棉粕對(duì)鹽堿化土壤改良及棉花產(chǎn)量的影響

史蛟華，陳 寬，王曉麗，馬宏秀，王開(kāi)勇

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】施用土壤改良劑能有效降低土壤容重，增加養(yǎng)分含量，從而提高土壤的養(yǎng)分供給能力[1-3]，改善土壤的理化性質(zhì)，改良根系生長(zhǎng)的土壤環(huán)境，進(jìn)而提升作物產(chǎn)量。鹽分是農(nóng)田地力提升的主要障礙因子之一[4]，同時(shí)也是影響農(nóng)田土壤中各元素的養(yǎng)分效應(yīng)的重要因子，使其難以提高土壤質(zhì)量[5]。自然條件下的土壤膠體一般擁有凈負(fù)電荷，可以吸附、互換土壤溶液中的陽(yáng)離子， 這一過(guò)程關(guān)系到土壤眾多的化學(xué)特性，可以反映其營(yíng)養(yǎng)狀況[6-8]。研究發(fā)現(xiàn)，增加土壤有機(jī)培育能促進(jìn)土壤養(yǎng)分不斷積累，顯著提高土壤各元素的營(yíng)養(yǎng)水平。進(jìn)而緩解了土壤的鹽分對(duì)作物生長(zhǎng)的不良影響[9-10]。【前人研究進(jìn)展】以往有大量關(guān)于改良劑的研究。汪睿等[11]通過(guò)對(duì)鹽堿土進(jìn)行田間改良試驗(yàn)，并對(duì)改良后鹽堿化土壤的通過(guò)測(cè)定土壤電導(dǎo)率、陽(yáng)離子交換量等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果表明,土壤電導(dǎo)率、陽(yáng)離子交換量、土壤堿化度呈下降趨勢(shì)。這對(duì)棉粕改良新疆土壤鹽堿化有了借鑒意義。容重是土壤主要的物理特性，表現(xiàn)在土壤通氣性、土壤含水量以及土壤礦質(zhì)元素的運(yùn)輸?shù)确矫?，?duì)土壤的孔隙度大小及土壤穿透阻力的大小產(chǎn)生影響，從而影響土壤肥力的發(fā)揮和作物的生長(zhǎng)[12]，鄭亞楠等[13]的研究表明施加改良劑使土壤容重降低，土壤改良劑能夠置換土壤中的鹽離子，使其向下淋溶，降低作物根區(qū)鹽離子含量，從而降低鹽堿危害。宋玉珍[14]的研究表明，外施生物肥能增加顯著土壤有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)含量，降低土壤的pH值和含鹽量,有效提高土壤質(zhì)量。文星[15]的研究表明，施用土壤改良劑后土壤 pH值降低，其中pH與有效磷、交換性鉀、交換性鈉、交換性鈣、交換性鹽基總量、鹽基飽和度和Ca2+/Mg2+具有顯著或極顯著相關(guān)性。毛紅安等[16-17]的研究表明，土壤pH與鹽基飽和度存在一定的相關(guān)性,這種相關(guān)性表現(xiàn)在隨pH的上升,土壤的鹽基飽和度有增大的趨勢(shì)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】以往的研究有關(guān)土壤鹽分及離子含量變化的相關(guān)研究較多，通過(guò)對(duì)土壤施加生物改良劑可以有效改善土壤質(zhì)地，提高作物產(chǎn)量。有關(guān)棉粕的效果文獻(xiàn)較少。研究棉粕對(duì)鹽堿化土壤改良及棉花產(chǎn)量的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以?xún)煞N鹽堿化土壤為背景,研究施加棉粕對(duì)鹽堿化土壤及棉花產(chǎn)量的影響，為綠洲區(qū)鹽堿化土壤利用新型棉粕改良劑的土壤改良與培肥、地力提升和提高作物產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2018年在新疆石河子大學(xué)試驗(yàn)站進(jìn)行(N44°18′42.37″，E86°03′20.72″)，前茬作物為棉花,土壤質(zhì)地為壤土，pH 7.73，全氮0.5 g /kg，有效磷(P)20.40 mg/ kg，有效鉀(K)112 mg/kg，有機(jī)質(zhì)16.19 g/kg，EC 2.36 mS/cm，pH 7.83，處理后各鹽堿濃度梯度土壤EC,pH：LNS EC3.84 mS/cm，pH 8.32;MNS EC 4.79 mS/cm，pH 8.52;HNS EC 5.46 mS/cm，pH 8.89;LNA EC 3.44 mS/cm，pH 9.22;MNA EC 4.18 mS/cm，pH 9.81;HNA EC 4.38 mS/cm，pH 10.02。

供試材料為棉花，品種為新陸早60號(hào)。供應(yīng)肥料為復(fù)合肥(N:P2O5:K2O=17-17-17)、經(jīng)處理的棉粕與尿素(N=46%)，即全生育施肥量為1 395 kg/hm2，尿素135 kg/hm2,全生育期共滴灌水4 200 m3/hm2。田間管理措施與當(dāng)?shù)卮筇镆恢隆?/p>

1.2 方 法

1.2.1 材 料

在試驗(yàn)的前一年，先采集混合土樣，測(cè)定試驗(yàn)地基礎(chǔ)含鹽量。再將NaCl 和Na2CO3兩種鹽以澆灌的方式對(duì)試驗(yàn)小區(qū)預(yù)先進(jìn)行鹽化處理，至試驗(yàn)小區(qū)達(dá)到預(yù)定含鹽量為止。將預(yù)定的棉粕施用量均勻地撒入各個(gè)小區(qū)，再進(jìn)行0～20 cm淺翻處理，使其混合均勻。

2017年4月播種，9月收獲。小區(qū)面積2 m×4 m,小區(qū)間距1.5 m。試驗(yàn)布設(shè)在新疆石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站，采用滴灌，一膜三管六行，寬窄行處理，寬行距40 cm，窄行距20 cm。

共設(shè)7個(gè)處理，分別為：CK(中性鹽/ 堿性鹽0 g/kg +棉粕0 kg/hm2)；LNS(中性鹽4 g/kg +棉粕1 500 kg/hm2)；MNS(中性鹽8 g/kg +棉粕3 000 kg/hm2)；HNS(中性鹽12 g/kg +棉粕6 000 kg/hm2)；LNA(堿性鹽4 g/kg +棉粕1 500 kg/hm2)；MNA(堿性鹽8 g/kg +棉粕3 000 kg/hm2)；HNA(堿性鹽 12 g/kg +棉粕6 000 kg/hm2)。每個(gè)處理重復(fù)3次。

分別在播種后30、 60、75、90 d用環(huán)刀鋁盒采集土壤樣品用來(lái)測(cè)定土壤容重，在播種后30、60和90 d用土鉆分別采集0～20和20～40 cm土層的土壤樣品用來(lái)測(cè)定土壤pH，EC及陽(yáng)離子含量。在成熟期收集棉花產(chǎn)量，稱(chēng)重測(cè)量[18]。

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目

土壤容重采用環(huán)刀法進(jìn)行實(shí)地測(cè)定, 計(jì)算公式為:土壤容重 (g/cm3)=干土重/容積；以水土質(zhì)量比5∶1制備土壤水浸提液用于土壤pH和鹽分指標(biāo)的測(cè)定：土壤pH值使用通用型pH計(jì) (OHAUS Starter 3C, 美國(guó)) 測(cè)定，EC值采用電導(dǎo)率儀 (MP521型, 上海三信) 測(cè)定；K+、Na+含量采用火焰光度法 (FP6410型火焰光度計(jì), 上海精科) 測(cè)定；Ca2+、Mg2+含量采用EDTA (乙二胺四乙酸) 絡(luò)合滴定法測(cè)定[19]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Microsoft Excel 2003軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，用SPSS20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重變化

研究表明,施加棉粕，全生育期中可有效降低土壤容重的含量。其中鹽化土壤的容重變化量要大于堿化土壤的容重變化量。其中濃度鹽化的土壤容重變化要比低濃度和高濃度鹽化土壤的容重變化量大，MNS處理土壤容重變化量最大降低了16.1%。中濃度堿化的土壤容重變化要比低濃度和高濃度堿化土壤的容重變化量大，MNA處理土壤容重變化最大降低了10.3%。

不同土層之間土壤容重變化不同，0～20 cm土層土壤容重變化量大于20～40 cm土層，在0～20 cm的土層中，不同處理下的土壤容重下降存在顯著差異(P<0.05)。

在不同的鹽堿濃度處理下，低濃度處理與中濃度、高濃度相比容重變化差異顯著(P<0.05)，其中高濃度的鹽化土壤容重下降程度最高。

在不同的土壤類(lèi)型處理下，鹽化土壤的土壤容重變化和堿化土壤的容重變化存在顯著性差異(P<0.05)，棉粕對(duì)鹽化土壤比對(duì)堿化土壤的效果明顯。表1

表1 不同處理下土壤容重值變化Table 1
Table of variation of soil mass values under different treatment(g/cm3)

層次Soil layer(cm)處理Treatment30 d60 d75 d90 dCK1.33Af1.39Aab1.35Ac1.28Bc0～20 cmLNS1.44Ac1.39Bab1.34Bc1.28CcMNS1.49Aa1.40Bda1.28Ce1.25CdHNS1.37Ae1.36Ac1.31Bd1.26CdLNA1.46Ab1.34Bd1.48Aa1.31BabMNA1.48Aab1.36Bc1.44Ab1.32BaHNA1.39Ad1.39Aab1.34Ac1.27BcCK1.30Ac1.30Af1.32Ac1.24Bc20～40 cmLNS1.34Bb1.34Be1.38Aa1.24CcMNS1.42Aa1.42Ab1.31BCa1.33BbHNS1.42Aa1.42Ab1.37Aa1.39AaLNA1.35Bb1.39Ac1.33BCb1.25CcMNA1.33Ab1.36Abd1.33Ab1.23BdHNA1.34Bb1.49Aa1.26Cd1.24Cc

注：同一行不同大寫(xiě)字母表示不同時(shí)期在0.05水平上差異顯著，同一列不同小寫(xiě)字母表示不同鹽處理相同時(shí)期在0.05水平上差異顯著，下同

Note: Different capital letters in the same row indicate significant differences at 0.05 levels in different periods, and different capital letters in the same column indicate significant differences at 0.05 levels at the same period in different salt treatments,the same as below

2.2 土壤pH變化

研究表明,施加棉粕處理可有效降低鹽堿土的pH，改善棉花生育期中的土壤環(huán)境。其中對(duì)堿化土壤的效果比鹽化土壤明顯。在棉花生育中期，低濃度堿化土壤和高濃度堿化土壤pH下降存在顯著性差異(P<0.05)，中度堿化土壤差異不顯著。鹽化土壤在棉花全生育期中土壤pH變化小于堿化土壤，土壤鹽化程度與土壤pH下降變化成正比。

表層土與深層土壤土層之間變化趨勢(shì)相同，但變化量不同。在表層土壤中，土壤pH變化比較明顯。圖1～2

圖1 0～20 cm土層土壤pH值變化

Fig.1SoilpHchangesinsoillayer0-20cm

注:圖中不同小寫(xiě)字母表示各處理在0.05水平上差異顯著

Note:Different lowercase letters indicate that each treatment is significantly different at the 0.05 level.similarly hereinafter

圖2 20～40 cm土層土壤pH值變化
Fig.2 Soil pH changes in soil layer 20-40 cm

2.3 土壤EC變化

研究表明,對(duì)鹽漬化土壤施加棉粕，土壤EC值有效降低。鹽堿化土壤EC下降程度與鹽堿化程度成反比，與CK相比，鹽化土壤EC下降程度大于堿化土壤，0～20 cm土層中，土壤EC自棉花生育期開(kāi)始呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，鹽化土壤與堿化土壤相比，鹽化土壤的EC對(duì)棉粕的響應(yīng)程度強(qiáng)。20～40 cm土層中，土壤EC隨棉花生育期開(kāi)始上升，鹽堿濃度越高土壤EC上升的變化量越明顯。鹽堿處理之間，堿化土壤EC變化小于鹽化土壤。其中低濃度堿化處理土壤變化量最小。圖3～4

圖3 0～20 cm土層土壤EC值變化
Fig.3 Soil EC changes in soil layer 0-20 cm

注:圖中不同小寫(xiě)字母表示各處理在0.05水平上差異顯著

Note:Different lowercase letters indicate that each treatment is significantly different at the 0.05 level.similarly hereinafter

圖4 20～40 cm土層土壤EC值變化
Fig.4 Soil EC changes in soil layer 20-40 cm

2.4 土壤陽(yáng)離子含量變化

研究表明，對(duì)土壤施加棉粕處理，土壤中陽(yáng)離子含量出現(xiàn)不同程度的下降。其中Ca2 +下降程度最大，下降幅度在0.9%～37.7%。不同的鹽堿處理下的土壤中Na+的離子含量上升，上升幅度在113.2%～534.6%；K+和Mg2+的離子含量在鹽化處理土壤中下降，在堿化處理土壤中上升。在同一土層中相同濃度和棉粕的處理下,堿化處理土壤中Na+、K+和 Mg2+的含量均高于鹽化處理土壤，堿化處理土壤Ca2 +均低于鹽化處理土壤。兩種土壤中陽(yáng)離子含量在不同土層存在顯著差異,表明土壤中陽(yáng)離子含量受土層變化的影響較大。

棉粕對(duì)鹽化處理和堿化處理土壤中陽(yáng)離子含量影響相同。與CK相比，鹽化處理土壤中除Na+離子以外其他離子的交換量都有所下降，而堿化處理土壤中各濃度處理的陽(yáng)離子含量變化較小。棉粕對(duì)兩種型土壤中的陽(yáng)離子交換量有不同程度削弱作用,而且棉粕對(duì)堿化處理土壤的影響有限。表2

表2 不同處理下土壤交換性陽(yáng)離子含量
Table 2 Soil exchange cation content scale under different treatment(g/kg)

層次(cm)Soil layer處理TreatmentK+Na+Ca2+Mg2+CK0.22 c0.38 e0.54 c0.07 c0～20LNS0.17d0.77d0.55b0.04dMNS0.17d0.8bc0.55b0.07cHNS0.16d1.13b0.56a0.07cLNA0.28a1.26b0.35f0.13abMNA0.27a1.6ab0.41e0.14abHNA0.26b2.5a0.42d0.16aCK0.19c0.23f0.53b0.06c20～40LNS0.16d0.58e0.56ab0.06cMNS0.18c0.86d0.57ab0.05dHNS0.17ab1.70c0.67a0.05dLNA0.26b1.76c0.35d0.11bMNA0.32a2.37b0.40c0.21aHNA0.31a2.52a0.43c0.11b

注：同一列不同小寫(xiě)字母表示不同鹽處理相同時(shí)期在0.05水平上差異顯著

Note: Different capital letters in the same column indicate significant differences at 0.05 levels at the same period in different salt treatments

2.5 棉花產(chǎn)量

研究表明,對(duì)鹽化處理和堿化處理土壤施加棉粕，可不同程度的提高棉花的產(chǎn)量。其中LNS、MNS、LNA的棉花產(chǎn)量與CK相比無(wú)顯著性差異，HNS與MNA、HNA處理的棉花產(chǎn)量低于CK且差異極顯著，其中MNA低于LNA但差異不顯著，HNS顯著低于MNA但和HNA無(wú)顯著差異。

施加棉粕可有效降低鹽化、堿化土壤對(duì)棉花的脅迫效果，提高作物產(chǎn)量，對(duì)低濃度和中濃度的鹽堿化土壤增產(chǎn)效果明顯。其中對(duì)鹽化和堿化土壤的效果不同，棉粕對(duì)LNS、MNS的增產(chǎn)效果要大于LNA、MNA的增產(chǎn)效果。棉粕對(duì)鹽化土壤的改良效果要高于堿化土壤。圖5

注：圖中不同小寫(xiě)字母表示各處理在0.05水平上差異顯著

Note:Different lowercase letters indicate that each treatment is significantly different at the 0.05 level.similarly hereinafter

圖5 棉花產(chǎn)量
Fig.5 Cotton yield

2.6 棉粕對(duì)鹽堿化土壤改良指標(biāo)的相關(guān)性

研究表明, PC1主軸正方向?yàn)長(zhǎng)NS、MNS和HNS; PC2主軸正方向?yàn)長(zhǎng)NS和HNS; 由圖6B可知, PC1主軸正方向?yàn)長(zhǎng)NA、MNA和HNA; PC2主軸正方向?yàn)長(zhǎng)AS和MNA。 通過(guò)進(jìn)一步相關(guān)分析表明(表3), 鹽脅迫下, 第一主成分PC1與土壤K+呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與pH、容重、土壤Na+、EC、土壤Mg2+和土壤Ca2+呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中與EC和pH呈極顯著負(fù)相關(guān)。 第二主成分PC2與土壤Ca2+和土壤K+呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與其他指標(biāo)均呈正相關(guān)關(guān)系，其中與EC、pH呈顯著正相關(guān)，與土壤Mg2+和土壤Na+呈極顯著正相關(guān)。鹽化處理下棉花產(chǎn)量與土壤K+呈正相關(guān)關(guān)系，與pH、EC和土壤Mg2+呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤Na+呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

堿脅迫下, 第一主成分PC1與土壤Mg2+和土壤K+呈正相關(guān)關(guān)系，與pH、EC、容重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤Na+和土壤Ca2+呈極顯著負(fù)相關(guān)。 第二主成分PC2與pH和容重呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤K+和土壤Mg2+呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。堿化處理下棉花產(chǎn)量與土壤K+呈正相關(guān)關(guān)系，與pH、容重、EC、土壤Na+、土壤Ca2+和土壤Mg2+呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與EC、土壤Na+和土壤Ca2+呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。圖6

圖6 鹽堿脅迫下各指標(biāo)主成分分析排序
Fig.6 Analysis of principal components of each index under salinity-alkalinity stress

鹽堿脅迫下通過(guò)施加棉粕改良，提高土壤理化性質(zhì)的主要原因是通過(guò)降低土壤pH、EC，增強(qiáng)土壤肥力。其中通過(guò)降低土壤交換性陽(yáng)離子含量，提高土壤吸附能力，改良土壤性質(zhì)，從而提高作物產(chǎn)量。無(wú)論是鹽化處理還是堿化處理下土壤pH和EC對(duì)棉花產(chǎn)量都是抑制作用，通過(guò)改良鹽堿處理土壤提高作物產(chǎn)量的主要因 素是降低土壤EC。對(duì)鹽化土壤和堿化土壤作用的機(jī)理又有所不同，鹽化處理主要通過(guò)降低土壤鹽基離子含量降低土壤EC，改良土壤，提高產(chǎn)量。堿化處理主要通過(guò)降低土壤pH，降低土壤酸堿度，改良作物生長(zhǎng)環(huán)境,改良土壤，提高產(chǎn)量。表3

表3 各指標(biāo)相關(guān)性
Table 3 Relevance of indicators

指標(biāo)Index鹽化處理Salinization treatment堿化處理Alkaline treatmentPC1PC2產(chǎn)量PC1PC2產(chǎn)量容重Bulk density-0.757?0.108-0.015-0.871?0.689?-0.607pH-0.939??0.832?-0.771?-0.832?0.904?-0.404EC-0.932??0.698?-0.843?-0.847?0.566-0.734?土壤K+Soil K+0.879?-0.630.4290.88?-0.815?0.546土壤Na+Soil Na+-0.707?0.948??-.979??-.974??0.557-0.817?土壤Ca2+Soil Ca2+-0.797?-0.35-0.384-.985??0.526-0.838?土壤Mg2+Soil Mg2+-0.868?0.915??-0.884?0.128-0.705?-0.471

注:*在 0.05 級(jí)別(雙尾)，相關(guān)性顯著。**在 0.01 級(jí)別(雙尾)，相關(guān)性顯著

Note:*At the 0.05 level(double tails), the correlation is significant.**At 0.01 level(double tails), the correlation is significant

3 討 論

施加改良劑可有效提高土壤質(zhì)量，增強(qiáng)生物活性，提高土壤養(yǎng)分，降低土壤EC，降低鹽堿土pH。有研究表明，施用改良劑后土壤養(yǎng)分得到有效提高，從而提高作物產(chǎn)量[20]。處理后可顯著增加土壤的電導(dǎo)率,降低土壤的代換性鈉含量和pH，能夠明顯改善鹽土物理性狀[21]。研究通過(guò)對(duì)鹽化和堿化土壤施加棉粕改良土壤，降低了土壤容重、pH和EC，增強(qiáng)了土壤養(yǎng)分，減弱了鹽堿土壤的毒害作用。宋佳奇等[22]的研究表明土壤養(yǎng)分和土壤容重存在負(fù)相關(guān)關(guān)系試驗(yàn)中，在中濃度鹽堿化土壤下，土壤容重變化明顯。棉粕處理下有利于土壤pH的下降，且對(duì)于堿化處理土壤的效果高于鹽化處理土壤。同時(shí)土壤交換性陽(yáng)離子得到不同程度的降低，其中Ca2 +下降程度最大，下降幅度在0.9%～37.7%。K+和Mg2+的離子含量在鹽化處理土壤中下降程度比在堿化處理土壤大。施加棉粕改良鹽堿土，可有效降低土壤交換性陽(yáng)離子，提高養(yǎng)分利用率，提高土壤質(zhì)量，從而提高作物產(chǎn)量。研究表明，施加棉粕可有效降低鹽化、堿化土壤對(duì)棉花的脅迫效果，提高作物產(chǎn)量且對(duì)低濃度和中濃度的鹽堿化土壤增產(chǎn)效果明顯。EC、pH會(huì)抑制產(chǎn)量。這與陳永波等[23](2018)的研究一致，土壤過(guò)酸或者土壤堿性過(guò)重都不適宜作物增產(chǎn)。棉粕改良土壤可有效降低鹽堿土的土壤pH、EC，提高作物產(chǎn)量[24]。

4 結(jié) 論

棉粕對(duì)鹽堿土改良效果明顯，添加棉粕改良能夠降低鹽堿化土壤容重、pH、EC、土壤交換性陽(yáng)離子，可有效提高土壤理化性質(zhì)，對(duì)鹽化土壤和堿化土壤的效果不同，棉粕對(duì)鹽化土壤的改良措施在于降低土壤EC,對(duì)于堿化土壤的改良措施為降低土壤pH。鹽堿地土壤pH、EC過(guò)高是抑制棉花產(chǎn)量的主要原因，添加棉粕能夠緩解鹽堿脅迫下對(duì)棉花的傷害, 提高棉花產(chǎn)量。