水肥劑一體化技術(shù)提高棉花產(chǎn)量和控制土壤鹽分的效果

張慶偉，艾克拜爾·伊拉洪，趙婧文，張文太

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/新疆土壤與植物生態(tài)過程自治區(qū)級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】新疆灌區(qū)鹽漬化耕地占灌區(qū)耕地的37.72%[1]。在鹽堿地采用水肥劑一體化模式有望降低土壤鹽漬化程度，提高棉花產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)新疆棉花產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤改良劑研究始于19世紀(jì)末，20世紀(jì)80年代初期，國內(nèi)開始此方面的研究與應(yīng)用[2]。改良劑對鹽堿地土壤具有一定的改良效果[3-5]，施加土壤改良劑能夠松土、保濕、改良土壤理化性狀，促進(jìn)植物對水分和養(yǎng)分的吸收[6]，土壤總孔隙度增加，土壤容重減小，田間持水量增大，土壤毛管孔隙、非毛管孔隙和通氣度都增加[7-9]；施用改良劑能調(diào)節(jié)土壤酸堿度，增強(qiáng)土壤緩沖能力[10-12]。董合忠等[13-15]研究表明鹽堿地棉花獲得高產(chǎn)，可通過改良土壤環(huán)境，增加棉花對營養(yǎng)元素的吸收和利用效率?？诐萚16]研究發(fā)現(xiàn)施用土壤改良劑，可降低土壤鹽分，改善土壤微生物生存環(huán)境，提高微生物數(shù)量和活性。Daniel[17]指出施用改良劑能增加土壤中的陽離子，提高土壤中離子交換率，改良鹽堿地，緩沖pH?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】在不同水肥供應(yīng)模式下，作物的生長發(fā)育調(diào)節(jié)方面己經(jīng)做了大量研究，但大多數(shù)試驗(yàn)都側(cè)重灌水方法和滴灌水氮耦合[18-19]。在滴灌施肥基礎(chǔ)上增施改良劑對作物產(chǎn)量和控制土壤鹽分的研究較少。研究采用水肥劑同時施用對棉花增產(chǎn)和土壤抑鹽的效果?！緮M解決的關(guān)鍵問題】試驗(yàn)設(shè)5個處理，研究增施改良劑對鹽堿地棉花增產(chǎn)和土壤控鹽的影響。因地制宜篩選適宜肥料類型并精確配置肥劑用量，達(dá)到降低成本，增產(chǎn)增收和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的目的。

1 材料與方法

1.1 材 料

2017年4月試驗(yàn)在新疆沙灣縣新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花育種試驗(yàn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)站鄰近144團(tuán)，地理位置(44°44′11″ N、85°67′65″ E)。試驗(yàn)地總面積0.154 hm2，地勢平坦，土壤類型為灰漠土，土壤質(zhì)地為壤土，屬輕度鹽堿土，屬中溫帶大陸性干旱氣候，晝夜溫差較大，平均年氣溫6.6℃，年降水量190 mm，年蒸發(fā)量1 700 mm，年日照時數(shù)2 800 h，≥10℃的積溫3 500℃，無霜期180 d，地下水埋深3 m以下。2017年試驗(yàn)開始前測定試驗(yàn)區(qū)土壤的理化性質(zhì)，0～40 cm土層有機(jī)質(zhì)含量12.26 g/kg，速效氮、磷、鉀分別為13.92、9.36和130.86 mg/kg；土壤pH和土壤電導(dǎo)率(水土比1∶5)分別為8.66和1 131 Ms/cm。

棉花常規(guī)化肥處理選用尿素、磷酸一銨和晶體鉀肥，專用肥為市售心連心牌棉花滴灌專用肥，改良劑選用酸堿平衡護(hù)理劑(紅都嘉業(yè)生產(chǎn))。共設(shè)置五個處理，分別為對照(不施肥)，常規(guī)化肥，常規(guī)化肥+改良劑，專用肥，專用肥+改良劑。每個處理重復(fù)3次，小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組排列。結(jié)合當(dāng)?shù)厥┓仕剑Ｒ?guī)化肥處理施肥量為285～165～105 kg/hm2(N-P2O5-K2O)，專用肥285～165～148～2.5 kg/hm2(N-P2O5-K2O-Zn)，改良劑施用量為22.5 kg/hm2。

供試棉花為新農(nóng)大ND012號，采用1膜2帶6行滴灌模式，膜間裸地寬度為66 cm，棉花株距12 cm，共設(shè)置15個小區(qū)(每個小區(qū)15 m×6.84 m)。每個小區(qū)獨(dú)立使用儲存容量25 L的施肥罐。2017年4月30日播種，6月中旬第一次灌水，8月下旬結(jié)束灌水，灌水間隔約為10 d，全生育期灌溉定額3 725 m3/hm2。

水肥管理措施分6次進(jìn)行，但改良劑只在前三次施入，即前三次與肥料一同加入施肥罐隨水肥滴施。施肥采用容量壓差式施肥方式，施肥量根據(jù)棉花生育期有所調(diào)整，前兩次施肥量為總施肥量的1/10，后四次施肥量為總施肥量的1/5。每次施肥前先滴3 h左右清水，加入肥料，直至達(dá)到當(dāng)次灌水量。

1.2 方 法

在棉花吐絮初期，在每個小區(qū)隨機(jī)選取3株棉花，先將所取植株樣棉花從莖基部與地下部分分離，再將地上部分為花、莖、鈴、葉分成4個部分。去掉表面的塵土放入烘箱在105℃下殺青0.5 h，75℃烘干至恒質(zhì)量，之后放入干燥器中冷卻，用電子天平稱質(zhì)量。各小區(qū)干物質(zhì)質(zhì)量為3株棉花干物質(zhì)質(zhì)量的平均值，最后乘以種植密度換算成群體干物質(zhì)質(zhì)量(kg/hm2)。在棉田株高打頂后(2017年7月7日)，對每個小區(qū)隨機(jī)測量10株棉花用卷尺測定株高求均值。

在棉花吐絮期后期，各小區(qū)測定棉花籽棉產(chǎn)量。各小區(qū)中間選取有代表性的2×2樣方區(qū)域，數(shù)出樣方內(nèi)所有的株數(shù)；針對每個小區(qū)，選取靠近小區(qū)中間部分，長勢均勻的棉區(qū)進(jìn)行2×2的樣本小區(qū)測定棉花有效鈴數(shù)，每個小區(qū)有三個膜，每個膜有三排六行，為保證樣方代表性，樣方隨機(jī)選取相鄰的兩個膜，一個膜選取兩排，一個膜選取一排，在樣方內(nèi)選取連續(xù)10株棉花的有效鈴數(shù)計數(shù)，平均即為小區(qū)的平均有效鈴數(shù)；在每個小區(qū)內(nèi)棉株的上層、中層和下層各隨機(jī)選取10朵，測定小區(qū)棉花的30鈴重，平均即為小區(qū)的單鈴重。棉花畝產(chǎn)量計算公式為: 產(chǎn)量 = 667 m2株數(shù)×鈴數(shù)×單鈴重。

在棉花吐絮期，對每個小區(qū)進(jìn)行土壤采樣，土壤采樣深度為棉花的生長區(qū)0～40 cm，分為三層，分別是0～10、10～20和20～40 cm。在距滴頭0和30 cm處采樣土壤樣品，為確保土樣的高度代表性，采取小區(qū)中心部位的土樣，不在小區(qū)邊緣取樣，減少誤差。土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干，磨碎，依次過2和1 mm篩。土壤pH和鹽分的測定分別用土壤pH計和電導(dǎo)率儀進(jìn)行測定，土水比均為1∶5[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS20.0分析，對不同處理指標(biāo)先取小區(qū)內(nèi)平均值，然后用3個小區(qū)的平均值進(jìn)行單因素方差分析；統(tǒng)計圖用SigmaPlot10.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對棉花株高和地上生物量的影響

常規(guī)化肥+改良劑與專用肥處理顯著高于對照(P<0.05)(圖1a)。棉花植株最高的是專用肥處理，最低的是對照；4個施肥處理相比于對照株高分別提高10.71%、16.48%、19.37%和13.73%。常規(guī)化肥+改良劑處理比常規(guī)化肥處理提高5.21%，專用肥+改良劑處理比專用肥處理降低4.72%。

4個施肥處理的棉花地上生物量均顯著高于對照(P<0.05)(圖1b)。棉花地上生物量最大的是專用肥+改良劑處理。4個施肥處理相比于對照地上生物量分別提高42.96%、41.64%、46.92%和47.33%。常規(guī)化肥+改良劑處理比常規(guī)化肥處理降低2.25%，專用肥+改良劑處理比專用肥處理提高0.77%。圖1

注：(1)不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著；(2)C:對照，CF:常規(guī)化肥，CF+SA:常規(guī)化肥+改良劑，SF:專用肥，SF+SA:專用肥+改良劑；下同

Note: (1) Different letters indicate significant difference atP< 0. 05 level among different managements； (2)C:control, CF: conventional fertilizers, CF+SA: conventional fertilizers + soil amendment；SF: special fertilizers, SF+SA:special fertilizers + soil amendment；The same as blow

圖1 不同處理下棉花株高和地上生物量變化
Fig.1 Change of plant height and biomass with different fertilizer managements

2.2 不同處理下對棉花產(chǎn)量的影響

常規(guī)化肥+改良劑，專用肥和專用肥+改良劑處理的有效鈴數(shù)均顯著高于對照(P<0.05)(圖2a)。棉花有效鈴數(shù)最多是專用肥+改良劑處理，最少的是對照。4個施肥處理相比于對照有效鈴數(shù)分別提高15.38%、31.41%、23.77%和32.05%。常規(guī)化肥+改良劑處理比常規(guī)化肥處理提高13.89%，專用肥+改良劑處理比專用肥處理提高7.29%。

4個施肥處理的單鈴重均顯著高于對照(P<0.05)(圖2b)。棉花單鈴重最大的是常規(guī)化肥+改良劑處理，最少的是對照。4個施肥處理相比于對照單鈴重分別提高11.54%、19.72%、15.09%和17.24%。常規(guī)化肥+改良劑處理比常規(guī)化肥處理提高7.34%，專用肥+改良劑處理比專用肥處理提高1.87%。

產(chǎn)量是大田試驗(yàn)的核心指標(biāo)，也是農(nóng)戶最為關(guān)心的指標(biāo)。產(chǎn)量最大的是常規(guī)化肥+改良劑處理，最小的是對照。4個施肥處理的產(chǎn)量均顯著高于對照(P<0.05)，且常規(guī)化肥+改良劑與常規(guī)化肥處理之間也產(chǎn)生了顯著差異性(P<0.05)(圖2c)；4種施肥處理相比于對照產(chǎn)量分別提高了25.94%、47.85%、32.88%和40.30%。常規(guī)化肥+改良劑處理比常規(guī)化肥處理提高17.40%，專用肥+改良劑處理比專用肥處理提高5.58%。

收獲指數(shù)反映了作物群體光合同化物轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品的能力,是評價作物品種產(chǎn)量水平和栽培成效的重要指標(biāo)。收獲指數(shù)是產(chǎn)量與地上生物量的比值。收獲指數(shù)最大的是對照，最小的專用肥處理，且兩處理之間有顯著差異(P<0.05)(圖2d)。4種施肥處理收獲指數(shù)最高的是常規(guī)化肥+改良劑處理，比對照降低11.43%；相比于其他施肥處理提高18.73%、23.43%和17.23%。圖2

圖2 不同處理下棉花產(chǎn)量變化
Fig.2 Change of cotton yield with different fertilizer managements

2.3 不同處理下對棉花生物量分配的影響

根生物量最大的是常規(guī)化肥處理，最小的是對照，且只有常規(guī)化肥與對照之間差異顯著(P<0.05)。4種施肥處理的根干重生物量相對于對照分別提高53.29%、36.32%、34.34%和42.54%。常規(guī)化肥+改良劑處理比常規(guī)化肥處理降低11.07%，專用肥+改良劑處理比專用肥處理提高6.11%。

莖生物量最大的是專用肥+改良劑處理，最小的是對照。常規(guī)化肥，專用肥，專用肥+改良劑三個處理均顯著高于對照(P<0.05)。4種施肥處理相對于對照干重莖生物量分別提高71.36%、56.48%、75.06%和75.70%。常規(guī)化肥+改良劑處理比常規(guī)化肥處理降低8.68%，專用肥+改良劑處理比專用肥處理提高0.37%。

葉生物量最大的是專用肥+改良劑處理，最小的是對照。4種施肥處理葉干重均顯著高于對照(P<0.05)。4種施肥處理相比于對照干重葉生物量分別提高了121.33%、113.73%、99.97%和141.14%。常規(guī)化肥+改良劑處理比常規(guī)化肥處理降低3.43%，專用肥+改良劑處理比專用肥處理提高20.59%。

絮和籽生物量最大的是專用肥處理，最小的是對照。四種施肥處理均顯著高于對照(P<0.05)。4種施肥處理相比于對照干重絮和籽生物量分別提高了60.88%、69.62%、88.82%和82.75%。常規(guī)化肥+改良劑處理比常規(guī)化肥處理提高5.44%，專用肥+改良劑處理比專用肥處理降低3.22%。

鈴生物量最大的是專用肥處理，最小的是對照。4種施肥處理均顯著高于對照(P<0.05)。4種施肥處理相比于對照干重鈴生物量分別提高93.56%、77.72%、109.97%和104.59%。常規(guī)化肥+改良劑處理比常規(guī)化肥處理降低8.18%，專用肥+改良劑處理比專用肥處理降低2.56%。圖3

圖3 不同處理下棉花生物量分配變化
Fig.3 Change of cotton biomass allocation with different fertilizer managements

2.4 不同處理下對土壤pH和電導(dǎo)率的影響

pH是土壤重要的基本性質(zhì)，也是影響肥力的因素之一。它直接影響土壤養(yǎng)分的存在狀態(tài)、轉(zhuǎn)化和有效性[21]。不同處理對各個施肥小區(qū)土壤pH有所影響，距滴頭0 cm相對于距滴頭30 cm處pH分布較分散，最大值為常規(guī)化肥10～20 cm土壤pH達(dá)到8.84，最小值為專用肥+改良劑8.40；距滴頭30 cm處pH分布較為集中，pH最大的是對照組0～10 cm土壤為8.72，最小為常規(guī)化肥+改良劑20～40 cm土壤為8.39。施加改良劑較不施加改良劑的兩個施肥處理在距滴頭0 cm和距滴頭30 cm處都有pH降低的趨勢，且20～40 cm土層都低于0～20 cm土層的pH。圖4

圖4 不同施肥處理下土壤pH變化
Fig.4 Change of soil pH with different fertilizer managements

隨著土壤深度的增加，土壤電導(dǎo)率都有著逐漸增大的趨勢。在距滴頭30 cm處，常規(guī)化肥+改良劑處理在0～40 cm土層電導(dǎo)率值均低于常規(guī)化肥處理；專用肥+改良劑處理0～10和20～40 cm電導(dǎo)率也都低于專用肥處理。在0～20 cm土層，距滴頭0 cm處均小于距滴頭30 cm的土壤電導(dǎo)率。圖5，圖6

圖5 不同施肥處理下土壤電導(dǎo)率變化
Fig.5 Change of soil conductivity with different fertilizer managements

圖6 不同滴頭距離下土壤電導(dǎo)率變化
Fig.6 Change of soil conductivity with different dripper distance

3 討 論

3.1 棉花有效鈴數(shù)比單鈴量對水肥更加敏感，與吳立峰等[22]的研究結(jié)果一致，不同處理下棉花有效鈴數(shù)的增幅大于棉花單鈴重的增幅。鄧忠等[23]在南疆進(jìn)行的水氮耦合研究表明，在不同的灌溉水量下，施氮量300 kg/hm2處理棉花有效鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量較高，促進(jìn)了產(chǎn)量的提高。試驗(yàn)是在北疆沙灣縣開展，具體所施用的肥料量結(jié)合了自治區(qū)地方標(biāo)準(zhǔn)《棉花膜下滴灌水肥管理技術(shù)規(guī)程》[24]以及當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶施肥量，試驗(yàn)施氮量285 kg/hm2。

3.2 在試驗(yàn)田棉花灌水方面，蔡煥杰等[25]試驗(yàn)表明，為了取得高產(chǎn)和較高的水分利用率，棉花全生育期的滴水量應(yīng)在345～380 mm。而試驗(yàn)在灌溉管理方面基本一致，考慮到不同區(qū)域、不同土壤質(zhì)地條件和氣候的影響，在整個棉花生育期內(nèi)進(jìn)行了6次灌水，每次灌溉定額也有所調(diào)整，基于降雨的次數(shù)和降雨量的大小調(diào)整了灌溉的時間節(jié)點(diǎn)，自治區(qū)地方標(biāo)準(zhǔn)《棉花膜下滴灌水肥管理技術(shù)規(guī)程》北疆地區(qū)灌溉定額為3 450～4 200 m3/hm2。而試驗(yàn)由于地區(qū)氣候較干旱，棉花需水量較大，實(shí)際灌溉定額為3 725 m3/hm2，即全生育期滴水量為372 mm。

3.3 滴灌模式下棉田生物量分配最小的是根部，地上部分生物量大幅度增加，不同處理根生物量差異性小于地上生物量差異性。這是由于滴灌模式下水肥相對集中于0～30 cm土層，由于膜下滴灌隨水施肥的特點(diǎn)，養(yǎng)分也集中分布在由滴水形成的濕潤體內(nèi)，在土深50 cm以下養(yǎng)分含量顯著降低[26]，即棉花根生物量較低生長與水肥有關(guān)，這與買文選等[27]研究結(jié)果一致，滴灌棉花生物量分配最小的根系承擔(dān)了更大的地上部對水肥的供應(yīng)需求。

4個施肥處理之間生物量沒有顯著差異，但棉花產(chǎn)量有顯著差異，常規(guī)化肥+改良劑處理相比于常規(guī)化肥處理之間產(chǎn)量有顯著性增長(P<0.05)，但常規(guī)化肥+改良劑處理生物量并沒有與常規(guī)化肥處理之間產(chǎn)生差異性(P<0.05)，說明生物量和產(chǎn)量之間并不存在必然的正相關(guān)關(guān)系。

3.4 收獲指數(shù)最大的是對照，收獲指數(shù)反映的是作物群體光合同化物轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品的能力, 是評價作物品種產(chǎn)量水平和栽培成效的重要指標(biāo)。由于對照生物量和產(chǎn)量都大幅度下降，且生物量下降幅度頗大，雖然對照收獲指數(shù)最高但卻不可取。4個施肥處理中收獲指數(shù)最高的常規(guī)化肥+改良劑處理，且該處理為最佳。

3.5 隨著土壤深度增加，不論距滴頭0 cm，還是距滴頭30 cm，土壤pH都會有下降的趨勢，且距滴頭30 cm相比于0 cm土壤pH更加集中，土壤pH在8.5～8.7左右。造成這種現(xiàn)象可能是由于此處位于棉花根部，為了更好的生長，根部營造出更好的環(huán)境，分泌出一些物質(zhì)從而改變土壤的pH值，此問題仍需進(jìn)一步研究；但由于土壤具有很強(qiáng)的緩沖性，整體來看土壤pH并沒有產(chǎn)生顯著性變化。

隨著土壤深度的增加，土壤電導(dǎo)率有著逐漸增大的趨勢。這是由于“鹽隨水來，鹽隨水去”，鹽分隨著水分逐漸下滲，導(dǎo)致上層鹽分低，下層鹽分累積的現(xiàn)象。當(dāng)土壤深度達(dá)到40 cm時土壤鹽分出現(xiàn)大幅度的增加，是由于滴灌水量小、頻率高，改良劑隨水滴施集中在棉花根系上部，改良劑與棉花根系附近微環(huán)境中的土壤充分接觸并發(fā)生反應(yīng)，極大地提高了改良劑的作用效率，隨著土壤深度增加，改良劑效果也隨之降低，灌水后水分濕潤鋒分布范圍便是積鹽的區(qū)域。對比距滴頭距離0和30 cm電導(dǎo)率發(fā)現(xiàn)，在0～20 cm土層，距滴頭0 cm電導(dǎo)率均小于距滴頭30 cm，即距離滴頭越近，洗鹽效果就越好，這是由于水分和改良劑在洗鹽的過程中將滴頭附近的鹽分不斷運(yùn)移過程至遠(yuǎn)處，這與Clothier[28]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

4.1 增施改良劑對于棉花生物量沒有產(chǎn)生很大的影響，但對棉花產(chǎn)量有顯著差異(P<0.05)。從不同處理下棉花的生物量分配，可以看到絮和籽>莖>鈴>葉>根，并且無論是施加常規(guī)化肥還是專用肥，甚至是在此基礎(chǔ)上增施改良劑器官分配均沒有顯著性變化。此結(jié)果可能是棉花的基因遺傳特性造成的。

4.2 在不同施肥處理?xiàng)l件下，常規(guī)化肥+改良劑處理平均有效鈴數(shù)在6.8個/株，平均單鈴重達(dá)到5.95 g，獲得了最佳產(chǎn)量6 640 kg/hm2，比常規(guī)化肥處理提高17.4%，增產(chǎn)效果明顯。在同一灌水量情況下，增加產(chǎn)量意味著提高水分利用率，說明在滴灌常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上施加改良劑對于棉花水肥管理有重要意義。

4.3 在0～20 cm土層，距滴頭0 cm處的電導(dǎo)率均低于距滴頭30 cm處；距離滴頭近，洗鹽效果好，且隨土壤深度的不斷增加，電導(dǎo)率有不斷增加的趨勢。

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