不同改良剂对盐碱地玉米品质、产量及土壤理化性质的影响

Effects of Different Amendments on the Quality and Yield of Maize and Soil Physicochemical Properties in Saline-Alkali Soil

摘要

为研究不同改良剂对盐碱地玉米品质、产量及土壤理化性质的影响，在内蒙古河套灌区盐碱地进行试验。以当地玉米品种弘丰556为研究对象，设置CK（不作处理）、DG（脱硫石膏15 000 kg·hm^-2）、IA（新型改良剂15 000 kg·hm^-2）和BO（生物有机肥7 500 kg·hm^-2）4 个处理，研究不同改良剂对中重度盐碱地玉米品质、产量及0~40 cm土层土壤理化性质的影响。结果表明：①不同改良剂均可提高盐碱土玉米品质，其中BO可显著提高玉米籽粒粗蛋白质质量分数，较CK提高23.69%；3种改良剂均可显著降低玉米籽粒粗灰分质量分数，DG、IA、BO较CK分别降低6.06%、10.30%、10.90%；IA可显著提高玉米籽粒脂肪、淀粉质量分数，分别较CK提高8.2%、3.27%；DG和IA可显著降低玉米籽粒水分，分别较CK降低13.2%、11.5%。②不同改良剂均可显著提高盐碱土玉米产量，DG、IA、BO分别较CK提高38.34%、48.21%、40.81%，其中IA的玉米产量最高，为3 486.92 kg hm^-2。BO可显著提高玉米穗长、穗粒质量，分别较CK提高36.03%、38.21%；IA和BO可显著提高玉米籽粒百粒质量，分别较CK提高12.05%、13.13%；DG可显著降低玉米秃尖长，较CK降低51.33%；BO可显著增加玉米穗粗，较CK提高17.03%。③不同改良剂处理可有效改善土壤0~20 cm、21~40 cm土层理化性质。DG可显著降低土壤0~20 cm土层孔隙度，较CK降低5.03%；不同改良剂均可显著降低21~40 cm土层容重，DG、IA、BO分别较CK降低6.29%、6.29%、5.59%；不同改良剂均可显著提高0~20 cm土层田间持水量，DG、IA、BO分别较CK提高8.83%、19.51%、12.53%；不同改良剂均可显著降低土壤0~40 cm土层全盐质量比，DG、IA、BO分别较CK平均降低0~40 cm土层全盐质量比的幅度为45.86%、41.66%、40.42%；不同改良剂均可显著降低土壤21~40 cm土层pH，DG、IA、BO分别较CK降低5.95%、4.28%、3.45%。④结合主成分分析和隶属函数分析可知，新型改良剂和生物有机肥处理的综合得分较高，是适宜于内蒙古河套盐碱地施用的改良物料。因此，新型改良剂和生物有机肥可作为改善内蒙古中重度盐碱地土壤理化性质，提高当地玉米品质和产量的改良物料。

Abstract

This study investigates the effects of different amendments on the quality and yield of maize， as well as the soil’s physicochemical properties in saline-alkali soils. Experiments were conducted in the saline-alkali lands of the Hetao Irrigation District in Inner Mongolia. In 2022， the local maize variety Hongfeng 556 was used as the study subject， with four treatments established： CK （control， no treatment）， DG （15 000 kg·hm² of desulfurized gypsum）， IA （15 000 kg·hm² of a new improvement agent）， and BO （7 500 kg·hm² of bio-organic fertilizer）. The aim was to assess the effects of these amendments on maize quality and yield in moderately to severely saline-alkali soils and to analyze changes in the physicochemical properties of the soil in 0~40 cm depth range. The results indicate that： ① All amendments can improve the quality of maize grown in saline-alkali soils. BO significantly increases the crude protein content of maize grains by 23.69% compared to CK. All three amendments can significantly reduce the crude ash content of maize grains， with reductions of 6.06%， 10.3%， and 10.9% compared to CK. IA can significantly increase the fat and starch content of maize grains by 8.2% and 3.27%， respectively， compared to CK. DG and IA can also significantly reduce the moisture content of maize grains by 13.2% and 11.5% compared to CK. ② All amendments can significantly increase maize yield in saline-alkali soils， with increases of 38.34%， 48.21%， and 40.81% compared to CK， respectively. The highest yield is observed under the new amendment treatment at 3 486.92 kg·hm². BO can significantly increase both ear length and grain weight per ear by 36.03% and 38.21% compared to CK. IA and BO can also significantly increase the 100-grain weight by 12.05% and 13.13% compared to CK. DG can significantly reduce the barren tip length by 51.33% compared to CK， while BO can significantly increase the ear diameter by 17.03% compared to CK. ③ The different amendment treatments can effectively improve the physicochemical properties of the soil at depths of 0~20 cm and 21~40 cm. DG can significantly reduce the porosity of the soil at 0~20 cm by 5.03% compared to CK. All amendments can significantly reduce the bulk density of the soil at 21~40 cm， with reductions of 6.29%， 6.29%， and 5.59% compared to CK. All amendments can also significantly increase the field water capacity of the soil at 0~20 cm by 8.83%， 19.51%， and 12.53%， respectively， compared to CK. Additionally， all amendments can significantly reduce the total salt content of the soil at 0~40 cm with average reductions of 45.86%， 41.66%， and 40.42% compared to CK. All amendments can significantly lower the pH of the soil at 21~40 cm with reductions of 5.95%， 4.28%， and 3.45% compared to CK. ④ Principal component analysis and membership function analysis indicate that the new amendment and bio-organic fertilizer receive high composite scores， suggesting their suitability for application in saline-alkali soils of Hetao， Inner Mongolia. Consequently， these amendments can be utilized to enhance the physicochemical properties of moderate and severe saline-alkali lands， thereby improving the quality and yield of local maize.

Graphical abstract

关键词

改良剂 / 盐碱地 / 玉米 / 品质 / 产量

Key words

amendment / saline-alkali soil / maize / quality / yield

盐碱土作为一种常见的土壤类型，在我国分布广泛，主要分布于东北、华北、西北、东部沿海等地区，占地面积约9.913×10⁷ hm^2[1]。目前，内蒙古河套灌区的耕地面积约为1.33×10⁶ hm²，其中约三分之一的面积（4.43×10⁵ hm²）存在不同程度的盐渍化问题，中度和重度盐碱化耕地面积达2.33×10⁵ hm²。此外该地区还有5.33×10⁴ hm²的盐碱荒地^[2]。内蒙古盐碱地土壤pH和盐分含量较高、土壤孔隙度小，土壤结构差，保水保墒能力弱，严重影响当地作物生长发育，制约了当地农业的高质量发展^[3]。

盐碱地改良主要可以分为水利改良、物理改良、化学改良和生物改良等方法^[4]，其中施用改良剂的化学改良方法应用广泛。研究表明，施用脱硫石膏可降低土壤中钠离子含量，促进土壤团聚体的形成，增加土壤通透性，且脱硫石膏呈酸性，能中和土壤的碱性，减轻土壤的盐碱化程度^[5-7]。施用新型改良剂可为作物生长提供碳源，补充土壤营养元素，降低植物细胞内钠离子浓度，提高作物耐盐能力^[8-10]。施用生物有机肥能够增加土壤团聚体的形成，提高土壤的透气性和透水性，有利于盐分的淋洗和排出^[11]。杨彦明等^[12]研究发现，施用腐殖酸能有效降低土壤pH，增加土壤有机碳含量，提高土壤K⁺/Na⁺比例，极大降低Na⁺对作物的伤害。硫酸铝能够降低土壤碱度和含盐量，增加土壤有机碳含量，研究发现硫酸铝与其他改良方法配合使用效果更好^[13]。

改良盐碱土壤能够显著提高作物产量是现阶段研究认可的结论，但对盐碱地改良措施是否提高作物品质的研究报道较少。研究表明，在盐碱土壤中施加脱硫石膏、微生物改良剂、腐殖酸等改良剂明显影响玉米的产量，但产量的变化是否在不同地域中普遍存在，以及造成这种现象的生理机制尚不明确^[14-16]。内蒙古河套平原日照时间长，昼夜温差大，气候干旱，灌溉条件优越，是我国优质农产品生产基地之一。本研究选用3 种应用前景较好的改良剂：脱硫石膏、新型改良剂、生物有机肥，比较这3种改良剂对内蒙古中重度盐碱地玉米品质、产量和土壤理化性质的影响，以期为内蒙古河套平原盐碱地高效利用和玉米高产栽培提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古自治区土默特右旗美岱召镇瓦窑村（110°42′57″E、40°30′30″N），海拔995.0 m，地下水位为1.5~2.0 m，气候类型属典型大陆性半干旱季风气候，年平均气温6.0~8.0 ℃，年日照时间3 095 h，平均年降水量400 mm左右，无霜期为140 d。供试土壤类型以草甸土为主，耕层（0~40 cm）平均土壤pH为8.46、全盐质量比为4.67 g·kg^-1，容重为1.50 g·cm^-3，孔隙度为45.88%，有机质质量比为16.6 g·kg^-1，速效磷、速效钾、碱解氮的质量比分别为7.81、71.07、109.2 mg·kg^-1。

1.2 材料与方法

供试玉米品种为当地常规种植品种弘丰556。供试肥料：脱硫石膏来自宁夏大武口电厂，在自然状态下呈现为土黄色吸湿性粉末，pH为6.88，其主要成分为CaSO₄·2H₂O；新型改良剂由宁夏丰源生物科技有限公司提供，主要由糠醛渣、硝酸铵钙、抗盐固氮菌等原材料按不同比例配制而成；生物有机肥来自当地集中堆肥区（将牛粪进行好氧发酵而成），pH为8.12。

试验采用单因素随机区组设计，共设4 个处理，每个处理设3 次重复，详见表1。试验小区长6 m、宽5 m，面积30 m²，小区间留1 m过道，试验地四周留2 m保护行。各改良物料按试验设计的用量均匀撒施到相应小区内，然后进行旋耕使土壤与物料混匀，并灌溉1 次，灌水量为300 m³·hm^-2。玉米在4月下旬种植，采用覆膜穴播，株距为30 cm、行距为50 cm。种植密度为66 700 株·hm^-2，种植前施用尿素225 kg·hm^-2、过磷酸钙300 kg·hm^-2、硫酸钾75 kg·hm^-2。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 玉米品质及产量指标测定

玉米品质的测定：取玉米籽粒测定水分、淀粉、脂肪、粗蛋白质、粗灰分和中性纤维的质量分数。水分的测定采用烘干法；淀粉的测定采用碘比色法；脂肪的测定方法参照国标GB/T15684—95；粗蛋白质的测定采用凯式半微量定氮法；粗灰分的测定采用干灰化方法[（525+25） ℃]；中性纤维的测定采用范式洗涤纤维分析法。玉米产量的测定：玉米成熟后按小区收获，完成室内考种。

1.3.2 土壤理化性质测定

土壤pH按土水比1∶5浸提后，使用pH计测定；土壤全盐质量比按土水比1∶5浸提后，采用电导率仪测定；土壤容重、孔隙度和田间持水量采用环刀法测定，土壤孔隙度计算公式如下^[17]：

土壤孔隙度(%)=(\mathrm{1}-\frac{\mathrm{土壤}\mathrm{容重}}{\mathrm{土壤}\mathrm{比重}})\times \mathrm{100}%，（1）

式中，土壤比重取平均值2.65进行计算。

1.4 数据处理与分析

试验数据采用Excel、Origin 2023软件进行整理并作图，采用SPSS软件对相关性状指标进行单因素方差分析（最小显著差异法）、相关性分析和主成分分析。通过隶属函数法对各处理进行综合评价，相关计算公式如下^[18-19]：

\begin{array}{l}\mu (X_j)=(X_j-X_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}})/(X_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-X_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}})\\ j=\mathrm{1,2},\dots ,n,\end{array}（2）

式中：μ（X_j）表示第j个综合指标的隶属函数值；X_j 表示第j个综合指标值；X_max表示第j个综合指标的最大值；X_min表示第j个综合指标的最小值。

W_j=P_i/{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^n}{P}_j,j=\mathrm{1,2},\dots ,n，（3）

式中：W_j 表示第j个综合指标在所有综合指标中的权重；P_j 为第j个综合指标的贡献率。

D={\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^n}\left[\mu (X_j)\times W_j\right],j=\mathrm{1,2},\dots ,n，（4）

式中：D值代表各处理的综合评价值。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对玉米品质的影响

由表2可知，生物有机肥处理可明显提高玉米籽粒粗蛋白质质量分数，且与其他处理间的差异具有统计学意义（P<0.05），较CK提高23.69%；不同改良剂处理均可显著降低玉米籽粒粗灰分质量分数，DG、IA、BO较CK分别降低6.06%、10.30%、10.90%，各改良剂处理间的差异不具有统计学意义；脱硫石膏处理和新型改良剂处理可显著降低玉米籽粒水分，分别较CK降低13.28%、11.49%；新型改良剂处理可显著提高玉米籽粒脂肪、淀粉质量分数，分别较CK提高8.22%、3.27%；不同改良剂处理间玉米籽粒的中性洗涤纤维质量分数差异不具有统计学意义。

综上所述，生物有机肥处理可提高玉米籽粒粗蛋白质质量分数，并降低粗灰分质量分数，从而改善玉米籽粒品质；脱硫石膏处理可降低玉米籽粒水分和粗灰分质量分数，进而改善玉米籽粒品质；新型改良剂处理可通过降低玉米籽粒粗灰分质量分数和水分，提高籽粒脂肪、淀粉质量分数，从而改善玉米籽粒品质。

2.2 不同改良剂对玉米产量及产量因子的影响

由图1可知，不同改良剂处理较CK均可显著提高玉米产量（P<0.05），DG、IA、BO提高幅度分别为38.34%、48.21%、40.81%，其中IA的玉米产量最高，为3 486.92 kg·hm^-2。

由表3可知，生物有机肥处理可显著提高玉米穗长、穗粒质量（P<0.05），分别较CK提高36.03%、38.21%，且与其他改良剂处理间的差异具有统计学意义；新型改良剂处理和生物有机肥处理可显著提高玉米籽粒百粒质量，分别较CK提高12.05%、13.14%；不同改良剂处理间玉米轴粗、单穗质量与CK之间的差异不具有统计学意义；脱硫石膏处理可显著降低玉米秃尖长，较CK降低51.34%，且与其他改良剂处理间的差异具有统计学意义；生物有机肥处理较CK可显著增加玉米穗粗，提升幅度为17.03%，但与其他改良物料处理间的差异不具有统计学意义。

综上所述，生物有机肥处理可通过提高玉米穗长、穗粒质量、百粒质量和穗粗等产量构成因子提高玉米产量；新型改良剂处理可通过提高玉米百粒质量进而提高玉米产量；脱硫石膏处理则通过降低玉米秃尖长进而影响玉米产量的形成。

2.3 不同改良剂对土壤容重、孔隙度和田间持水量的影响

由表4可知，不同改良剂处理可有效改善土壤0~20 cm、21~40 cm土层物理性质。脱硫石膏处理可显著降低0~20 cm土层孔隙度，较CK降低5.03%，且与其他处理间的差异具有统计学意义（P<0.05）；不同改良剂处理均可显著降低土壤21~40 cm土层容重，分别较CK降低6.29%、6.29%、5.59%，且各改良剂处理间的差异不具有统计学意义；不同改良剂处理均可显著提高土壤0~20 cm土层田间持水量，DG、IA、BO分别较CK处理提高8.83%、19.51%、12.53%，且不同改良剂处理与CK间的差异具有统计学意义；脱硫石膏处理和新型改良剂处理均显著提高土壤21~40 cm土层田间持水量，分别较CK处理提高6.04%、10.19%。

2.4 不同改良剂对盐碱土壤pH和全盐质量比的影响

由表5可知，不同改良剂处理可有效改善土壤0~20 cm、21~40 cm土层化学性质。不同改良剂处理均可显著降低土壤0~20 cm和21~40 cm土层全盐质量比（P<0.05），DG、IA、BO的0~20 cm土层平均全盐质量比与CK相比分别降低60.52%、55.91%、50.14%，且各处理间的差异不具有统计学意义；DG、IA、BO的21~40 cm土层平均全盐质量比与CK相比分别降低31.22%、27.41%、30.71%，各处理间的差异不具有统计学意义。不同改良剂处理均可显著降低土壤21~40 cm土层pH，DG、IA、BO分别较CK降低5.95%、4.28%、3.45%，且各处理间的差异不具有统计学意义。

2.5 盐碱地玉米品质、产量和土壤理化性状的相关性分析

由图2可知，玉米产量与穗粗、土壤孔隙度和田间持水量呈显著正相关，与土壤容重、pH、全盐质量比呈显著负相关。玉米中粗灰分质量分数与籽粒水分、土壤全盐质量比呈显著正相关，与穗粗、百粒质量、土壤孔隙度和田间持水量呈显著负相关。玉米籽粒中粗蛋白质质量分数与中性洗涤纤维质量分数、穗长、穗粗和土壤孔隙度呈显著正相关，与土壤容重呈显著负相关。玉米籽粒中脂肪质量分数与籽粒淀粉质量分数呈显著正相关，与玉米秃尖长、容重呈显著负相关。玉米籽粒中中性洗涤纤维质量分数与粗蛋白质质量分数呈显著正相关，与土壤pH呈显著负相关。

2.6 盐碱地玉米品质、产量和土壤理化性状的主成分分析和综合评价

对玉米品质、产量和土壤理化性状等19 个单项指标进行主成分分析，依照累积贡献率≥85%的提取标准，获得相互独立的5 个综合指标（表6）。其中，前5 个主成分的特征值大于1，分别为7.25、4.02、2.93、1.42、1.32，方差贡献率分别为38.14%、21.15%、15.41%、7.45%、6.96%，累积方差贡献率达89.11%，表明前5 个主成分可较好地概括上述19 个指标的绝大部分信息，具有良好的代表性。通过式（3）可以计算出5 个主成分相对应的权重分别是0.43、0.24、0.17、0.08、0.08。第1主成分系数最大的为产量（0.87），系数特征值大于0.85，表明产量对主成分1的贡献率较大；第2主成分系数较大的为脂肪（0.97）和淀粉（0.90），系数特征值均大于0.90，表明脂肪和淀粉对主成分2的贡献率较大；第3主成分系数最大的为籽粒水分（0.80），表明籽粒水分对主成分3的贡献率最大；第4主成分系数最大的为单穗质量（-0.54），表明单穗质量对主成分4的贡献率最大；第5主成分系数最大的为轴粗（0.59），表明轴粗对主成分5的贡献率较大。

根据式（2）计算各主成分隶属函数值。根据式（4）计算综合评价值（D值）并进行排名。由表7可知，各处理D值排名先后依次为新型改良剂、生物有机肥、脱硫石膏、CK。

3 讨论

3.1 不同改良剂对盐碱地玉米品质和产量的影响

施用改良物料不仅能降低土壤盐分，还能提高土壤养分含量，降低土壤容重；同时通过脱硫石膏与土壤耕作层盐基离子的置换，降低土壤盐分和碱度，改善土壤性质，提高玉米的养分吸收率。本研究发现，改良处理下的玉米穗长、穗粒质量、百粒质量、穗粗较CK处理均有所增加，玉米秃尖长较CK有所下降。如生物有机肥处理较CK提高玉米穗长（36.03%）、穗粒质量（38.21%）、穗粗（17.03%）和百粒质量（13.13%）；新型改良剂处理较CK提高玉米籽粒百粒质量（12.05%）；脱硫石膏处理较CK显著降低玉米秃尖长（51.33%）。由相关性分析可知，不同改良剂可通过提高玉米穗粗来提高产量。3种改良剂均可显著降低玉米籽粒粗灰分质量分数（分别较CK降低6.06%、10.30%、10.90%），其原因可能是土壤全盐质量比有所降低；生物有机肥较CK显著提高玉米籽粒粗蛋白质质量分数（23.69%），是因为生物有机肥提高了玉米穗长、穗粗和土壤孔隙度；新型改良剂可显著提高玉米籽粒脂肪、淀粉的质量分数（分别较CK提高8.20%、3.27%），是因为新型改良剂的施加降低了玉米秃尖长与百粒质量。有研究表明，增施有机肥或合理的有机肥替代能够降低无机氮肥的施用量，同时提升氮肥利用效率；有机肥能够提高土壤肥力，还能促进玉米生长，提高产量，保证水肥土资源高效利用^[20-21]。刘文志等^[22]研究发现，通过施用土壤改良剂，可以增加玉米产量。杜康瑞等^[23]报道，添加土壤改良剂可极大地增加玉米产量。本研究结果表明，不同改良剂处理均可显著提高玉米产量，提高幅度分别为38.34%、48.21%、40.81%，其中新型改良剂处理下玉米产量最高，为3 486.92 kg·hm^-2，这与前人研究结果相符。

3.2 不同改良剂对土壤理化性状的影响

盐碱土壤密度高，孔隙度小，导致土壤易板结，通透性不好，土壤物理性质较差，作物在盐碱土壤上无法生长，产量较低^[24]。决超^[25]通过使用有机肥改良土壤理化性质，不同施肥处理均降低了土壤容重，提高了土壤孔隙度。施用改良剂会引起土壤物理结构的显著变化，尤其是在0~20 cm土层中效果更为明显。随着土壤容重的降低，土壤紧实度和渗透性得到改善，同时土壤孔隙度增加，提高了土壤的保水能力，降低了水分的蒸发速率^[26]。本研究结果表明，不同改良剂处理均可显著降低21~40 cm土层容重，分别较CK降低6.29%、6.29%、5.59%；脱硫石膏处理可显著降低0~20 cm土层孔隙度，较CK降低5.03%，这与前人研究结果相符。本研究发现，施用改良物料提高了0~20 cm和21~40 cm土层的含水量，如不同改良剂处理较CK提高0~20 cm土层田间持水量8.83%、19.51%、12.53%；脱硫石膏处理和新型改良剂处理较CK提高21~40 cm土层田间持水量6.04%、10.19%，增强了土壤的蓄水能力，这与李淑芹等^[27]的研究结果相符。施用改良物料不仅能够改善土壤物理结构、增强保水增肥性，还能降低土壤盐分，减轻河套地区盐碱土壤盐碱化程度^[28]。本研究结果表明，施用脱硫石膏、新型改良剂和生物有机肥后，土壤pH下降，较CK降低21~40 cm土层pH的幅度分别为5.95%、4.28%、3.45%，这与前人的研究结果相符^[29-30]。

4 结论

不同改良剂处理可有效改善土壤0~20 cm、21~40 cm土层理化性质，显著提高玉米品质及产量。新型改良剂和生物有机肥适用于改良内蒙古河套地区中重度盐碱地。

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基金资助

内蒙古土默特右旗盐碱地改良示范区科技项目

河套灌区盐碱地改良利用重大战略咨询研究(2023NXZD6)