苏打碱土快速改良与草坪草种植同步的研究

刘希然， 李志洪*， 姜 璐， 聂英斌,2

(1.吉林农业大学资源与环境学院， 吉林 长春 130118； 2.吉林工业职业技术学院， 吉林 吉林 132013)

东北平原有盐碱化土壤319.7万hm2，属于苏打型盐碱土[1]，苏打型盐土碱性大，质地黏重，透水性差特性[2]，有机质含量非常低。近30年来，轻碱化苏打碱土在水资源比较丰富的地区引水种稻面积逐年扩大，水资源匮乏的地区主要种植耐盐碱的作物，而中度碱化盐碱土的利用相对较低[3]，重度碱化的基本处于荒废状态。重碱化程度的盐碱土是否可以通过改良成为城镇绿化、草坪种植等方面替代优质土壤，减少对黑土地占用，是我们的出发点。我们可借鉴重度碱化碱土快速改良用于水稻育苗的研究结果[4]，在离土条件下快速改良降低盐碱土的pH值、电导率、总碱度和交换性钠，改善土壤结构，在种植草坪过程中浇水淋洗盐碱达到快速改良的目的。国内外科研工作者利用石膏对盐碱土进行改良利用的历史悠久[5-6]，美国学者詹尼等[7-9]和俄国学者盖德洛依茨[10]均发表了利用石膏改良盐碱土的基础理论。我国在20世纪 50年代开展了利用石膏对盐碱土改良的试验研究，但由于成本问题推广应用有限，70年代后磷石膏、脱硫石膏相继在盐碱地改良中开始应用，并取得较好的改良效果。近年来赵兰坡等[11-13]利用硫酸铝改良苏打盐碱土取得了一定的进展，利用硫酸铝中Al3+发生水解释放大量的H+，中和土壤碱性，促进置换土壤中Ca2+和Na+，降低土壤的碱化度[14-16]。国内外学者在盐碱土改良剂选择利用已做了诸多试验[17]，其改良机理的共性是能够改善土壤物理结构和通透性，在水的作用下快速降低植物根系区域土壤中可溶性盐(碱)类离子浓度来降低土壤pH值[18-20]，营造植物正常生长环境。本文在结合上述经验基础上，利用化学改良剂和疏水材料对碱土进行离土快速改良、种植草坪，找出苏打碱土改良和种植草坪的关键条件，为苏打盐碱土快速改良与种植草坪生长的同步进行提供理论依据。

1 材料与方法1.1 供试土壤

1.2 供试改良剂与疏水材料

本试验选用的改良剂为硫酸钙。硫酸钙(CaSO4·2H2O)为分析纯(C)，疏水材料为玉米秸秆(W)、炉灰(L)、沙子(S)。玉米秸秆粉碎为小于5 mm，炉灰过5 mm筛，另外选用有机肥(F)补充养分和腐殖物质，有机肥为腐熟风干鸡粪。

1.3 供试植物

供试植物：矮生百慕大(Cynodondactylon)、高羊茅(FestucaelataKengexE.Alexeev)和早熟禾(PoaannuaLinn)混合种子。

1.4 试验设计与培养

试验处理将苏打碱土(J)与硫酸钙(C，土重的2%硫酸钙)、秸秆(W，土重的5%秸秆)、沙子(S，土重的20%)和炉灰(L，土重的20%)搭配组合成JCW，JCS，JCL，JW，JS，JL，JC和CK 9个处理，再将这9个处理均混施土重10%的有机肥。另外以黑土(B)作为参照土壤种植草坪植株对比，共计18个处理见表1。

表1 试验设计Table 1 Experimental design

育苗装置为4×8孔穴塑料土盘(4 cm×4 cm×5 cm)，底部有0.5 cm小孔，每穴按试验设计置入50 g处理土样，草籽播种总量为20粒，每个处理设置4次重复。播种后初次浇水至育秧盘底部有水外渗，前1周每日浇水50 mL，少量多次，使Ca2+置换出的Na+洗离土壤，达到淋洗盐分的作用，淋出水分从孔穴底部小孔流出，达到碱土快速改良与草籽生长萌发同步的目的。出苗后保持土壤湿润，从播种开始置于恒温培养箱25℃，12小时光照。培养28天后取样，测定各处理植株数据，土壤经自然风干后收集保存，用于相关项目的测定。

1.5 检测项目及方法

土壤pH值采用pHS-3C测定，交换性钠的测定采用乙酸铵-氢氧化铵交换-火焰光度法，碳酸根和重碳酸根采用双指示剂滴定法，土壤微团聚体测定使用激光粒度仪，有机质的测定采用重铬酸钾法测定，土壤饱和导水率采用饱和土柱法。

1.6 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2019，SPSS 20. 0和Origin 2018软件对数据进行处理和作图，并用Duncan法对各测定数据进行多重比较。

2 结果与分析2.1 不同处理的饱和导水率(Soil saturated hydraulic conductivity，Ks)变化

碱土饱和导水率(Ks)与土壤胶体分散凝聚程度、土壤结构和孔隙性质有直接关系，对碱土盐碱的淋洗效果有决定性影响。如图1所示，各处理的Ks值均较CK有明显增加，添加硫酸钙的处理Ks较大，单独加秸秆次之，加沙子和炉灰较差，CK最小。在未施有机肥的处理中，JC处理的土壤Ks较CK提高了3倍以上，JCW，JCS和JCS较CK分别增加了549%，436%和325%。JW，JS和JL较CK分别增加了261%，108%和117%。在混施有机肥的处理中，JCWF，JCSF和JCLF与CKF相比有显著差异，分别增加了379%，307%和219%；JCF处理土壤Ks较CKF提高了286%。混施有机肥中各处理的Ks普遍高于未添加有机肥的对应处理，提高幅度在1%～37%之间。

图1 各处理对土壤饱和导水率的影响Fig.1 Effect of different treatments on saturated hydraulic conductivity注：小写字母表示相同系列不同处理之间Ks值的显著性差异(P<0.05)Note:Lowercase letters indicate significant differences in KS values between treatments of the same series at the 0.05 level

2.2 不同土壤处理pH值的变化

碱土添加改良剂和疏水材料并进行草坪种植，利用种子萌发期浇水淋洗改良，降低土壤pH值，达到碱土改良与草坪生长同步的目的。

由表2可知，添加改良剂硫酸钙淋洗的土壤处理pH值明显降低，在未添加有机肥处理中JCW，JCS，JCL和JC的pH值较碱土对照组(CK)分别降低了2.18，2.04，1.99和2.17，且差异显著(P<0.05)。JW处理的pH值降低效果明显优于JS和JL，JW比CK降低了0.96个单位。在混施有机肥的处理中JCWF，JCSF，JCLF，JWF和JCF的pH值较CKF分别降低了2.09，1.77，2.07，1.83和2.02。在单独添加疏水材料的处理中，JWF处理的pH值降低效果明显优于JSF和JLF，JWF比CKF降低1.83。

表2 各处理pH值变化情况Table 2 pH change of each treatment

2.3 碱土改良与种草后土壤电导率的变化

土壤电导率是在描述土壤可溶盐相对浓度状况的常用指标。由表3可知，所有处理较原土电导率均有明显降低，其降低幅度在0.19～0.82 mS·cm-1之间。在未添加有机肥的处理组中，JCS，JCL，JW和JC与CK相比降低较为明显，分别降低了40.8%，61.2%，42.9%和55.1%。在混施有机肥的处理组中，JCSF和JCLF与CKF之间存在显著差异(P<0.05)，分别降低了55.9%和55.9%。从总体分析来看加入硫酸钙(C) 处理其电导率降低更加明显。

表3 各处理电导率变化情况Table 3 Variation of electrical conductivity for each treatment 单位：mS·cm-1

2.4 碱土改良与种草后土壤碱化度的变化

碱土胶体中交换性钠含量增高，可使土壤结构分散，颗粒弥散性高，易造成植物渗透胁迫[20]。土壤的碱化度是用胶体交换性Na+的饱和度来表示，碱化度是盐碱土分类、利用和改良的重要指标。

由图2所示，硫酸钙和各疏水材料对碱土碱化度的影响不同，在未添加有机肥添加情况下，JCW，JCS，JCL和JC4个处理碱化度较CK有大幅降低，达到99.4%～99.7%之间。单独添加秸秆的处理(JW)较CK也降低了64.9%，而JS，JL处理较CK无明显差异。在混施有机肥的处理组中，JCWF，JCSF，JCLF和JCF4个处理较CKF均有明显降低，降低幅度在95.3%～97.5%之间，其中JCSF效果最好，降低了97.5%。单独添加秸秆的处理(JWF)较CKF也降低了70.3%。在单独添加疏水材料的处理中，只有JWF的碱化度与CKF有显著差异，且效果优于JSF和JLF。

图2 各处理对土壤碱化度的影响Fig.2 Effect of different treatments on soil total alkalinity

2.5 碱土改良与种草后土壤微团聚体的变化

土壤胶体絮凝是形成良好土壤物理结构的前提，当向碱土中加入Ca2+离子可显著降低胶粒间的斥力势能，有利于形成稳定的微团聚体。硫酸钙中的Ca2+置换土壤胶体中的钠离子，并通过淋洗过程淋出土壤，改善土壤团聚性。疏水材料改善碱土通透性达到快速淋洗的目的。

由表4可知，在未添加有机肥的处理中，JCW和JC的微团聚体中位粒径D50和MWD较CK有显著提高(P<0.05)，并在100～250 μm的微团聚体体积百分含量均有显著升高，2～20 μm，20～50 μm两个粒级微团聚体含量有明显的减少，其他各处理效果均不显著。在混施有机肥的处理中，JCWF，JCSF，JCLF，JWF和JCF的中位粒径均明显高于CKF。并在50～100 μm和100～250 μm两个粒级的微团聚体百分比含量较CKF显著增加。大部分处理微团聚体组成发生明显变化，较大粒级百分含量显著增加。

表4 各处理土壤微团聚体组成的数据Table 4 Data of the composition of micro-aggregates among different soil particle sizes

2.6 碱土快速改良对草坪草生长的影响

碱土快速改良种草生物试验增加了黑土(B)作为最佳生长参照，B种植草坪草的各项指标均为最高。

由图3(a～d)明显看出CK和CKF处理种植草坪草没有任何植物收获，原因是未加改良物质的碱土透水性极差，浇水淋洗盐碱效果非常低，每穴植株数均为0。JS和JL处理每穴植株数也很少，JSF和JLF均为0，JS和JL分别为0.2和0.5，导致JS和JL处理组的其他指标很低，表明碱土加沙和炉灰对生草作用效果很小。

图3 各处理对草坪草生长的影响Fig.3 Effects of different treatments on the growth of Turfgrass

图3(a)中加入硫酸钙的JCW，JCS，JCL和JC处理草生长指标达到较高水平，其中未加有机肥JCW，JCL和JC的每穴平均株数分别为18,19和18株，相对应加有机肥处理的株数有不同程度地降低。单加秸秆的JW每穴植株数为15株，JWF仅为8株。以上分析表明加硫酸钙对生草作用效果较好，单加秸秆的生草效果稍差。

从图3(b～d)可以看出，草坪草植株干重、株高和根长指标与植株数有相似的变化规律，即加硫酸钙处理均较高，单加秸秆的JW两指标稍有降低，JS和JL很低。在碱土的相应处理中，加有机肥对生草干重和根长有促有抑，但对株高生长多有促进作用，可能是在重碱土上种草坪草，消除障碍性因素比加施有机肥更为重要，也可能是因为鸡粪有机肥盐分含量高，在前期抑制种子萌发的影响更大些。

3 讨论

重度苏打碱土添加硫酸钙后大量Ca2+与土壤胶体中吸附的Na+发生离子代换作用，改善土壤团聚性，再添加疏水材料可增加土壤饱和导水率，用大量水在种子萌发阶段淋洗使大量离子洗离土壤从而降低土壤pH值和EC值，满足植株生长条件。结果表明单独添加硫酸钙处理和硫酸钙与疏水材料配施的处理在pH值、电导率、碱化度和交换性钠等指标均有大幅度降低，草坪草植株各指标均有提升，硫酸钙和疏水材料配合施用的处理效果优于单独添加硫酸钙的处理，是因为疏水材料的添加进一步提高了土壤导水率，加速盐分淋洗出土壤。有机肥的施用对于碱土理化性质影响较小，可能是因为10%的有机肥添加量剂量过高，孙佳玉等[21]研究表明，鸡粪的含氮量占土壤含氮量的30%～50%对植株生长的促进效果最好，远小于本试验的施用剂量，但有机肥的混施同时配施硫酸钙和秸秆的处理中，干重、株高和根长皆优于未添加有机肥的处理。所有处理中JCWF处理效果好，与CK处理相比pH值下降2.08个单位，电导率下降55.9%，交换性钠降低96.3%，碱化度下降了95.3%，饱和导水率提高3倍以上，植株的根长、株高、出苗率和干重均有显著提高(P<0.05)。李宏广等[22]发现脱硫石膏和糖醛渣的配施可以改良碱化土壤，土壤pH值显著降低(P<0.05)。并且随着Ca2+的添加，在纯水的淋洗作用下，水解产物促进土壤胶体颗粒发生团聚，在施用硫酸钙的处理中，0～2 μm和2～50 μm的颗粒均有减少，100～250 μm的颗粒显著增加(P<0.05)，形成较大微团聚体，改善土壤结构，降低土壤弥散性。本文对微团聚体的研究与程镜润、邱学礼等[6,23]学者研究成果类似。添加改良剂和疏水材料增加土壤饱和导水率，使土壤吸附的Na+随水分离开土壤，土壤交换性钠显著降低(P<0.05)，同时降低了土壤碱化度。这一结果与梁龙、孙在金[24-25]的研究结果有相似性。本文碱土改良种植草坪草采取的技术路线是离土状态下改良与草种萌发生长过程同步，离土改良可提高盐碱淋洗速度，碱土改良与植物生长同步缩短改良利用过程，添加硫酸钙和疏水材料改善土壤理化性质，从而达到草坪所需生长条件。

4 结论

重度苏打碱土加入硫酸钙和疏水材料(秸秆、沙子和炉灰)种植草坪草，前期淋水洗盐改良与草籽萌发同步进行，硫酸钙和秸秆配施的改良效果好于其他处理，显著改善碱土的饱和导水率。经28天生草，加入的硫酸钙可使pH值和电导率、交换性钠和碱化度等指标明显降低，促进土壤微团聚体形成，草坪草生长指标(植株数、植株干重、株高和根长)表现较好。在东北地区有很多碱土与沙土呈复区分布，可将碱土加入改良材料混合铺在沙土表面实现离土状态，播种草坪淋水改良与生草同步，为碱土地区草坪生产提供新的生产模式。