石膏和腐植酸配施對干旱鹽堿區土壤改良及棉花生長的影響①

王相平，楊勁松*，張勝江，姚榮江，謝文萍

(1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2 新疆水利水電科學研究院/新疆農業節水工程技術研究中心，烏魯木齊 830049)

土地鹽堿化是影響干旱和半干旱地區生態系統穩定、資源有效利用和生產發展的核心問題之一。新疆鹽堿地有0.2 億hm2，約占新疆土地面積的1/8、平原區的 1/4[1]，其中鹽堿化耕地占灌區耕地的37.72%，南疆鹽堿化耕地占總耕地面積的49.6%[2]。合理開發、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，對促進我國耕地資源占補平衡、保持地區耕地總量、確保糧食安全具有重要意義。

鹽堿地改良和修復措施主要包括物理、化學、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大、周期長，在生產實踐中應用化學改良劑是主要修復措施之一[6-7]。化學措施改良鹽堿土通過施用改良物質置換土壤中的Na+、降低土壤堿性、凝聚土壤顆粒和改善土壤結構，達到加速鹽分淋洗的目的。因此常用的化學改良材料包括含鈣類(石膏、脫硫石膏、磷石膏等)、酸性物質(硫磺、硫酸鋁等)和有機物料類(腐植酸、沼液、木醋液等)。其中石膏和腐植酸由于其環境友好性[7]，在鹽堿地和反酸田改良[8-13]方面均有研究報道，且其混合施用效果在改良鹽堿地方面效果顯著，因此常作為化學改良措施的首選材料[10]。劉娟等[12]在新疆農八師134 團開展了滴灌條件下脫硫石膏對鹽堿土改良效果研究，結果表明，施用脫硫石膏可明顯降低0 ～ 20 cm 土壤電導率和pH。Zhao 等[13]研究了燃氣脫硫石膏對東北蘇打鹽堿土的改良效果，結果表明，脫硫石膏施用2 a 后，土壤電導率和pH 可下降38.6% 和14.6%。顧鑫等[14]通過小白菜盆栽試驗發現，天然煤炭腐植酸可降低土壤pH 和電導率，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濱海地區中高鹽堿化土壤改良效應顯著，可改善土壤的理化性能，促進植物生長。周陽[15]認為脫硫石膏和腐植酸配施可顯著提高鹽堿地玉米產量，降低土壤容重、pH 和堿化度。Bacilio 等[16]研究表明，通過施用腐植酸可改善鹽堿地上胡椒的生長指標。綜上所述，前人多研究改良劑對鹽堿化土壤理化性質的影響，而對干旱區鹽堿地改良以及棉花的生長發育情況研究較少，綜合分析石膏、腐植酸及其兩者混施對干旱區鹽堿耕地土壤改良效果和棉花生長影響的研究，更是鮮有報道。因此，本文在前人研究的基礎上，研究石膏和腐植酸不同配比及其不同施用量對干旱鹽堿區土壤鹽分含量、pH和棉花生長的影響，探索該地區石膏和腐植酸最佳使用配比及施用量，以期為該地區鹽堿土治理改良提供一定的科學參考。

1 試驗區概況與試驗方法

1.1 試驗區概況

試驗在新疆巴音郭楞蒙古自治州水利管理處灌溉試驗站進行(41°36′N，86°12′E)。試驗區位于南疆庫爾勒市西尼爾鎮，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，蒸發強烈，晝夜溫差大。年平均氣溫11.5 ℃，無霜期191 d，日照時數3 036.2 h，年平均降雨量53.3 ～62.7 mm，潛在蒸發量2 273 ～ 2 788 mm，地下水位埋深在1.4 ～ 2.4 m。試驗區土壤基本理化性質如表1 所示。

1.2 試驗設計

試驗設置改良劑處理組合和空白對照共9 個處理(表2)，即完全對照處理CK、單施石膏處理、單施腐植酸處理，以及根據石膏和腐植酸不同質量配比設置2 種配方處理，每種配方設置高、中、低3 種用量。其中，S 表示石膏，F 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。試驗在田間小區進行，小區長7 m，寬度為4 個覆膜寬度約6 m，以中間兩膜覆蓋區域為采樣區域，兩邊覆膜區域為保護行，各處理隨機排列。本試驗石膏施用量參考羅小東等[17]在該試驗區研究結果。供試腐植酸為新疆雙龍腐植酸有限公司生產，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，田間管理同當地常規方式保持一致。

表1 試驗區土壤理化性質Table 1 Soil physiochemical properties in experimental area

表2 試驗處理Table 2 Treatments of experiment

1.3 測定項目與方法

土壤含鹽量和pH 測定[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，測定其鹽分含量和pH，其中，土壤鹽分含量采用土水質量比1∶5 電導法測定，pH 采用土水質量比1∶5 電位法測定。

棉花生長指標測定：在棉花生育期，每個小區選定3 株棉花，定期采用米尺和游標卡尺分別測定其株高和莖粗。在收獲前期，在試驗區選擇一定面積對其區域內棉花株數和棉桃數進行計量，并隨機采集50朵棉絮進行晾曬稱重，根據測產面積、棉花株數、棉桃數和50 朵棉絮質量計算小區棉花產量。由于樣方測產數據一般偏高，因此實測棉花產量為小區計算棉花產量乘以0.85。

2 結果與分析

2.1 不同改良劑對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，鹽分含量僅下降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 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%，這也說明在灌溉淋洗作用下，施用改良劑處理小區土壤鹽分更容易向下淋洗；在40 ～ 80 cm 土層，除個別處理外，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。通過對整個剖面土壤鹽分分布的分析發現，施用改良劑處理的小區土壤鹽分在20 ～ 40 cm 土層有累積現象，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]也研究發現，在0 ～ 20 cm 土層范圍內，土壤含鹽量呈現降低現象，在30 ～ 40 cm 土層范圍內，有些處理相比對照有積鹽現象。

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，可以發現，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，土壤脫鹽效果優于單獨施用石膏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 不同改良劑對土壤pH 的影響

表4 為不同試驗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 變化規律不如0 ～ 40 cm 土壤表現明顯，變化趨勢更多的是反映了土壤pH 本來的分布特征。

從0 ～ 20 cm 土層土壤平均pH 變化來看，石膏與腐植酸配比施用處理降低pH 效果要優于S 處理；L1、M1、H1 和H2 處理降低pH 效果優于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。這可能是因為石膏在中和土壤堿性降低pH 的同時，土壤中HCO–3的相對含量隨鹽分降低而增加，導致pH 升高[19]，而腐植酸分子結構中含有羥基和酚羥基等活性功能團，因此具有弱酸性，通過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 不同改良劑對棉花生長的影響

棉花生育期間，分別于2017 年6 月7 日和7 月27 日對棉花株高、莖粗指標進行了測定(圖1)。從圖1A 可以看出，在棉花生長前期，除CK 外，其他處理之間無明顯差別，H1 和H2 處理株高最大，分別為 17.1 和16.9 cm；在棉花生長后期，F 處理棉花生長加速，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。從顯著性分析來看，兩次測定結果F、M1 和M2 處理之間無顯著差別。從圖 1B 可以看出，不論在棉花生長早期還是后期，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后期莖粗無顯著差別；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的環境條件，更加有利于根層養分的利用，促進棉花的生長。

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

施用改良劑后，棉花產量都高于CK，其中以F處理對棉花產量提高最多，其次為M1、M2 和H2處理，產量均超過了6 000 kg/hm2，相較于CK，F、M1、M2 和H2 處理棉花產量增加了29.8%、24.0%、22.2% 和17.0%；S、L1、L2 和H1 處理棉花產量均大于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 改良劑對土壤鹽分和pH 的影響

石膏加入土壤后，通過Ca2+置換土壤膠體上吸附的Na+和Mg2+，使鈉質親水膠體變為鈣質疏水膠體，從而改善土壤結構和通透性，起到了脫鹽和抑鹽作用，同時還可以降低土壤的pH、堿化度及土壤的容重與緊實度[20-21]。而腐植酸是土壤中的重要有機部分，一般占土壤有機質的60% 左右，通過影響土壤鹽基交換量、影響土壤持水性、促進土壤團粒形成、控制土壤中各類離子遷移、固定和淋溶等來改良鹽堿土[10,15-16,22]。腐植酸和石膏配施可加大石膏的溶解量[23-24]，進而提升Na+置換能力，強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離子交換量比一般土壤高10 倍以上，施入腐植酸后，土壤對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]通過土柱淋洗試驗研究得出，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 效果優于單獨使用石膏的S 處理。進一步分析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。試驗結果表明，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，印證了已有研究結論。

3.2 改良劑對棉花生長的影響

棉花生長受多種因素影響，對0 ～ 20 cm 土層土壤鹽分平均含量與棉花產量做回歸分析，得到的回歸方程為y=-721.22x2+8831.1x-20682，R2=0.574，方程擬合度較好，說明在鹽漬化地區棉花產量受土壤鹽分含量影響較大，鹽分含量是限制該地區棉花增產的主要因素。進一步分析鹽分數據和產量數據發現，在鹽分含量超過6 g/kg 以后，產量開始呈線性下降趨勢，這也與前人在新疆地區研究的棉花耐鹽閾值類似，張豫等[27]研究發現在阿克蘇河灌區0 ～ 20 cm 土壤鹽分含量為5.6 g/kg 時，棉花減產速率最大。施用改良劑，有效降低了土壤鹽分含量，進而促進了棉花株高、莖粗的生長，提高了產量。以產量為例，棉花產量由低到高依次為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，棉花產量排序基本與鹽分高低排序相反，說明改良劑降低鹽分效果越好，棉花產量提高越多。本研究結果表明石膏和腐植酸9∶1 組合根據用量不同可實現棉花增產12.4% ～ 24.0%，并促進棉花株高和莖粗生長。這是因為腐植酸能夠促進土壤團聚體的形成，改善土壤的團粒結構，調節土壤的水、肥、氣、熱狀況，從而改善作物的生長環境；而石膏中的Ca2+可以置換出吸附在土壤中的Na+，并通過灌溉淋洗作用，將Na+淋洗出作物根層，為作物創造良好的生長環境。不管是單獨施用石膏、腐植酸還是兩者的配比施用，均改善了土壤的物理特性、棉花生長的水鹽環境，有利于根系養分的吸收，進而促進了棉花的生長。南江寬等[28]研究了不同改良劑對濱海鹽漬土鹽堿指標和作物產量的影響，結果表明施用腐植酸對油菜和玉米產量的提高最有效。羅小東等[17]研究石膏不同施用量對棉花生長的影響，結果表明各施用量情況下均促進了棉花莖粗和產量的提高，以施用量為土壤Na+含量的200%時，棉花的莖粗和產量增加最多。張伶波等[6]研究表明，脫硫石膏和腐植酸1∶1 組合可實現玉米增產40%。

4 結論

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20%；石膏與腐植酸配施降pH 效果好于單獨施用石膏處理，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棉花生長，提高棉花產量。綜合分析各試驗處理棉花株高、莖粗和產量結果，發現石膏和腐植酸9∶1 組合施用量3 000 kg/hm2增產效果較好。

3)綜合棉花生長指標和土壤改良效果，該區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，0 ～ 20 cm 土壤鹽分含量較CK 下降24.3%，棉花增產24%。