宁夏引黄灌区是中国特大型灌区之一，也是重要的粮食种植基地之一[1]。该地区年蒸发量大于降水量，常利用黄河水灌溉，导致部分土壤出现盐渍化[2]；同时随着化肥投入量的增加，土壤盐渍化程度进一步加重[3]，在一定程度上影响了当地农业生产。因此，改造和治理盐渍化是实现该地区农业可持续发展的一个重要途径。
近年来，针对宁夏引黄灌区盐碱地改良的研究涵盖水、农、林、科技等多个方面的综合治理措施[4]。赵彬玥等[5]研究发现，设置9 m间距的暗沟对宁夏引黄灌区盐碱地土壤的改良效果较明显；田娜[6]通过筛选适宜研究区种植的耐盐碱玉米品种，进一步加大了对盐碱地的开发利用和产能提升；王建鹏[7]对玉米抑盐增产耕作和节水灌溉技术进行研究，发现设置灌水定额3 600 m3/hm2可在不影响产量的前提下节约20%的用水量。土壤修复剂富含有机质、有效硅、有效钙及稀土元素，能够吸附重金属、改善土壤团粒结构，具有调节土壤pH、降低土壤盐分指数、提高土壤阳离子交换量等功能，被广泛运用于盐碱地土壤改良。窦炳琰等[8]研究发现，施用糠醛渣+脱硫石膏复合改良剂（施用量17 960 kg/hm2）可有效降低土壤全盐量、钠吸附比和提高作物产量；梅国红等[9]研究发现，在盐碱地上连续3年应用土壤修复剂，能有效降低土壤pH、电导率及全盐含量，同时能明显提高作物品质和产量。
现阶段，在盐碱地玉米种植中应用土壤修复剂改良土壤的相关研究较少，为进一步探索适合宁夏引黄灌区盐碱地土壤改良的技术措施，本研究以‘西蒙XM1618’玉米品种为试验材料，在统一基施化肥的基础上设置不同施用量梯度的土壤修复剂，对玉米生长发育情况及土壤理化性质等进行综合评估，筛选最优的土壤改良剂施用量，为相关地区盐碱地土壤改良、修复提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验地基本情况
本试验于2023年5—11月在宁夏银川西夏区贺兰山街道办芦花村开展，该地属中温带大陆性气候，年平均气温8.5 ℃，年平均降水量203 mm，年平均蒸发量1 595.6 mm，年平均日照时数3 000 h。土壤为砂砾土，肥力中等，试验地前茬作物为黑麦‘冬牧70’。前茬作物收获后，测定土壤养分特性：pH 8.29、有机质11.4 g/kg、全盐1.8 g/kg、全氮77 g/kg、速效氮67 mg/kg、有效磷44 mg/kg、速效钾111 mg/kg。
1.2 供试材料
1.2.1 供试品种
种植的玉米品种为‘西蒙XM1618’。
1.2.2 供试肥料
所用土壤修复剂为‘王土’牌土壤修复剂（I型），采购自河南东大科技股份有限公司，主要成分包括有机质（≥25%）、有效硅（≥16%）、有效钙（≥2%）、稀土元素[镧（La）+铈（Ce）≥100 mg/L]；所用化肥包括配方肥（其中N∶P∶K为24∶10∶6）、磷酸二铵（N+P2O5≥64%）、硫酸钾（K2O≥24%）。
1.3 试验设计
采用大区对比，不设重复，随机区组排列。共设置5个处理，以不施用土壤修复剂为对照，其他4个处理施用不同梯度的土壤修复剂，具体如表1所示。各处理面积1 500 m2，大区间距0.5 m，栽培株距20 cm，行距30 cm。大区间设置单独的灌排水隔离渠，所有处理统一施用基肥（配方肥330 kg/hm2、磷酸二铵300 kg/hm2、硫酸钾20.4 kg/hm2），田间栽培管理措施保持一致。
表1 不同施用量土壤修复剂试验设计 |
| 处理 | 试验设计 |
|---|---|
| CK | 化肥 |
| T1 | 化肥+150 kg/hm2土壤修复剂 |
| T2 | 化肥+300 kg/hm2土壤修复剂 |
| T3 | 化肥+450 kg/hm2土壤修复剂 |
| T4 | 化肥+600 kg/hm2土壤修复剂 |
1.4 测定指标与方法
1.4.1 生长指标
每处理标记30株长势均匀的植株，定植缓苗后分别在出苗期（6月15日）、抽雄期（7月14日）、吐丝期（8月10日）、乳熟期（9月1日）、成熟期（10月10日）测量株高、茎粗、叶片叶绿素含量。株高测量玉米植株茎基部到生长点最高点的高度；茎粗测量茎基部往上1 cm处的茎秆直径；叶绿素含量（SPAD值）采用叶绿素仪（SPAD-502）测定最新完全展开叶的SPAD值。株高、茎粗测量完成后分别计算玉米整个生育期株高相对生长率（RGH1）和茎粗相对生长率（RGH2）[10]，如式（1 ）~（2 ）。
式中，RGH1表示株高相对生长率[cm/（cm·d）]；h1、h2表示所测株高（cm）；RGH2表示茎粗相对生长率[cm/（cm·d）]；d1、d2表示所测茎粗（cm），t1、t2表示两次生长指标测定的时间。
1.4.2 土壤pH及土壤养分含量
分别在播种前和收获后采用五点取样法采集各处理0～10 cm土层土样，混合均匀后测定土壤pH以及有机质、全盐、全氮、速效氮、有效磷和速效钾含量。其中pH采用1︰5（m∶v）土壤悬液电位计法测定；有机质含量采用重铬酸钾—硫酸氧化法测定；全盐含量采用质量法测定；全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定；速效氮含量采用流动分析仪测定；有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用1 mol/L NH4AC浸提—火焰光度法测定[11]。
1.4.3 产量及经济效益
采用“全收+测产”的收获计产方法，收获前先裁去受边际影响的边行及两端各60 cm宽的玉米，全部收获玉米果穗（不带苞叶），随后晾晒、脱粒、称重、测水分，折算标准水分产量，再折算为单位面积产量。按照玉米售价1.3元/kg，土壤修复剂成本5.2元/kg，配方肥成本3.85元/kg，复合肥成本2.5元/kg计算经济效益。
1.5 数据处理
采用Excel 2010软件进行数据整理及初步分析，用SPSS 23.0软件进行皮尔逊相关性分析、主成分隶属函数分析和差异显著性分析（LSD法，P<0.05），用Origin 2021软件进行数据绘图。将各项指标标准化之后分别与第一主成分和第二主成分相乘，得到综合指标值（F1、F2），再利用隶属函数公式得出综合指标的隶属函数值（U1、U2），再结合综合指标权重算出综合评价值D，所用隶属函数公式如式（3） 。
式中U（Xi ）为第i项指标的隶属函数值，取值范围[0，1]；X i表示第i项指标测定值；X max、X min为所有处理中第i项指标的最大值和最小值（i=1，2，3，…，n）。
2 结果与分析
2.1 对玉米株高、茎粗相对生长率的影响
由图1可知，各处理的株高、茎粗相对生长率均高于对照（CK），随着土壤修复剂添加量不断增大，玉米株高、茎粗相对生长率呈先上升后下降再上升的趋势，以T4处理的株高、茎粗相对生长速率最高，分别为0.028和0.018 cm/（cm·d），较CK分别高25.47%、51.43%，较T3处理分别高9.73%、12.77%，差异具有统计学意义（P<0.05）。表明添加600 kg/hm2土壤修复剂（T4）处理能够有效促进玉米植株生长。
2.2 对不同时期玉米叶片叶绿素含量的影响
随着玉米生长，其叶片的叶绿素含量呈先上升后下降的趋势，添加土壤修复剂可提高叶片叶绿素含量，且整体随着施入量的不断增多，其叶绿素含量逐渐提高。T3、T4处理的叶绿素含量在整个生育期均明显高于CK（P<0.05），T4处理在吐丝期的叶绿素含量较CK高49.88%（P<0.05）。各处理叶绿素含量在乳熟期达到最大值，其中T4处理的叶绿素含量最高，SPAD值为63.8（表2）。说明添加土壤修复剂在整个玉米生育期均能有效提高叶片叶绿素含量。
表 2 不同处理对不同时期玉米叶片叶绿素含量（SPAD值）的影响 |
| 处理 | 出苗期 | 抽雄期 | 吐丝期 | 乳熟期 | 成熟期 |
|---|---|---|---|---|---|
| CK | 36.5±0.51 c | 39.2±2.31 c | 42.3±0.38 d | 45.0±0.69 d | 42.3±0.38 c |
| T1 | 37.3±0.61 c | 42.4±1.60 bc | 52.6±0.45 c | 56.6±0.31 c | 54.5±0.76 b |
| T2 | 38.4±0.26 bc | 46.4±0.30 ab | 54.3±0.92 bc | 59.7±0.32 b | 56.7±0.42 b |
| T3 | 40.6±0.74 ab | 48.2±0.33 a | 55.6±0.09 b | 61.8±0.84 ab | 55.6±0.09 ab |
| T4 | 41.5±1.19 a | 49.6±0.78 a | 63.4±0.78 a | 63.8±0.99 a | 58.9±1.61 a |
|
2.3 对土壤pH及养分含量的影响
由图2~3可知，施入化肥后土壤全盐含量明显提高，随着土壤修复剂施入量的增加，土壤pH呈现下降趋势，土壤有机质、全氮、速效氮、有效磷及速效钾含量均呈现上升趋势。T2、T3、T4处理的pH和全盐含量明显低于CK（P<0.05）；T4处理的有机质、全氮含量分别为14.3 g/kg、92 g/kg，较CK高17.21%、16.46%（P<0.05）；T3、T4处理的土壤速效氮含量明显高于CK（P<0.05），以T4含量最高，为197 mg/kg，较CK高149.37%；T2、T3、T4处理的有效磷含量明显高于CK（P<0.05），以T4含量最高，为71 mg/kg，较CK高36.54%；T3、T4处理的速效钾含量明显高于CK（P<0.05），其中T4处理的含量为222 mg/kg，较CK高96.46%。结果表明，施入土壤修复剂可有效降低土壤pH，降低土壤含盐量，拮抗因施用化肥造成的土壤盐分累积；同时提升土壤有机质含量，提高土壤氮、磷、钾元素供应能力，有效提高土壤养分。
2.4 对玉米产量及经济效益的影响
玉米产量随着土壤修复剂施入量增加而逐渐提高。各处理的单穗粒数和百粒重间差异无统计学意义（P>0.05）；T2处理的单穗重为256 g，明显高于除T1外的其他处理（P<0.05），较CK高38.37%；T4处理的单位面积产量最高，为11 400 kg/hm2，明显高于除T3外的其他处理（P<0.05），较CK高28.60%；随着土壤修复剂施用量的加大，玉米产值及肥料成本随之提高，通过去除肥料成本计算种植收益，各处理收益由高到低依次为T3>T4>CK>T2>T1（表3）。
表3 不同处理对玉米产量及经济效益的影响 |
| 处理 | 单穗粒数/粒 | 单穗重/g | 百粒重/g | 小区产量/ （kg/1 500 m2） | 单位面积产量/ （kg/hm2） | 产值/ （元/hm2） | 肥料成本/ （元/hm2） | 收益/ （元/hm2） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CK | 487±10 a | 185±11 b | 27±2 a | 1 476±27 c | 8 865±165 c | 11 525 | 2 370 | 9 155 |
| T1 | 483±9 a | 235±12 a | 28±1 a | 1 551±26 c | 9 300±150 c | 12 090 | 3 150 | 8 940 |
| T2 | 480±6 a | 256±4 a | 30±2 a | 1 652±22 b | 9 915±135 b | 12 890 | 3 930 | 8 960 |
| T3 | 477±10 a | 203±3 b | 29±1 a | 1 827±33 a | 10 965±195 a | 14 255 | 4 710 | 9 545 |
| T4 | 482±2 a | 199±10 b | 26±2 a | 1 901±14 a | 11 400±190 a | 14 820 | 5 490 | 9 330 |
2.5 玉米生长指标与土壤养分特性的相关性分析
玉米生长及产量与土壤养分特性之间的相关性如图4所示。叶绿素含量与土壤全氮、速效氮含量呈正相关（P<0.05），与土壤有机质含量呈正相关（P<0.01），与土壤pH、全盐含量呈负相关（P<0.05）；产量与土壤有机质含量呈正相关（P<0.05），与土壤全氮、速效氮、速效磷含量呈正相关（P<0.01），与土壤pH、全盐含量呈负相关（P<0.05）。说明提高土壤有机质、全氮及速效氮含量，降低土壤pH及全盐含量可有效促进玉米生长，施入土壤修复剂可通过降低土壤pH及含盐量，提升有机质含量及氮、磷、钾元素的供应能力，进而促进玉米生长发育及产量增加。
2.6 不同处理主成分隶属函数分析
表4 主成分的特征值与方差贡献率 |
| 成分 | 初始特征值 | 提取载荷平方和 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 总计 | 方差百分比/% | 累积/% | 总计 | 方差百分比/% | 累积/% | |
| 1 | 10.11 | 84.25 | 84.25 | 10.11 | 84.25 | 84.25 |
| 2 | 1.29 | 10.76 | 95.01 | 1.29 | 10.76 | 95.01 |
| 3 | 0.44 | 3.65 | 98.66 | |||
| 4 | 0.16 | 1.34 | 100 | |||
表5 各指标成分矩阵 |
| 指标 | 成分1 | 成分2 |
|---|---|---|
| 株高相对生长率 | 0.85 | -0.52 |
| 茎粗相对生长率 | 0.92 | -0.35 |
| 叶绿素含量 | 0.96 | -0.24 |
| pH | -0.97 | -0.07 |
| 有机质 | 0.99 | -0.08 |
| 全盐 | -0.94 | 0.08 |
| 全氮 | 0.99 | 0.04 |
| 速效氮 | 0.96 | 0.22 |
| 有效磷 | 0.95 | 0.24 |
| 速效钾 | 0.85 | -0.05 |
| 产量 | 0.98 | 0.20 |
| 收益 | 0.56 | 0.82 |
综合评价值排序如表6所示，结合植株长势、土壤养分特性、单位面积产量及收益等，最终综合排名较优的是T4处理。综合考虑对土壤理化环境的影响，建议研究区盐碱地种植玉米时施入土壤修复剂600 kg/hm2，可有效改良盐碱地土壤环境，提高玉米产量和收益。
表6 不同处理的综合指标、隶属函数、综合评价值及综合排名 |
| 处理 | F1 | F2 | U1 | U2 | D | 排名 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CK | -4.26 | 0.88 | 0.00 | 0.77 | 0.08 | 5 |
| T1 | -1.78 | -1.06 | 0.30 | 0.00 | 0.27 | 4 |
| T2 | 0.21 | -1.07 | 0.54 | 0.00 | 0.48 | 3 |
| T3 | 1.89 | 1.44 | 0.75 | 1.00 | 0.78 | 2 |
| T4 | 3.94 | -0.18 | 1.00 | 0.35 | 0.93 | 1 |
3 结论与讨论
玉米植株长势和叶绿素含量是反映土壤环境质量和肥料利用效果的直接指标[12]。本研究结果表明，随着土壤修复剂添加量不断增大，玉米株高相对生长率、茎粗相对生长率呈先上升再下降后上升的趋势，当土壤修复剂的施入量达600 kg/hm2时长势最优。可能机制为肥料中的硅、钙元素被作物吸收后累积于细胞外壁，增强了植株的韧性，促进作物生根[13]。此外，土壤修复剂中富含有机质，为植株生长提供了良好的土壤环境，进而促进了植株生长。施入土壤修复剂使玉米吐丝期、乳熟期和成熟期的叶绿素含量提高，这与土壤修复剂中所含Ce、La等元素相关，其中Ce3+可能会进入玉米叶片叶绿体与叶绿素结合，取代镁（Mg）形成Ce-叶绿素，从而提高叶片叶绿素含量[14]。
本研究结果表明，施入土壤修复剂可以有效降低土壤酸碱度和含盐量，拮抗因施用化肥造成的土壤盐分累积，这主要是因为土壤修复剂偏酸性，在一定程度上调节了土壤pH，同时有效钙分解出的钙离子提高了土壤阳离子交换量，进而降低了土壤盐分含量。土壤速效磷、速效钾、速效氮是供植物吸收利用的速效养分，本研究结果发现，施用土壤修复剂可以提高土壤速效磷、速效钾、速效氮含量，这与王梓[15]的研究结果一致。
土壤生产力可以用来评价土壤肥力[16]，同时能体现土壤改良剂对盐碱地的改良效果，最终体现是作物产量。本研究中，随着土壤修复剂施入量的不断增大，玉米产量随之增加，通过玉米生长及产量与土壤养分特性的相关性分析表明，提高土壤有机质、全氮及速效氮含量，降低土壤pH及全盐含量，可以有效促进玉米生长及产量增加。
综上，随着土壤修复剂添加量不断增大，玉米植株的产量及土壤环境质量随之提升，结合玉米植株长势、土壤养分特性、产量及收益等指标，采用主成分隶属函数综合评估，最终综合排名较优的是T4处理，建议在宁夏引黄灌区盐碱地种植玉米时施入600 kg/hm2的土壤修复剂，可以有效改良盐碱地土壤环境、提高产量，促进农业可持续发展。