有机硅产品治理盐碱土壤研究初报

宋福如，宋利强，曹子库，宋志强，宋聚强，张鸿君，乜红民，王俊生

（1.河北省硅谷农业科学研究院，河北 邯郸 057151；2.河北省邯郸市永年区农业农村局，河北 邯郸 057150）

土壤盐碱化是一个世界范围的问题［1-2］，据联合国科教文组织和粮农组织统计，全球约有10亿hm2盐碱化土壤，占地球陆地面积的30%左右，主要分布在干旱、半干旱地区，遍布世界100 多个国家和地区［3］，并且每年以100 万～150 万hm2的速度增加［4-5］，呈现逐渐加重的趋势。因此，治理盐碱化土壤，防止其进一步扩大成为全球迫在眉睫的问题。我国盐碱化土壤约有9914 万hm2，主要分布在包括东北平原，西北干旱、半干旱地区，黄淮海平原及东部沿海地区在内的17 个省份［6］，不仅造成资源的破坏、农业生产的巨大损失，而且对生态环境构成威胁，使环境和经济均受到危害。同时，我国人口增长、经济发展和城镇化水平的提高对资源环境特别是耕地、生态用地的压力越来越大。盐碱地是我国重要的后备耕地战略资源，治理好盐碱地，对补充我国耕地资源、保障国家粮食安全和重要农产品有效供给、建设生态文明具有重要意义。国内外对土壤盐渍化的治理从水利工程措施、农艺措施和生物措施、化学措施等方面开展了大量研究［7-8］。水利工程措施主要建立地表排水系统和暗管排水等系统，通过淋洗、以淡压咸方法排除土壤中的大量盐分，降低土壤盐渍化程度［9-10］，但这种方法耗淡水多，投资巨大，维护费用高，地下水位控制不当易造成土壤次生盐渍化。农艺措施主要通过合理轮作、深翻松耕、压沙等农艺措施降低盐碱危害程度［11］，但其效果难尽人意，存在返盐的潜在危险。生物措施主要是选育抗盐、耐盐植物品种来实现［12-16］，但目前还未能实现规模化生产且见效慢、周期长。化学措施主要是通过施用化学改良剂，利用酸碱中和原理来改良盐碱土壤理化性状。土壤改良剂的研究始于19 世纪末［17］。其一方面可改善土壤结构，增加孔隙度，提高盐碱土排盐降渍的能力；另一方面增加盐基代换，调节土壤酸碱度［18-19］。据农业农村部肥料登记公告信息，我国治理盐碱土壤调理剂的主要原料有以下几类：天然矿石类（如火山岩-蒙脱石、麦饭石、石膏、白云石、钾长石、沸石等）、动物残体类（如禽类羽毛、牡蛎壳等）、工农业废弃物类（如味精发酵尾液、氨基酸发酵尾液、燃煤烟气脱硫石膏等）、天然活性物质类（如生化黄腐酸等）、人工合成聚合物类（如聚马来酸等）。但存在以下问题：施用量大，使用成本高，治理周期长、效果差；某些产品长期使用会破坏土壤结构，造成土壤板结；有的产品潜在环境风险很大，尤其是以固体废弃物和高分子聚合物为原料的调理剂［20］；此外，以天然矿物为原料的调理剂，施用后分解释放的阳离子对土壤也可能产生毒害作用［21］；同时，调理剂施用与农艺技术相脱离，实用性不够，影响了实际应用。截止到目前，利用有机硅作为主要原料的调理剂来治理盐碱土壤的研究，国内外鲜见报道。大量研究均表明，硅元素几乎对所有作物都有促进生长、提高产量、改善品质、提高作物抗逆性的作用［22-24］。引入有机硅进行盐碱土壤治理，进一步放大了硅的作用和效应。本研究采用大田试验的方法，于2018～2019 年连续2 年在全国不同类型的典型盐碱土壤主推作物上开展了试验示范，旨在为有机硅调理剂的推广应用提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点、供试作物

本试验为田间小区试验。在农业农村部耕地质量检测保护中心支持下，2018 年度安排试验4 个（表1），2019 年度安排试验9 个（表2）。

表1 2018 年小区试验基本情况

表2 2019 年小区试验基本情况

1.2 供试肥料

供试肥料由河北省硅谷农业科学研究院提供。有机硅系列肥料（包括有机硅复合肥、有机硅水溶肥、有机硅土壤调理剂、有机硅功能肥等）含有机硅及氮磷钾等多种植物所需的营养成分，是一种完全水溶，并具有一定缓释性能的复合肥［25］。有机硅土壤调理剂主要技术指标：N+P2O5+K2O ≥45%，有机质≥15.0%，有机硅≥3.0%，黄腐酸≥1.0%，Ca ≥0.5%，粉剂。有机硅功能肥N+P2O5+K2O 含量为50%（20-10-20），颗粒。

1.3 试验设计

试验设3 个处理，每个处理3 次重复，采用完全随机区组排列。小区面积一致，水稻小区面积20～50 m2，其他作物小区面积40～50 m2，小区宽度不小于3 m。果树小区面积50～200 m2，小区内果树数量不少于5 棵，树势一致。处理：（1）底施有机硅土壤调理剂（低用量）+追施有机硅功能肥（低用量），处理简称低用量处理；（2）底施有机硅土壤调理剂（高用量）+追施有机硅功能肥（高用量），处理简称高用量处理；（3）与处理1同等氮、磷、钾养分的普通肥料，处理简称CK。

施用方法：（1）有机硅土壤调理剂。在作物种植前，均匀撒于地表，旋耕后浇透水一次，当墒情适宜时种植。（2）有机硅功能肥。结合浇水追施。其他田间管理措施一致，按丰产田要求管理。

1.4 测定项目及方法

在整地施肥前和作物收获后，测定每个小区耕层的容重（环刀法），同时，用五点取样法采集0～20 cm 土样，过2 mm 孔径筛，运用常规方法进行土壤pH（电位法）、水溶性盐总量（质量法）的测定［26］。2018 年各理化性状由试验承担单位测定，2019 年容重由试验承担单位测定，pH、水溶性盐总量由潍坊信博理化检测有限公司测定。

各小区进行单独收获，计算产量。

1.5 数据统计分析

试验数据处理采用 Excel 2016 和SPSS 20.0 进行统计分析，采用PLSD 法进行平均值的差异显著性比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤耕作层理化性状的影响

2.1.1 不同处理对土壤耕作层容重的影响

有机硅土壤调理剂可以破除土壤板结（表3）。所测定的10 个不同试验点的土壤容重，施用调理剂的处理均比本底值有所降低，而CK 变化不明显。其中低用量处理降低0.04（甘肃高台点）～0.41 g/cm3（内蒙古临河向日葵点），平均降低0.168 g/cm3，降幅为3.17%～24.26%，平均降幅10.88%；高用量处理降低0.06（甘肃高台点）～0.48 g/cm3（内蒙古临河向日葵点），平均降低0.229 g/cm3，降幅为4.76%～28.40%，平均降幅15.14%。与CK相比，低用量处理降低0.02（甘肃高台点）～0.40 g/cm3（内蒙古临河向日葵点、五原蜜瓜点），平均降低0.163 g/cm3，平均降幅11.12%；1 个点差异不显著，9 个点差异显著。高用量处理降低0.04（甘肃高台点）～0.47 g/cm3（内蒙古临河向日葵点），平均降低0.224 g/cm3，平均降幅15.28%，差异显著。高用量处理与低用量处理相比，4 个点差异不显著，6 个点差异显著，平均降低0.061 g/cm3，平均降幅4.68%。说明增加调理剂用量对降低土壤容重有一定的影响。

2.1.2 不同处理对土壤耕作层水溶性盐的影响

从13 个试验点的土壤水溶性盐总量测定结果可以看出，施用调理剂的处理均比本底值有所降低，而CK 变化不明显（表3）。其中低用量处理降低0.18（甘肃临泽点）～2.10 g/kg（内蒙古临河向日葵点），平均降低0.827 g/kg，降幅为4.32%（甘肃高台点）～60.00%（辽宁大洼点），平均降幅27.16%；高用量处理降低0.20（内蒙古临河蜜瓜点）～2.20 g/kg（内蒙古临河向日葵点），平均降低0.907 g/kg，降幅为5.78%（甘肃临泽点）～80.00%（辽宁大洼点），平均降幅30.95%。与CK 相比，低用量处理降低0.40（内蒙古五原向日葵点）～2.20 g/kg（内蒙古临河向日葵点），平均降低0.877 g/kg，降幅为2.93%（甘肃临泽点）～60.00%（辽宁大洼、内蒙古临河蜜瓜点），平均降幅26.84%；2 个点差异不显著，11 个点差异显著。高用量处理降低0.18（甘肃临泽点）～2.60 g/kg（内蒙古临河蜜瓜点），平均降低0.958 g/kg，降幅为4.40%（甘肃临泽点）～80.00%（辽宁大洼点），平均降幅30.89%，差异显著。高用量处理与低用量处理相比，4 个点差异不显著，2个点大于低用量处理且差异显著，7 个点小于低用量处理且差异显著，平均降低0.081 g/kg，平均降幅0.24%，效果不明显。说明增加调理剂用量对降低土壤水溶性盐总量影响不大。

2.1.3 不同处理对土壤耕作层pH的影响

施用调理剂可以降低土壤pH（表3）。施用调理剂的处理pH 均比本底值有所降低，而CK 变化不明显。其中低用量处理降低0.18（吉林前郭点）～1.31个单位（吉林洮北点），平均降低0.417 个单位；高用量处理降低0.10（内蒙古五原向日葵点）～1.32 个单位（吉林洮北点），平均降低0.452 个单位。与CK相比，低用量处理降低0.06（甘肃高台点）～1.31 个单位（吉林洮北点），平均降低0.451 个单位；6 个点差异不显著，7 个点差异显著。与CK 相比，高用量处理降低0.14（甘肃高台点）～1.32 个单位（吉林洮北点），平均降低0.486 个单位；3 个点差异不显著，10个点差异显著。高用量处理与低用量处理相比，平均降低0.035 个单位，11 个点差异不显著，2 个点差异显著。说明增加调理剂用量对降低土壤pH 影响不大。

表3 不同处理对土壤耕作层理化性状的影响

2.2 不同处理对作物生物学性状的影响

2.2.1 不同处理对水稻生物学性状的影响

施用调理剂促进了水稻的生长（表4）。成熟期测定水稻株高结果显示，与CK 相比，低用量处理有4 个点降低，但差异不显著，2 个点株高显著增加，平均增加1.01%；高用量处理各点均有所增加，2 个点差异不显著，4 个点差异显著，平均增加6.24%。高用量处理与低用量处理相比，各点均有所增加，2 个点差异不显著，4 个点差异显著，平均增加4.68%。说明增加调理剂施用量，可以增加水稻株高。

施用调理剂增加了水稻穗粒数（表4）。成熟期5 个点室内考种结果显示，与CK 相比，低用量处理有1 个点降低，但差异不显著，4 个点增加，其中1 个点差异不显著，3 个点差异显著，平均增加7.70%；高用量处理均有所增加，1 个点差异不显著，4 个点差异显著，平均增加8.14%。高用量处理与低用量处理相比，1 个点显著降低，2 个点显著增加，2 个点差异不显著，平均增加1.19%，说明增加调理剂用量对穗粒数有一定影响。

施用调理剂增加了水稻千粒重（表4）。成熟期考种结果显示，与CK 相比，低用量处理有2个点持平，2 个点降低，2 个点增加，平均增加0.16%，差异均不显著；高用量处理有1 个点持平，2 个点降低（差异不显著），3 个点增加（2 个点差异不显著，1 个点差异显著），平均增加0.76%。高用量处理与低用量处理相比，差异不显著。说明施用调理剂对千粒重影响不大。

表4 不同处理对水稻生物学性状的影响

另外，施用有机硅土壤调理剂的处理，在水稻生长中后期，群体长势好，植株整齐，叶色较深，稻瘟病较轻。吉林洮北试验点报告，施用有机硅土壤调理剂的处理，分蘖均比CK 多，低用量处理多0.9 个，高用量处理多0.7 个。

2.2.2 不同处理对向日葵生物学性状的影响

施用调理剂促进了向日葵的生长（表5）。成熟期测定结果显示，与CK 相比，株高、茎粗、盘径、百粒重，低用量处理分别增加0.69%、12.53%、2.90%、0.05%；高用量处理分别增加4.06%、12.53%、5.55%、3.80%。高用量处理与低用量处理相比，分别增加3.28%、0.00%、2.06%、3.79%。说明施用调理剂可显著增加茎粗，但增加施用量，差异不显著。

表5 不同处理对向日葵生物学性状的影响

2.2.3 不同处理对玉米生物学性状的影响

施用调理剂促进了玉米的生长（表6）。成熟期测定结果及考种结果显示，与CK 相比，株高、茎粗、穗粒数、千粒重，低用量处理分别增加1.46%、2.18%、3.47%、0.67%；高用量处理分别增加3.11%、6.55%、4.25%、2.51%。高用量处理与低用量处理相比，分别增加1.62%、4.27%、0.75%、1.82%。说明施用调理剂可显著增加穗粒数，但增加施用量，差异不显著。

表6 不同处理对玉米生物学性状的影响

2.2.4 不同处理对甜菜生物学性状的影响

表7 显示，施用调理剂的处理生物学性状均优于CK，与CK 相比，块根径、块根长、单块根重，低用量处理增加1.83%、3.09%、3.56%；高用量处理增加0.42%、5.00%、7.75%。高用量处理与低用量处理相比，分别增加-1.39%、1.85%、4.05%。说明施用调理剂可显著增加块根长、单块根重，但对块根径影响未达到显著水平。

表7 不同处理对甜菜生物学性状的影响

2.2.5 不同处理对蜜瓜生物学性状的影响

表8 显示，施用调理剂的处理单瓜重均优于CK，低用量处理增加2.78%，高用量处理增加6.75%。高用量处理与低用量处理相比，增加3.86%。说明增加调理剂施用量，可增加蜜瓜单瓜重。

表8 不同处理对蜜瓜生物学性状的影响

2.3 不同处理对作物产量的影响

2.3.1 不同处理对水稻产量的影响

从图1 可以看出，施用有机硅调理剂的处理均比CK 增产，低用量处理增产286.5（辽宁大洼点）～1273.5 kg/hm2（吉林洮北点），平均增产640.3 kg/hm2，增幅为2.97%～28.9%，平均增幅达10.90%；与CK 相比，6 个点差异均显著。高用量处理增产463.2（宁夏平罗点）～1489.5 kg/hm2（吉林前郭点），平均增产899.7 kg/hm2，增幅5.47%（宁夏平罗点）～30.63%（吉林洮北点），平均增幅达14.82%；与CK 相比，6 个点差异均显著。高用量与低用量相比，3 个点差异不显著，3 个点差异显著，平均增产3.53%。说明增加调理剂施用量可提高水稻产量。

2.3.2 不同处理对玉米产量的影响

图2 显示，施用调理剂的处理均比CK 增产，低用量处理增产438.0 kg/hm2，增产率4.09%，高用量处理增产724.5 kg/hm2，增产率6.77%。与CK 相比，差异显著。高用量处理与低用量处理相比，差异不显著。

2.3.3 不同处理对向日葵产量的影响

从图3 可以看出，施用调理剂的处理均比CK增产，低用量处理增产184.5～336.0 kg/hm2，平均增产260.3 kg/hm2，增幅4.60%～7.82%，平均增幅达6.21%；与CK 相比，2 个点差异均显著。高用量处理增产361.5～610.5 kg/hm2，平均增产486.0 kg/hm2，增幅9.01%～14.21%，平均增幅达11.61%；与CK 相比，2 个点差异均显著。高用量处理与低用量处理相比，1 个点差异不显著，1 个点差异显著，平均增产5.07%。说明增加调理剂施用量可提高向日葵产量。

2.3.4 不同处理对蜜瓜产量的影响

从图4 可以看出，施用调理剂的处理均比CK增产，低用量处理增产1042.5～4066.5 kg/hm2，平均增产2554.5 kg/hm2，增幅2.91%～10.04%，平均增幅达6.48%；与CK 相比，2 个点差异均显著。高用量处理增产2506.5～4503.0 kg/hm2，平均增产3504.8 kg/hm2，增幅7.00%～11.11%，平均增幅达9.06%；与CK 相比，2 个点差异都显著。高用量处理与低用量处理相比，2 个点差异都不显著。

2.3.5 不同处理对甜菜产量的影响

图5 显示，施用调理剂的处理均比CK 增产，低用量处理增产2982.0 kg/hm2，增产率3.55%，差异显著；高用量处理增产6507.0 kg/hm2，增产率7.75%，差异显著。高用量处理与低用量处理相比，差异不显著。

2.3.6 不同处理对苹果产量及品质的影响

图6 显示，施用调理剂的处理均比CK 增产，低用量处理增产2715.0 kg/hm2，增产率8.89%，差异显著；高用量处理增产3310.5 kg/hm2，增产率10.85%，差异显著。高用量处理与低用量处理相比，差异不显著。

另外，施用有机硅调理剂后，苹果的外观、品质均较CK 有较大改善。详见表9。

表9 不同处理对苹果品质的影响

3 讨论

在田间试验条件下，研究了有机硅土壤调理剂配施有机硅功能肥对不同类型盐碱土壤耕层容重、水溶性盐总量、pH 及水稻、玉米、向日葵、蜜瓜、甜菜、苹果等作物（瓜果）生物学性状、产量的影响。

3.1 有机硅产品对土壤耕作层容重的影响

本研究条件下，与本底值相比，土壤容重降低3.17%～28.4%（表3）。这可能是因为有机硅产品中的有机硅高分子化合物含有多个Si-O 键和O-H基团，O-H 基团的活泼H 在一定条件下很容易发生缩合反应，可以将硅网结构接到线性聚合物主链上，生成网状结构的髙分子化合物，使有机硅分子形成多个吸附位点，依靠多点吸附包络作用破坏土壤颗粒的动力学稳定性。活性基团将土壤中细小颗粒脱稳吸附在胶体或微粒表面，再通过有机硅高分子化合物的长链将凝聚脱稳微粒吸附架桥，提高有机硅使土壤团粒化的效率，促进土壤形成团聚体，显著改善耕层土壤物理性状，降低土壤容重。结果与王倩［27］硅酸盐增加土壤的孔隙度，降低土壤容重的研究结果一致。另外，调理剂含有的腐植酸有机胶体与土壤中的Ca2+结合形成絮状黏胶，能把土粒胶结起来，增加土壤水稳性团粒结构，降低土壤容重，这与顾鑫等［28］腐植酸显著降低土壤体积质量的研究结果一致。

3.2 有机硅产品对土壤耕作层水溶性盐总量的影响

本研究条件下，与本底值相比，耕作层水溶性盐总量降低4.32%～80.00%（表3）。土壤板结是盐碱土壤主要障碍性因子之一，板结土壤的毛细管较细，含盐的地下水上升速度较快，高度也高。施用有机硅产品后，土壤容重降低，土壤疏松，孔隙度增加，耕作层团粒结构更趋合理，土壤通透性增强，毛细管结构得到改善，含盐地下水攀升受阻，降低了耕作层次生盐渍化程度；同时灌溉水或雨水容易下渗，带动盐分下移，降低耕作层盐分浓度。另一方面，有机硅土壤调理剂中的腐植酸是一种带负电的胶体，能够增加土壤阳离子吸附量，提高土壤盐分淋洗量和排盐效率，降低盐分含量。这与袁英等［29］、黄瑞瑞［30］研究结果一致。

3.3 有机硅产品对土壤耕作层酸碱度的影响

本研究条件下，与本底值相比，土壤pH 降低0.10～1.32 个单位（表3）。一方面，这可能是因为有机硅产品中的有机硅是两性物质，具有超强的缓冲性，可以调节土壤pH 值，这与蔡德龙［24］研究结果一致。另一方面，调理剂含有的腐植酸是弱酸，是大分子有机两性物质，其酸性功能团释放出的H+可与土壤中碱性物质发生中和反应生成H2O，降低土壤碱度。腐植酸中的醛基、羧基等功能团与土壤中各种阳离子结合生成腐植酸盐，形成腐植酸-腐植酸盐相互转化的缓冲系统，从而调节土壤酸碱度。这与杨浈［31］、Sarwar 等［32］研究结果一致。

3.4 有机硅产品对作物产量的影响

本研究条件下，施用有机硅土壤调理剂+有机硅功能肥，显著提高作物（瓜果）产量。与常规施肥相比，显著提高水稻产量2.97%～30.63%，显著提高玉米产量4.09%～6.77%，显著提高向日葵产量4.60%～14.21%，显著提高蜜瓜产量2.91%～11.11%，显著提高苹果产量8.89%～10.85%，显著提高甜菜产量3.55%～7.75%。其机制首先是调理剂改善了盐碱地理化性状，土壤盐分、pH、容重降低，土壤水肥气热协调［33］，微生物代谢旺盛，为作物根系生长创造了良好的环境［34］。其次，调理剂中的硅和腐植酸促进了作物生长，产量因子得到提升。与常规施肥相比，水稻的穗粒数增加7.7%～8.14%、千粒重增加0.16%～0.76%（表4），结果与商全玉等［35］、王茂辉等［36］对硅肥的研究、胡志华等［37］对硅肥、腐植酸的研究、孙克刚等［38］对腐植酸的研究结果一致。玉米株高、茎粗、穗粒数、千粒重分别增加1.46%～3.11%、2.18%～6.55%、3.47%～4.25%、0.67%～2.51%（表6），结果与田平等［39］对硅肥的研究、郝青等［40］对腐植酸的研究结果一致。向日葵株高、茎粗、盘径、百粒重分别增加0.69%～4.06%、12.53%、2.90%～5.55%、0.05%～3.80%（表5），这 与祁建勋等［41-42］研究结果一致。杨发文等［43］、朱从桦等［44］、黄衡亮等［45］、祁建勋等［41-42］、张亚建等［46］研究指出，硅肥促进了作物（苹果树）对养分的吸收，最终提高了产量。另外，有机硅还有可能通过对作物生理生化性状的调节，提高作物耐盐碱性和缓解水分胁迫及其他抗逆性。刘铎等［47］报道，在盐碱胁迫下外源硅能增加植物的叶绿素含量，改善光合作用，提高植物抗氧活性，减少活性氧的过多积累，促进植物相关渗透调节物质合成，促进植物矿质营养元素平衡，从而达到提高植物耐盐碱性的目的。林少雯等［48］研究表明，在同一水分处理条件下随着施用硅素的增加，玉米株高、叶面积、茎粗、根系长度、根系活力、叶绿素含量均有不同程度的增加，而丙二醛含量以及脯氨酸含量有不同程度的减小，表明施用硅素可以缓解玉米水分胁迫的逆境。龚金龙等［49］报道，硅通过物理途径或生理生化途径增强水稻对重金属、盐渍、干旱、紫外线、高温、倒伏等非生物胁迫以及病虫生物胁迫的抵抗力。

4 结论

有机硅产品可改善盐碱土壤理化性状，降低土壤容重、水溶性盐分、pH，促进作物生长，改善作物生物学性状，提高产量，是一项治理盐碱土壤的新技术。