土壤改良剂对南疆棉田“干播湿出”模式土壤性状和出苗率的影响研究

韩政宇，张江辉，白云岗，郑 明，刘洪波，肖 军，丁 宇，赵经华

（1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049）

0 引 言

新疆棉花产业在我国棉花生产中占有很大比例，南疆地区作为重要的优质棉生产基地和典型的纯灌溉农业类型区，农业用水占比高达97%以上[1]。这些灌区灌溉技术落后，用水效率不高，浪费水资源的同时也破坏了土壤结构[2]，造成耕地次生盐渍化，使得土质状况持续恶化。而土壤改良剂能有效地改善土壤理化性状[3]，从而改善土壤结构和提高用水效率。因此研究土壤改良剂对棉田土壤改良效果对新疆农业经济的发展具有重大意义。

土壤改良剂在盐碱地治理方面有着广泛的应用，施用腐殖酸可促进作物对营养元素的吸收，尤其对种子萌芽、幼苗以及根系生长具有积极作用[4,5]。同时还能够改善土壤理化性质、降低盐碱度、增加酶活性、促进植物根部生长和代谢、加强体内细胞进行光合作用与呼吸作用，进而提升作物产量[6-8]。菌肥的构成养分合理，用它修复后的土壤变得疏松、土壤毛细管孔隙减少而非毛细管孔隙增多，从而能够加速淋盐，抑制返盐[9]。蚯蚓的消化道可分泌出蛋白酶、纤维分解酶、甲壳酶等酶类，同时蚯蚓与土壤环境中微生物具有协同作用[10]。氮素是调控作物生长、群体发育和提高水分利用效率的重要营养元素[11]。

新疆农业灌溉水源日趋减少，在水资源“三条红线”定额管理条件下，冬灌或春灌用水日益紧缺，为节约水资源，人们开始探索冬灌春不灌、春灌冬不灌[12]、少免冬春灌棉花膜下滴灌技术[13]。棉花的“干播湿出”技术是前茬作物收获、秸秆粉碎还田后，不再进行冬灌、春灌，来年耕翻、整地[14]、铺膜敷带播种、播种后滴水模式。“干播湿出”是由原来的冬春灌蓄水保墒模式转化为播种时的地膜保墒和滴灌补墒模式[15]。通过非生育期减少冬春灌，保证生育期用水需求，缓解了用水紧张的问题，但无冬春灌春季土壤含盐量高，再加上棉田土质偏黏、土壤结构性差，滴施出苗水后土壤紧固、硬化出现覆土板结问题，棉种即使发芽也难以出土。前人大多研究改良剂对盐碱化土壤理化性质的影响，而对干旱内陆盐碱土干播湿出模式下综合分析不同改良剂单施、配施对干旱区盐碱耕地土壤改良效果的研究较少。因此，本研究通过不同土壤改良剂处理对干旱盐碱区土壤水、热、盐、紧实度以及棉花出苗的影响，探索盐渍化棉田“干播湿出”条件下施用土壤改良剂促进棉种发芽出苗的最优方案。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年4-9月在新疆阿克苏地区沙雅县海楼镇海楼村（41°28′N，82°71′E）进行，试验区位于天山中段以南，塔克拉玛干大沙漠北缘，塔里木河中游，海拔946～1 050 m[16]。该地区远离海洋，属于典型的大陆性暖温带干旱气候，气候干燥，风沙频繁，降水稀少，蒸发量大，全年平均降水量为64.9 mm，主要集中在夏季，年总蒸发量为2 072.6 mm，蒸发量是降水量的31.9 倍，夏季降水较多，约占全年降水量的50%以上；冬季降水较少，约占全年降水量的10%以下[17]，试验地土质多为壤土和黏土，0～100 cm 土层平均容重和平均含水量分别为1.61 g/cm3和14.32%（质量含水率），地下水埋深为3.8 m左右。

1.2 试验设计

试验设置改良处理组合和对照共8 个处理，各处理重复3次，每个小区面积42 m2，出苗水均为900 m3/hm2，3种土壤改良剂分别为：腐殖酸，兴农药业（中国）有限公司生产，含10%的腐殖酸钾，黑褐色液体；蚯蚓酶氮素，新疆中农宏远农业科技有限公司生产，土壤修复剂蚯蚓酶1 000 g/t；碳基酶微生物菌剂云南田聚力肥业有限公司生产，有效活菌数≥10亿/g。具体试验设计见表1，膜下滴灌种植模式是“一膜三管六行”，供试作物为棉花，于2021年4月18日播种，犁地前施底肥19-20-8 复合肥900 kg/hm2，土壤改良剂随出苗水滴施进土壤，灌溉制度、施肥制度及其它管理模式参照当地大田模式。

表1 试验处理Tab.1 Treatments of experiment

1.3 测定项目及方法

土壤含水量与含盐量：用取土钻在同一剖面的宽行、窄行（滴头下方）及两膜中间位置取样，取样土层分别为0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80 和80～100 cm，以得到各层平均土壤含水率和含盐量，在播种后开始铺设管道划分小区并取一次土，之后进行滴灌，灌后每隔3 d 取一次土。土壤质量含水率采用烘干法（105±2 °C，24 h）测定。土壤盐分含量采用土水质量比1∶5 电导法测定，通过对土壤浸提液电导率和已测土壤含盐量拟合得到公式（1）。然后将电导率转化为土壤含盐量：

式中：y为土壤含盐量；EC5:1为土水质量比1∶5条件下测定的电导率。

土壤脱盐率=（试验前土壤总盐值－试验后土壤总盐值）/试验前土壤总盐值×100%。

土壤紧实度测定：使用CP40Ⅱ土壤紧实度仪进行测定，在出苗水后十天测量，每个处理任意选取12 个未出苗棉孔处测量其表层土壤紧实度。

地温：采用金属曲管温度计在试验小区膜边（棉苗附近）观测地下5、10、15、20、25 cm 处地温，播后观测8∶00～20∶00 时间段的地温日变化（每隔2 h 测量一次地温数据）。土壤有效积温：采用以下公式计算[18]：

式中：K为出苗期土壤总有效积温，℃；T为当天平均地温；N为播种灌水后到苗期所测量地温的天数，d；C为生长发育的下限温度14 ℃。

出苗率：播种15 d 后，对不同处理小区进行出苗率测定，每个处理选取3个样点，每个样点测100穴棉苗。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 365 和SPSS 24.0 进行数据处理与分析，用最小显著差数法（LSD）检验平均数，进行不同处理的差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂处理对土壤盐分的影响

由表2可知，与对照处理相比，在0～40 cm 土层范围内，土壤含盐量呈现降低的现象。其中，在0～20 cm 盐分较对照处理差异显著(P＜0.05)，20～40 cm 土层盐分较0～20 cm 土层稍有提高，出现盐分聚集现象，但相较对照的灌溉淋洗还是有所降低，说明改良剂的施入在0～20 cm 土层洗盐效果明显，20～40 cm 洗盐效果较差，这可能是因为土壤改良剂随出苗水滴施作用下，盐分被淋洗到更深层土壤中。

表2 不同改良剂处理各土层盐分含量g/kgTab.2 Salt content of each soil layer under different treatments

改良剂对土壤盐分的影响程度用土壤脱盐率表示。本研究对0～40 cm 土层脱盐率进行了分析，结果如图1所示。在0～20 cm 土层，对照处理的土壤脱盐率达到了25.37%，不同改良剂处理对棉花出苗期土壤脱盐效果显著。其中改良剂单施情况下腐殖酸的脱盐效果最好，土壤脱盐率达到了58.41%，相比对照处理脱盐率增加了33.04%。改良剂配施情况下，三种改良剂混合配施效果最好，土壤脱盐率达到了66.96%，腐殖酸和微生物菌剂配施效果好于两者单施，G6、G5 效果也好于蚯蚓酶氮素单施，在20～40 cm 土层，土壤脱盐率较0～20 cm 土层明显降低，对照处理出现积盐现象，说明施加改良剂的脱盐效果随土层深度的增加而减弱；灌溉淋洗有压盐效果，但在滴灌配施加改良剂会使土壤盐分更容易向下淋洗。

图1 不同处理0～40 cm土层脱盐率Fig.1 Desalination rate of 0～40 cm soil layer in different treatments

2.2 不同改良剂处理对土壤含水率的影响

不同改良剂处理下棉花出苗期0～20 cm 土层的膜下剖面含水率动态变化（图2）。改良剂处理不同，土壤剖面水分动态变化有所差异，但变化趋势基本一致，整体呈先增后减的趋势。随着时间的推进，各改良剂处理的土壤含水率都明显好于对照处理，较对照处理提升幅度为6.68%～18.16%，说明改良剂处理能够改善棉花出苗期土壤的含水率状况。在单施情况下，施腐殖酸的处理土壤含水率最高，水分动态变化最稳定；在配施情况下，G5 和G6 处理差异不明显，G7 处理土壤含水率的整体效果最好，说明3 种土壤改良剂混施的处理浅耕层保水能力高于其他处理。

图2 不同改良剂处理0～20 cm土层含水率动态变化Fig.2 Dynamic change of water content of 0～20 cm soil layer under different treatments

由图3可知，各改良剂处理土壤含水率随土层深度的增加呈先增后减的分布特征。0～10 cm 土层含水率比10～20 cm 土层低，可能是由于气候干旱，气温较高，表层土壤水分蒸发强烈，导致水分损失。在0～30 cm 土层，改良剂处理下的土壤含水率均高于对照处理，说明土壤改良剂可以起到保墒蓄水的作用。此外，改良剂配施效果都好于单施。在改良剂单施情况下，施腐殖酸的处理土壤含水率最高，相较CK 增加了13.26%；在配施情况下，G7处理土壤含水率的效果最好。0～30 cm 土层含水率差异明显，而30 cm 以下土层各处理土壤含水率差异性不大，原因可能是改良剂能改善土壤结构，从而增强了土壤的持水效果，使得水分较多的保留在浅耕层。30 cm 以下土层较0～30 cm 土层含水率明显增多，可能是由于土壤水分渗漏且土壤深层水分不受蒸发的影响，80～100 cm 出现了含水率降低现象。

图3 不同改良剂处理土壤含水率垂直分布情况Fig.3 Vertical distribution of soil water content in different treatments

2.3 不同改良剂处理对土壤地温的影响

土壤温度影响着棉花的发芽和幼苗生长，以2021年4月28日观测的地温数据为例，分析不同改良剂处理下对棉花土壤温度日变化的影响（图4）。

图4 不同土层各处理土壤温度日变化Fig.4 Daily variation of soil temperature in different soil layers under different treatments

不同改良剂处理下各土层地温日变化趋势与对照处理没有明显差异。在5 cm 土层，各处理土壤温度在8∶00 至16∶00 处于升温阶段，在16∶00（此时大气温度最高，土壤表层吸热大）时温度最高的为CK 处理，最高温度为34.5 ℃，温度最低为对照处理G7，最高温度为28.4 ℃，相差6.1 ℃，之后土壤温度随时间推移逐渐降低，地温变化随气温变化一致。改良剂单施情况下，G1 处理效果最好，较对照处理平均地温提高了2.9 ℃；配施情况下，G7处理效果最好，其次是G4处理，G5和G6处理相差较小，说明施改良剂处理相较对照处理更能调控土壤温度的变化，提高土壤温度。在10 cm 土层，各改良剂处理土壤温度影响效果较5 cm 土层一致，温差变化幅度减弱，说明改良剂对5 cm 土层温度影响效果较好，随土层深度的增加作用效果在减弱。棉花苗期根系较浅大都分布5 cm 土层范围内，研究表层5 cm 土壤温度的变化对棉苗的生长发育具有重要意义[19]。各处理灌水后到出苗期5 cm 的平均地温见表3，相较对照而言，在5 cm土层各改良剂处理均提高了土壤的温度，对5 cm 土层出苗期土壤有效积温进行分析，改良剂处理均提高了出苗期的土壤有效积温，增幅为16.7～41.5 ℃，改良剂单施情况下，有效积温效果没有明显差异，其中施腐殖酸效果最好，较对照提高了22.9 ℃；配施情况G7 处理土壤有效积温效果最好，相比对照提高了41.5 ℃。不同改良剂处理下棉花出苗期地温变化规律分析表明施加改良剂在棉花初期有更好的增温、保温效果，有利于棉花早期出苗。

表3 各改良剂处理5 cm土层平均温度和有效积温Tab.3 Average temperature and effective accumulated temperature of 5 cm soil layer under different treatments

2.4 不同改良剂处理对土壤紧实度的影响

土壤紧实度是表征土壤质量的指标之一，是影响作物生长的重要因素。合理的改良剂施用是调控土壤紧实度的有效手段。土壤紧实度与棉花出苗率情况见图5，该研究区土壤表层紧实度最大的是对照处理，其平均紧实度为242.18 kPa，改良剂单施处理中G3 效果最佳，紧实度为168.58 kPa，其次是G2、G1 处理；相比对照处理分别降低了30.36%、32.38%、32.79%；改良剂配施处理中G7 处理效果最好，紧实度为130.34 kPa，与对照处理相比土壤硬度降低了46.15%；各土壤改良剂处理土壤紧实度均小于对照，显著性分析结果表明，在土壤表层各改良剂处理间差异不显著（P>0.05），可能是由于受外力和降水等其他因素影响，但各改良剂处理与对照处理相比差异性显著（P<0.05），说明各改良剂处理对降低土壤紧实度有明显的作用效果。

图5 各处理表层土壤紧实度Fig.5 Soil compaction degree of each treatment

2.5 不同改良剂对棉花出苗率及产量的影响

就棉花出苗率而言，土壤改良剂处理较对照差异性显著，其中G7处理效果最好，出苗率达到了81.65%，各处理出苗率由高到低依次为G7、G6、G5、G4、G3、G1、G2、CK。出苗率方面比对照提高了23.51%、19.80%、17.76%、15.22%、13.46%、10.65%、8.01%。改良剂处理棉花产量均比对照处理高，单施情况下，施蚯蚓酶氮素效果最好，G5和G6无明显差异，改良剂单施与配施差异性显著，籽棉产量随土壤改良剂用量的增加而提高，G7 处理棉花产量最高，比对照增产28.9%。说明棉花产量与改良剂的施用量有关。此外，棉花产量还与出苗率有关，出苗率越高，产量越高（见图6）。

图6 不同改良剂处理下籽棉产量与出苗率的变化情况Fig.6 Changes of seedling emergence rate and yield under under different treatments

2.6 棉花出苗率和土壤指标的相关分析

对棉花出苗率与各土壤指标进行皮尔逊相关分析（表4），结果显示出苗率与土壤紧实度呈极显著的负相关，相关系数为-0.922，与0～20 cm 土壤含水率、5 cm 地温呈极显著的正相关，与0～20 cm 土壤含盐量呈显著负相关，相关系数为-0.761，说明棉花出苗率主要受土壤紧实度、含盐量、含水率和地温等因素的影响，其中土壤紧实度对棉花出苗的影响最大。土壤紧实度与0～20 cm 土壤含盐量呈极显著的正相关，说明盐分胁迫是影响土壤紧实度的重要因素，土壤含盐量越高，土壤紧实度越大；0～20 cm 土壤含水率与0～20 cm 土壤含盐量呈极显著负相关，说明土壤含盐率随土壤含水率的升高而降低。

表4 棉花出苗率和土壤指标的相关分析Tab.4 Correlation analysis of cotton seedling emergence and soil indicators

3 讨 论

本研究表明，所有改良剂处理在0～20 cm 土层的脱盐率相较对照显著提高，王新平等[20]通过田间试验对比分析旱地龙改良剂应用效果，结果表明，应用旱地龙改良剂土壤脱盐率可达30%以上，并认为可能跟腐殖酸的微生物肥料效应有关，这与本研究得到的结论相一致。所施腐殖酸中有效成分是腐殖酸钾，有研究表明腐殖酸钾对土壤中离子的交换和吸附能力会使土壤盐分下降[21]。微生物菌剂中的有益微生物会在繁殖过程中能够产生大量的多糖和粘胶，改善了土壤团粒结构，使得盐碱土加速淋盐作用，抑制了返盐，降低土壤表层盐分[22]。土壤含水量主要受土壤初始含水量和土壤蒸发的影响[23]，在相同灌溉定额下，减少土壤水分蒸发可以提高土壤含水量。有研究表明[24]，有机质的输入能够影响土壤的比表面积，改善土壤孔隙特征，增加土壤团聚体的稳定性，进而影响土壤的蓄水保水性能。各改良剂处理土壤含水量相较对照显著提高，可能是各改良剂中有机质发挥了作用。

干播湿出是在免冬春灌情况下播种后灌水，由于南疆气候干燥，太阳辐射大，土壤表层水分的蒸发强烈，还有不合理的耕作方式破坏了土壤团聚体，降低了土壤有机质含量以及微生物的活动[25]，使得在滴水之后土壤容易形成硬化板结，刚发芽的棉苗会因此而顶不出来影响出苗率，本试验中所选改良剂都有含有大量的有机质，研究表明各改良剂处理都降低土壤紧实度，该结果与刘慧军等[26]的研究结论一致。可能原因是土壤有机质的提升促进土壤团聚结构的形成[27]从而改善了土壤质量，降低了土壤紧实度。

施改良剂处理相较对照处理提高土壤的平均温度和有效积温，可能是由于改良剂增加了土壤中的有机质，其分解释放了热能，也可能是改善了土壤结构，土壤吸收光辐射提高土壤温度的能力增强[28]。不同处理表现为土壤含水率越高，土壤温度日变幅越小，平均温度越高，可能是因为土壤含水率增大，由于水的比热容较大，延缓了土壤温度下降速度，具有平抑地温的作用[29]土壤含盐量、含水率、地温、紧实度都是影响棉花出苗的重要因素。徐红霞等[30]研究表明在适宜生长的温度下，温度越高对棉种发芽和幼苗生长越有利。本研究中并没有完全表现出苗期有效积温越高出苗率越好的趋势，可能是由于各处理间有效积温差距不大且棉花出苗率还与其它因素有关。对比各改良剂处理下土壤水盐状况和土壤紧实度与出苗率的关系，都表现为改良剂处理效果好于对照处理，其中，G7 处理对土壤改良的综合效果最好，所以出苗率表现为最好。本研究选取的都是以改良土壤生物活性、改善土壤质量的土壤改良剂，通过改良土壤本身性质来实现对土壤水热盐和土壤紧实度的调控，从而提高棉花的出苗率。出苗率越高，产量越高，土壤改良剂的施用也有利于棉花的增产[20]。

4 结 论

（1）与对照处理相比，在0～20 cm 土层盐分差异显著（P＜0.05），各改良剂处理均有利于土壤的脱盐，单施情况以腐殖酸效果（75 kg/hm2）最好，配施情况下，腐殖酸（75 kg/hm2）+碳基酶生物菌剂（75 kg/hm2）+蚯蚓酶氮素（225 kg/hm2）脱盐效果最好。

（2）在单施情况下，施腐殖酸的处理土壤含水率最高，水分动态变化最稳定；在配施情况下，G5和G6处理差异不明显，G7处理土壤含水率的整体效果最好。

（3）改良剂单施情况下，腐殖酸处理效果最好，较对照处理平均地温提高了2.9 ℃；配施情况下，以3 种改良剂配施处理效果最好，其次是G4处理，G5和G6处理相差较小

（4）各土壤改良剂处理土壤紧实度均小于对照，但各处理间差异不显著（P>0.05），改良效果大致表现为G7>G6>G5>G4>G3>G2>G1。

综合分析棉花出苗率主要受土壤紧实度、含盐量含水率和地温等因素的影响，其中土壤紧实度对棉花出苗的影响最大。出苗率越高，产量越高，土壤改良剂的施用有利于棉花增产。腐殖酸（75 kg/hm2）+碳基酶生物菌剂（75 kg/hm2）+蚯蚓酶氮素（225 kg/hm2）三者混合配施是改良土壤、促进棉种发芽出苗的最优方案。