增溫水灌溉對棉花根際土壤養分和土壤微生物數量的影響

孟阿靜，嚴晶 ，庫德熱提·巴吾東，顧成剛，王治國，付彥博，

饒曉娟4，盛建東1，馮耀祖4(1.新疆農業大學草業與環境科學學院，烏魯木齊 830052；2.新疆農業科學院拜城農業試驗站，新疆拜城 8423001； 3.哈密市巴里坤縣奎蘇鎮農業發展服務中心，新疆哈密 839203；4.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091)

增溫水灌溉對棉花根際土壤養分和土壤微生物數量的影響

孟阿靜1,2,3，嚴晶2，庫德熱提·巴吾東2，顧成剛3，王治國4，付彥博4，

饒曉娟4，盛建東1，馮耀祖4(1.新疆農業大學草業與環境科學學院，烏魯木齊 830052；2.新疆農業科學院拜城農業試驗站，新疆拜城 8423001； 3.哈密市巴里坤縣奎蘇鎮農業發展服務中心，新疆哈密 839203；4.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091)

【目的】通過田間增溫水灌溉(ZW)和井水灌溉(CK)小區實驗，研究滴灌溫度對棉花根際土壤養分及微生物數量的影響。【方法】在膜下滴灌條件下，設置增溫滴灌和井水滴灌2水平3重復處理，在棉花蕾期、鈴期時采集棉花根際0～20 cm土壤，測定土壤速效N、有效P、速效K及有機質含量，并在蕾期時取完整灌水周期中根際土壤鮮樣測定土壤細菌、真菌、放線菌數量。【結果】 蕾期時ZW處理土壤速效氮含量較CK減少13.51%(P<0.05)，鈴期時，有效磷含量減少26.7%(P<0.05)，兩時期中ZW處理下速效鉀，有機質含量均略低于CK處理(P>0.05)；完整灌水周期內ZW處理土壤微生物數量均有所增加，其中灌水后第3 d，細菌、真菌、放線菌分別增加了41.5%(P<0.05)、45%(P<0.01)、19%(P<0.05)，灌后第5 d，放線菌數量增加了93.2%(P<0.01)，總增加量為細菌>放線菌>真菌。【結論】增溫水灌溉可以促進棉花對土壤養分的吸收，降低土壤中養分含量，亦可豐富土壤中微生物總量，促進土壤養分循環轉化。

棉花；增溫滴灌；土壤養分；微生物數量

0 引言

【研究意義】土壤養分及土壤微生物數量是反應土壤肥力的重要指標[1]，二者受自然因素的影響，溫度變化將直接影響土壤生物系統，從而可能影響土壤養分狀況和微生物數量[2-3]，研究增溫水灌溉下棉花根際土壤養分狀況及微生物數量變化，了解增溫對棉花生長的影響具有實際意義。【前人研究進展】土壤速效N、P、K 含量反映了土壤中N、P、K 的現實供應狀況，對作物的生長發育起著十分重要的作用[1]，李伏生等[4]研究表明溫度升高后，作物的生育期縮短，地上部分的生物量增加，地下養分的吸收加快，最終增溫促進了作物的生長發育。土壤微生物數量與土壤肥力呈正相關關系，許多研究表明[5-7]土壤溫度升高對土壤微生物數量，活性等方面影響顯著。【本研究切入點】棉花是新疆最重要的經濟作物，也是喜溫作物[8]，而新疆地下井水水溫很低，春季井水平均水溫約9℃[9]，一般夏季井水溫度為10～15℃，80%的棉花滴灌時抽取地下井水不進行任何增溫處理就滴入棉田，而低溫井水與土壤環境溫度存在差異，進入土壤必然會與其發生熱量的交換與轉移，從而降地土壤溫度，抑制棉花對土壤養分的吸收，影響棉花生長發育。【擬解決的關鍵問題】研究增溫水灌溉和井水灌溉對棉花根際土壤養分及微生物數量的影響，來反應不同溫度環境下棉花生長情況，為新疆低溫井水滴灌技術提出應對措施，為新疆棉花的持續高產提供理論與技術依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2014年4～10月在新疆烏魯木齊市國家灰漠土肥力與肥料效益重點野外科學觀測試驗站 (N：43°95′26″，E：87°46′45″) 進行。該試驗站位于新疆烏魯木齊市以北22 km 的新疆農業科學院安寧區綜合試驗場內。國家灰漠土肥力與肥料效益重點野外科學觀測試驗站，海拔高度 680～920 m，4月20日～10月20日(棉花生育期)平均氣溫為20.25℃，年降水量180～250 mm，年蒸發量1 600～2 200 mm，年均日照時數2 594 h，無霜期156 d，屬干旱半干旱荒漠氣候。試驗土壤類型為中度熟化的灰漠土。試驗地土壤狀況為，土層深度0～20 cm，速效氮69.41 g/kg，速效磷10.14 mg/kg，速效鉀122.00 mg/kg，有機質10.89 g/kg，總鹽1.80 g/kg。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗分增溫水灌溉(ZW)和井水灌溉(CK)兩個處理，ZW處理是將從井里抽出來的水，流入容積400 L的桶中，桶內置一增壓泵與即時熱水器相連，即井水流入儲水桶中，通過增壓泵將水泵入熱水器中，加熱后在流入桶中，當桶中溫度升至30℃(通過已有的棉花最適生長的土溫為30℃左右[10]及膜下滴灌棉花土壤溫度動態變化規律確定[11])時進行灌溉；CK處理即直接用井水灌溉，通過瞬時溫度計測定滴頭溫度，ZW處理滴頭溫度為28～32℃，CK處理滴頭溫度16～19℃。

試驗設2個處理，6個小區，每個小區面積9.6 m2。全生育期灌水量為3 900 m3/hm2，每周灌水1次，共灌水13次；全生育期共施入尿素、磷酸二銨、磷酸二氫鉀為：300、300和75 kg/hm2，其中尿素30%基施，70%追施，磷酸二銨、磷酸二氫鉀全部基施；播種日期為4月24日， 9月28日測產收獲。圖1

注：1.水源water；2.出水口water outlet；3.即時熱水器instant water heater；4.控水閥control water valve；5.儲水桶storage bucket；6.出水口water outlet；7.入水口entry nozzle；8.潛水泵submersible pump；9.回水管return pipe；10.瞬時溫度計instantaneous thermometer；11.調壓閥pressure regulating valve；12.水表water meter；13.控水閥control water valve；14.施肥罐fertilization pot；15.壓力表pressure gauge；16.滴灌支管drip irrigation pipe；17.毛管capillary

圖1 增溫灌溉裝置
Fig.1 Temperature increasing device for drip irrigation

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 溫度記錄

采用DT-80(美國TENMARS)溫度采集器，在滴頭正下方5、10、15和20 cm深處埋下溫度探頭，每20 min記錄一次溫度，定期采集數據。

1.2.2.2 土壤養分

于2014年6月25日(蕾期)、8月15日(鈴期)采用5點法在每個小區隨機采取0～20 cm棉花根際土壤3份并混合成一份樣品，共2處理，6個小區，即每處理3組土樣。采集的土壤樣品，自然風干，過篩處理后，按照常規方法進行養分的測定。有機質測定采用重鉻酸鉀容量法，堿解氮測定采用堿解擴散法，有效磷測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀測定采用醋酸銨浸提-火焰光度法[12]。

1.2.2.3 微生物數量

于2014年6月23日(灌后1 d)、6月25日(灌后3 d)、6月27日(灌后5 d)取棉花0～20 cm根際土壤樣品，根際土壤采用抖土法采集[13]，土樣于4℃冰箱中進行保存，微生物數量測定采用稀釋平板涂抹培養計數法分析。細菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基，放線菌采用改良的高氏一號培養基(每300 mL 培養基中加3%重鉻酸鉀1 mL)，真菌采用PDA 培養基(每100 mL 培養基加1%鏈霉素溶液0.3 mL)[14]。

1.3 數據統計

所有數據統計分析均在Microsoft Excel 2010和DPS 3.01統計軟件上完成，采用單因素分析LSD法比較不同處理間各參數的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 增溫水灌溉下土壤溫度變化規律

蕾期(于6月22～28日監測)增溫水灌溉與井水灌溉相比，灌水后5、10、15和20 cm處土壤溫差分別為：4.65、3.69、3.40和2.36℃。隨著灌水后時間的增長不同土層間溫差逐漸變小，其中灌后1 d 0～20 cm土層溫差依次為：2.33、2.15、2.57和2.32℃,灌后2～6 d，不同土層間溫差均小于0.5℃，土壤溫度與氣溫呈現正相關關系(圖2-1)。鈴期(于8月5～11日監測)，增溫水灌溉下不同土層溫度均高于井水灌溉，灌后1～5 d，溫差保持在4℃左右，灌后第6 d溫差降到2℃，除灌后第4 d，氣溫略高于增溫水灌溉0～20 cm土層溫度，其余時間為土溫略高于氣溫，井水灌溉下整個灌水周期0～20 cm土層溫度均低于氣溫，最高溫差達4.65℃，平均溫差為3.43℃(圖2-2)。圖2

注：2-1 蕾期時土溫變化規律；2-2 鈴期時土溫變化規律

Note :
Fig 2-1 Changes of soil temperature during the bud stage；Fig 2-2 Changes of soil temperature during the boll stage

圖2 完整灌水周期內土溫變化規律
Fig.2 Change rule of soil temperature in an irrigation period

2.2 增溫水灌溉對土壤養分的影響

2.2.1 速效氮變化情況

氮是土壤中最為活躍的大量營養元素之一，速效氮含量在一定程度上可以反映出土壤氮素的供應強度。蕾期時ZW處理下土壤中速效氮含量為59.3 mg/kg，較CK降低9.3 mg/kg，降幅為13.51%(P<0.05)；鈴期時ZW處理速效氮含量為43.2 g/kg，較CK減少7.89%(P>0.05)。由此說明ZW處理有助于棉花對土壤中N素的吸收。圖3

注：小寫字母(a,b,c)別表示差異達P<0.05 顯著性水平，下同

Note :Values followed by differen lowercase(a,b,c) is significantly different atP<0.05, respectively, the sae as below

圖3 0～20 cm土層速效氮含量
Fig.3 Available N uptake of 0-20 cm soil

2.2.2 有效磷變化

土壤有效磷是土壤磷素養分供應水平高低的指標, 土壤磷素含量高低在一定程度反映了土壤中磷素的貯量和供應能力。蕾期時ZW處理土壤中有效磷含量為10.6 mg/kg，較CK增加了3.4%(P>0.05)，鈴期時ZW處理有效磷較CK減少了26.7%(P<0.05)，由此說明鈴期時增溫灌溉明顯促進了植株對P素的吸收。圖4

圖4 0～20 cm土層有效磷含量

Fig.4 Available P2O5uptake of 0-20 cm soil

2.2.3 速效鉀變化

鉀可以提高作物抗逆性，土壤鉀的有效性與土壤速效鉀的含量成正比關系，兩個時期中0～20 cm土層中ZW處理速效鉀含量均低于CK，但兩處理下速效鉀含量差異均小于2%(P<0.05)，說明增溫水灌溉對速效鉀含量影響較小。圖5

圖5 0～20 cm土層速效鉀含量

Fig.5 Available K2O uptake of 0-20 cm soil

2.2.4 有機質變化

蕾期時，增溫水灌溉與井水灌溉,土壤有機質含量分別為11.9和13.6 g/kg，ZW較CK減少了1.7 g/kg，降幅12.3%(P>0.05)；鈴期時兩灌水處理有機質含量分別為10.4和10.5 g/kg，ZW較CK減少了1.28%(P>0.05)，兩時期中ZW處理有機質含量較CK均略有降低(P>0.05)，增溫促進了微生物生長從而加速了土壤有機質的分解速度。圖6

2.3 增溫水灌溉對土壤微生物數量的影響

2.3.1 細菌數量變化

縱觀整個灌水周期ZW處理細菌數量均高于CK，灌后1、3和5 d的細菌數量與CK相比，增幅分別為23.7%、41.5%、14.4%，其中灌后第3 d時細菌數量達最大，處理間差異顯著(P<0.05)。圖7

圖6 0～20 cm土層有機質含量
Fig.6 Organic matter uptake of 0-20 cm soil

圖7 完整灌水周期內0～20 cm土層細菌數量變化
Fig.7 Changes of 0-20 cm soil bacteria counts under an irrigation cycle

2.3.2 真菌數量變化

縱觀整個灌水周期，0～20 cm土層中真菌含量隨灌后時間的增長而不斷增加，兩處理相比，ZW處理真菌數量始終高于CK， ZW處理下真菌數量分別為：5.89×103CFU、8.50×103CFU、8.88×103CFU，較CK增幅分別為15.94%(P>0.05)、45%(P<0.01)、19%(P>0.05)。圖8

注：數值后不同大(A,B,C)、小寫字母(a,b,c)分別表示差異達P<0.01和P<0.05 顯著性水平，下同

Note :Values followed by different capital(A,B,C) and lowercase(a,b,c) are significantly different atP<0.01 andP<0.05, respectively, the same as below

圖8 完整灌水周期內0～20 cm土層真菌數量變化
Fig.8 Changes of 0-20 cm soil fungus counts under an irrigation cycle

2.3.3 土壤中放線菌數量變化

隨著灌后時間的增長，ZW處理放線菌數量不斷增加，CK處理放線菌數量先增加后降低， ZW處理下土壤放線菌數量均高于CK。灌后1、3和5 d，ZW較CK分別增加了3.55%(P>0.05)、19.0%(P<0.05)、93.2%(P<0.01)。圖9

圖9 完整灌水周期內0～20 cm土層放線菌變化
Fig.9 Changes of soil actinomycetes strain under single irrigation cycle

3 討 論

土壤養分含量對作物的生長發育和產量形成具有重要作用[15]，魏建軍等[16]在研究土壤養分變化與大豆養分吸收之間的關系時發現土壤中速效N、P、K的減少量與大豆N、P、K吸收量呈顯著正相關關系，張明乾等[15]在研究夜間增溫對冬小麥根系生長和土壤養分有效性的影響時發現夜間增溫促進了小麥根系生長，從而促進的植株對土壤養分的吸收，降低了土壤養分含量。試驗中通過增溫水滴灌發現蕾期時，增溫滴灌與井水滴灌相比，前者土壤速效N、P、K及有機質含量均低于后者，其中解氮含量顯著降低(P<0.05)，鈴期時，增溫水滴灌下土壤中速效N、P、K、有機質含量均降低，其中有效P含量降幅明顯(P<0.05)，說明增加土壤溫度可以促進棉花對土壤中養分的吸收從而降低了土壤中養分含量，這與以上相關研究相一致。

土壤微生物是土壤生態體系的重要組成部分也是衡量農田質量的重要指標。它通過參與土壤養分轉化、有機物分解、物質代謝等多種生化反應過程來促進土壤養分的平衡供應，從而提供植物生長所需的營養物質，同時發揮了對土壤中有效態養分儲備的庫與源的作用[17， 18]。影響土壤微生物因素有很多，其中溫度作為主要因素之一， 土壤溫度升高將使土壤微生物的生物量、活性和結構發生明顯改變[19]試驗中增溫滴灌下整個灌水周期中土壤中細菌、真菌、放線菌的數量都有所增加，細菌作為土壤生態系統中的主要菌落群體，雖然增幅較真菌、放線菌小，但增加量仍為最大。Asfaw研究表明，土壤溫度增加2℃，土壤中微生物總量明顯增加。張明乾等[15,20]研究表明土壤溫度增加，土壤中有效養分降低，土壤微生物量及微生物活性也有所降低，而試驗中土壤溫度增加，表現出土壤有效養分降低，土壤中微生物數量增加的結果，原因可能是土溫增加促進了植株對養分的吸收使土壤中養分降低，但土壤中養分依然充裕，不會出現作物與土壤微生物相爭養分的情況，所以溫度增加給微生物提供了更好地生長環境，使土壤中微生物數量呈增長態勢。

4 結 論

4.1 增溫水灌溉與井水灌溉相比，棉花蕾期時，土壤中速效氮含量顯著降低(P<0.05)；鈴期時，有效磷含量較CK減少了26.7%(P<0.05)，兩時期中土壤有效鉀和有機質含量均略有降低(P>0.05)，說明增溫水灌溉可以促進棉花對土壤中養分的吸收。

4.2 增溫水灌溉下的土壤細菌，真菌，放線菌的數量均高于井水灌溉，灌水后第1 d，細菌、真菌、放線菌數量較CK均小幅增加(P>0.05)；灌后第3 d，細菌、真菌、放線菌數量較CK分別增加了41.5%(P<0.05)、45%(P<0.01)、19%(P<0.05)；灌后5 d兩處理間放線菌差值達到最大，增幅為93.2%(P<0.01)，增溫可以促進土壤微生物繁殖生長。

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Supported by:NFSC "Mechanism research into the effect of drip irrigation water temperature on the environment of gray desert soil and the cotton growth in Xinjiang (51169025)

Effects of Temperature-increasing Water Irrigation on Soil Nutrients and Soil Microbial Biomass in Cotton Rhizosphere

MENG A-jing1,2,3, YAN-Jing2, Kudereti Bawudon2, GU Cheng-gang3, WANG Zhi-guo4,FU Yan-bo4, RAO Xiao-juan4, SHENG Jian-dong1, FENG Yao-zu4

(1.CollegeofPrataculturalandEnvironmentalSciences,Urumqi830052,China；2.BaichengAgriculturalExperimentStation,BaichengXinjiang842301,China; 3.AgriculturalDevelopmentServiceCenterofKuisuzhenTownship,BalikunCountyXinjiang839203,China; 4.ResearchInstituteofSoil,FertilizerandAgriculturalWaterConservation,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi830091,China)

【Objective】 This project aims to explore the effects of drip irrigation temperature on soil nutrients and soil microbial biomass in cotton rhizosphere by the field experiment of temperature-increasing water irrigation (ZW) and well water irrigation (CK).【Method】This experiment set a water warming irrigation and well irrigation of 2 levels and 3 repeats with drip irrigation under plastic film to research the content of cotton rhizosphere soil available N,available P，available K and organic matter during cotton bud stage and boll stage, and collected the rhizosphere fresh soil within the depths of 0-20 cm to detect soil bacteria, fungi, actinomycetes number in complete irrigation cycle during the bud stage.【Result】The result showed that in the bud stage, soil available N content by ZW treatment was reduced by 13.51% (P<0.05) than the CK, in the boll stage, soil available P was reduced by 26.7% (P<0.05)，the content of available K and organic matter were decreased slightly in both stages (P>0.05). The number of soil microorganisms by ZW treatment was increased during the single irrigation period. Three days after irrigation, bacteria, fungi and actinomycetes were increased by 41.5% (P< 0.05), 45% (P< 0.01), 19% (P< 0.05). Five days after irrigation，the number of actinomycetes was increased by 93.2% (P< 0.01). Total increase order was bacteria > actinomycetes > fungi.【Conclusion】Water warming irrigation can not only promote the absorption of soil nutrients in cotton, thus reducing the nutrient content in soil, but also enrich the amount of microorganism in soil and accelerate soil nutrient cycling.

cotton; warming irrigation;soil nutrient;microbial number

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.02.017

2016-11-04

國家自然科學基金項目“滴灌灌溉水溫對新疆灰漠土環境及棉花生長影響機制研究”(51169025)

孟阿靜(1989-)，女，河南人，助理研究員，碩士研究生，研究方向為植物生理生化，(E-mail)maj19890917@163.com

馮耀祖(1973-)，男，甘肅人，研究員，研究方向為植物營養，(E-mail)fengyaozu@sina.com

S562；S153

A

1001-4330(2017)02-0336-07