超吸水碳基材料与烟气脱硫石膏协同改良盐渍土：提升土壤健康、作物产量及其驱动机制

《Industrial Crops and Products》：Synergistic amelioration of saline soils by a superabsorbent carbon-based material and flue gas desulfurization gypsum: Enhanced soil health, crop yield, and underlying drivers

　　

CB+FGD改善了土壤团聚体稳定性，增强了水分保持、盐分抑制和养分富集。CB+FGD在提升土壤健康和籽棉产量方面表现出双重效益和协同效应。土壤团聚体和盐分是盐渍土土壤健康的核心驱动因素。CB+FGD通过团聚体结构改变了土壤水盐状况和养分状况，从而促进棉花生长和产量形成。

盐渍化是干旱区农业可持续发展的主要限制因素。全球盐渍土面积达13.8亿公顷，其中超过三分之二集中在干旱半干旱区。新疆是我国盐碱地面积最大的省份，占全国36.8%，其中80%以上为次生盐渍化土壤，严重制约棉花生产。生物炭（biochar, BC）因其多孔结构和阳离子交换能力被广泛用于盐碱土改良，但其吸水能力有限，且在化学置换交换性钠离子方面效果不足。超吸水碳基材料（superabsorbent carbon-based material, CB）通过接枝聚合将生物炭与亲水性聚合物网络结合，具备高吸水性和保水性，但单独使用仍无法有效提供钙离子。烟气脱硫石膏（flue gas desulfurization gypsum, FGD）富含硫酸钙，可提供Ca²⁺置换交换性Na⁺。基于两者功能互补性，研究人员假设CB与FGD联合施用具有协同增效作用。为此，在新疆阿拉尔市典型盐渍化棉田开展了为期两年的田间试验（2022–2023年），设置对照（CK）、单施BC、单施CB、单施FGD、BC+FGD和CB+FGD共6个处理，施用量均为14 t ha^-1。该研究发表于《Industrial Crops and Products》。

主要技术方法：采用湿筛法测定土壤团聚体组成与稳定性；利用土壤温湿度传感器监测水分；电导率仪测定电导率（EC）和总可溶性盐（TSS）；化学分析法测定总氮（TN）、总磷（TP）、速效钾（AK）和土壤有机质（SOM）；通过Cornell土壤健康评估框架（CSHA）结合主成分分析（PCA）计算土壤健康评分（SHS）；利用随机森林模型和偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）解析驱动因子与作用路径；采用熵权TOPSIS法综合评价最优处理。

研究结果：
- 超吸水碳基材料的表面性质：扫描电镜（SEM）显示CB表面粗糙皱褶，含氧量和含氢量较BC分别增加33.9%和2.4%，傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实CB富含羟基、羧基和酰胺基等亲水基团，为其吸水保水和吸附离子提供结构基础。
- 土壤团聚体分布与稳定性：与CK相比，CB和CB+FGD显著降低<0.106 mm微团聚体比例，增加>0.25 mm大团聚体比例，并提高平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和>0.25 mm水稳定性团聚体（WSA>0.25）。在0–20 cm土层，CB处理对团聚体稳定性的提升最大；在20–30 cm土层，CB+FGD效果最优，其MWD、GMD和WSA>0.25较CK分别提高175.00%、57.75%和176.58%，同时分形维数（D）和土壤可蚀性因子（K）显著降低，表明抗侵蚀能力增强。
- 土壤水盐状况：关键生育期（7–9月）内，CB和CB+FGD的平均土壤含水量分别较CK提高39.7%和32.4%，而BC和FGD单施无显著效果。在0–30 cm剖面，CB+FGD处理的总可溶性盐（TSS）、Na⁺浓度和电导率（EC）降幅最大，0–20 cm土层分别较CK降低21.37%、38.63%和64.19%；20–30 cm土层盐分高于表层，说明盐分向下淋洗，根区脱盐效果明显。
- 土壤养分状况：碳基材料处理总体上提高表层TN，其中CB+FGD和BC+FGD较CK分别增加11.88%和13.22%；在20–30 cm土层，仅CB处理显著提高TN（较CK增加27.79%）。TP方面，CB和CB+FGD在两个土层均显著高于CK，增幅为9.86%–22.94%。AK方面，CB和CB+FGD在0–20 cm土层较CK提高16.87%和10.84%，而FGD、BC和BC+FGD则显著降低。SOM方面，所有碳基材料处理均显著提升，其中BC+FGD在0–20 cm土层增幅最大（21.22%），CB在20–30 cm土层增幅最大（38.93%）。
- 土壤健康评估：基于19项土壤指标的CSHA-PCA分析显示，PC1和PC2累计解释77.0%的方差，处理排序为CB+FGD≈CB>BC+FGD≈BC>FGD>CK。CB+FGD的土壤健康评分（SHS）最高（60.50），较CK提高67.31%，表明联合施用对土壤健康改善最显著。Cohen's d分析进一步验证CB+FGD在保水、抑盐、改土和增肥方面具有综合优势。
- 棉花生长与籽棉产量：生育期内，CB+FGD处理的株高（PLH）、茎粗（STD）和叶面积（LA）在8月2日较CK分别高42.07%、29.14%和34.11%。吐絮期CB+FGD处理上述指标均最高。根系形态方面，CB+FGD的根长（RL）、根表面积（RSA）、根体积（RV）和根直径（RD）较CK分别提高84.97%、121.80%、284.86%和108.21%。籽棉产量（SCY）方面，所有改良处理均显著增产，其中CB+FGD产量最高（6125.7 kg ha^-1），较CK提高41.90%，且显著高于单施处理。
- 机制解析：Pearson相关和Mantel检验显示，团聚体稳定性指标（如1–2 mm WSA、MWD、GMD）与SHS和SCY极显著正相关，而TSS、EC和<0.106 mm微团聚体与二者极显著负相关。随机森林模型揭示，预测SCY的前五位因子为TN、PLH、1–2 mm WSA、STD和TSS；预测SHS的前四位因子均为团聚体相关指标（GMD、WSA>0.25、WSA<0.106、D）及TSS。PLS-SEM表明，CB和CB+FGD通过直接改善土壤团聚体结构和含水量，间接降低盐分、提高养分有效性，进而提升SHS；棉花生长是产量的直接决定因素（路径系数0.96），土壤因子通过调控生长间接影响产量。团聚体结构对土壤健康的直接效应占总效应的66%，是核心驱动因素。
- 综合评价：熵权TOPSIS分析中，土壤团聚体模块贡献率最高（51.8%），处理排序为CB+FGD（0.69）>CB（0.49）>FGD（0.39）>BC+FGD（0.37）>BC（0.31）>CK（0.12），进一步确认CB+FGD为最优改良策略。

讨论部分指出，CB通过亲水基团和吸水膨胀形成的凝胶网络促进微团聚体胶结，FGD提供的Ca²⁺通过阳离子桥接和置换Na⁺强化团聚体稳定性并降低盐分，二者协同作用使土壤结构改善成为抑盐的核心机制。同时，改良剂通过直接和间接途径调节养分循环，但深层盐分淋洗可能增加地下水盐负荷，需结合合理灌排管理。研究也存在局限性，如试验周期短、单一站点，长期效果和多环境适用性仍需验证。

研究结论：本研究表明，CB与FGD联合施用对干旱区盐渍土改良和籽棉产量提升具有协同效应，其中CB+FGD获得了最高的土壤健康评分和作物生产力。机制上，土壤改良的主要途径可概括为团聚体稳定性>盐分胁迫缓解>养分供应，凸显了以土壤结构介导的水盐调控是改良效应的核心机制。随机森林和PLS-SEM分析进一步揭示，团聚体稳定性和盐分是控制土壤健康的核心因素，而棉花生长状态——尤其是株高和茎粗——是产量形成最直接的驱动因素。改良剂通过改变根际环境间接发挥作用，而非直接作用于产量，这强调了结构介导的水盐调控在盐渍土改良中的首要地位。TOPSIS进一步确认CB+FGD是平衡土壤健康改善与作物生产力的最优策略。综上，这些发现为干旱区盐渍土农业可持续性提供了机制依据和可行的改良材料，但仍需长期多站点研究评估其更广泛的应用性。