生態有機肥配施對濱海鹽漬化土壤性質和玉米產量的影響

張曉東，魯雪林，吳哲，王秀萍*，劉廣明，陶樹明，劉雅輝，韓建均

（1.河北省農林科學院濱海農業研究所，河北 唐山 063200；2.中國科學院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；3.北京中耕綠洲生態科技有限公司，北京 100070；4.北京本農科技發展有限公司，北京100176）

受陸海交替作用的影響，濱海鹽堿地土壤鹽堿含量高、結構性差、養分貧瘠，種植作物產量低，嚴重制約著濱海土地資源質量的提升與農業的高效利用[1，2]。我國濱海鹽堿地資源豐富，面積達9 913萬hm2，是重要的后備土地資源。2011年李振聲院士提出“建設渤海糧倉”，挖掘中低產田的增產潛力，以保障我國糧食總產持續穩定增長[3]。滄州濱海區是“渤海糧倉科技示范工程”的重要示范區，地處環渤海腹地，是歷史上主要的鹽堿區。該區土壤鹽漬化程度高，含鹽量一般為0.112%～1.67%，高者達3%以上，pH值一般在8.0以上；中低產田和鹽堿荒地面積大，規模為30.44萬hm2，占環渤海鹽堿地總面積的近1/3，占河北省鹽堿地總面積的82.48%[4]；糧食單產水平低，增產潛力大。經過多年治理，雖然障礙鹽堿地規模有所減少、程度有所降低，但治理率不足13%；加上濱海鹽漬化土壤受海水侵蝕的影響，低下水位低、礦化度高，返鹽嚴重，導致作物產量低且不穩，生產可持續性差。據滄州市主要糧食生產狀況分析，近年來該區玉米單產和總產均出現下跌趨勢，嚴重影響了區域經濟的可持續發展[5]。

在濱海鹽漬化地區進行糧食生產，一方面要選用耐鹽作物品種，同時還要提升土壤質量，培育相應的土壤肥力，以支撐作物的生產能力[6]。國內外科研工作者在濱海鹽堿地治理與利用的理論研究（濱海鹽堿地土壤鹽分組成、空間分布特征、養分特征和生物特性）[7]、綜合治理技術開發（臺田降水、開溝洗鹽、地下隔離、地上覆蓋、套種綠肥等）[8]和改良物料材料選擇（增施酸性無機肥、有機肥、磷石膏、有機無機復合物料等）[9]等方面進行了大量工作，在降低土壤含鹽量、提高土壤肥力、增加提高糧食產量方面取得了良好成效。其中，有機物料具有環境友好、可持續性強的特點，越來越受到人們的關注[9，10]。研究表明，施用有機肥能夠顯著提高土壤有機質和速效養分含量，改善土壤結構，減少地面水分蒸發，抑制水鹽向上運行，加速水鹽向下淋洗，顯著增加作物產量[10]；施用生物有機肥能夠有效提高土壤微生物數量和土壤酶活性，促進養分循環與釋放，緩解高pH值和EC（電導率）值等土壤理化參數，從根本上提升鹽堿土質量，改善鹽堿地土壤營養貧乏的現狀[11]；秸稈還田能夠降低土壤含鹽量，提高土壤養分含量，蘆葦秸稈還田在降低鹽堿土pH值方面效果顯著[12]；菌肥與有機肥配施能夠顯著降低濱海鹽堿地土壤的含鹽量、pH值和鈉吸附比，改善鹽堿地土壤肥力，增加鹽堿地土壤微生物量數量，提高作物產量[13，14]。

玉米耐鹽堿能力較強，且生長期正處于雨季，是濱海鹽堿地區主要的糧食作物。玉米生長期短，但生物量大，因此對養分需求較多[15]。而鹽漬土壤結構不合理、養分貧瘠，化肥施用后又很快溶解為離子，使得鹽害疊加，易對種苗造成鹽害，導致作物產量低且不穩。蘆葦秸稈不僅在濱海區取材便利，而且質地堅硬，能降低土壤容重和含鹽量，提高土壤N、P、K和有機質含量，從而提高土壤肥力[16]。以滄州地區典型的鹽堿障礙耕地為研究對象，選擇蘆葦秸稈、有機肥和生物有機肥作為生物有機物料，研究3種物料不同用量配施對濱海鹽漬化土壤脫鹽降堿、肥力提高以及作物增產的效應，旨為構建濱海鹽堿障礙耕地適宜的培肥改土增產技術體系，并實現區域鹽漬化土壤資源的可持續利用，從而促進區域經濟的進一步發展。

1 材料與方法

1.1 試驗區基本情況

試驗在滄州市南大港開發區進行。該區地處東經117°39′、北緯38°42′，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫14.01℃；地下水埋深常年在0.8～1.7 m，多為咸水，淡水資源極度匱乏，屬于旱作雨養區。試驗地土壤質地屬粉砂壤質，容重1.49 g/cm3，pH值8.3～8.4，含鹽量0.37%～0.48%，基礎養分含量為有機質0.258%、有效磷27.27 mg/kg、堿解氮21 mg/kg、速效鉀800.88 mg/kg，土壤特性表現為缺氮、少磷、有機質低，整體土壤養分水平低。土壤鹽漬化嚴重，地下水位淺、礦化度高，淡水資源短缺，導致該區作物產量低，主要糧食作物小麥產量水平在4.5 t/hm2以下，玉米產量水平低于滄州市的平均水平（6.0 t/hm2）[17]。

試驗于2019年6月27日開始，2020年11月結束。該區域2019年、2020年的日照時數分別為2 603.4和2 384.4 h；≥10℃積溫分別為4 943.1和4 942.5℃；降水量分別為556.6和735.2 mm，降水集中在七八月（圖1），分別占全年降水量的76.6%和76.35%。

圖1 試驗區2019～2020年的逐月降水量Fig.1 Monthly precipitation of experimental area from 2019 to 2020

1.2 試驗材料

試驗玉米品種為鄭單958。

試驗生物有機物料有蘆葦秸稈、有機肥和生物有機肥3種。其中，蘆葦秸稈為當地野生蘆葦秸稈粉碎而成的長3～4 cm的短節；有機肥采用腐熟的干牛糞，有機質含量≥56%；生物有機肥由北京中耕綠洲生態科技有限公司提供，有效活菌數≥0.20億個/g，有機質含量≥40%。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 選擇蘆葦秸稈、有機肥和生物有機肥作為改良土壤的物料，其施用量均設3個水平（表1）。采用三因素三水平的L9（33）正交試驗設計（表2），所有試驗小區均一次性基施三元復合肥（N、P2O5、K2O含量均為15%）600 kg/hm2，拔節至穗分化期追施尿素375 kg/hm2。2019年平整土地后，依次均勻撒施3種物料作為改良物料，然后淺耕20～30 cm。小區面積10.8 m2（1.2 m×9.0 m），隨機區組排列，3次重復。

表1 3種生物有機物料不同水平的施用量Table 1 Different application levels of three kinds of biological organic materials

表2 基于L9（33）的正交試驗設計Table 2 L9（33） orthogonal experimental design

玉米采取起大壟栽培，每壟種植3行，壟高15 cm，壟間距60 cm，穴播，4粒/穴，穴距40 cm；灌溉方式為滴灌，灌溉水礦化度為1.6 g/L，結合追肥進行滴灌。其他田間管理同常規。

1.3.2 測定項目與方法

1.3.2.1 土壤性狀。分別在玉米種植前和收獲后，每小區均采用“S”型取樣法選擇5個點位，用土鉆法分層（0～20、20～40、40～60 cm）鉆土，將同層土壤混勻作為該小區的土樣，進行土壤性狀指標的測定。其中，土壤含鹽量測定采用土水質量比1∶5電導法；pH值測定采用土水質量比1∶5電位法；有機質含量測定采用重絡酸鉀氧化-容量法；堿解氮含量測定采用堿解擴散法；速效磷含量測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；脲酶活性測定采用靛酚比色法，以24 h后1 g土壤（干土）含有的NH3－N質量表示，單位為mg/（g·d）；蔗糖酶活性測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法，以24 h后1 g干土生成的葡萄糖質量表示，單位為mg/（g·d）；過氧化氫酶活性測定采用高錳酸鉀滴定法，以1 g干土消耗的0.002 mol/L高錳酸鉀體積數表示，單位為mL/g。

1.3.2.2 玉米產量。玉米收獲期，全小區收獲測產。

1.3.3 土壤質量綜合評價方法 通過主成分-隸屬函數法，對各改良物料進行應用效應的綜合評價。

1.3.4 數據分析 使用Microsoft Excel 2010軟件進行數據整理，利用SPSS 19.0軟件進行Duncan（D）多重比對顯著性分析和主成分分析，采用Origin 8.0軟件做圖。

2 結果與分析

2.1 生物有機物料配施對收獲期土壤性狀的影響

2.1.1 對土壤含鹽量和pH值的影響 無論是原土（CK）還是生物有機物料配施處理，土壤含鹽量均隨土壤深度的增加而逐漸降低，均以0～20 cm耕層土壤含鹽量最高（圖2）。究其原因，與當季降水量少有關。試驗年度逐月降水量圖顯示，10月降水量幾乎為0，淋鹽效果弱，而水分蒸發相對較強，導致0～20 cm表層土壤鹽分積累，土壤鹽漬化特征明顯。

圖2 生物有機物料配施對0～60 cm剖面土壤含鹽量的影響Fig.2 Effects of combined application of biological organic materials on soil salt content in soil profile of 0-60 cm layer

生物有機物料配施處理的各層土壤含鹽量和pH值均＜CK；但不同用量物料配施對各層土壤含鹽量和pH值的影響程度不同，其中對0～20 cm土壤含鹽量影響較大、對40～60 cm土壤含鹽量影響最小，對各層土壤的pH值影響規律性不強（圖3）。表明不同用量的蘆葦秸稈、有機肥和生物有機肥配施均能夠降低0～60 cm剖面土壤的鹽漬化程度，其中對耕層土壤含鹽量的調控作用最大。生物有機物料配施后，0～20 cm耕層土壤的含鹽量由初始值0.42%降至0.14%～0.25%，其中T2、T3和T7處理效果較好，三者土壤含鹽量均達到了0.2%以下，鹽漬化土級別由強降至輕度，其中最高降鹽幅度達57.14%；pH值由初始值8.35降至8.05～8.29，最高降幅為2.64%（表3）。可以看出，不同用量的蘆葦秸稈、有機肥和生物有機肥配施均能夠有效降低0～20 cm耕層土壤的鹽堿化程度，達到一般耐鹽堿作物可以正常生長的鹽堿水平（0.2%～0.3%），其中T2、T3和T7處理降鹽效果更好。

圖3 生物有機物料配施對0～60 cm剖面土壤pH值的影響Fig.3 Effects of combined application of biological organic materials on pH value in soil profile of 0-60 cm layer

2.1.2 對土壤養分含量的影響 生物有機物料配施處理的土壤有機質、堿解氮和速效磷含量均顯著＞CK（P＜0.05）；但不同用量物料配施對土壤各養分含量的影響程度不同，其中對有機質含量影響最大。表明不同用量的蘆葦秸稈、有機肥和生物有機肥配施均能夠明顯提高土壤的有機質、堿解氮和速效磷含量，尤其是提高有機質含量效果更好。生物有機物料配施后，土壤有機質含量由初始值0.258%增至0.534%～0.821%，增幅為1.07～2.18倍，其中T3處理效果最好、T9處理效果次之，提升幅度分別為2.18倍和1.98倍；堿解氮含量由初始值21.00 mg/kg增至42.2～72.5 mg/kg，增幅為1.00～2.45倍，除T9處理外其他處理之間均無差異，其中T1～T4處理效果較好，提升幅度為2.25～2.45倍；速效磷含量由初始值27.27 mg/kg增至34.3～55.5 mg/kg，增幅為0.26～1.04倍，其中T1和T5處理效果較好，增幅達到1.00～1.04倍。

綜上分析可以看出，在濱海鹽漬化地區，將蘆葦秸稈、有機肥和生物有機肥配施作為基肥施入，不僅可明顯促進耕層土壤中鹽分離子淋洗，降低土壤pH值，還可明顯提高土壤有機質、堿解氮和速效磷含量，提升土壤養分級別1～2級，從而有效解決濱海鹽漬化土壤缺氮、少磷、有機質低的狀況。以降鹽和提高有機質含量為主要改良目標時，T3處理效果最好，該處理下土壤含鹽量為0.18%，土壤有機質含量為0.821%（最高）。

2.1.3 對土壤酶活性的影響 土壤質量不僅與土壤理化性質有關，還與土壤生物學性質緊密相關[18]。土壤酶含量是土壤生物學活性的綜合表現，體現了土壤的綜合肥力特征及其變化狀況，是評價土壤肥力水平的重要指標[19]。其中，土壤脲酶活性反映了土壤的供氮能力；蔗糖酶活性反映了土壤有機碳積累與分解的轉化規律；過氧化氫酶活性反映了土壤的呼吸強度[20]。

表3 生物有機物料配施對土壤性狀的影響Table 3 Effects of combined application of biological organic materials on soil properties

生物有機物料配施處理的土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性均＞CK；但不同用量物料配施對各土壤酶活性的影響程度均較大。生物有機物料配施后，土壤脲酶活性以T3處理最高，較CK〔0.16 mg/（g·d）〕增加了1.85倍，且與其他處理差異也均達到了顯著水平；蔗糖酶活性以T5、T3和T9處理較高，三者差異不顯著，較CK〔6.54 mg/（g·d）〕提高了77.6%～115%；過氧化氫酶活性以T8處理最高，其次是T6、T3、T7、T2和T4處理，六者差異不顯著，較CK（2.91 mL/g）提高了21.4%～50%（表4）。可以看出，不同用量的蘆葦秸稈、有機肥和生物有機肥配施均能夠提高鹽堿地土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶的活性，其中對脲酶活性影響最大。總體來看，T3處理效果最好，該處理下，土壤脲酶活性〔0.457 mg/（g·d）〕最高，蔗糖酶活性〔13.07 mg/（g·d）〕和過氧化氫酶活性（4.370 mL/g）較高且均與其指標最高值差異不顯著。

表4 生物有機物料配施對土壤酶活性的影響Table 4 Effects of combined application of biologidal organic materials on soil enzyme activities

2.2 生物有機物料配施對玉米產量的影響

生物有機物料配施處理的玉米產量為8 843.39～12 089.39 kg/hm2，均＞當地目前玉米平均產量水平7 500 kg/hm2，增產幅度為17.91%～61.19%；但不同用量物料配施對玉米產量影響較大（P＜0.05），其中T3處理產量最高（圖4）。表明不同用量的蘆葦秸稈、有機肥和生物有機肥配施均能夠提高玉米產量，其中T3處理效果最好，該處理下玉米產量達到12 089.39 kg/hm2，較最低產量處理（T8）增產36.71%，效果明顯。

2.3 影響土壤性狀和產量的因子分析

圖5 生物有機物料因素水平對土壤性狀的影響力Fig.5 Impact of biological organic materials levels on soil properties

2.3.1 影響土壤性狀的因子分析 極差分析結果（圖5）顯示，不同物料對土壤各性狀的影響順序不同，其中，對土壤含鹽量影響的因素順序為A＞C＞B，指標值隨著因素A施用量的增加呈先上升后降低的變化；對pH值影響的因素順序為A＞B＞C，但不同施用量處理之間指標值差異均不顯著；對有機質含量影響的因素順序為B＞A＞C，指標值隨著因素B施用量的增加而逐漸增加；對堿解氮含量影響的因素順序為A＞B＞C，指標值隨著因素A施用量的增加而逐漸降低；對速效磷含量影響的因素順序為B＞C＞A，指標值隨著因素B施用量的增加而逐漸降低；對土壤主要生物學性質指標土壤脲酶活性影響的因素順序為C＞B＞A，指標值隨著因素C施用量的增加呈先降低后升高的變化。可以看出，蘆葦秸稈主要在土壤脫鹽、降低pH值、提升堿解氮含量方面起關鍵作用；有機肥主要在提升土壤有機質和速效磷含量方面起關鍵作用；生物有機肥主要在提高土壤脲酶活性方面起關鍵作用。

圖6 生物有機物料因子對玉米產量的影響力Fig.6 Impact of biological organic materials levels on maize yield

2.3.2 影響玉米產量的因子分析 極差分析結果（圖6）顯示，各物料因素對玉米產量的影響順序為C＞B＞A，指標值隨著因素C和B施用量的增加而增加。說明生物有機肥和有機肥對玉米增產的作用高于蘆葦秸稈，玉米產量隨著生物有機肥和有機肥施用量的增加而提高。

2.4 基于主成分-隸屬函數的生物有機物料配比綜合評價

土壤性質的綜合評價值反映了各處理改良土壤性質的效果，數值越大，表明對土壤性質的改良效果越好。采取主成分提取可得到4個主成分，其總的方差貢獻率為89.16%（表5），也就是說，這4個主成分能夠解釋原來9個原始變量所包含信息的89.16%。基于主成分-隸屬函數的生物有機物料綜合評價結果（表6）顯示，T3處理綜合得分最高，表明該處理對土壤性質改良效果最優。

表5 主成分提取成分表Table 5 Total variance of extractions for PCA analysis

表6 主成分隸屬函數綜合評價值Table 6 PCA-membership function values

3 結論與討論

濱海鹽漬化地區土壤鹽堿程度高、結構性差、養分含量低是限制區域作物產量提升的主要障礙因素，因此，改良鹽堿土理化性狀、提高耕地質量對濱海鹽堿地農業可持續發展意義重大[21]。有機物料改良是一種可持續性強、生態環境友好的措施[22]。蘆葦秸稈是濱海區自然生長、再生性強、對鹽堿地有較好改良效果的有機物料[12]；生物有機肥具有降低土壤pH值和電導率，有效提高土壤酶活和微生物生物量，增加有機質和有效磷含量等作用；有機肥是提高鹽堿地有機質的重要肥料。以蘆葦秸稈、有機肥和生物有機肥為生物有機物料，探究不同用量的3種物料配施對濱海鹽堿土障礙因子的削減作用，確立合理、高效的利用模式，可以為解決濱海區作物低產問題提供可靠技術與理論支撐。結果表明，有機物料配施初期主要對0～20 cm耕層土壤性狀改良產生效果；蘆葦秸稈在降低耕層土壤鹽分和pH值，提高堿解氮含量方面起關鍵作用；有機肥在提高耕層土壤有機質和速效磷含量方面起關鍵作用；脲酶活性是指示濱海鹽堿地土壤生物學性質的重要指標[23]，生物有機肥在提高耕層土壤酶活性和作物產量方面發揮關鍵作用。

生物有機物料配施可以有效提高耕層土壤質量。其中，土壤含鹽量由初始值（原土）0.42%降至0.14～0.25%，pH值由初始值8.35降至8.05～8.29，土壤pH值更接近作物生長的適宜pH值，土壤鹽漬化土級別由重度降至輕度；土壤有機質含量由初始值0.258%增至0.534%～0.821%，堿解氮含量由初始值21.00 mg/kg增至34.3～55.5 mg/kg，速效磷由初始值27.27 mg/kg增至42.2～72.5 mg/kg，分別提高了1.07～2.18倍、1.00～2.45倍和0.26～1.04倍。土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性均高于原土，其中，T3處理效果最好，其土壤脲酶活性〔0.457 mg/（g·d）〕最高，蔗糖酶活性〔13.07 mg/（g·d）〕和過氧化氫酶活性（4.370 mL/g）較高且均與其指標最高值差異不顯著。可以看出，3種物料配施對土壤脫鹽，提高有機質含量和土壤脲酶活性作用顯著；盡管蘆葦秸稈有降低土壤pH值的作用，但效果不顯著，因此pH值是難以調控的障礙指標。由于蘆葦秸稈腐爛形成腐殖質中的胡敏酸等一些酸類物質對土壤pH值起到了一定的降低效果[24]，但受施用量及作用時間的限制，影響了施用效果。蘆葦秸稈較其它秸稈纖維素含量高、難降解，造成土壤通透性增強，鹽分下滲速度加快；其與生物有機肥配施時，可以促進有機物的轉化，從而提高土壤酶活性，實現重度鹽漬化土壤質量的提升，利于鹽堿地的可持續性發展。在濱海鹽堿地作物生產實踐中，應該加大蘆葦秸稈還田的應用。

鹽漬土壤各屬性具有不確定性，生物有機物料配施對土壤各指標的影響效果不同。為了明確各物料配比對土壤的綜合改良效果，本研究以土壤降鹽提質、玉米增產為目標，采用L9（33）正交優化設計與綜合評判分析相結合的方法，對綜合效果較好的物料配比進行了篩選。結果顯示，T3處理（A1B3C3，蘆葦秸稈45 m3/hm2＋有機肥105 m3/hm2＋生物有機肥1 500 kg/hm2）綜合效果最好，與原土指標相比，可以實現降鹽57.14%，pH值降低0.06，有機質含量提升2.18倍，堿解氮含量提高2.31倍，速效磷含量提高25.8%，玉米產量較當地平均水平提高61.19%。由此表明，通過添加合理配比的有機物料，可以降低耕層土壤鹽分，提高土壤有機質、堿解氮和速效磷含量以及土壤脲酶活性，從而改善土壤性狀、提高土壤肥力，達到作物增產的目的。與趙其國院士[21]提出的“鹽堿土改性、提質”的鹽堿地高效利用理念相符合。