2022 年 10 月 灌溉排水學(xué)報 Oct 2022 Journal of Irrigation and Drainage 第null 41 卷 第null 10 期 No 10 Vol 41 117 文章編號 1672 3317 2022 10 0117 08 添加秸稈和石膏改善濱海鹽漬土鹽分淋洗效果的試驗研究 賀園春 羅 紈 賈忠華 張 裕 張大偉 艾伯漢 陸培榕 許 青 揚州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 揚州 225009 摘 要 目的 探討添加石膏和秸稈對濱海灘涂鹽漬土鹽分淋洗效果的改善作用 方法 采用直徑為 20 cm 土 層深度為 60 cm的土柱開展室內(nèi) 試驗 設(shè)置了 對照 組 秸稈 覆蓋 石膏 覆蓋 以及秸稈 石膏覆蓋 4 種試驗處理 土柱飽 和后觀測了時長為 5 個 淋洗周期 PV 的排水 質(zhì)量濃度變化 每 2 L 排水取淋洗液測量電導(dǎo)率 pH 值和鈉鉀鈣鎂離子 質(zhì)量 濃度 比較了土壤鹽分淋洗過程中及試驗結(jié)束后土壤 ECe和 SAR 值變化 結(jié)果 石膏覆蓋處理和秸稈覆蓋處 理的土壤飽和電導(dǎo)率及交換性鈉百分率在淋洗了 5 個 淋洗周期 后均達到脫鹽標(biāo)準(zhǔn) ECe 4 0 dS m 土壤鹽分淋洗效果 遞減次序為秸稈 石膏覆蓋 石膏 覆蓋 秸稈覆蓋 對照 組 結(jié)論 在濱海灘涂鹽漬土壤改良過程中 單獨添加石膏 覆蓋 或添加秸稈 石膏覆蓋均可改善土壤的理化性質(zhì) 秸稈 石膏覆蓋處理對鹽分淋洗有促進作用 單獨使用則無明顯效果 關(guān) 鍵 詞 鹽漬土 秸稈 石膏 淋洗 脫鹽 中圖分類號 S156 4 文獻標(biāo)志碼 A doi 10 13522 ki ggps 2021517 OSID 賀園春 羅紈 賈忠華 等 添加秸稈和石膏改善濱海鹽漬土鹽分淋洗效果的試驗研究 J 灌溉排水學(xué)報 2022 41 10 117 124 HE Yuanchun LUO Wan JIA Zhonghua et al Adding Straw and Gypsum to Improve Efficiency of Remediating Coastal Saline Soils J Journal of Irrigation and Drainage 2022 41 10 117 124 0 引 言 1 研究意義 江蘇沿海灘涂面積占全國 1 4 以上 且每年以不低于 2 的速度增長 1 適度圍墾和開發(fā) 利用是補充當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)耕地資源的重要方式 2 不過 新墾 土地的 土壤 含 鹽量 較 高 不能直接用于農(nóng)業(yè)生 產(chǎn) 3 4 僅 通過自然排水和植物群落演替來降低土壤 鹽分 往往需要數(shù)年的時間 5 6 不利于實現(xiàn) 土地開 發(fā)的價值 為了早日實現(xiàn)土壤脫鹽 目標(biāo) 一般通過建 設(shè)人工排水 系統(tǒng) 來加快降雨或灌溉水對土壤中可溶 性鹽的淋洗 但是 新墾灘涂土壤結(jié)構(gòu)性差 排水不 暢 鹽分隨排水輸出的速度緩慢 導(dǎo)致土壤脫鹽效果 差 改良周期長 為此 可結(jié)合物理 化學(xué)等改良方 法 通過增加土壤有機質(zhì)來改善土壤結(jié)構(gòu) 同時利用 化學(xué)離子置換的方式加快土壤中有害鹽分離子的排出 研究進展 作物秸稈是糧食生產(chǎn)的副產(chǎn)品 對 其合理利用可實現(xiàn)變廢為寶 資源回收利用的良性循 環(huán) 秸稈還田 覆蓋在土壤表面可以有效保持土壤水 分 減少蒸發(fā)以及鹽分積累 改善土壤水鹽環(huán)境 7 腐熟秸稈提供的膠結(jié)物質(zhì)用于形成土壤團聚體 8 9 降低土壤的體積質(zhì)量和提高土壤總孔隙度 增加土壤 收稿日期 2021 10 24 基金項目 國家自然科學(xué)基金項目 51979239 52109068 江蘇省水利 科技項目 2019040 江蘇省博士后科研資助計劃 項目 2021K220B 作者簡介 賀園春 1996 男 碩士研究生 主要從事農(nóng)業(yè)水土工程領(lǐng) 域相關(guān)研究 E mail chun he963 通信作者 羅紈 1967 女 教授 博士生導(dǎo)師 主要從事農(nóng)業(yè)水土 工程領(lǐng)域相關(guān)研究 E mail luowan 有效持水率 10 可以提高土壤腐殖質(zhì)量 11 崔士友 等 12 在江蘇沿海地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn) 秸稈覆蓋有效增強 了雨季濱海重鹽土的淋洗效果 常年降雨量能夠滿足 土壤剖面 80 的脫鹽要求 張蛟等 13 研究發(fā)現(xiàn) 秸稈 覆蓋量為 15 t hm2 時 可顯著改變氣象條件對土壤鹽 分季節(jié)性變化特征的影響 有利于灘涂重度鹽漬土的 改良 Son 等 14 對于韓國灘涂鹽堿土改良的室內(nèi)試驗 研究發(fā)現(xiàn) 鹽漬土壤中加入新鮮稻秸稈后 由于有機 質(zhì)未能腐解發(fā)揮作用 短期內(nèi)對于土壤鹽分淋洗沒有 顯著作用 基于離子置換理論 石膏常被作為一種化學(xué)改良 劑而用于農(nóng)業(yè)區(qū)鹽堿地改良 15 16 石膏微溶于水 可 作為鈣離子 Ca2 的來源 取代吸附在土壤膠體上 可交換鈉離子 Na 周鑄等 17 研究發(fā)現(xiàn)滴灌結(jié)合石 膏有利于加快耕作層鹽堿土改良過程 高慧敏等 18 發(fā)現(xiàn)應(yīng)用石膏及有機物料為土壤改良劑來提高作物 產(chǎn)量在半干旱地區(qū)顯示出良好效果 在雨水豐沛的沿 海地區(qū) 添加石膏來改良灘涂鹽堿土具有較低的生態(tài) 風(fēng)險 可以作為灘涂鹽漬土壤的有效改良劑 19 20 切入點 現(xiàn)有研究對使用單一材料改良鹽堿地 的效果與原理關(guān)注較多 但對不同材料組合使用的綜 合改良效果以及離子組成變化關(guān)注不足 相關(guān)文獻中 有不少針對干旱半干旱地區(qū)以及沿海地區(qū)鹽漬化土 壤改良的研究 但缺乏針對濱海灘涂新墾鹽分快速淋 洗過程及添加劑作用的研究 擬解決的關(guān)鍵問題 探討添加秸稈以及石膏改良劑對于加快沿海地區(qū)新 灌溉排水學(xué)報 118 墾土壤脫鹽過程的作用 本文通過室內(nèi)土柱試驗 考 慮沿海墾區(qū)人工排水條件下降雨淋洗鹽分過程的實 際情況 研究了添加秸稈和石膏對灘涂鹽漬土鹽分組 成變化和淋洗效果的影響 成果可為沿海地區(qū)土壤鹽 漬化治理提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐 1 材料與方法 1 1 研究區(qū)概況及土樣采集 試驗用土取自江蘇省東臺市弶港條子泥墾區(qū) 120 57 E 32 45 N 區(qū)內(nèi)屬亞熱帶季風(fēng)海洋性氣 候 年平均氣溫 15 0 年均降水量 1 061 2 mm 且雨量集中在夏秋之際 試驗前先將土壤風(fēng)干 碾壓磨細 過 2 mm 篩后 備用 土壤粒徑組成分析使用馬爾文 3000 激光粒度 儀 MS 測量 分析結(jié)果顯示 供試土壤為沙質(zhì)壤土 其中沙粒 量 2 0 05 mm 為 51 25 粉粒量 0 05 0 002 mm 為 45 43 黏 粒量 0 05 雖然 秸稈可以提高土壤水分保持能力 增加孔隙度 稀釋 土壤中的鹽濃度 但本次試驗中的效果并不明顯 這 可能是因為秸稈腐解程度有限 尚未完全分解融入土 壤 對淋洗液 EC 影響較小 改良效果不明顯 圖 4 不同處理下土柱排水 EC 值在淋洗過程中的變化 Fig 4 Changes of EC of soil column drainage under different treatments during leaching 2 3 淋洗過程中排水 pH 值變化 對照組在 2 個淋洗周期內(nèi) 土壤淋洗液 pH 值變 化趨勢呈 2 個階段 在第 1 個淋洗周期內(nèi) 淋洗液 pH 值 持續(xù)升高 土壤 pH 值 普遍高于 8 在第二個淋 洗周期到達峰值 10 隨后穩(wěn)定在 9 0 10 0 之間 圖 5 中 單獨添加秸稈 覆蓋 與單獨添加石膏覆蓋處理的 pH 值均在第 1 個淋洗周期中上升 秸稈覆蓋的處理 上升階段結(jié)束后穩(wěn)定在 8 6 9 0 石膏覆蓋處理的 pH 值在波動后穩(wěn)定在 8 6 9 0 秸稈 石膏覆蓋處理 pH 值在開始時有小幅上升 其余時間均穩(wěn)定在 7 9 8 6 之間 秸稈 石膏覆蓋 處理的土壤淋洗液 pH 值總體比 對照組以及單個處理更低更穩(wěn)定 對照組在淋洗過程 中 Na 離子大量減少后 溶解性較小的堿性 NaHCO3 析出 排水的 pH 值升高 這是因為土壤含水率增加 時 吸附在固相中的 Na 離子進入土壤溶液 易形成 NaOH 使得排水 pH 升高 新鮮小麥秸稈在淹水條 件下前 30 d 分解速度極快 本次試驗在夏天陽光大 棚中歷時 30 d 溫度適宜腐解 淋洗過程中伴隨秸稈 少量腐解 形成有機酸中和堿性鹽 降低排水 pH 加入石膏后 Ca2 離子較 Na 離子對土壤中膠體有更 強的吸附能力 Ca2 離子會置換出土壤膠體中的 Na 離子 Na 離子與 SO42 離子形成中性 Na2SO4 降低 淋洗液 pH 與對照組相比 秸稈石膏都具有顯著降 低土壤淋洗液 pH 的效果 P 0 05 二者共同添加時 降低和穩(wěn)定 pH 值的作用更好 圖 5 不同處理下土柱 pH 值在淋洗過程中的變化 Fig 5 Changes of pH of soil column drainage under different treatments during leaching 2 4 淋洗過程中排水 Ca2 Mg2 Na K 離子變化 圖 6 圖 7 顯示 不同土壤改良劑在整個淋洗周 期 PV 內(nèi) Ca2 Mg2 Na K 離子質(zhì)量濃度變化 明顯 累計 4 種離子淋洗量均有明顯差異 第 1 個周 期中 4 組淋洗液 Na 離子穩(wěn)定在較高 質(zhì)量 濃度 在 第 2 個周期中急劇下降 2 組石膏 覆蓋淋出 Na 離子 質(zhì)量濃度明顯大于未添加石膏 覆蓋 組 第 3 次淋洗周 期后淋洗液 Na 離子質(zhì)量濃度緩慢下降 逐漸穩(wěn)定 單獨添加秸稈 覆蓋 對于定水頭淋洗的飽和土柱在瞬 時淋洗效果和累計 Na 離子淋洗量上影響都很小 但 石膏 覆蓋 為土壤提供 Ca2 離子可以有效置換出 Na 離 子 與對照組和秸稈覆蓋組相比 顯著提高土壤淋洗 液 Na 離子的淋洗量 P 0 05 秸稈 石膏 覆蓋 可以減緩淋洗液 Na 離子量下降 趨勢 顯著提高初期排鹽效率 P 0 05 但隨時間 推移 石膏 覆蓋 處理組 Na 離子淋洗量在逐漸接近秸 稈 石膏覆蓋組 Na 離子淋洗量 Na 離子在土壤中部 分呈游離態(tài) 淋洗時快速溶解排出 而部分處于與土 壤膠體結(jié)合的可交換態(tài)則不能隨水流出 22 4 組處理 在 5 個淋洗周期后 Na 離子淋洗量趨勢線斜率放緩 此時相較于對照組累計淋洗出 45 34 g 的 Na 離子 單獨 添加秸稈覆蓋處理和石膏覆蓋處理分別淋洗出 98 49 98 79 g 的 Na 離子 相較對照組提高 8 6 8 9 而秸稈 石膏覆蓋處理淋洗出 116 44 g 的 Na 離子 淋洗效率提高了 28 42 單獨 添加秸稈石膏 覆蓋處理效果都有限 但秸稈 石膏 覆蓋 處理比單獨 使用石膏可以顯著提高 Na 離子淋洗量 P0 05 后期 4 組 K 離子淋洗總量逐漸接近于 0 28 g 對照組在初期將土壤飽和時溶解在溶液中的 K 離子排出后 K 離子 質(zhì)量 濃度緩慢下降在第 3 個淋 洗周期后趨于穩(wěn)定 而石膏覆蓋可以在淋洗初期提供 Ca2 離子置換出結(jié)合在土壤膠體中 K 離子 快速降低 了土壤 K 離子量 使淋洗液 K 離子 質(zhì)量 濃度更快處 于較低狀態(tài) 在前 1 個淋洗周期中 淋洗液中的 Ca2 離子 質(zhì)量 濃度急劇下降 隨后逐漸保持穩(wěn)定 淋洗初 期 秸稈與石膏混合 覆蓋 增加了石膏與淡水接觸面積 溶解量增大 使得淋洗初期 秸稈 石膏 覆蓋處理淋 洗液 的 Ca2 離子質(zhì)量濃度顯著 高于 單獨石膏 覆蓋 處 理 P 0 05 而石膏微溶于水 在整個淋洗周期中 一直穩(wěn)定溶解 使得 Ca2 離子 淋洗 量穩(wěn)定上升 整體而言 不同處理組初期土壤 Mg2 離子質(zhì)量濃 度遠低于其他 3 種陽離子質(zhì)量濃度 均小于 20 mg L 不同處理間 Mg2 離子 質(zhì)量 濃度變化曲線基本相似 在 3 個孔 淋洗周期后基本穩(wěn)定 石膏 覆蓋 組整體波動 幅度更小 4 組累計 Mg2 離子 淋洗量最多 0 48 g 最 少 0 57 g 相差較小 3 討 論 本試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn) 添加秸稈和石膏處理的土壤改 良方案均可以改善濱海鹽漬土鹽分淋洗效果 在 鹽分 淋洗 試驗 過程中 4 種處理土壤的 ECe 值均呈現(xiàn) 下降 趨勢 經(jīng) 3 輪淋洗 PV 后 4 組處理較初始土壤 的 ECe 值平均下降 94 0 均達到了土壤脫鹽標(biāo)準(zhǔn) ECe 4 0 dS m Chaganti 等 23 研究 發(fā)現(xiàn) 在經(jīng)歷 5 個淋洗周期后土壤達到了脫鹽標(biāo)準(zhǔn) 本試驗使用的 砂質(zhì)壤土較 Chaganti 試驗中的黏壤土入滲能力更強 物理結(jié)構(gòu)更好 易于鹽分淋洗 石膏覆蓋以及 秸稈 石膏覆蓋 2 種方式較對照組的鹽分淋洗效果分別提 高了 6 3 和 11 2 經(jīng) 5 輪淋洗后 秸稈 石膏覆蓋 處理下的土壤 ECe 較對照組提高了 128 1 結(jié)果與 程鏡潤 24 一致 淋洗初期 Ca2 離子參與反應(yīng) 使得石 膏組淋洗液電導(dǎo)率下降率大 鹽分累計淋洗 量高 土 壤 EC1 5 隨著混入土柱石膏量的增大而增大 這與 Chaganti 23 研究 中 加入脫硫石膏等改良劑使得淋洗后 的土壤 ECe低于對照組的結(jié)論不同 添加秸稈和石膏 的處理經(jīng)歷過 5 個淋洗周期之后 土壤孔隙中易溶解 的 Na 離子淋洗出后 石膏持續(xù)溶解 秸稈逐漸腐解 產(chǎn)生的 Ca2 Mg2 離子等二價陽離子 使得土壤 ECe 偏高 25 淋洗后 2 組添加石膏處理的土柱中交換性 Na 離子量較對照組平均降低了 94 4 廖栩 等 27 經(jīng) 過 5 個淋洗周期降低了 73 3 這是因為本試驗淋洗 前使用 NaCl 溶液浸泡 增加了土壤中 Na 離子量 使得添加石膏淋洗鹽分效果更為明顯 本 試驗表明 單獨石膏 覆蓋 和石膏 秸稈覆蓋處 理改良的土壤在淋洗后 土壤 SAR 明顯下降 而 單純 使用 秸稈覆蓋 處理后的效果則不明顯 這是因為 石膏 的添加有效提高了土壤交換性 Ca2 離子量 降低交換 性 Na 離子量 雖然 ECe有所增加 但 SAR 下降 26 由于秸稈腐解需要適宜 的有 氧 環(huán)境 而 本 試驗中 維持 土壤表層 10 cm 左右水層可能 造成 了厭氧環(huán)境 不利 于秸稈腐解 27 試驗期內(nèi)添加 秸稈 的積極效果不明顯 土柱淋洗液鹽分 濃度 EC 是觀察土柱淋洗效 果的重要指標(biāo) 本試驗 發(fā)現(xiàn) 第 1 個淋洗周期后 4 個處理的淋洗液鹽分濃度變化均不明顯 而在第 2 個 淋洗周期 后 淋洗液鹽分濃度值快速下降 Son 等 14 與 Chaganti 等 23 的研究認為 添加脫硫石膏和有機改 良劑后 在第一個淋洗周期 淋出液 EC 值達到最高 這是由于土柱裝填后從底部緩慢注水飽和后靜置 可 溶性鹽在土壤溶液中溶解 該土柱內(nèi)鹽漬土在其剖面 上的鹽分濃度分布均勻 飽和后排出多余水分 鹽分 隨入滲方向朝土柱下部移動 EC 值在淋洗初期達到 最大值 當(dāng) 2 個淋洗周期的淡水通過土壤剖面后 所 有處理淋洗液的 EC 值均下降至穩(wěn)定數(shù)值 Chaganti 等 23 的研究發(fā)現(xiàn) 淋洗液 EC 值 呈先增后減的趨勢 EC值在第 1個淋洗周期內(nèi)迅速上升至最大值后下降 淋洗液 EC 值初始值僅為最大值的 1 5 這是由于其 試驗自下而上飽和土壤后鹽分隨之聚集至土壤上剖 面 未靜置直接開始淋洗試驗 使得第 1 個淋洗周期 淋洗出電導(dǎo)率較低的下剖面水分 上剖面聚集鹽分隨 著淋洗進行 排出后 淋洗液電導(dǎo)率逐漸下降 土壤 pH 值和 Na 離子淋出量是評價土壤改良效 果的重要指標(biāo) 本文開展的土壤鹽分淋洗試驗發(fā)現(xiàn) 與對照組相比 秸稈和石膏都具有顯著降低土壤淋洗 液 pH 值的效果 Pgypsum straw CK Conclusion Amending the soil with gypsum alone or in combination with straw can improve salt leaching from the coastal saline soil and improve its physical and chemical properties Our results showed that adding straw alone did not show identifiable improvement Key words saline soil straw gypsum leaching desalination 責(zé)任編輯 趙宇龍