增温水灌溉对棉花根际土壤养分和土壤微生物数量的影响

孟阿静，严晶 ，库德热提·巴吾东，顾成刚，王治国，付彦博，

饶晓娟4，盛建东1，冯耀祖4(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业科学院拜城农业试验站，新疆拜城 8423001； 3.哈密市巴里坤县奎苏镇农业发展服务中心，新疆哈密 839203；4.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091)

增温水灌溉对棉花根际土壤养分和土壤微生物数量的影响

孟阿静1,2,3，严晶2，库德热提·巴吾东2，顾成刚3，王治国4，付彦博4，

饶晓娟4，盛建东1，冯耀祖4(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业科学院拜城农业试验站，新疆拜城 8423001； 3.哈密市巴里坤县奎苏镇农业发展服务中心，新疆哈密 839203；4.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091)

【目的】通过田间增温水灌溉(ZW)和井水灌溉(CK)小区实验，研究滴灌温度对棉花根际土壤养分及微生物数量的影响。【方法】在膜下滴灌条件下，设置增温滴灌和井水滴灌2水平3重复处理，在棉花蕾期、铃期时采集棉花根际0～20 cm土壤，测定土壤速效N、有效P、速效K及有机质含量，并在蕾期时取完整灌水周期中根际土壤鲜样测定土壤细菌、真菌、放线菌数量。【结果】 蕾期时ZW处理土壤速效氮含量较CK减少13.51%(P<0.05)，铃期时，有效磷含量减少26.7%(P<0.05)，两时期中ZW处理下速效钾，有机质含量均略低于CK处理(P>0.05)；完整灌水周期内ZW处理土壤微生物数量均有所增加，其中灌水后第3 d，细菌、真菌、放线菌分别增加了41.5%(P<0.05)、45%(P<0.01)、19%(P<0.05)，灌后第5 d，放线菌数量增加了93.2%(P<0.01)，总增加量为细菌>放线菌>真菌。【结论】增温水灌溉可以促进棉花对土壤养分的吸收，降低土壤中养分含量，亦可丰富土壤中微生物总量，促进土壤养分循环转化。

棉花；增温滴灌；土壤养分；微生物数量

0 引言

【研究意义】土壤养分及土壤微生物数量是反应土壤肥力的重要指标[1]，二者受自然因素的影响，温度变化将直接影响土壤生物系统，从而可能影响土壤养分状况和微生物数量[2-3]，研究增温水灌溉下棉花根际土壤养分状况及微生物数量变化，了解增温对棉花生长的影响具有实际意义。【前人研究进展】土壤速效N、P、K 含量反映了土壤中N、P、K 的现实供应状况，对作物的生长发育起着十分重要的作用[1]，李伏生等[4]研究表明温度升高后，作物的生育期缩短，地上部分的生物量增加，地下养分的吸收加快，最终增温促进了作物的生长发育。土壤微生物数量与土壤肥力呈正相关关系，许多研究表明[5-7]土壤温度升高对土壤微生物数量，活性等方面影响显著。【本研究切入点】棉花是新疆最重要的经济作物，也是喜温作物[8]，而新疆地下井水水温很低，春季井水平均水温约9℃[9]，一般夏季井水温度为10～15℃，80%的棉花滴灌时抽取地下井水不进行任何增温处理就滴入棉田，而低温井水与土壤环境温度存在差异，进入土壤必然会与其发生热量的交换与转移，从而降地土壤温度，抑制棉花对土壤养分的吸收，影响棉花生长发育。【拟解决的关键问题】研究增温水灌溉和井水灌溉对棉花根际土壤养分及微生物数量的影响，来反应不同温度环境下棉花生长情况，为新疆低温井水滴灌技术提出应对措施，为新疆棉花的持续高产提供理论与技术依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2014年4～10月在新疆乌鲁木齐市国家灰漠土肥力与肥料效益重点野外科学观测试验站 (N：43°95′26″，E：87°46′45″) 进行。该试验站位于新疆乌鲁木齐市以北22 km 的新疆农业科学院安宁区综合试验场内。国家灰漠土肥力与肥料效益重点野外科学观测试验站，海拔高度 680～920 m，4月20日～10月20日(棉花生育期)平均气温为20.25℃，年降水量180～250 mm，年蒸发量1 600～2 200 mm，年均日照时数2 594 h，无霜期156 d，属干旱半干旱荒漠气候。试验土壤类型为中度熟化的灰漠土。试验地土壤状况为，土层深度0～20 cm，速效氮69.41 g/kg，速效磷10.14 mg/kg，速效钾122.00 mg/kg，有机质10.89 g/kg，总盐1.80 g/kg。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验分增温水灌溉(ZW)和井水灌溉(CK)两个处理，ZW处理是将从井里抽出来的水，流入容积400 L的桶中，桶内置一增压泵与即时热水器相连，即井水流入储水桶中，通过增压泵将水泵入热水器中，加热后在流入桶中，当桶中温度升至30℃(通过已有的棉花最适生长的土温为30℃左右[10]及膜下滴灌棉花土壤温度动态变化规律确定[11])时进行灌溉；CK处理即直接用井水灌溉，通过瞬时温度计测定滴头温度，ZW处理滴头温度为28～32℃，CK处理滴头温度16～19℃。

试验设2个处理，6个小区，每个小区面积9.6 m2。全生育期灌水量为3 900 m3/hm2，每周灌水1次，共灌水13次；全生育期共施入尿素、磷酸二铵、磷酸二氢钾为：300、300和75 kg/hm2，其中尿素30%基施，70%追施，磷酸二铵、磷酸二氢钾全部基施；播种日期为4月24日， 9月28日测产收获。图1

注：1.水源water；2.出水口water outlet；3.即时热水器instant water heater；4.控水阀control water valve；5.储水桶storage bucket；6.出水口water outlet；7.入水口entry nozzle；8.潜水泵submersible pump；9.回水管return pipe；10.瞬时温度计instantaneous thermometer；11.调压阀pressure regulating valve；12.水表water meter；13.控水阀control water valve；14.施肥罐fertilization pot；15.压力表pressure gauge；16.滴灌支管drip irrigation pipe；17.毛管capillary

图1 增温灌溉装置
Fig.1 Temperature increasing device for drip irrigation

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 温度记录

采用DT-80(美国TENMARS)温度采集器，在滴头正下方5、10、15和20 cm深处埋下温度探头，每20 min记录一次温度，定期采集数据。

1.2.2.2 土壤养分

于2014年6月25日(蕾期)、8月15日(铃期)采用5点法在每个小区随机采取0～20 cm棉花根际土壤3份并混合成一份样品，共2处理，6个小区，即每处理3组土样。采集的土壤样品，自然风干，过筛处理后，按照常规方法进行养分的测定。有机质测定采用重铬酸钾容量法，碱解氮测定采用碱解扩散法，有效磷测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾测定采用醋酸铵浸提-火焰光度法[12]。

1.2.2.3 微生物数量

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根际土壤样品，根际土壤采用抖土法采集[13]，土样于4℃冰箱中进行保存，微生物数量测定采用稀释平板涂抹培养计数法分析。细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，放线菌采用改良的高氏一号培养基(每300 mL 培养基中加3%重铬酸钾1 mL)，真菌采用PDA 培养基(每100 mL 培养基加1%链霉素溶液0.3 mL)[14]。

1.3 数据统计

所有数据统计分析均在Microsoft Excel 2010和DPS 3.01统计软件上完成，采用单因素分析LSD法比较不同处理间各参数的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 增温水灌溉下土壤温度变化规律

蕾期(于6月22～28日监测)增温水灌溉与井水灌溉相比，灌水后5、10、15和20 cm处土壤温差分别为：4.65、3.69、3.40和2.36℃。随着灌水后时间的增长不同土层间温差逐渐变小，其中灌后1 d 0～20 cm土层温差依次为：2.33、2.15、2.57和2.32℃,灌后2～6 d，不同土层间温差均小于0.5℃，土壤温度与气温呈现正相关关系(图2-1)。铃期(于8月5～11日监测)，增温水灌溉下不同土层温度均高于井水灌溉，灌后1～5 d，温差保持在4℃左右，灌后第6 d温差降到2℃，除灌后第4 d，气温略高于增温水灌溉0～20 cm土层温度，其余时间为土温略高于气温，井水灌溉下整个灌水周期0～20 cm土层温度均低于气温，最高温差达4.65℃，平均温差为3.43℃(图2-2)。图2

注：2-1 蕾期时土温变化规律；2-2 铃期时土温变化规律

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

图2 完整灌水周期内土温变化规律
Fig.2 Change rule of soil temperature in an irrigation period

2.2 增温水灌溉对土壤养分的影响

2.2.1 速效氮变化情况

氮是土壤中最为活跃的大量营养元素之一，速效氮含量在一定程度上可以反映出土壤氮素的供应强度。蕾期时ZW处理下土壤中速效氮含量为59.3 mg/kg，较CK降低9.3 mg/kg，降幅为13.51%(P<0.05)；铃期时ZW处理速效氮含量为43.2 g/kg，较CK减少7.89%(P>0.05)。由此说明ZW处理有助于棉花对土壤中N素的吸收。图3

注：小写字母(a,b,c)别表示差异达P<0.05 显著性水平，下同

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

图3 0～20 cm土层速效氮含量
Fig.3 Available N uptake of 0-20 cm soil

2.2.2 有效磷变化

土壤有效磷是土壤磷素养分供应水平高低的指标, 土壤磷素含量高低在一定程度反映了土壤中磷素的贮量和供应能力。蕾期时ZW处理土壤中有效磷含量为10.6 mg/kg，较CK增加了3.4%(P>0.05)，铃期时ZW处理有效磷较CK减少了26.7%(P<0.05)，由此说明铃期时增温灌溉明显促进了植株对P素的吸收。图4

图4 0～20 cm土层有效磷含量

Fig.4 Available P2O5uptake of 0-20 cm soil

2.2.3 速效钾变化

钾可以提高作物抗逆性，土壤钾的有效性与土壤速效钾的含量成正比关系，两个时期中0～20 cm土层中ZW处理速效钾含量均低于CK，但两处理下速效钾含量差异均小于2%(P<0.05)，说明增温水灌溉对速效钾含量影响较小。图5

图5 0～20 cm土层速效钾含量

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

2.2.4 有机质变化

蕾期时，增温水灌溉与井水灌溉,土壤有机质含量分别为11.9和13.6 g/kg，ZW较CK减少了1.7 g/kg，降幅12.3%(P>0.05)；铃期时两灌水处理有机质含量分别为10.4和10.5 g/kg，ZW较CK减少了1.28%(P>0.05)，两时期中ZW处理有机质含量较CK均略有降低(P>0.05)，增温促进了微生物生长从而加速了土壤有机质的分解速度。图6

2.3 增温水灌溉对土壤微生物数量的影响

2.3.1 细菌数量变化

纵观整个灌水周期ZW处理细菌数量均高于CK，灌后1、3和5 d的细菌数量与CK相比，增幅分别为23.7%、41.5%、14.4%，其中灌后第3 d时细菌数量达最大，处理间差异显著(P<0.05)。图7

图6 0～20 cm土层有机质含量
Fig.6 Organic matter uptake of 0-20 cm soil

图7 完整灌水周期内0～20 cm土层细菌数量变化
Fig.7 Changes of 0-20 cm soil bacteria counts under an irrigation cycle

2.3.2 真菌数量变化

纵观整个灌水周期，0～20 cm土层中真菌含量随灌后时间的增长而不断增加，两处理相比，ZW处理真菌数量始终高于CK， ZW处理下真菌数量分别为：5.89×103CFU、8.50×103CFU、8.88×103CFU，较CK增幅分别为15.94%(P>0.05)、45%(P<0.01)、19%(P>0.05)。图8

注：数值后不同大(A,B,C)、小写字母(a,b,c)分别表示差异达P<0.01和P<0.05 显著性水平，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

图8 完整灌水周期内0～20 cm土层真菌数量变化
Fig.8 Changes of 0-20 cm soil fungus counts under an irrigation cycle

2.3.3 土壤中放线菌数量变化

随着灌后时间的增长，ZW处理放线菌数量不断增加，CK处理放线菌数量先增加后降低， ZW处理下土壤放线菌数量均高于CK。灌后1、3和5 d，ZW较CK分别增加了3.55%(P>0.05)、19.0%(P<0.05)、93.2%(P<0.01)。图9

图9 完整灌水周期内0～20 cm土层放线菌变化
Fig.9 Changes of soil actinomycetes strain under single irrigation cycle

3 讨 论

土壤养分含量对作物的生长发育和产量形成具有重要作用[15]，魏建军等[16]在研究土壤养分变化与大豆养分吸收之间的关系时发现土壤中速效N、P、K的减少量与大豆N、P、K吸收量呈显著正相关关系，张明乾等[15]在研究夜间增温对冬小麦根系生长和土壤养分有效性的影响时发现夜间增温促进了小麦根系生长，从而促进的植株对土壤养分的吸收，降低了土壤养分含量。试验中通过增温水滴灌发现蕾期时，增温滴灌与井水滴灌相比，前者土壤速效N、P、K及有机质含量均低于后者，其中解氮含量显著降低(P<0.05)，铃期时，增温水滴灌下土壤中速效N、P、K、有机质含量均降低，其中有效P含量降幅明显(P<0.05)，说明增加土壤温度可以促进棉花对土壤中养分的吸收从而降低了土壤中养分含量，这与以上相关研究相一致。

土壤微生物是土壤生态体系的重要组成部分也是衡量农田质量的重要指标。它通过参与土壤养分转化、有机物分解、物质代谢等多种生化反应过程来促进土壤养分的平衡供应，从而提供植物生长所需的营养物质，同时发挥了对土壤中有效态养分储备的库与源的作用[17， 18]。影响土壤微生物因素有很多，其中温度作为主要因素之一， 土壤温度升高将使土壤微生物的生物量、活性和结构发生明显改变[19]试验中增温滴灌下整个灌水周期中土壤中细菌、真菌、放线菌的数量都有所增加，细菌作为土壤生态系统中的主要菌落群体，虽然增幅较真菌、放线菌小，但增加量仍为最大。Asfaw研究表明，土壤温度增加2℃，土壤中微生物总量明显增加。张明乾等[15,20]研究表明土壤温度增加，土壤中有效养分降低，土壤微生物量及微生物活性也有所降低，而试验中土壤温度增加，表现出土壤有效养分降低，土壤中微生物数量增加的结果，原因可能是土温增加促进了植株对养分的吸收使土壤中养分降低，但土壤中养分依然充裕，不会出现作物与土壤微生物相争养分的情况，所以温度增加给微生物提供了更好地生长环境，使土壤中微生物数量呈增长态势。

4 结 论

4.1 增温水灌溉与井水灌溉相比，棉花蕾期时，土壤中速效氮含量显著降低(P<0.05)；铃期时，有效磷含量较CK减少了26.7%(P<0.05)，两时期中土壤有效钾和有机质含量均略有降低(P>0.05)，说明增温水灌溉可以促进棉花对土壤中养分的吸收。

4.2 增温水灌溉下的土壤细菌，真菌，放线菌的数量均高于井水灌溉，灌水后第1 d，细菌、真菌、放线菌数量较CK均小幅增加(P>0.05)；灌后第3 d，细菌、真菌、放线菌数量较CK分别增加了41.5%(P<0.05)、45%(P<0.01)、19%(P<0.05)；灌后5 d两处理间放线菌差值达到最大，增幅为93.2%(P<0.01)，增温可以促进土壤微生物繁殖生长。

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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

国家自然科学基金项目“滴灌灌溉水温对新疆灰漠土环境及棉花生长影响机制研究”(51169025)

孟阿静(1989-)，女，河南人，助理研究员，硕士研究生，研究方向为植物生理生化，(E-mail)maj19890917@163.com

冯耀祖(1973-)，男，甘肃人，研究员，研究方向为植物营养，(E-mail)fengyaozu@sina.com

S562；S153

A

1001-4330(2017)02-0336-07