2026, Vol. 58
2. 武威市农田土壤改良与耕地保育技术创新中心, 甘肃武威 733006
土壤盐渍化已经成为一个全球性的问题。国土“三调”结果显示，我国约有盐碱地1.15亿亩(15亩= 1 hm2)，主要分布于西北内陆盐碱区、黄河上中游盐碱区、东北松嫩平原盐碱区、滨海盐碱区和黄淮海平原盐碱区[1]。兰州新区位于黄土高原西北部，表层土壤为第四纪洪冲积黄土质砂壤土，之下为盐碱含量较高的砂砾，土壤pH高、有机质/腐殖质缺乏，肥力差，加之传统农业生产水资源利用方式的多年影响，造成部分灌溉土壤次生盐渍化现象加剧，因此改善土壤生态环境质量成为兰州新区的一项重要任务[2]。
施用土壤改良剂是盐碱土改良的一个重要措施，具有见效快、材料配方灵活多样等特点[3]。但我国盐碱化土壤分布地域广泛，不同区域盐碱土的类型及成因各有不同，土壤质量提升及盐碱土壤改良措施及效果可能会存在差异[4]。施用脱硫石膏改良盐碱土壤在宁夏、吉林和内蒙古等地已被证实为一种有效措施[5-7]。木本泥炭因具有腐殖质含量高、纤维素丰富、疏松多孔、保水保肥性能优等特点也已被广泛应用于土壤质量提升和盐碱土壤改良[8-9]。研究表明，木本泥炭材料能够提高土壤有效水分、改善土壤保水性性能，通过减少地表水分蒸发减缓土壤水盐运动，缓解土壤盐渍化[10-11]；此外，木本泥炭配施有机物料能有效调节土壤固、液、气三相比，改善土壤结构，提高土壤养分有效性，增强土壤微生物活性[12-13]。
针对兰州新区土壤质量整体较差的实际情况和土壤盐碱化及次生盐碱化日益严重的问题，鉴于木本泥炭和脱硫石膏用于兰州新区土壤质量提升及盐碱土壤改良的研究报道甚少，依托本课题组前期的研究成果，本研究选用以上2种土壤改良剂，以传统种植作物小麦和绿肥作物红豆草为供试作物，设置不同的处理，开展兰州新区盐碱土壤改良试验，通过比较分析不同处理对土壤物理、化学、生物学和作物产量的影响，旨在筛选出土壤质量提升及盐碱土壤改良效果好、作物产量高的改良模式，为兰州新区及类似地区土壤质量提升及盐碱土壤改良提供理论与实践指导。
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验于2022年3月—2023年10月在兰州新区药物碱厂(36°34 N'，103°43' E，海拔1 910 m)开展，试验用地为2021年8月由撂荒地新垦的耕地。该区属于半干旱大陆性气候，气候干燥，多年平均降水量288 mm，年均蒸发量1 888 mm，日照时数1 744~ 2 659 h，土壤质地以粉砂质黏壤土和黏壤土为主。灌溉方式为滴灌，试验开展前按照“S”形8点土钻采集0~30 cm的耕层土壤基本理化性质为：pH 8.60，水溶性盐含量6.43 g/kg，容重1.58 g/cm3，总孔隙度40.38%，有机质10.26 g/kg，全氮0.63 g/kg，全磷0.28 g/kg，全钾1.63 g/kg，碱解氮46.93 mg/kg。有效磷2.39 mg/kg，速效钾38.45 mg/kg，土壤呈碱性，养分含量低，理化性状差。
1.2 供试材料供试红豆草品种选用甘肃红豆草(C1)，小麦品种选用当地主栽品种宁春9号(C2)，供试土壤改良剂包括木本泥炭、脱硫石膏和有机肥，其基本理化性质信息见表 1。
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表 1 有机物料来源及成分信息 Table 1 Information of sources and compositions of tested organic materials |
本试验依托课题组对土壤改良模式的研究基础，设置2种作物(C1：红豆草，C2：小麦)和3种土壤改良方式(A0：传统施肥，施N 225 kg/hm2，P2O5 375 kg/hm2，K2O 37.5 kg/hm2，A1：木本泥炭9.0 t/hm2+ 有机肥3.0 t/hm2+传统施肥，A2：脱硫石膏7.5 t/hm2+有机肥3.0 t/hm2+传统施肥，共6个处理组合(见表 2)，每个处理重复3次，小区面积为80.0 m2 (20.0m× 4.0m)，随机区组排列，各小区之间设0.4 m宽的隔离行。2022—2023年试验设计及施肥量见(表 2)。两类作物的播期均为每年3月中下旬，小麦播量337.5 kg/hm2，红豆草播量60 kg/hm2，红豆草生育中期刈割1次后再不刈割，小麦7月下旬收获，10月初将小麦和红豆草秸秆用旋耕机打碎(长度10~20 cm)翻入土壤，深度20~30 cm。灌水、锄草等田间管理按当地农事操作进行。
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表 2 试验设计和各处理施肥量 Table 2 Experimental design and fertilization amount of each treatment |
试验期间(2022—2023年)每年在作物收获后(7月下旬)在各小区同样按照“S”形8点土钻和环刀采集0~30 cm耕层土壤样品，混匀后除去根系等杂物，带回实验室，一份自然风干，测定土壤理化指标，一份−20 ℃保存，用于测定土壤微生物指标。
1.4.2 土壤样品测定计算指标本研究涉及到15个土壤指标测定方法参照《土壤农业化学分析方法》[14]，其中pH，S210型pH计(土水比1∶2.5)；水溶性盐含量，S230型电导率仪(土水比1∶5)；容重，环刀法；有机质，K2Cr2O7氧化–容量法；全氮，凯氏定氮法；硝态氮，双波长光度法；铵态氮，KCl浸提–靛酚蓝比色法；有效磷，NaHCO3浸提–钼锑抗比色法；速效钾，NH4OAc浸提–火焰光度计法；蔗糖酶活性，3, 5-二硝基水杨酸比色法；脲酶活性，苯酚钠–次氯酸钠比色法；过氧化氢酶活性，高锰酸钾滴定法；碱性磷酸酶活性，磷酸苯二钠比色法；微生物生物量碳、氮，氯仿熏蒸法–K2SO4浸提–碳氮联合分析仪(Tekmar Lotix)，并计算微生物生物量C/N比。
1.4.3 作物产量测算7月下旬在各小区内选取1个具有代表性的2.0 m×2.0 m样方，分别计算小麦籽粒产量，称重作物地上部生物量(小麦秸秆和红豆草生物量)，并换算公顷(hm2)产量。
1.4.4 土壤质量指数(Soil quality index，SQI)计算方法采用线性计算模型[15]，将1.4.2中的16个指标转化为0~1的无量纲分数。本研究中采用“越多越好”型指标(包括有机质、全氮、硝态氮、铵态氮、有效磷、速效钾、蔗糖酶活性、脲酶活性、过氧化氢酶活性、碱性磷酸酶活性、微生物生物量碳、微生物生物量氮)评分函数式(1)和“越少越好”型指标(包括pH、水溶性盐含量、容重、土壤微生物生物量C/N比)评分函数式(2)。
| $ {S_i} = \frac{{{X_i} - {X_{\min }}}}{{{X_{\max }} - {X_{\min }}}} $ | (1) |
| $ {S_i} = \frac{{{X_{\max }} - {X_i}}}{{{X_{\max }} - {X_{\min }}}} $ | (2) |
式中：Si代表线性指标得分(0~1)，Xi代表指标实测值，Xmax代表指标最大值，Xmin代表指标最小值。
为了计算耕层(0~30 cm)土壤质量指数，先对本研究检测土壤指标进行主成分分析，获取各指标公因子方差，计算指标公因子方差与公因子方差之和的比值，即得到各项指标权重值[16]，然后用式(3)计算土壤质量指数，土壤质量指数数值越高，表明土壤质量越好。
| $ {\text{SQI}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{W_i}{S_i}} $ | (3) |
式中：SQI为土壤质量指数，Wi为第i项指标权重值，Si为第i项指标得分，n为各数据集指标数量(n=16)。
1.5 数据处理与分析采用Excel 2020进行数据整理和作图，采用SPSS 21.0进行方差分析，多重比较和相关分析(P < 0.05或P < 0.01)，主成分分析和相关性分析(P < 0.05)。
2 结果与分析 2.1 不同处理对土壤物理性质的影响表 3是2022年和2023年不同处理下的土壤物理性质，由表 3可见，A1和A2均能显著改善土壤物理性质，A1效果更为显著，但C1A1和C2A1间效果差异不显著。以2022年为例，与C1A0相比，2022年C1A1、C1A2土壤pH分别降低0.07和0.04个单位(P < 0.05)，水溶性盐含量分别降低14.75% 和12.62%(P < 0.05)，容重降低7.53% 和4.79%(P < 0.05)；与C2A0，2022年C2A1、C2A2土壤pH分别降低0.07和0.06个单位(P < 0.05)，水溶性盐含量降低12.77% 和10.28%(P < 0.05)，容重分别降低8.00% 和6.00%(P < 0.05)。
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表 3 不同处理对土壤物理性质的影响 Table 3 Soil physical properties under different treatments |
如果以2022年和2023年两年的指标均值比较来看(表 3)，A1改善土壤物理性状的效果最为显著，与C1A0相比，C1A1的土壤pH、水溶性盐含量和容重分别降低0.11个单位、10.66% 和6.99%(P < 0.05)；与C2A0相比，C2A1土壤pH、水溶性盐含量、容重分别降低0.10个单位、9.74% 和7.53%(P < 0.05)。说明A1改善土壤物理性状的效果优于A2。
2.2 不同处理对土壤养分含量的影响表 4是2022年和2023年不同处理下的土壤养分状况，由表 4可见，A1和A2均能显著提高土壤养分含量，A1提高效果更为显著，但C1A1和C2A1间提升效果差异不显著。以2022年为例，与C1A0相比，C1A1和C1A2的有机质、全氮、硝态氮、铵态氮、有效磷和速效钾含量分别显著提高15.44% 和10.47%、22.22% 和4.94%、62.28% 和42.05%、39.65% 和25.94%、59.38% 和43.75%、11.86% 和6.47% (P < 0.05)；与C2A0相比，C2A1和C2A2的有机质、全氮、硝态氮、铵态氮、有效磷和速效钾含量分别显著提高12.47% 和9.79%、23.08% 和1.28%、76.78% 和38.99%、38.01% 和12.35%、53.88% 和53.10%、5.16% 和11.10%(P < 0.05)。
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表 4 不同处理对土壤养分含量的影响 Table 4 Soil nutrient contents under different treatments |
如果以2022年和2023年两年的指标均值比较(表 4)来看，A1提升耕作土壤养分含量的效果最为显著，与C1A0相比，C1A1有机质、全氮、硝态氮、铵态氮、有效磷和速效钾含量分别显著提高28.24%、27.78%、66.71%、27.70%、33.23% 和10.94%(P < 0.05)；与C2A0相比，C2A1的有机质、全氮、硝态氮、铵态氮、有效磷和速效钾含量分别显著提高27.65%、31.76%、66.95%、26.44%、39.33% 和5.29%(P < 0.05)。表明A1提升耕作土壤养分含量效果优于A2。
2.3 不同处理对土壤酶活性和微生物生物量碳、氮的影响表 5是2022年和2023年不同处理对土壤酶活性的影响，由表 5可见，A1和A2均能显著提高土壤酶活性，以A1提高效果更佳，但C1A1和C2A1间提升效果差异不显著。以2022年为例，与C1A0相比，C1A1和C1A2的土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶的活性分别显著提升26.02% 和9.68%、45.79% 和25.70%、93.81% 和62.89%、28.67% 和23.78%(P < 0.05)；与C2A0相比，C2A1和C2A2的土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶的活性分别显著提升24.85% 和10.89%、46.54% 和22.38%、83.00% 和62.00%、28.06% 和25.18% (P < 0.05)。
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表 5 不同处理对土壤酶活性的影响 Table 5 Soil enzyme activities under different treatments |
如果以2022年和2023年两年土壤酶活性均值(表 5)来看，A1提升土壤酶活性的效果最为显著，与C1A0相比，C1A1土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶的活性分别显著提高24.74%、49.48%、71.32% 和38.37%(P < 0.05)；与C2A0相比，C2A1的土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶的活性分别显著提高23.61%、48.14%、69.77% 和35.93% (P < 0.05)。表明A1提升土壤酶活性的效果优于A2。
表 6是2022年和2023年不同处理对微生物生物量碳、氮和微生物生物量C/N比的影响，由表 6可见，A1和A2均能显著提高微生物生物量碳、氮和微生物生物量C/N比，A1提高效果更佳，但C1A1和C2A1间提升效果差异不显著。以2022年为例，与C1A0相比，C1A1和C1A2微生物生物量碳和微生物生物量氮分别显著提高35.51% 和31.66%、108.02% 和97.13%(P < 0.05)；与C2A0相比，C2A1和C2A2微生物生物量碳和微生物生物量氮分别显著提高34.50% 和8.78%、20.97% 和53.11%(P < 0.05)。
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表 6 不同处理对土壤微生物生物量碳、氮和C/N的影响 Table 6 Soil microbial biomass carbon, nitrogen contents and C/N ratios under different treatments |
如果比较2022年和2023年两年的微生物生物量碳和微生物生物量氮均值(表 6)，A1提高微生物生物量碳、微生物生物量氮最为显著。与C1A0相比，C1A1的微生物生物量碳和微生物生物量氮分别显著提高29.54% 和106.26%(P < 0.05)；与C2A0相比，C2A1的微生物生物量碳和微生物生物量氮分别显著提高106.26%和15.37%(P < 0.05)。
由表 6可知，C1A0和C2A0两年间微生物生物量C/N比范围介于8.77~9.47(细菌碳氮比为5∶1，放线菌为6∶1，真菌为10∶1)，说明C1A0和C2A0土壤微生物群落结构不稳定，真菌和放线菌占比大，细菌占比小，土壤生态功能脆弱；A1和A2的C/N比较低，介于5.24~6.29，说明土壤中细菌和真菌占比大，土壤生态功较稳定。C1A1和C2A1的微生物生物量C/N比两年均值分别为5.58和5.67，说明C1A1和C2A1更有助于提高微生物生物量碳、氮，稳定土壤微生物群落结构，提高土壤生态功能。
2.4 不同处理对作物地上部生物量和籽粒产量的影响由图 1可以看出，A1和A2均能显著提高C1和C2的产量，且A1产量提高效果最明显。与C1A0相比，2022年和2023年C1A1和C1A2红豆草生物量分别显著提高10.88% 和8.79%、12.65% 和10.28%；与C2A0相比，2022年和2023年C1A1和C1A2小麦秸秆生物量分别提高12.90% 和9.68%、14.29% 和10.53%，小麦籽粒产量分别提高9.62% 和7.69%、11.85% 和8.85%。如果比较2022年和2023年两年作物生物量和籽粒产量均值，C1A1红豆草生物量较C1A0显著提高11.76%，C2A1小麦秸秆生物量、籽粒产量分别较C2A0显著提高13.59%、10.56%。表明两种作物配施A1、A2能显著提高作物生物量和产量，且A1效果更佳。
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(图中不同小写字母表示同一作物不同处理间差异显著(P < 0.05)) 图 1 不同处理组合下作物地上部生物量和籽粒产量 Fig. 1 Crop aboveground biomass and grain yields under different treatments |
本研究获取的各指标权重见表 7。
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表 7 土壤质量评价指标公因子方差和权重(2022年和2023年均值) Table 7 Common factor variances and weights of soil quality evaluation indicators(average for 2022 and 2023) |
图 2是不同处理的土壤质量指数，由图 2可见，A1、A2均能显著提高土壤质量指数，且A1效果更显著。不同处理土壤质量指数由高至低顺序为：C1A1 (0.68) > C2A1(0.64) > C1A2(0.56) > C2A2(0.54) > C1A0 (0.40) > C2A0(0.37)。与C1A0相比，C1A1和C1A2的土壤质量指数分别显著增加70.83% 和40.83%；与C2A0相比，C2A1和C2A21的土壤质量指数分别显著增加71.44% 和43.77%，可见C1A1、C2A1提升土壤质量指数的效果最为显著，但两者间差异不显著。此外，线性回归分析结果(图 3)表明，SQI分别与红豆草地上部生物量(R2=0.9224)、小麦地上部生物量(R2=0.9522)和小麦籽粒产量(R2=0.9415)均呈显著正相关关系(P < 0.01)。
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(图中不同小写字母表示不同作物及处理间差异显著(P < 0.05)) 图 2 不同处理下土壤质量指数(2022年和2023年均值) Fig. 2 Soil quality index under different treatments (average for 2022 and 2023) |
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图 3 土壤质量指数与红豆草和小麦地上部生物量和籽粒产量关系 Fig. 3 Relationship between SQI with aboveground biomass and grain yields of Sainfoin and wheat |
生物炭和脱硫石膏是目前较常用的盐碱土壤改良剂[17]。本研究为期2年的连续试验结果表明，施用木本泥炭和脱硫石膏均能显著降低耕层土壤pH (降低0.11~0.10单位)、水溶性盐含量(降低10.66%~ 9.74%)和容重(降低6.99%~7.53%)，有效改善土壤物理性状。赵旭等[18]研究发现，添加木本泥炭可降低土壤容重，优化土壤团聚结构、提高孔隙度，进而提升土壤通气透水性与持水能力；王丹等[19]研究结果表明，施用脱硫石膏配施有机物料可降低耕层土壤pH、碱化度及电导率。本试验研究结论与上述研究结论相一致。主要是木本泥炭富含腐殖质，纤维素丰富、疏松多孔，孔隙结构优良对土壤有一定稀释作用[20]，其比脱硫石膏更能降低土壤容重，促进土壤物理性质改善；同时，木本泥炭和脱硫石膏自身含有高凝聚力Ca2+、Mg2+等离子，可以促进盐碱土中胶体的絮凝和团聚体的形成[21]，促进土壤结构改善，降低土壤pH、水溶性盐含量，增加渗透性，促使土壤物理指标良性发展[22]。
3.2 木本泥炭和脱硫石膏提升土壤养分含量和肥力氮、磷、钾是作物生长发育不可或缺的必需营养元素，土壤有机碳及速效养分含量是衡量土壤肥力水平的重要指标[23]。单一研究土壤全量养分并不能全面反映土壤耕层肥力的真实状况，应该综合考虑与土壤肥力水平密切相关及植物可吸收利用的土壤有效态养分[8]。兰州新区盐碱土壤受盐碱胁迫，土壤结构差，微生物活性及酶活性偏低，不利于土壤有机碳形成和养分的运移转化。生物质炭[24]和脱硫石膏[25]能够直接或间接的调控盐碱土养分含量。本研究为期2年的试验结果表明，施用木本泥炭和脱硫石膏均能不同程度促进土壤有机质、全氮、硝态氮、铵态氮、有效磷和速效钾含量提升。这与宿翠翠等[8]、田荣荣等[17]的研究结果基本一致。究其原因可能是，施用木本泥炭和脱硫石膏改善了土壤物理性质，增强了土壤微生物活性，进而促进矿物质和有机质的分解，加速土壤养分的分解和有效养分元素的释放，提高了土壤有效养分含量；另一方面，施用木本泥炭和有机物料自身有机养分含量较高，施入土壤后会提高土壤有机质和养分含量[26]。
3.3 木本泥炭和脱硫石膏提高土壤酶活性和微生物生物量碳氮土壤微生物是土壤酶的主要来源，而酶活性直接关系到微生物对土壤中各类化学反应的调控程度[27]。土壤微生物生物量碳、氮是评价土壤养分有效性和微生物结构随环境变化的敏感指标[28]。本研究结果表明，土壤改良剂木本泥炭和脱硫石膏均能有效提高耕层土壤酶活性和提高土壤微生物生物量碳、氮含量，且木本泥炭改善效果优于脱硫石膏。李平等[29]研究表明，施用土壤改良剂显著提高了土壤酶活性，且酶活性与碱解氮、有效磷和速效钾含量均呈显著正相关；袁访等[30]研究结果发现，添加生物炭可通过提高土壤有机碳、碱解氮、速效磷含量，间接提升土壤过氧化氢酶和磷酸酶活性；陈凤清等[31]研究表明，施用脱硫石膏能够提高燕麦根际土壤的酶活性。本研究结果与前述研究结论一致。其原因可能是木本泥炭、脱硫石膏配施有机物料有效改善了土壤物理性状，推动土壤各项指标向良性方向发展，为土壤酶促反应创造了更适宜的环境条件，进而显著提升酶活性；另一方面，木本泥炭、脱硫石膏及配施的有机物料自身含有各种养分元素、有机质为土壤微生物的生命活动提供了丰富的营养来源，为土壤微生物生存奠定了良好的养分环境，促使微生物生长和繁殖速度加快，土壤微生物生物量碳氮含量增加，酶活性增强[32]。
3.4 木本泥炭和脱硫石膏对土壤质量和作物生物量和产量的协同提升通过全数据(2022和2023年16个指标数据均值)对耕作层(0~30 cm)土壤质量指数进行主成分分析(表 7)，揭示木本泥炭和脱硫石膏施用对兰州新区盐碱土改良综合效应，结果显示，木本泥炭和A2脱硫石膏均提升了土壤质量指数(见图 2)，且土壤质量指数由高至低依次为：C1A1(0.68) > C2A1(0.64) > C1A2(0.56) > C2A2(0.54) > C1A0(0.40) > C2A0(0.37)，表明，与传统施肥配施木本泥炭和脱硫石膏能够显著提高两种作物的地上生物量和小麦的产量，且木本泥炭效果更佳。土壤质量指数与红豆草秸秆生物量(R2= 0.922 4)、小麦秸秆生物量(R2=0.952 2)和小麦籽粒产量(R2=0.941 5)均呈显著正相关关系(P < 0.01，图 3)，土壤质量指数的提升能够显著提升作物生产潜力，进一步印证了土壤改良措施对作物产能的积极调控作用，这与Chang等[15]、田荣荣等[17]研究结果基本一致。这表明改良剂施用通过改善土壤理化性质，提高土壤养分含量，酶活性、微生物生物量碳氮及优化C/N比，进而提高了土壤质量，为作物增产奠定了良好的土壤环境。
需要指出的是，本研究中木本泥炭和脱硫石膏仅各设置1个施用剂量(木本泥炭9.0 t/hm2，脱硫石膏7.5 t/hm2)，而实际生产中木本泥炭的适宜施用剂量，需结合区域内土壤实际肥力状况，进一步系统开展木本泥炭用量梯度试验，为其在盐碱土改良中的合理应用提供理论依据。
4 结论连续2年大田试验及16土壤指标综合数据分析表明，红豆草和小麦传统施肥配施木本泥炭和脱硫石膏有助于降低兰州新区盐碱地耕层土壤容重、pH和水溶性盐含量，提高养分含量，提升土壤酶活性，提高微生物生物量碳氮和优化微生物生物量C/N比，进而可改善耕层土壤微环境和土壤质量，为作物生长发育、高产奠定良好的土壤环境。比较而言，配施木本泥炭的改土增产效果最佳，可在兰州新区盐碱土改良中推广应用。
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2. Wuwei Technical Innovation Center for Farmland Soil Improvement and Farmland Conservation, Wuwei, Gansu 733006, China