增氧灌溉對棉花營養(yǎng)特征及土壤肥力的影響*

饒曉娟 付彥博 黃 建 馮耀祖 王治國?

（1 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091）（2 新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆昌吉 831100）

新疆棉花膜下滴灌技術(shù)的應(yīng)用，使土壤肥力的“水”、“肥”“熱”三個主要因子綜合協(xié)調(diào)發(fā)揮了較大作用，使得棉花種植產(chǎn)量達(dá)到了一個較高的水平，進(jìn)一步增加棉花的產(chǎn)量達(dá)到了一個技術(shù)瓶頸，而增氧灌溉技術(shù)成為了解決這一技術(shù)瓶頸的有效方法之一。

由于灌溉、降雨、排水不利、土壤質(zhì)地和土壤緊實造成土壤缺氧，影響根系呼吸，使呼吸活動超過氧氣的有效范圍時，植物根系和地上部器官的細(xì)胞中就時常發(fā)生氧氣不足的現(xiàn)象［1-3］，抑制作物根系有氧呼吸，從而影響作物生長發(fā)育［4-6］。增氧能夠有效改善作物生長的土壤環(huán)境，促進(jìn)作物對養(yǎng)分的吸收。尹曉霞和蔡煥杰［7］采用文丘里加氣法向溫室番茄根區(qū)加氣，可以促進(jìn)番茄干物質(zhì)累積量；Frankenberger［8］利用過氧化尿素不僅能夠提高土壤溶液中的活性氧含量，改善作物根際土壤環(huán)境，還有效地促進(jìn)水稻根系對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收；李元等［9］利用空氣壓縮機(jī)向大棚甜瓜根系供氣，可以促進(jìn)土壤微生物數(shù)量和多樣性的變化，提高土壤酶活性。然而增氧灌溉對棉田土壤養(yǎng)分和微生物數(shù)量的影響效果不明。本研究在膜下滴灌條件下進(jìn)行增氧灌溉，向棉花根區(qū)增氧灌溉，研究增氧灌溉對灌溉系統(tǒng)溶解氧、棉田土壤養(yǎng)分和微生物數(shù)量以及棉花養(yǎng)分吸收的影響，為大田棉花膜下增氧滴灌技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于新疆烏魯木齊市以北 22 km 的國家灰漠土試驗站內(nèi)，海拔高度 890 m，年均氣溫6 ℃，年降水量200 mm，年蒸發(fā)量1 980 mm，屬干旱半干旱荒漠氣候。試驗土壤為新疆北疆典型土類（灰漠土），基礎(chǔ)理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)含量13.5 g kg-1、速效氮 51.6 mg kg-1、有效磷 22.2 mg kg-1、速效鉀 435 mg kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

2014—2016年，在國家灰漠土試驗站內(nèi)進(jìn)行田間小區(qū)試驗，小區(qū)面積33 m2。

增氧灌溉模擬試驗設(shè)計充氣氧濃度分別為不充氣CK-0%、充氣氧濃度O2-21%、充氣氧濃度O2-30%、充氣氧濃度O2-50%條件下，連續(xù)測定主管道和滴灌帶不同監(jiān)測點位灌溉水溶解氧濃度。

田間試驗設(shè)計3個處理，分別為微納米氣泡發(fā)生裝置物理增氧PO、過氧化尿素化學(xué)增氧CO，不增氧對照CK，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，共9個小區(qū)。PO處理充氣氧濃度為O2-21%（空氣），采用“B＆W微納米氣泡發(fā)生裝置”制備微納米氣泡水［10］，壓力為0.15 MPa，進(jìn)氣速率為1.5 L min-1，該設(shè)備為本洲（北京）新技術(shù)推廣有限公司生產(chǎn)。CO處理采用過氧化尿素［11］溶解于施肥罐，該肥料為上虞潔華化工有限公司生產(chǎn)，含N 30%、活性氧16.5%；PO、CK處理施用尿素（N 46%），用量與CO處理過氧化尿素相當(dāng)。PO、CO、CK處理灌溉水中溶解氧濃度分別為10.97、11.06、9.91 mg L-1。

供試棉花種子為新陸早41號，種植模式為一膜四行，每個小區(qū)三膜，采用膜下滴灌，各增氧灌溉處理隨灌溉水輸入到各小區(qū)，整個生育期共灌水14次，化控2次，其他田間管理同大田。

1.3 樣品采集與分析

分別于苗期、蕾期、花期、蕾期、鈴期，在滴灌帶左右10 cm處，每個處理隨機(jī)用土鉆取5個點的土樣，取樣深度為0～20 cm耕層土壤樣品，樣品混合后，用四分法取1/4土樣裝入滅菌袋包扎密封，于4 ℃保存，用于土壤微生物數(shù)量測定；剩余部分土樣裝土樣袋內(nèi)，用于測定土壤速效氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量。在棉花鈴期灌溉后，各處理中隨機(jī)連根拔出5株棉花，按照部位進(jìn)行殺青烘干，檢測植物氮磷鉀含量。

溶解氧含量采用美國YSI公司生產(chǎn)的“YSI5000”測定，該儀器具有自動溫度補償功能，帶攪拌器；土壤速效氮含量采用堿解擴(kuò)散法，有效磷含量采用0.5 mol L-1NaHCO3浸提比色法，速效鉀含量采用NH4OAc浸提火焰光度法，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀法測定［11］；土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量采用稀釋平板涂抹法，制備土壤系列稀釋液(稀釋度10-1～10-6)，涂固體培養(yǎng)基平板，恒溫28～30 ℃下培養(yǎng)3～6 d。對3個相鄰稀釋度土壤溶液中的細(xì)菌數(shù)(CFU)計數(shù)，計算每克干土中細(xì)菌數(shù)(單位用CFU g-1表示，下同)。細(xì)菌培養(yǎng)基選用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；真菌培養(yǎng)基采用孟加拉紅培養(yǎng)基；放線菌培養(yǎng)基采用改良的高氏一號培養(yǎng)基［12］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用DPS 7.05軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié) 果

2.1 增氧灌溉對灌溉水溶解氧的影響

在充氣氧濃度分別為CK-0%、O2-21%、O2-30%、O2-50%條件下，連續(xù)測定主管道和滴灌帶監(jiān)測點位灌溉水溶解氧濃度，主管道0～100 m處溶解氧濃度分別由10.18、11.70、16.95和19.30 mg L-1遞減至9.57、10.56、14.86和16.32 mg L-1，100 m衰減量分別達(dá)到5.99%、9.74%、12.33%和15.44%（圖1）。在主管道50 m處連接滴灌帶，在滴頭流量為3.2 L h-1時，0～50 m處滴頭的溶解氧濃度分別由10.04、10.98、16.54和17.70 mg L-1遞減至9.02、9.34、13.81和14.48 mg L-1，50 m衰減量分別達(dá)到10.16%、14.94%、16.51%和18.19%。說明隨著灌溉水溶解氧濃度的增加灌溉水溶解氧衰變量增加，并且隨著滴灌帶距離的增加灌溉水溶解氧衰變量增加；充氣氧濃度為O2-21%和O2-30%的處理增氧灌溉水溶解氧衰減量較小，能耗較低，為田間試驗物理增氧灌溉采用充氣氧濃度為O2-21%（空氣）進(jìn)行曝氣增氧提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 不同氧濃度條件下供水管道（a）與滴灌帶（b）不同監(jiān)測點距離溶解氧濃度變化Fig 1 Variation of dissolved oxygen concentration at different monitoring points in water supply pipeline (a) and drip tape(b) under different oxygen concentrations

2.2 增氧灌溉對棉田土壤速效養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的影響

通過灌溉水增氧灌溉后，棉田土壤速效氮和有機(jī)質(zhì)含量均有所降低（表1）。與對照相比，PO、CO處理速效氮分別降低4.01%、27.23%，有機(jī)質(zhì)分別降低3.46%、9.61%，其中CO處理有機(jī)質(zhì)含量與對照差異顯著。棉田土壤有效磷和速效鉀含量也均有所降低。與對照相比，PO、CO處理有效磷分別降低9.45%、0.42%，速效鉀分別降低5.78%、2.23%，PO處理速效鉀與對照差異顯著?？梢姡ㄟ^增氧灌溉能夠促進(jìn)棉花對土壤中速效養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的吸收，從而降低土壤中速效氮、速效鉀和有機(jī)質(zhì)的含量。

表1 增氧灌溉對棉田土壤速效養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的影響Table 1 Effect of oxygenated irrigation on contents of soil available nutrients and organic matter in cotton field

2.3 增氧灌溉對棉田土壤微生物數(shù)量的影響

增氧增加了棉田土壤中細(xì)菌、真菌、微生物數(shù)量，抑制了放線菌數(shù)量（表2），從細(xì)菌數(shù)量分析可知，PO、CO分別較對照提高了28.38%、21.05%，處理間差異達(dá)到顯著水平（p＜0.05）；放線菌數(shù)量分析顯示PO、CO分別較對照降低了11.05%、42.82%，CK︰PO︰CO為1︰0.9︰0.7，CO與對照之間的差異達(dá)到顯著水平；真菌數(shù)量分析可知，CK︰PO︰CO為1︰0.98︰1.05，CO較對照提高了4.97%，但與對照無顯著差異（p＞0.05）；微生物總量PO、CO分別較對照提高了27.86%、20.63%，與對照之間的差異均達(dá)到顯著水平（p＜0.05），CK︰PO︰CO為1︰1.28︰1.21。說明增氧灌溉能夠顯著促進(jìn)土壤微生物總量，對土壤中細(xì)菌數(shù)量促進(jìn)作用顯著，但對土壤真菌影響不顯著，對土壤放線菌有一定的抑制作用，其機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。

表2 增氧灌溉對棉田土壤微生物數(shù)量的影響Table 2 Effect of oxygenated irrigation on soil microbial biomass in cotton field

2.4 增氧灌溉對棉花養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量的影響

分析鈴期棉花各部位氮磷鉀吸收量可知（表3），根吸收氮和鉀的量物理增氧處理顯著高于其他處理，大小依次為物理增氧＞對照＞化學(xué)增氧；莖吸收氮和鉀的量增氧處理均高于對照，依次為化學(xué)增氧＞物理增氧＞對照；其他部位氮磷鉀吸收量差異不顯著；地上部氮磷鉀吸收量趨勢為，氮吸收量物理增氧＞化學(xué)增氧＞對照，磷吸收量為物理增氧＞對照＞化學(xué)增氧，鉀吸收量為物理增氧＞化學(xué)增氧＞對照；增氧灌溉促進(jìn)了棉花對氮磷鉀的吸收。

表3 增氧灌溉對棉花氮磷鉀吸收量及其分配的影響Table 3 Effect of oxygenated irrigation on absorption and distribution of N, P, K of cotton （mg plant-1）

圖2為增氧灌溉對棉花產(chǎn)量的影響。從圖中可以看出，棉花產(chǎn)量排序為：CO＞PO＞CK，增氧處理PO、CO與對照之間的產(chǎn)量差異達(dá)到顯著水平，產(chǎn)量基本在1 900～2 150 kg hm-2，與CK相比較，PO、CO產(chǎn)量分別增加11.39%、11.42%，可見物理增氧和化學(xué)增氧均可以顯著促進(jìn)棉花產(chǎn)量。

3 討 論

3.1 增氧灌溉提高灌溉水溶解氧含量

圖2 增氧灌溉對棉花產(chǎn)量的影響Fig. 2 Effect of oxygenated irrigation on cotton yield

增氧灌溉能夠明顯提高灌溉系統(tǒng)內(nèi)灌溉水的溶解氧濃度，但在灌溉系統(tǒng)中衰變很大，并且隨著溶解氧濃度的增加衰變增加。此前研究已發(fā)現(xiàn)，灌溉水溶解氧濃度增加至 12～14 mg L-1，可以改善土壤氧環(huán)境［13］。通過制氧機(jī)提高充氣氧濃度，再進(jìn)行微納米氣泡裝置曝氣，可以使灌溉水的溶解氧濃度達(dá)到36.9 mg L-1以上［10,14］，呂夢華等［15］利用充氧微納米氣泡裝置使水中溶解氧濃度提高至20 mg L-1和30 mg L-1，隨著溶解氧濃度的提高，白蘿卜增產(chǎn)效果更明顯。

3.2 增氧灌溉改善土壤環(huán)境

Benjamin等［16］認(rèn)為部分作物的根系需要充足的氧氣(O2)供給以滿足植物養(yǎng)分和水分的吸取；作物根呼吸需要消耗大量的O2，而且作物根的生長對O2缺乏特別敏感，土壤中O2不足會影響作物根系和土壤呼吸，降低ATP的生產(chǎn)，減少根系對水分和養(yǎng)分的吸收以及對冠體的營養(yǎng)傳輸，增加根部O2會增加根系對P和K肥的吸收。Heuberger［4］和 Brzezinska［17］等認(rèn)為根際通氣能夠增強根區(qū)土壤酶活性，改善根區(qū)土壤微環(huán)境，提高植株根系的有氧呼吸，改善根系的水肥吸收效率，有利于作物生長發(fā)育，提高作物產(chǎn)量。根際通氣能夠增強盆栽玉米的根系活力，能夠促進(jìn)作物吸收土壤內(nèi)的養(yǎng)分，促進(jìn)植株的生長發(fā)育［18］，顯著提高基質(zhì)速效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，堿解氮較對照提高 12.95%～28.87%，有效磷較對照提高12.02%～20.46%［19］。不少研究發(fā)現(xiàn)，根際增氧，增強了土壤有氧呼吸，提高了根系吸收養(yǎng)分和水分的能力［20］。李元等［9］認(rèn)為加氣灌溉改善了土壤水氣環(huán)境，促進(jìn)了土壤微生物數(shù)量和多樣性，但影響土壤微生物的因素很多，如土壤養(yǎng)分、土壤質(zhì)地、pH、溫度、滲透壓等［21］。本研究發(fā)現(xiàn)增氧灌溉對土壤中細(xì)菌、真菌、微生物數(shù)量有促進(jìn)作用，同時增氧灌溉降低土壤中速效養(yǎng)分含量，增加棉花氮磷鉀吸收量，從而可以判定是由于增氧灌溉促進(jìn)棉花對土壤中速效養(yǎng)分吸收和有機(jī)質(zhì)分解導(dǎo)致土壤養(yǎng)分降低；進(jìn)一步說明增氧灌溉改善棉田灌溉后的根區(qū)氧環(huán)境，促進(jìn)棉花對養(yǎng)分的吸收，提高養(yǎng)分利用率。張雁南［22］的研究結(jié)果表明增氧滴灌能促進(jìn)靈武長棗植株吸收礦質(zhì)營養(yǎng)，與本文研究結(jié)論相同。而增氧灌溉對棉花的增效機(jī)理及量化特征有待于進(jìn)一步的研究。

3.3 增氧灌溉提高棉花產(chǎn)量

增氧灌溉可以在一定程度上提高棉花產(chǎn)量，本文研究采用的兩種增氧方式PO、CO分別較對照CK棉花產(chǎn)量增產(chǎn)11.39%、11.42%，產(chǎn)量差異達(dá)到顯著水平。Bhattarai等［23-24］在2006年的研究中通過增加土壤氧氣研究棉花對鹽漬土的抗性，發(fā)現(xiàn)與對照相比，增加土壤氧氣棉花產(chǎn)量可以提高18%；后期研究中發(fā)現(xiàn)利用Mazzei(空氣注射器)將空氣加入棉花根區(qū)進(jìn)行灌溉，棉花的根長、根重、土壤呼吸和光合作用明顯增加，故棉花產(chǎn)量增加了14%～28%。

4 結(jié) 論

棉花根系對氧敏感，增氧灌溉能夠挖掘棉花生產(chǎn)潛能，是進(jìn)一步提高棉花產(chǎn)量的有效途徑之一；增氧灌溉能促進(jìn)棉花對土壤速效養(yǎng)分吸收，促進(jìn)土壤微生物數(shù)量的增加，加速土壤有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分釋放，從而促進(jìn)了棉花生長和產(chǎn)量增加。