8种耐盐植物与脱硫石膏对河套灌区盐碱土水稳定性团聚体的影响

肖弘扬，李谟志，林启美，李二珍，李贵桐，赵小蓉

（1中国农业大学土地科学与技术学院，北京 100193；2内蒙古五原县农牧业技术推广中心，内蒙古 巴彦淖尔 015100）

0 引言

种植耐盐植物不仅是利用盐碱土的途径之一，也是改良培肥盐碱土的重要举措，对降低土壤盐分含量和培肥地力具有明显作用。研究表明，种植耐盐植物可显著地降低表层土壤盐分，如盐爪爪每季可从土壤中吸收Na+9345.6 kg/hm2，盐地碱蓬吸收Na+6851.4 kg/hm2，西伯利亚白刺吸收Na+6019.2 kg/hm2[1]，同时还能增加土壤有机质、速效氮磷钾含量[2]，提高土壤肥力。在耐盐饲草作物中，常见的一年生作物有油葵、燕麦、毛苕子和猪毛菜，而草木犀、柳枝稷、羊草、紫花苜蓿是内蒙草原上典型的多年生耐盐作物，显然，种植不同的耐盐植物不仅经济效益差异很大，而且改良培肥土壤的作用也有所不同[3-4]。

水稳定性团聚体是土壤肥力的基础，盐碱土由于盐分含量高，土壤颗粒团聚作用微弱，水稳定性团聚体不仅数量很少，而且大多为较小的团聚体[5]，从而有利于形成发达的毛管孔隙，一方面有利于盐分表聚，另一方面抑制盐分淋洗[6]。显然，加强土壤颗粒团聚作用，提高大团聚体数量，是盐碱土改良的关键[7]。许多措施如合理轮作、科学施肥、施用生物质炭、种植耐盐植物等均能够改善土壤团聚体性状。李景等[8]的研究结果显示，免耕和小麦-花生轮作可提高>0.25 mm团聚体数量，降低<0.053 mm团聚体数量，土壤团聚体平均质量直径(MWD)分别提高了18.0%和50.4%。苑亚茹[9]报道，种植耐盐植物可以降低土壤容重，增加有机质含量，提高土壤大团聚体的比例和有机碳含量。同时不同耐盐植物的作用与效果有明显的差异[10]，选择合适的耐盐植物十分重要。

河套灌区是中国西北部主要粮食产区之一，面积为5.7×106hm2，一半左右的耕地遭受不同程度的盐渍化，合理利用和改良培肥盐碱土迫在眉睫[11]。施用石膏是人们熟知的碱土改良技术之一，脱硫石膏是燃煤电厂的废弃物，具有与石膏相同的性质，前期研究结果显示，脱硫石膏对内蒙古河套地区盐碱土具有良好的改良作用[12-14]。本研究在内蒙古河套黄河灌溉区种植8种典型的耐盐植物，包括一年生的燕麦、油葵、毛苕子和猪毛菜及多年生的草木犀、柳枝稷、羊草和紫花苜蓿，配合施用脱硫石膏，比较种植后土壤水稳定性团聚体分布特征及养分含量的变化。笔者假设种植不同的耐盐植物，主要是由于输入土壤有机物质的差异以及土壤盐分的变化，导致土壤水稳定性团聚体及其有机碳氮含量发生改变。通过本研究，可以了解：（1）盐碱土水稳定性团聚体分布随种植不同耐盐植物变化的特点与差异，（2）不同水稳定性团聚体有机碳及全氮含量的变化特征与规律，（3）筛选出适宜的耐盐植物，用于改良本地区的盐碱土。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市十二连城乡东不拉村黄河滩地，属于典型的温带大陆半干旱气候，冬春季严寒少雪，夏季高温干热，多年平均降水量384.4 mm，主要分布在7—9月，年均蒸发量1973.5 mm，每年8级以上大风50天以上，最大风速21.3 m/s。由于受黄河水的补给，潜水埋深一般为1.5～2.0 m。土壤盐分表聚十分强烈，尤其是多大风的3—5月，土壤解冻后，地表蒸发极其强烈，70%以上的表层土壤盐分在此期间聚集。因此，在春季播种前，一般必须进行灌溉洗盐。

供试土壤为硫酸钠盐土，粘壤土，实测得土壤pH 8.46，EC0.95mS/cm，有机碳和全氮含量分别为2.36g/kg和0.42 g/kg，主要可溶性盐分离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-浓度分别为 0.09、42.76、7.55、1.30、0.00、0.47、0.63、49.45 mmol/kg。供试的8种耐盐植物分别为燕麦(Avena sativa，AS)、油葵(Helianthus annuus，HA)、毛苕子(Vicia villosa，VV)、猪毛菜(Salsola collina，SC)、二年生草木犀(Melilotus officinalis，MO)、柳枝稷(Panicum virgatum，PV)、羊草(Leymus chinensis，LC)、紫花苜蓿 (Medicago sativa，MS)。

1.2 试验设计

本研究在2016年4—10月开展，设置8个处理分别种植8种耐盐植物，3次重复，随机区组排列，小区面积80 m2。春季土壤解冻后，地表撒施脱硫石膏(22.5 t/hm2)，耕翻混合均匀后灌溉洗盐（约3750 m3/hm2），落干后采集0～25 cm土层土壤，洗盐后土壤pH 8.15，EC0.41 mS/cm，主要可溶性盐分离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-浓度分别为0.43、17.98、6.20、5.30、0.13、2.53、3.09、28.68 mmol/kg，有机碳(OC)2.14 g/kg，全氮(TN)0.25 g/kg。再撒施氮磷复合肥(N:P2O5=75:75)，旋耕后条播供试植物，播种量分别为毛苕子37 kg/hm2，油葵10 kg/hm2，燕麦 100 kg/hm2，猪毛菜 3 kg/hm2，草木犀20 kg/hm2，紫花苜蓿30 kg/hm2，羊草50 kg/hm2，柳枝稷7 kg/hm2。当年10月中旬植物成熟后，用土钻从各个处理小区随机多点采集0～25 cm土层土壤。采集的土样室内风干后，沿自然裂隙掰成<5 mm的土块，并剔除根系和石块，测定水稳定性团聚体。取约200 g样品过筛后测定土壤pH、EC、有机碳、全氮及8种盐分离子含量。

1.3 测定方法

土壤pH和EC用5:1水土比浸提，分别用UB-7精密pH计和雷磁DDS-307A电导仪测定。土壤8种离子：称取<2 mm风干土样100.00 g于1000 mL三角瓶中，加入500 mL无CO2蒸馏水（水土比5:1），充分振荡5 min，滤液中的K+、Na+用火焰光度法测定，Ca2+、Mg2+用EDTA滴定法测定，SO42-用EDTA间接络合滴定法测定，Cl-用硝酸银滴定法测定，HCO3-、CO32-用双指示剂-中和滴定法测定[16]。有机碳和全氮含量用元素分析仪测定(ElementarVario EL Ⅲ)，其中有机碳测定前，土壤样品用稀盐酸充分处理，以去除无机碳。

土壤水稳定性团聚体的分离采用改进的Yoder湿筛法[15]。称取80.00 g风干土壤放入装有3个直径为13 cm孔径分别为1、0.25、0.053 mm的套筛的顶层，再放入装有足量的去离子水的自动震荡装置（TTF-100型）中，室温下震荡8 min（振幅3.2 cm，30次/min）。用去离子水洗脱滞留在各级筛子上的土壤，收集于烧杯中，获得>0.25 mm（>1 mm和1～0.25 mm比较少，将其合并）和0.25～0.053 mm和<0.053 mm的团聚体，其中<0.053 mm团聚体用沉降法继续分离出0.053～0.01 mm和<0.01 mm 2个组分。所有团聚体60℃下烘至恒重(12～24 h)，称取质量，并测定有机碳和全氮含量。

1.4 数据处理及分析

所有指标用烘干土壤质量表示，为3个平行的平均值。用SPSS 12.0软件进行单因素方差分析，用LSD0.05表示置信度达到95%的显著性差异。

2 结果与分析

2.1 土壤基础化学性质

种植耐盐植物后，供试的盐碱土基础化学性质发生了显著的变化，不同耐盐植物之间也有明显的差异（表1）。有机碳、全氮及Ca2+比种植前分别平均提高了24%、28%和28%，其中，种植紫花苜蓿的土壤有机碳和全氮的增加幅度比较大，而种植猪毛菜的土壤Ca2+含量增加比较多。与之不同，大部分土壤其余指标都有所降低，其中，pH和EC值比种植前平均分别降低了8%和30%，种植燕麦的土壤降低的幅度比较大；K+、Na+平均分别降低了59%和41%，种植紫花苜蓿和油葵的土壤降低的幅度比较大；种植燕麦、油葵和柳枝稷的土壤Mg2+分别提高了73%、52%和7%，但种植其他植物降低了13%～65%，CO32-降低至零，Cl-、HCO3-和SO42-平均分别降低了56%、29%和20%，种植柳枝稷和紫花苜蓿的效果较好。显然，可能是不同植物吸收与转移养分离子特性的差异，导致对土壤养分及盐分离子的影响有所区别。总体来看，紫花苜蓿不仅有利于降低盐分尤其是Na+的含量，而且还可提高土壤有机碳和全氮的含量。

表1 种植不同耐盐植物1年后河套灌区盐碱土的化学性质

2.2 土壤水稳定性团聚体质量分数

种植耐盐植物改变了土壤不同粒径水稳性团聚体的质量分数，不同耐盐植物间差异很大（表2）。所有处理土壤中主要是0.053～0.01 mm水稳定性团聚体，质量分数66.08%～72.26%，平均为69.52%；其次是0.25～0.053 mm团聚体，质量分数16.78%～27.83%，平均为22.58%；>0.25 mm和<0.01 mm的团聚体含量较少，质量分数平均分别为2.11%和3.45%（表2）。种植耐盐植物后，0.053～0.01 mm团聚体质量分数没有发生显著的变化，但>0.25 mm和0.25～0.053 mm团聚体显著增加了95%～203%和21%～66%，平均为157%和39%。其中，种植多年生植物草木犀、柳枝稷和紫花苜蓿，>0.25 mm团聚体增加的幅度明显大于种植一年生的油葵和毛苕子；而<0.01 mm团聚体含量降低了44%～65%，平均54%，种植一年生耐盐植物降低的幅度明显大于多年生耐盐植物，其中，种植燕麦和油葵的土壤<0.01 mm的团聚体降幅最大，达到65%。总体来看，种植不同耐盐植物都降低了<0.01 mm微团聚体质量分数，但提高了大团聚体质量分数，一年生耐盐植物对微团聚体影响更大，而多年生耐盐植物更有利于增加大团聚体，可能是由于多年生耐盐植物地下部生物量高，根系分泌物和凋落物输入的有机物质较多，更有利于大团聚体形成。

表2 种植不同耐盐植物1年后河套灌区盐碱土水稳性团聚体的质量分数及其有机碳含量

2.3 土壤水稳定性团聚体有机碳含量

所有处理土壤中>0.25 mm团聚体有机碳含量最高，13.97～26.58 g/kg，平均20.23 g/kg，其次是<0.01 mm团聚体，有机碳含量6.24～7.04 g/kg，平均6.71 g/kg；而0.25～0.01mm团聚体有机碳含量比较低(1.74～2.64g/kg)（表2）。种植耐盐植物提高了几乎所有团聚体有机碳含量，尤其是>0.25 mm水稳性团聚体，有机碳含量增加13%～90%，平均达50%，其余团聚体平均分别增加了20%、9%和8%。其中，种植油葵、猪毛菜和草木犀土壤>0.25 mm团聚体有机碳含量增幅超过74%，而种植紫花苜蓿、柳枝稷和毛苕子的土壤，0.25～0.053 mm团聚体有机碳含量也增加了32%～37%。

由于0.053～0.01 mm质量分数较高，49.36%～63.76%的有机碳分布在此团聚体中，种植耐盐植物不仅降低了0.053～0.01 mm团聚体有机碳份额4.3～14.4个百分点，平均近10个百分点，也降低了<0.01 mm团聚体有机碳份额10～13个百分点。但促使更多的有机碳分布在>0.053 mm团聚体中，尤其是>0.250 mm团聚体有机碳占比提高了8～17个百分点，平均提高了近12个百分点，种植草木犀最为显著。由此可见，种植耐盐植物明显地提高土壤各级团聚体尤其是大团聚体有机碳含量，更多的有机碳分布在大团聚体内。

2.4 土壤水稳定性团聚体全氮含量

与有机碳含量类似，>0.25 mm和<0.01 mm团聚体全氮含量比较高，平均分别为1.68 g/kg和0.86 g/kg，0.25～0.053 mm和0.053～0.01 mm团聚体全氮含量比较低，平均为0.29 g/kg和0.26 g/kg（表3）。种植耐盐植物后，几乎所有土壤各级水稳性团聚体全氮含量都有所增加，尤其是>0.25 mm团聚体，全氮含量增加了75%～179%，平均118%，其中种植草木犀的效果最好。

表3 种植不同耐盐植物1年后河套灌区盐碱土水稳性团聚体中的全氮含量以及C/N比

土壤氮素主要分布在0.053～0.01 mm团聚体内，种植耐盐植物大幅度降低了<0.01 mm团聚体全氮份额，平均降低了11.88个百分点，但>0.25 mm和0.25～0.053 mm团聚体全氮份额平均分别提高了9.49和5.77个百分点，豆科植物草木犀、紫花苜蓿及毛苕子提高的幅度更大一些。

所有土壤>0.25 mm团聚体C/N比较高，平均12.35，其余团聚体比较相近，平均约7.83，种植耐盐植物土壤各级团聚体C/N比值均有所降低，大团聚体降低的幅度更大一些，平均降低了5.44个百分点，草木犀、紫花苜蓿及毛苕子豆科植物更为明显。这说明种植耐盐植物增加了氮素输入，尤其是种植豆科植物，不仅提高了各级团聚体尤其是大团聚体全氮含量，降低了C/N比，也提高了大团聚体的氮素份额。

2.5 相关性分析

表4的结果显示，>0.25 mm团聚体质量分数与土壤pH、EC值、Na+、Mg2+、SO42-、Cl-含量呈显著至极显著的负相关关系(P<0.01)，但与有机碳和全氮含量呈极显著正相关关系，0.25～0.053 mm团聚体也有相似的相关性。与之相反，<0.01 mm团聚体质量分数与pH、EC值、Na+、K+、HCO3-、Cl-含量呈显著至极显著的正相关关系，但与Ca2+含量呈显著的负相关关系。0.053～0.01 mm团聚体质量分数与有机碳和全氮呈显著负相关，而与EC值及Cl-含量呈显著的正相关。这说明供试的盐碱土氯化物和硫酸盐促进形成小团聚体尤其是<0.01 mm团聚体，而有机质则在大团聚体尤其是>0.25 mm团聚体形成中起重要作用。

表4 土壤水稳定性团聚体质量分数与有关化学参数的Pearson相关性分析结果

3 结论

内蒙古河套灌区盐碱土主要是<0.053 mm团聚体，施用脱硫石膏种植8种耐盐植物1年后，>0.25 mm和0.25～0.053 mm团聚体质量分数显著增加，而<0.053 mm小团聚体质量分数则明显降低。这是种植盐生植物降低土壤盐分和增加有机物质输入双重作用的结果，耐盐植物输入的有机物质优先进入大团聚体。多年生耐盐植物如柳枝稷、草木犀和紫花苜蓿可能由于发达的根系，以及输入土壤的有机物质较多，改良盐碱土的效果最为显著。

4 讨论

4.1 种植不同耐盐植物对土壤基础化学性质的影响

耐盐植物一般作为先锋植物用于改良盐碱土，大量研究结果显示，种植耐盐植物能够有效地降低土壤尤其是表层土壤盐分含量，降低土壤pH，改善土壤结构，提高土壤肥力[17-19]。尤其是一些盐生植物如中亚滨藜每季能从盐渍化土壤中吸收携带Na+高达6098.4 kg/hm2[1]，从而逐渐降低土壤盐分含量。研究表明，种植耐盐植物还具有富集土壤全氮和全钾等养分含量的作用[20]，种植黄花草木犀后土壤碱化度下降15.18%，总盐量下降10.11%，而有机质和全氮含量分别提高了13.58%和11.92%，土壤孔隙度增加了15.42%[21]。本研究也获得了相似的结果，种植8种耐盐植物均能够显著地降低河套灌区盐碱土pH、EC值及盐分离子含量，同时提高土壤有机质和全氮含量，不同耐盐植物有明显的差异，这显然取决于植物吸收盐分离子特性及输入土壤的有机物质种类和数量。多年生植物根系发达，输入土壤的有机物质较多，不仅促进矿质土粒团聚作用，形成大团聚体，而且也有利于盐分淋洗，改良盐碱土的效果比一年生植物的效果更好一些；尤其是多年生的豆科植物如紫花苜蓿，由于其固氮作用，还有利于提高土壤全氮含量，降低C/N比值。

4.2 种植不同耐盐植物对土壤水稳定性团聚体分布的影响

水稳定性团聚体是反映土壤结构状况的重要指标，由于Na+等一价盐分离子的分散胶体作用，抑制矿质土粒团聚作用，容易形成较小的电解质稳定性的团聚体，导致遇水分散；而很难形成较大的水稳定性团聚体，主要是<0.053 mm的小团聚体，一般占80%以上[22-23]。微团聚体有利于形成发达的毛管孔隙，活跃的毛管运动必然引起盐分随水分蒸发而向表层土壤聚集，这是包括河套地区在内的几乎所有地区土壤盐碱化的主要原因[24]。显然，促进矿质土粒团聚作用，增加大团聚体数量，是改良盐碱土的关键。大量研究结果显示，除了施用土壤调理剂如脱硫石膏等能够直接团聚矿质土粒[25-26]，施用有机肥料[27]、秸秆还田[28]、根茬还田[29]等均可增加土壤有机物质含量，从而促进矿质土粒团聚作用，改善水稳定团聚体品质，提高土壤肥力。种植耐盐植物一方面可降低盐分含量，从而减轻盐碱土胶体的分散作用；另一方面通过根系分泌物、根茬及残体还田，可增加土壤有机质含量，促进矿质土粒团聚作用，有利于形成大的水稳定性团聚体[29]。本研究也获得类似的结果，种植8种耐盐植物后，<0.01 mm微团聚体质量分数显著减少，而大团聚体质量分数大幅度提高，这显然与不同耐盐植物在盐分去除及输入土壤的有机物质种类和数量有关，团聚体质量分数与土壤pH、EC、盐分离子含量、有机碳和全氮含量的相关性就证实了这一点（表4）。多年生耐盐植物地下部生物量高，根系分泌物和凋落物输入的有机物质较多，更有利于大团聚体形成。

4.3 种植不同耐盐植物对土壤水稳定性团聚体有机碳和全氮含量的影响

水稳定性团聚体的胶结物质包括无机和有机物质，小团聚体主要由黏土矿物、多价金属离子及腐殖质胶结而成，而大团聚体尤其是>0.25 mm的团聚体，其胶结物质主要是各种有机物质，包括微生物及其残体、根系分泌物、多糖、蛋白质及腐殖质等有机物质[30]。前者十分稳定，C/N比较低，变化很慢，而后者不稳定，C/N比高，周转快，极容易受到土壤扰动的影响[31-32]。一些研究结果显示，秸秆还田、施用有机肥料等输入土壤的有机质，优先进入>0.25 mm大团聚体，不仅提高大团聚体质量分数，而且提高其有机碳含量[29]。本研究也获得类似的结果，种植耐盐植物显著地提高了各级水稳定性团聚体有机碳和全氮含量，C/N比值降低，尤其是>0.25 mm团聚体增加的幅度更大，多年生耐盐植物的效果更好，说明耐盐植物输入土壤的有机物质首先进入大团聚体，而多年生耐盐植物输入土壤有机物质较多，尤其是豆科植物，所固定的氮也优先进入大团聚体中。