水肥剂一体化技术提高棉花产量和控制土壤盐分的效果

张庆伟，艾克拜尔·伊拉洪，赵婧文，张文太

(新疆农业大学草业与环境科学学院/新疆土壤与植物生态过程自治区级重点实验室，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】新疆灌区盐渍化耕地占灌区耕地的37.72%[1]。在盐碱地采用水肥剂一体化模式有望降低土壤盐渍化程度，提高棉花产量，实现新疆棉花产业的持续发展。【前人研究进展】土壤改良剂研究始于19世纪末，20世纪80年代初期，国内开始此方面的研究与应用[2]。改良剂对盐碱地土壤具有一定的改良效果[3-5]，施加土壤改良剂能够松土、保湿、改良土壤理化性状，促进植物对水分和养分的吸收[6]，土壤总孔隙度增加，土壤容重减小，田间持水量增大，土壤毛管孔隙、非毛管孔隙和通气度都增加[7-9]；施用改良剂能调节土壤酸碱度，增强土壤缓冲能力[10-12]。董合忠等[13-15]研究表明盐碱地棉花获得高产，可通过改良土壤环境，增加棉花对营养元素的吸收和利用效率。孔涛等[16]研究发现施用土壤改良剂，可降低土壤盐分，改善土壤微生物生存环境，提高微生物数量和活性。Daniel[17]指出施用改良剂能增加土壤中的阳离子，提高土壤中离子交换率，改良盐碱地，缓冲pH。【本研究切入点】在不同水肥供应模式下，作物的生长发育调节方面己经做了大量研究，但大多数试验都侧重灌水方法和滴灌水氮耦合[18-19]。在滴灌施肥基础上增施改良剂对作物产量和控制土壤盐分的研究较少。研究采用水肥剂同时施用对棉花增产和土壤抑盐的效果。【拟解决的关键问题】试验设5个处理，研究增施改良剂对盐碱地棉花增产和土壤控盐的影响。因地制宜筛选适宜肥料类型并精确配置肥剂用量，达到降低成本，增产增收和提高农业生产效率的目的。

1 材料与方法

1.1 材 料

2017年4月试验在新疆沙湾县新疆农业大学棉花育种试验基地进行，试验站邻近144团，地理位置(44°44′11″ N、85°67′65″ E)。试验地总面积0.154 hm2，地势平坦，土壤类型为灰漠土，土壤质地为壤土，属轻度盐碱土，属中温带大陆性干旱气候，昼夜温差较大，平均年气温6.6℃，年降水量190 mm，年蒸发量1 700 mm，年日照时数2 800 h，≥10℃的积温3 500℃，无霜期180 d，地下水埋深3 m以下。2017年试验开始前测定试验区土壤的理化性质，0～40 cm土层有机质含量12.26 g/kg，速效氮、磷、钾分别为13.92、9.36和130.86 mg/kg；土壤pH和土壤电导率(水土比1∶5)分别为8.66和1 131 Ms/cm。

棉花常规化肥处理选用尿素、磷酸一铵和晶体钾肥，专用肥为市售心连心牌棉花滴灌专用肥，改良剂选用酸碱平衡护理剂(红都嘉业生产)。共设置五个处理，分别为对照(不施肥)，常规化肥，常规化肥+改良剂，专用肥，专用肥+改良剂。每个处理重复3次，小区采用随机区组排列。结合当地施肥水平，常规化肥处理施肥量为285～165～105 kg/hm2(N-P2O5-K2O)，专用肥285～165～148～2.5 kg/hm2(N-P2O5-K2O-Zn)，改良剂施用量为22.5 kg/hm2。

供试棉花为新农大ND012号，采用1膜2带6行滴灌模式，膜间裸地宽度为66 cm，棉花株距12 cm，共设置15个小区(每个小区15 m×6.84 m)。每个小区独立使用储存容量25 L的施肥罐。2017年4月30日播种，6月中旬第一次灌水，8月下旬结束灌水，灌水间隔约为10 d，全生育期灌溉定额3 725 m3/hm2。

水肥管理措施分6次进行，但改良剂只在前三次施入，即前三次与肥料一同加入施肥罐随水肥滴施。施肥采用容量压差式施肥方式，施肥量根据棉花生育期有所调整，前两次施肥量为总施肥量的1/10，后四次施肥量为总施肥量的1/5。每次施肥前先滴3 h左右清水，加入肥料，直至达到当次灌水量。

1.2 方 法

在棉花吐絮初期，在每个小区随机选取3株棉花，先将所取植株样棉花从茎基部与地下部分分离，再将地上部分为花、茎、铃、叶分成4个部分。去掉表面的尘土放入烘箱在105℃下杀青0.5 h，75℃烘干至恒质量，之后放入干燥器中冷却，用电子天平称质量。各小区干物质质量为3株棉花干物质质量的平均值，最后乘以种植密度换算成群体干物质质量(kg/hm2)。在棉田株高打顶后(2017年7月7日)，对每个小区随机测量10株棉花用卷尺测定株高求均值。

在棉花吐絮期后期，各小区测定棉花籽棉产量。各小区中间选取有代表性的2×2样方区域，数出样方内所有的株数；针对每个小区，选取靠近小区中间部分，长势均匀的棉区进行2×2的样本小区测定棉花有效铃数，每个小区有三个膜，每个膜有三排六行，为保证样方代表性，样方随机选取相邻的两个膜，一个膜选取两排，一个膜选取一排，在样方内选取连续10株棉花的有效铃数计数，平均即为小区的平均有效铃数；在每个小区内棉株的上层、中层和下层各随机选取10朵，测定小区棉花的30铃重，平均即为小区的单铃重。棉花亩产量计算公式为: 产量 = 667 m2株数×铃数×单铃重。

在棉花吐絮期，对每个小区进行土壤采样，土壤采样深度为棉花的生长区0～40 cm，分为三层，分别是0～10、10～20和20～40 cm。在距滴头0和30 cm处采样土壤样品，为确保土样的高度代表性，采取小区中心部位的土样，不在小区边缘取样，减少误差。土壤样品带回实验室内自然风干，磨碎，依次过2和1 mm筛。土壤pH和盐分的测定分别用土壤pH计和电导率仪进行测定，土水比均为1∶5[20]。

1.3 数据处理

试验数据采用Excel和SPSS20.0分析，对不同处理指标先取小区内平均值，然后用3个小区的平均值进行单因素方差分析；统计图用SigmaPlot10.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同处理对棉花株高和地上生物量的影响

常规化肥+改良剂与专用肥处理显著高于对照(P<0.05)(图1a)。棉花植株最高的是专用肥处理，最低的是对照；4个施肥处理相比于对照株高分别提高10.71%、16.48%、19.37%和13.73%。常规化肥+改良剂处理比常规化肥处理提高5.21%，专用肥+改良剂处理比专用肥处理降低4.72%。

4个施肥处理的棉花地上生物量均显著高于对照(P<0.05)(图1b)。棉花地上生物量最大的是专用肥+改良剂处理。4个施肥处理相比于对照地上生物量分别提高42.96%、41.64%、46.92%和47.33%。常规化肥+改良剂处理比常规化肥处理降低2.25%，专用肥+改良剂处理比专用肥处理提高0.77%。图1

注：(1)不同字母表示不同处理间在0.05水平差异显著；(2)C:对照，CF:常规化肥，CF+SA:常规化肥+改良剂，SF:专用肥，SF+SA:专用肥+改良剂；下同

Note: (1) Different letters indicate significant difference atP< 0. 05 level among different managements； (2)C:control, CF: conventional fertilizers, CF+SA: conventional fertilizers + soil amendment；SF: special fertilizers, SF+SA:special fertilizers + soil amendment；The same as blow

图1 不同处理下棉花株高和地上生物量变化
Fig.1 Change of plant height and biomass with different fertilizer managements

2.2 不同处理下对棉花产量的影响

常规化肥+改良剂，专用肥和专用肥+改良剂处理的有效铃数均显著高于对照(P<0.05)(图2a)。棉花有效铃数最多是专用肥+改良剂处理，最少的是对照。4个施肥处理相比于对照有效铃数分别提高15.38%、31.41%、23.77%和32.05%。常规化肥+改良剂处理比常规化肥处理提高13.89%，专用肥+改良剂处理比专用肥处理提高7.29%。

4个施肥处理的单铃重均显著高于对照(P<0.05)(图2b)。棉花单铃重最大的是常规化肥+改良剂处理，最少的是对照。4个施肥处理相比于对照单铃重分别提高11.54%、19.72%、15.09%和17.24%。常规化肥+改良剂处理比常规化肥处理提高7.34%，专用肥+改良剂处理比专用肥处理提高1.87%。

产量是大田试验的核心指标，也是农户最为关心的指标。产量最大的是常规化肥+改良剂处理，最小的是对照。4个施肥处理的产量均显著高于对照(P<0.05)，且常规化肥+改良剂与常规化肥处理之间也产生了显著差异性(P<0.05)(图2c)；4种施肥处理相比于对照产量分别提高了25.94%、47.85%、32.88%和40.30%。常规化肥+改良剂处理比常规化肥处理提高17.40%，专用肥+改良剂处理比专用肥处理提高5.58%。

收获指数反映了作物群体光合同化物转化为经济产品的能力,是评价作物品种产量水平和栽培成效的重要指标。收获指数是产量与地上生物量的比值。收获指数最大的是对照，最小的专用肥处理，且两处理之间有显著差异(P<0.05)(图2d)。4种施肥处理收获指数最高的是常规化肥+改良剂处理，比对照降低11.43%；相比于其他施肥处理提高18.73%、23.43%和17.23%。图2

图2 不同处理下棉花产量变化
Fig.2 Change of cotton yield with different fertilizer managements

2.3 不同处理下对棉花生物量分配的影响

根生物量最大的是常规化肥处理，最小的是对照，且只有常规化肥与对照之间差异显著(P<0.05)。4种施肥处理的根干重生物量相对于对照分别提高53.29%、36.32%、34.34%和42.54%。常规化肥+改良剂处理比常规化肥处理降低11.07%，专用肥+改良剂处理比专用肥处理提高6.11%。

茎生物量最大的是专用肥+改良剂处理，最小的是对照。常规化肥，专用肥，专用肥+改良剂三个处理均显著高于对照(P<0.05)。4种施肥处理相对于对照干重茎生物量分别提高71.36%、56.48%、75.06%和75.70%。常规化肥+改良剂处理比常规化肥处理降低8.68%，专用肥+改良剂处理比专用肥处理提高0.37%。

叶生物量最大的是专用肥+改良剂处理，最小的是对照。4种施肥处理叶干重均显著高于对照(P<0.05)。4种施肥处理相比于对照干重叶生物量分别提高了121.33%、113.73%、99.97%和141.14%。常规化肥+改良剂处理比常规化肥处理降低3.43%，专用肥+改良剂处理比专用肥处理提高20.59%。

絮和籽生物量最大的是专用肥处理，最小的是对照。四种施肥处理均显著高于对照(P<0.05)。4种施肥处理相比于对照干重絮和籽生物量分别提高了60.88%、69.62%、88.82%和82.75%。常规化肥+改良剂处理比常规化肥处理提高5.44%，专用肥+改良剂处理比专用肥处理降低3.22%。

铃生物量最大的是专用肥处理，最小的是对照。4种施肥处理均显著高于对照(P<0.05)。4种施肥处理相比于对照干重铃生物量分别提高93.56%、77.72%、109.97%和104.59%。常规化肥+改良剂处理比常规化肥处理降低8.18%，专用肥+改良剂处理比专用肥处理降低2.56%。图3

图3 不同处理下棉花生物量分配变化
Fig.3 Change of cotton biomass allocation with different fertilizer managements

2.4 不同处理下对土壤pH和电导率的影响

pH是土壤重要的基本性质，也是影响肥力的因素之一。它直接影响土壤养分的存在状态、转化和有效性[21]。不同处理对各个施肥小区土壤pH有所影响，距滴头0 cm相对于距滴头30 cm处pH分布较分散，最大值为常规化肥10～20 cm土壤pH达到8.84，最小值为专用肥+改良剂8.40；距滴头30 cm处pH分布较为集中，pH最大的是对照组0～10 cm土壤为8.72，最小为常规化肥+改良剂20～40 cm土壤为8.39。施加改良剂较不施加改良剂的两个施肥处理在距滴头0 cm和距滴头30 cm处都有pH降低的趋势，且20～40 cm土层都低于0～20 cm土层的pH。图4

图4 不同施肥处理下土壤pH变化
Fig.4 Change of soil pH with different fertilizer managements

随着土壤深度的增加，土壤电导率都有着逐渐增大的趋势。在距滴头30 cm处，常规化肥+改良剂处理在0～40 cm土层电导率值均低于常规化肥处理；专用肥+改良剂处理0～10和20～40 cm电导率也都低于专用肥处理。在0～20 cm土层，距滴头0 cm处均小于距滴头30 cm的土壤电导率。图5，图6

图5 不同施肥处理下土壤电导率变化
Fig.5 Change of soil conductivity with different fertilizer managements

图6 不同滴头距离下土壤电导率变化
Fig.6 Change of soil conductivity with different dripper distance

3 讨 论

3.1 棉花有效铃数比单铃量对水肥更加敏感，与吴立峰等[22]的研究结果一致，不同处理下棉花有效铃数的增幅大于棉花单铃重的增幅。邓忠等[23]在南疆进行的水氮耦合研究表明，在不同的灌溉水量下，施氮量300 kg/hm2处理棉花有效铃数和单铃质量较高，促进了产量的提高。试验是在北疆沙湾县开展，具体所施用的肥料量结合了自治区地方标准《棉花膜下滴灌水肥管理技术规程》[24]以及当地农户施肥量，试验施氮量285 kg/hm2。

3.2 在试验田棉花灌水方面，蔡焕杰等[25]试验表明，为了取得高产和较高的水分利用率，棉花全生育期的滴水量应在345～380 mm。而试验在灌溉管理方面基本一致，考虑到不同区域、不同土壤质地条件和气候的影响，在整个棉花生育期内进行了6次灌水，每次灌溉定额也有所调整，基于降雨的次数和降雨量的大小调整了灌溉的时间节点，自治区地方标准《棉花膜下滴灌水肥管理技术规程》北疆地区灌溉定额为3 450～4 200 m3/hm2。而试验由于地区气候较干旱，棉花需水量较大，实际灌溉定额为3 725 m3/hm2，即全生育期滴水量为372 mm。

3.3 滴灌模式下棉田生物量分配最小的是根部，地上部分生物量大幅度增加，不同处理根生物量差异性小于地上生物量差异性。这是由于滴灌模式下水肥相对集中于0～30 cm土层，由于膜下滴灌随水施肥的特点，养分也集中分布在由滴水形成的湿润体内，在土深50 cm以下养分含量显著降低[26]，即棉花根生物量较低生长与水肥有关，这与买文选等[27]研究结果一致，滴灌棉花生物量分配最小的根系承担了更大的地上部对水肥的供应需求。

4个施肥处理之间生物量没有显著差异，但棉花产量有显著差异，常规化肥+改良剂处理相比于常规化肥处理之间产量有显著性增长(P<0.05)，但常规化肥+改良剂处理生物量并没有与常规化肥处理之间产生差异性(P<0.05)，说明生物量和产量之间并不存在必然的正相关关系。

3.4 收获指数最大的是对照，收获指数反映的是作物群体光合同化物转化为经济产品的能力, 是评价作物品种产量水平和栽培成效的重要指标。由于对照生物量和产量都大幅度下降，且生物量下降幅度颇大，虽然对照收获指数最高但却不可取。4个施肥处理中收获指数最高的常规化肥+改良剂处理，且该处理为最佳。

3.5 随着土壤深度增加，不论距滴头0 cm，还是距滴头30 cm，土壤pH都会有下降的趋势，且距滴头30 cm相比于0 cm土壤pH更加集中，土壤pH在8.5～8.7左右。造成这种现象可能是由于此处位于棉花根部，为了更好的生长，根部营造出更好的环境，分泌出一些物质从而改变土壤的pH值，此问题仍需进一步研究；但由于土壤具有很强的缓冲性，整体来看土壤pH并没有产生显著性变化。

随着土壤深度的增加，土壤电导率有着逐渐增大的趋势。这是由于“盐随水来，盐随水去”，盐分随着水分逐渐下渗，导致上层盐分低，下层盐分累积的现象。当土壤深度达到40 cm时土壤盐分出现大幅度的增加，是由于滴灌水量小、频率高，改良剂随水滴施集中在棉花根系上部，改良剂与棉花根系附近微环境中的土壤充分接触并发生反应，极大地提高了改良剂的作用效率，随着土壤深度增加，改良剂效果也随之降低，灌水后水分湿润锋分布范围便是积盐的区域。对比距滴头距离0和30 cm电导率发现，在0～20 cm土层，距滴头0 cm电导率均小于距滴头30 cm，即距离滴头越近，洗盐效果就越好，这是由于水分和改良剂在洗盐的过程中将滴头附近的盐分不断运移过程至远处，这与Clothier[28]的研究结果一致。

4 结 论

4.1 增施改良剂对于棉花生物量没有产生很大的影响，但对棉花产量有显著差异(P<0.05)。从不同处理下棉花的生物量分配，可以看到絮和籽>茎>铃>叶>根，并且无论是施加常规化肥还是专用肥，甚至是在此基础上增施改良剂器官分配均没有显著性变化。此结果可能是棉花的基因遗传特性造成的。

4.2 在不同施肥处理条件下，常规化肥+改良剂处理平均有效铃数在6.8个/株，平均单铃重达到5.95 g，获得了最佳产量6 640 kg/hm2，比常规化肥处理提高17.4%，增产效果明显。在同一灌水量情况下，增加产量意味着提高水分利用率，说明在滴灌常规施肥的基础上施加改良剂对于棉花水肥管理有重要意义。

4.3 在0～20 cm土层，距滴头0 cm处的电导率均低于距滴头30 cm处；距离滴头近，洗盐效果好，且随土壤深度的不断增加，电导率有不断增加的趋势。

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