我国滨海盐碱土面积大且分布广, 普遍存在盐碱化严重、肥力低下和结构不良等障碍因素, 作物产量低而不稳^[1].黄河三角洲面积约50万hm², 属典型滨海盐碱土, 是我国重要的后备土地资源; 但土壤整体偏碱, 耕层盐分含量高和有机质低, 耕种前需要土壤改良处理^{[2, 3]}.在中国东部耕地资源紧缺、人地供需失衡的背景下, 开发低成本和有效的盐碱土修复措施已成为全球关注的重点问题.

改良盐碱土必须去除部分或大部分交换性钠、降低pH值和改善土壤物理结构, 有效的方法如水利工程、化学改良剂(如石膏)和生物改良(如秸秆还田)^[4].但许多盐碱土改良措施都对淡水的依赖性强, 沿海地区淡水资源匮乏和灌溉设施不完善^[5].目前我国粮食生产中年产秸秆约7亿t, 实行就地还田循环利用已成为替代传统有机肥改善土壤理化性质和提高肥力的最重要手段.近年来, 国内外研究者在秸秆改良盐碱地方面, 开展了大量的田间试验, 先后在滨海盐碱土、内蒙古西辽河平原和黄淮海平原盐碱土等土壤上, 对棉花秸秆、玉米秸秆和秸秆覆盖等进行了研究, 结果表明, 秸秆还田能有效降低土壤含盐量, 改善土壤团聚体理化结构, 提高土壤微生物和酶的活性, 显著提高产量^[6~9].化学改良剂提供的Ca²⁺能置换土壤胶体上的Na⁺, 从而改变土壤可溶性盐离子组成, 降低土壤盐碱程度^[10].国内外大量研究表明脱硫石膏改良盐碱地, 能显著降低土壤钠吸附比(sodium adsorption ratio, SAR)、土壤碱化度(exchangeable sodium percentage, ESP)、改善土壤结构和提高作物产量^[11~13].部分研究还确定了脱硫石膏的施用量、改良年限和施用后的重金属安全性等^[14].近年来, 关于石膏对土壤有机碳积累与矿化的影响, 国内外学者也开展了研究工作, 结果表明添加石膏能增加土壤有机碳含量、团聚体中碳含量和稳定性并能够降低CO₂的排放^{[15, 16]}.也有研究发现石膏与秸秆配施较单独施用秸秆可显著降低土壤CO₂释放^[17].有研究还发现单一施用秸秆或脱硫石膏均能增加土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)含量^{[18, 19]}.

目前, 对于单一秸秆或施用脱硫石膏在土壤改良方面的研究已有很多, 但秸秆与脱硫石膏配施对土壤理化性质方面的影响相对有限.此外, 已有研究多集中于西北干旱区等盐碱地改良治理方面, 关于配施对黄河三角洲地区盐碱土的改良效果研究还鲜见报道.本研究在大田试验条件下, 探讨了秸秆与脱硫石膏配施改良对土壤理化性质的影响, 旨在为优化黄河三角洲盐碱土固碳策略和合理利用工农业废弃物改良培肥盐碱土提供科学依据.

本试验于2019~2020年在山东省东营市垦利县黄河口镇现代农业高质量发展产教融合东营基地(37°33′17.9″N, 118°55′51.4″E)进行, 是黄河三角洲的核心地区.该地是温带季风气候, 主要气候特色为夏季温度高伴随多雨, 冬季寒冷且干燥, 季风性显著.年均温12.2℃, 光照充分, 年平均日照时长2 682 h.平均降雨量543 mm, 降水年际变化大, 其中约65%的降水主要集中在7~8月, 雨热同期.

试验土壤属于中度盐碱土, 这一区域是长期种植水稻(C₃作物)单作种植系统, 土壤基本性状为：砂粒、黏粒和粉粒质量分数分别为6%、27%和67%, 容重为1.42 g·cm^-3, ω(SOC)为4.03 g·kg^-1, δ¹³C为-23.21‰, 含水率为25.32%, ω(全氮)为0.24 g·kg^-1, ω(全磷)为0.67 g·kg^-1, ω(全钾)为18.41 g·kg^-1, pH为7.89, 电导率为2.61 mS·cm^-1, ω(交换性钠)为2.62 g·kg^-1.供试秸秆选取玉米秸秆(C₄作物), 采自试验基地周边上年玉米收获后的风干秸秆.秸秆的含碳量为45.6%, 含氮量为0.68%, δ¹³C值为-13.78‰.烟气脱硫石膏采自东营胜利发电厂, 主要成分为CaSO₄·2H₂O, 富含硫、钙等植物所需的有益矿物质元素, pH为7.23, ω(CaCO₃)为255 mg·kg^-1.除汞外, 烟气脱硫石膏样品中的重金属含量低于土壤含量, 满足《土壤环境质量标准(试行)》(GB 15618-2018)的二级标准(pH≥7.53, 见表 1).

表 1 (Table 1)

表 1 供试土壤和脱硫石膏的重金属含量/mg·kg-1 Table 1 Heavy metals in soil and gypsum/mg·kg-1 项目 Cr Pb Cd Hg As 脱硫石膏 13.16±0.28 1.48±0.06 0.01±0.001 2.16±0.18 无 供试土壤 24.08±0.32 10.01±0.61 0.15±0.03 0.03±0.003 7.75±0.15 GB 15618-2018二级标准(pH>7.5) 250 170 0.60 3.40 25.00 GB 15618-2018一级标准(自然背景) 90.00 35.00 无 0.15 15.00

表 1 供试土壤和脱硫石膏的重金属含量/mg·kg-1 Table 1 Heavy metals in soil and gypsum/mg·kg-1

大田试验采取随机区组设计, 设置不添加秸秆与脱硫石膏作为对照(CK)、脱硫石膏(DG)、中量秸杆(MS)、脱硫石膏+低量秸秆(DGLS)、脱硫石膏+中量秸秆(DGMS)和脱硫石膏+高量秸秆(DGHS)共6个处理; 其中, 低量秸秆、中量秸秆、高量秸秆和脱硫石膏的施用量分别为5、10、15和29 t·hm^-2, 其中采集试验地土样并测定基础数据, 根据Xiao等^[20]描述的方法计算脱硫石膏用量, 秸秆的用量参考Xie等^[21]的研究, 重复3次, 小区面积42 m²(6 m×7 m), 小区区组之间用深60 cm、宽50 cm的排水沟分隔, 及时排出降雨、灌溉淋洗的盐分.试验前将秸秆打碎, 长度小于5 cm, 按照所设置处理, 秸秆与脱硫石膏撒施在土壤表面后, 采取微耕机将秸秆与脱硫石膏旋入0~20 cm土层.供试作物为棉花(鲁棉37), 棉花于2020年5月10日播种, 10月25日棉花收获(因首次开垦, 土壤盐碱度高无产量).种植前7~10 d左右, 为了浸出可溶性盐, 用黄河水灌溉一次, 灌溉量为2 700 m³·hm^-2, 用黄河水(矿化度为0.61 g·L^-1, 总盐为610 mg·L^-1, pH为8.4)灌溉.其他田间管理同当地惯例方式保持一致.

棉花收获后, 采用“S”形取样, 从每个小区采集0~20 cm土层的土壤样本, 沿自然裂纹轻轻打开, 一部分土壤使其通过8 mm的筛, 风干后土壤样品混合均匀用于团聚体分级; 一部分土壤剔除植物残体和其他杂物, 研碎磨细过2 mm和0.25 mm筛, 来测定土壤其他特性.土壤容重(bulk density, BD)采取环刀法测定^[22]; 土壤总孔隙度采取容重-密度计法; 土壤含水率采取烘干法; 将风干的土壤去除杂质, 称取土壤样品100 g放置在筛顶(套筛孔径依次为2、0.25和0.053 mm), 在桶中缓慢放置套筛, 静置5 min, 使用团聚体分析仪筛分8 min, 然后将筛子取出, 静置, 将各套筛上团聚体土壤移至玻璃皿中, 烘干称重^[23].土壤团聚体平均重量直径(mean weight diameter, MWD)计算公式如下：

(1)

式中, R_i为某级别团聚体平均直径, W_i为该级别团聚体干重.

土壤pH采取雷磁PHS-3E pH计测定(土水比为1∶5); 土壤电导率(electrical conductivity, EC)采取雷磁DDS-307A电导率仪测定(土水比为1∶5); 土壤阳离子交换量采取乙酸铵浸提法测定^[24]; K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^－、SO₄^2-、HCO₃^－和CO₃^2-委托中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心, 利用离子色谱仪(DIONEX ICS-2100, Thermo Fisher, 美国)测定.SOC采取重铬酸钾-浓硫酸外加热法^[25]; 土壤溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)采取蒸馏水浸提法; 微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)采取氯仿熏蒸的方法^[26], 采用三氯甲烷熏蒸直接提取, 对照土壤和熏蒸后的土壤用0.5 mol·L^-1 K₂SO₄提取(土液比为1∶5), 滤液中的有机碳含量采用有机碳分析仪(TOC-VCPH, 岛津公司)测定.土壤MBC含量以熏蒸和未熏蒸土样0.5 mol·L^-1 K₂SO₄提取液中含碳量之差除以系数得到, 即BC=EC/0.45.其中, BC为土壤MBC含量; EC为熏蒸土样与未熏蒸土样提取液含碳量之差; 0.45为浸提系数.同时, 计算稻田土壤活性有机碳比例, 公式为土壤活性有机碳比例=土壤活性有机碳含量/土壤总有机碳含量×100%.使用带有同位素比值质谱仪的干式燃烧分析仪测定了原土和团聚体中土壤有机碳的δ¹³C值.1 g土壤用10 mL 1 mol·L^-1 HCl预处理12 h, 以去除碳酸盐.根据工作标准的重复测量, δ¹³C的精度为±0.10‰.样品的δ¹³C表示如下：

(2)

式中, R=¹³C/¹²C, R_standard表示PDB(peedee belemnite)标准, R_PDB=0.011 237 2.

根据培养前后土壤样品及秸秆的δ¹³C值, 采用下列公式计算培养结束后土壤中来源于秸秆的有机碳(C_straw)的含量.

(3)

式中, New_c表示新碳形成(newly SOC formed), 为添加秸秆土壤中来自秸秆碳的量; C_t为添加秸秆的SOC含量; δ¹³C_t为添加秸秆的土壤δ¹³C值; δ¹³C_s为不加秸秆的土壤δ¹³C值; δ¹³C_straw为秸秆的δ¹³C值.

土壤铵态氮(NH₄⁺-N)和硝态氮(NO₃^--N)用2 mol·L^-1 KCl溶液浸提, AA3连续流动分析仪测定^[27]; 土壤速效磷(available phosphorus, AP)用0.5 mol·L^-1 NaHCO₃浸提, 钼锑抗比色法测定, 土壤速效钾(available potassium, AK)用乙酸铵浸提火焰光度计法测定^{[28, 29]}.ESP和SAR的计算公式分别为：

(4)

(5)

Microsoft Excel 2016和Sigmaplot 12.5用于试验数据的整理以及图表的绘制, 使用SPSS 21.0软件对试验数据进行统计分析和主成分分析, 用最小显著差数法(LSD)处理不同指标之间的差异, 验证是否存在显著差异(P < 0.05), 并采取Pearson相关系数进行评价.

不同改良剂处理滨海盐碱土物理性质见表 2.MS处理的土壤容重较CK显著减少2.70%, 而土壤含水率、总孔隙度和MWD分别较CK提高10.39%、3.45%和16.67%.与CK相比, DGHS处理明显降低了土壤容重, 提高了土壤含水率和总孔隙率, 但与MS处理相比无显著性差异.除DG处理外, 其余各处理均可不同程度增加土壤MWD.与MS处理相比, DGLS、DGMS和DGHS处理的土壤MWD分别增加38.71%、38.71%和35.48%, 各处理间差异不显著.上述分析表明, 脱硫石膏处理对耕层土壤物理性质影响不显著, 而秸秆、脱硫石膏与高量秸秆配施处理时, 土壤总孔隙度与MWD增加较显著, 土壤容重显著降低.

表 2 (Table 2)

表 2 秸秆与脱硫石膏配施下土壤容重、总孔隙度的变化1) Table 2 Soil bulk density and total porosity under combined application of straw and desulfurization gypsum 处理 容重/g·cm-3 含水率/% 土壤总孔隙度/% MWD CK 1.48±0.02a 24.25±0.00b 44.07±0.67b 0.30±0.01c DG 1.46±0.00 ab 25.82±0.01ab 44.60±0.09ab 0.29±0.01c MS 1.44±0.01b 26.77±0.01a 45.59±0.39a 0.35±0.03b DGLS 1.45±0.02ab 25.86±0.01ab 45.24±0.87ab 0.42±0.02a DGMS 1.45±0.02ab 26.52±0.01a 45.05±0.88ab 0.43±0.02a DGHS 1.44±0.02b 26.95±0.01a 45.66±0.70a 0.41±0.01a 1)数值为平均值±标准误, 不同小写字母表示处理之间的显著差异(P < 0.05), 下同

表 2 秸秆与脱硫石膏配施下土壤容重、总孔隙度的变化1) Table 2 Soil bulk density and total porosity under combined application of straw and desulfurization gypsum

如表 3所示, Na⁺是阳离子主体, 除DG和MS处理外, DGLS、DGMS和DGHS处理的Na⁺分别较CK降低43.41%、45.50%和35.66%, 而DGLS和DGHS处理Ca²⁺分别较CK增加4.48倍和3.69倍, DG、DGLS、DGMS和DGHS处理的SO₄^2-分别较CK增加2.70、4.10、3.41和4.14倍, 与CK相比, DG处理降低了HCO₃^-含量, MS处理增加了K⁺含量.各处理均降低了Cl^-含量, 但各处理间无显著性差异, DG、DGLS和DGHS处理的土壤EC较CK增加15.12%~31.79%, 其中, DGLS增幅最显著.盐碱土中对植物生长有害的Na⁺和Cl^-含量显著降低, 而对植物生长有益的Ca²⁺和SO₄^2-等离子含量显著升高, 滨海盐碱土得到了有效改良.

表 3 (Table 3)

表 3 秸秆与脱硫石膏配施下土壤电导率和可溶性盐的变化 Table 3 Soil EC and content of soil soluble salt under combined application of straw and desulfurized gypsum 处理 离子交换量/cmol·kg-1 EC/mS·cm-1 Na+ K+ Ca2+ Mg2+ SO42- Cl- HCO3- CK 12.19±1.07a 0.10±0.01b 1.08±0.25b 1.42±0.48a 1.88±0.11c 0.44±0.02a 0.23±0.02a 3.24±0.22b DG 10.22±0.78ab 0.15±0.01ab 2.93±033ab 1.79±0.05a 5.08±0.37b 0.27±0.01b 0.17±0.07b 3.73±0.21ab MS 10.37±0.88ab 0.16±0.01a 0.98±0.15b 1.20±0.24a 2.29±0.31c 0.28±0.10b 0.23±0.02ab 3.05±0.30b DGLS 7.47±0.26bc 0.13±0.02ab 4.84±0.87a 1.84±0.39a 7.70±0.79a 0.24±0.04b 0.20±0.01ab 4.27±0.66a DGMS 7.03±1.78c 0.13±0.02ab 2.91±0.16ab 1.25±0.27a 6.41±0.74ab 0.27±0.04b 0.21±0.02ab 2.87±0.69b DGHS 8.29±1.78bc 0.14±0.01ab 3.99±1.47a 1.87±0.49a 7.78±0.63a 0.28±0.02b 0.20±0.02ab 3.77±0.61ab

表 3 秸秆与脱硫石膏配施下土壤电导率和可溶性盐的变化 Table 3 Soil EC and content of soil soluble salt under combined application of straw and desulfurized gypsum

如图 1所示, 秸秆与脱硫石膏配施后的土壤pH较对照处理有显著下降, 降幅在2.45%~3.87%之间[图 1(a)], 这说明脱硫石膏能降低盐渍土的pH值, 但处理之间没有显著性差异.ESP的高度直接反映了改善的结果.CK处理的碱化度达到14%[图 1(b)], 为中度碱化土壤^[26].各处理均能显著降低土壤ESP, 降低幅度在18.26%~34.87%之间, 土壤盐碱化程度由中度盐碱土变为轻度盐碱土.SAR的高低可反映土壤钠质化的程度, 是评价土壤钠危害的常用指标.其中, DG处理大大减小了土壤SAR, 与MS处理相比, DGLS、DGMS和DGHS处理的土壤SAR明显减小, 降幅范围为41.14%~56.74%[图 1(c)].在所有处理中, 秸秆与脱硫石膏配施可以大幅降低土壤SAR.

图 1

Fig. 1

图 1 秸秆与脱硫石膏配施下土壤pH值、ESP和SAR的变化 Fig. 1 Soil pH, ESP, and SAR under combined application of straw and desulfurized gypsum

不同改良措施下土壤NH₄⁺-N、NO₃^--N、AP和AK整体上均有不同程度增加(图 2).DG、MS、DGLS、DGMS和DGHS处理的NH₄⁺-N与NO₃^--N与CK相比增幅分别为25.15%~55.37%和10.11%~74.38%, 其中, MS和DGHS处理的NH₄⁺-N增幅最显著, DGHS处理NO₃^--N增幅最显著[图 2(a)和2(b)]; 同时, DGHS处理的AP较CK显著增加97.99%, 与CK相比, 各处理土壤AK含量均有所增加, 但处理之间差异均不显著[图 2(c)和2(d)].

图 2

Fig. 2

图 2 秸秆与脱硫石膏配施下土壤养分的变化 Fig. 2 Soil nutrients under combined application of straw and desulfurized gypsum

就土壤MBC而言, DG处理的土壤MBC含量较CK显著增加89.53%, DGMS和DGHS处理的土壤MBC含量显著高于MS处理, 分别增加了2.12倍和2.46倍[图 3(a)].与CK处理相比, DGMS和DGHS处理的土壤DOC含量分别增加24.60%和30.18%, 与MS处理相比, DGMS和DGHS处理均显著提高DOC含量, 增幅达到22.76%和28.24%[图 3(b)]. ω(SOC)的含量范围在3.95~4.99 g·kg^-1之间, 各处理SOC较CK均有不同程度的增加, 但无显著性差异[图 3(c)].

图 3

Fig. 3

不同小写字母表示处理之间的显著差异(P < 0.05) 图 3 秸秆与脱硫石膏配施下土壤有机碳组分的变化 Fig. 3 Soil organic carbon fraction under combined application of straw and desulfurized gypsum

如图 3(d)所示, 添加秸秆提高了土壤有机碳δ¹³C值, 各处理土壤有机碳δ¹³C值大小依次为：DGHS>DGMS>DGLS>MS, 其中, DGHS和DGMS处理的土壤有机碳δ¹³C值分别较CK显著增加6.56‰和3.12‰.与MS处理相比, 秸秆与脱硫石膏配施显著提高了土壤新碳形成, 其中, DGMS和DGHS处理显著增加2.14倍和2.75倍[图 3(e)].秸秆与脱硫石膏配施可以大幅提高微生物生物量碳、溶解性有机碳和新碳的含量, 并没有对土壤有机碳产生影响.

加入脱硫石膏和秸秆还田对盐渍化土壤团聚体组成及其有机碳含量产生了显著的影响(图 4).各团聚体的质量分数与聚体粒径成反比[图 4(a)].MS、DGLS、DGMS和DGHS处理土壤的粗大团聚体比例较对照分别高223%、209%、243%和259%, 与MS处理相比, DGLS、DGMS和DGHS处理土壤的细大团聚体比例分别高30.82%、30.83%和25.75%.相反, 相对于CK来说, 各处理明显降低了微团聚体比例[图 4(a)].图 4(b)为SOC在不同粒径土壤中的分配比例, 秸秆与脱硫石膏添加处理促进了SOC在大团聚体中的聚集.与对照相比, DG、MS、DGLS、DGMS和DGHS处理的粗大团聚体各增加了156%、129%、81%、150%和202%的有机碳含量, MS、DGMS和DGHS处理的细大团聚体有机碳含量较对照分别增加了46.81%、64.33%和73.54%.

图 4

Fig. 4

1.粗大团聚体, 2.细大团聚体, 3.微团聚体, 4.粘粉粒团聚体; 不同小写字母表示处理之间的显著差异(P < 0.05) 图 4 秸秆与脱硫石膏配施下团聚体组成及团聚体中有机碳含量 Fig. 4 Aggregate size and aggregate-associated organic carbon under combined application of straw and desulfurized gypsum

如图 4(c)所示, 与对照相比, 外源添加秸秆与脱硫石膏处理大团聚体土壤δ¹³C值明显上升, 在粗大团聚体中, MS、DGLS、DGMS和DGHS处理的¹³C丰度值分别比对照高1.46%、3.86%、4.29%和3.80%; 在细大团聚体中, 相应的值分别为2.38%、2.36%、4.85%和5.15%.相对应的, 秸秆与脱硫石膏添加更大程度地促进了大团聚体新碳形成, 在粗大团聚体中, DGLS、DGMS和DGHS处理的新碳形成分别比MS高109%、221%和244%; 在细大团聚体中, DGMS和DGHS处理的新碳形成平均比MS与DG高264%[图 4(d)].总体结果表明：秸秆与脱硫石膏配施能够明显增加土壤中大团聚体的比例而降低土壤微团聚体比例; 秸秆与脱硫石膏配施显著增加多个团聚体粒级的SOC及新碳含量.

如表 4所示, DG处理、MS处理、DGMS处理和DGHS处理的铬含量与对照处理相比, 分别增加了72.32%、71.15%、82.01%和85.73%.与CK相比, DGHS处理的汞含量提高了3.32倍.施用脱硫石膏处理的土壤重金属含量, 都小于土壤环境质量标准的二级标准, 也进一步证明脱硫石膏改良盐碱地对土壤环境是安全的.

表 4 (Table 4)

表 4 秸秆与脱硫石膏配施下土壤重金属元素含量的变化/mg·kg-1 Table 4 Heavy metal elements in soil under combined application of straw and desulfurized gypsum/mg·kg-1 处理 Cr Pb Cd Hg As CK 25.05±2.08b 10.33±1.37a 0.17±0.08a 0.03±0.00b 7.82±0.55a DG 43.15±16.63a 9.14±1.07a 0.17±0.06a 0.07±0.01ab 7.61±0.35a MS 42.87±21.66a 10.61±1.50a 0.17±0.08a 0.04±0.01ab 7.96±0.66a DGLS 35.12±12.73ab 9.66±2.06a 0.19±0.08a 0.09±0.01ab 8.32±0.95a DGMS 45.58±14.74a 9.89±0.42a 0.17±0.13a 0.08±0.02ab 8.31±0.23a DGHS 46.52±8.58a 9.90±1.08a 0.17±0.07a 0.10±0.09a 7.62±1.03a GB 15618-1995二级标准(pH>7.5) 250 350 0.61 1.00 20.03

表 4 秸秆与脱硫石膏配施下土壤重金属元素含量的变化/mg·kg-1 Table 4 Heavy metal elements in soil under combined application of straw and desulfurized gypsum/mg·kg-1

如图 5所示, 各处理下土壤的物理和化学性质各指标间存在不同程度的相关性.土壤BD与土壤SOC和New_c呈显著负相关(P < 0.05), 土壤孔隙度(soil porosity, SP)与土壤SOC和New_c呈极显著正相关; MWD与DOC、SOC和New_c呈极显著正相关, MWD与水溶性Na⁺呈极显著负相关; 水溶性Na⁺与土壤SOC和New_c呈极显著负相关; AK、AP和速效氮(available nitrogen, AN)与土壤MBC、DOC和New_c呈显著正相关(P < 0.05).

图 5

Fig. 5

图 5 土壤理化性质与土壤有机碳的主成分分析 Fig. 5 Principal component analysis of soil physical and chemical properties and soil organic carbon

土壤pH和土壤ESP是反映土壤碱化特性的重要指标.单施脱硫石膏、秸秆与脱硫石膏配施均能明显降低土壤pH、ESP和SAR, 施用脱硫石膏的土壤pH降低, 原因是Ca²⁺把土壤胶体上的交换性Na⁺置换后形成Na₂SO₄中性盐, 从而使土壤pH明显减小^[30].大量研究表明, 秸秆还田可不同程度地提高土壤有机质含量, 有机质中的大分子羧基对碱性离子起到一定的中和作用, 进而降低了土壤pH, 这与本研究的结果一致^[31].在脱硫石膏中, 交换性Na⁺含量由于Ca²⁺在土壤胶体中置换而减少, 进而减小土壤ESP, 结合灌溉使之淋洗, 使改良土壤的目的得以达到^[32].此外, 脱硫石膏一方面可以置换土壤胶体吸附的Na⁺, 另一方面土壤中的钙含量也得以提高, 综合作用使土壤SAR显著降低^[33].前人关于有机无机复合措施改良盐碱土方面也做过相关的研究, 比如在土柱调查中, 石膏与堆肥(稻草和风信子)配施相对于对照、单独使用石膏或堆肥更有效地降低了盐碱土的盐分和碱度水平^[34].石膏与腐殖酸和有机肥配施已被证明可以改善盐碱化土壤pH、SAR和EC以及水稻的根系生长和产量^[35].有研究表明, 脱硫石膏与腐殖酸配施在降盐和向日葵增产方面均效果最好^[36].

本研究中除了DGLS处理外, 使用脱硫石膏改善了土壤结构, 添加脱硫石膏并没有明显提高土壤EC.除此之外, 土壤较高的可溶性盐一方面是因为施用脱硫石膏中含有的对植物生长有益的水溶性Ca²⁺和SO₄^2-, 但滨海盐渍土中如水溶性的Na⁺和Cl^-等对植物生长有害的盐离子均显著减少, 因此本研究中脱硫石膏的施用改善了土壤的盐基组分^[30].此外, 由于施用脱硫石膏改善了土壤结构, 土壤盐分在入渗过程中更容易被带往深层土壤或随地表水排出, 也是土壤EC没有明显提高的因素之一^[14].相对于单纯秸秆还田处理, 秸秆与脱硫石膏配施的土壤Na⁺含量下降幅度更为显著.一方面, 土壤表层的水分因为秸秆的覆盖蒸发得以减少, 为土壤锁住更多的水分, 为脱硫石膏与土壤产生化学反应提供了一个较好的环境.另一方面, 秸秆腐解产生的有机酸中的羧基分子具有化学活性和生物活性, 显著增强了钙离子与钠离子的置换作用.Son等^[37]也发表过类似研究, 在室内通过土柱淋洗试验方法评估了石膏结合稻草对沿海滩涂盐碱土化学性质的影响, 发现石膏+稻草相对于仅稻草处理土壤的碱度和盐分改良效果好.

秸秆还田处理、高量秸秆与脱硫石膏配施的土壤容重明显降低, 土壤总孔隙度和水分含量增加, 表明秸秆还田对改善粉砂质盐土不良的通气性有较显著的效果.这是因为添加秸秆可以增加地表水的入渗和降水储量, 提高了土壤含水率^[38].这与吕雯等^[39]和马永财等^[40]研究的结果一致.因此, 秸秆还田可以在一定程度上改善土质和土壤孔隙状况, 是改良盐碱地的有效途径.

单施秸秆、秸秆与脱硫石膏配施均提高了盐碱化土壤中细大团聚体的百分比和MWD, 降低了微团聚体的百分比, 增加顺序依次为：DGLS≈DGMS≈DGHS>MS>DG处理.本研究结果表明秸秆与脱硫石膏配施对土壤团聚体比例及团聚体稳定性改良效果显著高于单施秸秆处理.团聚体形成与稳定性维系的3大类胶结物质是黏粒、无机胶结剂(多价阳离子如Ca²⁺、Mg²⁺、碳酸盐和氧化物)和有机胶结剂(土壤有机质、作物残体和真菌菌丝); 只有当土壤黏粒或SOC含量低时, 阳离子才在土壤团聚过程中起主导作用^{[41, 42]}.在盐碱土改良中, 施加有机物料必不可少; 同时, 化学改良剂中Ca²⁺具有将土壤矿物质和有机物质相结合的能力, 从而对SOC起到物理保护作用.在脱硫石膏与秸秆配施措施下, 脱硫石膏可以改善土壤环境, 加速秸秆分解和养分释放; 添加的有机质可以与脱硫石膏中的Ca²⁺发生反应, 这有利于有机碳的固存和土壤结构的改善.前人也发现过类似结果, 在滨海滩涂复垦土壤上, 与单独添加稻草相比, 稻草还田与石膏施用相结合更有利于增强团聚体稳定性, 原因是石膏中Ca²⁺替换土壤胶体上的可交换Na⁺, 促进土壤黏粒聚凝^[43].

所有改良剂处理并未显著降低土壤速效养分, 与贺坤等^[44]研究的结果不一致, 其研究表明利用脱硫石膏改良作物时, 土壤速效磷与速效钾一定范围内的降低不会影响作物生长发育.毛玉梅等^[45]的盆栽试验结果也表明无机氮磷钾等养分并不是玉米生长的主要制约因素, 关键在于消除土壤盐渍化危害.

盐碱地SOC增加与土壤盐分的降低有关, 一方面可能是因为植物生长的改善和植物残体的大量投入, 另一方面是由于盐分降低引起土壤物理、化学和生物性质的变化, 进而提升SOC形成与稳定性^[46].本研究各处理并没有提高盐碱化土壤有机碳含量, 是因为土壤有机碳周转和含量变化需要较长时间尺度, 而包括MBC和DOC在内的土壤不稳定有机碳成分在较短的时间内敏感地反映了农学管理的影响^[47].秸秆的添加提高了盐碱化土壤MBC和DOC含量, 但无显著性差异, 而秸秆与脱硫石膏配施进一步提高了土壤MBC和DOC含量.原因可能是盐碱化土壤微生物活性低, 分解转化产生的DOC含量少, 采取脱硫石膏改良盐碱土, 由于增加了Ca和S矿质养分, 能够促进土壤团聚体的形成和稳定性, 降低土壤可交换钠含量及pH, 改变微生物活性及群落组成, 进而加快了秸秆碳转化, 从而提高了MBC和DOC含量.

农田SOC含量高低取决于外源有机物生成的新有机碳与土壤原有有机碳矿化损失之间的平衡^[48].本研究中添加秸秆处理和秸秆与脱硫石膏配施处理均提高了新碳形成量, 但各处理的SOC并没有显著性差异, 是因为新碳增加的量级在土壤有机碳含量的量级中显得微乎其微.秸秆与脱硫石膏配施处理的新碳形成量显著高于单纯秸秆处理, 这可能是因为添加脱硫石膏改善了土壤理化性质, 降低了土壤表面可交换Na⁺含量; 同时促进了还田秸秆与土壤微生物之间的相互作用, 最终以秸秆残留物、土壤微生物的主要代谢产物和生物残骸的形态更多的保存在土壤中, 成为构成土壤有机碳库的主要组分, Liang等^[49]也认为, 微生物残留物是土壤高稳定性碳源的重要组成部分.在盐碱化土壤中, 高盐度降低了盐碱土植物来源碳形成的主要原因是, 高Na⁺含量导致土壤团聚性低, 进而影响微生物残体与植物残体稳定性; 此外土壤胞外酶活性、微生物量及利用效率和微生物多样性及差异随土壤盐分的增加而降低^[50], 进而降低秸秆碳的有效固持^[51].

秸秆与脱硫石膏配施提高了SOC在大团聚体中(>2 mm和0.25~2 mm粒径)的含量, 这可能得益于秸秆与脱硫石膏配施使土壤盐碱度降低了, 促进土壤中团粒结构的形成, 进而促使有机碳在土壤中的积累.本研究中, 在0.25~2 mm团聚体中土壤有机碳的贡献率较大, 而在>2 mm团聚体中的贡献率相对较小, 这与肖欣娟等^[52]研究的结果相似, 这主要是因为土壤团聚体的有机碳贡献率受各粒径团聚体的占比和团聚体OC含量共同决定.不同粒径团聚体中新形成有机碳的分布和分配规律是进一步研究土壤固碳能力和稳定机制的重要环节.在本研究中, 大团聚体比小团聚体的新碳含量高, 这说明秸秆进入土壤后, 在物理、化学和生物作用的调控下, 土壤有机碳先进入大粒径团聚体中, 然后才递进到小粒径团聚体中.Yin等^[53]利用碳标记法也发现, 由秸秆形成的碳首先进入土壤的大团聚体结构内, 然后才顺次进入微团聚体内, 这与本研究的结果一致.本研究中, 秸秆与脱硫石膏配施较秸秆处理可进一步提高>2 mm和0.25~2 mm粒径δ¹³C值和新碳含量, 这也正解释了全土新碳的提高.

(1) 添加秸秆对滨海盐碱土物理性状具有较好的效果, 其中, 单施玉米秸秆和高量秸秆与脱硫石膏配施明显减小了土壤容重, 提高了土壤含水率和总孔隙度.

(2) 各处理均能显著降低滨海盐碱土的pH和ESP; 与单施秸秆相比, 秸秆与脱硫石膏配施可不同程度使土壤SAR以及有害盐离子Na⁺和Cl^-含量减小, 而使土壤Ca²⁺和SO₄^2-等离子含量增加, 改善了土壤盐基组分.

(3) 脱硫石膏与中量和高量秸秆配施均能明显提高土壤MBC、DOC含量以及新碳形成.秸秆与脱硫石膏配施显著提高了细大团聚体比例, 降低了微团聚体比例; 秸秆与脱硫石膏配施处理促进了SOC在大团聚体中的聚集和New_c的形成.

(4) 主成分分析表明, 土壤孔隙度、SOC、New_c和活性碳组分与pH、EC和ESP呈明显负相关, 说明有机物料与脱硫石膏配施改良滨海盐渍化土壤与SOC及活性碳组分含量增加有关.土壤重金属含量不会因烟气脱硫石膏而增加, 但应格外重视对铬的关注.秸秆与脱硫石膏配施用于改良滨海盐碱土可以显著改善土壤质量和生态环境, 削减了土壤盐碱障碍, 还能解决工农业废弃物污染问题.下一步研究还应结合多年试验数据来明确秸秆与脱硫石膏配施的改良机制.