有机-无机改良物料对盐碱地土壤质量及湖南稷子产量的影响

Effect of organic-inorganic amendments on the quality of saline-alkaline soil and yield of Echinochloa frumentacea

摘要

为探究有机-无机改良物料配施对盐碱土的改良培肥效果，试验采用单因素拉丁方设计，设置CK（不施土壤改良物料）、PM（磷石膏22.5 t·hm^-2+腐熟羊粪15 t·hm^-2］、CM（过磷酸钙300 kg·hm^-2+腐熟羊粪15 t·hm^-2）、PCM₁（磷石膏22.5 t·hm^-2+过磷酸钙300 kg·hm^-2+腐熟羊粪15 t·hm^-2）、PCM₂（磷石膏30.0 t·hm^-2+过磷酸钙600 kg·hm^-2+腐熟羊粪30.0 t·hm^-2）、PCM₃（磷石膏30.0 t·hm^-2+过磷酸钙900 kg·hm^-2+腐熟羊粪30.0 t·hm^-2）6个处理，研究了不同有机-无机改良物料配施对盐碱地土壤质量及湖南稷子产量的影响。结果表明，不同有机-无机物料配施均降低了土壤pH、全盐（TDS）、容重，提高了养分含量和>0.25 mm团聚体比例及稳定性，其中处理PCM₂和PCM₃效果较好；与CK相比，土壤pH、全盐和容重较对照分别降低了2.40%、27.33%、16.17%和1.83%、17.42%、12.94%，显著增加了0~40 cm土壤有机质（SOM）、碱解氮（AN）、有效磷（AP）和速效钾（AK）含量；平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、>0.25 mm团聚体含量（R_0.25）较对照分别提高了131.43%、164.07%、97.22%和78.58%、81.68%、57.41%，出苗率和产量较对照分别提高了62.84%、50.07%和68.24%、47.76%。土壤团聚体稳定性与孔隙度、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾呈正相关关系，而与容重、pH、全盐量呈负相关关系。此外，PCM₂和PCM₃处理通过调理盐碱指标（pH， TDS）和肥力水平（AN、AP、AK和SOM）来提高土壤质量，而PCM₂处理在这两个方面的作用效果要优于PCM₃处理，因而获得了最高干草产量。综合各有机-无机物料配施对盐碱地的改良培肥效果，磷石膏（30.0 t·hm^-2）+过磷酸钙（600 kg·hm^-2）+腐熟羊粪（30.0 t·hm^-2）处理较适合该区域。

Abstract

The aim of this study was to investigate the abilities of organic-inorganic amendments to improve and fertilize saline-alkaline soils. An experiment was conducted using a one-way Latin square design with the following treatments： CK （no soil amendment materials）， PM ［phosphogypsum （22.5 t·ha^-1）+well-decomposed goat manure （15 t·ha^-1）］， CM ［calcium superphosphate （300 kg·ha^-1）+well-decomposed goat manure （15 t·ha^-1）］， PCM₁ ［phosphogypsum （22.5 t·ha^-1）+calcium superphosphate （300 kg·ha^-1）+well-decomposed goat manure （15 t·ha^-1）］， PCM₂ ［phosphogypsum （30.0 t·ha^-1）+calcium superphosphate （600 kg·ha^-1）+well-decomposed goat manure （30.0 t·ha^-1）］， and PCM₃ ［phosphogypsum （30.0 t·ha^-1）+calcium superphosphate （900 kg·ha^-1）+well-decomposed goat manure （30.0 t·ha^-1）］. These six treatments were designed to study the effects of varying ratios of organic-inorganic amendment materials on the soil quality and the yield of Echinochloa frumentacea grown in saline-alkaline soil. The results indicate that organic and inorganic materials at varying ratios decreased soil pH， total dissolved salt （TDS）， and bulk density， and increased soil nutrient contents and the proportion and stability of aggregates larger than 0.25 mm. Among the treatments， PCM₂ and PCM₃ had better effective. The soil pH， total salt， and bulk density were decreased by 2.40%， 27.33%， and 16.17%， respectively， in the PCM₂ treatment， and by 1.83%， 17.42%， and 12.94%， respectively， in the PCM₃ treatment， compared with CK. The soil organic matter （SOM）， alkaline nitrogen （AN）， available phosphorus （AP）， and available potassium （AK） contents in the 0-40 cm soil layer were significantly increased in the PCM₂ and PCM₃ treatments compared with CK. The mean weight， diameter， geometric mean diameter， and aggregates content of particles larger than 0.25 mm were increased by 131.43%， 164.07%， and 97.22%， respectively， in PCM₂， and by 78.58%， 81.68%， and 57.41%， respectively， in PCM₃， compared with CK. Additionally， the seedling emergence rate and yield were improved by 62.84% and 50.07%， respectively， in PCM₂，_{and by 68.24% and 47.76%， respectively， in PCM3，compared with CK. Soil aggregate stability was positively correlated with porosity， SOM， AN， AP， and AK， and negatively correlated with bulk density， pH， and total salts. In addition， the PCM2 and PCM3 treatments enhanced soil quality by improving salinity indicators （pH， TDS） and fertility levels （AN， AP， AK， and SOM）. The PCM2 treatment was more effective than the PCM3 treatment in both respects， resulting in the highest hay yield. After evaluating the effects of various ratios of organic and inorganic materials on the enhancement and fertilization of saline-alkaline land， the treatment PCM2， comprising a combination of phosphogypsum （30.0 t·ha^-1）， calcium superphosphate （600 kg·ha^-1）， and decomposed goat manure （30.0 t·ha^-1） was found to be the most suitable soil amendment for this region.}

Graphical abstract

关键词

盐碱土 / 有机-无机改良物料 / 团聚体 / 土壤质量 / 作物产量

Key words

saline soils / organic-inorganic modified materials / aggregates / soil quality / crop yield

盐碱化耕地是我国中低产田的主要类型，总面积约为3.69×10⁷ hm²，其中具有农业潜力的有1.3×10⁷ hm²，广泛分布于中国东北、西北、黄河中上游的河套平原、华北及滨海地区^［1］。土壤盐碱化造成有机质含量低，土壤结构差，植物可利用养分失衡，严重地降低了作物生产力，威胁农业的可持续发展。作为重要的后备耕地资源，盐碱地的改良利用，是有效扩增农业耕地资源的重要手段，同时盐渍化土壤的改良和利用对促进土壤养分周转，提高作物生产力具有重要意义^［2］。宁夏银北平原河套灌区由于成土母质和较高的蒸降比等自然因素，以及黄河水灌溉和长期不合理的耕作措施等人为因素，存在大量的盐碱化土壤，约占其耕地面积的48.9%。“十四五”以来，致力于黄河流域生态保护和高质量发展，在黄河水资源用量限额的约束下，“压稻改旱”农业种植结构调整、盐碱地“资源化”利用，是自治区农业发展适应新形势的一项迫切任务。

施用土壤改良剂是一种重要盐碱土化学改良措施，以离子代换、酸碱中和为原理，改良见效速度快，能够有效改善盐碱土的理化性质，促进植物生长^［3］。钙基类材料（石膏、过磷酸钙等）是盐碱地改良常利用到的改良物料，众多研究表明，石膏施用在排盐降碱、提高作物产量等方面均具有显著的效果^［4-5］。而有机类材料（腐殖酸、农家肥等）对于提高盐碱化土壤缓冲性能、提升养分库容量有良好的效果^［6-7］。其中，石膏施用后溶解的Ca²⁺与土壤胶体Na⁺交换并淋洗，降低土壤胶体吸附的交换态钠^［7-8］。有机肥因具有强吸附能力、培肥地力、改良土壤团聚体等特点，近年来也被广泛应用于盐碱土壤改良。而有关过磷酸钙的研究较少，其一方面可以为土壤带来磷素营养，提高磷肥利用率，另一方面，过磷酸钙中的钙离子也可以与盐碱地中的钠离子发生交换，有效减少盐碱地的盐分含量^［9］。刘月等^［10］、张菁等^［11］在内蒙古河套灌区施用钙基型土壤改良剂，能显著降低土壤盐分、提高养分含量，短期内能够实现土壤盐碱土壤改良、培肥和增产。薛远赛等^［9］在山东渤海湾盐碱地进行有机肥与过磷酸钙混施发现，过磷酸钙和有机肥混施提高了小麦（Triticum aestivum）的叶绿素含量及叶面积指数，促进了旗叶光合作用的进行，从而达到增产的效果。尽管磷石膏、过磷酸钙和有机肥在盐碱土改良方面发挥了一定的作用，但过量施用会增加土壤全盐量^［12］。因此，如何合理高效施用土壤改良剂已经成为人们关注的焦点。湖南稷子（Echinochloa frumentacea）是一年生禾本科稗属牧草，耐盐性强，具有良好的经济和生态效益。早期研究主要集中在引种栽培利用方面，近些年的研究主要集中在盐碱地生物改良方面^［13］。万力生等^［14］研究表明，湖南稷子能够在含盐量为0.6%、pH为9.3的重度盐碱地上正常发芽和生长，且保苗率高达92%。也有研究发现，在弃耕盐碱荒地上种植湖南稷子2~3年后，土壤全盐含量、pH以及碱化度明显降低，土壤物理性状明显改善^［15］。

鉴于以往研究主要集中在单一改良物料对盐碱土的改良，而对多元化、复合型改良物料对土壤质量的改良效果研究报道较少。为此，本研究选择将常见的钙基化学调理材料和发酵有机物料进行不同配比，分析配施调控下土壤物理性质、养分含量和团聚体变化规律，探讨土壤指标之间的相互作用关系及土壤指标与湖南稷子产量之间的关系，利用土壤质量指数（soil quality index，SQI）揭示农田土壤环境因子与产量的定量关系，以确定合适的磷石膏、过磷酸钙和羊粪施用量，以期为宁夏银北平原盐碱地有机-无机物料配施下耐盐先锋植物湖南稷子农田土壤质量提升、盐碱地精准改良和产能提升提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于宁夏回族自治区石嘴山市平罗县高庄乡（105°57′E，38°36′N），海拔大约为1100 m，地势低洼，属中温带半干旱沙漠性气候，日照充足，温差大，蒸发强烈，年平均蒸发量1825 mm，年平均降水量173.2 mm，年均温2.8~16.0 ℃，年平均日照时数3008.6 h，平均霜冻期194.6 d，无霜期为171 d，试验地土壤基本特征如表1所示。

1.2 试验设计

2021年4月-2022年9月在研究区开展试验，采用单因素拉丁方设计，共设6个处理：对照（CK），不施土壤改良剂；处理PM，磷石膏（22.5 t·hm^-2）+腐熟羊粪（15 t·hm^-2）；处理CM，过磷酸钙（300 kg·hm^-2）+腐熟羊粪（15 t·hm^-2）；处理PCM₁，磷石膏（22.5 t·hm^-2）+过磷酸钙（300 kg·hm^-2）+腐熟羊粪（15 t·hm^-2）；处理PCM₂，磷石膏（30.0 t·hm^-2）+过磷酸钙（600 kg·hm^-2）+腐熟羊粪（30.0 t·hm^-2）；处理PCM₃，磷石膏（30.0 t·hm^-2）+过磷酸钙（900 kg·hm^-2）+腐熟羊粪（30.0 t·hm^-2）。每个处理6次重复，共36个小区，每个小区24 m²（6 m×4 m），小区间过道1 m，保护行3 m宽。2020年11月上旬将各土壤改良剂按试验设计的配施比例混匀后均匀地撒施到小区内，然后旋耕使土壤与物料混匀，并进行冬灌（70 m³）。2021年4月18日播种湖南稷子，播量37.5 kg·hm^-2，行距20 cm。改良物料对土壤改良效果具有长期性，2022年第2年试验在原来的试验地小区继续种植湖南稷子，不做土壤处理。整个生育期适时进行统一的除草、施肥（底肥施用17-17-17的复合肥20 kg，6月上旬和7月中旬分别追施纯氮75 kg·hm^-2）、防虫、灌水（生育期分4次灌溉，共计220 m³），2022年9月中旬收获。试验所选湖南稷子的品种为海子一号，来自宁夏回族自治区平罗县千叶青农业科技发展有限公司。

1.3 样品采集与分析

1.3.1 土壤物理性状指标

在2022年9月下旬湖南稷子收获后，每个处理区以S型布置5个采样点，按表层0~20 cm和耕层20~40 cm用环刀取样，采用环刀法测定各土层土壤容重^［16］。土壤密度近似值取2.65 g·cm^-3；将测定容重的环刀浸入水中24 h，质量恒定后称重，按公式（1）测定饱和含水量；根据公式（2）计算总孔隙度；土壤毛管孔隙度的测定：将饱和的环刀样置于铝盒上，中间用滤纸隔开，放置12 h烘干至恒重，并称重，按照公式（3）计算土壤毛管含水量；毛管孔隙度依据公式（4）计算。

\mathrm{饱和}\mathrm{含水}\mathrm{量}=(\mathrm{浸泡}\mathrm{后土}\mathrm{质量}-\mathrm{烘干}\mathrm{土质}\mathrm{量})/\mathrm{烘干}\mathrm{土质}\mathrm{量}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（1）

\mathrm{总孔}\mathrm{隙度}=\mathrm{饱和}\mathrm{含水}\mathrm{量}\times \mathrm{容重}（2）

\mathrm{土壤}\mathrm{毛管}\mathrm{含水}\mathrm{量}=(\mathrm{放置}\mathrm{后的}\mathrm{土质}\mathrm{量}-\mathrm{烘干}\mathrm{的土}\mathrm{质量})/\mathrm{烘干}\mathrm{的土}\mathrm{质量}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（3）

\mathrm{土壤}\mathrm{毛管}\mathrm{孔隙}\mathrm{度}=\mathrm{土壤}\mathrm{毛管}\mathrm{含水}\mathrm{量}/\mathrm{饱和}\mathrm{含水}\mathrm{量}\times \mathrm{总孔}\mathrm{隙度}（4）

将采集的原状土样自然风干后除去粗根及小石块，并将大土块按自然裂痕剥离为1 cm³左右。将风干土样过5，2，1，0.5，0.25 mm筛，利用湿筛法测定水稳定性土壤团聚体粒级分布和稳定性，平均重量直径（mean weight diameter， MWD）、几何平均直径（geometric mean diameter， GMD）和>0.25 mm团聚体占比（>0.25 mm aggregate percentage， R_0.25），计算公式如下：

MWD={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{\overline{X}}_i{w}_i（5）

GMD=\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left({\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{w}_i\mathrm{l}\mathrm{n}{\overline{X}}_i\right)（6）

R_{\mathrm{0.25}}=\frac{M_{\mathrm{0.25}}}{M_{\mathrm{T}}}（7）

式中：{\overline{X}}_i为i粒级的平均直径；w_i 为X_i 相对应的粒级团聚体占总重的百分比；M_T为团聚体粒级总质量；M_0.25是>0.25 mm粒级的累积土粒质量。

1.3.2 土壤化学性状指标

由于土壤盐分的空间差异，于2022年9月下旬收获后，在湖南稷子种植行内随机选取各处理一个固定区域进行取样。用土钻按5点采样法分别采集各区域0~40 cm层土样500 g，3次重复，装入自封袋中带回实验室风干、磨细，过1.00和0.25 mm筛，用于测定土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量。依据《土壤调查实验室分析方法》^［16］，测定土壤各指标。采用pH计（FE-28，瑞士）测定土壤pH；采用电导率仪（FE-38，瑞士）测定电导率，根据计算公式（8）将电导率（EC_1∶5）转换为土壤全盐含量（total dissolved salt，TDS）；采用重铬酸钾氧化外加热法测定土壤有机质含量；采用碱解扩散法测定碱解氮含量；采用碳酸氢钠浸提-分光光度计法测定速效磷含量；采用醋酸铵-火焰光度计法测定速效钾含量。

TDS=\mathrm{0.003}E{C}_{\mathrm{1}:\mathrm{5}}（8）

1.3.3 湖南稷子出苗率及产量

用钢卷尺随机测量条播小区3行出苗长度，除以3行总长度，记为出苗率；每个处理随机选取15株湖南稷子用直尺测量其高度，用游标卡尺测倒数第2节茎粗；湖南稷子成熟后随机割取小区内2 m样段，用其干草产量换算得出每hm²产量。在小区内随机取15株湖南稷子，人工分离茎和叶后截成小段，于105 ℃杀青1 h，65 ℃烘干后冷却，称量干重，叶茎比＝叶片干重/茎秆干重。

1.4 土壤质量指数

采用线性计算模型，将土壤盐碱指标和养分指标数据转化为0~1的无量纲分数，本研究中公式（9）表示“越多越好”型指标评分函数（如土壤养分）和公式（10）表示“越少越好”型指标评分函数（例如，pH、盐分）^［8，17］。

S_i=\frac{x_i-x_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}{x_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-x_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}（9）

S_i=\frac{x_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-x_i}{x_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-x_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}（10）

式中：S_i 表示线性评分（0~1）；x_i 表示指标的测量值；x_max和x_min分别表示指数的最高值和最低值。

本研究采用主成分分析法计算0~40 cm各指标的权重值。权重等于各指标的公因子方差占所有指标公因子方差之和的比例，用公式（11）计算土壤质量指数SQI^［17］。

SQI={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{W}_i{S}_i（11）

式中：S_i 代表指标得分；n为指标数量；W_i 代表指标权重值；本研究中n=11；SQI值越高，代表土壤质量更好。

1.5 数据统计与分析

采用Excel 2019进行统计，SPSS 23进行方差分析和LSD检验，利用Origin 2024制作柱形图，采用R Studio软件进行冗余分析，绘制Mantel Test结果。

2 结果与分析

2.1 有机-无机物料配施对土壤理化性质的影响

2.1.1 对土壤物理性质的影响

施用不同配比有机-无机物料后，耕层土壤理化状况均得到不同程度的改善（表2）。在0~20 cm耕层土壤，与CK相比，PM、CM、PCM₁、PCM₂、PCM₃处理土壤容重分别下降了11.84%、7.89%、11.18%、19.08%、13.82%，均显著低于CK（P<0.05）；土壤总孔隙度分别增加了16.08%、12.02%、20.49%、28.93%、18.54%，毛管孔隙度分别增加了24.13%、1.10%、4.07%、14.86%、-14.70%，饱和持水量分别增加了26.78%、21.78%、23.27%、27.85%、19.58%，毛管持水量分别增加了24.53%、9.47%、18.42%、41.73%、4.74%；在20~40 cm耕层土壤，与CK相比，土壤容重分别下降了6.02%、5.42%、7.83%、13.25%、12.05%，均显著低于CK（P<0.05）；土壤总孔隙度分别增加了8.01%、2.49%、8.53%、16.69%、16.71%，毛管孔隙度分别降低了4.33%、-5.73%、6.99%、7.17%、10.72%，饱和持水量分别增加了15.90%、8.56%、18.24%、35.09%、33.23%，毛管持水量分别增加了2.34%、12.02%、1.42%、7.52%、1.91%。

2.1.2 对土壤化学性质的影响

施用不同有机-无机物料的不同耕层土壤pH和全盐含量均有不同程度的降低（图1）。在0~20 cm土层，PM、CM、PCM₁、PCM₂、PCM₃处理土壤pH与CK相比，分别显著降低了1.26%、0.76%、2.77%、2.90%、2.77%（P<0.05），土壤全盐含量分别显著降低了12.68%、10.63%、26.18%、30.88%、17.79%（P<0.05）；在20~40 cm土层，各处理土壤pH与CK相比，分别降低了1.77%、0.63%、1.14%、1.90%、0.88%，全盐含量分别降低了10.99%、0.45%、24.22%、23.77%、17.04%，处理CM的pH和全盐含量与CK无显著差异。

各处理的土壤养分均不同程度高于对照（P<0.05），在0~20 cm土层，PM、CM、PCM₁、PCM₂、PCM₃处理土壤有机质含量较CK分别提高了75.80%、46.99%、57.62%、80.29%、92.45%，碱解氮含量较CK分别提高了2.17%、0.09%、2.89%、11.39%、5.42%，有效磷含量较CK分别提高了3.28%、2.45%、5.07%、14.30%、11.49%，速效钾含量较CK分别提高了55.59%、44.50%、69.79%、84.67%、89.54%；在20~40 cm土层，土壤有机质含量较CK分别提高了22.73%、12.21%、33.25%、75.36%、71.96%，碱解氮含量较CK分别提高了2.44%、1.36%、3.80%、5.43%、4.70%，速效磷含量较CK分别提高了4.38%、3.46%、6.87%、8.94%、8.16%，速效钾含量较CK分别提高了57.62%、51.81%、68.26%、87.11%、89.01%。而PCM₂和PCM₃处理之间有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量无显著差异。

2.2 有机-无机物料配施对土壤团聚体粒径分布与稳定性的影响

2.2.1 对土壤团聚体粒径分布的影响

经过2年有机-无机物料处理后，各处理0~20 cm和20~40 cm土层>0.25 mm水稳性团聚体质量分数均较CK显著提高（P<0.05），而<0.25 mm水稳定性团聚体质量分数比CK显著降低（图2）。0~20 cm土层，>5 mm、<0.25 mm粒径团聚体质量分数均高于其他粒径，而2~5 mm、1~2 mm、0.5~1.0 mm、0.25~0.50 mm粒径团聚体质量分数变幅为2.02%~4.76%。施用改良剂各处理，除CM外，>5 mm、2~5 mm粒径团聚体质量分数较CK分别显著提高15.58%~138.17%和19.57%~79.60%（P<0.05）。各处理20~40 cm土层>5 mm粒径团聚体质量分数均高于CK，提高幅度52.88%~268.91%（P<0.05）；0.25~2.00 mm粒径团聚体质量分数稳定在2.21%~5.59%。其中，PM、CM、PCM₁、PCM₂、PCM₃处理>5 mm粒径团聚体质量分数分别较CK处理显著提高52.88%、89.07%、132.72%、268.91%、191.24%（P<0.05）。

2.2.2 对土壤团聚体稳定性的影响

施用改良剂显著影响土壤团聚体稳定性参数，包括平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和R_0.25（P<0.05）。在0~20 cm和20~40 cm土层内，均以PCM₂处理的GMD最高，PCM₃处理次之（图3），分别较CK显著提高47.37%、21.05%和280.77%、142.31%（P<0.05）。PM和PCM₁，PM和CM处理间差异不显著。与CK相比，PCM₂处理在0~20和20~40 cm土层中的MWD分别提高了83.05%和179.80%，PCM₃处理分别提高38.98%和118.18%。此外，与CK相比，施用改良剂0~40 cm土层中的R_0.25增幅为5.71%~144.44%。除了20~40 cm土层PM和CM处理的土壤团聚体R_0.25、GMD无显著差异外，其余各处理间的R_0.25、MWD和GMD均达到显著差异水平（P<0.05），说明不同配比有机-无机物料的施用能显著增加土壤团聚体程度，提高土壤团聚体稳定性。

2.3 有机-无机物料配施对土壤质量的影响

采用全数据集（共11个指标）对0~40 cm土层不同土壤质量指数（SQI）进行计算并对数据集进行主成分分析，提取各指标公因子方差，计算各指标权重（表3）。通过公式（9）和（10）将全数据集中的指标转换为0~1的分数。本研究中，“越多越好”型评分计算模式应用于对土壤性质有正效应的相关指标，包括总孔隙度、有机质、有效磷、速效钾、MWD、GMD和R_0.25；“越少越好”型评分计算模式应用于对土壤性质有负效应的相关指标，包括土壤pH、全盐量、容重。

在0~20 cm土层11个指标中，PCM₁处理除TDS和碱解氮外，其余指标得分均高于CK（图4）。PCM₂、PCM₃处理所有指标得分均高于CK处理，PCM₂处理所有指标均高于PCM₁和PCM₃。PCM₃处理除pH外，其余指标得分均高于PCM₁处理。20~40 cm土层，PCM₁、PCM₂、PCM₃处理所有指标得分均高于CK，其中土壤pH、全盐量、容重、总孔隙度、有机质、有效磷、速效钾、MWD、GMD和R_0.25指标得分均比CK处理增加48.95%以上。

施用有机-无机物料能够显著增加土壤质量指数（图4）。不同处理下，0~20 cm和20~40 cm土层土壤质量指数从大到小依次为：PCM₂（0.93、0.92）、PCM₃（0.71、0.78）、PCM₁（0.53、0.59）、PM（0.45、0.48）、CM（0.28、0.35）、CK（0.04、0.06）。0~40 cm土层PCM₂和PCM₃处理SQI显著高于CK。PCM₂处理SQI比PCM₃处理增加31.92%和17.84%，并且6个处理间均达到显著性差异水平。

2.4 有机-无机物料配施对湖南稷子生产力的影响

2.4.1 对鲜干比和叶茎比的影响

有机-无机物料配施均显著影响湖南稷子鲜干比和叶茎比（P<0.05）。与CK相比，PM、CM、PCM₁、PCM₂、PCM₃处理鲜干比分别提高了18.79%、13.69%、9.98%、19.21%、17.41%，叶茎比分别提高了21.09%、1.81%、22.90%、26.51%、24.11%，PM、PCM₁、PCM₂、PCM₃处理之间叶茎比无显著差异（图5）。鲜干比和叶茎比均在PCM₂处理下达最高，分别为3.74和0.70。

2.4.2 对出苗率和产量的影响

与CK相比，PM、CM、PCM₁、PCM₂、PCM₃处理的出苗率分别提高了30.41%、11.49%、65.54%、62.84%、68.24%，CM处理出苗率和对照差异不显著（图6）；产量分别提高了40.55%、25.09%、43.97%、50.07%、47.76%（P<0.05），增产效果PCM₂>PCM₃>PCM₁>PM>CM； PCM₁、PCM₂、PCM₃处理间出苗率和产量无显著差异。

2.5 有机-无机物料配施对土壤质量和产量与土壤性质关系的影响

冗余分析结果表明（图7），轴1和轴2分别解释了图中0~20 cm土层中总变异的98.86%和1.14%，以及20~40 cm土层中总变异的98.92%和1.08%。0~20 cm土层土壤有机质与速效钾呈正相关关系，与容重、pH、全盐量呈负相关关系。20~40 cm土层土壤团聚体稳定性与孔隙度、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾呈正相关关系，与容重、pH、全盐量呈负相关关系。有机-无机物料的添加对土壤养分和团聚体稳定性的影响均大于CK，其中以PCM₁、PCM₂和PCM₃的影响较明显。所有土壤样品都有明确的分离，从结果来看，相较于CK，这种分组是显著的。此外，线性回归分析显示SQI与湖南稷子产量存在显著正相关关系（图8）。

不同土层深度下土壤质量和产量与土壤因子间具有不同的相关性结果。在0~20 cm土层（图9），土壤质量和产量与容重、孔隙度、全盐量、有机质、速效钾和出苗率间的相关性极强（r≥0.5），同时呈极显著性相关（P≤0.001）；pH、MWD、GMD和R_0.25与土壤质量和产量的显著性较强（P<0.05），同时相关性较强（0.2≤r≤0.5）。在20~40 cm土层（图9），土壤质量和产量与容重、孔隙度、pH、有效磷、速效钾和出苗率间的相关性（r≥0.5）和显著性（P<0.001）均极强；TDS和SOM与土壤质量和产量的显著性较高（P<0.01），但相关性较低（0.2≤r≤0.5）。总体来看，研究区土壤质量和产量变化受土壤因子的强烈影响。

3 讨论

3.1 有机-无机改良物料配施对土壤盐碱性和土壤肥力的影响

pH、全盐是造成土壤生态环境恶化的关键因素，与土壤中养分形态、有效性、有机质矿化及土壤生物活性密切相关。与CK相比，有机-无机物料配施的施用显著降低了盐碱化土壤的pH和全盐含量（图1）。这与Kim等^［18］关于脱硫石膏和秸秆堆肥处理对盐碱土壤pH和全盐含量降低效果更明显的结果一致。原因主要包括：1）有机-无机物料配施后，其中所含的腐殖酸、富里酸等会与土壤中的碱性物质发生反应，所以能明显降低盐碱土的pH^［19］。2）施加有机肥后，伴随土壤中有机质含量的增加，土壤团聚体的数量会得到进一步提升。而土壤团聚体的增加会破坏土壤中的毛管孔隙（表2），提升土壤的代换量，极大地减弱盐碱土壤的返盐能力，从而使得土壤盐分得到降低^［20］。3）钙质改良剂可为土壤提供大量Ca²⁺，置换掉盐碱土中的交换性Na⁺，改变土壤胶体性质，与HCO₃^-、CO₃^2-结合形成CaCO₃沉淀，从而降低土壤pH和全盐含量^［5，21］。但是随着改良剂用量的增大，处理间对于土壤pH的变化差异趋于不显著，说明过量的改良剂可能会因为灌溉淋洗不充分，反而导致土壤的含盐量上升^［11］。

土壤容重直接影响土壤孔隙度与孔隙大小分配、土壤的产投阻力及土壤水肥气热的变化，是重要的土壤基础数据^［7］。众多研究表明，改良剂的施用能有效改善盐碱化土壤的物理性质，降低土壤容重，增加土壤孔隙度^［22］。脱硫石膏、磷石膏、腐殖酸和堆肥等有机物料作为有效的Ca²⁺和有机质来源均已广泛用于盐碱土改良^［23］。但有研究认为影响盐碱土理化性质的因素复杂，不同改良剂混合配施相较于单一改良剂效果更好^［24］。本研究结果表明，有机-无机物料配施显著降低了土壤容重，增加了土壤的孔隙度，提高了土壤的持水能力，在磷石膏（30.0 t∙hm^-2）、过磷酸钙（600 kg∙hm^-2）、腐熟羊粪（30.0 t∙hm^-2）配比处理下对盐碱地土壤容重、孔隙度等物理改良效果最佳（表2）。盐渍化土壤盐碱程度高，养分含量低，土壤质量的改善和地力的提升对盐碱地的改良至关重要^［25］。曲长凤等^［26］研究表明，改良剂通过直接增加或者促进营养元素有效化来改善土壤性质等间接提高土壤养分含量。本研究中，与CK相比，有机-无机物料配施的施用显著增加了耕层土壤的有机质、碱解氮、速效磷等养分含量（图1）。这与白小龙等^［27］和张晓东等^［28］复合改良物料对土壤养分的影响结果一致。其原因可能是：1）配施物料中大量的磷石膏和腐熟羊粪的投入，为盐碱土壤提供了大量的Ca²⁺和有机质来源，Ca²⁺对土壤的团聚作用加强了对有机质的保护，促进了有机质的积累；而反过来有机质作为土壤中营养元素氮、磷的重要来源，能吸附较多的阳离子，使土壤具有保肥性和缓冲性。2）这种增幅主要来自施加的有机肥本身含有多种营养元素^［29］，通过矿化分解缓慢长效地释放到土壤中，而且在这个过程中会有各种有机酸生成，可溶解土壤中原有的钾盐、磷酸盐等矿物盐，从而增加了磷、钾等元素的有效性^［30］。3）有机肥^［31］和石膏^［32］能够增加盐碱土水肥固持能力^［33］，降低土壤氮淋失。同时，增加了Ca²⁺，生成磷酸钙沉淀^［34］，能够增加土壤有效磷。并且土壤中钾含量变化不受微生物影响，主要受土壤阳离子含量变化影响，因此改良剂中的Ca²⁺也会置换出一定量的K⁺，从而增加水溶性K⁺含量，进而增加了土壤速效钾含量（图1），这与Lashari等^［35］的研究结果一致。

3.2 有机-无机改良物料配施对土壤团聚体的影响

土壤团聚体是健康土壤的构建基础，其大小、数量、比例和微形态能够很好地反映土壤结构的稳定性，对于表征土壤质量有着重要的作用^［36］。研究表明，有机肥的施用能够有效提高土壤中大团聚体含量^［37］。但由于盐碱土自身特性，Na⁺通过防止胶体絮凝并破坏黏土矿物的结构来引起聚集体颗粒崩解、膨胀和分散，最终破坏土壤团聚体结构^［38］。Regelink等^［39］发现相近有机碳含量下，碱性土壤拥有的水稳性团聚体比酸性土壤的比例低，pH在团聚体形成和稳定中具有重要作用。本研究结果显示，有机-无机物料配施处理后大团聚体逐渐增多（图2），水稳性团聚体稳定性指数R_0.25、MWD和GMD较CK均显著增大（图3），这与金梦野等^［40］和王德领等^［41］的研究结果相似。产生本研究结果的原因可能是，首先，在不同的改良物料配施后，改善了土壤理化性质，影响了土壤微生物群落，并增加了微团聚体中有机碳的含量。其次因为有机物料是Ca²⁺的直接来源，可取代阳离子交换位点上的Na^+［42］。加速盐碱土中Na⁺淋洗，促进土壤中有机质和Ca²⁺等多价阳离子以阳离子桥的形式形成有机-矿质复合体土壤复粒。此外，一些官能团，如放线菌和AMF，可能影响土壤聚集^［43］，因为它们相对于细菌具有丰富的菌丝^［44］。细根和菌根菌丝网络像“黏性网袋”将土壤微团聚体胶结成大团聚体^［45］。从而对促进盐碱地良好土壤团粒结构的形成十分重要。

3.3 有机-无机改良物料配施提高土壤质量和产能的协同作用

利用SQI整合不同土壤理化指标揭示有机-无机物料配施对土壤盐碱指标及养分的综合效应^［46］，结果（图4）显示，磷石膏、过磷酸钙和腐熟羊粪施用处理显著增加了SQI，PCM₂和PCM₃处理土壤pH、全盐量、容重、总孔隙度、有机质、有效磷、速效钾、MWD、GMD和R_0.25具有较高得分，说明改良剂处理通过降低土壤盐碱程度和增加土壤养分两方面提高了土壤质量。

有机-无机物料配施显著提高了湖南稷子的出苗率和产量。产量和出苗率与土壤pH、容重和全盐含量呈负相关关系，与总孔隙度、有机质、有效磷、速效钾含量、MWD、GMD和R_0.25呈正相关关系（图7），且湖南稷子产量与SQI呈显著正相关关系（图8），说明土壤质量的提升能够显著影响湖南稷子的出苗率和产量，这与Yan等^［46］的研究结果一致。

盐碱地土壤养分贫瘠、盐碱程度高，保证植物出苗率、增加作物产量是盐碱地工作关注的重点。卢星辰等^［6］研究表明，脱硫石膏、蚯蚓粪等改良剂的投入，可以显著提高中度盐碱地玉米（Zea mays）的出苗率和生物量。张盼盼等^［47］研究表明，有机肥配施磷石膏对作物的增产效果优于单施有机肥或者磷石膏。王金满等^［48］研究表明，石膏的施用使碱化土壤上葵花（Helianthus annuus）的出苗率和单株产量提高到了92.5%和36.4 g。在本试验中，磷石膏和过磷酸钙配施腐熟羊粪显著提高了湖南稷子的鲜干比、叶茎比、出苗率和产量（图5和图6），最高分别达3.74、0.70、83%、9744 kg·hm^-2，较CK分别提高了19.21%、26.51%、62.84%和50.07%，与前人结果一致，表明有机-无机物料配施更有利于提升土壤质量和盐碱地上作物的生产性能。

4 结论

与不施改良物料（CK）处理相比，有机-无机物料配施显著降低了盐碱地土壤的pH、全盐含量和容重，提高了>0.25 mm水稳性团聚体的比例和稳定性；同时能够增加土壤有机质和速效养分，提升基于全数据集的土壤质量指数（SQI），进而提高了湖南稷子产量，二者呈显著正相关关系。各处理中，以磷石膏（30.0 t·hm^-2）、过磷酸钙（600 kg·hm^-2）和腐熟羊粪（30.0 t·hm^-2）配施处理的土壤质量指数（0.93）和湖南稷子产量（9744 kg·hm^-2）最高，因而可作为一种土壤改良剂高效施用技术在宁夏银北平原及同类型地区盐碱地应用。

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基金资助

国家重点研发计划(2021YFD1900600)