田间管理措施对滨海盐渍地区中低产田生产力的影响

王韵弘 苗琪 李俊超 王红叶 张济世 崔振岭

摘要：为探究提高滨海盐渍化农田农业生产力的集约化种植方案，从2015年开始在山东省垦利区开展田间定位试验，综合考虑施肥量、施肥时期、种植密度、土壤改良剂等措施，试验设置农户习惯（farmers practice，FP）、土壤改良（improved soil management，ISM）、作物调控（improved crops management，ICM）和土壤作物综合调控（integrated soil crop management，ISCM）4个处理，追踪小麦关键生育期的群体动态变化，分析小麦、玉米收获期干物质积累量和植株的氮磷钾养分吸收量，调查小麦、玉米产量及产量构成因素的变化，比较作物生产净收益、收获期0—20 cm土层的土壤脱钠率和钠吸附比。结果表明，相较于FP处理，ISM显著增加了小麦和玉米收获期穗数，最终产量分别提高25.2%和10.0%，净收入提高7.8%。此外，ISM处理土壤脱钠率达78.6%；ICM处理显著提高了小麦和玉米的群体干物质积累量，相较FP处理产量分别提高17.8%和10.7%，净收入增加19.3%；ISCM处理获得试验条件下小麦、玉米最大产量，分别为11.96和10.83 t·hm-2，净收入比FP处理提升20.8%，土壤脱钠率达82.9%。ISM处理能显著降低滨海盐渍土的钠離子含量，提高小麦玉米养分吸收能力并增加产量；ICM处理虽然增产效果低于ISM处理，但较低的投入成本能够获得更高的净效益。综合来看，ISCM处理能够协同实现土壤质量提升、作物增产和经济效益增加，是该研究条件下最优管理实践方案。研究结果可为区域中低产田产能提升提供技术理论支撑和示范样板。

关键词：盐渍化土壤；土壤脱钠率；小麦；玉米；生产收益

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0565

中图分类号：S156 文献标志码：A 文章编号：10080864（2024）01016310

黄河三角洲是由河口泥沙淤积形成的沉积平原，地势平坦、可利用水资源潜力大，是我国重要的后备耕地资源[12]。然而受气候条件和地理位置等因素影响，该地区土壤受盐渍化影响严重，滨海盐渍化农田是该区域主要的中低产田类型[3]。土壤盐渍化显著影响农田氮、磷等大量营养元素的迁移转化与吸收利用，进而影响作物的生理发育过程，降低产量[4]。此外，为获取较高作物产量，农户会加大肥料投入，不仅造成养分盈余，而且会导致环境风险[5]。因此，探究区域农田科学管理方案对恢复和提高滨海盐渍地区中低产田生产力、实现农业可持续发展具有重要意义。

针对盐渍土壤生产力与养分效率低下的问题，研究者采用改善土壤结构、添加改良物料、调整种植制度等不同措施进行探索[67]。Wang等[8]研究表明，脱硫石膏作为含钙材料，能够改善盐碱土的物理结构、增大土壤孔隙度，改善排盐效果。沈婧丽等[9]研究认为，脱硫石膏不仅能通过替换钠离子在胶体微粒间形成微粒团疏松土壤，而且能够增强土壤通透性，从而有利于作物根系伸展，增强吸水吸肥能力。张济世等[10]通过比较不同改良剂对小麦生长和土壤特性的影响，认为石膏类材料能显著降低土壤钠离子含量，增加小麦成穗数并提高产量。也有研究者认为，添加有机物料增碳培肥能够改善盐渍土壤质量，扩大农田产能[1112]。

左文刚等[13]利用动物粪便改良盐渍土壤，既能够有效解决有机废弃物的处理又能够促进土壤肥力改善；Jiang等[14]利用有机肥增加土壤微生物量，降低pH从而改善土壤环境质量。卢星辰等[15]探究多种改良剂配施效果发现，相较于单种改良剂，配施更能促进作物生长和改善滨海盐渍土壤性质。除添加物料外，也有研究利用深耕、旋耕配合秸秆还田等措施来增加耕层厚度、改善土壤养分状况[1617]。还有研究认为，农田高产高效依赖于合理的群体构建与适宜的养分供需匹配[1819]，科学的养分管理不仅能够降低资源消耗、增加农田产量，还能降低土壤盐分含量，防止次生盐渍化[20]。农业生产是复杂环境下多个系统共同作用的结果，单一改良措施不能很好地解决多系统、多方面的生产问题，而整合多种改良技术的综合管理手段具有很高的推广应用价值，不但能够提高作物品质、增加产量[2122]，而且能够减少资源损失，降低环境风险。目前，在盐渍化中低产田进行单项改良技术的研究很多，但综合土壤、作物多方面考虑，同时提高土壤生产力和农田生产收益的研究较少。因此，本研究以黄河三角洲滨海盐渍化农田为研究对象，分析长期试验条件下综合管理措施对小麦、玉米生产收益和土壤特性的影响，以期探索集约化种植条件下区域最优农作管理模式，同步实现产能提升、资源减损和生产效益提高，为滨海盐渍土区中低产田产能提升提供技术支撑和示范样板。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

长期定位试验于2015年开始在山东省东营市垦利区黄河口镇（37°42′01″N、118°47′26″E）进行，该区域位于黄河三角洲中心地带，属温带季风性大陆气候，供试土壤为轻度滨海氯化物盐土。2015 年播前基础土壤（0—20 cm）理化性质为：容重1.48 g·cm-3、pH 8.14、EC1：5 826 μS·cm-1、有机碳5.51 g·kg-1、全氮0.87 g·kg-1、有效磷5.99 mg·kg-1、水溶性钙307 mg·kg-1、水溶性钠416 mg·kg-1、水溶性钾43.1 mg·kg-1、水溶性镁102 mg·kg-1、钠吸附比（sodium adsorption ration，SAR）3.31。本研究采用2019—2020年试验数据，期间小麦-玉米生长季的降雨量和日平均温度以及光照时长如图1所示，小麦拔节期灌溉黄河水1次，约150 mm，玉米生长期内不进行灌溉。小麦生长周期内总降水量为240.9 mm，玉米生长周期内总降水量371.1 mm（数据来自中国气象数据网站，https：//data.cma.cn/data/cdcindex/cid/f0fb4b55508804ca.html）。

1.2 试验设计

田间试验从2015年开始，其中2015—2019年种植春玉米，2019年春玉米收获后改种小麦-玉米（处理保持不变，仅变换种植制度），本研究选取2019—2020年冬小麦和夏玉米2季作物数据。试验设置4 个处理：①农户习惯（farmers practice，FP），小麦和玉米种植品种分别为‘ 济麦22和‘ 郑单958，种植密度分别为450 万粒·hm-2 和7.5 万株·hm-2，N∶P2O5∶K2O 分别为300∶75∶75 和280∶90∶30 kg·hm-2；② 土壤改良（improved soilmanagement， ISM），小麦和玉米的种植品种、种植密度与FP一致，播前添加15 t·hm-2的改良剂脱硫石膏+30 t·hm-2的牛粪，并优化小麦和玉米的N∶P2O5∶K2O用量分别为180∶90∶60和185∶45∶60 kg·hm-2；③作物调控（improved crops management， ICM），小麦和玉米的种植品种分别为‘济麦22和‘登海618，种植密度分别提高至525万粒·hm-2和9.0万株·hm-2，优化肥料用量与ISM一致；④土壤作物综合调控（integrated soil crop management， ISCM），小麦玉米种植品种、种植密度、肥料用量与ICM一致，并添加土壤改良剂用量与ISM一致。此外，3个改良处理较FP优化了氮肥追施比例，FP处理氮肥分基施和返青前（玉米季为V6）2次施用，优化处理中小麦氮肥追施为基施和拔节期，玉米分为基施、六叶期、抽雄期3次施用，FP处理基追比为2∶1，优化处理基追比为1∶2（玉米为1∶2∶3）。每个试验小区面积600 m2，采用随机区组设计，每个处理3次重复。不同管理下均有秸秆还田措施，改良剂于小麦播前施用（人工均匀撒施后深翻0～30 cm入土，再旋耕0～20 cm整平地面，FP和ICM不撒施改良剂，但耕作处理相同）。农户习惯处理的施肥量与施用时期的确定基于课题组调研当地数据，优化施肥量根据当地农艺师推荐结合课题组前期试验数据分析获得，所有处理磷钾肥一次性基施，具体试验方案见表1。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 小麦和玉米的群体动态与干物质累积量测定 小麦季分别于小麦播种后30（苗期）、60（冬前分蘖期）、180（拔节期）、200（扬花期）、230 d（收获期）数固定区域（单行1 m）面积内小麦茎蘖数用以记录整个小麦生育期内群体动态变化。分别于扬花期、收获期收割0.5 m 4行区域内的全部地上部分植株烘干至恒重用以计算干物质积累量。玉米季时分别在抽雄期、成熟期，于每个小区中部相邻3行中取6株长势均匀的玉米植株，在烘箱恒温下烘干后获得干物质重。

1.3.2 小麦和玉米的植株养分测定 小麦和玉米成熟期植株及籽粒样品分别粉碎并过1 mm 筛。样品通过浓硫酸-双氧水消煮后，采用凯氏定氮法测定氮含量。通过浓硝酸微波消解后，采用ICP 法（ICP-OES， OPTIMA 3300 DV， Perkins-Elmer， 美国）测定磷、钾养分含量[23]。

1.3.3 小麦和玉米的产量与产量构成测定 小麦、玉米在收获期分别取6 和12 m2 样方全部收割，取样方内全部有效穗脱粒，完全烘干后换算成小麦含水14%和玉米含水15.5%的标准产量。用样方内穗数计算收获穗密度，小麦随机抽取20个穗、玉米随机抽取10个穗记数计算穗粒数，小麦和玉米分别称重10组200粒籽粒来估算粒重。根据下列公式计算氮肥偏生产力（N fertilizer partialproductivity， PFPN）。

PFPN=产量（kg·hm-2）/氮肥施用量 （kg·hm-2）（1）

1.3.4 土壤样品盐分测定 土壤样品在小麦和玉米收获时期进行采集，小区内按五点采样法进行选点，用土钻取0—20 cm土壤样品，混匀风干后研磨过0.25 mm筛，水溶性离子（Na+、Ca2+、Mg2+）采用1∶5土水比浸提震荡过滤，然后用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES， OPTIMA 3300 DV，Perkins-Elmer， 美国）进行测定。采用土壤脱钠率（Sodium removal rate，SRR）来表征盐分消除效果，用钠吸附比（SAR）来表征土壤胶体受钠离子影响程度，计算公式如下。

式中，Na+、Ca2+和Mg2+分别表示钠、钙和镁离子含量，mmol·L-1。

1.3.5 经济收益计算 采用下列公式计算总花费、总收益和净利润。

总花费=农资材料+机械使用+劳动力花费（4）

总收益=小麦产量×小麦价格+玉米产量×玉米价格（5）

净利润=总花费-总收益（6）

式中，农资材料与机械使用单价按照当地农户购买价格计算，劳动力花费按照当地用工单价与实际工时相乘获得；收益部分按照测产数据计算产量，按照农户一般卖出价格记录单价。

1.4 数据分析

数据处理及统计分析采用Microsoft Excel2016和IBM SPSS Statistics 25.0软件进行，不同处理间差异显著性分析采用Duncan法进行多重比较，P<0.05为差异显著，采用Origin Pro 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 小麦、玉米的产量与产量构成分析

由表2可以看出，与FP处理相比，不同改良管理措施均能够提高小麦、玉米产量。对小麦来说，ISM处理产量显著增加25.2%，主要得益于提高了13.9%的穗数；ICM处理产量增加17.8%，是由于同步提高了穗数和穗粒重；ISCM处理的产量达到了最高，为11.96 t·hm-2，产量提升的主要原因是显著增加了27.5%的成穗数，与ISM增产原因一致并且效果更显著。对于玉米来说，ISM、ICM相较FP处理产量略有增加但差异不显著，ISCM显著提高产量17.0%，相较于FP，不同改良管理措施均显著提高了小麦和玉米的氮肥偏生产力。

2.2 群体干物质积累分析

比较不同处理下的干物质积累量发现，改良管理对小麦、玉米成熟期干物质积累的影响与产量变化基本一致（表2、图2）。对小麦来说，干物质积累量在扬花期时ISM、ICM和ISCM处理较FP分别增加11.9%、8.7%和22.3%，而成熟期时3个改良处理分别增加19.9%、13.1% 和27.1%，表明改良处理花后仍然能获得较高的干物质积累；ISCM 处理获得最大成熟期干物质积累量，为24.9 t·hm-2，不仅高于FP，且显著高于ICM 处理12.4%，而与ISM处理差异不显著。对玉米来说，ICM、ISCM 处理显著提高抽雄期11.1% 和30.4%的干物质积累量，而ISM 处理与FP 差异不显著；在成熟期ISCM 获得最大干物质积累量，为19.6 t·hm-2，显著高于FP处理22.0%，而与其他处理差异不显著。

2.3 植株氮磷钾含量分析

由图3可知，不同改良管理显著影响小麦植株氮和磷元素含量。相较于FP，ISM和ISCM处理小麦秸秆和籽粒的氮和磷元素含量分别提高7.5%～13.0% 和29.0%～104.7%；ICM 处理除籽粒氮含量显著高于FP处理6.7%外，其他指标与FP未产生显著性差异。

对玉米来说，不同改良管理秸秆中的氮元素含量与FP差异不显著（图4），而ICM、ISCM处理籽粒氮含量相较于FP 分别显著提高18.3% 和19.3%，表明改良管理并未影响玉米秸秆的氮素吸收，但优化品种提高了籽粒氮含量。相较于FP，ISM和ISCM处理秸秆中磷和钾元素含量分别显著提高35.2%～38.0% 和12.5%～17.8%，表明改良土壤管理能够促进玉米秸秆的磷、钾养分吸收。

2.4 土壤盐分特征变化分析

滨海盐渍化土壤的主要障碍因子是钠离子，因此采用土壤脱钠率（SRR）和钠吸附比（SAR）来表征土壤的盐分变化情况。由图6可知，经过6年的土壤改良管理之后，相较于FP处理，ISM和ISCM处理的土壤脱钠率显著提高90%～100%，土壤的钠吸附比显著降低87%～92%。另外，ICM处理脱钠率也比FP显著高出10.9个百分点，这可能是由于优化施肥改善了作物的养分吸收，形成了更大的群体干物质量，因此带走了更多的钠离子。

2.5 经济收益分析

经济效益是发展和推广绿色农业的重要因素，也是农户进行农业生产的最终目标。由表3可知，综合小麦、玉米两季收益来看，不同改良管理措施均提高了田块的总收益。综合改良成本来看，3个改良管理的净利润仍然获得了提升，相较FP分别提高7.8%、19.3%和20.8%，表明改良管理不仅能够增加产量，同时能够获得较高利润。值得注意的是，单从产量收益来看，ISM较ICM处理没有优势，但是由于改良土壤与改良作物之间的成本差大于收益差，所以ICM净利润要高于ISM。综合改良管理所带来的产量收益明显大于单一改良措施所带来的提升，并且超过了改良土壤与作物之间的成本差，因此ISCM处理获得了最高的净收入。

3 讨 论

滨海盐渍化土壤因钠离子表聚导致的耕层环境恶化和作物养分吸收失衡是制约该区域农田产能提升的主要障碍因子。ICM脱钠率高于FP的原因可能是ICM具有更大的干物质积累量，一方面使得收获后土壤中被带走的钠离子量更多，另一方面是更多的秸秆还田起到了更好的改善作用。整合深耕和改良剂措施的处理，具有更好的脱盐效果，一方面是牛粪能够快速改善土壤肥力特性[24]，通过促进形成土壤团聚体来缓解甚至消除因深耕导致的破坏土壤结构等问题[25]，进而优化根系土壤环境。王秀娟等[26]利用牛粪培肥土壤，提高有机质与全氮含量，实现玉米产量提升6.07%。另一方面是因为脱硫石膏的添加，致使充足的Ca2+置换了吸附在土壤胶体表面的 Na+，促进其向下层淋洗来减少耕层钠离子含量，进而改善耕层土壤粘粒的分散状况，间接起到促进土壤团聚体形成的作用[27]。

从产量结果来看，土壤改良、作物调控处理都明显增加了小麦、玉米产量。产量的提高首先应该归功于优化肥料施用，加强作物生长后期的氮肥供给延缓了功能叶片衰老，最大化了群体养分利用能力，有利于籽粒灌浆。减少作物花前氮素积累，增加花后氮素吸收，通过匹配作物需求与养分供应时期，不但能够减少施氮量、提高氮肥利用效率[28]，而且能够促进作物群体干物质的积累，实现产量的增加[29]。优化养分管理为小麦、玉米高产提供了营养基础，而进一步的土壤改良、作物调控措施则挖掘了小麦玉米的产量潜力。许多研究已经证明了合适的品种和密度可以优化作物冠层结构，实现产量增加[3031]。钟鹏等[32]在油莎豆上的研究表明，适宜增加的种植密度实现光温资源的充分利用，促进叶片的光合作用，进而提高产量。对2种作物来说，较高的成穗数意味着较大的群体数量和干物质积累，这是获取较高产量的基础[33]，ISCM具有最高的成穗数和干物质积累量，因此获得了最高的产量。而综合小麦、玉米植株中的氮、磷、钾含量分析可以看出，牛粪与脱硫石膏并施下的植株养分吸收能力要明显高于不添加改良剂处理，表明牛粪与脱硫石膏并施能够改善作物根系的养分环境，同时缓解盐分离子所造成的养分胁迫从而促进作物的生长，提高产量，这与邵玉翠等[34]的研究结果一致。从生产收益来看，ISCM 获得了最大的总收益和净利润，这与Zhang[35]等的研究结果不太一致，其主要原因是ISCM与ICM的产量差距被拉大，更深层次的原因可能是短期试验与长期试验的结果差异，长期的综合改良管理提高了土壤生产力，进而导致产量差距变大。

总的来看，本研究立足于田间试验，以便于集约化管理种植为改良原则，以增产增收、提质增效为改良目标，分析了不同改良管理在盐渍化土壤下的中长期试验效果，结果表明土壤改良剂脱硫石膏和牛粪的添加能够很好地促进盐渍表层土壤盐分降低，改善土壤环境；添加土壤改良剂还能促进小麦玉米养分吸收，提高种植密度能获得更高的干物质积累，两者都能够获得更高的产量和经济效益；优化养分管理在维持较高产量的同时极大提高了资源利用效率。综合来看，ISCM能够同步实现土壤质量改善、作物增产和经济效益增加，是本研究条件下最优管理实践方案。需要指出的是，本研究更多的关注点在土壤生产力的恢复上，目前只重点关注盐分离子的变化和作物生产的情况，而长期施用改良剂对作物和环境可能存在风险的问题还需要进一步探究[3637]。此外，黄河三角洲地区由于其地理位置与气候条件的特殊性（如地下水位浅、蒸发量大、降雨季节分布不均等），决定了该地区盐渍化土壤改良的长期性和复杂性，因此未来研究的重点是继续长期监测综合管理措施的改良效果，并及时整合其他先进技术措施，优化综合管理方案，以期形成一套可持续的生产策略服务于区域农业生产。

参 考 文 献

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（责任编辑：胡立霞）