呂軻彥 ，陳志君 ，李 越 ，胡 敏 ，熊云武 ，黃冠華

（1. 農(nóng)業(yè)水資源高效利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)-以色列國(guó)際農(nóng)業(yè)研究培訓(xùn)中心，北京 100083；3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)農(nóng)業(yè)水問題研究中心，北京 100083）

0 引 言

中國(guó)西北干旱灌區(qū)降水量小、蒸發(fā)量大，不合理灌排管理措施導(dǎo)致了較嚴(yán)重的土壤次生鹽堿化問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，位于中國(guó)西北的河套灌區(qū)約有45%的農(nóng)田存在不同程度的土壤鹽堿化現(xiàn)象[1]，嚴(yán)重制約了該灌區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。因此，開展干旱灌區(qū)農(nóng)田土壤鹽堿化治理，對(duì)于改善農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)，提升灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，保障國(guó)家糧食安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

鹽堿土壤中普遍含有大量的Na+、CO32-和HCO3-等鹽基離子，吸附在膠體表面的Na+會(huì)使土壤膠體高度分散、降低土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、破壞土壤結(jié)構(gòu)，同時(shí)土壤中大量的CO32-和HCO3-會(huì)使土壤呈堿性[3]。通過施用含鈣物質(zhì)可以增加土壤中鈣離子的含量，鈣離子可以與土壤中過量的鈉離子發(fā)生交換作用，促進(jìn)膠體絮凝，形成團(tuán)聚體，改善鹽堿土壤結(jié)構(gòu)[4]。脫硫石膏是燃煤電廠的脫硫副產(chǎn)物，其主要成分為CaSO4·2H2O，產(chǎn)量大但利用率低，將脫硫石膏用于改良鹽堿土壤，不僅價(jià)格低廉，也避免了脫硫石膏隨意堆放造成的環(huán)境污染問題[5]。施用脫硫石膏一方面可以降低鹽堿土壤的pH 值和堿化度，緩解作物受鹽堿脅迫的影響[6]，另一方面也可為作物生長(zhǎng)提供必要的營(yíng)養(yǎng)元素（如P、K、Ca 和S 等），促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育[7]。研究表明[8]，脫硫石膏通過促進(jìn)堿化土壤膠體絮凝，減少土壤團(tuán)聚體分散，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤保墑能力。但是過量施用脫硫石膏也可能會(huì)對(duì)土壤健康造成負(fù)面影響，如土壤總鹽量的增加[9]。雖然脫硫石膏可改善鹽堿土壤鹽堿性質(zhì)，改良土壤結(jié)構(gòu)，但鹽堿土有機(jī)質(zhì)含量低、土壤肥力差仍是影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和作物生長(zhǎng)的重要因素。研究表明[10-11]，將脫硫石膏與秸稈、生物炭等有機(jī)物料聯(lián)合施用可有效改良鹽堿土壤，但在干旱地區(qū)秸稈腐化時(shí)間長(zhǎng)、有機(jī)質(zhì)含量低，且本身也不含相關(guān)微生物，因此，這種聯(lián)合施用方式對(duì)鹽堿土壤的改良效果短時(shí)間內(nèi)并不明顯。

由于褐煤有機(jī)肥具有富含腐殖酸、有機(jī)質(zhì)含量高等特點(diǎn)，將其用于鹽堿土壤改良逐漸得到了人們的關(guān)注[12]。LI 等[13]基于室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)研究了褐煤有機(jī)肥和生物炭對(duì)土壤理化性狀的影響，發(fā)現(xiàn)褐煤有機(jī)肥提高了土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分的含量。COLLINS 等[14]研究表明褐煤有機(jī)肥的穩(wěn)定性較好，可以作為土壤改良劑，其施用可有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤理化性質(zhì)。將脫硫石膏與褐煤有機(jī)肥聯(lián)合施用或可為鹽堿土改良提供一條有效途徑。然而，在中國(guó)旱區(qū)關(guān)于褐煤有機(jī)肥與脫硫石膏聯(lián)合施用改良鹽堿土壤的研究仍不多見，其對(duì)鹽堿土的改良效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。同時(shí)將脫硫石膏與褐煤有機(jī)肥聯(lián)合施用時(shí)，脫硫石膏的最佳施用量也需得到進(jìn)一步的確定。因此，本研究以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)向日葵鹽堿農(nóng)田為對(duì)象，開展了為期2 a 的田間試驗(yàn)，探討褐煤有機(jī)肥與脫硫石膏聯(lián)合施用對(duì)鹽堿農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)、鹽分組成、向日葵產(chǎn)量及其水肥利用效率的影響，進(jìn)而提出適用于河套灌區(qū)的向日葵鹽堿農(nóng)田土壤改良模式，以期為鹽堿農(nóng)田土壤改良提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2021 和2022 年的6—10 月在內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)河套灌區(qū)研究院（東經(jīng)107°39′，北緯 41°09′，平均海拔1 042 m）開展。研究區(qū)屬半干旱溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大，光熱資源豐富[15]，年均降水120～180 mm，年均潛在蒸發(fā)2 200～2 400 mm，年平均氣溫為6.8 °C。 2021 和2022 年向日葵生育期內(nèi)逐日降水量和平均氣溫如圖1 所示。灌區(qū)地下水埋深淺，作物生育期內(nèi)地下水埋深一般為1.2～2.7 m[16]。試驗(yàn)開始前，0～20 cm 土層土壤pH 值為10.03，電導(dǎo)率為1 845 μS/cm，堿化度為31.2%，可溶性鹽基離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-、CO32-＋HCO3-的含量分別為0.14、5.7、0.45、0.42、2.57、1.4 和0.57 cmol/kg，屬氯化物硫酸鹽鹽堿土。依據(jù)美國(guó)土壤質(zhì)地三角分類法，試驗(yàn)區(qū)0～60 cm 土層為粉壤土，＞60～80 cm 土層為砂壤土。土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)田土壤主要理化性質(zhì)Table 1 Main physic-chemical properties of soils of the test plots

圖1 2021—2022 年向日葵生育期內(nèi)逐日降水量和平均氣溫Fig.1 Daily precipitation and mean air temperature during the sunflower growing period in 2021-2022

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置了6 個(gè)處理，包括對(duì)照處理（CK）、只施用2 t/hm2褐煤有機(jī)肥處理（LBF），以及4 個(gè)褐煤有機(jī)肥和脫硫石膏聯(lián)合施用的處理，即在施用2 t/hm2褐煤有機(jī)肥基礎(chǔ)之上分別再施用5（LBF+F5）、10（LBF+F10）、15（LBF+F15）、20（LBF+F20）t/hm2脫硫石膏，每個(gè)處理3 次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組排列，共18 個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為64 m2（8 m×8 m），總占地面積0.15 hm2。

每個(gè)處理的氮、磷和鉀施用量均為135、180 和75 kg/hm2（按N、P、K 元素折純計(jì)），氮肥分基肥和追肥2 次施用，基施50%，其余50%氮肥在向日葵現(xiàn)蕾期追施，磷肥、鉀肥均全部于播種前施入向日葵農(nóng)田。當(dāng)化肥和褐煤有機(jī)肥聯(lián)合施用時(shí)，在保證總施氮量一致的前提下，褐煤有機(jī)肥提供20%的氮，化肥提供80%的氮，進(jìn)而確定褐煤有機(jī)肥施用量為2 t/hm2。在向日葵播種前將褐煤有機(jī)肥和脫硫石膏均勻撒施在土壤表面，隨后使用旋耕機(jī)將改良材料與20 cm 土層土壤混合均勻。所有處理灌溉制度和田間管理措施均與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方式保持一致，向日葵全生育期內(nèi)灌水一次，灌溉方式為地面灌溉，灌溉定額100 mm，分別于2021 年7 月27 日和2022 年7 月24 日灌水灌溉。

試驗(yàn)所用的褐煤有機(jī)肥由元泰豐（包頭）生物科技有限公司提供，該褐煤有機(jī)肥以低質(zhì)煤為原材料，經(jīng)過一系列生物化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)而來(lái)，是一種無(wú)機(jī)械雜質(zhì)，黑色無(wú)味的固體粉末[12]。試驗(yàn)前多點(diǎn)取樣，采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定褐煤有機(jī)肥有機(jī)質(zhì)和總腐殖酸含量，結(jié)果表明褐煤有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以烘干基計(jì)）為91.6%，腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以烘干基計(jì)）為6.5%。試驗(yàn)采用的脫硫石膏來(lái)自巴彥淖爾市臨河熱電廠，是濕法脫硫過程中的副產(chǎn)物，呈灰色粉末狀。試驗(yàn)用脫硫石膏pH 值為7.57，其主要成分為CaSO4·2H2O，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為89.83%。2021 和2022 年向日葵品種均為“361”系列，播種日期分別為2021 年6 月20 日和2022 年6 月15 日，收獲日期分別為2021 年10 月1 日和2022 年9 月25 日。向日葵采用寬窄行種植模式，寬行間距100 cm，窄行間距40 cm，使用100 cm 寬黑色PVC 塑料地膜覆蓋，向日葵株距60 cm，種植密度22 500 株/hm2。

1.3 測(cè)試指標(biāo)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

1.3.1 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定

向日葵于2021 年9 月25 日和2022 年9 月13 日成熟，在向日葵成熟期使用土鉆分別取0～20、＞20～40 cm 土層土壤樣品，土樣自然風(fēng)干后，去除根系、塑料薄膜等雜物后研磨過2 mm 篩，取10 g 土壤樣品與50 mL去離子水充分振蕩，靜置取上清液，分別使用pH 計(jì)（FE28, FiveEasy Plus, 上海）和電導(dǎo)率儀（DDSJ-308A,上海）測(cè)定土壤pH 值和電導(dǎo)率，并根據(jù)XU 等[17]的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算土壤含鹽量。

式中S為土壤含鹽量，g/kg；DEC為土水比為1:5 時(shí)土壤溶液的電導(dǎo)率，dS/m。

按1:5土水比用去離子水浸提可溶性Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-、CO32-+HCO3-，并使用離子滴定法測(cè)定其含量（T7, Mettler Toledo, Switzerland）。分別使用乙酸銨-氫氧化銨-火焰光度計(jì)法和乙酸鈉-火焰光度計(jì)法測(cè)定土壤交換性鈉離子含量和陽(yáng)離子交換量[18]。然后根據(jù)王瑞萍等[19]的方法計(jì)算土壤堿化度（exchangesodium percentage, ESP）。土壤有機(jī)質(zhì)含量參考采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[18]。

試驗(yàn)結(jié)束后，使用環(huán)刀法[20]測(cè)定0～20 和＞20～40 cm 土層土壤容重。在2 a 試驗(yàn)結(jié)束后（2022 年9 月23 日）測(cè)定土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。分別采用干、濕篩法測(cè)定干、濕篩團(tuán)聚體粒徑質(zhì)量分布，分別獲得9 個(gè)干篩和7 個(gè)濕篩團(tuán)聚體的粒徑分布，并據(jù)此分別計(jì)算土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑（TMWD，mm）、幾何平均直徑（TGMD，mm）和團(tuán)聚體破壞率（TPAD，%）由式（2）～式（4）計(jì)算[21]。

式中xi和wi分別為第i個(gè)篩子的孔徑和該孔徑中的土壤顆粒的質(zhì)量比；md和mw分別為干篩和濕篩中大于0.25 mm土壤顆粒的質(zhì)量比。

1.3.2 向日葵產(chǎn)量測(cè)定及水肥利用效率計(jì)算

向日葵成熟后，在每個(gè)小區(qū)選擇具有代表性的15 株向日葵[22]，測(cè)量花盤質(zhì)量、百粒質(zhì)量及籽粒質(zhì)量，并換算成單位面積的產(chǎn)量。

向日葵實(shí)際耗水量采用土壤水量平衡公式[23]計(jì)算：

式中ET為向日葵生育期內(nèi)實(shí)際耗水量, mm；Pe為向日葵生育期降水量，mm；I為生育期灌溉量，mm；ΔS為向日葵生育期內(nèi)0～100 cm 土層土壤儲(chǔ)水量的變化量,mm；μ為給水度（μ=0.033），Hs和He分別為向日葵生育期開始和結(jié)束時(shí)的地下水位，m；R為地表徑流，mm；生育期未觀察到地表徑流，因此可視為0。

向日葵的水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力分別由式（6）和式（7）計(jì)算[24]：

式中Y為向日葵產(chǎn)量，kg/hm2；ηWUE為水分利用效率，kg/m3；ηPFP為氮肥偏生產(chǎn)力，kg/kg；F為氮肥施用量，kg/hm2。

1.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

在數(shù)據(jù)分析中，采用Microsoft Excel 2018 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)采用IBM SPSS 22.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析（analysis of variance，ANOVA），并以最小顯著性差異（least significant difference， LSD）進(jìn)行多重比較（α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 褐煤有機(jī)肥與脫硫石膏聯(lián)合施用對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響

如圖2 所示，在所有處理中，對(duì)照處理（CK）與單施褐煤有機(jī)肥處理（LBF）二者土壤容重顯著大于其他處理（P＜0.05）。連續(xù)2 a 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，褐煤有機(jī)肥+脫硫石膏處理（LBF+F5、LBF+F10、LBF+F15、LBF+F20）較CK 處理均顯著降低了0～40 cm 土層土壤容重，降幅為5.91%～11.06%，但不同脫硫石膏施用量處理之間差異不顯著（P＞0.05）。

土壤團(tuán)聚體粒徑質(zhì)量分布和穩(wěn)定性指標(biāo)如表2 和表3 所示，除LBF+F5 處理外，褐煤有機(jī)肥與脫硫石膏聯(lián)合施用2 a 后均增加了粒徑＞0.25 mm 的大團(tuán)聚體（R0.25）的比例。與CK 處理相比，褐煤有機(jī)肥+脫硫石膏處理力穩(wěn)性團(tuán)聚體的R0.25值增加了約62%。LBF+F10、LBF+F15 和LBF+F20 處理較CK 處理使土壤團(tuán)聚體TMWD分別顯著提高102.02%、127.78%和91.95%。對(duì)于水穩(wěn)性團(tuán)聚體，LBF+F15 處理的TMWD最大，與CK 處理相比提高了100%。對(duì)于力穩(wěn)性團(tuán)聚體，LBF+F10 處理的TMWD和TGMD均為最大值，與CK 處理相比分別提高了174%和573%。同時(shí)，各改良處理的TPAD值與CK處理相比差異均不顯著。上述結(jié)果說明LBF+F10 和LBF+F15 處理對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改良效果較好。

表2 2022 年土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布Table 2 Aggregate size percentage of treatments using wet sieving method in 2022

表3 2022 年土壤力穩(wěn)性團(tuán)聚體分布Table 3 Aggregate size percentage of treatments using dry sieving method in 2022

2.2 褐煤有機(jī)肥與脫硫石膏聯(lián)合施用對(duì)土壤鹽堿性質(zhì)和有機(jī)質(zhì)的影響

從圖3 可以看出，LBF 處理對(duì)土壤含鹽量沒有顯著影響，但土壤含鹽量與脫硫石膏施用量密切相關(guān)。當(dāng)脫硫石膏施用量大于15 t/hm2時(shí)會(huì)顯著增加表層土壤含鹽量，與CK 處理相比，LBF+F20 處理使0～20 cm 土層含鹽量顯著增加了約67%。

圖3 2021 和2022 年各處理土壤0～40 cm 土層pH 值、堿化度和含鹽量Fig.3 Soil pH value, exchange sodium percentage (ESP) and salt content (SC) of 0-40 cm soil layer under different treatments in 2021 and 2022

表4 為不同處理下0～40 cm 土層土壤可溶性鹽離子的含量。2022年，LBF 處理較CK處理使土壤可溶性Na+的含量顯著降低了23.33%，但對(duì)其他可溶性鹽離子沒有顯著影響。2022 年所有褐煤有機(jī)肥+脫硫石膏處理均顯著降低了土壤可溶性Na+的含量。當(dāng)褐煤有機(jī)肥與5、10 t/hm2脫硫石膏聯(lián)合施用時(shí)，土壤CO32-+HCO3-含量降低不顯著，而LBF+F15 和LBF+F20 處理相較CK 處理使土壤CO32-+HCO3-含量分別顯著降低了47.91%和48.29%。類似地，脫硫石膏的溶解增加了土壤中Ca2+、Mg2+和SO42-含量，與CK 處理相比，LBF+F15使可溶性Ca2+、Mg2+和SO42-含量分別顯著增加了464.65%、413.99%和77.85%，LBF+F20 處理使可溶性Ca2+、Mg2+和SO42-含量分別顯著增加了450.71%、391.90%和123.41%。這說明施用脫硫石膏改變了鹽堿土可溶性鹽離子的組成，且施用量越大，對(duì)土壤鹽分組成的影響越大。

表4 2021 和2022 年不同處理0～40 cm 土層土壤可溶性鹽離子含量Table 4 The content of soluble ions in 0—40 cm soil layer for different treatments in 2021 and 2022cmol·kg-1

土壤鹽分組成的改變對(duì)土壤pH 值和ESP 產(chǎn)生了一定的影響。從圖3a 可以看出，LBF 處理對(duì)土壤pH 值沒有顯著影響，但褐煤有機(jī)肥+脫硫石膏施用處理均顯著降低0～20 cm 土層土壤pH 值，且土壤pH 值隨脫硫石膏施用量的增加而降低。與CK 處理相比，LBF+F5，LBF+F10，LBF+F15 和LBF+F20 處理其0～20 cm 土層土壤pH 值平均降低了0.29～0.88。此外，0～20 cm 土層pH 值降幅大于＞20～40 cm 土層土壤，這說明褐煤有機(jī)肥+脫硫石膏施用處理對(duì)0～20 cm 土層土壤的改良效果更顯著。從圖3b 可以看出，與CK 處理相比，除2022 年LBF 處理外，所有改良處理均顯著降低了土壤的ESP，且褐煤有機(jī)肥＋脫硫石膏處理對(duì)土壤ESP 的降低效果更明顯。與CK 處理相比，2021 年試驗(yàn)表明LBF 處理0～20 cm 土層土壤ESP 降低了21.06%，2a 試驗(yàn)表明褐煤有機(jī)肥+脫硫石膏處理該土層土壤ESP 平均降低了18.34%～43.42%。這些結(jié)果表明，盡管脫硫石膏可以降低鹽堿土壤的pH 值和ESP，但是過量施用會(huì)增加土壤含鹽量，不利于向日葵的生長(zhǎng)，在各處理中，LBF+F10 處理在控制土壤含鹽量的同時(shí)對(duì)土壤pH 值和ESP的降低效果較好，因此，就所研究的土壤而言LBF+F10 處理是降低土壤pH 值和ESP 并控制土壤總鹽分的較優(yōu)選擇。

施用褐煤有機(jī)肥和脫硫石膏還顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量。從圖4 可以看出，在所有處理中LBF 處理土壤有機(jī)質(zhì)含量最大，與CK 處理相比，在2021 和2022 年使0～20 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量分別顯著（P＜0.05）增加了39.89%和131.65%。褐煤有機(jī)肥+脫硫石膏處理其0～20 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量為7.89～10.13 g/kg。

圖4 2021 和2022 年各處理土壤有機(jī)質(zhì)含量Fig.4 Soil organic matter content (SOM) under different treatments in 2021and 2022

2.3 褐煤有機(jī)肥與脫硫石膏聯(lián)合施用對(duì)向日葵產(chǎn)量及水肥利用效率的影響

由表5 可知，在2021 年，所有改良處理較CK 處理均顯著提高了向日葵產(chǎn)量（P＜0.05）。與CK 處理相比，LBF、LBF+F5、LBF+F10、LBF+F15 和LBF+F20 處理的產(chǎn)量分別增加了17.65%、66.47%、67.01%、49.71%和18.93%。但在2022 年，只有LBF+F10 和LBF+F15處理與CK 處理相比顯著提高了向日葵產(chǎn)量。連續(xù)2 a 試驗(yàn)均表明，LBF+F10 處理下向日葵產(chǎn)量和百粒質(zhì)量最大，較CK 處理分別增加了44.45%和18.63%。結(jié)果說明，當(dāng)施用褐煤有機(jī)肥+脫硫石膏改良鹽堿土壤時(shí)，存在脫硫石膏最優(yōu)施用量，施用量較低會(huì)導(dǎo)致改良效果不足，施用量過高則會(huì)抑制作物生長(zhǎng)發(fā)育。類似地，改良處理提高了向日葵水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力，且LBF+F10處理向日葵的ηWUE和ηPFP最大，較CK 處理分別增加了44.62%和80.46%。這說明，褐煤有機(jī)肥和適量脫硫石膏聯(lián)合施用措施可以促進(jìn)鹽堿農(nóng)田向日葵的生長(zhǎng)發(fā)育，提高其水肥利用效率。

表5 各處理向日葵產(chǎn)量、水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力Table 5 Sunflower yield(Y), water use efficiency(ηWUE) and partial-factor productivity of N(ηPFP) of sunflower for different treatments

表6 所示為向日葵產(chǎn)量與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性，可以看出向日葵產(chǎn)量與土壤容重和ESP 呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。這表明褐煤有機(jī)肥和脫硫石膏聯(lián)合施用通過改良鹽堿土壤理化性質(zhì)進(jìn)而促進(jìn)作物產(chǎn)量的提高。

表6 向日葵產(chǎn)量及土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性Table 6 Correlation between sunflower yield and soil physiological properties

為明確本研究區(qū)域中脫硫石膏的最優(yōu)施用量，分別擬合了脫硫石膏施用量與向日葵產(chǎn)量、水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力之間的關(guān)系（圖5）?？梢钥闯?，脫硫石膏施用量與向日葵產(chǎn)量、水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力呈拋物線關(guān)系，隨脫硫石膏施用量的增加，向日葵產(chǎn)量、水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力呈先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)脫硫石膏施用量為9.2、8.5 和9.5 t/hm2時(shí)，向日葵產(chǎn)量、水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力分別達(dá)到最高點(diǎn)。綜合考慮向日葵產(chǎn)量和水肥利用效率，脫硫石膏的最優(yōu)施用量約為10 t/hm2。

圖5 向日葵產(chǎn)量、水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力與脫硫石膏施用量之間的關(guān)系Fig.5 Relationships between sunflower yield, water use efficiency, and partial-factor productivity of N and application rate of flus gas desulfurization gypsum（FDR）

3 討 論

3.1 褐煤有機(jī)肥與脫硫石膏聯(lián)合施用改善鹽堿土壤理化性質(zhì)

褐煤有機(jī)肥和脫硫石膏聯(lián)合施用顯著改善了鹽堿土壤理化性質(zhì)。一方面，脫硫石膏施用可改變土壤鹽分組成，降低土壤pH 值和ESP，進(jìn)而改善土壤結(jié)構(gòu)。脫硫石膏溶解后釋放了較多的Ca2+和SO42-，由于Ca2+具有較強(qiáng)的離子交換能力，可以與吸附在土壤膠體表面的交換性Na+發(fā)生交換作用，從而降低了交換性Na+占陽(yáng)離子交換量的比例，降低土壤ESP[25]。同時(shí)，Ca2+可以與土壤中的CO32-和HCO3-形成碳酸鹽沉淀，減小了土壤中CO32-和HCO3-的含量，進(jìn)而降低了土壤pH 值，該結(jié)論與ZHAO 等[26]研究結(jié)果相似。此外，由于土壤可交換性Na+含量的降低，也降低了土壤顆粒的分散作用，促進(jìn)無(wú)機(jī)膠體絮凝為團(tuán)聚體，進(jìn)而增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體TMWD和TGMD，降低土壤容重[27]。

另一方面，施用褐煤有機(jī)肥可以有效增加土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，進(jìn)而改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。本研究發(fā)現(xiàn)施用褐煤有機(jī)肥處理使0～20 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量提高了39.89%～131.65%，有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)劑，較高的有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤大團(tuán)聚體的形成可發(fā)揮重要的作用[28]。方麗婷等[29-30]的研究也表明施用褐煤有機(jī)肥對(duì)改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和提升土壤質(zhì)量具有顯著的促進(jìn)作用。

由于脫硫石膏中含有Hg、Cd、Pb、As 和Cr 等重金屬，因此應(yīng)用脫硫石膏改善鹽堿土壤是否會(huì)危害土壤和農(nóng)產(chǎn)品安全存在一定的爭(zhēng)議[31]。ZHAO 等[32]使用脫硫石膏后，連續(xù)4 a 土壤和農(nóng)作物中重金屬含量沒有增加。王靜等[33]研究也發(fā)現(xiàn)施用脫硫石膏后并未增加稻米重金屬含量。然而王立志等[34]研究發(fā)現(xiàn)施用脫硫石膏略微增加了紫花苜蓿莖和葉片中重金屬的含量，但仍遠(yuǎn)低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)?？梢娫诶妹摿蚴喔纳汽}堿土壤過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)土壤和農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量的監(jiān)測(cè)。本研究?jī)H探究了褐煤有機(jī)肥和脫硫石膏聯(lián)合施用的鹽堿土壤理化性質(zhì)短期效益的影響，褐煤有機(jī)肥和脫硫石膏聯(lián)合施用對(duì)土壤和向日葵籽粒重金屬含量的影響還需要通過開展更大區(qū)域的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的探究。

3.2 褐煤有機(jī)肥與脫硫石膏聯(lián)合施用提高向日葵產(chǎn)量和水肥利用效率

土壤鹽堿化嚴(yán)重限制了作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高，本研究發(fā)現(xiàn)褐煤有機(jī)肥與脫硫石膏聯(lián)合施用通過改變鹽分組成，增加了有機(jī)質(zhì)含量，改善了土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而提高了作物產(chǎn)量和水肥利用效率。一方面，本研究發(fā)現(xiàn)土壤ESP 和容重與產(chǎn)量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。表明褐煤有機(jī)肥和脫硫石膏聯(lián)合施用可通過降低土壤中鹽堿對(duì)向日葵生長(zhǎng)的抑制作用，進(jìn)而提高向日葵產(chǎn)量和水肥利用效率。此外，施用脫硫石膏降低了土壤中Na+、CO32-和HCO3-含量，緩解了作物根系受到的離子毒害作用，增加了作物生長(zhǎng)必須的鈣、鎂、硫等營(yíng)養(yǎng)元素[35]。這些離子組成改變也促進(jìn)了向日葵生長(zhǎng)[36]。WANG 等[6,37]的研究也得到了類似的結(jié)果。另一方面，在本研究中土壤有機(jī)質(zhì)含量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性與產(chǎn)量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)槭┯煤置河袡C(jī)肥顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，提高了土壤對(duì)水分和養(yǎng)分的固持能力。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性改善還可以增加根區(qū)土壤有效氧含量，緩解根系堿脅迫，最終促進(jìn)根系呼吸和生長(zhǎng)發(fā)育并提高作物產(chǎn)量及其對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收利用[38]。

作物產(chǎn)量與水肥利用效率與脫硫石膏施用量密切相關(guān)，本研究發(fā)現(xiàn)脫硫石膏施用量與作物產(chǎn)量、水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力呈拋物線關(guān)系，作物產(chǎn)量、水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力隨脫硫石膏施用量的增加先增加后減小，當(dāng)脫硫石膏施用量約為10 t/hm2時(shí)均達(dá)到最大（圖5）。這可能是因?yàn)槊摿蚴嗍┯昧枯^小對(duì)鹽堿土壤的改良效果較小，而脫硫石膏施用量過高會(huì)顯著增加土壤含鹽量，導(dǎo)致產(chǎn)量和水肥利用效率的降低[39]，這與ZHANG 等[27]的研究結(jié)論一致。因此，綜合考慮對(duì)鹽堿土壤理化性質(zhì)、向日葵產(chǎn)量和水肥利用效率的影響。基于上述研究，建議河套灌區(qū)及類似地區(qū)向日葵生長(zhǎng)的鹽堿農(nóng)田宜采用2 t/hm2褐煤有機(jī)肥與10 t/hm2脫硫石膏聯(lián)合施用的鹽堿改良措施。

4 結(jié) 論

本研究于2021 和2022 年開展了為期2 a 的田間試驗(yàn)，探討了褐煤有機(jī)肥與脫硫石膏聯(lián)合施用對(duì)河套灌區(qū)鹽堿農(nóng)田土壤理化性質(zhì)和向日葵產(chǎn)量及水肥利用效率的影響，得出了以下結(jié)論：

1）褐煤有機(jī)肥與脫硫石膏聯(lián)合施用顯著降低0～40 cm土層土壤容重，提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

2）褐煤有機(jī)肥與脫硫石膏聯(lián)合施用可以顯著降低0～20 cm 土層土壤pH 值和堿化度，改變土壤鹽分組成，體現(xiàn)在增加土壤中Ca2+、Mg2+和SO42-的濃度，降低土壤中Na+和CO32-+HCO3-的濃度；但過量施用脫硫石膏會(huì)增加土壤含鹽量?？傮w而言，褐煤有機(jī)肥和脫硫石膏聯(lián)合施用改善了鹽堿土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而促進(jìn)了向日葵產(chǎn)量和水肥利用效率的提高。

3）綜合考慮鹽堿土壤改良效果，作物產(chǎn)量及水肥利用效率，建議在河套灌區(qū)及其條件類似地區(qū)向日葵生長(zhǎng)的鹽堿農(nóng)田中宜采用2 t/hm2褐煤有機(jī)肥與10 t/hm2脫硫石膏聯(lián)合施用的改良模式。