王相平，楊勁松*，張勝江，姚榮江，謝文萍

1.中國科學院南京土壤研究所/土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點實驗室，江蘇 南京 210008；2.新疆水利水電科學研究院/新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830049

新疆鹽堿地有0.2×108hm2，約占新疆土地面積的 1/8、平原區(qū)的 1/4（楊柳青，1993；王斌等，2014），其中鹽堿化耕地占灌區(qū)耕地的37.72%，南疆鹽堿化耕地占總耕地面積的49.6%（田長彥等，2016）。如何通過鹽堿改良措施，最大程度消除鹽堿危害和保證現(xiàn)有耕地不發(fā)生次生鹽漬化現(xiàn)象對保障新疆糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關重要。鹽堿地改良有物理改良、化學改良、農(nóng)業(yè)技術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價大、周期長，化學改良方法應用較為廣泛。

目前常見的鹽堿土壤改良劑有腐植酸、黃腐酸、脫硫石膏、聚丙烯酰胺（PAM）等。腐植酸類（腐植酸、黃腐酸）改良劑通過影響土壤鹽基交換量、土壤的持水性、促進土壤團粒形成、控制土壤中各類離子遷移、固定和淋溶等來改良鹽堿土（王曉洋等，2012；孫在金，2013）。石膏類改良劑有助于土壤膠體的凝聚、促進土壤形成團粒結構、降低土壤容重，顯著改善土壤的理化性狀，但過量施用石膏反而會導致鹽分的積累（張峰舉等，2013；杜雅仙等，2018）。聚丙烯酰胺是一種高效的土壤結構改良劑，具有將細小土顆粒絮凝，增加土壤保水、持水性能，降低土壤容重，提高土壤入滲率等特點（張雪辰等，2017）。由于不同改良劑的性質、組成和作用機理在不同土壤類型上的施用效果相差較大，因此選擇合適的土壤改良劑關系到能否提高研究區(qū)的經(jīng)濟效益和社會效益。

土壤酶活性是土壤中各種生物化學過程的動力，是維持土壤肥力的一個潛在指標，它的高低反映了土壤養(yǎng)分轉化的強弱，可以反映土壤的表觀肥力。有研究指出土壤酶活性大小可以作為評價鹽堿地改良利用效果和措施可持續(xù)性的重要指標之一（張體彬等，2017）。已有研究多針對改良劑及調(diào)控措施對鹽堿土壤鹽分、土壤理化性質、作物產(chǎn)量等方面的研究（南江寬等，2013；劉娟等，2017；侯曉靜等，2015；鄒璐等，2012；高婧，2018；王丹等，2019），而對土壤酶活性的研究較少（史建國等，2015；竇超銀等，2010；白雪等，2018），尤其針對化學改良劑施用對土壤酶活性的研究更少。本文針對干旱鹽堿區(qū)的實際情況和特點，采用4種土壤鹽堿改良劑，通過田間試驗，分析不同改良劑處理后土壤鹽分、pH值、有機質和土壤酶活性的變化狀況，同時結合作物產(chǎn)量，試圖篩選出適宜于研究區(qū)的改良劑，為合理利用干旱區(qū)鹽堿土資源、改善研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年4—10月在新疆巴音郭楞蒙古自治州水利管理處灌溉試驗站進行（41°36′N，86°12′E），該區(qū)屬暖溫帶大陸性荒漠氣候，干旱少雨，蒸發(fā)強烈，晝夜溫差大。年平均氣溫11.5 ℃，無霜期 191 d，日照時數(shù) 3036.2 h，年平均降雨量53.3—62.7 mm，潛在蒸發(fā)量2273—2788 mm，地下水位埋深在1.4—2.4 m。

1.2 試驗設計

本試驗主要研究黃腐酸、腐植酸、石膏和聚丙烯酰胺等改良劑對試驗地棉花產(chǎn)量及土壤性質的影響，試驗共設置5個處理，分別為控制處理（CK），石膏處理（S，用量 4500 kg·hm-2），腐植酸處理（F，用量 450 kg·hm-2），黃腐酸處理（H，用量 150 kg·hm-2）和聚丙烯酰胺處理（P，用量 30 kg·hm-2），改良劑在播種前一次性施入。小區(qū)長1.5 m，寬1 m，人工覆膜種植。各處理均等量施用磷酸二銨 750 kg·hm-2，復合肥 600 kg·hm-2，硫酸鉀 75 kg·hm-2。石膏施用量參考羅小東等（2016）在該試驗區(qū)研究結果。腐植酸和黃腐酸為新疆雙龍腐植酸有限公司生產(chǎn)，其中腐植酸（干基）≥60%，推薦用量為450 kg·hm-2，黃腐酸推薦用量為 150 kg·hm-2。種植作物為棉花，2018年4月26日播種，10月4日收獲，灌水方式為膜下滴灌，試驗管理同當?shù)爻Ｒ?guī)方式保持一致。土壤基本理化性質如表1。

表1 供試土壤理化性質Table 1 Soil physical and chemical properties in experimental area

1.3 樣品采集及測定

分別于2018年4月棉花種植前和9月棉花收獲期進行土樣采集。每個試驗小區(qū)采集3個0—20 cm表層土壤樣品，將所取得的土壤樣品去除根系和石塊等雜物，充分混勻后裝入采樣袋內(nèi)。土壤樣品帶回實驗室內(nèi)，自然風干，磨碎，過篩（20目和100目）后，進行相關指標的測定。土壤鹽分含量和pH測定采用土水比1∶5電導法，土壤有機質測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法（Wang et al.，2003）。土壤脲酶活性采用靛酚藍比色法測定，土壤堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法，過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法（Zhang et al.，2011）。

在棉花生育期，每小區(qū)選定 3株棉花，定期采用米尺測定其株高；在收獲時，對小區(qū)內(nèi)棉花株數(shù)和棉桃數(shù)進行計量，并隨機采集50朵棉絮進行晾曬稱重，根據(jù)小區(qū)面積、棉花株數(shù)、棉桃數(shù)和50朵棉絮重計算小區(qū)棉花產(chǎn)量。由于小區(qū)測產(chǎn)數(shù)據(jù)一般偏高，因此實測棉花產(chǎn)量為小區(qū)計算棉花產(chǎn)量乘以0.85。

1.4 試驗數(shù)據(jù)分析

該試驗數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2010進行基本處理，使用SPSS 15.0進行統(tǒng)計分析。其中結果差異顯著性檢驗采用LSD檢驗方法，差異顯著性水平設置為P＜0.05。

為評價不同改良劑施用對表土 0—20 cm土壤酶活性的提升效果，用同一土層整個供試土樣酶活性的平均值為參比，分別計算各土樣酶活性的相對值，然后累加即為各土樣的總體酶活參數(shù)（何文祥等，2010；孟繁昊等，2018）。

式中：Xi為供試樣品第i種酶活性實測值，X為同種酶活性平均值。

2 結果與分析

2.1 不同改良劑對棉花株高及產(chǎn)量的影響

在棉花生育期，一共測定了6次株高，同時對每次測定結果都進行了顯著性分析（表2）。從表1可以看出，在棉花生長初期，各試驗處理株高無顯著性差別，第2次測量過后，CK處理株高顯著低于其他處理，但其他處理之間株高無明顯差別；第3次測量過后，F(xiàn)、H和P處理棉花生長加速，明顯快于S和CK處理，直至生長期結束，株高的變化規(guī)律基本表現(xiàn)為：P＞H＞F＞S＞CK。從最后一次測量結果來看，P處理株高最高，為61.3 cm，其次為H處理，棉花株高為52.0 cm，兩個處理間無顯著性差別；F、S和CK處理棉花株高無顯著差別。

表2 各試驗處理株高Table 2 Plant height of different treatments cm

從圖1可以看出，施用4種改良劑處理后，棉花產(chǎn)量都高于對照處理，表明這些改良劑能為棉花的生長提供較適宜的土壤環(huán)境，保證了棉花的生長和產(chǎn)量的提高。其中施用腐植酸處理后的棉花產(chǎn)量最高，其次為S、H和P處理。從方差分析結果看，施用腐植酸后棉花產(chǎn)量顯著高于S、H、P和CK處理，分別比S、H、P和CK處理增加12.3%、14.9%、19.7%和24.8%。S和H處理棉花產(chǎn)量顯著高于CK處理，施用 PAM 處理顯著促進了棉花株高生長但并未顯著提高棉花產(chǎn)量。

圖1 各試驗處理棉花產(chǎn)量Fig.1 The cotton yield of different treatments

2.2 不同改良劑對土壤鹽分含量和pH值的影響

棉花收獲后，采集表層土壤樣品研究了不同改良劑處理對土壤鹽分含量和pH值變化的影響。從表3可以看出，各改良劑處理土壤鹽分含量均低于CK處理，其中以F處理土壤鹽分質量分數(shù)最低，為4.12 g·kg-1，較CK降低26.2%左右；其次為P和H處理，分別較CK降低22%和18.3%；S處理土壤鹽分質量分數(shù)較CK降幅最少為8.8%。從顯著性分析來看，F(xiàn)、P和H處理土壤鹽分顯著低于S和CK處理，S和CK處理之間鹽分差異不顯著。

表3 各試驗處理棉花收獲后表層土壤鹽分質量分數(shù)及pHTable 3 The salt content and pH of different treatments after crop harvesting

各試驗處理土壤pH值如表3所示。各試驗處理土壤pH值均小于播種前土壤pH值，包括CK處理。棉花收獲后，以S和F處理土壤pH值降低最多，相比CK處理降低約0.1個單位，其次為H處理，降低0.04個單位，P處理高于控制處理0.01個單位。處理間土壤pH差異未達到顯著水平。

2.3 不同改良劑對土壤有機質含量的影響

表4為不同處理棉花收獲后表層土壤有機質質量分數(shù)，可以看出，添加改良劑后土壤有機質含量高于CK處理，其中以H處理土壤有機質質量分數(shù)最高，其次為P、F和S處理，分別較CK處理提高26.5%、23.9%、23.6%和9.9%。H、P和F處理間土壤有機質質量分數(shù)無顯著性差別但顯著高于S和CK處理，S處理土壤有機質質量分數(shù)顯著低于其他改良劑處理但顯著高于CK處理。

表4 各試驗處理棉花收獲后表層土壤有機質質量分數(shù)Table 4 Soil organic matter of different treatments after crop harvesting

2.4 不同改良劑對土壤酶活性的影響

土壤過氧化氫酶是催化過氧化氫分解成氧和水的酶，其活性反映了土壤氧化過程的強度（樊軍等，2003），且在一定程度上也較靈敏地反映了土壤微生物學過程和作物代謝過程的強度（史建國等，2015；李志建等，2004）。由表5可知，各改良劑處理下土壤過氧化氫酶活性除S處理外均高于CK，且F處理顯著高于其他處理；與控制處理CK相比，F(xiàn)處理土壤過氧化氫酶活性高54.4%，H和P處理分別高出CK處理14.0%和10.5%，S處理活性降低17.5%。

土壤磷酸酶是土壤微生物生命活動和植物根系分泌產(chǎn)生的酶種之一，可反映土壤的供磷水平和評價土壤磷素肥力（孫瑞蓮等，2008）。在中性和弱堿性土壤中，堿性磷酸酶占主導地位（張體彬等，2017）。從表5可以看出，4種改良劑處理土壤堿性磷酸酶活性均高于控制處理CK，其中以F處理土壤堿性磷酸酶活性最高，較CK高出68.5%，其次為S、H和P處理，分別較CK高出22.0%、16.5%和 11.0%。從顯著性分析結果來看，F(xiàn)處理土壤堿性磷酸酶活性顯著高于其他處理，S和H處理土壤堿性磷酸酶活性無顯著差別，P和CK處理土壤堿性磷酸酶活性無顯著差別。

脲酶是唯一能夠影響土壤中氮素轉化與利用的酶，它能促進尿素水解并形成NH4+，有利于植物對氮素的吸收和利用，可反映土壤的供氮能力，同時也可以加速土壤潛在養(yǎng)分的有效化（白雪等，2018）。棉花收獲后，各試驗處理間土壤脲酶活性大小排序為：F＞S＞H＞P＞CK，分別較 CK 處理高出130.1%、53.8%、19.2%和3.8%；F處理顯著高于其他處理，H和S處理顯著高于P和CK處理，H、P和CK處理無顯著差別。

表5 各試驗處理棉花收獲后土壤酶活性變化Table 5 Changes of soil enzyme activity under different treatments after crop harvesting

為了綜合評價供試土壤中土壤總體酶活性的大小，通過將實測值轉化為相對值，用土壤總體酶活參數(shù)（Et）這個指標綜合評價了不同量綱酶活性的總體變化規(guī)律（表5）。由表可以看出，F(xiàn)處理土壤酶活參數(shù)最高，較對照處理高77.2%，且顯著高于其他處理。其他處理間土壤酶活參數(shù)差異雖無顯著性差異，但H、S和P處理土壤酶活參數(shù)依然分別高出CK處理 13.8%，13.4%和 7%，說明改良劑的施用改善了土壤微生物環(huán)境，提高了土壤酶活性。

3 討論

3.1 改良劑對作物指標的影響

大量研究表明，石膏、腐植酸類物質和PAM等改良劑施用于鹽堿土壤中，達到改善土壤結構、增加土壤滲透性、減少土壤蒸發(fā)量，進而達到加快脫鹽的目的，同時這些改良劑中含有大量微量和營養(yǎng)元素也可以促進植物生長，提高鹽堿地作物產(chǎn)量（王丹等，2019；徐國鳳等，2019）。

本研究中，腐植酸、脫硫石膏、黃腐酸和PAM的施用均提高了棉花產(chǎn)量，分別較CK處理提高了24.8%、11.1%、8.5%和4.2%，添加腐植酸處理增產(chǎn)幅度最大。徐國鳳等（2019）研究了羊糞、腐植酸和過磷酸鈣等對鹽堿農(nóng)田玉米產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)施用腐植酸后玉米產(chǎn)量增產(chǎn)幅度最大，可達16.3%，與本文研究結果一致。南江寬等（2013）研究了不同改良劑對濱海鹽漬土油菜和玉米產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)施用腐植酸處理油菜和玉米產(chǎn)量可分別較對照提高15.68%和9.15%。同時，杜雅仙等（2018）研究表明單施脫硫石膏后，水稻株高和產(chǎn)量較對照分別提高了9.5%和13.14%，在本研究中，添加石膏處理，棉花株高和產(chǎn)量較對照分別提高了 15%和11.1%。王丹等（2019）研究表明脫硫石膏配施有機物料可增加籽棉產(chǎn)量5.77%以上。

3.2 改良劑對土壤性質的影響

在本研究中，F(xiàn)、H和P處理棉花收獲后土壤鹽分低于S處理，這是由于石膏本身含有一定量的鹽分，也有研究表明，施用石膏后土壤鹽分含量增加（南江寬等，2013）。S、F和H處理降低pH效果優(yōu)于P處理，這是因為腐植酸和黃腐酸通過酸性基因團中和土壤堿性，石膏解離的Ca2+與CO32-和HCO3-形成碳酸鹽和重碳酸鹽來降低土壤 pH，而PAM主要是針對土壤結構進行改良，改善土壤的持水和入滲性能，對降低土壤pH效果不大。南江寬等（2013）研究表明，在濱海地區(qū)施用腐植酸改良劑后，土壤鹽分質量分數(shù)在玉米收獲期較對照降低了0.53 g·kg-1，pH降低了0.16個單位。

高婧（2018）研究表明，土壤有機碳含量與土壤鹽分含量呈顯著負相關關系（r2=0.729）。在本研究中，施用改良劑處理后土壤鹽分含量顯著低于對照處理，而土壤有機質含量顯著高于對照處理，且回歸分析也發(fā)現(xiàn)土壤有機質含量與土壤鹽分含量呈顯著負相關關系（r2=0.817）。這是因為腐植酸和黃腐酸可直接參與土壤有機碳氮的礦化過程來調(diào)節(jié)養(yǎng)分平衡（劉艷麗等，2015），同時也有研究表明石膏施入土壤后，可促進表層土壤有機碳含量的增加（侯曉靜等，2015；鄒璐等，2012）。

土壤有機質為土壤酶提供了基質，且土壤酶活性與土壤有機質含量呈顯著正相關關系（Wei et al.，2015）。土壤有機質含量低時，土壤酶容易變性失活，或者被土壤腐植酸聚合物生物降解（Muhammad et al.，2008）。在本研究中，除過氧化氫酶活性以外，添加改良劑處理土壤堿性磷酸酶活性和脲酶活性都大于對照處理，特別是添加腐植酸處理，土壤過氧化氫酶酶活性、堿性磷酸酶活性和脲酶活性都顯著高于其他處理，土壤酶活參數(shù)也顯著高于其他處理，這與腐植酸處理土壤鹽分含量低、有機質含量高的結果相一致。鹽堿地土壤酶活性的增加說明土壤肥力的提高，將有助于植物對土壤養(yǎng)分吸收，根區(qū)土壤酶活性的增加應該歸功于對應區(qū)域土壤環(huán)境的改善，包括鹽分的淋洗，土壤pH值的降低，以及土壤養(yǎng)分含量的增加。

4 結論

本研究分別對比了石膏、腐植酸、黃腐酸、聚丙烯酰胺等改良劑對干旱區(qū)棉花產(chǎn)量和土壤性質的影響，結果表明不同改良劑對干旱區(qū)鹽堿土壤均起到了抑鹽、改善土壤性質和增產(chǎn)的作用。具體來說，腐植酸、黃腐酸和石膏處理顯著提升了棉花產(chǎn)量；腐植酸、黃腐酸和聚丙烯酰胺處理顯著降低了土壤鹽分含量；除石膏處理土壤過氧化氫酶活性低于對照處理外，腐植酸、黃腐酸和聚丙烯酰胺處理均顯著增加了土壤有機質含量、提高了土壤過氧化氫酶、脲酶和堿性磷酸酶活性及土壤酶活參數(shù)，以腐植酸處理增加土壤有機質含量和土壤酶活參數(shù)效果最好。

綜合分析不同改良材料對作物產(chǎn)量、土壤鹽分、土壤有機質和土壤酶活性的影響，充分表明腐植酸改良劑在降低土壤鹽分含量、增加土壤有機質、提升土壤酶活性和增加作物產(chǎn)量上效果最佳，是適合于本試驗區(qū)鹽堿改良劑。