李擎,吴景贵

新型复配改良剂对苏打盐碱土改良效果研究

李擎,吴景贵*

吉林农业大学资源与环境学院, 吉林 长春 130118

为了探究几种改良剂在不同配比下对苏打盐碱土的改良效果，本研究将硼尾矿、生物炭、腐殖酸、硫酸铝、硫酸亚铁这五种成分利用正交试验的方式按照不同的比例与苏打盐碱土进行混合，并以不施改良剂作为对照，系统地研究了改良剂对盐碱土理化性状的影响，并以大豆的产出作为参考。研究得出：该复配改良剂可以明显降低土壤盐碱障碍，使土壤的pH值从8.5最高下降到7.7、碱化度从52%最高下降到25%、并且明显提高土壤的养分含量；从大豆的产出来看，与对照相比，52%以上处理的豆荚数、籽粒数和豆荚数均与对照呈显著性关系；主成分分析的结果表明，改良苏打盐碱土效果最好的处理为T16，其处理中各成分的用量分别为：硼尾矿0.18%、生物炭3.6%、腐殖酸2.7%、硫酸铝0.36%、硫酸亚铁0.23%，此配比改良剂可以对苏打盐碱土的改良提供参考。

盐碱土; 复配改良剂; 硼尾矿; 正交试验; 改良效果

土壤盐碱化是影响生态环境和粮食产量的主要全球性问题之一[1]，大约有10亿hm2的盐碱土分布在100多个国家[2-4]。我国盐碱土总面积约为3.6×107hm2[5]，其中有6%的盐碱土耕地面积[6]。位于吉林省西部的盐碱土属苏打盐碱土，是我国三大盐碱土之一，也是盐碱土类型中改良利用难度较大的土壤类型，面积约3.73×106hm2，其中除了盐碱化草地与碱斑地、盐碱湿地、低洼易涝盐碱地外，约有25%的低产旱田[7]。苏打盐碱土壤中盐分主要以碳酸钠和碳酸氢钠为主，土壤胶体上含有大量的交换性钠，含盐量大于2 g/kg，主要特点有干时坚硬、湿时泥泞、透水透气较差，导致作物出苗率低和生长困难，所以开发利用率较低[7]，如何对其进行改良以适应作物的生长是当地亟待解决的问题。因此，苏打盐碱土的治理与生态环境改善是国家粮食安全基地建设的前提，也是农村经济可持续发展的需要。

对于盐碱土改良剂的研究国内外学者已经走了很远的路，从有机改良剂和化学改良剂再到复合改良剂都有不同程度建树。生物碳是有机改良剂研究中的热点，其作为土壤改良剂的有效性已得到广泛认可[8-10]，它具有高孔隙度、富碳成分、细颗粒结构等特点[11,12]，是由有机原料(如农作物秸秆、稻草、肥料、花生壳、木屑、树叶、竹子等)通过热化学方法，转化而成的固体炭化物质[13,14]。越来越多的科学研究表明[15,16]，施用生物炭可显著降低盐碱地土壤的盐度和pH值，同时改善土壤阳离子交换量、土壤有机质、速效养分和作物生长[17-20]。腐殖酸同样作为有机改良剂施入土壤，用于土壤改良具有十分显著的功效[21]。腐植酸是动植物遗骸经过土壤微生物的分解、转化以及地球化学的一系列过程形成并积累起来的一类高分子芳香羧酸族群有机物质，大部分地表上都有腐植酸的踪迹[22]。已有研究指出来源于低阶煤（泥炭、褐煤、风化煤）的腐植酸[23]--煤炭腐植酸因其化学稳定性及与土壤腐植酸组成结构高度的一致性，成为最具潜力的优质肥原料[24]。还有研究指出煤炭腐植酸能够通过影响土壤总有机碳、饱和导水率、团聚体稳定性、体积质量和土壤含水率等指标来改善土壤的物理性状，并促进作物的生长[25]。化学改良剂以硫酸根盐居多，梁龙通过试验发现，硫酸亚铁经水解氧化后会产生H+和Fe(OH)3可以降低土壤pH值和ESP[26]。肖帆、赵兰坡等人发现硫酸铝中铝离子水解过程会产生大量氢离子[27]，对土壤的碱性有一定中和作用，可以降低土壤pH及ESP并促进土壤胶体凝聚的良好作用，此外Al3+对吸附在土壤胶体上的一价（Na+、K+）和二价离子（Ca2+、Mg2+）有置换作用，加速了土壤脱盐。近年来有学者将尾矿作为土壤调理剂，硼尾矿中含有大量植物所需的中、微量元素[28]，经过简单的酸碱反应处理后造粒制成硼镁肥，还将其与有益微生物、腐殖酸等有机物及大量元素钾结合起来制成硼泥生物有机-无机生态肥[29]，所以硼尾矿合理利用可以施用于土壤。上述研究已经表明，生物炭、硼尾矿、硫酸铝、硫酸亚铁和腐殖酸对土壤改良有积极影响，但盐碱土往往具有多种因素的胁迫，比如孔隙结构差，土壤养分匮乏及含盐量高等，需要从多方向进行治理。

鉴于前人对盐碱地改良的研究多侧重于单一或两种改良剂配合施用，而对多种改良剂复混的研究却鲜有报道，本研究拟通过硼尾矿、生物炭、腐殖酸、硫酸铝、硫酸亚铁五种改良剂复配施用对苏打盐碱土理化性质及大豆生长的影响，筛选出最合适的复配型改良剂，以期为松嫩平原苏打盐碱土改良剂的合理复配提供试验依据和参考方法。

1 材料与方法

1.1 供试土壤及材料

供试土壤取自吉林省松原市双子生态农业开发有限公司水田试验基地(124°48'28′′E,45°10'09′′N)。试验地有机质含量为5.62 g/kg，碱解氮12.5 mg/kg，速效磷39.42 mg/kg，速效钾561.2 mg/kg，pH值为8.96，电导率为1 094.2 μs/cm，阳离子交换量4.73 cmol/kg，碱化度为46.3%，采集土壤深度为0～20 cm，去除砾石和根叶杂质，以备试验。

本试验所采用改良剂中，硼尾矿来自辽宁丹东宽甸东镁化工厂，以SiO2（32.8%）、S（8.63%）、MgO（7.73%）、B2O3（3.51%）为主要成分，同时还含有Al（1.81%）、Mn（1.69%）、Ca（1.15%）等多种微量元素，pH值3.66±0.25；生物炭来自于吉林省明泰再生能源有限公司，是该公司将富含有机质的厨余垃圾投入1 000-1 200 ℃的绝氧状态的密闭滚筒中，停留5 min后，厨余垃圾在高温绝氧的环境中会发生热解反应，经热解反应后形成微碳化物、气化油和汽态水，有机碳含量270.12 g/kg，全氮9.2 g/kg，全磷16.01 g/kg，全钾2.15 g/kg；腐殖酸为工业褐煤，成色为褐黑色，含碳量570 g/kg，pH值4.6。硫酸铝和硫酸亚铁均为分析纯试剂；供试作物为大豆，品种为东生118。

1.2 试验设计

试验设计参考冯修为利用生物碳等改良剂修复污染土壤的方法[30]，按照五因素四水平选择L16（54）正交表，五因素为硼尾矿，生物炭，硫酸铝，腐殖酸，硫酸亚铁，四水平为各因素四个施用量（表1）。以不施改良剂为对照（T0），共17个处理，各处理各因素施用量见表2。试验于2021年7-10月在吉林省长春市农业机械研究所温室大棚开展，棚内昼温25～30 ℃，夜温14～25 ℃。装土所用容器为高15 cm直径18 cm的PVC桶，每桶装过2 mm筛的风干土1.5 kg，容重以1.52 g/cm3为标准，装土前将土壤与称好的改良剂充分混匀，为避免在装土时各桶有土壤紧实度方面的差异，分3次装入，每次加入高度5 cm。培养时保持田间持水量70%，每隔2 d用重量法浇水找齐各桶持水量。为防止盐分流失，花盆下垫塑料托盘渗出的溶液在返倒回桶中。每盆底部装有细纱布，防止土从底部漏出。每个处理重复3次，每桶播种6颗大豆，幼芽成熟后每桶保留4株壮苗。于110 d（大豆一个生长季）后收获植株并取土。

表 1 改良剂的成分及施用量

表 2 改良剂各成分施用量

1.3 样品的采集与测定

培养110天后，大豆的成熟期采集豆荚，以目测法数出豆荚数和籽粒数，在烘箱中烘至恒重后给籽粒称重。土壤分三层采集，每层5 cm，三层土壤用四分法混合，取回实验室自然阴干后挑出动植物残体，研磨并分别过0.15 mm、0.85 mm筛，各指标测定方法参照《土壤农业化学》[31]，均采用常规方法：pH值、电导率采用电位法（土水比为1:5）；有机质采用重铬酸钾外加热法；速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法；碱解氮采用碱解扩散法；速效磷采用碳酸氢钠法；阳离子交换量采用乙酸钠-火焰光度法，交换性钠采用NH4OAc-NH4OH-火焰光度法，碱化度为阳离子交换量与交换性钠的比值，以百分数表示。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Office Excel 2018软件进行数据分析处理，采用SPSS Statistics 26进行方差分析（ANOVA），差异显著性检验采用LSD法，显著性水平为＜0.05，分析比较不同配比对盐碱土的改良效果。利用主成分分析对本试验中测得的土壤理化性质和大豆产出的各项指标进行综合分析，其中逆向指标进行负处理，主成分因子得分作为改良剂效果优劣的判别标准。所有图片采用Origin 2021软件制作。

2 结果与分析

2.1 复配改良剂对土壤pH值及EC值的影响

不同处理对盐碱土pH值的影响如图1所示，不同处理的pH值较T0均有不同程度的减小，且差异显著的处理有12个，T3和T11处理pH值最低为7.73和7.8。图2为不同因素不同水平对土壤pH值的均值效应图，随着硼尾矿施量水平的增加pH值呈现波段式的下降，说明硼尾矿具有降低pH值的潜力，其在0.09%水平时pH值最低；生物炭和腐殖酸作为有机碳源施入，降低pH值的趋势相似，其均在2.7%水平时pH值有上升趋势；硫酸铝和硫酸亚铁的增加使土壤pH值呈下降趋势。

不同处理对土壤电导率（EC值）的影响如图1所示，除T15、T16外各处理与T0相比电导率有不同程度的提高。其中T7处理最高，较T0相比提高了195.45%。各处理均与T0呈显著性水平，T15、T16处理比T0略低，为753 μs/cm、832.67 μs/cm。图2为各成分不同水平对土壤EC的均值效应图，随着各成分施量的增加，电导率呈不同趋势，碰尾矿和有机成分增加时，电导率增加后减少，硫酸盐类的增加呈波段式增加，总体呈上升趋势。

图 1 不同配比改良剂添加对土壤pH值、电导率（EC值）的影响

注：不同小写字母代表在＜0.05水平上不同处理间差异显著，下同。

Note : Different lowercase letters represent significant differences between different treatments at the P < 0.05 level, the same below.

图 2 改良剂不同水平对土壤pH值和电导率（EC值）影响的

2.2 复配改良剂对土壤养分的影响

土壤由于盐碱障碍养分往往利用低，土壤的养分一定程度也可以作为评价盐碱土的重要指标。不同配比改良剂对土壤有机质、速效养分的影响如图3所示，施加改良剂的处理与T0相比，均提高了土壤中的有机质含量，且均存在显著性差异。除T1、T14处理外，其余各处理与T0相比，有机质含量均增加三倍以上；各处理碱解氮含量的差异与有机质变化规律相似，各处理除T8、T14外均超过了T0，且与T0有显著性水平的有12个处理，最高为T12处理，与其他处理相比均呈显著水平，其次是T4处理；T12和T9处理与T0相比均显著提高了速效磷的含量，分别提高了45.4%和63.57%%；除T3处理外，其余各处理均降低了土壤中的速效钾含量，T5、T6、T8、T13、T14和T16差异显著，其它各处理差异不显著，与T0相比，T8处理土壤中的速效钾的含量最低，降低了56.57%。

改良剂不同水平对土壤有机质和速效养分的影响显示（图4），生物炭施量水平的增加对有机质与pH值的影响呈相反趋势。腐殖酸为第二个有机成分，随着施量增加折线趋陡，说明腐殖酸对土壤有机质的增加影响较大；碱解氮的含量随硼尾矿施量的增加呈现波段式增加，与土壤pH值呈现的规律相似，其分别在0.9%和1.8%达到峰值，硫酸铝添加量在0.72%时达到最高，随后出现下降趋势，说明一定量的硫酸铝可以提高土壤的碱解氮含量；硼尾矿、生物炭、硫酸铝在少量添加时可以增加速效磷的含量；不同改良剂施量增加对土壤的速效钾均有降低趋势，盐碱土钾含量相比于其他土壤来说较高，但利用率较差，速效钾的降低可以一定程度上说明促进土壤中钾的转换和作物吸收，硫酸铝水平的增加使土壤速效钾含量逐渐降低，相较于其他因素更为稳定。

图 3 不同配比改良剂添加对土壤有机质及速效养分的影响

图 4 改良剂不同水平对土壤有机质、速效养分含量的影响

注：图中字母OM、AN、AP、AK分别代表土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾。

Note : The letters OM, AN, AP and AK represent soil organic matter, available nitrogen, available phosphorus and available potassium, respectively.

2.3 复配改良剂对土壤阳离子交换量、交换性钠、碱化度的影响

不同处理对土壤阳离子交换量、交换性钠、碱化度的影响（表3）发现阳离子交换量的变化范围为3.96～7.83 cmol/kg之间，交换性钠的变化范围为1.81～2.28 cmol/kg之间，碱化度大小的影响因素更多为阳离子交换量。T9、T10、T13、T15、T16的阳离子交换量与T0相比呈显著水平，其中T10处理阳离子交换量最高为7.83 cmol/kg；交换性钠差异不显著，数值在1.81～2.61 cmol/kg之间；各处理与T0相比碱化度差异不显著，但变化范围较大从52.01%降到25.48%，处理T16、T9、T10、T13、T5、T1均在30%以下，占总体数量的35.24%。不同改良剂的五个水平对阳离子交换量、交换性碱化度的影响显示（图5），随着各因素添加量水平的增加，阳离子交换量呈现不同程度的增加趋势，其中硼尾矿施量水平增加阳离子交换量的折线最陡，说明硼尾矿对阳离子交换量影响较大，其次为腐殖酸。

注：表中数值为平均数±标准差；不同小写字母代表在＜0.05水平上不同配比改良剂间差异显著；表中字母CEC、NaE、ESP分别代表土壤阳离子交换量、交换性钠、碱化度。下同。

Note : The values in the table are mean ± standard deviation ; different lowercase letters represent significant differences between different ratios of modifiers at the< 0.05 level ; the same below;The letters CEC, NaE and ESP represent soil cation exchange capacity, exchangeable sodium and exchange sodium percentage.

2.4 复配改良剂对大豆产量的影响

作物产量是盐碱土改良效果最直观的表现，也是改良最终的目的，从表4中可以看出所有处理的豆荚数和籽粒数均超过了T0处理，从豆荚数看，与T0呈显著性水平的处理占总处理的82.35%，T16处理最高，较T0增加了193%；从籽粒数量看，与T0呈显著性水平的处理占总处理的52.94%，T14、T16处理最多；从籽粒重量看，除T1处理外均超过T0处理，与T0呈显著性水平的处理占总处理的64.71%，说明复配改良剂的施入对大豆产量有一定的促进作用。

表 4 不同配比改良剂添加对大豆单株豆荚数、籽粒数、籽粒重的影响

2.5 主成分分析

利用主成分分析，对指标进行综合评价，如表5所示，根据特征根值大于1的原则，提取了4个主成分，四个主成分的贡献率分别为33.70%、21.08%、14.06%和12.12%，累计贡献率为80.97%＞80%。因此采用这四个主成分对盐碱土改良效果进行综合评价。由表5可知，第一主成分中，处理T13、T14、T16得分较高；第二主成分中，处理T3、T11、T12得分较高；T8、T15、T16在第三主成分中得分较高；第四主成分T3、T4、T12得分较高；综合得分T13、T15、T16处理得分较高。

表 5 方差解释率

表 6 各主成分综合得分

3 讨 论

3.1 土壤盐碱指标对复配改良剂的响应

降低土壤的盐度和碱化度，缓解土壤生物的盐胁迫，从而持续恢复土壤生态功能，一直是盐渍化土壤改良的核心目标。土壤的盐度和碱化度往往跟施入物料的含盐量和盐分组成有着最直接的关系。已经有很多研究表明施入有机物料可以降低土壤的pH值和EC[32,33]，阳离子交换量与土壤中有机质总量呈正相关的关系，是因为腐殖质中含有羟基、酚羟基、酚基等多种功能团，可以增加土壤胶体与阳离子的交换点位[34]，本研究中生物炭和腐殖酸为复配改良剂中有机成分，均具有丰富的官能团，在碱性条件下带有负电荷，可以吸收H+等阳离子基团，是很好的阳离子吸附剂[35]，从而使土壤碱化度降低。随着改良剂中生物炭和腐殖酸施用量的增加，土壤的pH值、碱化度均有下降趋势，印证了前人的研究，同时电导率呈升高后下降，可能是由于改良剂各成分的大量施入导致含盐量升高。改良剂中的化学成分为硫酸铝和硫酸亚铁，硫酸盐类在改善盐碱障碍与有机成分过程不同，其可以直接参与土壤中盐的置换和络合，当硫酸铝施入土壤后，Al3+经由水解作用生成大量的H+，这些H+可以中和土壤中的OH-，使土壤的pH值降低[36]，另一方面这些H+还能促进碳酸盐的溶解，经溶解后释放出Ca2+、Mg2+可以将土壤胶体上吸附的Na+交换至土壤溶液中，再通过排水作用将交换下来的Na+以及其他盐分离子排出，从而降低土壤的碱性和盐分含量[37]。这也解释了硫酸铝和硫酸亚铁的施入量增加，让pH值和碱化度降低，但电导率呈波段式上升，施量少的时候一方面增加了土壤的盐分，增加施量后，除了与土壤中致碱离子发生化学反应的部分，剩余部分残留在土壤导致了盐分又上升。前人一直将硼尾矿作为微肥，本研究首次将硼尾矿作为改良剂，其可以降低土壤pH值，可能由于硼在土壤中以硼酸[B(OH)3]的形式存在，还有少量以硼酸根离子[B(OH)4-]的形式存在[38]，这种一元弱酸在水中水解会产生大量H+，而让土壤pH值降低，解释了本研究中硼尾矿施量增加pH值下降的原因。

3.2 土壤有机质及养分对复配改良剂的响应

不同配比改良剂施入土壤均可对土壤的有机质、速效养分有不同程度的促进作用，由于改良剂各成分的性质不同、比例不同，所以作用在土壤中增加养分的程度也不一样，这是导致效果不一的主要原因。复配改良剂的各成分本身营养成分较少，仅腐殖酸和生物炭有机成分较高，所以复配改良剂对土壤养分的提高是间接的，改良剂的施用先降低了土壤的盐碱障碍，进而促进了土壤养分。生物炭对作物和土壤的影响主要与生物炭的种类、来源和制作工艺有关，从物理角度分析，生物炭比表面积较大具有很强的吸附能力，可以对土壤中的养分持续释放，更适合对土壤长期的改良[39]。腐殖酸施量水平的增加对土壤有机质含量增加最有效（图4），可能是由于腐殖酸提供了丰富的碳源，刺激了微生物的生长，提高了微生物活性，改变了土壤微生物区系，改善土壤团聚结构，增加土壤通透性，所以能够活化土壤速效养分的转化与循环[40]，但由于时间较短，对速效养分含量的提高不太明显。

3.3 主成分分析

利用主成分分析对改良后土壤和大豆作出综合评价，从表5综合得分的规律可以看出，得分一定程度上与硼尾矿的添加量有关，T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12的硼尾矿施量为0.27%到0.36%之间，说明硼尾矿添加量在高水平下效果一般，T5、T10、T11由于生物炭和腐殖酸比重较大，对硼尾矿的硼害有一定的缓冲作用，得分相对其他高水平的施量来说得分稍高一点。T1、T2、T3、T4、T13、T14、T15、T16处理的硼尾矿添加量为0.09%和0.18%之间，在此水平下较高，说明硼尾矿低水平的添加量与其他因素复配有一定效果，其中T1和T14处理相对于硼尾矿相同的添加量得分较低，两个处理中生物炭和腐殖酸为低水平（分别为0.9%和0.9%～1.8%之间），说明如果改良剂中有机组分含量少改良效果会相对较差。T4和T14处理没有随着有机组分比重增大而增大，可能是由于硫酸铝的添加量较大为1.08%，最高水平的硫酸铝虽然可以提高土壤阳离子交换量、降低碱化度，但其在第三水平出现下降拐点，导致改良效果不如其他处理。

改良剂添加水平不同，所达到的效果也不同，并不是呈现出施用量越大效果越好的现象。随着硼尾矿施量的增加，土壤pH值和ESP会波段式下降，说明硼尾矿具有改良土壤的潜力，但应该斟酌施量，才能发挥最好的效果。硼在土壤中主要以硼酸的形式存在[41]，适量的硼可以增加土壤中有效硼的含量，对作物生长是有益的，但过量的硼在土壤中会被固定[42]，造成硼毒害的现象，导致土壤退化。生物炭在改善退化土壤[43,44]和污染土壤[45, 46]方面有很大的潜力，通过本试验研究发现，生物炭和硼尾矿在合适的比例条件下，可以避免有害元素对植物的侵害，这与前人的研究一致[47]。

4 结 论

几种改良剂复配添加使土壤pH值和碱化度均明显下降，同时可以提高土壤的有机质和速效养分，并促进了大豆的豆荚数、籽粒数以及籽粒重，所以复配使用能够明显降低土壤的盐碱障碍。综合土壤理化指标、土壤养分、盐碱指标及大豆的产量，改良效果较好的处理为T16处理（硼尾矿0.18%、生物炭3.6%、腐殖酸2.7%、硫酸铝0.36%、硫酸亚铁0.23%），此比例复配对苏打盐碱土改良效果最好，可以为吉林省西部苏打盐碱土的改良提供参考。

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Effect of New Compounding Improver on Soda Saline-alkali Soil Improvement

LI Qing, WU Jing-gui*

130118,

In order to deeply investigate the improvement effect of multiple improvers on soda saline soil in different ratios, this study adopted the orthogonal test method, mixing five ingredients--boron tailings, biochar, humic acid, aluminum sulfate and ferrous sulfate, with soda saline soil in different ratios, and using soda saline soil as a control, to systematically study the effect of improvers on the physical and chemical traits of the saline soil, with the outputs of soybeans as a reference. Specifically, the pH, conductivity, organic matter, quick nutrients, exchangeable sodium, cation exchange quantity, alkalinity of the saline soil as well as the number of pods, seeds and pod weight of soybean were determined. The study concluded that: the compound improvers could significantly reduce the soil salinity barrier, the soil pH value decreased down from 8.5 to a maximum of 7.7, the alkalinity decreased from 52% to maximum of 25%, and the soil nutrient content was significantly increased; from the output of soybeans, the number of pods, seeds, and pod weights of more than 52% of the treatments showed a significant relationship with that of the control; and the results of the principal component analysis showed the treatment with the best effect of improving soda saline soil was T16, and the amount of each component in its treatment was 0.18% boron tailings, 3.6% biochar, 2.7% humic acid, 0.36% aluminum sulfate, and 0.23% ferrous sulfate, and this ratio of the improvers can be used as a reference for the improvement of soda saline soil.

Saline-alkali soil; compound improver; boron tailings; orthogonal test; improvement effect

S156.2

A

1000-2324(2023)05-0746-12

10.3969/.issn.1000-2324.2023.05.015

2023-11-03

2023-11-14

吉林省重大科技专项:盐渍土稻田土壤障碍消减与产能提升关键技术研究(20230302010NC)

李擎(1996-),男,硕士研究生,研究方向:盐碱土改良. E-mail:lq15149930899@qq.com

Author for correspondence. E-mail:wujingguiok@163.com