張小棟, 劉紹雄, 孫 宇, 胡愛雙, 李凱超, 陳亞恒

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué), 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 河北 保定 071001; 2.河北省農(nóng)林科學(xué)院濱海農(nóng)業(yè)研究所, 河北 唐山 063200;3.河北省鹽堿地綠化技術(shù)創(chuàng)新中心, 河北 唐山 063200; 4.河北農(nóng)業(yè)大學(xué), 國土資源學(xué)院, 河北 保定 071001)

中國鹽漬土面積大，分布廣，據(jù)2010年最新數(shù)據(jù)，全國鹽漬土總面積約為3 333萬hm2，主要分布在我國的西北、東北和沿海地區(qū)[1]。河北省的鹽堿地面積約為60萬hm2，其中濱海鹽堿地分布在秦皇島、唐山和滄州[2]。河北省地處京津冀經(jīng)濟圈，享有獨特的地理位置和資源優(yōu)勢，但其沿海的經(jīng)濟發(fā)展卻受到了鹽堿地的極大制約，因此，改良鹽堿地，提升其生態(tài)價值，變得尤為重要。目前，改良鹽堿地的措施主要分為農(nóng)藝工程措施、化學(xué)措施和生物措施，改良效果不盡相同[3-5]，而且一些改良措施并不能持久，單一的改良措施針對鹽堿地某一方面性質(zhì)進行改善，但單一措施都有一定的局限性，近年來，多技術(shù)結(jié)合，低成本，長效改良鹽堿地逐漸成為共識[6]。同時，鹽堿地改良還面臨一個很重要的問題，隨著時間的延長，改良措施失效，容易發(fā)生次生鹽漬化[7]。為解決這一問題，國內(nèi)學(xué)者對于單一措施改良鹽堿地不同年限的土壤理化性質(zhì)變化情況進行了一些研究，但缺乏對多種措施綜合改良鹽堿地后土壤理化性質(zhì)的長期監(jiān)測和研究。其中，鄒璐等[8]施用磷石膏改良鹽堿地，發(fā)現(xiàn)隨著改良年限的增加，土壤電導(dǎo)率降低，速效養(yǎng)分和有機質(zhì)含量上升。多人對長期覆膜滴灌改良鹽堿地進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)長期覆膜滴灌能持久有效的降低作物根區(qū)的土壤全鹽[9-10]，有人種植苜蓿、柳枝稷和水稻等改良鹽堿地，隨著改良年限的增加，均能有效的降低土壤容重和全鹽，增加土壤養(yǎng)分[11-13]。

河北省濱海鹽堿地主要是淤泥質(zhì)鹽堿地，特點是地下水位高、土壤全鹽含量高、土質(zhì)黏重和滲透性差，近年來，針對其特點，孫昌禹等[14]在多年研究和實踐的基礎(chǔ)上，在原土條件下，通過平整和深翻土地，施加玉米秸稈，半腐熟的牛糞和磷石膏，滴灌洗鹽，暗管排鹽，種植耐鹽植物，集農(nóng)藝工程、化學(xué)改良和生物改良多種措施于一體，形成了一套成本低，見效快的模式——濱海鹽堿地原土直栽綠化綜合改良模式，此模式在河北省濱海地區(qū)得以大范圍推廣。由于多措施綜合改良鹽堿地機理復(fù)雜，后續(xù)研究多是綜合改良模式中某一措施的改進[2,15-16]，該模式綜合改良鹽堿地后土壤理化性質(zhì)的長期變化規(guī)律還有待進一步深入研究。因此，本試驗采用空間代替時間的方法，選擇利用該模式改良后的濱海鹽堿地，通過對不同改良年限的濱海鹽堿地土壤取樣調(diào)查，研究濱海鹽堿地不同改良年限土壤物理化學(xué)性質(zhì)的變化特征和規(guī)律，為濱海鹽堿地改良模式的改進提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在曹妃甸國際生態(tài)城淤泥質(zhì)海岸帶生態(tài)修復(fù)示范區(qū)內(nèi)進行，位于唐山市曹妃甸區(qū)生態(tài)城，即北緯39°11′58.69″—39°12′30.66″，東經(jīng)118°32′5.12″—118°33′36.92″。試驗區(qū)域地勢低平，屬于海積平原，海拔在4 m以下。試驗區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶櫈I海大陸性季風氣候，四季分明，多年平均氣溫11.4℃，多年平均降水量608.1 mm，夏季雨量多而集中，6—8月份降水量為465.0 mm，約占全年降水總量的75%，年均蒸發(fā)量1 743.0 mm，是年降水量的2.87倍。研究區(qū)為典型的濱海鹽堿地，土壤類型為濱海鹽土亞類，該區(qū)域土壤土質(zhì)黏重，透氣性差，含鹽量高達2%～4%。

1.2 試驗設(shè)計

在研究區(qū)內(nèi)選取6個10 m×30 m的地塊，分別于2009年、2011年、2013年、2015年、2017年、2019年利用“濱海鹽堿地原土直栽綠化綜合改良模式”對其中一個地塊進行改良，平整土地，對0—60 cm土層深翻，施用半腐熟牛糞225 m3/hm2，玉米秸稈450 m3/hm2和磷石膏30 m3/hm2，利用機械使半腐熟牛糞、秸稈和磷石膏在0—40 cm土層摻拌均勻，在深度60—80 cm處鋪設(shè)排鹽管，排鹽管采用有孔波紋PVC管，排鹽管間距3 m，排鹽管一端引入地塊旁邊的明溝，明溝寬3 m，深1.5 m，地表鋪設(shè)滴灌管，滴頭間距0.3 m，滴灌管間距為0.5 m，滴頭流量0.6 L/h，進行滴灌洗鹽2次，每次滴灌時間10 h，地上種植芙蓉葵，芙蓉葵選用多年生的種苗進行分株，剪去須根，株行距50 cm×50 cm，每穴1株，種植穴深20 cm，長、寬均為30 cm，挖好種植穴，扶苗入土，填土，踩實，栽后24 h內(nèi)滴灌，3 d后滴灌，6 d后滴灌，每次滴灌時間10 h，在種植初期保證苗成活，芙蓉葵苗成活之后整個生育期無需滴灌，依靠自然降雨。入冬前將芙蓉葵干枯的地上部收割，就地覆蓋，由于根可以越冬，后期無需再種植，在春季返鹽期芙蓉葵根萌發(fā)前進行滴灌，滴灌10 h。每個地塊只在第一年改良一次，后期管護，在雜草較多時，及時人工拔出，如果發(fā)生蟲害，及時噴灑高效低度殺蟲劑。同時選取試驗地塊附近200 m自然狀態(tài)下未經(jīng)改良的鹽堿荒地作為空白對照。

2020年4月取樣調(diào)查，于2009年、2011年、2013年、2015年、2017年、2019年改良的試驗地塊的改良年限分別為11 a，9 a，7 a，5 a，3 a和1 a，在對照荒地(0 a)和不同改良年限的試驗地塊，采用隨機取樣法在每個地塊選取3個樣點，每個樣點開挖土壤剖面，按0—20 cm，20—40 cm和40—60 cm土層分層采集環(huán)刀原狀土，放入鋁盒密封，編號，共63份，帶回實驗室，測定土壤物理性質(zhì)，包括土壤容重，總孔隙度和機械組成。同時在每個樣點旁邊，用土鉆分層采集0—20 cm，20—40 cm和40—60 cm的土樣，一個樣點一個土層裝入一個取樣袋，編號，共63份土樣，帶回室內(nèi)自然風干，去雜，研磨處理后，進行土壤化學(xué)性質(zhì)的測定，包括全鹽，堿解氮，速效磷和有機質(zhì)含量。

1.3 測定指標及方法

土壤容重及總孔隙度：環(huán)刀法[17]；土壤機械組成：激光衍射法[18]；土壤全鹽含量：電導(dǎo)法(水土比5∶1浸提)[17]；堿解氮：堿解擴散法[17]；速效磷：0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法[17]；有機質(zhì)：重鉻酸鉀容量法—外加熱法[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0進行數(shù)據(jù)處理，通過單因素方差分析和Duncan法比較不同數(shù)據(jù)組間差異性，顯著性水平p=0.05，采用Origin 2018進行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改良年限對土壤物理性質(zhì)的影響

由圖1可知，鹽堿地改良后，隨改良年限的增加，不同土層的土壤容重差異越來越明顯，從5 a開始，同一改良年限土壤容重均表現(xiàn)為隨著土層深度增加而增加。鹽堿地改良后，0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土層土壤容重均顯著低于未改良的對照荒地(0 a)，0—20 cm土層的土壤容重隨著改良年限的增加而緩慢降低，從5 a開始土壤容重變化不明顯，11 a的土壤容重最小，相比對照降低了17.63%。20—40 cm和40—60 cm土層的土壤容重變化趨勢基本一致，均隨著改良年限的增加而增加后趨于穩(wěn)定，20—40 cm和40—60 cm土層的容重從9 a和5 a開始隨時間變化不明顯，在11 a的土壤容重比對照降低了12.7%和6.2%。

注：不同字母代表組間差異顯著(p<0.05)，下同。

由圖2可知，鹽堿地改良后，隨改良年限的增加，不同土層的土壤總孔隙度差異越來越明顯，從5 a開始，同一改良年限土壤總孔隙度隨著土層深度增加而增加。鹽堿地改良后，0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土層土壤總孔隙度均顯著高于未改良的對照荒地(0 a)，0—20 cm土層的土壤總孔隙度基本上隨著改良年限的增加而緩慢增加，從5 a開始變化不顯著，11 a的總孔隙度為46.3%，相比0 a增加了33.0%。20—40 cm和40—60 cm土層的總孔隙度變化規(guī)律基本一致，整體均隨改良年限增加而減小后趨于穩(wěn)定，20—40 cm和40—60 cm土層的總孔隙度分別從9 a和5 a開始變化不明顯。

圖2 不同改良年限土壤總孔隙度的變化

由表1可知，改良前后土壤機械組成整體基本相似，均是粉粒(0.002～0.02 mm)含量最高，砂粒(0.02～2 mm)次之，黏粒(<0.002 mm)含量最低，按照國際質(zhì)土壤質(zhì)地分級標準，均為粉質(zhì)壤土。改良前，0 a的黏粒含量在20—40 cm土層最高，在40—60 cm土層最低，粉粒含量隨著深度增加而降低，砂粒含量隨著深度增加而增加。鹽堿地改良后，同一改良年限，黏粒含量隨著深度增加而增加，粉粒含量隨著深度增加而升高，砂粒含量整體是隨著深度增加而降低。鹽堿地改良后，0—20 cm和20—40 cm土層的黏粒和粉粒含量均顯著低于對照荒地(0 a)，砂粒含量均顯著高于對照荒地(0 a)。40—60 cm土層的黏粒含量相比對照荒地顯著降低，粉粒含量在1 a和3 a顯著降低，從5 a開始變化不明顯，和0 a無顯著差異，砂粒含量在1 a和3 a顯著升高，從5 a開始變化不明顯，和0 a無顯著差異，表明40—60 cm土壤機械組成從5 a開始逐漸接近對照荒地。

表1 不同改良年限的土壤機械組成的變化

2.2 不同改良年限對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

由圖3可知，對照荒地(0 a)所有土層的土壤全鹽含量均大于3.0%，隨著深度的增加而降低，改良后，同一改良年限的土壤全鹽含量均表現(xiàn)為隨深度增加而增加。鹽堿地改良后，0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土層土壤的全鹽含量的變化規(guī)律相似，隨著改良年限的增加，都呈現(xiàn)先下降后上升最后趨于平緩的趨勢，0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土層的全鹽含量均顯著低于未改良的對照荒地(0 a)。0—20 cm，20—40 cm和40—60 cm土層的全鹽含量在5 a達到0.09%，0.19%和0.30%，相比對照0 a分別降低了97.7%，94.0%和90.0%，3 a，5 a和7 a全鹽含量無顯著差異，對淺層土壤的降鹽效果要好于深層。11 a時3個土層從淺層到深層的全鹽含量依次為0.32%，0.41%和0.65%，相比之前顯著增加，但是仍遠遠低于0 a，改良模式的降鹽效果在11 a依舊有效。

圖3 不同改良年限土壤全鹽含量的變化

由圖4可知，改良前，0 a的堿解氮含量在3個土層深度基本上無差別，均略低于15.0 mg/kg，鹽堿地改良后，同一改良年限，土壤堿解氮含量基本呈現(xiàn)隨土層深度增加而減小的趨勢。鹽堿地改良后，所有土層的土壤堿解氮含量均遠遠高于對照荒地(0 a)。0—20 cm和40—60 cm土層的土壤堿解氮含量變化趨勢相似，表現(xiàn)為隨改良年限增加先升高后降低最后趨于穩(wěn)定，在7 a時堿解氮含量最高，相比0 a對應(yīng)土層增加了2.87倍和1.74倍，同一土層的9 a和11 a均無顯著性差異，其中在11 a時堿解氮含量分別為44.2 mg/kg和30.3 mg/kg，均明顯高于0 a。20～40 cm的堿解氮含量隨著改良年限增加先增加后降低，5 a時堿解氮含量最高，相比0 a增加了2.49倍，從5 a開始逐年顯著降低，11 a時的堿解氮含量為29.2 mg/kg，相比0 a增加了1.08倍。

注：不同字母代表相同土層不同改良年限組間差異顯著(p<0.05)。

由圖5可知，改良前，不同土層的速效磷含量基本無差別，均略低于20 mg/kg，鹽堿地改良后，同一改良年限(除1 a外)，土壤速效磷含量隨土層深度增加而降低。鹽堿地改良后，所有土層(除11 a的40—60 cm外)的土壤速效磷含量均顯著高于對照荒地。0—20 cm和20—40 cm土層的土壤速效磷含量變化趨勢相似，都是隨改良年限增加先升高后降低，均在5 a時速效磷含量最高，相比0 a增加了1.18倍和0.95倍，在11 a時速效磷含量分別為31.9 mg/kg和24.8 mg/kg，仍顯著高于0 a。40—60 cm的土壤速效磷含量隨改良年限的增加而顯著降低，在1 a時最高為34.9 mg/kg，相比0 a增加了0.84倍，11 a的含量為20.2 mg/kg，略高于0 a，但差異不顯著。

圖5 不同改良年限土壤速效磷的變化

由圖6可知，改良前，0 a的土壤有機質(zhì)含量基本無差別，在12.5～13.5 mg/kg，同一改良年限的有機質(zhì)含量基本上隨著深度的增加而降低。鹽堿地改良后，隨著改良年限的增加，3個土層的有機質(zhì)含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，0—20 cm的有機質(zhì)含量始終顯著高于0 a，在7 a時最高，相比0 a增加了1.14倍，20—40 cm和40—60 cm有機質(zhì)含量在5 a時最高，40—60 cm的有機質(zhì)在9 a和11 a均顯著低于0 a，分別為7.2 mg/kg和8.7 mg/kg，20—40 cm的有機質(zhì)含量在11 a顯著低于0 a，為11.1 mg/kg。

圖6 不同改良年限土壤有機質(zhì)的變化

3 討 論

相比對照荒地，該模式改良后的土壤容重顯著降低，總孔隙度顯著升高，土壤(40—60 cm除外)的黏粒和粉粒含量均顯著降低。研究發(fā)現(xiàn)，改良5 a之前，深翻土壤和添加秸稈對土壤容重和孔隙度的改變影響巨大。在1 a土壤容重急劇降低，總孔隙度急劇升高，主要是因為改良時土壤深翻，摻拌秸稈，外部機械力破壞了原有的土壤結(jié)構(gòu)，增大土壤透水性，同時破壞土壤毛管，這與李可曄等[2]在研究土壤改良添加劑對濱海鹽堿地的改良效果的結(jié)果相一致。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著改良年限的增加，20—40 cm和40—60 cm土層土壤容重逐漸增大，總孔隙度逐漸減小。這是因為隨著改良年限的增加，在重力作用下，土壤會逐漸壓實，深翻的效果逐漸減弱，土層越深，深翻效果減弱的越快，同時，秸稈會被微生物緩慢分解，土壤進一步壓實，土壤透氣性變差，也會導(dǎo)致容重變大，5 a之后，土壤有機質(zhì)含量隨改良年限增加而降低，表明最開始改良鹽堿地添加的秸稈和半腐熟牛糞逐漸消耗殆盡，使得此時的深層土壤的容重迅速增大。而有研究[11-12]表明鹽堿地植物的根系生長能在一定程度上改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤透氣性，減小土壤容重，該模式中種植的芙蓉葵的根部主要分布在淺層，因此0—20 cm土層的容重會隨改良年限增加而緩慢降低，和深層土壤容重變化規(guī)律相反。

土壤全鹽含量是影響濱海鹽堿地抑制植物生長的最重要因素。有研究表明，摻拌磷石膏、滴灌洗鹽、暗管排鹽和種植植物均能持久有效的降低土壤中全鹽含量[5,8-12]，本研究也得到相同結(jié)果，利用該模式改良5 a時，土壤全鹽含量相比改良前的鹽堿荒地降低了90%以上，原因是進行最開始改良時，滴灌使得土壤鹽分被大量淋洗，沿著排鹽管進入明溝，之后磷石膏分解出的Ca2+會將土壤膠體中的Na+交換出來，被自然降雨淋洗掉，同時，深翻土壤和摻半秸稈破壞了原來的土壤毛管結(jié)構(gòu)，地下水中鹽分無法沿著土壤毛管上升到上層土壤。而5 a之后，深翻和摻半秸稈對土壤結(jié)構(gòu)的改良效果逐漸減弱，全鹽含量逐漸上升，但此時芙蓉葵持續(xù)改良土壤效果逐漸突顯，多年的根系生長使得土壤砂粒含量升高，透水性增強，鹽分可以被自然降水洗掉，使土壤全鹽含量仍能維持在一個遠遠低于鹽堿荒地的水平。本研究還發(fā)現(xiàn)，改良后的土壤全鹽含量隨著土層深度的增加而增加，與未經(jīng)改良的鹽堿地正好相反，是由于鹽堿地改良后隨著土層深度的增大，土壤黏粒和粉粒含量基本上也是增大，鹽分的容易在深層土壤吸附集聚，這與何海鋒等[12]的研究結(jié)果相一致。

土壤有機質(zhì)作為土壤肥力的一個重要指標，也是土壤各種速效養(yǎng)分的重要來源[19]，在鹽堿地脫鹽過程中起著積極的促進作用，有機質(zhì)含量越高，土壤物理性質(zhì)越好，速效養(yǎng)分含量越高[13]。本研究表明，利用該模式改良濱海鹽堿地，土壤表層的有機質(zhì)、堿解氮和速效磷含量高于深層，呈現(xiàn)明顯的“表聚現(xiàn)象”這與南麗麗的研究結(jié)果相一致[20]，這是因為芙蓉葵根系主要分布在上層土壤，土壤透氣性好，微生物活動頻繁，分解秸稈和半腐熟牛糞，增加土壤中的速效養(yǎng)分，而土壤表層的有機質(zhì)增加還與芙蓉葵凋落物在表層土壤的聚集有關(guān)。隨著改良年限的增加，土壤的有機質(zhì)、堿解氮和速效磷含量均先上升后下降，基本都在5～7 a達到最大值，這是因為摻拌的秸稈，半腐熟牛糞和磷石膏被持續(xù)分解，在5～7 a逐漸消耗完，7 a之后有機質(zhì)和速效養(yǎng)分消耗量大于積累量，這和徐艷霞的研究結(jié)果相一致[21]。40—60 cm在9 a和11 a土壤有機質(zhì)和速效磷含量開始接近甚至低于未改良的對照荒地，這是因為深層有機質(zhì)和速效磷來源主要是表層土壤，隨著改良年限的增加，土壤容重增大，總孔隙度減小，養(yǎng)分循環(huán)變慢，深層土壤的有機質(zhì)和速效磷輸入速率逐年降低，這與楊玉梅等的觀點相一致[22]。

4 結(jié) 論

利用原土直栽綠化綜合改良模式改良濱海鹽堿地后，土壤的理化性質(zhì)相比未改良的鹽堿地均得到明顯改善。隨著改良年限的增加，對0—20 cm土壤物理性質(zhì)的改良效果越來越好，對20—40 cm和40—60 cm土層土壤物理性質(zhì)的改良效果在一定程度上逐漸減弱，3個土層土壤的全鹽含量均先降低后升高，有機質(zhì)和速效養(yǎng)分含量先升高后降低。總體來說，原土改良模式對土壤的綜合改良效果在第5年達到最優(yōu)，11 a時土壤的物理化學(xué)性質(zhì)整體上仍明顯優(yōu)于改良前，40—60 cm土層的有機質(zhì)和速效磷的含量在11 a時接近未改良的鹽堿地，因此，可以在11 a時可以增施有機肥補充土壤中的有機質(zhì)和速效養(yǎng)分。