效果不顯著,表明磷肥可能在一定程度上改善鹽堿土壤結構,提升土壤團聚力。常規(guī)施肥并添加改良劑的條件下,GX2 和GP2處理下≥0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體百分數均顯著高于G 處理,增幅分別為45.4%、50.7%(P＜0.05),可見施用改良劑可以提高土壤水穩(wěn)性團聚體的含量,增加土壤穩(wěn)定性。GP3和GP1處理下,≥0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體百分數與G 處理無顯著差異,說明改良劑PAM 用量過高或過低都不能明顯提升土壤團聚力。綜上分析可知,施用改良劑可以提升鹽堿土壤水穩(wěn)性團聚體的含量,增加土壤結構的穩(wěn)定性,改良劑PAM 用量過高或過低對土壤水穩(wěn)性團聚體的作用效果不顯著。

表3 不同處理下土壤水穩(wěn)性團聚體含量Table 3 Soil water-stable aggregate content under different treatments

2.2 不同改良劑對土壤全鹽量和含水率的調控作用

從圖1可以看出,施用改良劑對土壤全鹽量具有一定的調控作用。作物收獲后,CK 和G 處理下鹽堿土壤均呈弱積鹽狀態(tài),積鹽率分別為4.3%、3.0%,可見單施肥會帶入肥料本身的鹽基離子,提升土壤全鹽量。常規(guī)施肥并添加改良劑的條件下,各處理土壤均呈脫鹽狀態(tài),其中效果最顯著的是GX2 和GP2 處理,脫鹽率分別為43.2%、40.0%(P＜0.05),說明改良劑具有顯著的脫鹽效果。與此同時,添加改良劑對鹽堿土壤含水率也具有一定的調控作用。與CK 處理相比,G 處理提升土壤含水率,但兩者之間無顯著差異。常規(guī)施肥并添加改良劑的條件下,除GX3、GP3處理外其余處理與G 處理相比均具有顯著差異,在GX2和GP2處理下土壤保水效果最好,分別 提 升41.8%、30.0%(P＜0.05),GX3 和GP3處理下保水效果下降,分別降低11.0%、18.1%,說明適宜的改良劑用量可以提升土壤含水率,改良劑用量過高反而會降低土壤含水率。綜上分析可知,適宜的改良劑用量可以降低土壤全鹽量,提升土壤含水率,緩解鹽堿障礙,增強土壤保水能力。

圖1 不同處理下土壤全鹽量和含水率Fig.1 Total soil salt content and soil moisture content under different treatments

2.3 不同改良劑對土壤鈉吸附比和土壤p H 的影響

土壤鈉吸附比(Sodium absorption ration,SAR)是改良劑改良土壤過程中反映土壤鹽堿程度的重要指標。從表4可以看出,CK 和G 處理下,作物收獲后土壤SAR 較播種前均升高,增加率分別為8.1%、5.7%,兩者之間差異不顯著,說明施肥可增加土壤中的鹽基離子,導致土壤SAR升高。常規(guī)施肥并添加改良劑后,作物播種前土壤SAR 會隨著改良劑的用量而變化,且差異顯著,說明改良劑施入土壤中可以明顯改變土壤中離子含量,而作物收獲后土壤SAR 較播種前均顯著降低,其中GX2 處理降低效果最顯著,降低39.3%(P＜0.05),其 次 是GP2 處 理,降 低28.7%,說明禾康改良劑對土壤SAR 的降低效果優(yōu)于PAM,其本身含有的多種復合離子主要增加了鹽堿土中鈣、鎂等礦質養(yǎng)分含量,從而顯著降低土壤SAR 含量。

同時,從表4可以看出,CK 和G 處理條件下,收獲后與播種前土壤p H相比差異不顯著,可見單施肥料并不能降低鹽堿造成的高酸堿度;常規(guī)施肥并添加改良劑的條件下,各處理收獲后與播種前相比,土壤p H 均顯著降低,其中GX2處理降低鹽堿土壤p H 的效果最好,與播種前相比較降低0.36(P＜0.05),GP2處理效果次之,降低0.31,說明改良劑可以降低土壤酸堿度,緩解高鹽堿脅迫。綜上分析可知:兩種改良劑均可降低土壤鈉吸附比和土壤p H,改良鹽堿土中的離子結構,降低鈉離子含量,緩解鹽堿脅迫。

表4 不同處理下土壤鈉吸附比和p HTable 4 Soil sodium adsorption ratio and p H under different treatments

2.4 不同改良劑對藜麥產量及磷肥利用效率的影響

2.4.1 對藜麥產量的影響 從圖2可以看出,不同改良劑處理對藜麥產量具有一定的影響。G 處理下,藜麥的籽粒產量、有效分枝數、頂穗粒數、頂穗小穗數和千粒質量與CK 處理相比均有所提高,但差異不顯著,可見單施磷肥不能明顯緩解高鹽堿對藜麥的脅迫。常規(guī)施肥并添加改良劑的條件下,GX2和GP2處理與G 處理相比具有顯著提升效果,籽粒產量、有效分枝數和頂穗粒數分別顯著提升81.6%、78.5%和76.7%、70.0%及112.3%、71.5%,頂穗小穗數和千粒質量分別顯著 提 升73.6%、67.9%和75.4%、61.5%(P＜0.05),兩處理之間相比無顯著差異。說明兩種改良劑均能緩解鹽堿脅迫,改善藜麥生存環(huán)境,提升藜麥產量。

圖2 不同處理下藜麥產量Fig.2 Quinoa yield under different treatments

2.4.2 對磷肥利用效率的影響 各改良劑對藜麥磷肥利用效率的調控作用見表5,在鹽堿土中,改良劑均能提高藜麥的地上部吸磷量、磷肥農學效率和磷肥偏生產力。常規(guī)施肥并添加改良劑的條件下,地上部吸磷量、磷肥農學效率和磷肥偏生產力隨著改良劑用量的增加呈先增加后降低的趨勢,在GX2和GP2處理下達到峰值,但兩者之間差異不顯著,說明改良劑可以增加鹽堿土保肥能力,促進藜麥對磷的吸收。綜上分析可知,兩種改良劑對藜麥磷肥利用效率具有顯著提升作用,在GX2和GP2處理下各項指標達到最好,且二者之間無顯著差異。

表5 不同處理下藜麥磷肥利用率的變化Table 5 Changes in phosphate fertilizer utilization rate of quinoa under different treatments

3 討論

3.1 不同改良劑對鹽堿土壤的改良作用

本研究中,改良劑能顯著提升晉南0～20 cm表層鹽堿土壤水穩(wěn)性團聚體含量和土壤含水率,同時顯著降低土壤全鹽量、鈉吸附比和p H。其中以禾康鹽堿土壤改良劑的作用效果最為明顯,這是由于禾康鹽堿土壤改良劑的p H 為2.0～3.0,適用于北方堿性鹽堿土壤,其含有的有機高分子可以絡合土壤中的鹽離子,起到疏松土壤,破除板結,降低土壤鹽分聚集,促進鹽分淋洗的作用[18]。本研究在盆栽條件下,禾康鹽堿土壤改良劑針對晉南鹽堿土施用取得了顯著效果,在添加量為4 m L/kg時最好,有效改善土壤性質,緩解土壤鹽堿障礙,這與崔京榮[22]使用禾康鹽堿土壤改良劑對河北省黃驊市鹽堿土的改良效果一致。土壤在快速脫鹽過程中,極易發(fā)生土壤堿化,因此在改良鹽堿土的過程中,要加強對p H 的調控作用[24],而本研究在鹽堿土壤中添加禾康鹽堿土壤改良劑,土壤p H 顯著降低,可能是由于改良劑中的有機高分子與土壤中鹽分離子絡合,使可溶性鹽分離子轉化為難溶性鹽,使土壤迅速脫鹽,進而促進土壤p H 顯著降低[25-26]。禾康鹽堿土壤改良劑能顯著改良土壤結構,增加土壤水穩(wěn)性團聚體含量,降低水分的流失,提高土壤的含水量[18]。在本研究中,4 m L/kg的禾康鹽堿土壤改良劑能夠顯著提高土壤含水量,但6 m L/kg的禾康鹽堿土壤改良劑會顯著降低土壤含水量,可能由于添加了過量有機離子,破壞了土壤本身的結構,使得水分大量流失[22]。由于當地處于半干旱地區(qū),年降水量平均值400～600 mm,降水量偏少,不利于土壤表層鹽分的淋洗[27],鹽堿土存在難治理,易復發(fā),鹽分含量較高等問題,鹽堿土壤改良劑需持續(xù)施用。本研究中,禾康鹽堿土壤改良劑的價格為45元/kg,價格昂貴,經濟效益低,因此不適宜長期用于晉南地區(qū)鹽堿土的改良。

保水劑聚丙烯酰胺(PAM)作為一種新型鹽堿土壤改良劑,具有特殊結構單元酰胺基,該結構單元極易形成氫鍵,使PAM 具有親水性、水溶性、抑制土壤水分蒸發(fā)等特點[28]。本研究中,在鹽堿土中添加0.50 g/kg聚丙烯酰胺對土壤水穩(wěn)性團聚體含量、全鹽量和含水率有顯著的調控作用。馬鑫等[29]通過室內模擬試驗研究了低分子量聚丙烯酰胺對鹽漬化土壤的改良效果,結果表明:低分子量的陰離子PAM 對土壤的改良效果顯著,高用量和低用量都不能有效改善鹽堿土壤性質,故而本研究選用陰離子800萬分子量PAM改良晉南鹽堿土。王起凡[30]通過溫室盆栽方法探究生物炭和PAM 對鹽堿土的改良效果,結果表明:PAM 可以顯著降低土壤p H,但在剛施入土壤時,會短暫提升土壤p H。本研究在播種前施入PAM 會導致土壤p H 的升高[31-32],可能是由于陰離子PAM 溶于水后呈堿性,收獲后PAM顯著降低土壤p H。毛文娟等[33]采用室內盆栽的方法,探究適宜濃度的PAM 對鹽堿土壤的改良效果,結果表明:適宜濃度的PAM 能夠降低土壤體積質量,提升土壤水穩(wěn)性團聚體含量,從而達到降低土壤含鹽量的目的。本研究中,0.50 g/kg的PAM 對土壤全鹽量的降低效果顯著,但PAM為0.75 g/kg時,對土壤全鹽量的作用效果不明顯,這可能由于過量PAM 本身較高的p H 使其加重了土壤鹽堿障礙,導致其作用效果不顯著[30]。與此同時,過量PAM 降低土壤水穩(wěn)性團聚體的含量,進而造成土壤含水量顯著降低[13]。在本研究中,PAM 的價格為6.2 元/kg,綜合各處理改良效果與改良劑價格可知:PAM 與禾康鹽堿土改良劑改良效果之間沒有顯著差異,但PAM 經濟效益優(yōu)于禾康鹽堿土壤改良劑,具有價格低、效果明顯等優(yōu)點[9,29],適宜于晉南鹽堿地長期施用。

3.2 不同改良劑對藜麥產量及磷肥利用效率的影響

在本研究中,不同改良劑對鹽堿土中藜麥的籽粒產量、千粒質量、有效分枝數、頂穗粒數、頂穗小穗數和磷肥利用率有明顯的提升作用,其中禾康鹽堿土壤改良劑的效果最好,PAM 與禾康鹽堿土壤改良劑之間沒有顯著差異。杜康瑞等[34]采用田間隨機區(qū)組設計,探究了多種改良劑與肥料配施對鹽堿地玉米生長發(fā)育的影響,結果表明:不同改良劑均提高了玉米的千粒質量、有效分枝數、頂穗粒數、頂穗小穗數、產量等經濟指標,提升了玉米的磷肥利用效率。本研究中,4 m L/kg禾康鹽堿土壤改良劑對藜麥產量和磷肥利用效率提升效果最為顯著。這種增產作用是由于禾康改良劑是由芽孢類桿菌、硝化細菌、乳酸菌等多種有益微生物菌群及其代謝物復配而成,含有豐富的有機離子,能夠改善植物生長環(huán)境,給植物提供營養(yǎng),促進作物磷吸收,提高作物的產量[22]。本研究中,0.50 g/kg的PAM 對藜麥磷肥利用率提升效果顯著,這種增產作用可能是由于PAM 通過增加土壤的保水性,減少土壤中鹽分的聚集,降低土壤中的有害離子,改善作物生長環(huán)境,降低鹽堿土壤的磷流失,增強作物的磷肥利用率[28]。本研究中,禾康鹽堿土壤改良劑用量為4 m L/kg時對藜麥產量、地上部吸磷量、磷肥農學效率和偏生產力的提升效果最為顯著,PAM 用量為0.50 g/kg的作用效果最好,說明試驗用兩種改良劑均能降低土壤中的有害離子,促進藜麥磷吸收,提升藜麥產量。

4 結論

新型改良劑PAM 與禾康鹽堿土壤改良劑能顯著改善鹽堿土土壤性質,緩解鹽堿脅迫,提升藜麥產量。在改良劑作用下,土壤水穩(wěn)性團聚體含量、土壤含水率和藜麥產量均顯著提升,土壤p H、土壤全鹽量和土壤鈉吸附比均顯著降低。針對晉南鹽堿土,PAM 最適用量為0.50 g/kg,禾康鹽堿土壤改良劑最適用量為4 m L/kg。綜合因素考慮在作用效果方面,兩者之間差異不顯著;在經濟效益方面,PAM 優(yōu)于禾康鹽堿土壤改良劑。