棉粕对盐碱化土壤改良及棉花产量的影响

史蛟华，陈 宽，王晓丽，马宏秀，王开勇

(石河子大学农学院，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意义】施用土壤改良剂能有效降低土壤容重，增加养分含量，从而提高土壤的养分供给能力[1-3]，改善土壤的理化性质，改良根系生长的土壤环境，进而提升作物产量。盐分是农田地力提升的主要障碍因子之一[4]，同时也是影响农田土壤中各元素的养分效应的重要因子，使其难以提高土壤质量[5]。自然条件下的土壤胶体一般拥有净负电荷，可以吸附、互换土壤溶液中的阳离子， 这一过程关系到土壤众多的化学特性，可以反映其营养状况[6-8]。研究发现，增加土壤有机培育能促进土壤养分不断积累，显著提高土壤各元素的营养水平。进而缓解了土壤的盐分对作物生长的不良影响[9-10]。【前人研究进展】以往有大量关于改良剂的研究。汪睿等[11]通过对盐碱土进行田间改良试验，并对改良后盐碱化土壤的通过测定土壤电导率、阳离子交换量等指标进行测定,结果表明,土壤电导率、阳离子交换量、土壤碱化度呈下降趋势。这对棉粕改良新疆土壤盐碱化有了借鉴意义。容重是土壤主要的物理特性，表现在土壤通气性、土壤含水量以及土壤矿质元素的运输等方面，对土壤的孔隙度大小及土壤穿透阻力的大小产生影响，从而影响土壤肥力的发挥和作物的生长[12]，郑亚楠等[13]的研究表明施加改良剂使土壤容重降低，土壤改良剂能够置换土壤中的盐离子，使其向下淋溶，降低作物根区盐离子含量，从而降低盐碱危害。宋玉珍[14]的研究表明，外施生物肥能增加显著土壤有机质和腐殖质含量，降低土壤的pH值和含盐量,有效提高土壤质量。文星[15]的研究表明，施用土壤改良剂后土壤 pH值降低，其中pH与有效磷、交换性钾、交换性钠、交换性钙、交换性盐基总量、盐基饱和度和Ca2+/Mg2+具有显著或极显著相关性。毛红安等[16-17]的研究表明，土壤pH与盐基饱和度存在一定的相关性,这种相关性表现在随pH的上升,土壤的盐基饱和度有增大的趋势。【本研究切入点】以往的研究有关土壤盐分及离子含量变化的相关研究较多，通过对土壤施加生物改良剂可以有效改善土壤质地，提高作物产量。有关棉粕的效果文献较少。研究棉粕对盐碱化土壤改良及棉花产量的影响。【拟解决的关键问题】以两种盐碱化土壤为背景,研究施加棉粕对盐碱化土壤及棉花产量的影响，为绿洲区盐碱化土壤利用新型棉粕改良剂的土壤改良与培肥、地力提升和提高作物产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2018年在新疆石河子大学试验站进行(N44°18′42.37″，E86°03′20.72″)，前茬作物为棉花,土壤质地为壤土，pH 7.73，全氮0.5 g /kg，有效磷(P)20.40 mg/ kg，有效钾(K)112 mg/kg，有机质16.19 g/kg，EC 2.36 mS/cm，pH 7.83，处理后各盐碱浓度梯度土壤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。

供试材料为棉花，品种为新陆早60号。供应肥料为复合肥(N:P2O5:K2O=17-17-17)、经处理的棉粕与尿素(N=46%)，即全生育施肥量为1 395 kg/hm2，尿素135 kg/hm2,全生育期共滴灌水4 200 m3/hm2。田间管理措施与当地大田一致。

1.2 方 法

1.2.1 材 料

在试验的前一年，先采集混合土样，测定试验地基础含盐量。再将NaCl 和Na2CO3两种盐以浇灌的方式对试验小区预先进行盐化处理，至试验小区达到预定含盐量为止。将预定的棉粕施用量均匀地撒入各个小区，再进行0～20 cm浅翻处理，使其混合均匀。

2017年4月播种，9月收获。小区面积2 m×4 m,小区间距1.5 m。试验布设在新疆石河子大学农学院试验站，采用滴灌，一膜三管六行，宽窄行处理，宽行距40 cm，窄行距20 cm。

共设7个处理，分别为：CK(中性盐/ 碱性盐0 g/kg +棉粕0 kg/hm2)；LNS(中性盐4 g/kg +棉粕1 500 kg/hm2)；MNS(中性盐8 g/kg +棉粕3 000 kg/hm2)；HNS(中性盐12 g/kg +棉粕6 000 kg/hm2)；LNA(碱性盐4 g/kg +棉粕1 500 kg/hm2)；MNA(碱性盐8 g/kg +棉粕3 000 kg/hm2)；HNA(碱性盐 12 g/kg +棉粕6 000 kg/hm2)。每个处理重复3次。

分别在播种后30、 60、75、90 d用环刀铝盒采集土壤样品用来测定土壤容重，在播种后30、60和90 d用土钻分别采集0～20和20～40 cm土层的土壤样品用来测定土壤pH，EC及阳离子含量。在成熟期收集棉花产量，称重测量[18]。

1.2.2 测定项目

土壤容重采用环刀法进行实地测定, 计算公式为:土壤容重 (g/cm3)=干土重/容积；以水土质量比5∶1制备土壤水浸提液用于土壤pH和盐分指标的测定：土壤pH值使用通用型pH计 (OHAUS Starter 3C, 美国) 测定，EC值采用电导率仪 (MP521型, 上海三信) 测定；K+、Na+含量采用火焰光度法 (FP6410型火焰光度计, 上海精科) 测定；Ca2+、Mg2+含量采用EDTA (乙二胺四乙酸) 络合滴定法测定[19]。

1.3 数据处理

运用Microsoft Excel 2003软件对数据进行处理和作图，用SPSS20.0软件进行统计分析和差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 土壤容重变化

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。其中盐化土壤的容重变化量要大于碱化土壤的容重变化量。其中浓度盐化的土壤容重变化要比低浓度和高浓度盐化土壤的容重变化量大，MNS处理土壤容重变化量最大降低了16.1%。中浓度碱化的土壤容重变化要比低浓度和高浓度碱化土壤的容重变化量大，MNA处理土壤容重变化最大降低了10.3%。

不同土层之间土壤容重变化不同，0～20 cm土层土壤容重变化量大于20～40 cm土层，在0～20 cm的土层中，不同处理下的土壤容重下降存在显著差异(P<0.05)。

在不同的盐碱浓度处理下，低浓度处理与中浓度、高浓度相比容重变化差异显著(P<0.05)，其中高浓度的盐化土壤容重下降程度最高。

在不同的土壤类型处理下，盐化土壤的土壤容重变化和碱化土壤的容重变化存在显著性差异(P<0.05)，棉粕对盐化土壤比对碱化土壤的效果明显。表1

表1 不同处理下土壤容重值变化Table 1
Table of variation of soil mass values under different treatment(g/cm3)

层次Soil layer(cm)处理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：同一行不同大写字母表示不同时期在0.05水平上差异显著，同一列不同小写字母表示不同盐处理相同时期在0.05水平上差异显著，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变化

研究表明,施加棉粕处理可有效降低盐碱土的pH，改善棉花生育期中的土壤环境。其中对碱化土壤的效果比盐化土壤明显。在棉花生育中期，低浓度碱化土壤和高浓度碱化土壤pH下降存在显著性差异(P<0.05)，中度碱化土壤差异不显著。盐化土壤在棉花全生育期中土壤pH变化小于碱化土壤，土壤盐化程度与土壤pH下降变化成正比。

表层土与深层土壤土层之间变化趋势相同，但变化量不同。在表层土壤中，土壤pH变化比较明显。图1～2

图1 0～20 cm土层土壤pH值变化

Fig.1SoilpHchangesinsoillayer0-20cm

注:图中不同小写字母表示各处理在0.05水平上差异显著

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

图2 20～40 cm土层土壤pH值变化
Fig.2 Soil pH changes in soil layer 20-40 cm

2.3 土壤EC变化

研究表明,对盐渍化土壤施加棉粕，土壤EC值有效降低。盐碱化土壤EC下降程度与盐碱化程度成反比，与CK相比，盐化土壤EC下降程度大于碱化土壤，0～20 cm土层中，土壤EC自棉花生育期开始呈现先上升后下降的趋势，盐化土壤与碱化土壤相比，盐化土壤的EC对棉粕的响应程度强。20～40 cm土层中，土壤EC随棉花生育期开始上升，盐碱浓度越高土壤EC上升的变化量越明显。盐碱处理之间，碱化土壤EC变化小于盐化土壤。其中低浓度碱化处理土壤变化量最小。图3～4

图3 0～20 cm土层土壤EC值变化
Fig.3 Soil EC changes in soil layer 0-20 cm

注:图中不同小写字母表示各处理在0.05水平上差异显著

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

图4 20～40 cm土层土壤EC值变化
Fig.4 Soil EC changes in soil layer 20-40 cm

2.4 土壤阳离子含量变化

研究表明，对土壤施加棉粕处理，土壤中阳离子含量出现不同程度的下降。其中Ca2 +下降程度最大，下降幅度在0.9%～37.7%。不同的盐碱处理下的土壤中Na+的离子含量上升，上升幅度在113.2%～534.6%；K+和Mg2+的离子含量在盐化处理土壤中下降，在碱化处理土壤中上升。在同一土层中相同浓度和棉粕的处理下,碱化处理土壤中Na+、K+和 Mg2+的含量均高于盐化处理土壤，碱化处理土壤Ca2 +均低于盐化处理土壤。两种土壤中阳离子含量在不同土层存在显著差异,表明土壤中阳离子含量受土层变化的影响较大。

棉粕对盐化处理和碱化处理土壤中阳离子含量影响相同。与CK相比，盐化处理土壤中除Na+离子以外其他离子的交换量都有所下降，而碱化处理土壤中各浓度处理的阳离子含量变化较小。棉粕对两种型土壤中的阳离子交换量有不同程度削弱作用,而且棉粕对碱化处理土壤的影响有限。表2

表2 不同处理下土壤交换性阳离子含量
Table 2 Soil exchange cation content scale under different treatment(g/kg)

层次(cm)Soil layer处理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：同一列不同小写字母表示不同盐处理相同时期在0.05水平上差异显著

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 棉花产量

研究表明,对盐化处理和碱化处理土壤施加棉粕，可不同程度的提高棉花的产量。其中LNS、MNS、LNA的棉花产量与CK相比无显著性差异，HNS与MNA、HNA处理的棉花产量低于CK且差异极显著，其中MNA低于LNA但差异不显著，HNS显著低于MNA但和HNA无显著差异。

施加棉粕可有效降低盐化、碱化土壤对棉花的胁迫效果，提高作物产量，对低浓度和中浓度的盐碱化土壤增产效果明显。其中对盐化和碱化土壤的效果不同，棉粕对LNS、MNS的增产效果要大于LNA、MNA的增产效果。棉粕对盐化土壤的改良效果要高于碱化土壤。图5

注：图中不同小写字母表示各处理在0.05水平上差异显著

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

图5 棉花产量
Fig.5 Cotton yield

2.6 棉粕对盐碱化土壤改良指标的相关性

研究表明, PC1主轴正方向为LNS、MNS和HNS; PC2主轴正方向为LNS和HNS; 由图6B可知, PC1主轴正方向为LNA、MNA和HNA; PC2主轴正方向为LAS和MNA。 通过进一步相关分析表明(表3), 盐胁迫下, 第一主成分PC1与土壤K+呈显著正相关关系，与pH、容重、土壤Na+、EC、土壤Mg2+和土壤Ca2+呈显著负相关关系，其中与EC和pH呈极显著负相关。 第二主成分PC2与土壤Ca2+和土壤K+呈负相关关系，与其他指标均呈正相关关系，其中与EC、pH呈显著正相关，与土壤Mg2+和土壤Na+呈极显著正相关。盐化处理下棉花产量与土壤K+呈正相关关系，与pH、EC和土壤Mg2+呈显著负相关关系，与土壤Na+呈极显著负相关关系。

碱胁迫下, 第一主成分PC1与土壤Mg2+和土壤K+呈正相关关系，与pH、EC、容重呈显著负相关关系，与土壤Na+和土壤Ca2+呈极显著负相关。 第二主成分PC2与pH和容重呈显著正相关关系，与土壤K+和土壤Mg2+呈显著负相关关系。碱化处理下棉花产量与土壤K+呈正相关关系，与pH、容重、EC、土壤Na+、土壤Ca2+和土壤Mg2+呈负相关关系，与EC、土壤Na+和土壤Ca2+呈显著负相关关系。图6

图6 盐碱胁迫下各指标主成分分析排序
Fig.6 Analysis of principal components of each index under salinity-alkalinity stress

盐碱胁迫下通过施加棉粕改良，提高土壤理化性质的主要原因是通过降低土壤pH、EC，增强土壤肥力。其中通过降低土壤交换性阳离子含量，提高土壤吸附能力，改良土壤性质，从而提高作物产量。无论是盐化处理还是碱化处理下土壤pH和EC对棉花产量都是抑制作用，通过改良盐碱处理土壤提高作物产量的主要因 素是降低土壤EC。对盐化土壤和碱化土壤作用的机理又有所不同，盐化处理主要通过降低土壤盐基离子含量降低土壤EC，改良土壤，提高产量。碱化处理主要通过降低土壤pH，降低土壤酸碱度，改良作物生长环境,改良土壤，提高产量。表3

表3 各指标相关性
Table 3 Relevance of indicators

指标Index盐化处理Salinization treatment碱化处理Alkaline treatmentPC1PC2产量PC1PC2产量容重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 级别(双尾)，相关性显著。**在 0.01 级别(双尾)，相关性显著

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

3 讨 论

施加改良剂可有效提高土壤质量，增强生物活性，提高土壤养分，降低土壤EC，降低盐碱土pH。有研究表明，施用改良剂后土壤养分得到有效提高，从而提高作物产量[20]。处理后可显著增加土壤的电导率,降低土壤的代换性钠含量和pH，能够明显改善盐土物理性状[21]。研究通过对盐化和碱化土壤施加棉粕改良土壤，降低了土壤容重、pH和EC，增强了土壤养分，减弱了盐碱土壤的毒害作用。宋佳奇等[22]的研究表明土壤养分和土壤容重存在负相关关系试验中，在中浓度盐碱化土壤下，土壤容重变化明显。棉粕处理下有利于土壤pH的下降，且对于碱化处理土壤的效果高于盐化处理土壤。同时土壤交换性阳离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+的离子含量在盐化处理土壤中下降程度比在碱化处理土壤大。施加棉粕改良盐碱土，可有效降低土壤交换性阳离子，提高养分利用率，提高土壤质量，从而提高作物产量。研究表明，施加棉粕可有效降低盐化、碱化土壤对棉花的胁迫效果，提高作物产量且对低浓度和中浓度的盐碱化土壤增产效果明显。EC、pH会抑制产量。这与陈永波等[23](2018)的研究一致，土壤过酸或者土壤碱性过重都不适宜作物增产。棉粕改良土壤可有效降低盐碱土的土壤pH、EC，提高作物产量[24]。

4 结 论

棉粕对盐碱土改良效果明显，添加棉粕改良能够降低盐碱化土壤容重、pH、EC、土壤交换性阳离子，可有效提高土壤理化性质，对盐化土壤和碱化土壤的效果不同，棉粕对盐化土壤的改良措施在于降低土壤EC,对于碱化土壤的改良措施为降低土壤pH。盐碱地土壤pH、EC过高是抑制棉花产量的主要原因，添加棉粕能够缓解盐碱胁迫下对棉花的伤害, 提高棉花产量。