膜下滴灌棉田土壤物理質(zhì)量對棉花產(chǎn)量的影響

狄云麗 遲春明

（塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾，843300）

土壤肥力包括水分、空氣、熱量、營養(yǎng)條件等4個方面的因素［1-2］。其中，水分、空氣和熱量條件均屬于土壤物理性質(zhì)。而且，水分與空氣條件是一對矛盾體，二者共同貯存于土壤孔隙中。因此，在土壤孔隙不變的情況下，水分增加必然導(dǎo)致空氣減少，反之亦然。另外，土壤水分和空氣變化又能影響熱量狀況［1-2］。因此，土壤物理性質(zhì)是一個綜合因素。其影響因素即包括質(zhì)地［3］、容重［4］或緊實度［5］、孔隙分布［6-7］、結(jié)構(gòu)體類型［8-9］、有機質(zhì)含量［10］等土壤自身性質(zhì)，又包括耕作栽培制度［11］、灌溉施肥措施［12］等外部因素。但是，上述因素中某一單獨因素指標(biāo)僅能反映土壤物理性質(zhì)的某一方面。為了全面反映土壤物理性質(zhì)的綜合狀況，Dexter提出了土壤物理質(zhì)量（S）這一指標(biāo)，其是指以土壤水吸力自然對數(shù)為自變量、土壤質(zhì)量含水量為因變量的土壤水分特征曲線van Genuchten(1980)［13］模 型 拐 點 對 應(yīng) 的 斜 率 的 絕 對值［14-16］。研究表明，S與土壤通透性［16-17］、容重［18］、耕作質(zhì)量［19］、機械阻力［20］、水分有效性［21］和根系生長狀況［18］等密切相關(guān)。基于S的土壤物理質(zhì)量經(jīng)驗性的定量分級標(biāo)準(zhǔn)為：S≥0.05，優(yōu)；0.035≤S＜0.05，良；0.020 ≤S＜ 0.035，差；S＜ 0.020，極差［18］。

土壤物理質(zhì)量（S）作為土壤物理性質(zhì)表征指標(biāo)必然對作物生長和產(chǎn)量具有重要影響，但是，這方面的研究鮮見報道。本研究針對膜下滴灌水肥一體化管理棉田礦物質(zhì)營養(yǎng)供給充足、土壤物理質(zhì)量成為棉花產(chǎn)量主要影響因素這一情況，分析土壤物理質(zhì)量對棉花產(chǎn)量的影響，旨在為棉田土壤肥力調(diào)控提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第一師13團6連和第一師農(nóng)科所2塊試驗田進行，田塊編號分別為1#和2#。其中，1#試驗田總面積 3.3 hm2，2#試驗田總面積6.6 hm2。兩塊試驗田均含有壤土和重壤土兩種質(zhì)地。0-20 cm和20-40 cm土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗田土壤理化性質(zhì)

每種質(zhì)地的土壤設(shè)6個試驗小區(qū)（6次重復(fù)），小區(qū)面積110m2，排列方式見圖1。棉花種植模式為一膜六行，寬窄行配置模式（10 cm+66 cm+10 cm+66 cm+10 cm）。試驗各小區(qū)的田間管理相一致。播種密度為18萬株·hm-2。8月中旬調(diào)查一次株高。棉花收獲前，每個小區(qū)選取6.67 m2，調(diào)查收獲密度；每小區(qū)選15株室內(nèi)考種，測定單株有效鈴數(shù)、單鈴重。

圖1 試驗小區(qū)設(shè)計方案示意圖

1.2 測定方法

土壤容重采用環(huán)刀法測定［22］，土壤田間持水量采用威爾科克斯法測定［22］，土壤飽和含水量由計算獲得：

式中，ws（g·g-1）為土壤飽和含水量，Db（g·cm-3）為土壤容重，2.65（g·cm-3）為土粒密度。土壤物理質(zhì)量（S）采用公式計算［14］：

式中，m為土壤水分特征曲線van Genuchten（1980）模型參數(shù)，其采用公式計算［23］：

式中，wFC為土壤田間持水量，wr（g·g-1）為殘余含水量，本文中取0.05 g·g-1。

土壤毛管斷裂含水量（wRC）采用公式計算［23］：

土壤最大速效水分區(qū)間采用公式計算：

式中，θER-max（cm3·cm-3）為土壤最大速效水分區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)，土壤水分能夠快速的被植物吸收，或植物對水分的吸收沒有受到抑制。

土壤通氣孔隙度采用公式計算：

式中，θAIR為通氣孔隙度，是指通氣孔隙占土壤總體積的比例。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重對S的影響

土壤容重與S的關(guān)系如圖2所示。可見，隨土壤容重（Db）的逐漸增加S逐漸降低。二者間呈線性關(guān)系，其擬合方程為：

由方程（7）計算可得，當(dāng)S=0.02所對應(yīng)的土壤容重為1.608 g·cm-3。一般情況下，容重達(dá)到1.5-1.6 g·cm-3時，土壤緊實度很高，物理性質(zhì)嚴(yán)重惡化，作物根系生長發(fā)育受到顯著抑制［24-25］。該結(jié)果表明，將S=0.02作為土壤物理質(zhì)量極差的臨界值是合適的。

圖2 土壤容重對土壤物理質(zhì)量（S）的影響

圖3 土壤物理質(zhì)量（S）與土壤最大速效水分區(qū)間（θER-max）關(guān)系

2.2 土壤S與θER-max關(guān)系

土壤S與θER-max關(guān)系如圖3所示，隨著S的升高θER-max逐漸增大，二者間具有良好的線性關(guān)系：

這說明隨S的降低θER-max逐漸減少，即作物可吸收的速效水分逐漸減小。因此，S越小土壤對植物產(chǎn)生水分脅迫的可能性越高。

2.3 土壤物理質(zhì)量（S）對棉花株高的影響

由表2可見，棉花株高隨S的增加而增加。1#田塊壤土和重壤土0-40 cm土層S平均值分別為0.037 1和0.024 0，對應(yīng)的棉花株高分別為91.6 cm和82.9 cm，2#試驗田壤土和重壤土0-40 cm土層S平均值分別為0.038 9和0.030 6，對應(yīng)的棉花株高分別為92.3 cm和83.7 cm。

表2 土壤理質(zhì)量（S）對棉花株高和產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

2.4 土壤物理質(zhì)量（S）對棉花產(chǎn)量及其組成要素的影響

由表2可知，同一田塊內(nèi)，壤土和重壤土S差異顯著，籽棉產(chǎn)量及其構(gòu)成要素間差異也達(dá)到顯著水平。1#田塊壤土和重壤土0-40 cm土層S平均值分別為0.037 1和0.024 0，對應(yīng)的收獲密度分別為17.3萬株·hm-2和16.4萬株·hm-2，單株有效鈴數(shù)分別為6.0個和5.3個，單鈴重分別為5.5 g和5.0 g，而產(chǎn)量分別為 5 709.0 kg·hm-2和4 346.0 kg·hm-2。產(chǎn)量（Y）與S間的線性關(guān)系方程為：Y（kg·hm-2）=104 172S+1 784.3（R2=0.983 8，P＜0.01）。

3 討論

隨著S的降低，土壤容重增加，這與Dexter的研究相一致［14］。而容重增大必然導(dǎo)致緊實度提高。李志洪和王淑平［4］研究表明，白漿土容重由0.84 g·cm-3增加到1.31 g·cm-3時，緊實度由0.5 kg·cm-2增加到2.6 kg·cm-2，而黑土容重由 0.94 g·cm-3增加到 1.46 g·cm-3時，緊實度由 1.5 kg·cm-2增加到2.8 kg·cm-2。這導(dǎo)致小麥根系長度和重量均隨容重增加而降低，進而導(dǎo)致產(chǎn)量隨容重增加而下降。

土壤S與機械阻力（SMR，kPa）的關(guān)系方程為［20］：

式中，δ為有效飽和度，δ=（w-wr）/（ws-wr）。機械阻力限制作物根系生長，將機械阻力限制條件下的根系生長與無機械阻力限制的根系最佳生長的比值定義為相對生長率（R），其與SMR的關(guān)系為［18］：

因此，根系生長隨S的降低而降低。經(jīng)計算，本研究中1#試驗田壤土和重壤土0-40 cm土層S平均值分別為0.037 1和0.024 0，則SMR平均值分別為1 324 kPa和1 890 kPa，對應(yīng)的R分別為0.56和0.44；2#試驗田壤土和重壤土0-40 cm土層S平均值分別為0.038 9和0.030 6，則SMR平均值分別為1 287 kPa和1 547 kPa，對應(yīng)的R分別為0.57和0.51。因此，S降低會導(dǎo)致土壤機械阻力增大［20］。而機械阻力的增加導(dǎo)致根系生長受阻，這與宋家祥等［5］、李潮海等［24］的研究相一致。同時，機械阻力的增加還會引起水分有效性的降低［25］，最終影響產(chǎn)量。

機械阻力除了影響根系生長外，可能還會影響出苗情況，一般而言，機械阻力越大，土壤越緊實，作物出苗受到的阻力越大。本研究中，S越小對應(yīng)的棉花收獲密度越小。這可能與S越小機械阻力越大有關(guān)。

S與θER-max密切相關(guān)，當(dāng)土壤含水量處于θER-max的上限（wFC）和下限（wRC）范圍內(nèi)，土壤水分供應(yīng)充足，作物不會受到水分脅迫。理論上，當(dāng)土壤含水量降低到wRC時就應(yīng)該開始進行灌溉，不然作物吸水就會變得困難，即發(fā)生水分脅迫［1-2］。例如，吳元芝和黃明斌研究表明，以相對含水量為水分脅迫指標(biāo)時，重壤土、中壤土和砂壤土開始影響玉米的凈光合速率的水分脅迫閾值分別為0.80、0.74和0.57［3］；吳立峰等研究表明，北疆棉田灌水量在80%棉花蒸發(fā)蒸騰量時可以獲得低于最高籽棉產(chǎn)量約5%的籽棉產(chǎn)量和最高的水分利用效率［12］。因此，在生產(chǎn)實踐中最好對土壤水分狀況進行實時監(jiān)測，但是這往往不能實現(xiàn)。在南疆膜下滴灌棉田中，生產(chǎn)實踐中常常在6月中上旬開始第一次灌溉，而后相隔7天左右進行下一次灌溉，灌水定額的平均值約為37.5 mm。蔡煥杰等研究表明，籽棉產(chǎn)量達(dá)到6 000 kg·hm-2以上，膜下滴灌棉田苗期后的日平均耗水量約為4.8 mm［26］，則7天的耗水量為33.6 mm。按本研究0-40 cm土層計算，如果不發(fā)生水分脅迫，則θER-max應(yīng)大于0.084 cm3·cm-3，根據(jù)方程（8）其對應(yīng)的S=0.035。這與Dexter［16］關(guān)于S的分級閾值相符合。說明區(qū)域內(nèi)棉花耗水情況主要由土壤水分供應(yīng)狀況決定。生產(chǎn)實踐中，灌水定額的平均值約為37.5 mm，超過33.6 mm，此時土壤灌溉深度大于40 cm，有利于緩解或消除S＜0.035土壤的水分脅迫。因此，應(yīng)該根據(jù)土壤物理質(zhì)量制定相應(yīng)的灌溉制度。

當(dāng)土壤S＜0.035時，提高灌水定額有助于消除土壤對植物的水分脅迫。但是，S過低會導(dǎo)致土壤通氣性不足，影響作物生長。作物正常生長所需求的通氣孔隙度閾值為θAIR≥0.1［27］。本研究中，θAIR與S的關(guān)系方程為：θAIR=1.984 9S+0.040 4（R2=0.997，P＜0.01）。根據(jù)該方程，θAIR=0.1對應(yīng)S=0.030。因此，本研究中S＜0.030的土壤通氣性不足，會對棉花生長和產(chǎn)量產(chǎn)生抑制作用。這與試驗結(jié)果相一致。1#和2#田塊重壤土0-40 cm土層的S分別為0.024和0.030 6，因此，1#田塊重壤土通氣不足，2#田塊重壤通氣情況處于臨界狀態(tài)。

4 結(jié)論

參數(shù)S與土壤容重、土壤速效水分區(qū)間和通氣孔隙度均具有顯著的相關(guān)性。而容重、水分有效性和通氣狀況均能影響作物生長和產(chǎn)量，因此，S作為土壤物理質(zhì)量的綜合參數(shù)可以反映作物產(chǎn)量情況。本研究中，籽棉產(chǎn)量（Y）與S間的線性關(guān)系方程為：Y（kg·hm-2）=104 172S+1 784.3（R2=0.983 8，P＜0.01）。當(dāng)S=0.035時，對應(yīng)的籽棉產(chǎn)量為5430 kg·hm-2。南疆棉花高產(chǎn)的目標(biāo)產(chǎn)量在5 250-6 750 kg·hm-2。因此，使用S分級標(biāo)準(zhǔn)作為膜下滴灌棉田產(chǎn)量管理依據(jù)是可行的。

本研究中，壤土0.035＜S＜0.040，產(chǎn)量平均值達(dá)到5 790.1 kg·hm-2，籽棉產(chǎn)量還有進一步提升空間，產(chǎn)量限制因素應(yīng)該是緊實度對出苗和根系生長有一定的影響；2#田塊重壤土的S=0.030 6，對應(yīng)籽棉產(chǎn)量為4 836.8 kg·hm-2，產(chǎn)量限制因素主要包括機械阻力偏高導(dǎo)致收獲密度下降，速效水分供應(yīng)不足導(dǎo)致單株鈴數(shù)和單鈴重下降；1#田塊重壤土的S=0.024 0，對應(yīng)籽棉產(chǎn)量為4 346.0 kg·hm-2，產(chǎn)量限制因素包括機械阻力過高影響收獲密度，速效水分供應(yīng)不足和通氣不良供導(dǎo)致單株鈴數(shù)和單鈴重降低。因此，隨著S逐漸降低，導(dǎo)致棉花減產(chǎn)的因素也發(fā)生變化。當(dāng)0.035＜S＜0.050，產(chǎn)量制約因素為機械阻力；0.030＜S＜0.0350，減產(chǎn)因素為機械阻力與水分脅迫；S＜0.0300，減產(chǎn)因素為機械阻力、水分脅迫與通氣不足。