棉粕對鹽漬化土壤團聚體中交換性鹽基離子的影響

馬宏秀,張開祥,孟春梅,李宗飛,王開勇

(石河子大學農學院,新疆 石河子 832000)

【研究意義】新疆被視為世界的鹽堿土博物館,鹽漬化種類繁多,土壤退化及鹽堿化問題突出,嚴重威脅到農業生產安全[1-5]。據統計,新疆鹽漬化總面積可達8.48×106hm2,現耕地中已有31.1 %的面積受到鹽漬化的危害[6]。土壤團聚體作為土壤主要組成部分,其研究一直備受關注。土壤團聚體中的膠結物質是影響土壤團聚體含量和穩定性的主要因素,土壤團聚體的主要膠結劑是有機質(主要有機殘體和菌絲等粗有機質)、粘粒及二三氧化物(主要有無定形Fe2O3和Al2O3)[7-8]。因此,能夠影響土壤膠結劑的土地利用方式、耕作管理、等措施都會影響土壤團聚體含量、組成和穩定性[9-13]。土壤團聚體大小及其組成比例的變化影響土壤理化性質,從而影響土壤供肥保肥能力和作物生長。我國每年產棉籽約1000萬t以上,其中提取棉油后的棉籽餅粕達600萬t,資源量全球第一[14]。新疆是我國最大的商品棉生產基地,棉花產量不斷增長的同時帶動了棉籽榨油副產物棉粕數量的穩定增加,使得新疆成為我國棉粕主產區之一?！厩叭搜芯窟M展】劉玉國等人就鹽漬化土壤改良劑進行相關研究,針對鹽漬化土壤在試驗室對幾種常見物質進行初次篩選,并對改良后鹽漬化土壤的EC值和pH值進行測定,其中葵粕、棉粕、檸檬酸、沼液改良鹽漬化土壌效果較好[15]。棉粕通過微生物發酵而產生的腐植酸,可制備成肥料。腐殖酸肥料不僅能提高肥料利用率,促進作物生長,還具有良好的改良土壤及使作物增產增收的作用[16]。王娟娟等[17]研究表明,含生化腐植酸的水溶性肥料可明顯增加茄子產量,增產率可達33 %,經濟與社會效益顯著?！颈狙芯壳腥朦c】以往的研究結果已充分證實,棉粕的加工產物對改善土壤結構,提高作物產量作用顯著,那么棉粕本身是否也存在同樣的效果,還有待進一步論證?！緮M解決的關鍵問題】本實驗以2種鹽漬化土壤為背景,研究棉粕改良鹽漬化土壤團聚體穩定性,為綠洲區鹽漬化土壤改良與培肥、地力定向培育和長效保持土壤資源持續利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2015年在新疆石河子大學試驗站(N 44°18′42.37″,E 86°03′20.72″)進行,前茬作物為棉花,土壤質地為壤土,pH 7.73,全氮0.5 g·kg-1,有效磷(P)20.40 mg·kg-1,有效鉀(K)112 mg·kg-1,有機質16.19 g·kg-1, 鹽度(EC1:5)0.28 dS·m-1。供試材料為棉花,品種為新陸早60號。供試肥料為棉粕和開磷高塔硝硫基復合肥(N∶P2O5∶K2O=17-17-17)與尿素(N=46 %)。

1.2 試驗設計

試驗采用兩因素隨機區組設計,因素A為4種中性鹽(NaCl)或堿性鹽(Na2CO3),分別代表非鹽漬化、輕度、中度、重度鹽堿土;因素B為4種棉粕施用量。試驗共有7個處理,分別為：CK(中性鹽/堿性鹽0 g/kg+棉粕0 kg/hm2)；LNZ(中性鹽4 g/kg+棉粕1500 kg/hm2)；MNZ(中性鹽8 g/kg+棉粕3000 kg/hm2)；HNZ(中性鹽12 g/kg+棉粕6000 kg/hm2)；LNJ(堿性鹽4 g/kg+棉粕1500 kg/hm2)；MNJ (堿性鹽8 g/kg+棉粕3000 kg/hm2)；HNJ(堿性鹽12 g/kg+棉粕6000 kg/hm2)。每個處理重復3次。

在試驗的前一年,先采集混合土樣,測定實驗地基礎含鹽量。再將NaCl和Na2CO32種鹽以澆灌的方式對試驗小區預先進行鹽化處理,至試驗小區達到預定含鹽量為止。同時將預定的棉粕施用量均勻地撒入各個小區,再在原地進行0～20 cm淺翻處理。小區面積5 m2,小區間距1.5 m。試驗采用滴灌,一膜2管4行,配置模式40+20+40(cm),膜距40 cm,行距20 cm。施氮300 kg/hm2,五氧化二磷237 kg/hm2,氧化鉀237 kg/hm2。全生育期共滴灌水4200 m3/hm2。試驗于2015年4月播種,7月收獲。其他管理措施同當地大田。

1.3 測定方法

采集的土壤樣品置于通風處風干,同時剔除小石塊和動植物殘體,并把大土塊沿自然結構面掰成10 mm左右的小土塊。將風干土樣100 g分別置于5,2,1,0.25 mm的套篩上,于轉速180 r/min的振蕩儀振蕩5 min,分別得到>5 mm,2～5 mm,1～2 mm,0.25～1 mm,<0.25 mm的5種粒徑團聚體,重復3次。繼續將>1 mm的土樣在牛皮紙上用木塊壓碎過1mm篩,裝袋保存備用。

制備1∶5土水比的土壤浸出液,吸取一定量的浸出液,用火焰光度計測定土壤交換性K+和交換性Na+的含量;用EDTA滴定法分別測定交換性Ca2+和交換性Mg2+的含量。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010軟件對數據進行處理和作圖,采用SPSS18.0軟件進行統計分析和差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 土壤團聚體中交換性K+的含量變化

由表1可知,在同一土層中在相同濃度和棉粕的處理下,碳酸鈉型土壤中交換性K+含量均高于氯化鈉型土壤(P<0.05)。兩類鹽化土壤中交換性K+在不同土層變化不明顯,表明土壤中交換性K+受土層變化的影響較小。在不同粒徑中,氯化鈉型土壤中交換性K+主要分布于大團聚體中,而碳酸鈉型土壤中交換性K+主要分布于微團聚體中。

表1 土壤團聚體中交換性K+的含量

注：同一行不同大寫字母表示不同粒級在0.05水平上差異顯著,同一列不同小寫字母表示不同鹽處理相同粒級在0.05水平上差異顯著,下同。

Note: The same row with different capital letters indicate different graded significant difference at the 0.05 level, the same column with different lowercase letters indicate different salt processing the same graded significant difference at the 0.05 level.The same as below.

棉粕對氯化鈉型和碳酸鈉型0～20 cm土層各粒徑土壤團聚體中K+含量影響不同。與CK相比,兩類鹽化土壤中各處理>5 mm團聚體中K+含量均有不同程度降低,降低幅度為20.5 %～49.5 %;2～5、1～2 mm團聚體中K+含量均有不同程度增加,增加幅度為3.9 %～74.6 %;氯化鈉型鹽化土壤0.25～1 mm、<0.25 mm團聚體中K+含量均有不同程度降低,降低幅度為19.9 %～68.4 %,碳酸鈉型鹽化土壤0.25～1、<0.25 mm團聚體中K+含量變化規律與之相反,均有不同程度增加,增加幅度為7.5 %～60.6 %。

棉粕對氯化鈉型和碳酸鈉型20～40 cm土層各粒徑土壤團聚體中K+含量影響不同。與CK相比,兩類鹽化土壤中各處理>5、0.25～1、<0.25 mm團聚體中K+含量均有不同程度增加,增加幅度為7.1 %～171.7 %。;2～5、1～2 mm團聚體中K+含量均有不同程度降低,降低幅度為5.1 %～60.5 %。表明在表層棉粕對氯化鈉型土壤大團聚體中K+含量有不同程度增加作用,而棉粕對碳酸鈉型土壤小團聚體中K+含量有不同程度增加作用。在20～40 cm土層兩類鹽化土壤均會增加>5、0.25～1、<0.25 mm團聚體中交換性K+的積累。

2.2 土壤團聚體中交換性Na+的含量變化

由表2可知，在同一土層中相同濃度和棉粕處理下,碳酸鈉型土壤中交換性Na+含量均高于氯化鈉型土壤(P<0.05)。在不同土層中,0～20 cm土層中>5 mm團聚體Na+含量明顯高于20～40 cm土層,其他各粒徑較0～20 cm土層普遍在20～40 cm土層呈現先下降后升高的趨勢。表明表層>5 mm粒徑中交換性Na+不宜淋溶到下部土層,而其它粒徑中交換性Na+宜淋溶到下部土層。在不同粒徑中,交換性Na+主要分布于微團聚體中。其主要是因為Na+是高強度的分散劑,會直接影響大團聚體的形成[18],從而較難在大團聚體中聚積。

棉粕對氯化鈉型和碳酸鈉型0～20 cm土層各粒徑土壤團聚體中Na+含量影響相同,均有不同程度增加,但碳酸鈉型增加幅度遠大于氯化鈉型。與CK相比,氯化鈉型土壤增加幅度為2.4 %～127.2 %,2～5和0.25～1 mm團聚體增加幅度較其它團聚體大;碳酸鈉型土壤增加幅度為19.0 %～392.3 %,0.25～1和<0.25 mm團聚體增加幅度較其它團聚體大。

棉粕對氯化鈉型和碳酸鈉型20～40 cm土層各粒徑土壤團聚體中Na+含量影響相同,均有不同程度增加,但碳酸鈉型增加幅度遠大于氯化鈉型。與CK相比,氯化鈉型土壤增加幅度為4.1 %～415.9 %,2～5和1～2 mm團聚體增加幅度較其它團聚體大;碳酸鈉型土壤增加幅度為144.8 %～1278.7 %,>5 mm團聚體增加幅度較其它團聚體大。表明棉粕對氯化鈉型和碳酸鈉型土壤中各粒徑團聚體交換性Na+含量的積累有一定的促進作用,碳酸鈉型土壤較為顯著。

表2 土壤團聚體中交換性Na+的含量

2.3 土壤團聚體中交換性Ca2+的含量變化

由表3可知,在同一土層中相同濃度和棉粕處理下,氯化鈉型土壤中交換性Ca2+含量均顯著高于碳酸鈉型土壤(P<0.05),這與K+、Na+的結論不同。不同土層中,0～20 cm土層中各粒徑團聚體Ca2+含量低于20～40 cm土層,原因是田間灌水及雨水的淋溶作用,導致Ca2+向下淋洗,再者,棉花的根系主要集中在0～40 cm[19],植物的根系活動能增加土壤的孔隙及鈣離子的水平,同時根際土壤中部分CO2分壓的增加,可以增加碳酸鈣的溶解性[22]。在不同粒徑中,交換性Mg2+在各粒徑團聚體中分布較為均勻。

棉粕對氯化鈉型和碳酸鈉型0～20 cm土層各粒徑土壤團聚體中Ca2+含量影響不同。與CK相比,氯化鈉型土壤中>5、0.25～1 mm團聚體中Ca2+含量均有不同程度降低,降低幅度為13.8%～35.2 %,2～5、1～2、<0.25 mm團聚體中Ca2+含量均有不同程度增加,增加幅度為3.8-51.9 %;碳酸鈉型土壤中各粒徑Ca2+含量均有不同程度降低,降低幅度為1.5 %～52.9 %。

棉粕對氯化鈉型和碳酸鈉型20～40 cm土層各粒徑土壤團聚體中Ca2+含量影響相反。與CK相比,氯化鈉型土壤中各粒徑團聚體中Ca2+含量均有不同程度增加,增加幅度為1.1 %～44.2 %, 1～2 mm團聚體中增加幅度最大;碳酸鈉型土壤中各粒徑Ca2+含量均有不同程度降低,降低幅度為10.5 %～46.8 %。表明在氯化鈉型土壤條件下,0～20>5、0.25～1 mm團聚體會影響交換性Ca2+的積累,其它各粒徑會增加交換性Ca2+的積累。

表3 土壤團聚體中交換性Ca2+的含量

2.4 土壤團聚體中交換性Mg2+的含量變化

由表4可知,在同一土層中相同濃度和棉粕處理下,碳酸鈉型土壤中交換性Mg2+含量均高于氯化鈉型土壤(P<0.05)。在不同土層中,棉粕對CK和氯化鈉型土壤在0～20 cm土層中Mg2+的含量高于20～40 cm土層,而碳酸鈉型土壤則相反。表明在氯化鈉型土壤中Mg2+沒有出現大量的流失,而在碳酸鈉型土壤中Mg2+流失較為嚴重。土壤團聚體中交換性Mg2+的含量隨粒徑變化規律并不顯著。在不同粒徑中,交換性Mg2+主要分布于大團聚體中。

棉粕對氯化鈉型和碳酸鈉型0～20 cm土層各粒徑土壤團聚體中Mg2+含量影響不同。與CK相比,氯化鈉型土壤中>5、0.25～1 mm團聚體中Mg2+含量均有不同程度增加,增加幅度為90.9 %～397.7 %,2～5、1～2、<0.25 mm團聚體中Mg2+含量均有不同程度降低,降低幅度為25.9%～91.9 %;碳酸鈉型土壤各粒徑Mg2+含量均有不同程度增加,增加幅度為1.7 %～779.8 %,>5和0.25～1 mm團聚體增加幅度較大。

棉粕對氯化鈉型和碳酸鈉型20～40 cm土層各粒徑土壤團聚體中Mg2+含量影響不同。與CK相比,氯化鈉型土壤中>5 mm團聚體中Mg2+含量降低幅度為68.1 %～81.9 %,2～5、1～2、0.25～1、<0.25 mm團聚體中Mg2+含量均有不同程度增加,增加幅度為3.7 %～240.0 %,0.25～1、 <0.25 mm團聚體增加幅度較大;碳酸鈉型土壤中各Mg2+含量均有不同程度增加,增加幅度為8.3 %～1388.6 %, <0.25 mm團聚體增加幅度最大。表明氯化鈉型土壤在表層大團聚體中利于Mg2+的積累,而在20～40 cm土層小團聚體中利于Mg2+的積累,碳酸鈉型土壤在不同土層各粒徑中均會增加團聚體中Mg2+的含量。

2.5 土壤團聚體(Ca2++Mg2+)/(K++Na+)含量比值與團聚體質量百分含量的關系

由表5可知,在同一土層中相同濃度和棉粕處理下,>5和2～5 mm粒徑中氯化鈉型土壤中(Ca2++Mg2 +)/(K++Na+)含量的比值均高于碳酸鈉型土壤,其余各粒徑則相反。不同處理間差異顯著(P<0.05)。不同土層中,除2～5 mm團聚體,<2 mm團聚體在20～40 cm土層中(Ca2++Mg2+)/(K++Na+)含量的比值高于0～20 cm土層。這主要是Na+在土壤表層積累和Ca2+、Mg2+向下淋失的結果[20]。在0～20 cm土層中土壤團聚體含量隨粒徑的減小先降低再升高最后降低,這與王晟強等[21]研究結果一致。在20～40 cm土層中土壤團聚體含量隨粒徑的減小而減小。團聚體質量百分含量中>0.25 mm的大團聚體約占86 %,其中以>5 mm粒徑團聚體總量最大,約占團聚體總量的25 %。相同土層處理間差異顯著(P<0.05)。鄭子成等[22]研究報道,在干篩條件下土壤團聚體均以>5 mm粒徑為主,濕篩條件下土壤團聚體以<0.25 mm粒徑為主。粒徑>0.25 mm土壤團聚體含量是土壤肥沃的標志之一[23]。表明兩類鹽化土壤受團聚體百分含量變化的作用不明顯。土壤團聚體中粒徑越大,含量越高,土壤結構的穩定性也就越好[24]。

表4 土壤團聚體中交換性Mg2+的含量

表5 土壤團聚體(Ca2++Mg2+)/(K++Na+)含量比值與團聚體質量百分含量的關系

棉粕對氯化鈉型和碳酸鈉型0～20 cm土層各粒徑土壤團聚體中(Ca2++Mg2 +)/(K++Na+)含量的比值影響相同。與CK相比,均有不同程度增加,但碳酸鈉型增加幅度遠大于氯化鈉型。氯化鈉型鹽化土壤增加幅度為1.5 %～36 %,碳酸鈉型鹽化土壤增加幅度為7.17 %～147.13 %。由表5可知,在表層棉粕對氯化鈉型土壤大團聚體和碳酸鈉型土壤各粒徑團聚體(Ca2++Mg2+)/(K++Na+)含量的比值隨濃度的增加而增加,表明棉粕對兩類鹽化土壤的改良均有不同程度作用。

棉粕對氯化鈉型和碳酸鈉型20～40 cm土層各粒徑土壤團聚體中(Ca2++Mg2+)/(K++Na+)含量的比值影響相同,與0～20 cm土層各粒徑土壤團聚體相似,氯化鈉型鹽化土壤增加幅度為0.78 %～190.70 %。碳酸鈉型鹽化土壤增加幅度為50.60 %～341.55 %。由表5可知,棉粕對氯化鈉型土壤2～5 mm團聚體(Ca2++Mg2+)/(K++Na+)含量的比值隨濃度的增加而降低,其他粒徑均升高,表明棉粕對氯化鈉型土壤在20～40 cm土層除2～5 mm團聚體之外的各粒徑中發揮一定作用。而碳酸鈉型土壤在<0.25 mm團聚體(Ca2++Mg2+)/(K++Na+)含量的比值隨濃度的增加而增加,其他粒徑均先升后降,表明棉粕對碳酸鈉型土壤在20～40 cm土層小團聚體中作用顯著。

3 討 論

常規模式的耕作條件下會降低團聚體穩定性[25],主要表現為大團聚體含量降低。微團聚體的含量升高。本試驗中,>0.25的大團聚體約占86 %,其中以>5 mm 粒徑團聚體總量最大。土壤的形成過程中,膠體表面的吸附交換特性[26]、鹽基離子間作用及其性質[27]、生物物質循環[28]和淋溶作用[29]都會對鹽基離子的分布產生顯著影響。本試驗中,各團聚體鹽基離子平均含量的大小為Na+>Ca2+>K+>Mg2+。氯化鈉型土壤交換性Ca2+和碳酸鈉型土壤中交換性Mg2+主要儲存于20～40 cm土層,可能與二者的淋溶強度相對較大有關[30]。在不同粒徑中,碳酸鈉型土壤中交換性K+和兩類鹽化土壤中交換性Na+主要分布于微團聚體中,交換性Mg2+在各粒徑團聚體中分布較為均勻,氯化鈉型土壤中交換性K+和交換性Ca2+主要分布于大團聚體中。說明棉粕對氯化鈉型土壤團聚體中交換性K+和交換性Ca2+離子的積累有積極的影響。

在同一土層中相同濃度和棉粕的處理下,>5和2～5 mm粒徑中氯化鈉型土壤中(Ca2++Mg2+)/(K++Na+)含量的比值均高于碳酸鈉型土壤,其余各粒徑則相反。說明二價鹽基離子的積累和一價鹽基離子的減少促進了氯化鈉型土壤大團聚體的形成,土壤團聚性較好。

4 結 論

由土壤團聚體中交換性鹽基離子的變化可以看出,棉粕對氯化鈉型土壤較碳酸鈉型土壤改良效果較為明顯。