石膏和腐植酸配施對(duì)干旱鹽堿區(qū)土壤改良及棉花生長(zhǎng)的影響①

王相平，楊勁松*，張勝江，姚榮江，謝文萍

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 新疆水利水電科學(xué)研究院/新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830049)

土地鹽堿化是影響干旱和半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、資源有效利用和生產(chǎn)發(fā)展的核心問題之一。新疆鹽堿地有0.2 億hm2，約占新疆土地面積的1/8、平原區(qū)的 1/4[1]，其中鹽堿化耕地占灌區(qū)耕地的37.72%，南疆鹽堿化耕地占總耕地面積的49.6%[2]。合理開發(fā)、治理與利用巨大的鹽堿地資源，是解決人口日益增加與耕地逐漸減少的矛盾的重要突破口，對(duì)促進(jìn)我國(guó)耕地資源占補(bǔ)平衡、保持地區(qū)耕地總量、確保糧食安全具有重要意義。

鹽堿地改良和修復(fù)措施主要包括物理、化學(xué)、生物和水利工程等[3-5]，其中由于物理、生物和水利工程等方法投入代價(jià)大、周期長(zhǎng)，在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用化學(xué)改良劑是主要修復(fù)措施之一[6-7]。化學(xué)措施改良鹽堿土通過(guò)施用改良物質(zhì)置換土壤中的Na+、降低土壤堿性、凝聚土壤顆粒和改善土壤結(jié)構(gòu)，達(dá)到加速鹽分淋洗的目的。因此常用的化學(xué)改良材料包括含鈣類(石膏、脫硫石膏、磷石膏等)、酸性物質(zhì)(硫磺、硫酸鋁等)和有機(jī)物料類(腐植酸、沼液、木醋液等)。其中石膏和腐植酸由于其環(huán)境友好性[7]，在鹽堿地和反酸田改良[8-13]方面均有研究報(bào)道，且其混合施用效果在改良鹽堿地方面效果顯著，因此常作為化學(xué)改良措施的首選材料[10]。劉娟等[12]在新疆農(nóng)八師134 團(tuán)開展了滴灌條件下脫硫石膏對(duì)鹽堿土改良效果研究，結(jié)果表明，施用脫硫石膏可明顯降低0 ～ 20 cm 土壤電導(dǎo)率和pH。Zhao 等[13]研究了燃?xì)饷摿蚴鄬?duì)東北蘇打鹽堿土的改良效果，結(jié)果表明，脫硫石膏施用2 a 后，土壤電導(dǎo)率和pH 可下降38.6% 和14.6%。顧鑫等[14]通過(guò)小白菜盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，天然煤炭腐植酸可降低土壤pH 和電導(dǎo)率，增加土壤含水率。孫在金[10]研究表明，脫硫石膏和腐植酸配施對(duì)濱海地區(qū)中高鹽堿化土壤改良效應(yīng)顯著，可改善土壤的理化性能，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。周陽(yáng)[15]認(rèn)為脫硫石膏和腐植酸配施可顯著提高鹽堿地玉米產(chǎn)量，降低土壤容重、pH 和堿化度。Bacilio 等[16]研究表明，通過(guò)施用腐植酸可改善鹽堿地上胡椒的生長(zhǎng)指標(biāo)。綜上所述，前人多研究改良劑對(duì)鹽堿化土壤理化性質(zhì)的影響，而對(duì)干旱區(qū)鹽堿地改良以及棉花的生長(zhǎng)發(fā)育情況研究較少，綜合分析石膏、腐植酸及其兩者混施對(duì)干旱區(qū)鹽堿耕地土壤改良效果和棉花生長(zhǎng)影響的研究，更是鮮有報(bào)道。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，研究石膏和腐植酸不同配比及其不同施用量對(duì)干旱鹽堿區(qū)土壤鹽分含量、pH和棉花生長(zhǎng)的影響，探索該地區(qū)石膏和腐植酸最佳使用配比及施用量，以期為該地區(qū)鹽堿土治理改良提供一定的科學(xué)參考。

1 試驗(yàn)區(qū)概況與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在新疆巴音郭楞蒙古自治州水利管理處灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行(41°36′N，86°12′E)。試驗(yàn)區(qū)位于南疆庫(kù)爾勒市西尼爾鎮(zhèn)，處于天山南麓塔里木盆地邊緣孔雀河沖積平原帶；屬暖溫帶大陸性荒漠氣候，干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，晝夜溫差大。年平均氣溫11.5 ℃，無(wú)霜期191 d，日照時(shí)數(shù)3 036.2 h，年平均降雨量53.3 ～62.7 mm，潛在蒸發(fā)量2 273 ～ 2 788 mm，地下水位埋深在1.4 ～ 2.4 m。試驗(yàn)區(qū)土壤基本理化性質(zhì)如表1 所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置改良劑處理組合和空白對(duì)照共9 個(gè)處理(表2)，即完全對(duì)照處理CK、單施石膏處理、單施腐植酸處理，以及根據(jù)石膏和腐植酸不同質(zhì)量配比設(shè)置2 種配方處理，每種配方設(shè)置高、中、低3 種用量。其中，S 表示石膏，F(xiàn) 表示腐植酸，L 表示低用量，M 表示中用量，H 表示高用量，1 表示配方一，2 表示配方二。試驗(yàn)在田間小區(qū)進(jìn)行，小區(qū)長(zhǎng)7 m，寬度為4 個(gè)覆膜寬度約6 m，以中間兩膜覆蓋區(qū)域?yàn)椴蓸訁^(qū)域，兩邊覆膜區(qū)域?yàn)楸Ｗo(hù)行，各處理隨機(jī)排列。本試驗(yàn)石膏施用量參考羅小東等[17]在該試驗(yàn)區(qū)研究結(jié)果。供試腐植酸為新疆雙龍腐植酸有限公司生產(chǎn)，其中腐植酸(干基)≥60%，推薦用量為450 kg/hm2。石膏和腐植酸改良劑于翻地前撒播于土壤表層，翻地時(shí)與耕層土壤混勻。

供試作物為棉花，于2017 年4 月24 日播種，施用底肥磷酸二銨750 kg/hm2、硫酸鉀75 kg/hm2，灌水方式為膜下滴灌，田間管理同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方式保持一致。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil physiochemical properties in experimental area

表2 試驗(yàn)處理Table 2 Treatments of experiment

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤含鹽量和pH 測(cè)定[18]：在施加改良劑前和棉花收獲后，分別在0 ～ 10、10 ～ 20、20 ～ 40、40 ～ 60、60 ～ 80 和80 ～ 100 cm 土層采集土壤樣品，測(cè)定其鹽分含量和pH，其中，土壤鹽分含量采用土水質(zhì)量比1∶5 電導(dǎo)法測(cè)定，pH 采用土水質(zhì)量比1∶5 電位法測(cè)定。

棉花生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定：在棉花生育期，每個(gè)小區(qū)選定3 株棉花，定期采用米尺和游標(biāo)卡尺分別測(cè)定其株高和莖粗。在收獲前期，在試驗(yàn)區(qū)選擇一定面積對(duì)其區(qū)域內(nèi)棉花株數(shù)和棉桃數(shù)進(jìn)行計(jì)量，并隨機(jī)采集50朵棉絮進(jìn)行晾曬稱重，根據(jù)測(cè)產(chǎn)面積、棉花株數(shù)、棉桃數(shù)和50 朵棉絮質(zhì)量計(jì)算小區(qū)棉花產(chǎn)量。由于樣方測(cè)產(chǎn)數(shù)據(jù)一般偏高，因此實(shí)測(cè)棉花產(chǎn)量為小區(qū)計(jì)算棉花產(chǎn)量乘以0.85。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改良劑對(duì)土壤鹽分含量的影響

由表3可以看出，施用不同改良劑后，在0 ～ 10 cm土層，各改良劑處理土壤鹽分含量都低于CK，其中以H1 處理土壤鹽分含量最低，為4.72 g/kg，較CK 降低31%，L1 處理土壤鹽分含量與CK 接近，為6.78 g/kg，鹽分含量?jī)H下降1%；在10 ～ 20 cm 土層，各改良劑處理土壤鹽分含量均明顯低于CK，其中M2 處理土壤鹽分含量較CK 降低最多，為5.07 g/kg，其次為M1 和S 處理，F(xiàn) 處理土壤鹽分含量降低最少，為7.13 g/kg；在20 ～ 40 cm 土層，除S、L2 和M2處理外，其他處理鹽分含量均大于CK，其中以H2和L1 處理土壤鹽分含量最大，較CK 土壤鹽分含量高約47%，這也說(shuō)明在灌溉淋洗作用下，施用改良劑處理小區(qū)土壤鹽分更容易向下淋洗；在40 ～ 80 cm 土層，除個(gè)別處理外，各改良劑處理土壤鹽分含量均小于CK；在80 ～ 100 cm 土層，各改良劑處理土壤鹽分含量除L2 處理外，與CK 差別不大。通過(guò)對(duì)整個(gè)剖面土壤鹽分分布的分析發(fā)現(xiàn)，施用改良劑處理的小區(qū)土壤鹽分在20 ～ 40 cm 土層有累積現(xiàn)象，這可能是由于棉花生育期采用滴灌灌溉方式，土壤鹽分淋洗深度有限。羅小東等[17]也研究發(fā)現(xiàn)，在0 ～ 20 cm 土層范圍內(nèi)，土壤含鹽量呈現(xiàn)降低現(xiàn)象，在30 ～ 40 cm 土層范圍內(nèi)，有些處理相比對(duì)照有積鹽現(xiàn)象。

將不同改良劑處理0 ～ 20 cm 土層土壤鹽分平均含量與CK 土壤鹽分的差值作為衡量各改良劑在降低土壤鹽分含量方面的效果，可以發(fā)現(xiàn)，H1、M1、M2、S 和H2 處理降低鹽分效果較好，脫鹽率分別為26.6%、24.3%、22.8%、22.6% 和20.6%；而F、L2和L1 處理在脫鹽效果方面稍遜于其他處理，脫鹽率分別為11.5%、10.0% 和9.9%。石膏(90%)和腐植酸(10%)配比施用在施用量為3 000 和4 500 kg/hm2時(shí)，土壤脫鹽效果優(yōu)于單獨(dú)施用石膏4 500 kg/hm2和腐植酸450 kg/hm2。

表3 棉花收獲后不同處理土壤鹽分含量(g/kg)Table 3 Soil salt contents under different treatments after cotton harvesting

2.2 不同改良劑對(duì)土壤pH 的影響

表4 為不同試驗(yàn)處理棉花收獲后土壤剖面pH，可以看出，在0 ～ 10 cm 土層，除S 處理土壤pH 略高于CK 外，其他處理土壤pH 相較于CK 均有所降低，其中以M1 處理降低效果最為明顯，降低了0.16個(gè)單位；在10 ～ 20 cm 土層，除L2 處理外，施用改良劑處理土壤pH 均小于CK，其中以L1 處理降低效果最為明顯，降低了0.22 個(gè)單位；而在20 ～ 40 cm 土層，除L2 處理土壤pH 略高于CK 外，其他處理均小于CK，且以L1 和H1 處理降低效果最為明顯；在40 cm 土層以下，由于滴灌灌溉水量和改良劑作用深度的原因，各處理土壤pH 變化規(guī)律不如0 ～ 40 cm 土壤表現(xiàn)明顯，變化趨勢(shì)更多的是反映了土壤pH 本來(lái)的分布特征。

從0 ～ 20 cm 土層土壤平均pH 變化來(lái)看，石膏與腐植酸配比施用處理降低pH 效果要優(yōu)于S 處理；L1、M1、H1 和H2 處理降低pH 效果優(yōu)于F 處理，L2 處理降低pH 效果劣于F 處理，M2 處理降低土壤pH 效果與F 處理效果相當(dāng)。這可能是因?yàn)槭嘣谥泻屯寥缐A性降低pH 的同時(shí)，土壤中HCO–3的相對(duì)含量隨鹽分降低而增加，導(dǎo)致pH 升高[19]，而腐植酸分子結(jié)構(gòu)中含有羥基和酚羥基等活性功能團(tuán)，因此具有弱酸性，通過(guò)酸堿中和作用使土壤pH 降低。

表4 棉花收獲后不同處理土壤pHTable 4 Soil pH values under different treatments after cotton harvesting

2.3 不同改良劑對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響

棉花生育期間，分別于2017 年6 月7 日和7 月27 日對(duì)棉花株高、莖粗指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定(圖1)。從圖1A 可以看出，在棉花生長(zhǎng)前期，除CK 外，其他處理之間無(wú)明顯差別，H1 和H2 處理株高最大，分別為 17.1 和16.9 cm；在棉花生長(zhǎng)后期，F(xiàn) 處理棉花生長(zhǎng)加速，株高最高，為64.5 cm，其次為M1 和M2處理，CK 株高最低為44.5 cm。從顯著性分析來(lái)看，兩次測(cè)定結(jié)果F、M1 和M2 處理之間無(wú)顯著差別。從圖 1B 可以看出，不論在棉花生長(zhǎng)早期還是后期，L2 處理棉花莖粗均最大。除CK 和H2 處理外，其他處理在棉花生長(zhǎng)后期莖粗無(wú)顯著差別；除H2 處理外，施用改良劑處理棉花莖粗均顯著大于CK，表明改良劑的施用改善了棉花根系生長(zhǎng)的環(huán)境條件，更加有利于根層養(yǎng)分的利用，促進(jìn)棉花的生長(zhǎng)。

圖1 不同改良劑處理對(duì)棉花株高(A)、莖粗(B)及產(chǎn)量(C)的影響Fig.1 Heights, stem diameters and yields of cotton under different soil amendments

施用改良劑后，棉花產(chǎn)量都高于CK，其中以F處理對(duì)棉花產(chǎn)量提高最多，其次為M1、M2 和H2處理，產(chǎn)量均超過(guò)了6 000 kg/hm2，相較于CK，F(xiàn)、M1、M2 和H2 處理棉花產(chǎn)量增加了29.8%、24.0%、22.2% 和17.0%；S、L1、L2 和H1 處理棉花產(chǎn)量均大于5 850 kg/hm2，分別比CK 增加了14.4%、13.4%、12.7% 和12.4%(圖1C)。

3 討論

3.1 改良劑對(duì)土壤鹽分和pH 的影響

石膏加入土壤后，通過(guò)Ca2+置換土壤膠體上吸附的Na+和Mg2+，使鈉質(zhì)親水膠體變?yōu)殁}質(zhì)疏水膠體，從而改善土壤結(jié)構(gòu)和通透性，起到了脫鹽和抑鹽作用，同時(shí)還可以降低土壤的pH、堿化度及土壤的容重與緊實(shí)度[20-21]。而腐植酸是土壤中的重要有機(jī)部分，一般占土壤有機(jī)質(zhì)的60% 左右，通過(guò)影響土壤鹽基交換量、影響土壤持水性、促進(jìn)土壤團(tuán)粒形成、控制土壤中各類離子遷移、固定和淋溶等來(lái)改良鹽堿土[10,15-16,22]。腐植酸和石膏配施可加大石膏的溶解量[23-24]，進(jìn)而提升Na+置換能力，強(qiáng)化石膏改良鹽堿土效果。王曉洋等[22]研究表明，在江蘇濱海地區(qū)腐植酸與石膏配施降低鹽分效果最好。這可能是由于腐植酸的陽(yáng)離子交換量比一般土壤高10 倍以上，施入腐植酸后，土壤對(duì)Ca2+的吸附能力顯著提高，加速了Na+等的淋洗，從而使表層土壤鹽分下降[25]。岳殷萍等[23]通過(guò)土柱淋洗試驗(yàn)研究得出，脫硫石膏與腐植酸配施在改良鹽堿土方面效果顯著。Nan 等[26]研究表明，脫硫石膏和腐植酸配施，可增加土壤含水率，顯著降低土壤Na+、Cl-、鹽分含量和pH。本文研究也表明，石膏和腐植酸9∶1 配施降低土壤鹽分和pH 效果優(yōu)于單獨(dú)使用石膏的S 處理。進(jìn)一步分析CK、S 和H1 處理土壤Na+、Mg2+和Ca2+變化情況，CK、S 和H1 處理0 ～ 20 cm 土壤Na+含量分別為0.239、0.065 和0.027 g/kg，Mg2+含量分別為0.204、0.199 和0.166 g/kg，Ca2+含量分別為0.412、0.504和0.644 g/kg。試驗(yàn)結(jié)果表明，S 處理相比CK，土壤Na+含量下降了72.8%，Mg2+含量下降了2.5%，Ca2+含量增加了22.3%；而H1 處理相比CK，土壤Na+含量下降了88.7%，Mg2+含量下降了18.6%，Ca2+含量增加了56.3%，相比S 處理，土壤Ca2+含量增加了27.8%，Na+含量下降了58.5%，大大提升了Na+置換能力，印證了已有研究結(jié)論。

3.2 改良劑對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響

棉花生長(zhǎng)受多種因素影響，對(duì)0 ～ 20 cm 土層土壤鹽分平均含量與棉花產(chǎn)量做回歸分析，得到的回歸方程為y=-721.22x2+8831.1x-20682，R2=0.574，方程擬合度較好，說(shuō)明在鹽漬化地區(qū)棉花產(chǎn)量受土壤鹽分含量影響較大，鹽分含量是限制該地區(qū)棉花增產(chǎn)的主要因素。進(jìn)一步分析鹽分?jǐn)?shù)據(jù)和產(chǎn)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在鹽分含量超過(guò)6 g/kg 以后，產(chǎn)量開始呈線性下降趨勢(shì)，這也與前人在新疆地區(qū)研究的棉花耐鹽閾值類似，張?jiān)サ萚27]研究發(fā)現(xiàn)在阿克蘇河灌區(qū)0 ～ 20 cm 土壤鹽分含量為5.6 g/kg 時(shí)，棉花減產(chǎn)速率最大。施用改良劑，有效降低了土壤鹽分含量，進(jìn)而促進(jìn)了棉花株高、莖粗的生長(zhǎng)，提高了產(chǎn)量。以產(chǎn)量為例，棉花產(chǎn)量由低到高依次為CK＜H1＜L2＜L1＜S＜H2＜M2＜M1＜F，0 ～20 cm 土層土壤鹽分平均含量由大到小依次為CK＞L1=L2＞F＞H2＞S＞M2＞M1＞H1，除H1 和F 處理外，棉花產(chǎn)量排序基本與鹽分高低排序相反，說(shuō)明改良劑降低鹽分效果越好，棉花產(chǎn)量提高越多。本研究結(jié)果表明石膏和腐植酸9∶1 組合根據(jù)用量不同可實(shí)現(xiàn)棉花增產(chǎn)12.4% ～ 24.0%，并促進(jìn)棉花株高和莖粗生長(zhǎng)。這是因?yàn)楦菜崮軌虼龠M(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，改善土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤的水、肥、氣、熱狀況，從而改善作物的生長(zhǎng)環(huán)境；而石膏中的Ca2+可以置換出吸附在土壤中的Na+，并通過(guò)灌溉淋洗作用，將Na+淋洗出作物根層，為作物創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)環(huán)境。不管是單獨(dú)施用石膏、腐植酸還是兩者的配比施用，均改善了土壤的物理特性、棉花生長(zhǎng)的水鹽環(huán)境，有利于根系養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而促進(jìn)了棉花的生長(zhǎng)。南江寬等[28]研究了不同改良劑對(duì)濱海鹽漬土鹽堿指標(biāo)和作物產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明施用腐植酸對(duì)油菜和玉米產(chǎn)量的提高最有效。羅小東等[17]研究石膏不同施用量對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明各施用量情況下均促進(jìn)了棉花莖粗和產(chǎn)量的提高，以施用量為土壤Na+含量的200%時(shí)，棉花的莖粗和產(chǎn)量增加最多。張伶波等[6]研究表明，脫硫石膏和腐植酸1∶1 組合可實(shí)現(xiàn)玉米增產(chǎn)40%。

4 結(jié)論

1)各鹽堿改良劑處理可明顯降低0 ～ 20 cm 土層土壤鹽分含量和pH。不同改良劑處理土壤含鹽量和pH 降低效果不同，以石膏和腐植酸9∶1 組合施用量3 000 和4 500 kg/hm2降低鹽分效果較好，降鹽率可達(dá)20%；石膏與腐植酸配施降pH 效果好于單獨(dú)施用石膏處理，以石膏和腐植酸9.5∶1 組合施用量1 500 kg/hm2降低pH 效果最為明顯。

2)各鹽堿改良劑處理均可促進(jìn)棉花生長(zhǎng)，提高棉花產(chǎn)量。綜合分析各試驗(yàn)處理棉花株高、莖粗和產(chǎn)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)石膏和腐植酸9∶1 組合施用量3 000 kg/hm2增產(chǎn)效果較好。

3)綜合棉花生長(zhǎng)指標(biāo)和土壤改良效果，該區(qū)推薦鹽堿土改良劑為石膏和腐植酸9∶1 組合，施用量3 000 kg/hm2時(shí)，0 ～ 20 cm 土壤鹽分含量較CK 下降24.3%，棉花增產(chǎn)24%。