土壤改良劑對南疆棉田“干播濕出”模式土壤性狀和出苗率的影響研究

韓政宇，張江輝，白云崗，鄭 明，劉洪波，肖 軍，丁 宇，趙經華

（1.新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電科學研究院，烏魯木齊 830049）

0 引 言

新疆棉花產業(yè)在我國棉花生產中占有很大比例，南疆地區(qū)作為重要的優(yōu)質棉生產基地和典型的純灌溉農業(yè)類型區(qū)，農業(yè)用水占比高達97%以上[1]。這些灌區(qū)灌溉技術落后，用水效率不高，浪費水資源的同時也破壞了土壤結構[2]，造成耕地次生鹽漬化，使得土質狀況持續(xù)惡化。而土壤改良劑能有效地改善土壤理化性狀[3]，從而改善土壤結構和提高用水效率。因此研究土壤改良劑對棉田土壤改良效果對新疆農業(yè)經濟的發(fā)展具有重大意義。

土壤改良劑在鹽堿地治理方面有著廣泛的應用，施用腐殖酸可促進作物對營養(yǎng)元素的吸收，尤其對種子萌芽、幼苗以及根系生長具有積極作用[4,5]。同時還能夠改善土壤理化性質、降低鹽堿度、增加酶活性、促進植物根部生長和代謝、加強體內細胞進行光合作用與呼吸作用，進而提升作物產量[6-8]。菌肥的構成養(yǎng)分合理，用它修復后的土壤變得疏松、土壤毛細管孔隙減少而非毛細管孔隙增多，從而能夠加速淋鹽，抑制返鹽[9]。蚯蚓的消化道可分泌出蛋白酶、纖維分解酶、甲殼酶等酶類，同時蚯蚓與土壤環(huán)境中微生物具有協(xié)同作用[10]。氮素是調控作物生長、群體發(fā)育和提高水分利用效率的重要營養(yǎng)元素[11]。

新疆農業(yè)灌溉水源日趨減少，在水資源“三條紅線”定額管理條件下，冬灌或春灌用水日益緊缺，為節(jié)約水資源，人們開始探索冬灌春不灌、春灌冬不灌[12]、少免冬春灌棉花膜下滴灌技術[13]。棉花的“干播濕出”技術是前茬作物收獲、秸稈粉碎還田后，不再進行冬灌、春灌，來年耕翻、整地[14]、鋪膜敷帶播種、播種后滴水模式?！案刹癯觥笔怯稍瓉淼亩汗嘈钏勀Ｊ睫D化為播種時的地膜保墑和滴灌補墑模式[15]。通過非生育期減少冬春灌，保證生育期用水需求，緩解了用水緊張的問題，但無冬春灌春季土壤含鹽量高，再加上棉田土質偏黏、土壤結構性差，滴施出苗水后土壤緊固、硬化出現覆土板結問題，棉種即使發(fā)芽也難以出土。前人大多研究改良劑對鹽堿化土壤理化性質的影響，而對干旱內陸鹽堿土干播濕出模式下綜合分析不同改良劑單施、配施對干旱區(qū)鹽堿耕地土壤改良效果的研究較少。因此，本研究通過不同土壤改良劑處理對干旱鹽堿區(qū)土壤水、熱、鹽、緊實度以及棉花出苗的影響，探索鹽漬化棉田“干播濕出”條件下施用土壤改良劑促進棉種發(fā)芽出苗的最優(yōu)方案。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2021年4-9月在新疆阿克蘇地區(qū)沙雅縣海樓鎮(zhèn)海樓村（41°28′N，82°71′E）進行，試驗區(qū)位于天山中段以南，塔克拉瑪干大沙漠北緣，塔里木河中游，海拔946～1 050 m[16]。該地區(qū)遠離海洋，屬于典型的大陸性暖溫帶干旱氣候，氣候干燥，風沙頻繁，降水稀少，蒸發(fā)量大，全年平均降水量為64.9 mm，主要集中在夏季，年總蒸發(fā)量為2 072.6 mm，蒸發(fā)量是降水量的31.9 倍，夏季降水較多，約占全年降水量的50%以上；冬季降水較少，約占全年降水量的10%以下[17]，試驗地土質多為壤土和黏土，0～100 cm 土層平均容重和平均含水量分別為1.61 g/cm3和14.32%（質量含水率），地下水埋深為3.8 m左右。

1.2 試驗設計

試驗設置改良處理組合和對照共8 個處理，各處理重復3次，每個小區(qū)面積42 m2，出苗水均為900 m3/hm2，3種土壤改良劑分別為：腐殖酸，興農藥業(yè)（中國）有限公司生產，含10%的腐殖酸鉀，黑褐色液體；蚯蚓酶氮素，新疆中農宏遠農業(yè)科技有限公司生產，土壤修復劑蚯蚓酶1 000 g/t；碳基酶微生物菌劑云南田聚力肥業(yè)有限公司生產，有效活菌數≥10億/g。具體試驗設計見表1，膜下滴灌種植模式是“一膜三管六行”，供試作物為棉花，于2021年4月18日播種，犁地前施底肥19-20-8 復合肥900 kg/hm2，土壤改良劑隨出苗水滴施進土壤，灌溉制度、施肥制度及其它管理模式參照當地大田模式。

表1 試驗處理Tab.1 Treatments of experiment

1.3 測定項目及方法

土壤含水量與含鹽量：用取土鉆在同一剖面的寬行、窄行（滴頭下方）及兩膜中間位置取樣，取樣土層分別為0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80 和80～100 cm，以得到各層平均土壤含水率和含鹽量，在播種后開始鋪設管道劃分小區(qū)并取一次土，之后進行滴灌，灌后每隔3 d 取一次土。土壤質量含水率采用烘干法（105±2 °C，24 h）測定。土壤鹽分含量采用土水質量比1∶5 電導法測定，通過對土壤浸提液電導率和已測土壤含鹽量擬合得到公式（1）。然后將電導率轉化為土壤含鹽量：

式中：y為土壤含鹽量；EC5:1為土水質量比1∶5條件下測定的電導率。

土壤脫鹽率=（試驗前土壤總鹽值－試驗后土壤總鹽值）/試驗前土壤總鹽值×100%。

土壤緊實度測定：使用CP40Ⅱ土壤緊實度儀進行測定，在出苗水后十天測量，每個處理任意選取12 個未出苗棉孔處測量其表層土壤緊實度。

地溫：采用金屬曲管溫度計在試驗小區(qū)膜邊（棉苗附近）觀測地下5、10、15、20、25 cm 處地溫，播后觀測8∶00～20∶00 時間段的地溫日變化（每隔2 h 測量一次地溫數據）。土壤有效積溫：采用以下公式計算[18]：

式中：K為出苗期土壤總有效積溫，℃；T為當天平均地溫；N為播種灌水后到苗期所測量地溫的天數，d；C為生長發(fā)育的下限溫度14 ℃。

出苗率：播種15 d 后，對不同處理小區(qū)進行出苗率測定，每個處理選取3個樣點，每個樣點測100穴棉苗。

1.4 數據統(tǒng)計與分析

采用Excel 365 和SPSS 24.0 進行數據處理與分析，用最小顯著差數法（LSD）檢驗平均數，進行不同處理的差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同改良劑處理對土壤鹽分的影響

由表2可知，與對照處理相比，在0～40 cm 土層范圍內，土壤含鹽量呈現降低的現象。其中，在0～20 cm 鹽分較對照處理差異顯著(P＜0.05)，20～40 cm 土層鹽分較0～20 cm 土層稍有提高，出現鹽分聚集現象，但相較對照的灌溉淋洗還是有所降低，說明改良劑的施入在0～20 cm 土層洗鹽效果明顯，20～40 cm 洗鹽效果較差，這可能是因為土壤改良劑隨出苗水滴施作用下，鹽分被淋洗到更深層土壤中。

表2 不同改良劑處理各土層鹽分含量g/kgTab.2 Salt content of each soil layer under different treatments

改良劑對土壤鹽分的影響程度用土壤脫鹽率表示。本研究對0～40 cm 土層脫鹽率進行了分析，結果如圖1所示。在0～20 cm 土層，對照處理的土壤脫鹽率達到了25.37%，不同改良劑處理對棉花出苗期土壤脫鹽效果顯著。其中改良劑單施情況下腐殖酸的脫鹽效果最好，土壤脫鹽率達到了58.41%，相比對照處理脫鹽率增加了33.04%。改良劑配施情況下，三種改良劑混合配施效果最好，土壤脫鹽率達到了66.96%，腐殖酸和微生物菌劑配施效果好于兩者單施，G6、G5 效果也好于蚯蚓酶氮素單施，在20～40 cm 土層，土壤脫鹽率較0～20 cm 土層明顯降低，對照處理出現積鹽現象，說明施加改良劑的脫鹽效果隨土層深度的增加而減弱；灌溉淋洗有壓鹽效果，但在滴灌配施加改良劑會使土壤鹽分更容易向下淋洗。

圖1 不同處理0～40 cm土層脫鹽率Fig.1 Desalination rate of 0～40 cm soil layer in different treatments

2.2 不同改良劑處理對土壤含水率的影響

不同改良劑處理下棉花出苗期0～20 cm 土層的膜下剖面含水率動態(tài)變化（圖2）。改良劑處理不同，土壤剖面水分動態(tài)變化有所差異，但變化趨勢基本一致，整體呈先增后減的趨勢。隨著時間的推進，各改良劑處理的土壤含水率都明顯好于對照處理，較對照處理提升幅度為6.68%～18.16%，說明改良劑處理能夠改善棉花出苗期土壤的含水率狀況。在單施情況下，施腐殖酸的處理土壤含水率最高，水分動態(tài)變化最穩(wěn)定；在配施情況下，G5 和G6 處理差異不明顯，G7 處理土壤含水率的整體效果最好，說明3 種土壤改良劑混施的處理淺耕層保水能力高于其他處理。

圖2 不同改良劑處理0～20 cm土層含水率動態(tài)變化Fig.2 Dynamic change of water content of 0～20 cm soil layer under different treatments

由圖3可知，各改良劑處理土壤含水率隨土層深度的增加呈先增后減的分布特征。0～10 cm 土層含水率比10～20 cm 土層低，可能是由于氣候干旱，氣溫較高，表層土壤水分蒸發(fā)強烈，導致水分損失。在0～30 cm 土層，改良劑處理下的土壤含水率均高于對照處理，說明土壤改良劑可以起到保墑蓄水的作用。此外，改良劑配施效果都好于單施。在改良劑單施情況下，施腐殖酸的處理土壤含水率最高，相較CK 增加了13.26%；在配施情況下，G7處理土壤含水率的效果最好。0～30 cm 土層含水率差異明顯，而30 cm 以下土層各處理土壤含水率差異性不大，原因可能是改良劑能改善土壤結構，從而增強了土壤的持水效果，使得水分較多的保留在淺耕層。30 cm 以下土層較0～30 cm 土層含水率明顯增多，可能是由于土壤水分滲漏且土壤深層水分不受蒸發(fā)的影響，80～100 cm 出現了含水率降低現象。

圖3 不同改良劑處理土壤含水率垂直分布情況Fig.3 Vertical distribution of soil water content in different treatments

2.3 不同改良劑處理對土壤地溫的影響

土壤溫度影響著棉花的發(fā)芽和幼苗生長，以2021年4月28日觀測的地溫數據為例，分析不同改良劑處理下對棉花土壤溫度日變化的影響（圖4）。

圖4 不同土層各處理土壤溫度日變化Fig.4 Daily variation of soil temperature in different soil layers under different treatments

不同改良劑處理下各土層地溫日變化趨勢與對照處理沒有明顯差異。在5 cm 土層，各處理土壤溫度在8∶00 至16∶00 處于升溫階段，在16∶00（此時大氣溫度最高，土壤表層吸熱大）時溫度最高的為CK 處理，最高溫度為34.5 ℃，溫度最低為對照處理G7，最高溫度為28.4 ℃，相差6.1 ℃，之后土壤溫度隨時間推移逐漸降低，地溫變化隨氣溫變化一致。改良劑單施情況下，G1 處理效果最好，較對照處理平均地溫提高了2.9 ℃；配施情況下，G7處理效果最好，其次是G4處理，G5和G6處理相差較小，說明施改良劑處理相較對照處理更能調控土壤溫度的變化，提高土壤溫度。在10 cm 土層，各改良劑處理土壤溫度影響效果較5 cm 土層一致，溫差變化幅度減弱，說明改良劑對5 cm 土層溫度影響效果較好，隨土層深度的增加作用效果在減弱。棉花苗期根系較淺大都分布5 cm 土層范圍內，研究表層5 cm 土壤溫度的變化對棉苗的生長發(fā)育具有重要意義[19]。各處理灌水后到出苗期5 cm 的平均地溫見表3，相較對照而言，在5 cm土層各改良劑處理均提高了土壤的溫度，對5 cm 土層出苗期土壤有效積溫進行分析，改良劑處理均提高了出苗期的土壤有效積溫，增幅為16.7～41.5 ℃，改良劑單施情況下，有效積溫效果沒有明顯差異，其中施腐殖酸效果最好，較對照提高了22.9 ℃；配施情況G7 處理土壤有效積溫效果最好，相比對照提高了41.5 ℃。不同改良劑處理下棉花出苗期地溫變化規(guī)律分析表明施加改良劑在棉花初期有更好的增溫、保溫效果，有利于棉花早期出苗。

表3 各改良劑處理5 cm土層平均溫度和有效積溫Tab.3 Average temperature and effective accumulated temperature of 5 cm soil layer under different treatments

2.4 不同改良劑處理對土壤緊實度的影響

土壤緊實度是表征土壤質量的指標之一，是影響作物生長的重要因素。合理的改良劑施用是調控土壤緊實度的有效手段。土壤緊實度與棉花出苗率情況見圖5，該研究區(qū)土壤表層緊實度最大的是對照處理，其平均緊實度為242.18 kPa，改良劑單施處理中G3 效果最佳，緊實度為168.58 kPa，其次是G2、G1 處理；相比對照處理分別降低了30.36%、32.38%、32.79%；改良劑配施處理中G7 處理效果最好，緊實度為130.34 kPa，與對照處理相比土壤硬度降低了46.15%；各土壤改良劑處理土壤緊實度均小于對照，顯著性分析結果表明，在土壤表層各改良劑處理間差異不顯著（P>0.05），可能是由于受外力和降水等其他因素影響，但各改良劑處理與對照處理相比差異性顯著（P<0.05），說明各改良劑處理對降低土壤緊實度有明顯的作用效果。

圖5 各處理表層土壤緊實度Fig.5 Soil compaction degree of each treatment

2.5 不同改良劑對棉花出苗率及產量的影響

就棉花出苗率而言，土壤改良劑處理較對照差異性顯著，其中G7處理效果最好，出苗率達到了81.65%，各處理出苗率由高到低依次為G7、G6、G5、G4、G3、G1、G2、CK。出苗率方面比對照提高了23.51%、19.80%、17.76%、15.22%、13.46%、10.65%、8.01%。改良劑處理棉花產量均比對照處理高，單施情況下，施蚯蚓酶氮素效果最好，G5和G6無明顯差異，改良劑單施與配施差異性顯著，籽棉產量隨土壤改良劑用量的增加而提高，G7 處理棉花產量最高，比對照增產28.9%。說明棉花產量與改良劑的施用量有關。此外，棉花產量還與出苗率有關，出苗率越高，產量越高（見圖6）。

圖6 不同改良劑處理下籽棉產量與出苗率的變化情況Fig.6 Changes of seedling emergence rate and yield under under different treatments

2.6 棉花出苗率和土壤指標的相關分析

對棉花出苗率與各土壤指標進行皮爾遜相關分析（表4），結果顯示出苗率與土壤緊實度呈極顯著的負相關，相關系數為-0.922，與0～20 cm 土壤含水率、5 cm 地溫呈極顯著的正相關，與0～20 cm 土壤含鹽量呈顯著負相關，相關系數為-0.761，說明棉花出苗率主要受土壤緊實度、含鹽量、含水率和地溫等因素的影響，其中土壤緊實度對棉花出苗的影響最大。土壤緊實度與0～20 cm 土壤含鹽量呈極顯著的正相關，說明鹽分脅迫是影響土壤緊實度的重要因素，土壤含鹽量越高，土壤緊實度越大；0～20 cm 土壤含水率與0～20 cm 土壤含鹽量呈極顯著負相關，說明土壤含鹽率隨土壤含水率的升高而降低。

表4 棉花出苗率和土壤指標的相關分析Tab.4 Correlation analysis of cotton seedling emergence and soil indicators

3 討 論

本研究表明，所有改良劑處理在0～20 cm 土層的脫鹽率相較對照顯著提高，王新平等[20]通過田間試驗對比分析旱地龍改良劑應用效果，結果表明，應用旱地龍改良劑土壤脫鹽率可達30%以上，并認為可能跟腐殖酸的微生物肥料效應有關，這與本研究得到的結論相一致。所施腐殖酸中有效成分是腐殖酸鉀，有研究表明腐殖酸鉀對土壤中離子的交換和吸附能力會使土壤鹽分下降[21]。微生物菌劑中的有益微生物會在繁殖過程中能夠產生大量的多糖和粘膠，改善了土壤團粒結構，使得鹽堿土加速淋鹽作用，抑制了返鹽，降低土壤表層鹽分[22]。土壤含水量主要受土壤初始含水量和土壤蒸發(fā)的影響[23]，在相同灌溉定額下，減少土壤水分蒸發(fā)可以提高土壤含水量。有研究表明[24]，有機質的輸入能夠影響土壤的比表面積，改善土壤孔隙特征，增加土壤團聚體的穩(wěn)定性，進而影響土壤的蓄水保水性能。各改良劑處理土壤含水量相較對照顯著提高，可能是各改良劑中有機質發(fā)揮了作用。

干播濕出是在免冬春灌情況下播種后灌水，由于南疆氣候干燥，太陽輻射大，土壤表層水分的蒸發(fā)強烈，還有不合理的耕作方式破壞了土壤團聚體，降低了土壤有機質含量以及微生物的活動[25]，使得在滴水之后土壤容易形成硬化板結，剛發(fā)芽的棉苗會因此而頂不出來影響出苗率，本試驗中所選改良劑都有含有大量的有機質，研究表明各改良劑處理都降低土壤緊實度，該結果與劉慧軍等[26]的研究結論一致?？赡茉蚴峭寥烙袡C質的提升促進土壤團聚結構的形成[27]從而改善了土壤質量，降低了土壤緊實度。

施改良劑處理相較對照處理提高土壤的平均溫度和有效積溫，可能是由于改良劑增加了土壤中的有機質，其分解釋放了熱能，也可能是改善了土壤結構，土壤吸收光輻射提高土壤溫度的能力增強[28]。不同處理表現為土壤含水率越高，土壤溫度日變幅越小，平均溫度越高，可能是因為土壤含水率增大，由于水的比熱容較大，延緩了土壤溫度下降速度，具有平抑地溫的作用[29]土壤含鹽量、含水率、地溫、緊實度都是影響棉花出苗的重要因素。徐紅霞等[30]研究表明在適宜生長的溫度下，溫度越高對棉種發(fā)芽和幼苗生長越有利。本研究中并沒有完全表現出苗期有效積溫越高出苗率越好的趨勢，可能是由于各處理間有效積溫差距不大且棉花出苗率還與其它因素有關。對比各改良劑處理下土壤水鹽狀況和土壤緊實度與出苗率的關系，都表現為改良劑處理效果好于對照處理，其中，G7 處理對土壤改良的綜合效果最好，所以出苗率表現為最好。本研究選取的都是以改良土壤生物活性、改善土壤質量的土壤改良劑，通過改良土壤本身性質來實現對土壤水熱鹽和土壤緊實度的調控，從而提高棉花的出苗率。出苗率越高，產量越高，土壤改良劑的施用也有利于棉花的增產[20]。

4 結 論

（1）與對照處理相比，在0～20 cm 土層鹽分差異顯著（P＜0.05），各改良劑處理均有利于土壤的脫鹽，單施情況以腐殖酸效果（75 kg/hm2）最好，配施情況下，腐殖酸（75 kg/hm2）+碳基酶生物菌劑（75 kg/hm2）+蚯蚓酶氮素（225 kg/hm2）脫鹽效果最好。

（2）在單施情況下，施腐殖酸的處理土壤含水率最高，水分動態(tài)變化最穩(wěn)定；在配施情況下，G5和G6處理差異不明顯，G7處理土壤含水率的整體效果最好。

（3）改良劑單施情況下，腐殖酸處理效果最好，較對照處理平均地溫提高了2.9 ℃；配施情況下，以3 種改良劑配施處理效果最好，其次是G4處理，G5和G6處理相差較小

（4）各土壤改良劑處理土壤緊實度均小于對照，但各處理間差異不顯著（P>0.05），改良效果大致表現為G7>G6>G5>G4>G3>G2>G1。

綜合分析棉花出苗率主要受土壤緊實度、含鹽量含水率和地溫等因素的影響，其中土壤緊實度對棉花出苗的影響最大。出苗率越高，產量越高，土壤改良劑的施用有利于棉花增產。腐殖酸（75 kg/hm2）+碳基酶生物菌劑（75 kg/hm2）+蚯蚓酶氮素（225 kg/hm2）三者混合配施是改良土壤、促進棉種發(fā)芽出苗的最優(yōu)方案。