石膏和腐植酸配施对干旱盐碱区土壤改良及棉花生长的影响①

王相平，杨劲松*，张胜江，姚荣江，谢文萍

(1 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京 210008；2 新疆水利水电科学研究院/新疆农业节水工程技术研究中心，乌鲁木齐 830049)

土地盐碱化是影响干旱和半干旱地区生态系统稳定、资源有效利用和生产发展的核心问题之一。新疆盐碱地有0.2 亿hm2，约占新疆土地面积的1/8、平原区的 1/4[1]，其中盐碱化耕地占灌区耕地的37.72%，南疆盐碱化耕地占总耕地面积的49.6%[2]。合理开发、治理与利用巨大的盐碱地资源，是解决人口日益增加与耕地逐渐减少的矛盾的重要突破口，对促进我国耕地资源占补平衡、保持地区耕地总量、确保粮食安全具有重要意义。

盐碱地改良和修复措施主要包括物理、化学、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价大、周期长，在生产实践中应用化学改良剂是主要修复措施之一[6-7]。化学措施改良盐碱土通过施用改良物质置换土壤中的Na+、降低土壤碱性、凝聚土壤颗粒和改善土壤结构，达到加速盐分淋洗的目的。因此常用的化学改良材料包括含钙类(石膏、脱硫石膏、磷石膏等)、酸性物质(硫磺、硫酸铝等)和有机物料类(腐植酸、沼液、木醋液等)。其中石膏和腐植酸由于其环境友好性[7]，在盐碱地和反酸田改良[8-13]方面均有研究报道，且其混合施用效果在改良盐碱地方面效果显著，因此常作为化学改良措施的首选材料[10]。刘娟等[12]在新疆农八师134 团开展了滴灌条件下脱硫石膏对盐碱土改良效果研究，结果表明，施用脱硫石膏可明显降低0 ～ 20 cm 土壤电导率和pH。Zhao 等[13]研究了燃气脱硫石膏对东北苏打盐碱土的改良效果，结果表明，脱硫石膏施用2 a 后，土壤电导率和pH 可下降38.6% 和14.6%。顾鑫等[14]通过小白菜盆栽试验发现，天然煤炭腐植酸可降低土壤pH 和电导率，增加土壤含水率。孙在金[10]研究表明，脱硫石膏和腐植酸配施对滨海地区中高盐碱化土壤改良效应显著，可改善土壤的理化性能，促进植物生长。周阳[15]认为脱硫石膏和腐植酸配施可显著提高盐碱地玉米产量，降低土壤容重、pH 和碱化度。Bacilio 等[16]研究表明，通过施用腐植酸可改善盐碱地上胡椒的生长指标。综上所述，前人多研究改良剂对盐碱化土壤理化性质的影响，而对干旱区盐碱地改良以及棉花的生长发育情况研究较少，综合分析石膏、腐植酸及其两者混施对干旱区盐碱耕地土壤改良效果和棉花生长影响的研究，更是鲜有报道。因此，本文在前人研究的基础上，研究石膏和腐植酸不同配比及其不同施用量对干旱盐碱区土壤盐分含量、pH和棉花生长的影响，探索该地区石膏和腐植酸最佳使用配比及施用量，以期为该地区盐碱土治理改良提供一定的科学参考。

1 试验区概况与试验方法

1.1 试验区概况

试验在新疆巴音郭楞蒙古自治州水利管理处灌溉试验站进行(41°36´N，86°12´E)。试验区位于南疆库尔勒市西尼尔镇，处于天山南麓塔里木盆地边缘孔雀河冲积平原带；属暖温带大陆性荒漠气候，干旱少雨，蒸发强烈，昼夜温差大。年平均气温11.5 ℃，无霜期191 d，日照时数3 036.2 h，年平均降雨量53.3 ～62.7 mm，潜在蒸发量2 273 ～ 2 788 mm，地下水位埋深在1.4 ～ 2.4 m。试验区土壤基本理化性质如表1 所示。

1.2 试验设计

试验设置改良剂处理组合和空白对照共9 个处理(表2)，即完全对照处理CK、单施石膏处理、单施腐植酸处理，以及根据石膏和腐植酸不同质量配比设置2 种配方处理，每种配方设置高、中、低3 种用量。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。试验在田间小区进行，小区长7 m，宽度为4 个覆膜宽度约6 m，以中间两膜覆盖区域为采样区域，两边覆膜区域为保护行，各处理随机排列。本试验石膏施用量参考罗小东等[17]在该试验区研究结果。供试腐植酸为新疆双龙腐植酸有限公司生产，其中腐植酸(干基)≥60%，推荐用量为450 kg/hm2。石膏和腐植酸改良剂于翻地前撒播于土壤表层，翻地时与耕层土壤混匀。

供试作物为棉花，于2017 年4 月24 日播种，施用底肥磷酸二铵750 kg/hm2、硫酸钾75 kg/hm2，灌水方式为膜下滴灌，田间管理同当地常规方式保持一致。

表1 试验区土壤理化性质Table 1 Soil physiochemical properties in experimental area

表2 试验处理Table 2 Treatments of experiment

1.3 测定项目与方法

土壤含盐量和pH 测定[18]：在施加改良剂前和棉花收获后，分别在0 ～ 10、10 ～ 20、20 ～ 40、40 ～ 60、60 ～ 80 和80 ～ 100 cm 土层采集土壤样品，测定其盐分含量和pH，其中，土壤盐分含量采用土水质量比1∶5 电导法测定，pH 采用土水质量比1∶5 电位法测定。

棉花生长指标测定：在棉花生育期，每个小区选定3 株棉花，定期采用米尺和游标卡尺分别测定其株高和茎粗。在收获前期，在试验区选择一定面积对其区域内棉花株数和棉桃数进行计量，并随机采集50朵棉絮进行晾晒称重，根据测产面积、棉花株数、棉桃数和50 朵棉絮质量计算小区棉花产量。由于样方测产数据一般偏高，因此实测棉花产量为小区计算棉花产量乘以0.85。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对土壤盐分含量的影响

由表3可以看出，施用不同改良剂后，在0 ～ 10 cm土层，各改良剂处理土壤盐分含量都低于CK，其中以H1 处理土壤盐分含量最低，为4.72 g/kg，较CK 降低31%，L1 处理土壤盐分含量与CK 接近，为6.78 g/kg，盐分含量仅下降1%；在10 ～ 20 cm 土层，各改良剂处理土壤盐分含量均明显低于CK，其中M2 处理土壤盐分含量较CK 降低最多，为5.07 g/kg，其次为M1 和S 处理，F 处理土壤盐分含量降低最少，为7.13 g/kg；在20 ～ 40 cm 土层，除S、L2 和M2处理外，其他处理盐分含量均大于CK，其中以H2和L1 处理土壤盐分含量最大，较CK 土壤盐分含量高约47%，这也说明在灌溉淋洗作用下，施用改良剂处理小区土壤盐分更容易向下淋洗；在40 ～ 80 cm 土层，除个别处理外，各改良剂处理土壤盐分含量均小于CK；在80 ～ 100 cm 土层，各改良剂处理土壤盐分含量除L2 处理外，与CK 差别不大。通过对整个剖面土壤盐分分布的分析发现，施用改良剂处理的小区土壤盐分在20 ～ 40 cm 土层有累积现象，这可能是由于棉花生育期采用滴灌灌溉方式，土壤盐分淋洗深度有限。罗小东等[17]也研究发现，在0 ～ 20 cm 土层范围内，土壤含盐量呈现降低现象，在30 ～ 40 cm 土层范围内，有些处理相比对照有积盐现象。

将不同改良剂处理0 ～ 20 cm 土层土壤盐分平均含量与CK 土壤盐分的差值作为衡量各改良剂在降低土壤盐分含量方面的效果，可以发现，H1、M1、M2、S 和H2 处理降低盐分效果较好，脱盐率分别为26.6%、24.3%、22.8%、22.6% 和20.6%；而F、L2和L1 处理在脱盐效果方面稍逊于其他处理，脱盐率分别为11.5%、10.0% 和9.9%。石膏(90%)和腐植酸(10%)配比施用在施用量为3 000 和4 500 kg/hm2时，土壤脱盐效果优于单独施用石膏4 500 kg/hm2和腐植酸450 kg/hm2。

表3 棉花收获后不同处理土壤盐分含量(g/kg)Table 3 Soil salt contents under different treatments after cotton harvesting

2.2 不同改良剂对土壤pH 的影响

表4 为不同试验处理棉花收获后土壤剖面pH，可以看出，在0 ～ 10 cm 土层，除S 处理土壤pH 略高于CK 外，其他处理土壤pH 相较于CK 均有所降低，其中以M1 处理降低效果最为明显，降低了0.16个单位；在10 ～ 20 cm 土层，除L2 处理外，施用改良剂处理土壤pH 均小于CK，其中以L1 处理降低效果最为明显，降低了0.22 个单位；而在20 ～ 40 cm 土层，除L2 处理土壤pH 略高于CK 外，其他处理均小于CK，且以L1 和H1 处理降低效果最为明显；在40 cm 土层以下，由于滴灌灌溉水量和改良剂作用深度的原因，各处理土壤pH 变化规律不如0 ～ 40 cm 土壤表现明显，变化趋势更多的是反映了土壤pH 本来的分布特征。

从0 ～ 20 cm 土层土壤平均pH 变化来看，石膏与腐植酸配比施用处理降低pH 效果要优于S 处理；L1、M1、H1 和H2 处理降低pH 效果优于F 处理，L2 处理降低pH 效果劣于F 处理，M2 处理降低土壤pH 效果与F 处理效果相当。这可能是因为石膏在中和土壤碱性降低pH 的同时，土壤中HCO–3的相对含量随盐分降低而增加，导致pH 升高[19]，而腐植酸分子结构中含有羟基和酚羟基等活性功能团，因此具有弱酸性，通过酸碱中和作用使土壤pH 降低。

表4 棉花收获后不同处理土壤pHTable 4 Soil pH values under different treatments after cotton harvesting

2.3 不同改良剂对棉花生长的影响

棉花生育期间，分别于2017 年6 月7 日和7 月27 日对棉花株高、茎粗指标进行了测定(图1)。从图1A 可以看出，在棉花生长前期，除CK 外，其他处理之间无明显差别，H1 和H2 处理株高最大，分别为 17.1 和16.9 cm；在棉花生长后期，F 处理棉花生长加速，株高最高，为64.5 cm，其次为M1 和M2处理，CK 株高最低为44.5 cm。从显著性分析来看，两次测定结果F、M1 和M2 处理之间无显著差别。从图 1B 可以看出，不论在棉花生长早期还是后期，L2 处理棉花茎粗均最大。除CK 和H2 处理外，其他处理在棉花生长后期茎粗无显著差别；除H2 处理外，施用改良剂处理棉花茎粗均显著大于CK，表明改良剂的施用改善了棉花根系生长的环境条件，更加有利于根层养分的利用，促进棉花的生长。

图1 不同改良剂处理对棉花株高(A)、茎粗(B)及产量(C)的影响Fig.1 Heights, stem diameters and yields of cotton under different soil amendments

施用改良剂后，棉花产量都高于CK，其中以F处理对棉花产量提高最多，其次为M1、M2 和H2处理，产量均超过了6 000 kg/hm2，相较于CK，F、M1、M2 和H2 处理棉花产量增加了29.8%、24.0%、22.2% 和17.0%；S、L1、L2 和H1 处理棉花产量均大于5 850 kg/hm2，分别比CK 增加了14.4%、13.4%、12.7% 和12.4%(图1C)。

3 讨论

3.1 改良剂对土壤盐分和pH 的影响

石膏加入土壤后，通过Ca2+置换土壤胶体上吸附的Na+和Mg2+，使钠质亲水胶体变为钙质疏水胶体，从而改善土壤结构和通透性，起到了脱盐和抑盐作用，同时还可以降低土壤的pH、碱化度及土壤的容重与紧实度[20-21]。而腐植酸是土壤中的重要有机部分，一般占土壤有机质的60% 左右，通过影响土壤盐基交换量、影响土壤持水性、促进土壤团粒形成、控制土壤中各类离子迁移、固定和淋溶等来改良盐碱土[10,15-16,22]。腐植酸和石膏配施可加大石膏的溶解量[23-24]，进而提升Na+置换能力，强化石膏改良盐碱土效果。王晓洋等[22]研究表明，在江苏滨海地区腐植酸与石膏配施降低盐分效果最好。这可能是由于腐植酸的阳离子交换量比一般土壤高10 倍以上，施入腐植酸后，土壤对Ca2+的吸附能力显著提高，加速了Na+等的淋洗，从而使表层土壤盐分下降[25]。岳殷萍等[23]通过土柱淋洗试验研究得出，脱硫石膏与腐植酸配施在改良盐碱土方面效果显著。Nan 等[26]研究表明，脱硫石膏和腐植酸配施，可增加土壤含水率，显著降低土壤Na+、Cl-、盐分含量和pH。本文研究也表明，石膏和腐植酸9∶1 配施降低土壤盐分和pH 效果优于单独使用石膏的S 处理。进一步分析CK、S 和H1 处理土壤Na+、Mg2+和Ca2+变化情况，CK、S 和H1 处理0 ～ 20 cm 土壤Na+含量分别为0.239、0.065 和0.027 g/kg，Mg2+含量分别为0.204、0.199 和0.166 g/kg，Ca2+含量分别为0.412、0.504和0.644 g/kg。试验结果表明，S 处理相比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 处理相比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 处理，土壤Ca2+含量增加了27.8%，Na+含量下降了58.5%，大大提升了Na+置换能力，印证了已有研究结论。

3.2 改良剂对棉花生长的影响

棉花生长受多种因素影响，对0 ～ 20 cm 土层土壤盐分平均含量与棉花产量做回归分析，得到的回归方程为y=-721.22x2+8831.1x-20682，R2=0.574，方程拟合度较好，说明在盐渍化地区棉花产量受土壤盐分含量影响较大，盐分含量是限制该地区棉花增产的主要因素。进一步分析盐分数据和产量数据发现，在盐分含量超过6 g/kg 以后，产量开始呈线性下降趋势，这也与前人在新疆地区研究的棉花耐盐阈值类似，张豫等[27]研究发现在阿克苏河灌区0 ～ 20 cm 土壤盐分含量为5.6 g/kg 时，棉花减产速率最大。施用改良剂，有效降低了土壤盐分含量，进而促进了棉花株高、茎粗的生长，提高了产量。以产量为例，棉花产量由低到高依次为CK＜H1＜L2＜L1＜S＜H2＜M2＜M1＜F，0 ～20 cm 土层土壤盐分平均含量由大到小依次为CK＞L1=L2＞F＞H2＞S＞M2＞M1＞H1，除H1 和F 处理外，棉花产量排序基本与盐分高低排序相反，说明改良剂降低盐分效果越好，棉花产量提高越多。本研究结果表明石膏和腐植酸9∶1 组合根据用量不同可实现棉花增产12.4% ～ 24.0%，并促进棉花株高和茎粗生长。这是因为腐植酸能够促进土壤团聚体的形成，改善土壤的团粒结构，调节土壤的水、肥、气、热状况，从而改善作物的生长环境；而石膏中的Ca2+可以置换出吸附在土壤中的Na+，并通过灌溉淋洗作用，将Na+淋洗出作物根层，为作物创造良好的生长环境。不管是单独施用石膏、腐植酸还是两者的配比施用，均改善了土壤的物理特性、棉花生长的水盐环境，有利于根系养分的吸收，进而促进了棉花的生长。南江宽等[28]研究了不同改良剂对滨海盐渍土盐碱指标和作物产量的影响，结果表明施用腐植酸对油菜和玉米产量的提高最有效。罗小东等[17]研究石膏不同施用量对棉花生长的影响，结果表明各施用量情况下均促进了棉花茎粗和产量的提高，以施用量为土壤Na+含量的200%时，棉花的茎粗和产量增加最多。张伶波等[6]研究表明，脱硫石膏和腐植酸1∶1 组合可实现玉米增产40%。

4 结论

1)各盐碱改良剂处理可明显降低0 ～ 20 cm 土层土壤盐分含量和pH。不同改良剂处理土壤含盐量和pH 降低效果不同，以石膏和腐植酸9∶1 组合施用量3 000 和4 500 kg/hm2降低盐分效果较好，降盐率可达20%；石膏与腐植酸配施降pH 效果好于单独施用石膏处理，以石膏和腐植酸9.5∶1 组合施用量1 500 kg/hm2降低pH 效果最为明显。

2)各盐碱改良剂处理均可促进棉花生长，提高棉花产量。综合分析各试验处理棉花株高、茎粗和产量结果，发现石膏和腐植酸9∶1 组合施用量3 000 kg/hm2增产效果较好。

3)综合棉花生长指标和土壤改良效果，该区推荐盐碱土改良剂为石膏和腐植酸9∶1 组合，施用量3 000 kg/hm2时，0 ～ 20 cm 土壤盐分含量较CK 下降24.3%，棉花增产24%。