田間管理措施對濱海鹽漬地區中低產田生產力的影響

王韻弘 苗琪 李俊超 王紅葉 張濟世 崔振嶺

摘要：為探究提高濱海鹽漬化農田農業生產力的集約化種植方案，從2015年開始在山東省墾利區開展田間定位試驗，綜合考慮施肥量、施肥時期、種植密度、土壤改良劑等措施，試驗設置農戶習慣（farmers practice，FP）、土壤改良（improved soil management，ISM）、作物調控（improved crops management，ICM）和土壤作物綜合調控（integrated soil crop management，ISCM）4個處理，追蹤小麥關鍵生育期的群體動態變化，分析小麥、玉米收獲期干物質積累量和植株的氮磷鉀養分吸收量，調查小麥、玉米產量及產量構成因素的變化，比較作物生產凈收益、收獲期0—20 cm土層的土壤脫鈉率和鈉吸附比。結果表明，相較于FP處理，ISM顯著增加了小麥和玉米收獲期穗數，最終產量分別提高25.2%和10.0%，凈收入提高7.8%。此外，ISM處理土壤脫鈉率達78.6%；ICM處理顯著提高了小麥和玉米的群體干物質積累量，相較FP處理產量分別提高17.8%和10.7%，凈收入增加19.3%；ISCM處理獲得試驗條件下小麥、玉米最大產量，分別為11.96和10.83 t·hm-2，凈收入比FP處理提升20.8%，土壤脫鈉率達82.9%。ISM處理能顯著降低濱海鹽漬土的鈉離子含量，提高小麥玉米養分吸收能力并增加產量；ICM處理雖然增產效果低于ISM處理，但較低的投入成本能夠獲得更高的凈效益。綜合來看，ISCM處理能夠協同實現土壤質量提升、作物增產和經濟效益增加，是該研究條件下最優管理實踐方案。研究結果可為區域中低產田產能提升提供技術理論支撐和示范樣板。

關鍵詞：鹽漬化土壤；土壤脫鈉率；小麥；玉米；生產收益

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0565

中圖分類號：S156 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2024）01016310

黃河三角洲是由河口泥沙淤積形成的沉積平原，地勢平坦、可利用水資源潛力大，是我國重要的后備耕地資源[12]。然而受氣候條件和地理位置等因素影響，該地區土壤受鹽漬化影響嚴重，濱海鹽漬化農田是該區域主要的中低產田類型[3]。土壤鹽漬化顯著影響農田氮、磷等大量營養元素的遷移轉化與吸收利用，進而影響作物的生理發育過程，降低產量[4]。此外，為獲取較高作物產量，農戶會加大肥料投入，不僅造成養分盈余，而且會導致環境風險[5]。因此，探究區域農田科學管理方案對恢復和提高濱海鹽漬地區中低產田生產力、實現農業可持續發展具有重要意義。

針對鹽漬土壤生產力與養分效率低下的問題，研究者采用改善土壤結構、添加改良物料、調整種植制度等不同措施進行探索[67]。Wang等[8]研究表明，脫硫石膏作為含鈣材料，能夠改善鹽堿土的物理結構、增大土壤孔隙度，改善排鹽效果。沈婧麗等[9]研究認為，脫硫石膏不僅能通過替換鈉離子在膠體微粒間形成微粒團疏松土壤，而且能夠增強土壤通透性，從而有利于作物根系伸展，增強吸水吸肥能力。張濟世等[10]通過比較不同改良劑對小麥生長和土壤特性的影響，認為石膏類材料能顯著降低土壤鈉離子含量，增加小麥成穗數并提高產量。也有研究者認為，添加有機物料增碳培肥能夠改善鹽漬土壤質量，擴大農田產能[1112]。

左文剛等[13]利用動物糞便改良鹽漬土壤，既能夠有效解決有機廢棄物的處理又能夠促進土壤肥力改善；Jiang等[14]利用有機肥增加土壤微生物量，降低pH從而改善土壤環境質量。盧星辰等[15]探究多種改良劑配施效果發現，相較于單種改良劑，配施更能促進作物生長和改善濱海鹽漬土壤性質。除添加物料外，也有研究利用深耕、旋耕配合秸稈還田等措施來增加耕層厚度、改善土壤養分狀況[1617]。還有研究認為，農田高產高效依賴于合理的群體構建與適宜的養分供需匹配[1819]，科學的養分管理不僅能夠降低資源消耗、增加農田產量，還能降低土壤鹽分含量，防止次生鹽漬化[20]。農業生產是復雜環境下多個系統共同作用的結果，單一改良措施不能很好地解決多系統、多方面的生產問題，而整合多種改良技術的綜合管理手段具有很高的推廣應用價值，不但能夠提高作物品質、增加產量[2122]，而且能夠減少資源損失，降低環境風險。目前，在鹽漬化中低產田進行單項改良技術的研究很多，但綜合土壤、作物多方面考慮，同時提高土壤生產力和農田生產收益的研究較少。因此，本研究以黃河三角洲濱海鹽漬化農田為研究對象，分析長期試驗條件下綜合管理措施對小麥、玉米生產收益和土壤特性的影響，以期探索集約化種植條件下區域最優農作管理模式，同步實現產能提升、資源減損和生產效益提高，為濱海鹽漬土區中低產田產能提升提供技術支撐和示范樣板。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

長期定位試驗于2015年開始在山東省東營市墾利區黃河口鎮（37°42′01″N、118°47′26″E）進行，該區域位于黃河三角洲中心地帶，屬溫帶季風性大陸氣候，供試土壤為輕度濱海氯化物鹽土。2015 年播前基礎土壤（0—20 cm）理化性質為：容重1.48 g·cm-3、pH 8.14、EC1：5 826 μS·cm-1、有機碳5.51 g·kg-1、全氮0.87 g·kg-1、有效磷5.99 mg·kg-1、水溶性鈣307 mg·kg-1、水溶性鈉416 mg·kg-1、水溶性鉀43.1 mg·kg-1、水溶性鎂102 mg·kg-1、鈉吸附比（sodium adsorption ration，SAR）3.31。本研究采用2019—2020年試驗數據，期間小麥-玉米生長季的降雨量和日平均溫度以及光照時長如圖1所示，小麥拔節期灌溉黃河水1次，約150 mm，玉米生長期內不進行灌溉。小麥生長周期內總降水量為240.9 mm，玉米生長周期內總降水量371.1 mm（數據來自中國氣象數據網站，https：//data.cma.cn/data/cdcindex/cid/f0fb4b55508804ca.html）。

1.2 試驗設計

田間試驗從2015年開始，其中2015—2019年種植春玉米，2019年春玉米收獲后改種小麥-玉米（處理保持不變，僅變換種植制度），本研究選取2019—2020年冬小麥和夏玉米2季作物數據。試驗設置4 個處理：①農戶習慣（farmers practice，FP），小麥和玉米種植品種分別為‘ 濟麥22和‘ 鄭單958，種植密度分別為450 萬?！m-2 和7.5 萬株·hm-2，N∶P2O5∶K2O 分別為300∶75∶75 和280∶90∶30 kg·hm-2；② 土壤改良（improved soilmanagement， ISM），小麥和玉米的種植品種、種植密度與FP一致，播前添加15 t·hm-2的改良劑脫硫石膏+30 t·hm-2的牛糞，并優化小麥和玉米的N∶P2O5∶K2O用量分別為180∶90∶60和185∶45∶60 kg·hm-2；③作物調控（improved crops management， ICM），小麥和玉米的種植品種分別為‘濟麥22和‘登海618，種植密度分別提高至525萬粒·hm-2和9.0萬株·hm-2，優化肥料用量與ISM一致；④土壤作物綜合調控（integrated soil crop management， ISCM），小麥玉米種植品種、種植密度、肥料用量與ICM一致，并添加土壤改良劑用量與ISM一致。此外，3個改良處理較FP優化了氮肥追施比例，FP處理氮肥分基施和返青前（玉米季為V6）2次施用，優化處理中小麥氮肥追施為基施和拔節期，玉米分為基施、六葉期、抽雄期3次施用，FP處理基追比為2∶1，優化處理基追比為1∶2（玉米為1∶2∶3）。每個試驗小區面積600 m2，采用隨機區組設計，每個處理3次重復。不同管理下均有秸稈還田措施，改良劑于小麥播前施用（人工均勻撒施后深翻0～30 cm入土，再旋耕0～20 cm整平地面，FP和ICM不撒施改良劑，但耕作處理相同）。農戶習慣處理的施肥量與施用時期的確定基于課題組調研當地數據，優化施肥量根據當地農藝師推薦結合課題組前期試驗數據分析獲得，所有處理磷鉀肥一次性基施，具體試驗方案見表1。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 小麥和玉米的群體動態與干物質累積量測定 小麥季分別于小麥播種后30（苗期）、60（冬前分蘗期）、180（拔節期）、200（揚花期）、230 d（收獲期）數固定區域（單行1 m）面積內小麥莖蘗數用以記錄整個小麥生育期內群體動態變化。分別于揚花期、收獲期收割0.5 m 4行區域內的全部地上部分植株烘干至恒重用以計算干物質積累量。玉米季時分別在抽雄期、成熟期，于每個小區中部相鄰3行中取6株長勢均勻的玉米植株，在烘箱恒溫下烘干后獲得干物質重。

1.3.2 小麥和玉米的植株養分測定 小麥和玉米成熟期植株及籽粒樣品分別粉碎并過1 mm 篩。樣品通過濃硫酸-雙氧水消煮后，采用凱氏定氮法測定氮含量。通過濃硝酸微波消解后，采用ICP 法（ICP-OES， OPTIMA 3300 DV， Perkins-Elmer， 美國）測定磷、鉀養分含量[23]。

1.3.3 小麥和玉米的產量與產量構成測定 小麥、玉米在收獲期分別取6 和12 m2 樣方全部收割，取樣方內全部有效穗脫粒，完全烘干后換算成小麥含水14%和玉米含水15.5%的標準產量。用樣方內穗數計算收獲穗密度，小麥隨機抽取20個穗、玉米隨機抽取10個穗記數計算穗粒數，小麥和玉米分別稱重10組200粒籽粒來估算粒重。根據下列公式計算氮肥偏生產力（N fertilizer partialproductivity， PFPN）。

PFPN=產量（kg·hm-2）/氮肥施用量 （kg·hm-2）（1）

1.3.4 土壤樣品鹽分測定 土壤樣品在小麥和玉米收獲時期進行采集，小區內按五點采樣法進行選點，用土鉆取0—20 cm土壤樣品，混勻風干后研磨過0.25 mm篩，水溶性離子（Na+、Ca2+、Mg2+）采用1∶5土水比浸提震蕩過濾，然后用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES， OPTIMA 3300 DV，Perkins-Elmer， 美國）進行測定。采用土壤脫鈉率（Sodium removal rate，SRR）來表征鹽分消除效果，用鈉吸附比（SAR）來表征土壤膠體受鈉離子影響程度，計算公式如下。

式中，Na+、Ca2+和Mg2+分別表示鈉、鈣和鎂離子含量，mmol·L-1。

1.3.5 經濟收益計算 采用下列公式計算總花費、總收益和凈利潤。

總花費=農資材料+機械使用+勞動力花費（4）

總收益=小麥產量×小麥價格+玉米產量×玉米價格（5）

凈利潤=總花費-總收益（6）

式中，農資材料與機械使用單價按照當地農戶購買價格計算，勞動力花費按照當地用工單價與實際工時相乘獲得；收益部分按照測產數據計算產量，按照農戶一般賣出價格記錄單價。

1.4 數據分析

數據處理及統計分析采用Microsoft Excel2016和IBM SPSS Statistics 25.0軟件進行，不同處理間差異顯著性分析采用Duncan法進行多重比較，P<0.05為差異顯著，采用Origin Pro 2021軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 小麥、玉米的產量與產量構成分析

由表2可以看出，與FP處理相比，不同改良管理措施均能夠提高小麥、玉米產量。對小麥來說，ISM處理產量顯著增加25.2%，主要得益于提高了13.9%的穗數；ICM處理產量增加17.8%，是由于同步提高了穗數和穗粒重；ISCM處理的產量達到了最高，為11.96 t·hm-2，產量提升的主要原因是顯著增加了27.5%的成穗數，與ISM增產原因一致并且效果更顯著。對于玉米來說，ISM、ICM相較FP處理產量略有增加但差異不顯著，ISCM顯著提高產量17.0%，相較于FP，不同改良管理措施均顯著提高了小麥和玉米的氮肥偏生產力。

2.2 群體干物質積累分析

比較不同處理下的干物質積累量發現，改良管理對小麥、玉米成熟期干物質積累的影響與產量變化基本一致（表2、圖2）。對小麥來說，干物質積累量在揚花期時ISM、ICM和ISCM處理較FP分別增加11.9%、8.7%和22.3%，而成熟期時3個改良處理分別增加19.9%、13.1% 和27.1%，表明改良處理花后仍然能獲得較高的干物質積累；ISCM 處理獲得最大成熟期干物質積累量，為24.9 t·hm-2，不僅高于FP，且顯著高于ICM 處理12.4%，而與ISM處理差異不顯著。對玉米來說，ICM、ISCM 處理顯著提高抽雄期11.1% 和30.4%的干物質積累量，而ISM 處理與FP 差異不顯著；在成熟期ISCM 獲得最大干物質積累量，為19.6 t·hm-2，顯著高于FP處理22.0%，而與其他處理差異不顯著。

2.3 植株氮磷鉀含量分析

由圖3可知，不同改良管理顯著影響小麥植株氮和磷元素含量。相較于FP，ISM和ISCM處理小麥秸稈和籽粒的氮和磷元素含量分別提高7.5%～13.0% 和29.0%～104.7%；ICM 處理除籽粒氮含量顯著高于FP處理6.7%外，其他指標與FP未產生顯著性差異。

對玉米來說，不同改良管理秸稈中的氮元素含量與FP差異不顯著（圖4），而ICM、ISCM處理籽粒氮含量相較于FP 分別顯著提高18.3% 和19.3%，表明改良管理并未影響玉米秸稈的氮素吸收，但優化品種提高了籽粒氮含量。相較于FP，ISM和ISCM處理秸稈中磷和鉀元素含量分別顯著提高35.2%～38.0% 和12.5%～17.8%，表明改良土壤管理能夠促進玉米秸稈的磷、鉀養分吸收。

2.4 土壤鹽分特征變化分析

濱海鹽漬化土壤的主要障礙因子是鈉離子，因此采用土壤脫鈉率（SRR）和鈉吸附比（SAR）來表征土壤的鹽分變化情況。由圖6可知，經過6年的土壤改良管理之后，相較于FP處理，ISM和ISCM處理的土壤脫鈉率顯著提高90%～100%，土壤的鈉吸附比顯著降低87%～92%。另外，ICM處理脫鈉率也比FP顯著高出10.9個百分點，這可能是由于優化施肥改善了作物的養分吸收，形成了更大的群體干物質量，因此帶走了更多的鈉離子。

2.5 經濟收益分析

經濟效益是發展和推廣綠色農業的重要因素，也是農戶進行農業生產的最終目標。由表3可知，綜合小麥、玉米兩季收益來看，不同改良管理措施均提高了田塊的總收益。綜合改良成本來看，3個改良管理的凈利潤仍然獲得了提升，相較FP分別提高7.8%、19.3%和20.8%，表明改良管理不僅能夠增加產量，同時能夠獲得較高利潤。值得注意的是，單從產量收益來看，ISM較ICM處理沒有優勢，但是由于改良土壤與改良作物之間的成本差大于收益差，所以ICM凈利潤要高于ISM。綜合改良管理所帶來的產量收益明顯大于單一改良措施所帶來的提升，并且超過了改良土壤與作物之間的成本差，因此ISCM處理獲得了最高的凈收入。

3 討 論

濱海鹽漬化土壤因鈉離子表聚導致的耕層環境惡化和作物養分吸收失衡是制約該區域農田產能提升的主要障礙因子。ICM脫鈉率高于FP的原因可能是ICM具有更大的干物質積累量，一方面使得收獲后土壤中被帶走的鈉離子量更多，另一方面是更多的秸稈還田起到了更好的改善作用。整合深耕和改良劑措施的處理，具有更好的脫鹽效果，一方面是牛糞能夠快速改善土壤肥力特性[24]，通過促進形成土壤團聚體來緩解甚至消除因深耕導致的破壞土壤結構等問題[25]，進而優化根系土壤環境。王秀娟等[26]利用牛糞培肥土壤，提高有機質與全氮含量，實現玉米產量提升6.07%。另一方面是因為脫硫石膏的添加，致使充足的Ca2+置換了吸附在土壤膠體表面的 Na+，促進其向下層淋洗來減少耕層鈉離子含量，進而改善耕層土壤粘粒的分散狀況，間接起到促進土壤團聚體形成的作用[27]。

從產量結果來看，土壤改良、作物調控處理都明顯增加了小麥、玉米產量。產量的提高首先應該歸功于優化肥料施用，加強作物生長后期的氮肥供給延緩了功能葉片衰老，最大化了群體養分利用能力，有利于籽粒灌漿。減少作物花前氮素積累，增加花后氮素吸收，通過匹配作物需求與養分供應時期，不但能夠減少施氮量、提高氮肥利用效率[28]，而且能夠促進作物群體干物質的積累，實現產量的增加[29]。優化養分管理為小麥、玉米高產提供了營養基礎，而進一步的土壤改良、作物調控措施則挖掘了小麥玉米的產量潛力。許多研究已經證明了合適的品種和密度可以優化作物冠層結構，實現產量增加[3031]。鐘鵬等[32]在油莎豆上的研究表明，適宜增加的種植密度實現光溫資源的充分利用，促進葉片的光合作用，進而提高產量。對2種作物來說，較高的成穗數意味著較大的群體數量和干物質積累，這是獲取較高產量的基礎[33]，ISCM具有最高的成穗數和干物質積累量，因此獲得了最高的產量。而綜合小麥、玉米植株中的氮、磷、鉀含量分析可以看出，牛糞與脫硫石膏并施下的植株養分吸收能力要明顯高于不添加改良劑處理，表明牛糞與脫硫石膏并施能夠改善作物根系的養分環境，同時緩解鹽分離子所造成的養分脅迫從而促進作物的生長，提高產量，這與邵玉翠等[34]的研究結果一致。從生產收益來看，ISCM 獲得了最大的總收益和凈利潤，這與Zhang[35]等的研究結果不太一致，其主要原因是ISCM與ICM的產量差距被拉大，更深層次的原因可能是短期試驗與長期試驗的結果差異，長期的綜合改良管理提高了土壤生產力，進而導致產量差距變大。

總的來看，本研究立足于田間試驗，以便于集約化管理種植為改良原則，以增產增收、提質增效為改良目標，分析了不同改良管理在鹽漬化土壤下的中長期試驗效果，結果表明土壤改良劑脫硫石膏和牛糞的添加能夠很好地促進鹽漬表層土壤鹽分降低，改善土壤環境；添加土壤改良劑還能促進小麥玉米養分吸收，提高種植密度能獲得更高的干物質積累，兩者都能夠獲得更高的產量和經濟效益；優化養分管理在維持較高產量的同時極大提高了資源利用效率。綜合來看，ISCM能夠同步實現土壤質量改善、作物增產和經濟效益增加，是本研究條件下最優管理實踐方案。需要指出的是，本研究更多的關注點在土壤生產力的恢復上，目前只重點關注鹽分離子的變化和作物生產的情況，而長期施用改良劑對作物和環境可能存在風險的問題還需要進一步探究[3637]。此外，黃河三角洲地區由于其地理位置與氣候條件的特殊性（如地下水位淺、蒸發量大、降雨季節分布不均等），決定了該地區鹽漬化土壤改良的長期性和復雜性，因此未來研究的重點是繼續長期監測綜合管理措施的改良效果，并及時整合其他先進技術措施，優化綜合管理方案，以期形成一套可持續的生產策略服務于區域農業生產。

參 考 文 獻

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（責任編輯：胡立霞）