不同碳源配施磷石膏对设施次生盐渍化土壤的修复效果及小白菜生长的影响

The Effect of Different Carbon Sources Combined with Phosphogypsum on Remediation of Facility Secondary Salinized Soil and the Growth of Pakchoi

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2024.06.015

王少杰 Shaojie WANG , 李虹颖 Hongying LI , 史梦玲 Mengling SHI , 申昊 Hao SHEN , 刘龙 Long LIU , 熊启中 Qizhong XIONG , 方凌 Ling FANG , 王艳 Yan WANG , 景建元 Jianyuan JING , 叶新新 Xinxin YE

1 农田生态保育与养分资源高效利用安徽省重点实验室/安徽省绿色磷肥智能制造与高效利用工程研究中心/自然资源部江淮耕地资源保护与生态修复重点实验室/安徽农业大学资源与环境学院安徽合肥 230036 Anhui Province Key Lab of Farmland Ecological Conservation and Nutrient Utilization/Anhui Province Engineering and Technology Research Center of Intelligent Manufacture and Efficient Utilization of Green Phosphorus Fertilizer/Key Laboratory of JiangHuai Arable Land Resources Protection and Eco-restoration, Ministry of Natural Resources/College of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei, Anhui 230036, China 2 安徽省农业科学院蔬菜研究所安徽合肥 230031 Institute of Vegetables, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei, Anhui 230031, China 3 阜阳技师学院安徽阜阳 236000 Fuyang Technician Institute, Fuyang, Anhui 236000, China 4 安徽省和县土壤肥料工作站安徽马鞍山 238200 Soil and Fertilizer Workstation of Hexian County, Anhui Province, Ma′anshan, Anhui 238200, China

Author notes:

Correspondence to: 熊启中(1986—)，男，博士，讲师，研究方向为新型肥料研发；qzxiong@ahau.edu.cn Correspondence to: 共同通信作者：叶新新(1982—)，男，博士，教授，研究方向为植物养分资源利用与管理；yexxahau.edu.cn

摘要：

为探究不同碳源与磷石膏配施对盐渍化设施土壤的修复效果以及对小白菜生长的影响，开展了田间小区试验，共设置对照(CK)、磷石膏(P)、有机肥(OF)、生物炭(B)、磷石膏+有机肥(P+OF)、磷石膏+生物炭(P+B)等6个处理。结果表明：P+B处理的效果较好，土壤铵态氮含量较CK处理的显著提高58.88%，硝态氮和水溶性总盐含量分别显著降低37.32%和30.23%，Na⁺和NO₃^-含量分别显著下降58.83%和55.81%；P处理的Ca²⁺含量较CK处理的显著增加9.94%；与CK处理相比，不同碳源配施磷石膏可显著提高土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶的活性；与CK处理相比，P+B处理的小白菜根长、根系活力、维生素C含量、可溶性蛋白含量分别显著提高26.93%、51.39%、102.86%、199.80%，硝酸还原酶的活性显著增强，同时降低了硝酸盐含量和过氧化物酶、过氧化氢酶的活性。P+B处理可以有效降低设施土壤次生盐渍化危害，提高小白菜的产量和品质。

关键词：

设施土壤; 次生盐渍化; 土壤修复; 生物炭; 磷石膏; 小白菜; 品质;

Abstract：

In order to investigate the effect of different carbon sources combined with phosphogypsum on remediation of salinized facility soil and the growth of Pakchoi, a field plot experiment is conducted, with a total of six treatments including control (CK), phosphogypsum (P), organic fertilizer (OF), biochar (B), phosphogypsum+organic fertilizer (P+OF), and phosphogypsum+biochar (P+B). The results show that P+B treatment has a better effect, with a significant increase of 58.88% in soil ammonium nitrogen content compared to CK treatment, a significant decrease of 37.32% and 30.23% in nitrate nitrogen and water-soluble total salt content, and a significant decrease of 58.83% and 55.81% in Na⁺ and NO₃^- content, respectively. P treatment significantly increased Ca²⁺ content by 9.94% compared to CK treatment. Compared with CK treatment, the application of different carbon sources combined with phosphogypsum can significantly increase the activities of soil urease, sucrase, and catalase. Compared with CK treatment, P+B treatment significantly increased the root length, root activity, vitamin C content, and soluble protein content of Pakchoi by 26.93%, 51.39%, 102.86%, and 199.80%, respectively. The activity of nitrate reductase is significantly enhanced, while the nitrate content and the activities of peroxidase and catalase are reduced. P+B treatment can effectively reduce the secondary salinization hazards of facility soil and improve the yield and quality of Pakchoi.

Keyword：

facility soil; secondary salinization; soil remediation; biochar; phosphogypsum; pakchoi; quality;

随着人们对蔬菜需求量的增加，我国设施蔬菜种植面积逐年扩大，近20年增加了53.1%^[1]。然而，设施蔬菜生产过程中普遍存在肥料施用过量^[2-3]、复种指数高^[4]、作物种类单一^[5]等问题，由此而引发的土壤酸化、微生物环境受损以及次生盐渍化^[6-7]等现象，造成蔬菜大幅减产、品质下降，影响蔬菜产业的可持续发展^[8]，各类问题中以土壤次生盐渍化问题最为突出。

前人研究发现，设施次生盐渍化土壤中的盐分离子主要以硝酸根、钠离子为主^[9]。白勇兴等^[10]的研究发现，磷石膏中所含有的钙离子能置换出吸附于土壤胶体上的钠离子，明显降低土壤中的交换性钠离子含量。肖婧等^[11]证实了合理施用生物质炭能显著提高设施土壤pH和阳离子交换量(CEC)。Liu等^[12]的研究表明，添加生物炭后，土壤pH显著提高了0.21~0.76，铵态氮质量分数提高1.6%~23.5%，硝态氮质量分数降低4.5%~15.8%。郑福丽等^[13]的研究表明，当有机肥替代化肥达到30%以上时，可显著降低土壤中硝态氮含量，有效增加有机碳含量，降低土壤盐渍化的速率。Han等^[14]的研究表明，添加有机肥处理的土壤pH在第7天显著高于对照处理的，且土壤铵态氮含量显著提高。

为了探究不同碳源在土壤改良和蔬菜促生方面的效果和差异, 本文以设施小白菜为研究对象，考察了生物炭、有机肥和磷石膏对土壤-小白菜体系中次生盐渍化土壤的修复效果以及对小白菜生长、品质的影响，为次生盐渍化设施土壤的合理修复以及设施蔬菜的优质、高效种植提供参考，对于实现设施土壤的可持续利用以及绿色发展提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在安徽省马鞍山和县农业科技示范园(31°45′ N，118°22′ E)进行，供试小白菜品种为“矮脚黄”。安徽省和县蔬菜大棚次生盐渍化严重的土壤理化性状：pH为6.20，w(有机质)为20.07 g/kg，w(水溶性总盐)为2 533.77 mg/kg，w(硝态氮)为236.69 mg/kg，w(铵态氮)为50.24 mg/kg，电导率为5.12 mS/cm。

1.2 试验设计

试验设6个处理，分别为对照(CK)、有机肥(OF)、小麦秸秆生物炭(B)、磷石膏(P)、磷石膏+有机肥(P+OF)、磷石膏+小麦秸秆生物炭(P+B)。每个处理重复3次，小区长、宽分别为2、5 m，各个小区间隔宽为0.5 m。

当地氮、磷、钾推荐施用量分别为225、195、270 kg/hm²。小白菜生长期短，在种植前必须施足基肥，全部有机肥、生物炭和20%的化肥条施作为基肥；全生育期追肥2次，第1次追施30%的化肥，第2次追施50%的化肥，结合灌溉条施追肥。有机物料按照25%等氮替代，磷石膏处理区添加量为30 kg/hm²(磷石膏采用水洗法进行无害化处理)，其中提供的有机物料和磷石膏化学成分见表 1。除去各处理带入的氮、磷、钾养分外，不足的养分以尿素、磷酸二氢钾和硫酸钾补齐。试验所用尿素(N质量分数为46%)、磷酸二氢钾(P₂O₅、K₂O质量分数分别为52%、34%)、硫酸钾(K₂O质量分数为52%)、磷石膏均购自中盐安徽红四方肥业股份有限公司。试验期间采集第0天、第5天、第10天、第15天、第20天、第25天、第30天的土壤样品进行测定，并在第30天测定收获期小白菜植株样品指标。

表 1

供试材料化学组成

材料	w(N)/(g·kg^-1)	w(P)/(g·kg^-1)	w(K)/(g·kg^-1)	w(C)/(g·kg^-1)	pH (水土比为2.5∶1)
猪粪有机肥	8.7	8.4	7.3	387.75	6.27
小麦秸秆生物炭	11.54	2.42	34.53	542.06	10.20
磷石膏		8.90			5.80

1.3 测定项目与方法

利用五点法采集耕层土壤，土壤pH采用pH计测定，水土比为2.5∶1；有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定；电导率采用电导率仪法测定；速效磷、铵态氮、硝态氮含量采用流动分析仪法测定；速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定；水溶性总盐含量采用残渣烘干-质量法测定；K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、NO₃^-、HCO₃^-、Cl^-、SO₄^2-含量采用离子色谱法测定。土壤脲酶(SUE-2-Y)测试盒、土壤蔗糖酶(SSC-2-Y)测试盒、土壤过氧化氢酶(SSC-2-Y)测试盒，苏州科铭生物技术有限公司。

小白菜叶绿素相对含量(SPAD值)采用95%乙醇浸提法测定；维生素C(Vc)含量采用二氯靛酚滴定法测定；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定；硝酸盐含量采用磺基水杨酸比色法测定；过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性分别采用愈创木酚显色法、紫外吸收法进行测定；根系活力采用TTC法测定；硝酸还原酶活性采用萘胺比色法测定；收获指数为地上部生物量/总生物量的值。

1.4 数据处理与统计方法

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据的录入、计算和整理，采用Origin 9.0软件绘图，采用SPSS 20.0软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对次生盐渍化土壤理化性状的影响

不同处理第30天土壤理化性状见表 2。

表 2

不同处理第30天土壤理化性状

处理	pH	w(有机质)/(g·kg^-1)	w(铵态氮)/(mg·kg^-1)	w(硝态氮)/(mg·kg^-1)	w(速效磷)/(mg·kg^-1)	w(速效钾)/(mg·kg^-1)
CK	6.43±0.13 b	19.67±0.13 b	5.01±1.66 b	117.19±7.98 a	109.37±9.57 c	153.36±12.34 b
B	7.13±0.13 a	25.21±0.37 a	6.16±1.07 ab	101.96±6.75 a	135.62±6.93 b	156.96±11.58 b
P	7.33±0.29 a	21.53±0.13 b	5.78±1.00 ab	102.92±4.71 a	152.31±7.40 ab	183.31±9.72 a
OF	6.38±0.35 b	27.24±0.11 a	6.12±2.10 ab	90.95±3.27 ab	150.38±4.98 ab	155.35±8.17 b
P+B	7.41±0.30 a	28.63±0.14 a	7.96±1.29 a	73.46±5.92 b	181.85±13.49 a	181.74±14.97 a
P+OF	7.35±0.23 a	26.37±0.18 a	7.56±1.95 a	75.29±3.25 b	165.74±4.29 ab	158.71±7.65 b
注：1)同列数据后不同小写字母表示处理间指标差异显著(P＜0.05)，下同

由表 2可知：与CK处理相比，P+B处理的pH显著提高了15.24%，有机质含量显著提高了45.55%，铵态氮含量显著提高了58.88%，硝态氮含量显著降低了37.32%，速效磷含量显著提高了66.27%，速效钾含量显著提高了18.51%。

2.2 不同处理的次生盐渍化土壤盐分变化特征

各时期不同处理的土壤水溶性总盐含量以及土壤电导率(EC值)的变化见图 1。

图 1

各时期不同处理的土壤水溶性总盐含量及土壤EC值的变化

由图 1(a)可知：除CK处理外，其他处理的水溶性总盐含量随时间的延长而降低，第30天时各处理间差异显著；与CK处理相比，P+B处理的水溶性总盐含量显著降低了30.23%。由图 1(b)可知：随时间的延长，不同处理的EC值呈下降趋势；第30天时各处理间差异显著，其中P+B处理的EC值下降幅度最大，比CK处理的下降了57.11%。

2.3 不同处理的次生盐渍化土壤中盐离子组成变化特征

第30天时不同处理的土壤中盐离子成分见表 3。

表 3

第30天时不同处理的土壤中盐离子成分 mg/kg

处理	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	NO₃^-	HCO₃^-	Cl^-	SO₄^2-
CK	172.01±6.98 a	125.31±20.11 a	864.81±0.23 b	130.73±9.06 a	978.31±8.45 a	72.02±7.99 a	88.91±7.56 a	101.02±11.01 c
B	172.15±4.94 a	92.33±7.05 b	843.88±8.01 b	130.27±11.05 a	558.01±9.63 c	71.99±5.24 a	70.31±7.13 ab	91.06±7.55 c
P	165.04±6.33 ab	62.83±4.13 c	950.79±8.22 a	127.31±7.15 a	712.23±6.37 b	69.33±7.30 a	70.55±7.34 ab	159.54±5.25 a
OF	155.77±9.14 ab	81.35±15.21 bc	843.65±8.23 b	120.57±8.08 a	445.46±11.60 d	70.35±7.64 a	71.26±6.05 ab	99.74±8.33 c
P+B	150.32±12.01 b	51.59±14.25 c	726.55±15.04 c	130.76±13.01 a	432.34±19.07 d	72.45±9.30 a	63.05±8.04 b	140.00±18.49 a
P+OF	176.95±7.05 a	63.42±8.23 c	736.34±9.06 c	130.25±8.45 a	549.74±6.79 c	71.03±7.19 a	70.64±8.34 ab	131.22±5.55 b

由表 3可知：不同处理的Na⁺、NO₃^-含量显著下降，其中P+B处理的下降幅度最大，离子含量最低，与CK处理相比，Na⁺含量下降了58.83%，NO₃^-含量下降了55.81%；与CK处理相比，P处理的Ca²⁺含量显著增加了9.94%；与CK处理相比，P+B处理的SO₄^2-含量显著增加了38.59%，K⁺、Cl^-含量分别显著下降了12.61%、29.09%。

2.4 不同处理对土壤中脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性的影响

第30天不同处理的土壤中脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶的活性见图 2。

图 2

第30天不同处理的土壤中脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶的活性

由图 2(a)可知：与CK处理相比，P+B、P+OF处理的土壤脲酶活性分别显著提高了48.39%、40.00%。由图 2(b)可知：与CK处理相比，其他处理均能提高土壤蔗糖酶的活性，P+OF处理提高的幅度最大。由图 2(c)可知：B、P处理的土壤过氧化氢酶活性与CK处理的相比无显著性差异；P+B处理的土壤过氧化氢酶活性最高，较CK处理的提高了46.19%；P+OF处理的土壤过氧化氢酶活性次之，较CK处理的提高了41.34%。

2.5 不同处理对小白菜农艺性状的影响

不同处理的小白菜农艺性状见表 4。

表 4

不同处理的小白菜农艺性状

处理	鲜质量/g	地上部干质量/g	收获指数/%	根长/cm	根系活力/(μg·g^-1·h^-1)
CK	257.13±8.09 b	123.83±3.45 c	0.85±0.20 b	7.24±0.05 c	17.96±0.23 c
B	261.77±13.24 ab	149.18±2.73 b	0.86±0.12 b	8.33±0.11 b	24.67±0.03 b
P	259.46±9.23 b	126.44±2.02 c	0.85±0.13 b	7.46±0.07 c	19.92±0.29 c
OF	260.35±12.81 b	149.62±1.33 b	0.87±0.22 ab	8.10±0.12 b	23.52±0.17 b
P+B	284.21±9.52 a	161.31±3.25 a	0.88±0.15 a	9.19±0.04 a	27.19±0.16 a
P+OF	262.33±11.60 ab	151.08±2.43 b	0.87±0.21 ab	8.96±0.07 ab	23.74±0.08 b

由表 4可知：与CK处理相比，P+B处理的鲜质量显著提高了10.53%；P+B处理的小白菜收获指数最高，较CK处理的显著提升了3.53%；与CK处理相比，P+B处理的根长显著增加26.93%，根系活力显著提高51.39%。由此可见，生物炭与磷石膏配施对小白菜鲜质量、收获指数、根长等均有促进作用。

2.6 不同处理对小白菜品质的影响

不同处理的小白菜SPAD值以及Vc、可溶性蛋白、硝酸盐含量见图 3。

图 3

不同处理的小白菜品质指标

由图 3(a)可知，P+OF处理的小白菜SPAD值最大, 与CK处理的相比显著提高了111.52%。由图 3(b)、图 3(c)可知，P+B处理的小白菜Vc和可溶性蛋白含量最高，与CK处理相比分别显著提高了102.86%、199.80%。由图 3(d)可知，与CK处理相比，各处理显著降低了小白菜的硝酸盐含量，其中P+B处理的小白菜硝酸盐含量最低，降低了56.28%。

2.7 不同处理对小白菜硝酸还原酶、POD、CAT活性的影响

不同处理的小白菜硝酸还原酶、POD、CAT活性见图 4。

图 4

不同处理的小白菜硝酸还原酶、POD、CAT活性

由图 4(a)可知，P+B处理的硝酸还原酶活性较CK处理的显著提高了121.60%。由图 4(b)可知，P+B处理的小白菜POD活性较CK处理的显著降低了42.72%。由图 4(c)可知，P+B处理的小白菜CAT活性较CK处理的显著降低了48.82%。

3 讨论

3.1 不同碳源配施磷石膏对设施次生盐渍化土壤养分含量的影响

不同碳源与磷石膏配施能够直接或间接地调控土壤养分含量^[15]。不同碳源和磷石膏作为土壤改良剂施用于土壤后，本身含有的N、P、K、Ca、S等矿质元素可直接增加土壤养分含量^[16]；此外，通过提高土壤酶及微生物的活性，增强了土壤养分矿化和固持能力。本研究结果表明，不同碳源与磷石膏配施可显著改变土壤养分含量，土壤pH及有机质、铵态氮、速效磷和速效钾含量均明显增加。有机肥中富含的碱性物质可中和土壤酸度，提升pH^[17]；施用生物炭显著提升土壤pH的原因，可能是生物炭本身呈碱性，且含有大量的Ca²⁺ 、K⁺和Mg²⁺，可以降低土壤中Al³⁺的含量，使pH升高^[18]；有机肥替代化学氮肥可以减少硝态氮的累积和淋溶损失^[19]。不同碳源与磷石膏配施处理的土壤中硝态氮的积累显著降低了37.32%、35.75%，与韩聪颖等^[20]的研究结果一致，可能是因为有机物料可向微生物供碳，促进了微生物对土壤中残留氮源的消耗，此外化学氮肥施用的减少，也可降低设施土壤中硝态氮的积累^[21]。

3.2 不同碳源配施磷石膏对次生盐渍化土壤修复效果评价

不同碳源与磷石膏配施，磷石膏中的Ca²⁺能够与土壤胶体上的交换性Na⁺发生置换反应^[22]，还可与土壤中的CO₃^2-和HCO₃^-反应生成CaCO₃沉淀^[23]。另外，生物炭和磷石膏提供的金属离子(Ca²⁺、Mg²⁺等)以及生物炭中的有机质^[24]，能够通过促进盐碱土中胶体的絮凝和团聚体的形成来有效改良土壤结构，提高土壤渗透性，进而促进盐分淋洗，降低土壤盐含量。本研究与上述结果具有一致性，与CK处理相比，P+B处理的Na⁺、水溶性总盐含量分别显著降低了58.83%、30.23%。张进红等^[25]的研究表明，生物炭降低了土壤水溶性盐含量，与本研究结果一致。其原因可能是具备高比表面积和多孔结构的生物炭降低了土壤容重，改善了土壤孔隙结构，进而促进了土体盐分离子的淋洗。

3.3 不同碳源配施磷石膏对土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶的影响

酶活性的增强可促进土壤的代谢作用，使土壤养分形态发生变化，从而提高其有效性^[26]。李东坡等^[27]的研究表明，与施用化肥处理相比，施用有机肥处理的脲酶含量显著增加，并且与有机肥施用量呈正相关。高佳等^[28]的研究表明，与普通氮肥处理相比，添加生物炭处理的土壤脲酶含量显著提高。本研究中P+B、P+OF处理的脲酶活性分别显著提高了48.39%、40.00%，与朱利霞等^[29]的研究结果一致。不同碳源配施磷石膏处理使土壤透水、透气性增强，利于土壤发生氧化作用，促进土壤中过氧化氢酶活性的增强，其中P+B处理的土壤过氧化氢酶活性最高，较CK处理的提高了46.19%，与董志新等^[30]通过添加有机物料提高土壤过氧化氢酶活性的研究结果一致。

3.4 不同碳源配施磷石膏对小白菜生长的影响

与CK处理相比，不同碳源配施磷石膏处理的小白菜鲜质量、地上部干质量、收获指数、根长、根系活力等指标均有所增加。马嘉伟等^[31]的研究结果表明，竹炭能显著改善青菜作物的营养状况，增加产量，同时植株Vc含量也得到显著提高。本研究与上述研究结果具有一致性，生物炭配施磷石膏可以促进小白菜SPAD值、Vc与可溶性蛋白含量的提升。罗洋等^[32]的研究表明，辣椒秸秆生物炭的添加使小白菜硝酸盐含量比CK处理的显著降低。本研究发现，与CK处理相比，其他处理的小白菜硝酸盐含量均显著降低，P+B处理的小白菜硝酸盐含量最低。

任立军等^[33]的研究表明，施入有机肥处理的番茄中硝酸还原酶的活性比单施化肥处理的提高了3.90%~24.40%，与本研究结果一致，施用有机物料与磷石膏可以提高硝酸还原酶的活性。刘晓涵等^[34]的研究表明，30 g/kg生物炭可以有效降低POD的活性，活性氧清除效果较好，对盐胁迫下烟苗生长有不同程度的缓解作用。有机物料和磷石膏的联用可使小白菜体内POD活性降低，这可能与有机物料与磷石膏联用可减缓设施土壤次生盐渍化危害有关，从而为小白菜生长提供更适宜的微环境。

4 结语

(1) 有机物料与磷石膏联用能有效提高土壤养分，促进土壤pH以及有机质、速效磷、速效钾、铵态氮等含量的提升，降低土壤硝态氮的含量，其中生物炭与磷石膏联用的提升效果最好。

(2) 土壤中的水溶性总盐含量随时间的延长而降低；与CK处理相比，P+B处理的降盐效果最明显，且显著降低了土壤中的硝酸根和钠离子含量；磷石膏处理的土壤中钙离子、硫酸根含量增加，其他离子的含量无显著变化。

(3) 与CK处理相比，添加有机物料与磷石膏能显著提高土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶的活性。与添加单一材料相比，添加有机物料和磷石膏对土壤生物学特性的改善可起到提升作用。

(4) 在小白菜生长与品质方面，与CK处理相比，添加有机物料与磷石膏能够促进小白菜的生长，提高小白菜SPAD值、Vc和可溶性蛋白的含量，同时能够降低硝酸盐含量以及POD、CAT的活性，增强小白菜体内硝酸还原酶的活性。

综上，生物炭与磷石膏可以有效降低土壤次生盐渍化危害，提高小白菜的产量并改善小白菜的品质。

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