改良剂施用对干旱盐碱区棉花生长及土壤性质的影响

王相平，杨劲松*，张胜江，姚荣江，谢文萍

1.中国科学院南京土壤研究所/土壤与农业可持续发展重点实验室，江苏 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，新疆 乌鲁木齐 830049

新疆盐碱地有0.2×108hm2，约占新疆土地面积的 1/8、平原区的 1/4（杨柳青，1993；王斌等，2014），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%（田长彦等，2016）。如何通过盐碱改良措施，最大程度消除盐碱危害和保证现有耕地不发生次生盐渍化现象对保障新疆粮食安全与农业可持续发展至关重要。盐碱地改良有物理改良、化学改良、农业技术改良和生物改良等方法。由于物理和生物改良方法其工程投入代价大、周期长，化学改良方法应用较为广泛。

目前常见的盐碱土壤改良剂有腐植酸、黄腐酸、脱硫石膏、聚丙烯酰胺（PAM）等。腐植酸类（腐植酸、黄腐酸）改良剂通过影响土壤盐基交换量、土壤的持水性、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（王晓洋等，2012；孙在金，2013）。石膏类改良剂有助于土壤胶体的凝聚、促进土壤形成团粒结构、降低土壤容重，显著改善土壤的理化性状，但过量施用石膏反而会导致盐分的积累（张峰举等，2013；杜雅仙等，2018）。聚丙烯酰胺是一种高效的土壤结构改良剂，具有将细小土颗粒絮凝，增加土壤保水、持水性能，降低土壤容重，提高土壤入渗率等特点（张雪辰等，2017）。由于不同改良剂的性质、组成和作用机理在不同土壤类型上的施用效果相差较大，因此选择合适的土壤改良剂关系到能否提高研究区的经济效益和社会效益。

土壤酶活性是土壤中各种生物化学过程的动力，是维持土壤肥力的一个潜在指标，它的高低反映了土壤养分转化的强弱，可以反映土壤的表观肥力。有研究指出土壤酶活性大小可以作为评价盐碱地改良利用效果和措施可持续性的重要指标之一（张体彬等，2017）。已有研究多针对改良剂及调控措施对盐碱土壤盐分、土壤理化性质、作物产量等方面的研究（南江宽等，2013；刘娟等，2017；侯晓静等，2015；邹璐等，2012；高婧，2018；王丹等，2019），而对土壤酶活性的研究较少（史建国等，2015；窦超银等，2010；白雪等，2018），尤其针对化学改良剂施用对土壤酶活性的研究更少。本文针对干旱盐碱区的实际情况和特点，采用4种土壤盐碱改良剂，通过田间试验，分析不同改良剂处理后土壤盐分、pH值、有机质和土壤酶活性的变化状况，同时结合作物产量，试图筛选出适宜于研究区的改良剂，为合理利用干旱区盐碱土资源、改善研究区的生态环境提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年4—10月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），该区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 3036.2 h，年平均降雨量53.3—62.7 mm，潜在蒸发量2273—2788 mm，地下水位埋深在1.4—2.4 m。

1.2 试验设计

本试验主要研究黄腐酸、腐植酸、石膏和聚丙烯酰胺等改良剂对试验地棉花产量及土壤性质的影响，试验共设置5个处理，分别为控制处理（CK），石膏处理（S，用量 4500 kg·hm-2），腐植酸处理（F，用量 450 kg·hm-2），黄腐酸处理（H，用量 150 kg·hm-2）和聚丙烯酰胺处理（P，用量 30 kg·hm-2），改良剂在播种前一次性施入。小区长1.5 m，宽1 m，人工覆膜种植。各处理均等量施用磷酸二铵 750 kg·hm-2，复合肥 600 kg·hm-2，硫酸钾 75 kg·hm-2。石膏施用量参考罗小东等（2016）在该试验区研究结果。腐植酸和黄腐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·hm-2，黄腐酸推荐用量为 150 kg·hm-2。种植作物为棉花，2018年4月26日播种，10月4日收获，灌水方式为膜下滴灌，试验管理同当地常规方式保持一致。土壤基本理化性质如表1。

表1 供试土壤理化性质Table 1 Soil physical and chemical properties in experimental area

1.3 样品采集及测定

分别于2018年4月棉花种植前和9月棉花收获期进行土样采集。每个试验小区采集3个0—20 cm表层土壤样品，将所取得的土壤样品去除根系和石块等杂物，充分混匀后装入采样袋内。土壤样品带回实验室内，自然风干，磨碎，过筛（20目和100目）后，进行相关指标的测定。土壤盐分含量和pH测定采用土水比1∶5电导法，土壤有机质测定采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法（Wang et al.，2003）。土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定，土壤碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法，过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法（Zhang et al.，2011）。

在棉花生育期，每小区选定 3株棉花，定期采用米尺测定其株高；在收获时，对小区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，根据小区面积、棉花株数、棉桃数和50朵棉絮重计算小区棉花产量。由于小区测产数据一般偏高，因此实测棉花产量为小区计算棉花产量乘以0.85。

1.4 试验数据分析

该试验数据使用Microsoft Excel 2010进行基本处理，使用SPSS 15.0进行统计分析。其中结果差异显著性检验采用LSD检验方法，差异显著性水平设置为P＜0.05。

为评价不同改良剂施用对表土 0—20 cm土壤酶活性的提升效果，用同一土层整个供试土样酶活性的平均值为参比，分别计算各土样酶活性的相对值，然后累加即为各土样的总体酶活参数（何文祥等，2010；孟繁昊等，2018）。

式中：Xi为供试样品第i种酶活性实测值，X为同种酶活性平均值。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对棉花株高及产量的影响

在棉花生育期，一共测定了6次株高，同时对每次测定结果都进行了显著性分析（表2）。从表1可以看出，在棉花生长初期，各试验处理株高无显著性差别，第2次测量过后，CK处理株高显著低于其他处理，但其他处理之间株高无明显差别；第3次测量过后，F、H和P处理棉花生长加速，明显快于S和CK处理，直至生长期结束，株高的变化规律基本表现为：P＞H＞F＞S＞CK。从最后一次测量结果来看，P处理株高最高，为61.3 cm，其次为H处理，棉花株高为52.0 cm，两个处理间无显著性差别；F、S和CK处理棉花株高无显著差别。

表2 各试验处理株高Table 2 Plant height of different treatments cm

从图1可以看出，施用4种改良剂处理后，棉花产量都高于对照处理，表明这些改良剂能为棉花的生长提供较适宜的土壤环境，保证了棉花的生长和产量的提高。其中施用腐植酸处理后的棉花产量最高，其次为S、H和P处理。从方差分析结果看，施用腐植酸后棉花产量显著高于S、H、P和CK处理，分别比S、H、P和CK处理增加12.3%、14.9%、19.7%和24.8%。S和H处理棉花产量显著高于CK处理，施用 PAM 处理显著促进了棉花株高生长但并未显著提高棉花产量。

图1 各试验处理棉花产量Fig.1 The cotton yield of different treatments

2.2 不同改良剂对土壤盐分含量和pH值的影响

棉花收获后，采集表层土壤样品研究了不同改良剂处理对土壤盐分含量和pH值变化的影响。从表3可以看出，各改良剂处理土壤盐分含量均低于CK处理，其中以F处理土壤盐分质量分数最低，为4.12 g·kg-1，较CK降低26.2%左右；其次为P和H处理，分别较CK降低22%和18.3%；S处理土壤盐分质量分数较CK降幅最少为8.8%。从显著性分析来看，F、P和H处理土壤盐分显著低于S和CK处理，S和CK处理之间盐分差异不显著。

表3 各试验处理棉花收获后表层土壤盐分质量分数及pHTable 3 The salt content and pH of different treatments after crop harvesting

各试验处理土壤pH值如表3所示。各试验处理土壤pH值均小于播种前土壤pH值，包括CK处理。棉花收获后，以S和F处理土壤pH值降低最多，相比CK处理降低约0.1个单位，其次为H处理，降低0.04个单位，P处理高于控制处理0.01个单位。处理间土壤pH差异未达到显著水平。

2.3 不同改良剂对土壤有机质含量的影响

表4为不同处理棉花收获后表层土壤有机质质量分数，可以看出，添加改良剂后土壤有机质含量高于CK处理，其中以H处理土壤有机质质量分数最高，其次为P、F和S处理，分别较CK处理提高26.5%、23.9%、23.6%和9.9%。H、P和F处理间土壤有机质质量分数无显著性差别但显著高于S和CK处理，S处理土壤有机质质量分数显著低于其他改良剂处理但显著高于CK处理。

表4 各试验处理棉花收获后表层土壤有机质质量分数Table 4 Soil organic matter of different treatments after crop harvesting

2.4 不同改良剂对土壤酶活性的影响

土壤过氧化氢酶是催化过氧化氢分解成氧和水的酶，其活性反映了土壤氧化过程的强度（樊军等，2003），且在一定程度上也较灵敏地反映了土壤微生物学过程和作物代谢过程的强度（史建国等，2015；李志建等，2004）。由表5可知，各改良剂处理下土壤过氧化氢酶活性除S处理外均高于CK，且F处理显著高于其他处理；与控制处理CK相比，F处理土壤过氧化氢酶活性高54.4%，H和P处理分别高出CK处理14.0%和10.5%，S处理活性降低17.5%。

土壤磷酸酶是土壤微生物生命活动和植物根系分泌产生的酶种之一，可反映土壤的供磷水平和评价土壤磷素肥力（孙瑞莲等，2008）。在中性和弱碱性土壤中，碱性磷酸酶占主导地位（张体彬等，2017）。从表5可以看出，4种改良剂处理土壤碱性磷酸酶活性均高于控制处理CK，其中以F处理土壤碱性磷酸酶活性最高，较CK高出68.5%，其次为S、H和P处理，分别较CK高出22.0%、16.5%和 11.0%。从显著性分析结果来看，F处理土壤碱性磷酸酶活性显著高于其他处理，S和H处理土壤碱性磷酸酶活性无显著差别，P和CK处理土壤碱性磷酸酶活性无显著差别。

脲酶是唯一能够影响土壤中氮素转化与利用的酶，它能促进尿素水解并形成NH4+，有利于植物对氮素的吸收和利用，可反映土壤的供氮能力，同时也可以加速土壤潜在养分的有效化（白雪等，2018）。棉花收获后，各试验处理间土壤脲酶活性大小排序为：F＞S＞H＞P＞CK，分别较 CK 处理高出130.1%、53.8%、19.2%和3.8%；F处理显著高于其他处理，H和S处理显著高于P和CK处理，H、P和CK处理无显著差别。

表5 各试验处理棉花收获后土壤酶活性变化Table 5 Changes of soil enzyme activity under different treatments after crop harvesting

为了综合评价供试土壤中土壤总体酶活性的大小，通过将实测值转化为相对值，用土壤总体酶活参数（Et）这个指标综合评价了不同量纲酶活性的总体变化规律（表5）。由表可以看出，F处理土壤酶活参数最高，较对照处理高77.2%，且显著高于其他处理。其他处理间土壤酶活参数差异虽无显著性差异，但H、S和P处理土壤酶活参数依然分别高出CK处理 13.8%，13.4%和 7%，说明改良剂的施用改善了土壤微生物环境，提高了土壤酶活性。

3 讨论

3.1 改良剂对作物指标的影响

大量研究表明，石膏、腐植酸类物质和PAM等改良剂施用于盐碱土壤中，达到改善土壤结构、增加土壤渗透性、减少土壤蒸发量，进而达到加快脱盐的目的，同时这些改良剂中含有大量微量和营养元素也可以促进植物生长，提高盐碱地作物产量（王丹等，2019；徐国凤等，2019）。

本研究中，腐植酸、脱硫石膏、黄腐酸和PAM的施用均提高了棉花产量，分别较CK处理提高了24.8%、11.1%、8.5%和4.2%，添加腐植酸处理增产幅度最大。徐国凤等（2019）研究了羊粪、腐植酸和过磷酸钙等对盐碱农田玉米产量的影响，发现施用腐植酸后玉米产量增产幅度最大，可达16.3%，与本文研究结果一致。南江宽等（2013）研究了不同改良剂对滨海盐渍土油菜和玉米产量的影响，发现施用腐植酸处理油菜和玉米产量可分别较对照提高15.68%和9.15%。同时，杜雅仙等（2018）研究表明单施脱硫石膏后，水稻株高和产量较对照分别提高了9.5%和13.14%，在本研究中，添加石膏处理，棉花株高和产量较对照分别提高了 15%和11.1%。王丹等（2019）研究表明脱硫石膏配施有机物料可增加籽棉产量5.77%以上。

3.2 改良剂对土壤性质的影响

在本研究中，F、H和P处理棉花收获后土壤盐分低于S处理，这是由于石膏本身含有一定量的盐分，也有研究表明，施用石膏后土壤盐分含量增加（南江宽等，2013）。S、F和H处理降低pH效果优于P处理，这是因为腐植酸和黄腐酸通过酸性基因团中和土壤碱性，石膏解离的Ca2+与CO32-和HCO3-形成碳酸盐和重碳酸盐来降低土壤 pH，而PAM主要是针对土壤结构进行改良，改善土壤的持水和入渗性能，对降低土壤pH效果不大。南江宽等（2013）研究表明，在滨海地区施用腐植酸改良剂后，土壤盐分质量分数在玉米收获期较对照降低了0.53 g·kg-1，pH降低了0.16个单位。

高婧（2018）研究表明，土壤有机碳含量与土壤盐分含量呈显著负相关关系（r2=0.729）。在本研究中，施用改良剂处理后土壤盐分含量显著低于对照处理，而土壤有机质含量显著高于对照处理，且回归分析也发现土壤有机质含量与土壤盐分含量呈显著负相关关系（r2=0.817）。这是因为腐植酸和黄腐酸可直接参与土壤有机碳氮的矿化过程来调节养分平衡（刘艳丽等，2015），同时也有研究表明石膏施入土壤后，可促进表层土壤有机碳含量的增加（侯晓静等，2015；邹璐等，2012）。

土壤有机质为土壤酶提供了基质，且土壤酶活性与土壤有机质含量呈显著正相关关系（Wei et al.，2015）。土壤有机质含量低时，土壤酶容易变性失活，或者被土壤腐植酸聚合物生物降解（Muhammad et al.，2008）。在本研究中，除过氧化氢酶活性以外，添加改良剂处理土壤碱性磷酸酶活性和脲酶活性都大于对照处理，特别是添加腐植酸处理，土壤过氧化氢酶酶活性、碱性磷酸酶活性和脲酶活性都显著高于其他处理，土壤酶活参数也显著高于其他处理，这与腐植酸处理土壤盐分含量低、有机质含量高的结果相一致。盐碱地土壤酶活性的增加说明土壤肥力的提高，将有助于植物对土壤养分吸收，根区土壤酶活性的增加应该归功于对应区域土壤环境的改善，包括盐分的淋洗，土壤pH值的降低，以及土壤养分含量的增加。

4 结论

本研究分别对比了石膏、腐植酸、黄腐酸、聚丙烯酰胺等改良剂对干旱区棉花产量和土壤性质的影响，结果表明不同改良剂对干旱区盐碱土壤均起到了抑盐、改善土壤性质和增产的作用。具体来说，腐植酸、黄腐酸和石膏处理显著提升了棉花产量；腐植酸、黄腐酸和聚丙烯酰胺处理显著降低了土壤盐分含量；除石膏处理土壤过氧化氢酶活性低于对照处理外，腐植酸、黄腐酸和聚丙烯酰胺处理均显著增加了土壤有机质含量、提高了土壤过氧化氢酶、脲酶和碱性磷酸酶活性及土壤酶活参数，以腐植酸处理增加土壤有机质含量和土壤酶活参数效果最好。

综合分析不同改良材料对作物产量、土壤盐分、土壤有机质和土壤酶活性的影响，充分表明腐植酸改良剂在降低土壤盐分含量、增加土壤有机质、提升土壤酶活性和增加作物产量上效果最佳，是适合于本试验区盐碱改良剂。