增氧灌溉對棉花營養特征及土壤肥力的影響*

饒曉娟 付彥博 黃 建 馮耀祖 王治國?

（1 新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091）（2 新疆農業職業技術學院，新疆昌吉 831100）

新疆棉花膜下滴灌技術的應用，使土壤肥力的“水”、“肥”“熱”三個主要因子綜合協調發揮了較大作用，使得棉花種植產量達到了一個較高的水平，進一步增加棉花的產量達到了一個技術瓶頸，而增氧灌溉技術成為了解決這一技術瓶頸的有效方法之一。

由于灌溉、降雨、排水不利、土壤質地和土壤緊實造成土壤缺氧，影響根系呼吸，使呼吸活動超過氧氣的有效范圍時，植物根系和地上部器官的細胞中就時常發生氧氣不足的現象［1-3］，抑制作物根系有氧呼吸，從而影響作物生長發育［4-6］。增氧能夠有效改善作物生長的土壤環境，促進作物對養分的吸收。尹曉霞和蔡煥杰［7］采用文丘里加氣法向溫室番茄根區加氣，可以促進番茄干物質累積量；Frankenberger［8］利用過氧化尿素不僅能夠提高土壤溶液中的活性氧含量，改善作物根際土壤環境，還有效地促進水稻根系對營養物質的吸收；李元等［9］利用空氣壓縮機向大棚甜瓜根系供氣，可以促進土壤微生物數量和多樣性的變化，提高土壤酶活性。然而增氧灌溉對棉田土壤養分和微生物數量的影響效果不明。本研究在膜下滴灌條件下進行增氧灌溉，向棉花根區增氧灌溉，研究增氧灌溉對灌溉系統溶解氧、棉田土壤養分和微生物數量以及棉花養分吸收的影響，為大田棉花膜下增氧滴灌技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于新疆烏魯木齊市以北 22 km 的國家灰漠土試驗站內，海拔高度 890 m，年均氣溫6 ℃，年降水量200 mm，年蒸發量1 980 mm，屬干旱半干旱荒漠氣候。試驗土壤為新疆北疆典型土類（灰漠土），基礎理化性質：有機質含量13.5 g kg-1、速效氮 51.6 mg kg-1、有效磷 22.2 mg kg-1、速效鉀 435 mg kg-1。

1.2 試驗設計

2014—2016年，在國家灰漠土試驗站內進行田間小區試驗，小區面積33 m2。

增氧灌溉模擬試驗設計充氣氧濃度分別為不充氣CK-0%、充氣氧濃度O2-21%、充氣氧濃度O2-30%、充氣氧濃度O2-50%條件下，連續測定主管道和滴灌帶不同監測點位灌溉水溶解氧濃度。

田間試驗設計3個處理，分別為微納米氣泡發生裝置物理增氧PO、過氧化尿素化學增氧CO，不增氧對照CK，每個處理設置3個重復，共9個小區。PO處理充氣氧濃度為O2-21%（空氣），采用“B＆W微納米氣泡發生裝置”制備微納米氣泡水［10］，壓力為0.15 MPa，進氣速率為1.5 L min-1，該設備為本洲（北京）新技術推廣有限公司生產。CO處理采用過氧化尿素［11］溶解于施肥罐，該肥料為上虞潔華化工有限公司生產，含N 30%、活性氧16.5%；PO、CK處理施用尿素（N 46%），用量與CO處理過氧化尿素相當。PO、CO、CK處理灌溉水中溶解氧濃度分別為10.97、11.06、9.91 mg L-1。

供試棉花種子為新陸早41號，種植模式為一膜四行，每個小區三膜，采用膜下滴灌，各增氧灌溉處理隨灌溉水輸入到各小區，整個生育期共灌水14次，化控2次，其他田間管理同大田。

1.3 樣品采集與分析

分別于苗期、蕾期、花期、蕾期、鈴期，在滴灌帶左右10 cm處，每個處理隨機用土鉆取5個點的土樣，取樣深度為0～20 cm耕層土壤樣品，樣品混合后，用四分法取1/4土樣裝入滅菌袋包扎密封，于4 ℃保存，用于土壤微生物數量測定；剩余部分土樣裝土樣袋內，用于測定土壤速效氮、有效磷、速效鉀和有機質含量。在棉花鈴期灌溉后，各處理中隨機連根拔出5株棉花，按照部位進行殺青烘干，檢測植物氮磷鉀含量。

溶解氧含量采用美國YSI公司生產的“YSI5000”測定，該儀器具有自動溫度補償功能，帶攪拌器；土壤速效氮含量采用堿解擴散法，有效磷含量采用0.5 mol L-1NaHCO3浸提比色法，速效鉀含量采用NH4OAc浸提火焰光度法，有機質含量采用重鉻酸鉀法測定［11］；土壤細菌、真菌、放線菌數量采用稀釋平板涂抹法，制備土壤系列稀釋液(稀釋度10-1～10-6)，涂固體培養基平板，恒溫28～30 ℃下培養3～6 d。對3個相鄰稀釋度土壤溶液中的細菌數(CFU)計數，計算每克干土中細菌數(單位用CFU g-1表示，下同)。細菌培養基選用牛肉膏蛋白胨培養基；真菌培養基采用孟加拉紅培養基；放線菌培養基采用改良的高氏一號培養基［12］。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel軟件進行數據處理，用DPS 7.05軟件進行數據統計分析。

2 結 果

2.1 增氧灌溉對灌溉水溶解氧的影響

在充氣氧濃度分別為CK-0%、O2-21%、O2-30%、O2-50%條件下，連續測定主管道和滴灌帶監測點位灌溉水溶解氧濃度，主管道0～100 m處溶解氧濃度分別由10.18、11.70、16.95和19.30 mg L-1遞減至9.57、10.56、14.86和16.32 mg L-1，100 m衰減量分別達到5.99%、9.74%、12.33%和15.44%（圖1）。在主管道50 m處連接滴灌帶，在滴頭流量為3.2 L h-1時，0～50 m處滴頭的溶解氧濃度分別由10.04、10.98、16.54和17.70 mg L-1遞減至9.02、9.34、13.81和14.48 mg L-1，50 m衰減量分別達到10.16%、14.94%、16.51%和18.19%。說明隨著灌溉水溶解氧濃度的增加灌溉水溶解氧衰變量增加，并且隨著滴灌帶距離的增加灌溉水溶解氧衰變量增加；充氣氧濃度為O2-21%和O2-30%的處理增氧灌溉水溶解氧衰減量較小，能耗較低，為田間試驗物理增氧灌溉采用充氣氧濃度為O2-21%（空氣）進行曝氣增氧提供數據支撐。

圖1 不同氧濃度條件下供水管道（a）與滴灌帶（b）不同監測點距離溶解氧濃度變化Fig 1 Variation of dissolved oxygen concentration at different monitoring points in water supply pipeline (a) and drip tape(b) under different oxygen concentrations

2.2 增氧灌溉對棉田土壤速效養分和有機質的影響

通過灌溉水增氧灌溉后，棉田土壤速效氮和有機質含量均有所降低（表1）。與對照相比，PO、CO處理速效氮分別降低4.01%、27.23%，有機質分別降低3.46%、9.61%，其中CO處理有機質含量與對照差異顯著。棉田土壤有效磷和速效鉀含量也均有所降低。與對照相比，PO、CO處理有效磷分別降低9.45%、0.42%，速效鉀分別降低5.78%、2.23%，PO處理速效鉀與對照差異顯著。可見，通過增氧灌溉能夠促進棉花對土壤中速效養分和有機質的吸收，從而降低土壤中速效氮、速效鉀和有機質的含量。

表1 增氧灌溉對棉田土壤速效養分和有機質的影響Table 1 Effect of oxygenated irrigation on contents of soil available nutrients and organic matter in cotton field

2.3 增氧灌溉對棉田土壤微生物數量的影響

增氧增加了棉田土壤中細菌、真菌、微生物數量，抑制了放線菌數量（表2），從細菌數量分析可知，PO、CO分別較對照提高了28.38%、21.05%，處理間差異達到顯著水平（p＜0.05）；放線菌數量分析顯示PO、CO分別較對照降低了11.05%、42.82%，CK︰PO︰CO為1︰0.9︰0.7，CO與對照之間的差異達到顯著水平；真菌數量分析可知，CK︰PO︰CO為1︰0.98︰1.05，CO較對照提高了4.97%，但與對照無顯著差異（p＞0.05）；微生物總量PO、CO分別較對照提高了27.86%、20.63%，與對照之間的差異均達到顯著水平（p＜0.05），CK︰PO︰CO為1︰1.28︰1.21。說明增氧灌溉能夠顯著促進土壤微生物總量，對土壤中細菌數量促進作用顯著，但對土壤真菌影響不顯著，對土壤放線菌有一定的抑制作用，其機理有待于進一步研究。

表2 增氧灌溉對棉田土壤微生物數量的影響Table 2 Effect of oxygenated irrigation on soil microbial biomass in cotton field

2.4 增氧灌溉對棉花養分吸收和產量的影響

分析鈴期棉花各部位氮磷鉀吸收量可知（表3），根吸收氮和鉀的量物理增氧處理顯著高于其他處理，大小依次為物理增氧＞對照＞化學增氧；莖吸收氮和鉀的量增氧處理均高于對照，依次為化學增氧＞物理增氧＞對照；其他部位氮磷鉀吸收量差異不顯著；地上部氮磷鉀吸收量趨勢為，氮吸收量物理增氧＞化學增氧＞對照，磷吸收量為物理增氧＞對照＞化學增氧，鉀吸收量為物理增氧＞化學增氧＞對照；增氧灌溉促進了棉花對氮磷鉀的吸收。

表3 增氧灌溉對棉花氮磷鉀吸收量及其分配的影響Table 3 Effect of oxygenated irrigation on absorption and distribution of N, P, K of cotton （mg plant-1）

圖2為增氧灌溉對棉花產量的影響。從圖中可以看出，棉花產量排序為：CO＞PO＞CK，增氧處理PO、CO與對照之間的產量差異達到顯著水平，產量基本在1 900～2 150 kg hm-2，與CK相比較，PO、CO產量分別增加11.39%、11.42%，可見物理增氧和化學增氧均可以顯著促進棉花產量。

3 討 論

3.1 增氧灌溉提高灌溉水溶解氧含量

圖2 增氧灌溉對棉花產量的影響Fig. 2 Effect of oxygenated irrigation on cotton yield

增氧灌溉能夠明顯提高灌溉系統內灌溉水的溶解氧濃度，但在灌溉系統中衰變很大，并且隨著溶解氧濃度的增加衰變增加。此前研究已發現，灌溉水溶解氧濃度增加至 12～14 mg L-1，可以改善土壤氧環境［13］。通過制氧機提高充氣氧濃度，再進行微納米氣泡裝置曝氣，可以使灌溉水的溶解氧濃度達到36.9 mg L-1以上［10,14］，呂夢華等［15］利用充氧微納米氣泡裝置使水中溶解氧濃度提高至20 mg L-1和30 mg L-1，隨著溶解氧濃度的提高，白蘿卜增產效果更明顯。

3.2 增氧灌溉改善土壤環境

Benjamin等［16］認為部分作物的根系需要充足的氧氣(O2)供給以滿足植物養分和水分的吸取；作物根呼吸需要消耗大量的O2，而且作物根的生長對O2缺乏特別敏感，土壤中O2不足會影響作物根系和土壤呼吸，降低ATP的生產，減少根系對水分和養分的吸收以及對冠體的營養傳輸，增加根部O2會增加根系對P和K肥的吸收。Heuberger［4］和 Brzezinska［17］等認為根際通氣能夠增強根區土壤酶活性，改善根區土壤微環境，提高植株根系的有氧呼吸，改善根系的水肥吸收效率，有利于作物生長發育，提高作物產量。根際通氣能夠增強盆栽玉米的根系活力，能夠促進作物吸收土壤內的養分，促進植株的生長發育［18］，顯著提高基質速效養分質量分數，堿解氮較對照提高 12.95%～28.87%，有效磷較對照提高12.02%～20.46%［19］。不少研究發現，根際增氧，增強了土壤有氧呼吸，提高了根系吸收養分和水分的能力［20］。李元等［9］認為加氣灌溉改善了土壤水氣環境，促進了土壤微生物數量和多樣性，但影響土壤微生物的因素很多，如土壤養分、土壤質地、pH、溫度、滲透壓等［21］。本研究發現增氧灌溉對土壤中細菌、真菌、微生物數量有促進作用，同時增氧灌溉降低土壤中速效養分含量，增加棉花氮磷鉀吸收量，從而可以判定是由于增氧灌溉促進棉花對土壤中速效養分吸收和有機質分解導致土壤養分降低；進一步說明增氧灌溉改善棉田灌溉后的根區氧環境，促進棉花對養分的吸收，提高養分利用率。張雁南［22］的研究結果表明增氧滴灌能促進靈武長棗植株吸收礦質營養，與本文研究結論相同。而增氧灌溉對棉花的增效機理及量化特征有待于進一步的研究。

3.3 增氧灌溉提高棉花產量

增氧灌溉可以在一定程度上提高棉花產量，本文研究采用的兩種增氧方式PO、CO分別較對照CK棉花產量增產11.39%、11.42%，產量差異達到顯著水平。Bhattarai等［23-24］在2006年的研究中通過增加土壤氧氣研究棉花對鹽漬土的抗性，發現與對照相比，增加土壤氧氣棉花產量可以提高18%；后期研究中發現利用Mazzei(空氣注射器)將空氣加入棉花根區進行灌溉，棉花的根長、根重、土壤呼吸和光合作用明顯增加，故棉花產量增加了14%～28%。

4 結 論

棉花根系對氧敏感，增氧灌溉能夠挖掘棉花生產潛能，是進一步提高棉花產量的有效途徑之一；增氧灌溉能促進棉花對土壤速效養分吸收，促進土壤微生物數量的增加，加速土壤有機質分解和養分釋放，從而促進了棉花生長和產量增加。