膜下滴灌棉田土壤物理质量对棉花产量的影响

狄云丽 迟春明

（塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔，843300）

土壤肥力包括水分、空气、热量、营养条件等4个方面的因素［1-2］。其中，水分、空气和热量条件均属于土壤物理性质。而且，水分与空气条件是一对矛盾体，二者共同贮存于土壤孔隙中。因此，在土壤孔隙不变的情况下，水分增加必然导致空气减少，反之亦然。另外，土壤水分和空气变化又能影响热量状况［1-2］。因此，土壤物理性质是一个综合因素。其影响因素即包括质地［3］、容重［4］或紧实度［5］、孔隙分布［6-7］、结构体类型［8-9］、有机质含量［10］等土壤自身性质，又包括耕作栽培制度［11］、灌溉施肥措施［12］等外部因素。但是，上述因素中某一单独因素指标仅能反映土壤物理性质的某一方面。为了全面反映土壤物理性质的综合状况，Dexter提出了土壤物理质量（S）这一指标，其是指以土壤水吸力自然对数为自变量、土壤质量含水量为因变量的土壤水分特征曲线van Genuchten(1980)［13］模 型 拐 点 对 应 的 斜 率 的 绝 对值［14-16］。研究表明，S与土壤通透性［16-17］、容重［18］、耕作质量［19］、机械阻力［20］、水分有效性［21］和根系生长状况［18］等密切相关。基于S的土壤物理质量经验性的定量分级标准为：S≥0.05，优；0.035≤S＜0.05，良；0.020 ≤S＜ 0.035，差；S＜ 0.020，极差［18］。

土壤物理质量（S）作为土壤物理性质表征指标必然对作物生长和产量具有重要影响，但是，这方面的研究鲜见报道。本研究针对膜下滴灌水肥一体化管理棉田矿物质营养供给充足、土壤物理质量成为棉花产量主要影响因素这一情况，分析土壤物理质量对棉花产量的影响，旨在为棉田土壤肥力调控提供理论依据与技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于新疆生产建设兵团第一师13团6连和第一师农科所2块试验田进行，田块编号分别为1#和2#。其中，1#试验田总面积 3.3 hm2，2#试验田总面积6.6 hm2。两块试验田均含有壤土和重壤土两种质地。0-20 cm和20-40 cm土壤理化性质见表1。

表1 试验田土壤理化性质

每种质地的土壤设6个试验小区（6次重复），小区面积110m2，排列方式见图1。棉花种植模式为一膜六行，宽窄行配置模式（10 cm+66 cm+10 cm+66 cm+10 cm）。试验各小区的田间管理相一致。播种密度为18万株·hm-2。8月中旬调查一次株高。棉花收获前，每个小区选取6.67 m2，调查收获密度；每小区选15株室内考种，测定单株有效铃数、单铃重。

图1 试验小区设计方案示意图

1.2 测定方法

土壤容重采用环刀法测定［22］，土壤田间持水量采用威尔科克斯法测定［22］，土壤饱和含水量由计算获得：

式中，ws（g·g-1）为土壤饱和含水量，Db（g·cm-3）为土壤容重，2.65（g·cm-3）为土粒密度。土壤物理质量（S）采用公式计算［14］：

式中，m为土壤水分特征曲线van Genuchten（1980）模型参数，其采用公式计算［23］：

式中，wFC为土壤田间持水量，wr（g·g-1）为残余含水量，本文中取0.05 g·g-1。

土壤毛管断裂含水量（wRC）采用公式计算［23］：

土壤最大速效水分区间采用公式计算：

式中，θER-max（cm3·cm-3）为土壤最大速效水分区间，在该区间内，土壤水分能够快速的被植物吸收，或植物对水分的吸收没有受到抑制。

土壤通气孔隙度采用公式计算：

式中，θAIR为通气孔隙度，是指通气孔隙占土壤总体积的比例。

2 结果与分析

2.1 土壤容重对S的影响

土壤容重与S的关系如图2所示。可见，随土壤容重（Db）的逐渐增加S逐渐降低。二者间呈线性关系，其拟合方程为：

由方程（7）计算可得，当S=0.02所对应的土壤容重为1.608 g·cm-3。一般情况下，容重达到1.5-1.6 g·cm-3时，土壤紧实度很高，物理性质严重恶化，作物根系生长发育受到显著抑制［24-25］。该结果表明，将S=0.02作为土壤物理质量极差的临界值是合适的。

图2 土壤容重对土壤物理质量（S）的影响

图3 土壤物理质量（S）与土壤最大速效水分区间（θER-max）关系

2.2 土壤S与θER-max关系

土壤S与θER-max关系如图3所示，随着S的升高θER-max逐渐增大，二者间具有良好的线性关系：

这说明随S的降低θER-max逐渐减少，即作物可吸收的速效水分逐渐减小。因此，S越小土壤对植物产生水分胁迫的可能性越高。

2.3 土壤物理质量（S）对棉花株高的影响

由表2可见，棉花株高随S的增加而增加。1#田块壤土和重壤土0-40 cm土层S平均值分别为0.037 1和0.024 0，对应的棉花株高分别为91.6 cm和82.9 cm，2#试验田壤土和重壤土0-40 cm土层S平均值分别为0.038 9和0.030 6，对应的棉花株高分别为92.3 cm和83.7 cm。

表2 土壤理质量（S）对棉花株高和产量及其构成要素的影响

2.4 土壤物理质量（S）对棉花产量及其组成要素的影响

由表2可知，同一田块内，壤土和重壤土S差异显著，籽棉产量及其构成要素间差异也达到显著水平。1#田块壤土和重壤土0-40 cm土层S平均值分别为0.037 1和0.024 0，对应的收获密度分别为17.3万株·hm-2和16.4万株·hm-2，单株有效铃数分别为6.0个和5.3个，单铃重分别为5.5 g和5.0 g，而产量分别为 5 709.0 kg·hm-2和4 346.0 kg·hm-2。产量（Y）与S间的线性关系方程为：Y（kg·hm-2）=104 172S+1 784.3（R2=0.983 8，P＜0.01）。

3 讨论

随着S的降低，土壤容重增加，这与Dexter的研究相一致［14］。而容重增大必然导致紧实度提高。李志洪和王淑平［4］研究表明，白浆土容重由0.84 g·cm-3增加到1.31 g·cm-3时，紧实度由0.5 kg·cm-2增加到2.6 kg·cm-2，而黑土容重由 0.94 g·cm-3增加到 1.46 g·cm-3时，紧实度由 1.5 kg·cm-2增加到2.8 kg·cm-2。这导致小麦根系长度和重量均随容重增加而降低，进而导致产量随容重增加而下降。

土壤S与机械阻力（SMR，kPa）的关系方程为［20］：

式中，δ为有效饱和度，δ=（w-wr）/（ws-wr）。机械阻力限制作物根系生长，将机械阻力限制条件下的根系生长与无机械阻力限制的根系最佳生长的比值定义为相对生长率（R），其与SMR的关系为［18］：

因此，根系生长随S的降低而降低。经计算，本研究中1#试验田壤土和重壤土0-40 cm土层S平均值分别为0.037 1和0.024 0，则SMR平均值分别为1 324 kPa和1 890 kPa，对应的R分别为0.56和0.44；2#试验田壤土和重壤土0-40 cm土层S平均值分别为0.038 9和0.030 6，则SMR平均值分别为1 287 kPa和1 547 kPa，对应的R分别为0.57和0.51。因此，S降低会导致土壤机械阻力增大［20］。而机械阻力的增加导致根系生长受阻，这与宋家祥等［5］、李潮海等［24］的研究相一致。同时，机械阻力的增加还会引起水分有效性的降低［25］，最终影响产量。

机械阻力除了影响根系生长外，可能还会影响出苗情况，一般而言，机械阻力越大，土壤越紧实，作物出苗受到的阻力越大。本研究中，S越小对应的棉花收获密度越小。这可能与S越小机械阻力越大有关。

S与θER-max密切相关，当土壤含水量处于θER-max的上限（wFC）和下限（wRC）范围内，土壤水分供应充足，作物不会受到水分胁迫。理论上，当土壤含水量降低到wRC时就应该开始进行灌溉，不然作物吸水就会变得困难，即发生水分胁迫［1-2］。例如，吴元芝和黄明斌研究表明，以相对含水量为水分胁迫指标时，重壤土、中壤土和砂壤土开始影响玉米的净光合速率的水分胁迫阈值分别为0.80、0.74和0.57［3］；吴立峰等研究表明，北疆棉田灌水量在80%棉花蒸发蒸腾量时可以获得低于最高籽棉产量约5%的籽棉产量和最高的水分利用效率［12］。因此，在生产实践中最好对土壤水分状况进行实时监测，但是这往往不能实现。在南疆膜下滴灌棉田中，生产实践中常常在6月中上旬开始第一次灌溉，而后相隔7天左右进行下一次灌溉，灌水定额的平均值约为37.5 mm。蔡焕杰等研究表明，籽棉产量达到6 000 kg·hm-2以上，膜下滴灌棉田苗期后的日平均耗水量约为4.8 mm［26］，则7天的耗水量为33.6 mm。按本研究0-40 cm土层计算，如果不发生水分胁迫，则θER-max应大于0.084 cm3·cm-3，根据方程（8）其对应的S=0.035。这与Dexter［16］关于S的分级阈值相符合。说明区域内棉花耗水情况主要由土壤水分供应状况决定。生产实践中，灌水定额的平均值约为37.5 mm，超过33.6 mm，此时土壤灌溉深度大于40 cm，有利于缓解或消除S＜0.035土壤的水分胁迫。因此，应该根据土壤物理质量制定相应的灌溉制度。

当土壤S＜0.035时，提高灌水定额有助于消除土壤对植物的水分胁迫。但是，S过低会导致土壤通气性不足，影响作物生长。作物正常生长所需求的通气孔隙度阈值为θAIR≥0.1［27］。本研究中，θAIR与S的关系方程为：θAIR=1.984 9S+0.040 4（R2=0.997，P＜0.01）。根据该方程，θAIR=0.1对应S=0.030。因此，本研究中S＜0.030的土壤通气性不足，会对棉花生长和产量产生抑制作用。这与试验结果相一致。1#和2#田块重壤土0-40 cm土层的S分别为0.024和0.030 6，因此，1#田块重壤土通气不足，2#田块重壤通气情况处于临界状态。

4 结论

参数S与土壤容重、土壤速效水分区间和通气孔隙度均具有显著的相关性。而容重、水分有效性和通气状况均能影响作物生长和产量，因此，S作为土壤物理质量的综合参数可以反映作物产量情况。本研究中，籽棉产量（Y）与S间的线性关系方程为：Y（kg·hm-2）=104 172S+1 784.3（R2=0.983 8，P＜0.01）。当S=0.035时，对应的籽棉产量为5430 kg·hm-2。南疆棉花高产的目标产量在5 250-6 750 kg·hm-2。因此，使用S分级标准作为膜下滴灌棉田产量管理依据是可行的。

本研究中，壤土0.035＜S＜0.040，产量平均值达到5 790.1 kg·hm-2，籽棉产量还有进一步提升空间，产量限制因素应该是紧实度对出苗和根系生长有一定的影响；2#田块重壤土的S=0.030 6，对应籽棉产量为4 836.8 kg·hm-2，产量限制因素主要包括机械阻力偏高导致收获密度下降，速效水分供应不足导致单株铃数和单铃重下降；1#田块重壤土的S=0.024 0，对应籽棉产量为4 346.0 kg·hm-2，产量限制因素包括机械阻力过高影响收获密度，速效水分供应不足和通气不良供导致单株铃数和单铃重降低。因此，随着S逐渐降低，导致棉花减产的因素也发生变化。当0.035＜S＜0.050，产量制约因素为机械阻力；0.030＜S＜0.0350，减产因素为机械阻力与水分胁迫；S＜0.0300，减产因素为机械阻力、水分胁迫与通气不足。