添加秸秆和石膏改善滨海盐渍土盐分淋洗效果的试验研究.pdf

2022 年 10 月 灌溉排水学报 Oct 2022 Journal of Irrigation and Drainage 第null 41 卷 第null 10 期 No 10 Vol 41 117 文章编号 1672 3317 2022 10 0117 08 添加秸秆和石膏改善滨海盐渍土盐分淋洗效果的试验研究 贺园春 罗 纨 贾忠华 张 裕 张大伟 艾伯汉 陆培榕 许 青 扬州大学 水利科学与工程学院 江苏 扬州 225009 摘 要 目的 探讨添加石膏和秸秆对滨海滩涂盐渍土盐分淋洗效果的改善作用 方法 采用直径为 20 cm 土 层深度为 60 cm的土柱开展室内 试验 设置了 对照 组 秸秆 覆盖 石膏 覆盖 以及秸秆 石膏覆盖 4 种试验处理 土柱饱 和后观测了时长为 5 个 淋洗周期 PV 的排水 质量浓度变化 每 2 L 排水取淋洗液测量电导率 pH 值和钠钾钙镁离子 质量 浓度 比较了土壤盐分淋洗过程中及试验结束后土壤 ECe和 SAR 值变化 结果 石膏覆盖处理和秸秆覆盖处 理的土壤饱和电导率及交换性钠百分率在淋洗了 5 个 淋洗周期 后均达到脱盐标准 ECe 4 0 dS m 土壤盐分淋洗效果 递减次序为秸秆 石膏覆盖 石膏 覆盖 秸秆覆盖 对照 组 结论 在滨海滩涂盐渍土壤改良过程中 单独添加石膏 覆盖 或添加秸秆 石膏覆盖均可改善土壤的理化性质 秸秆 石膏覆盖处理对盐分淋洗有促进作用 单独使用则无明显效果 关 键 词 盐渍土 秸秆 石膏 淋洗 脱盐 中图分类号 S156 4 文献标志码 A doi 10 13522 ki ggps 2021517 OSID 贺园春 罗纨 贾忠华 等 添加秸秆和石膏改善滨海盐渍土盐分淋洗效果的试验研究 J 灌溉排水学报 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 研究意义 江苏沿海滩涂面积占全国 1 4 以上 且每年以不低于 2 的速度增长 1 适度围垦和开发 利用是补充当地农业耕地资源的重要方式 2 不过 新垦 土地的 土壤 含 盐量 较 高 不能直接用于农业生 产 3 4 仅 通过自然排水和植物群落演替来降低土壤 盐分 往往需要数年的时间 5 6 不利于实现 土地开 发的价值 为了早日实现土壤脱盐 目标 一般通过建 设人工排水 系统 来加快降雨或灌溉水对土壤中可溶 性盐的淋洗 但是 新垦滩涂土壤结构性差 排水不 畅 盐分随排水输出的速度缓慢 导致土壤脱盐效果 差 改良周期长 为此 可结合物理 化学等改良方 法 通过增加土壤有机质来改善土壤结构 同时利用 化学离子置换的方式加快土壤中有害盐分离子的排出 研究进展 作物秸秆是粮食生产的副产品 对 其合理利用可实现变废为宝 资源回收利用的良性循 环 秸秆还田 覆盖在土壤表面可以有效保持土壤水 分 减少蒸发以及盐分积累 改善土壤水盐环境 7 腐熟秸秆提供的胶结物质用于形成土壤团聚体 8 9 降低土壤的体积质量和提高土壤总孔隙度 增加土壤 收稿日期 2021 10 24 基金项目 国家自然科学基金项目 51979239 52109068 江苏省水利 科技项目 2019040 江苏省博士后科研资助计划 项目 2021K220B 作者简介 贺园春 1996 男 硕士研究生 主要从事农业水土工程领 域相关研究 E mail chun he963 通信作者 罗纨 1967 女 教授 博士生导师 主要从事农业水土 工程领域相关研究 E mail luowan 有效持水率 10 可以提高土壤腐殖质量 11 崔士友 等 12 在江苏沿海地区的研究发现 秸秆覆盖有效增强 了雨季滨海重盐土的淋洗效果 常年降雨量能够满足 土壤剖面 80 的脱盐要求 张蛟等 13 研究发现 秸秆 覆盖量为 15 t hm2 时 可显著改变气象条件对土壤盐 分季节性变化特征的影响 有利于滩涂重度盐渍土的 改良 Son 等 14 对于韩国滩涂盐碱土改良的室内试验 研究发现 盐渍土壤中加入新鲜稻秸秆后 由于有机 质未能腐解发挥作用 短期内对于土壤盐分淋洗没有 显著作用 基于离子置换理论 石膏常被作为一种化学改良 剂而用于农业区盐碱地改良 15 16 石膏微溶于水 可 作为钙离子 Ca2 的来源 取代吸附在土壤胶体上 可交换钠离子 Na 周铸等 17 研究发现滴灌结合石 膏有利于加快耕作层盐碱土改良过程 高慧敏等 18 发现应用石膏及有机物料为土壤改良剂来提高作物 产量在半干旱地区显示出良好效果 在雨水丰沛的沿 海地区 添加石膏来改良滩涂盐碱土具有较低的生态 风险 可以作为滩涂盐渍土壤的有效改良剂 19 20 切入点 现有研究对使用单一材料改良盐碱地 的效果与原理关注较多 但对不同材料组合使用的综 合改良效果以及离子组成变化关注不足 相关文献中 有不少针对干旱半干旱地区以及沿海地区盐渍化土 壤改良的研究 但缺乏针对滨海滩涂新垦盐分快速淋 洗过程及添加剂作用的研究 拟解决的关键问题 探讨添加秸秆以及石膏改良剂对于加快沿海地区新 灌溉排水学报 118 垦土壤脱盐过程的作用 本文通过室内土柱试验 考 虑沿海垦区人工排水条件下降雨淋洗盐分过程的实 际情况 研究了添加秸秆和石膏对滩涂盐渍土盐分组 成变化和淋洗效果的影响 成果可为沿海地区土壤盐 渍化治理提供理论依据和技术支撑 1 材料与方法 1 1 研究区概况及土样采集 试验用土取自江苏省东台市弶港条子泥垦区 120 57 E 32 45 N 区内属亚热带季风海洋性气 候 年平均气温 15 0 年均降水量 1 061 2 mm 且雨量集中在夏秋之际 试验前先将土壤风干 碾压磨细 过 2 mm 筛后 备用 土壤粒径组成分析使用马尔文 3000 激光粒度 仪 MS 测量 分析结果显示 供试土壤为沙质壤土 其中沙粒 量 2 0 05 mm 为 51 25 粉粒量 0 05 0 002 mm 为 45 43 黏 粒量 0 05 虽然 秸秆可以提高土壤水分保持能力 增加孔隙度 稀释 土壤中的盐浓度 但本次试验中的效果并不明显 这 可能是因为秸秆腐解程度有限 尚未完全分解融入土 壤 对淋洗液 EC 影响较小 改良效果不明显 图 4 不同处理下土柱排水 EC 值在淋洗过程中的变化 Fig 4 Changes of EC of soil column drainage under different treatments during leaching 2 3 淋洗过程中排水 pH 值变化 对照组在 2 个淋洗周期内 土壤淋洗液 pH 值变 化趋势呈 2 个阶段 在第 1 个淋洗周期内 淋洗液 pH 值 持续升高 土壤 pH 值 普遍高于 8 在第二个淋 洗周期到达峰值 10 随后稳定在 9 0 10 0 之间 图 5 中 单独添加秸秆 覆盖 与单独添加石膏覆盖处理的 pH 值均在第 1 个淋洗周期中上升 秸秆覆盖的处理 上升阶段结束后稳定在 8 6 9 0 石膏覆盖处理的 pH 值在波动后稳定在 8 6 9 0 秸秆 石膏覆盖处理 pH 值在开始时有小幅上升 其余时间均稳定在 7 9 8 6 之间 秸秆 石膏覆盖 处理的土壤淋洗液 pH 值总体比 对照组以及单个处理更低更稳定 对照组在淋洗过程 中 Na 离子大量减少后 溶解性较小的碱性 NaHCO3 析出 排水的 pH 值升高 这是因为土壤含水率增加 时 吸附在固相中的 Na 离子进入土壤溶液 易形成 NaOH 使得排水 pH 升高 新鲜小麦秸秆在淹水条 件下前 30 d 分解速度极快 本次试验在夏天阳光大 棚中历时 30 d 温度适宜腐解 淋洗过程中伴随秸秆 少量腐解 形成有机酸中和碱性盐 降低排水 pH 加入石膏后 Ca2 离子较 Na 离子对土壤中胶体有更 强的吸附能力 Ca2 离子会置换出土壤胶体中的 Na 离子 Na 离子与 SO42 离子形成中性 Na2SO4 降低 淋洗液 pH 与对照组相比 秸秆石膏都具有显著降 低土壤淋洗液 pH 的效果 P 0 05 二者共同添加时 降低和稳定 pH 值的作用更好 图 5 不同处理下土柱 pH 值在淋洗过程中的变化 Fig 5 Changes of pH of soil column drainage under different treatments during leaching 2 4 淋洗过程中排水 Ca2 Mg2 Na K 离子变化 图 6 图 7 显示 不同土壤改良剂在整个淋洗周 期 PV 内 Ca2 Mg2 Na K 离子质量浓度变化 明显 累计 4 种离子淋洗量均有明显差异 第 1 个周 期中 4 组淋洗液 Na 离子稳定在较高 质量 浓度 在 第 2 个周期中急剧下降 2 组石膏 覆盖淋出 Na 离子 质量浓度明显大于未添加石膏 覆盖 组 第 3 次淋洗周 期后淋洗液 Na 离子质量浓度缓慢下降 逐渐稳定 单独添加秸秆 覆盖 对于定水头淋洗的饱和土柱在瞬 时淋洗效果和累计 Na 离子淋洗量上影响都很小 但 石膏 覆盖 为土壤提供 Ca2 离子可以有效置换出 Na 离 子 与对照组和秸秆覆盖组相比 显著提高土壤淋洗 液 Na 离子的淋洗量 P 0 05 秸秆 石膏 覆盖 可以减缓淋洗液 Na 离子量下降 趋势 显著提高初期排盐效率 P 0 05 但随时间 推移 石膏 覆盖 处理组 Na 离子淋洗量在逐渐接近秸 秆 石膏覆盖组 Na 离子淋洗量 Na 离子在土壤中部 分呈游离态 淋洗时快速溶解排出 而部分处于与土 壤胶体结合的可交换态则不能随水流出 22 4 组处理 在 5 个淋洗周期后 Na 离子淋洗量趋势线斜率放缓 此时相较于对照组累计淋洗出 45 34 g 的 Na 离子 单独 添加秸秆覆盖处理和石膏覆盖处理分别淋洗出 98 49 98 79 g 的 Na 离子 相较对照组提高 8 6 8 9 而秸秆 石膏覆盖处理淋洗出 116 44 g 的 Na 离子 淋洗效率提高了 28 42 单独 添加秸秆石膏 覆盖处理效果都有限 但秸秆 石膏 覆盖 处理比单独 使用石膏可以显著提高 Na 离子淋洗量 P0 05 后期 4 组 K 离子淋洗总量逐渐接近于 0 28 g 对照组在初期将土壤饱和时溶解在溶液中的 K 离子排出后 K 离子 质量 浓度缓慢下降在第 3 个淋 洗周期后趋于稳定 而石膏覆盖可以在淋洗初期提供 Ca2 离子置换出结合在土壤胶体中 K 离子 快速降低 了土壤 K 离子量 使淋洗液 K 离子 质量 浓度更快处 于较低状态 在前 1 个淋洗周期中 淋洗液中的 Ca2 离子 质量 浓度急剧下降 随后逐渐保持稳定 淋洗初 期 秸秆与石膏混合 覆盖 增加了石膏与淡水接触面积 溶解量增大 使得淋洗初期 秸秆 石膏 覆盖处理淋 洗液 的 Ca2 离子质量浓度显著 高于 单独石膏 覆盖 处 理 P 0 05 而石膏微溶于水 在整个淋洗周期中 一直稳定溶解 使得 Ca2 离子 淋洗 量稳定上升 整体而言 不同处理组初期土壤 Mg2 离子质量浓 度远低于其他 3 种阳离子质量浓度 均小于 20 mg L 不同处理间 Mg2 离子 质量 浓度变化曲线基本相似 在 3 个孔 淋洗周期后基本稳定 石膏 覆盖 组整体波动 幅度更小 4 组累计 Mg2 离子 淋洗量最多 0 48 g 最 少 0 57 g 相差较小 3 讨 论 本试验结果发现 添加秸秆和石膏处理的土壤改 良方案均可以改善滨海盐渍土盐分淋洗效果 在 盐分 淋洗 试验 过程中 4 种处理土壤的 ECe 值均呈现 下降 趋势 经 3 轮淋洗 PV 后 4 组处理较初始土壤 的 ECe 值平均下降 94 0 均达到了土壤脱盐标准 ECe 4 0 dS m Chaganti 等 23 研究 发现 在经历 5 个淋洗周期后土壤达到了脱盐标准 本试验使用的 砂质壤土较 Chaganti 试验中的黏壤土入渗能力更强 物理结构更好 易于盐分淋洗 石膏覆盖以及 秸秆 石膏覆盖 2 种方式较对照组的盐分淋洗效果分别提 高了 6 3 和 11 2 经 5 轮淋洗后 秸秆 石膏覆盖 处理下的土壤 ECe 较对照组提高了 128 1 结果与 程镜润 24 一致 淋洗初期 Ca2 离子参与反应 使得石 膏组淋洗液电导率下降率大 盐分累计淋洗 量高 土 壤 EC1 5 随着混入土柱石膏量的增大而增大 这与 Chaganti 23 研究 中 加入脱硫石膏等改良剂使得淋洗后 的土壤 ECe低于对照组的结论不同 添加秸秆和石膏 的处理经历过 5 个淋洗周期之后 土壤孔隙中易溶解 的 Na 离子淋洗出后 石膏持续溶解 秸秆逐渐腐解 产生的 Ca2 Mg2 离子等二价阳离子 使得土壤 ECe 偏高 25 淋洗后 2 组添加石膏处理的土柱中交换性 Na 离子量较对照组平均降低了 94 4 廖栩 等 27 经 过 5 个淋洗周期降低了 73 3 这是因为本试验淋洗 前使用 NaCl 溶液浸泡 增加了土壤中 Na 离子量 使得添加石膏淋洗盐分效果更为明显 本 试验表明 单独石膏 覆盖 和石膏 秸秆覆盖处 理改良的土壤在淋洗后 土壤 SAR 明显下降 而 单纯 使用 秸秆覆盖 处理后的效果则不明显 这是因为 石膏 的添加有效提高了土壤交换性 Ca2 离子量 降低交换 性 Na 离子量 虽然 ECe有所增加 但 SAR 下降 26 由于秸秆腐解需要适宜 的有 氧 环境 而 本 试验中 维持 土壤表层 10 cm 左右水层可能 造成 了厌氧环境 不利 于秸秆腐解 27 试验期内添加 秸秆 的积极效果不明显 土柱淋洗液盐分 浓度 EC 是观察土柱淋洗效 果的重要指标 本试验 发现 第 1 个淋洗周期后 4 个处理的淋洗液盐分浓度变化均不明显 而在第 2 个 淋洗周期 后 淋洗液盐分浓度值快速下降 Son 等 14 与 Chaganti 等 23 的研究认为 添加脱硫石膏和有机改 良剂后 在第一个淋洗周期 淋出液 EC 值达到最高 这是由于土柱装填后从底部缓慢注水饱和后静置 可 溶性盐在土壤溶液中溶解 该土柱内盐渍土在其剖面 上的盐分浓度分布均匀 饱和后排出多余水分 盐分 随入渗方向朝土柱下部移动 EC 值在淋洗初期达到 最大值 当 2 个淋洗周期的淡水通过土壤剖面后 所 有处理淋洗液的 EC 值均下降至稳定数值 Chaganti 等 23 的研究发现 淋洗液 EC 值 呈先增后减的趋势 EC值在第 1个淋洗周期内迅速上升至最大值后下降 淋洗液 EC 值初始值仅为最大值的 1 5 这是由于其 试验自下而上饱和土壤后盐分随之聚集至土壤上剖 面 未静置直接开始淋洗试验 使得第 1 个淋洗周期 淋洗出电导率较低的下剖面水分 上剖面聚集盐分随 着淋洗进行 排出后 淋洗液电导率逐渐下降 土壤 pH 值和 Na 离子淋出量是评价土壤改良效 果的重要指标 本文开展的土壤盐分淋洗试验发现 与对照组相比 秸秆和石膏都具有显著降低土壤淋洗 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 责任编辑 赵宇龙