脫硫石膏改良鹽堿土對水稻產量及其相關性狀的影響

呂建東，馬帥國，田蓉蓉，田 蕾，胡 慧，王 娜，陳亞萍，普正菲，董 艷，王 彬

(寧夏大學 農學院，寧夏 銀川 750021)

在全球范圍內，受氣候和不合理的農業技術措施等因素的影響，土壤鹽堿化面積不斷擴大，程度逐年加深，對農業生產造成了極大的影響。據統計，全球鹽堿土面積約為0.95 ×109hm2，分布十分廣泛，遍及五大洲的100多個國家[1-3]。我國鹽堿土分布廣泛，面積龐大[4]，鹽漬化土壤面積達3.6×107hm2[5]。寧夏回族自治區引黃灌區氣候干旱，降水量少，水分蒸發量大，土壤鹽堿化程度高，鹽漬化土壤面積約為11.4×104hm2，是非鹽堿耕地面積的2.15倍[6]，嚴重影響了農業生產的發展。

與天然石膏相同，脫硫石膏的主要成分為CaSO4·2H2O ，富含作物生長所需的多種營養元素[7-8]，在鹽堿土壤改良中發揮著重要的作用，取得了良好的改良效果。王金滿等[9]研究發現，在適宜時期施用脫硫石膏并灌溉淋洗可顯著提高向日葵出苗率、降低土壤pH值和交換性鈉百分率(ESP)。王彬等[10]連續3 a的監測結果表明，施用脫硫石膏可有效持續降低鹽堿土壤的全鹽含量，維持油葵葉片細胞質膜的完整性，促進油葵的生長。王靜等[5]研究發現，施用適量的脫硫石膏可顯著提高鹽堿地水稻產量，改善稻米品質。黃菊瑩等[11]發現，脫硫石膏與改良劑配合施用可明顯提高土壤養分含量，顯著提高水稻成活率、株高和產量。田蕾等[12]研究表明，施用脫硫石膏和改良劑能顯著增強水稻的秧苗素質，降低水稻葉片細胞質膜透性。前人的研究多集中在脫硫石膏施用量及對鹽堿土的改良效果等方面，對以脫硫石膏為基礎改良物質的鹽堿土改良技術集成模式下，水稻產量及其相關性狀的連年動態變化研究鮮有報道。為此，以水稻品種吉特605為試驗材料，設計了4種脫硫石膏改良鹽堿土技術集成模式，通過連續2 a監測不同改良模式下土壤、稻田水的EC、pH值和水稻產量及其相關性狀，并對不同改良模式進行綜合評價，旨在篩選最優改良技術集成模式，為鹽堿地水稻生產提供技術支持。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗在石嘴山市平羅縣西大灘鹽堿地改良示范基地(106°24′E、38°50′N)進行，平均海拔1 100 m，降水主要集中在每年的7—9月，年平均降水量為173 mm，年平均蒸發量為1 755 mm，年平均相對濕度為56%，年平均氣溫為8.5 ℃，年平均日照時數為2 800～3 200 h，全年無霜期為150 d[13]。試驗田為2013年新開發的鹽堿荒地，屬重度堿化鹽土[12]。未進行鹽堿土改良之前，試驗田0～60 cm土壤pH值為9.39，全鹽含量為3.44%。

供試水稻品種為吉特605。脫硫石膏(主要成分CaSO4·2H2O)由寧夏回族自治區馬蓮臺電廠提供，鹽堿地改良劑(主要成分為糠醛渣、醋糟等酸性物料)由寧夏大學環境工程研究院自主研發，有機肥為羊糞。

1.2 試驗設計

本試驗采用隨機區組設計，設置5個處理，即1個不施任何改良物質的對照(CK)和4種土壤改良模式。模式Ⅰ：施入脫硫石膏22.5 t/hm2；模式Ⅱ：施入脫硫石膏22.5 t/hm2、改良劑7.5 t/hm2；模式Ⅲ：施入脫硫石膏22.5 t/hm2、改良劑7.5 t/ hm2、有機肥30 t/hm2；模式Ⅳ：施入脫硫石膏22.5 t/hm2、改良劑7.5 t/hm2、有機肥30 t/hm2、黃沙30 t/hm2。每個處理5次重復，共25個小區，小區面積為45 m2(9 m×5 m)。試驗地經激光平地儀平地后打埂，寬50 cm，高30 cm，用挖溝填埋地膜的方法將各小區之間充分隔開。分別于2013年和2015年根據各改良模式的要求施入相應的脫硫石膏、改良劑、有機肥和黃沙，每年播種前都進行灌水洗鹽。于2013—2016年的5月中旬播種，水稻種子浸種2 d，拌紅泥后采用水撒播的方法進行播種，播種量為375 kg/hm2，其他施肥、灌排水等田間管理參照王靜等[5]的方法進行。

1.3 測定指標和方法

1.3.1 土壤及稻田水EC和pH值 分別于2014和2015年，連續2 a在水稻出苗期、分蘗期、孕穗期、抽穗期和成熟期測定土壤、稻田水的EC和pH值(成熟期，由于稻田退水，故不測定稻田水的EC和pH值)。每個處理每個重復利用梅花形法選取15個樣點，利用美國Spectrum公司Field Scout 2265FS土壤電導儀測量8～10 cm土壤的EC值，采用美國Spectrum 公司 IQ150 pH Meter 測量8～10 cm土壤的pH值。稻田水EC和pH值測定方法同土壤，測量位置為水面下約5 cm處。

1.3.2 產量及其相關性狀 分蘗盛期，每個處理每重復分別隨機選取10株測量單株分蘗數。

成熟期，每個處理每重復分別隨機選取10株測量株高、穗長、千粒質量、穗粒質量、單株籽粒質量、單株有效穗數、穗實粒數、穗總粒數，取平均值。

成熟后，人工收割各小區水稻，晾干后，分別用脫粒機脫粒，稱質量，計產。

1.4 不同改良模式對鹽堿土的改良效果評價

對土壤、稻田水的EC、pH值和水稻產量及其相關性狀共14個指標進行主成分分析，結合隸屬函數和標準差系數賦予權重法，利用改良效果綜合評價值(Q)綜合評價各改良模式的改良效果[14-16]。

(1)

式中，K(Xi)為隸屬函數，其計算方法見公式(2)和公式(3)；Wi為各性狀權重，其計算方法見公式(4)。

隸屬函數值計算公式:K(Xi) = (Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，i=1，2，…，n

(2)

反隸屬函數值計算公式:K(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，i=1，2，…，n

(3)

式中，Xi為指標測定值，Xmin、Xmax分別為所有參試材料某一指標的最小值、最大值。與水稻產量或產量相關性狀呈正相關的指標，利用公式(2)計算隸屬函數值，呈負相關的指標利用公式(3)計算反隸屬函數值。

(4)

式中，Pi為經主成分分析所得到的第i個性狀指標的貢獻率。

1.5 數據處理和分析

采用Excel 2016進行試驗數據整理和作圖，利用SPSS 23.0軟件進行差異顯著性、相關性和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 不同改良模式對鹽堿土壤及稻田水EC和pH值的影響

2.1.1 土壤EC和pH值 由圖1可知， 2014和2015年水稻各生育時期4種改良模式土壤EC和pH值均極顯著低于CK，其中，2015年抽穗期CK的EC值最高，為7.00 mS/cm，同年孕穗期改良模式Ⅵ的EC值最低，為0.92 mS/cm，4種改良模式土壤EC值間的差異均未達到極顯著水平。2014和2015年各生育時期4種改良模式土壤pH值總體上均表現為改良模式Ⅲ、Ⅳ低于改良模式Ⅰ、Ⅱ。其中，2014年分蘗期、抽穗期和成熟期，改良模式Ⅲ的土壤pH值均極顯著低于改良模式Ⅰ；2015年出苗期、分蘗期和孕穗期，改良模式Ⅳ的土壤pH值均極顯著低于改良模式Ⅰ。綜合來看，與改良模式Ⅰ、Ⅱ相比，模式Ⅲ、Ⅳ對土壤pH值的改良效果更佳。

不同大寫字母表示同一時期不同處理之間差異極顯著(P≤0.01)，下同圖1 不同生育時期不同處理土壤EC和pH值

2.1.2 稻田水EC和pH值 由圖2可知，隨著生育期的推進，2014年不同處理稻田水的EC值均表現為先下降后升高的趨勢，在孕穗期達到最低值，其中孕穗期改良模式Ⅲ的稻田水EC值最低，為1.90 mS/cm，極顯著低于其他4種處理。隨著生育期的推進，2015年稻田水EC值總體表現為平穩(改良模式Ⅳ除外)—降低—升高的趨勢，最低值也出現在孕穗期，出苗期改良模式Ⅲ、分蘗期改良模式Ⅳ和抽穗期改良模式Ⅰ的稻田水EC值均極顯著高于CK。

2014年對各生育時期不同處理稻田水pH值進行監測發現，所有改良模式下稻田水pH值均與CK無極顯著差異；隨著生育期的推進，4種改良模式稻田水pH值均表現為先升高后降低再升高的趨勢，稻田水pH值為8.0～9.6。2015年稻田水pH值變化趨勢與2014年相同，也表現為隨生育期的推進先升高后降低再升高。出苗期，改良模式Ⅲ、Ⅳ的稻田水pH值均極顯著低于CK和另外2種改良模式，其他處理之間均無極顯著差異；分蘗期，改良模式Ⅰ和Ⅲ的稻田水pH值均極顯著低于CK；孕穗期，改良模式Ⅰ和Ⅳ的稻田水pH值較低，分別為8.00和8.03，均極顯著低于CK和改良模式Ⅱ；抽穗期，各處理稻田水pH值間的差異均未達到極顯著水平。

圖2 不同生育時期不同處理稻田水EC和pH值

2.2 不同改良模式對水稻產量相關性狀的影響

由圖3可知，相同年份不同改良模式水稻的株高、千粒質量、單株分蘗數、穗粒質量、單株籽粒質量、穗實粒數和穗總粒數均極顯著高于CK。其中，2014年水稻株高表現為Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>CK，改良模式Ⅲ、Ⅳ的水稻株高均極顯著高于改良模式Ⅰ；2015年改良模式Ⅳ的株高極顯著高于改良模式Ⅰ和Ⅱ。2014年改良模式Ⅲ、Ⅳ的水稻穗長均極顯著高于改良模式Ⅰ和CK，2015年各改良模式的水稻穗長間的差異均未達到極顯著水平，但均極顯著高于CK，與2014年相比各處理的穗長均有不同程度的下降，CK下降最明顯，由14.1 cm下降到10.5 cm。2014和2015年各改良模式水稻千粒質量之間的差異均未達到極顯著水平，均在20 g以上。2014年改良模式Ⅳ的水稻單株分蘗數極顯著高于改良模式Ⅰ和Ⅱ，2015年改良模式Ⅲ、Ⅳ的水稻單株分蘗數均極顯著高于改良模式Ⅰ和Ⅱ。2014和2015年改良模式Ⅲ、Ⅳ的水稻穗粒質量均極顯著高于改良模式Ⅰ和Ⅱ，且2014年各處理水稻穗粒質量均極顯著高于2015年的相同處理。2014和2015年模式Ⅲ和Ⅳ的水稻單株籽粒質量均極顯著高于改良模式Ⅰ和Ⅱ，2014年改良模式Ⅲ的單株籽粒質量最高，為13.3 g；2015年改良模式Ⅳ的單株籽粒質量最高，為12.8 g。2014和2015年模式Ⅳ的單株有效穗數均極顯著高于改良模式Ⅰ和Ⅱ，2015年各處理水稻單株有效穗數均極顯著高于2014年的相同處理。2014和2015年改良模式Ⅳ的穗實粒數均極顯著高于改良模式Ⅰ和Ⅱ，與改良模式Ⅲ無極顯著差異，且2015年各處理水稻穗實粒數均極顯著低于2014年的相同處理。2014和2015年改良模式Ⅲ、Ⅳ的穗總粒數均極顯著高于改良模式Ⅰ和Ⅱ，各處理水稻穗總粒數變化趨勢與穗實粒數相同。

不同大寫字母表示同一年份不同處理之間的差異極顯著(P≤0.01)圖3 不同處理水稻產量相關性狀變化動態

2.3 不同改良模式對水稻產量的影響

2013—2016年，連續4 a測定不同處理的水稻產量，結果(表1)表明，2013—2016年不同改良模式水稻產量均極顯著高于CK，且不同改良模式之間的差異也均達到極顯著水平。隨著種植年限的增加，除2014年模式Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ，2015年模式Ⅲ和2016年模式Ⅱ、Ⅳ之外，各處理水稻產量均表現為逐年遞增的趨勢。其中，2013年CK的產量最低，僅為 34.0 kg/hm2；2014年改良模式Ⅲ的產量最高，為3 500.0 kg/hm2。對比各處理的產量增長情況，以CK和模式Ⅰ的產量增長最明顯，其中又以2015年增產幅度最高，CK的產量增幅為1 185.1%，模式Ⅰ的增幅為375.8%，表明種水稻本身就是一種鹽堿地改良利用的有效途徑[17-18]，可逐步提高水稻產量。分別比較每年不同處理的產量，除2014年表現為Ⅲ>Ⅵ>Ⅱ>Ⅰ>CK外，均表現為Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>CK，其中，2016年改良模式Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ產量分別較CK提高了411.7%、375.7%、206.1%、140.3%。總體來看，改良模式Ⅳ的改良效果最佳，其次為改良模式Ⅲ。

表1 2013—2016年不同處理水稻產量 kg/hm2

注：同列數據后不同大寫字母表示不同處理之間的差異極顯著(P≤0.01)。

2.4 土壤和稻田水EC、pH值與水稻產量及其相關性狀的相關性分析

對2014和2015年的水稻產量及其相關性狀與土壤、稻田水的EC、pH值進行相關性分析，結果(表2)表明，水稻產量與株高、穗長、單株分蘗數、單株籽粒質量、穗總粒數均呈顯著正相關，其中與穗總粒數相關系數最大，為0.946；單株籽粒質量與株高、穗長、單株分蘗數、單株有效穗數均呈極顯著正相關，與穗粒質量、穗實粒數、穗總粒數均呈顯著正相關，與土壤pH值呈極顯著負相關；穗粒質量與株高、穗長、千粒質量、穗實粒數、穗總粒數均呈極顯著正相關，與土壤EC、pH值分別呈顯著、極顯著負相關。土壤EC與千粒質量、穗實粒數分別呈極顯著、顯著負相關，與土壤pH值呈顯著正相關；土壤pH值與株高、穗長、穗實粒數、穗總粒數均呈極顯著負相關，與千粒質量、單株分蘗數、單株有效穗數均呈顯著負相關。

表2 土壤和稻田水EC、pH值與水稻產量及其相關性狀的相關系數

注：**表示相關性極顯著(P≤0.01)，*表示相關性顯著(P≤0.05)。PH：株高；SL：穗長；TGW：千粒質量；TN：單株分蘗數；SSW：穗粒質量；SPGW：單株籽粒質量；ESN：單株有效穗數；NEGPS：穗實粒數；NGPS：穗總粒數；RY：水稻產量；SEC：土壤EC；SpH：土壤pH值；WEC：稻田水EC；WpH：稻田水pH值。

2.5 不同改良模式的改良效果評價

2.5.1 主成分分析 由表3可知，CI1、CI2兩個主成分的特征值分別為11.371、1.246，均大于1，第1主成分貢獻率為81.225%，第2主成分貢獻率為8.898%，累積貢獻率為90.123%，可以代表上述14個性狀所攜帶的絕大部分信息。

表3 不同主成分的特征值及貢獻率

2.5.2 隸屬函數與綜合評價Q值 利用14個指標值分別計算隸屬函數值(表4)，利用隸屬函數值和不同指標在2個主成分中的權重計算綜合評價Q值(表5)，結果表明，以CI1的權重結合隸屬函數值計算出的綜合評價Q1值表現為Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>CK，以CI2的權重結合隸屬函數值計算出的綜合評價Q2值表現為Ⅳ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ>CK，分別利用各處理的Q1值和Q2值乘以相應主成分的貢獻率，再累加起來，獲得累計Q值，CK、模式Ⅰ—Ⅳ的累計Q值分別為0.006、0.506、0.508、0.781、0.825，由此得知，不同處理的改良效果表現為Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>CK。

表4 不同處理土壤和稻田水EC、pH值、水稻產量及其相關性狀的隸屬函數值

表5 不同處理的綜合評價Q值

3 結論與討論

3.1 不同改良模式對稻田土壤EC和pH值的影響

眾多研究表明，施用脫硫石膏可以大幅度降低鹽堿土壤的pH值[9,19]、全鹽含量和ESP[9,20]。肖國舉等[21]研究發現，施用28～31 t/hm2的脫硫石膏可以顯著降低稻田土壤的pH值、堿化度和總堿度，提高水稻的出苗率和產量；黃菊瑩等[11]研究發現，脫硫石膏和改良劑配合施用可以獲得比單施脫硫石膏更佳的改良效果，在降低土壤全鹽和堿化度的同時，進一步提高了水稻的存活率和產量；李宏廣等[22]研究發現，施用脫硫石膏和有機肥可有效改善堿化土壤的理化性質，土壤含鹽量總體下降，土壤pH值和堿化度都不同程度地降低。本研究發現，各改良模式下稻田土壤的EC值均極顯著低于CK，但各改良模式之間沒有極顯著差異，表明脫硫石膏在降低土壤EC值方面起到了最主要的作用，究其原因主要是脫硫石膏的主要成分為CaSO4·2H2O，施入土壤后，由于溶解的作用，產生的Ca2+與土壤膠體上的Na+發生了代換[13,20]，使得Na+從土壤膠體上脫落下來，可隨土壤中的可溶性鹽分被水淋洗掉，最終降低了土壤鹽分。

與黃菊瑩等[11]和李宏廣等[22]的研究結果相似，本研究中脫硫石膏配合施用改良劑和有機肥后，土壤pH值有了進一步的改善，連續2 a稻田土壤pH值均以改良模式Ⅲ和Ⅳ較低。在2014年的分蘗期、抽穗期，2015年的孕穗期，模式Ⅲ的土壤pH值均極顯著低于模式Ⅱ和Ⅰ；在2014年的成熟期、2015年的出苗期和孕穗期，模式Ⅳ的土壤pH值均極顯著低于模式Ⅱ和Ⅰ。表明除了脫硫石膏外，改良劑和有機肥的施入對降低土壤pH值起到了比較重要的作用，可能是由于酸性改良劑和有機肥在緩釋過程中對土壤中的堿性物質有一定的持續性中和作用。

3.2 不同改良模式對水稻產量及其相關性狀的影響

施用脫硫石膏可以有效提高鹽堿地水稻產量[5,11,21]。王靜等[5]研究發現，施用適量的脫硫石膏可以極顯著提高水稻產量，與不施脫硫石膏處理相比，顯著提高了水稻的結實率和千粒質量；肖國舉等[21]研究發現，施用適量的脫硫石膏(28～31 t/hm2)，可顯著提高水稻的出苗率、千粒質量、單株粒數和籽粒產量；黃菊瑩等[11]研究表明，脫硫石膏配合改良劑施用后，水稻成活率提高，達到90%以上，水稻產量極顯著高于單獨施用脫硫石膏的處理。本研究連續4 a對不同改良模式水稻產量進行測定，結果表明，脫硫石膏配合改良劑和有機肥施用的模式Ⅲ和在此基礎上再施用黃沙的模式Ⅳ，在各個年份水稻產量均極顯著高于僅施用脫硫石膏的模式Ⅰ和脫硫石膏與改良劑配合施用的模式Ⅱ，這與李宏廣等[22]的研究結果一致，表明有機肥的施用可進一步提高脫硫石膏和改良劑的改良效果，顯著提高水稻產量。

產量相關性狀是衡量水稻生產能力的重要指標，只有各性狀之間相互協調才能取得高產[23]。前人研究發現，脫硫石膏改良鹽堿土提高水稻產量的提高主要是通過提高千粒質量、結實率、單株籽粒質量和穗數等產量相關性狀實現的[5,21]。本研究通過水稻產量與單株籽粒質量、穗粒質量等產量相關性狀的相關性分析發現，水稻產量與株高、穗長、單株分蘗數、單株籽粒質量、穗總粒數均呈顯著正相關，表明改良鹽堿土水稻產量的提高主要是通過穗粒數和單株籽粒質量的提高實現的。

3.3 不同改良模式的改良效果綜合評價

在鹽堿土改良效果的評價中，多采用土壤理化性狀[21,24-25]、出苗率和存活率[11,21]、產量[5,21]等指標作為評價依據，然而鹽堿土對作物的影響是多方面的，僅用某些單項指標是無法全面評價改良技術優劣的。多元統計分析是綜合評價處理優劣的有效途徑，在最佳有機肥施用量[26]和土壤環境[27]的評價中發揮了重要作用。本研究對土壤、稻田水的EC、pH值和水稻產量及其相關性狀共14個指標進行主成分分析，獲得了2個主成分，結合隸屬函數與權重對4種改良模式進行了綜合評價，利用累計Q值篩選到了最優的改良模式Ⅳ，即脫硫石膏22.5 t/hm2+改良劑7.5 t/hm2+有機肥30.0 t/hm2+黃沙30.0 t/hm2，可用于寧夏回族自治區引黃灌區鹽堿土的改良和利用。