滴灌技术和综合改良措施促进了钙质土壤中土壤-作物系统的改进

《Agricultural Water Management》：Drip irrigation and integrated amendments drive soil–crop system improvements in calcareous soils

　　拉米·M·M·哈梅德 | 阿卜杜拉蒂夫·M·阿尔·赛义德 | 拉德瓦·巴克尔 | 哈立德·G·阿卜杜勒·阿齐姆 | 穆罕默德·M·埃尔-莫吉 | 埃曼·I·R·埃马拉德
沙特阿拉伯法伊萨尔国王大学农业与食品科学学院环境与农业自然资源系，邮政信箱420，阿尔-阿萨31982

**摘要**
土壤盐碱化对埃及等干旱和半干旱地区的可持续小麦生产构成了重大限制。本研究评估了在滴灌和沟灌系统下，使用石膏、硫磺和腐殖酸改良剂对小麦产量及土壤物理化学性质的影响，研究时间覆盖了两个冬季（2022-2023年和2023-2024年），地点位于南西奈的El Tor试验区。采用了条带分割小区设计，其中灌溉方式作为主区，七种改良剂组合及对照组作为子区。通过ANOVA、相关热图和主成分分析（PCA）对作物性状、水分消耗量、水分利用效率（WUE）以及三个土层（0-20、20-40、40-60厘米）的土壤性质进行了分析。结果发现，滴灌显著降低了水分消耗量并提高了水分利用效率。石膏、硫磺和腐殖酸的联合应用（G+S+H）始终能够带来最高的籽粒产量、穗长、秸秆生物量和千粒重量。相关性分析显示，产量组分与土壤结构性状之间存在强烈正相关，而容重则与孔隙度和有机质呈负相关。PCA结果进一步证实了这种组合处理在滴灌条件下能有效改善土壤结构、提高养分有效性并缓解盐碱化。此外，该组合将土壤pH值从8.55降至8.06，总溶解盐（TDS）降至5333毫克/升，表明土壤化学质量得到了显著改善。这些变化增强了养分溶解性并降低了离子毒性，从而提高了养分的吸收潜力。研究结果凸显了综合土壤-水管理策略相较于单一干预措施在改良盐碱化土壤方面的优越性。研究结果提供了切实可行的、可推广的解决方案，有效提升了土壤质量，表现为容重和pH值的显著降低，同时增加了孔隙度和有机质含量，从而提高了 Salt-affected 农业区域的作物产量、水分利用效率及气候适应性。

**1. 引言**
全球粮食安全日益受到人口快速增长、城市化和气候变化等多重因素的威胁。粮农组织预测，在资源受限的环境中（尤其是像埃及这样的干旱和半干旱地区），必须大幅增加粮食生产以满足需求，因为水资源短缺和盐碱化严重制约了小麦的生产力。最近的研究表明，通过结合使用纳米肥料和生物肥料并与滴灌及地面灌溉系统结合（如Mostafa等人，2024年在埃及西奈的研究），可以提升小麦产量。小麦作为保障粮食安全和农村生计的关键作物，特别容易受到土壤盐碱化的影响，而盐碱化仍是灌溉土地最普遍的非生物胁迫因素之一（Amer和Hashem，2023年）。这些情况迫切需要基于证据的土壤改良和肥力管理策略，这些策略既要具有农学效果，又要环保可持续。

埃及农业生态系统中常见的盐碱化土壤特征为电导率（EC）和钠吸附比（SAR）升高，这会损害土壤结构、养分有效性及微生物活性（Ali等人，2024年）。次生盐碱化由于灌溉质量差、排水不良及蒸发蒸腾作用加剧，导致小麦和水稻等作物的产量下降（Hemdan等人，2024年）。解决这些问题需要综合管理措施，以在盐碱和钙质土壤条件下改善土壤健康并维持作物产量。

使用石膏、硫磺和腐殖酸改良土壤已成为一种有前景的方法。石膏（CaSO?·2H?O）可提供可溶性钙，置换土壤中的钠离子，从而降低盐碱化程度，改善土壤结构、孔隙度和水分渗透性（Amer和Hashem，2023年）。硫磺在土壤微生物作用下氧化生成硫酸，降低pH值并通过溶解土壤中的碳酸钙增加钙的有效性（Ennab等人，2023年）。腐殖酸（HA）是一种具有高阳离子交换能力的有机化合物，能增强土壤团聚力、保水能力和微生物活性，同时提高植物抗逆性和养分吸收能力（Irin和Hasanuzzaman，2024年）。近期研究（2020-2025年）强调了这些改良剂联合应用时的协同效应，尤其是在滴灌系统中（Wang等人，2024年）。研究表明，石膏与有机物联合使用显著改善了盐碱化土壤的孔隙度和团聚体稳定性；Hemdan（2024年）和Rashmi（2022年）发现硫磺和腐殖酸通过降低pH值和增加有机碳减少了土壤压实和提高了养分溶解性；Ibrahim（2022年）发现腐殖酸和石膏联合使用提升了盐碱条件下西兰花的产量。此外，Ramadan（2024年）证实石膏和腐殖酸的组合提升了香菜的产量和油质；Abdul-Kadhim和Oleiwi（2025年）指出，滴灌条件下使用硫磺和腐殖酸比传统沟灌更有效地提高了养分有效性。这些协同作用与本研究结果一致，即石膏+硫磺+腐殖酸（G+S+H）联合应用显著改善了土壤容重、孔隙度、有机碳和pH值，最终提高了小麦籽粒产量、千粒重量和秸秆生物量。

尽管已有针对石膏、硫磺或腐殖酸的单项研究，但系统比较其在埃及农业生态条件下的综合效果的研究较少，尤其是在现代灌溉系统下的应用情况。本研究旨在评估G、S和HA单独及联合使用对盐碱化土壤物理化学性质的影响，并评估其对小麦产量的作用，为制定可推广的、可持续的土壤管理措施提供依据，以提高盐碱化环境的抗逆性和生产力。

**2. 材料与方法**
2.1. 实验地点与描述
实验在埃及南西奈省El Tor试验区进行（坐标：28°18′34″ N, 33°37′53.3″ E）（图1），时间覆盖2022-2023年和2023-2024年两个连续的冬季生长季。实验地点的土壤在0-60厘米深度范围内被归类为沙壤土，初始土壤物理化学性质见表1。种植前在0-20、20-40和40-60厘米深度采集了土壤样本以评估基线条件。

**2.2. 灌溉水**
灌溉水源来自地下90米深的井，其水力特性通过标准水文地质方法测定。井的日流量为50立方米，总溶解盐（TDS）约为820毫克/升，处于农业盐碱化管理的可接受范围内。

**2.3. 实验设计与处理**
实验采用分割小区设计，主区为灌溉方式，子区为土壤改良剂。试验了两种灌溉方式：沟灌和滴灌。共测试了七种改良剂处理：
- 石膏（G）；
- 硫磺（S）；
- 腐殖酸（H）；
- 石膏+硫磺（GS）；
- 石膏+腐殖酸（GH）；
- 硫磺+腐殖酸（SH）；
- 石膏+硫磺+腐殖酸（GSH）。
每种处理重复三次，共计42个小区（2种灌溉方式×8种改良剂×3次重复）。每个小区面积为100平方米。小区分配采用随机完全区组设计（RCBD），以考虑田间空间变异。在每个区内，通过随机数生成器随机分配改良剂处理，以避免分配偏差。实验布局还包括小区间的缓冲区，以减少边缘效应和交叉处理干扰。

**2.4. 施肥与改良剂**
所有小区均按照小麦推荐标准施用NPK复合肥：种植前施用300公斤/公顷过磷酸钙（15.5% P?O?），播种后一个月施用120公斤/公顷硝酸铵（33.5% N）和50公斤/公顷硫酸钾（48%）。播种前将堆肥（含机质24吨/公顷）混入表层20厘米土壤；同时施用1.44吨/公顷的硫磺，播种前30天施用19.2吨/公顷的石膏（CaSO?·2H?O），并进行两次淋溶灌溉。此外，还施用了含有70%有机质和47%腐殖酸的腐殖酸（pH 6.28），每次灌溉分别施用9.6吨/公顷。

**2.5. 土壤采样与分析**
收获时在0-20、20-40和40-60厘米深度采集土壤样本（包括扰动样本和未扰动样本）。扰动样本经空气干燥、筛分（2毫米）后进行化学性质分析；未扰动样本用于物理性质测定。
- **容重（Db, g/cm3）**：采用Vomocil方法测定（Vomocil, 1986）。
- **孔隙度和孔隙比（e）**：根据Db和颗粒密度计算。
- **土壤pH值和电导率（EC）**：分别在1:2.5的土壤-水悬浮液和饱和糊剂提取物中测定。
- **有机质**：根据Nelson和Sommers方法（Nelson and Sommers, 1996）测定。
- **水分消耗量（CU）**：采用Allen方法（Allen et al., 1998）计算。
- **作物管理**
2022年11月17日和2023年11月19日分别以190公斤/公顷的播种量播种小麦品种Giza 171，行距为4-5厘米、株距为20厘米。收获时间为2023年4月6日和2024年4月8日。遵循标准农业措施进行杂草和病虫害控制。

**2.7. 生长与产量测量**
成熟期测量了植物高度（cm）和穗长（cm）。收获时记录了每个小区的籽粒产量（吨/公顷）、秸秆产量（吨/公顷）和千粒重量（克）。

**2.7.1. 相关性分析**
计算了不同深度（0-20、20-40、40-60厘米）的土壤物理化学性质（容重、孔隙度、孔隙比、有机质和有机碳）与作物性状（籽粒产量、秸秆产量、穗长、植物高度和千粒重量）之间的线性关系（皮尔逊相关系数r）。分别对每个深度和季节进行相关性分析，以识别特定深度的性状关联。生成热图以可视化相关强度和方向。

**2.7.2. 主成分分析（PCA）**
进行主成分分析（PCA）以减少数据维度并探索土壤和作物性状之间的多变量关系。分别对每个深度（0-20、20-40、40-60厘米）的土壤性状及两个季节的作物性状进行PCA。采用Kaiser标准（特征值>1）和Scree图确定保留的主成分数量。PCA双边图展示了各性状对总分量的贡献，并基于灌溉方式和肥料组合区分处理效果。

**2.8. 统计分析**
实验数据采用条带分割小区设计进行分析，重复三次。灌溉方式（滴灌和沟灌）作为垂直条带，改良剂处理（对照组、G、S、H、G+S、G+H、S+H和S+H+G）作为水平条带。土壤深度（0-20、20-40、40-60厘米）作为物理化学测量的子区因素，作物性状在两个生长季进行分析。方差分析（ANOVA）根据条带分割小区模型进行，处理均值通过5%显著性水平的最小显著差异（LSD）检验进行分离。结果以均值±标准误差（SE）表示。显著性分组采用LSD字母标识，相同字母的处理表示无显著差异。所有统计分析（包括ANOVA、LSD、相关性和PCA）使用Python（v3.11）及statsmodels、scipy和scikit-learn库完成。图形输出（相关热图、Scree图和PCA双边图）使用matplotlib和seaborn生成。

**3. 结果与讨论**
方差分析（ANOVA）表明，灌溉方式和土壤改良剂处理对小麦性状（籽粒产量、秸秆产量、植物高度、穗长和千粒重量）均有显著影响（p < 0.05，表3）。肥料处理和灌溉系统对农艺性状的影响：植株高度、穗长、籽粒指数、秸秆产量和谷物产量，涵盖两个生长季节。

**肥料处理**

| 植株高度（厘米） ± 标准误差 | 穗长（厘米） ± 标准误差 | 子粒指数（克） ± 标准误差 | 秸秆产量（吨/公顷） ± 标准误差 | 谷物产量（吨/公顷） ± 标准误差 |
| -------------- | ------------------ | ---------------------- | ------------------------- | ------------------------ |
| 第一季节 | ---------------------- | ------------------------- | ------------------------- | ------------------------- |
| 第二季节 | ---------------------- | ------------------------- | ------------------------- | ------------------------- |

**滴灌系统**
| 对照 | 81.11 ± 8.06 | 83.46 ± 4.26 | 6.76 ± 1.09 | 7.45 ± 0.50 |
| G | 87.31 ± 12.98 | 91.18 ± 10.58 | 9.13 ± 0.98 | 62.73 ± 2.51 |
| S | 86.77 ± 6.02 | 90.12 ± 9.35 | 9.52 ± 0.92 | 60.93 ± 2.01 |

**沟灌系统**
| 对照 | 81.11 ± 8.06 | 83.46 ± 4.26 | 6.76 ± 1.09 | 7.45 ± 0.50 |
| G | 87.31 ± 12.98 | 91.18 ± 10.58 | 9.13 ± 0.98 | 62.73 ± 2.51 |
| S | 86.77 ± 6.02 | 90.12 ± 9.35 | 9.52 ± 0.92 | 60.93 ± 2.01 |
| H | 89.91 ± 6.91 | 82.82 ± 3.06 | 9.51 ± 0.18 | 55.19 ± 7.01 |
| G+S | 87.31 ± 12.98 | 91.18 ± 10.58 | 9.13 ± 0.98 | 62.73 ± 2.51 |
| S | 86.77 ± 6.02 | 90.12 ± 9.35 | 9.52 ± 0.92 | 60.93 ± 2.01 |
| H | 89.91 ± 6.91 | 82.82 ± 3.06 | 9.51 ± 0.18 | 55.19 ± 7.01 |
| G+S | 87.31 ± 12.98 | 91.18 ± 10.58 | 9.13 ± 0.98 | 62.73 ± 2.51 |
| S | 86.77 ± 6.02 | 90.12 ± 9.35 | 9.52 ± 0.92 | 60.93 ± 2.01 |
| H | 89.91 ± 6.91 | 82.82 ± 3.06 | 9.51 ± 0.18 | 55.19 ± 7.01 |
| G+S | 87.31 ± 12.98 | 91.18 ± 10.58 | 9.13 ± 0.98 | 62.73 ± 2.51 |
| S | 86.77 ± 6.02 | 90.12 ± 9.35 | 9.52 ± 0.92 | 60.93 ± 2.01 |
| H | 89.91 ± 6.91 | 82.82 ± 3.06 | 9.51 ± 0.18 | 55.19 ± 7.01 |

**结论**
滴灌系统在大多数农艺性状上均表现出更高的值，尤其是第一和第二季节。G+S组合处理在植株高度、穗长、籽粒指数和谷物产量方面具有显著优势。此外，滴灌系统相比沟灌系统在水分利用效率（WUE）上也更优，这可能归因于其能更好地控制水分流失和减少盐分积累。

**备注**
- 数据中使用了LSD（最低显著差异）来表示统计显著性。
- 图2显示了谷物产量与穗长和千粒重之间的强正相关性，反映了综合土壤肥力管理对植物生长和繁殖的积极影响。
- 不同处理组合在不同深度下的效果有显著差异，表明土壤结构和肥力改进对农艺性状有重要影响。PC1主要关注谷物产量、1000粒重和穗长，而PC2则受到植株高度的影响。PCA双图（图9、图10）清晰地将综合性处理（G+S+H，G+H）与对照组及单一投入区分开来，这表明其具有更優异的多元表现，高表现的处理组在有机质（OM）、有机碳（OC）和孔隙度方面表现突出，同时总溶解固体（TDS）和pH值较低。下载：下载高分辨率图像（79KB）下载：下载全尺寸图像

图8. 小麦农艺性状的主成分分析（PCA）散点图，显示了每个主成分解释的方差。下载：下载高分辨率图像（81KB）下载：下载全尺寸图像

图9. 不同灌溉系统下小麦农艺性状的PCA双图，显示了处理组的聚类及其性状的关联。下载：下载高分辨率图像（75KB）下载：下载全尺寸图像

图10. 不同土壤改良处理下小麦农艺性状的PCA双图，突出了分组模式和性状载荷。

3.4.2. 土壤特性

跨不同土层深度的PCA分析（图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19）显示，综合性改良措施与孔隙度的提高、有机质的增加以及总溶解固体（TDS）和容重的降低相吻合，尤其是在表层。这些聚类模式可以由关键土壤质量指标在第一个主成分（PC1）上的强载荷来解释。含有G+S+H的处理组始终与这些性状保持一致，表明综合性改良措施能驱动多方面的改善。下载：下载高分辨率图像（62KB）下载：下载全尺寸图像

图11. 0-20厘米深度土壤物理化学性质的PCA散点图，显示了主成分解释的方差。下载：下载高分辨率图像（68KB）下载：下载全尺寸图像

图12. 不同灌溉系统下0-20厘米深度土壤物理化学性质的PCA双图，显示了处理组的聚类及其性状关系。下载：下载高分辨率图像（72KB）下载：下载全尺寸图像

图13. 不同土壤改良处理下0-20厘米深度土壤物理化学性质的PCA双图，突出了处理效果和性状相互作用。下载：下载高分辨率图像（67KB）下载：下载全尺寸图像

图14. 20-40厘米深度土壤物理化学性质的PCA散点图，显示了主成分解释的方差。下载：下载高分辨率图像（61KB）下载：下载全尺寸图像

图15. 不同灌溉系统下20-40厘米深度土壤物理化学性质的PCA双图，说明了性状关联和处理组聚类。下载：下载高分辨率图像（64KB）下载：下载全尺寸图像

图16. 不同土壤改良处理下20-40厘米深度土壤物理化学性质的PCA双图，突出了处理组和性状之间的分离。下载：下载高分辨率图像（63KB）下载：下载全尺寸图像

图17. 40-60厘米深度土壤物理化学性质的PCA散点图，显示了主成分解释的方差。下载：下载高分辨率图像（65KB）下载：下载全尺寸图像

图18. 不同灌溉系统下40-60厘米深度土壤物理化学性质的PCA双图，显示了处理组的聚类及其性状关系。下载：下载高分辨率图像（70KB）下载：下载全尺寸图像

图19. 不同土壤改良处理下40-60厘米深度土壤物理化学性质的PCA双图，突出了性状关联和处理组的分离。下载：下载高分辨率图像

从土壤管理的角度来看，像对照组或单一改良措施的处理组则聚集在较高的pH值和TDS附近，表明条件较为不利。基于硫的处理措施与pH值的降低相吻合，凸显了它们在管理和缓解物理及化学限制方面的互补作用。这与Tian等人（2024年）和El-Ramady等人（2022年）的研究结果一致，他们观察到使用石膏和有机改良相结合可以改善土壤功能。

3.4.3. 机制洞察

观察到的产量提高得益于各种改良措施的互补机制：

- 石膏提供了Ca2?，将Na?从交换位点置换出去，从而改善了土壤团聚、渗透性和碱化程度（Amer和Hashem，2023年）；
- 硫被微生物氧化成硫酸，溶解了原有的碳酸钙，释放出Ca2?并降低土壤pH值，提高了养分溶解度（Ennab等人，2023年）；
- 腐殖酸提高了有机质含量、阳离子交换容量（CEC）、根系增殖和光合作用活性（Irin和Hasanuzzaman，2024年）。

这些投入共同作用，提升了植物的生理功能和土壤健康。

3.4.4. 实际意义和可持续性

在滴灌条件下结合使用石膏、硫和腐殖酸为干旱地区管理盐碱胁迫提供了一种气候智能型解决方案。这种方法同时提高了作物产量、水资源利用效率和质量，满足了多个可持续性目标。

G+S+H处理组下的pH值（从8.55降至8.06）和总溶解固体（TDS）的降低，证明了在改良盐渍土壤方面取得了实质性进展。这些结果与Shaaban等人（2022年）、Farooqi等人（2023年）、Hartina等人（2025年）和Xiao等人（2025年）的研究结果一致，他们强调了通过综合投入实现土壤修复和碳封存的双重效益。

最近关于沙漠环境（如Ouargla地区）中的太阳能驱动海水淡化系统的研究，提供了关于低成本工程干预如何在极端气候条件下提高水资源生产力的实际见解（Shbailat和Bouadila，2025年）。尽管该研究主要关注蒸馏过程，但其对模块化改进的强调，包括热泵集成、蒸发器优化和玻璃层设计，与我们当前研究的整体技术方向相符。这些创新强调了在干旱和盐碱地区将太阳能水处理与滴灌系统相结合的可行性，尤其是在水质和能源受限的情况下。这种协同作用为封闭式、离网的农业解决方案提供了可能，支持了环境可持续性和农业集约化。

在埃及国家农业战略的背景下，这些发现为可持续集约化提供了可行的路径。它们提供了可扩展的、基于证据的解决方案，以支持盐碱和石灰质地区的粮食安全、气候变化适应和资源高效农业。

与以往仅使用单一改良措施（如石膏（Amer和Hashem，2023年）或在盐碱灌溉条件下使用腐殖酸（Ibrahim等人，2022年）的研究相比，本研究中石膏、硫和腐殖酸（G+S+H）的综合应用在多个土壤和作物参数上取得了显著更好的改善。虽然单独使用石膏仅使容重有所降低，但G+S+H处理组实现了更显著的下降（至1.43 Mg·m?3），同时孔隙度显著增加（46.79%），总溶解固体（TDS）大幅下降至约5333 mg·L?1。这些结果强调了在滴灌条件下结合化学和有机改良措施的协同效益。

4. 结论

本研究提供了有力证据，表明将滴灌与石膏、硫和腐殖酸的联合应用是提高干旱环境中小麦产量和修复盐碱土壤的有效策略。滴灌显著提高了水资源利用效率（WUE）并减少了用水量，证实了其作为气候适应性灌溉技术的作用，尤其是在盐胁迫条件下。

综合性土壤改良措施显著改善了土壤的物理和化学性质：容重降至1.43 Mg·m?3，孔隙度增加到46.79%，pH值降至8.06，TDS降至约5333 mg·L?1，有机质含量上升至1.39%， ??有助于提高养分的有效性。这些改进直接转化为更高的谷物产量、秸秆生物量以及更好的繁殖性状，如穗长和1000粒重。多元分析，包括PCA，进一步证实了（G+S+H）处理的优越性能，该处理组与土壤健康指标（如孔隙度、有机质以及降低的TDS和容重）紧密相关。

在滴灌条件下综合应用石膏、硫和腐殖酸代表了一种实用且环境可持续的策略，适用于埃及和其他半干旱地区的盐渍土壤修复和管理。这种协同改良方法不仅改善了土壤的物理化学性质和作物生产力，还增强了土壤有机碳的封存，从而有助于缓解气候变化和适应措施。当与精准灌溉系统结合，并配备土壤湿度传感器和遥感平台等数字监测工具时，该方法演变成了一种数据驱动、资源高效的框架，能够支持实时决策。通过优化水资源利用和改善土壤健康，该方法符合更广泛的可持续性目标，包括粮食安全、气候适应性和脆弱农业生态系统的长期环境管理。

**作者贡献声明**

Eman I.R. EMARA：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、方法论、研究、正式分析、数据整理、概念化。

Mohamed M. El-Mogy：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、资源管理、方法论、研究、概念化。

Radwa Bakr：撰写 – 初始草案、验证、项目管理、方法论、研究、正式分析、数据整理、概念化。

Khaled G. Abdel Azim：撰写 – 初始草案、验证、方法论、研究、正式分析、数据整理、概念化。

Lamy M.M. HAMED：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、研究、资金获取、概念化。

Abdullateef M. Al Saeed：撰写 – 初始草案、验证、项目管理、方法论、研究、概念化。

**资金支持**

本研究得到了沙特阿拉伯国王法伊萨尔大学研究生院和科学研究部的支持（KFU260320）。