狄云麗 遲春明

（塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾，843300）

土壤肥力包括水分、空氣、熱量、營(yíng)養(yǎng)條件等4個(gè)方面的因素［1-2］。其中，水分、空氣和熱量條件均屬于土壤物理性質(zhì)。而且，水分與空氣條件是一對(duì)矛盾體，二者共同貯存于土壤孔隙中。因此，在土壤孔隙不變的情況下，水分增加必然導(dǎo)致空氣減少，反之亦然。另外，土壤水分和空氣變化又能影響熱量狀況［1-2］。因此，土壤物理性質(zhì)是一個(gè)綜合因素。其影響因素即包括質(zhì)地［3］、容重［4］或緊實(shí)度［5］、孔隙分布［6-7］、結(jié)構(gòu)體類型［8-9］、有機(jī)質(zhì)含量［10］等土壤自身性質(zhì)，又包括耕作栽培制度［11］、灌溉施肥措施［12］等外部因素。但是，上述因素中某一單獨(dú)因素指標(biāo)僅能反映土壤物理性質(zhì)的某一方面。為了全面反映土壤物理性質(zhì)的綜合狀況，Dexter提出了土壤物理質(zhì)量（S）這一指標(biāo)，其是指以土壤水吸力自然對(duì)數(shù)為自變量、土壤質(zhì)量含水量為因變量的土壤水分特征曲線van Genuchten(1980)［13］模 型 拐 點(diǎn) 對(duì) 應(yīng) 的 斜 率 的 絕 對(duì)值［14-16］。研究表明，S與土壤通透性［16-17］、容重［18］、耕作質(zhì)量［19］、機(jī)械阻力［20］、水分有效性［21］和根系生長(zhǎng)狀況［18］等密切相關(guān)?；赟的土壤物理質(zhì)量經(jīng)驗(yàn)性的定量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：S≥0.05，優(yōu)；0.035≤S＜0.05，良；0.020 ≤S＜ 0.035，差；S＜ 0.020，極差［18］。

土壤物理質(zhì)量（S）作為土壤物理性質(zhì)表征指標(biāo)必然對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量具有重要影響，但是，這方面的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究針對(duì)膜下滴灌水肥一體化管理棉田礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)供給充足、土壤物理質(zhì)量成為棉花產(chǎn)量主要影響因素這一情況，分析土壤物理質(zhì)量對(duì)棉花產(chǎn)量的影響，旨在為棉田土壤肥力調(diào)控提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師13團(tuán)6連和第一師農(nóng)科所2塊試驗(yàn)田進(jìn)行，田塊編號(hào)分別為1#和2#。其中，1#試驗(yàn)田總面積 3.3 hm2，2#試驗(yàn)田總面積6.6 hm2。兩塊試驗(yàn)田均含有壤土和重壤土兩種質(zhì)地。0-20 cm和20-40 cm土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)田土壤理化性質(zhì)

每種質(zhì)地的土壤設(shè)6個(gè)試驗(yàn)小區(qū)（6次重復(fù)），小區(qū)面積110m2，排列方式見(jiàn)圖1。棉花種植模式為一膜六行，寬窄行配置模式（10 cm+66 cm+10 cm+66 cm+10 cm）。試驗(yàn)各小區(qū)的田間管理相一致。播種密度為18萬(wàn)株·hm-2。8月中旬調(diào)查一次株高。棉花收獲前，每個(gè)小區(qū)選取6.67 m2，調(diào)查收獲密度；每小區(qū)選15株室內(nèi)考種，測(cè)定單株有效鈴數(shù)、單鈴重。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)設(shè)計(jì)方案示意圖

1.2 測(cè)定方法

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定［22］，土壤田間持水量采用威爾科克斯法測(cè)定［22］，土壤飽和含水量由計(jì)算獲得：

式中，ws（g·g-1）為土壤飽和含水量，Db（g·cm-3）為土壤容重，2.65（g·cm-3）為土粒密度。土壤物理質(zhì)量（S）采用公式計(jì)算［14］：

式中，m為土壤水分特征曲線van Genuchten（1980）模型參數(shù)，其采用公式計(jì)算［23］：

式中，wFC為土壤田間持水量，wr（g·g-1）為殘余含水量，本文中取0.05 g·g-1。

土壤毛管斷裂含水量（wRC）采用公式計(jì)算［23］：

土壤最大速效水分區(qū)間采用公式計(jì)算：

式中，θER-max（cm3·cm-3）為土壤最大速效水分區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)，土壤水分能夠快速的被植物吸收，或植物對(duì)水分的吸收沒(méi)有受到抑制。

土壤通氣孔隙度采用公式計(jì)算：

式中，θAIR為通氣孔隙度，是指通氣孔隙占土壤總體積的比例。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重對(duì)S的影響

土壤容重與S的關(guān)系如圖2所示?？梢?jiàn)，隨土壤容重（Db）的逐漸增加S逐漸降低。二者間呈線性關(guān)系，其擬合方程為：

由方程（7）計(jì)算可得，當(dāng)S=0.02所對(duì)應(yīng)的土壤容重為1.608 g·cm-3。一般情況下，容重達(dá)到1.5-1.6 g·cm-3時(shí)，土壤緊實(shí)度很高，物理性質(zhì)嚴(yán)重惡化，作物根系生長(zhǎng)發(fā)育受到顯著抑制［24-25］。該結(jié)果表明，將S=0.02作為土壤物理質(zhì)量極差的臨界值是合適的。

圖2 土壤容重對(duì)土壤物理質(zhì)量（S）的影響

圖3 土壤物理質(zhì)量（S）與土壤最大速效水分區(qū)間（θER-max）關(guān)系

2.2 土壤S與θER-max關(guān)系

土壤S與θER-max關(guān)系如圖3所示，隨著S的升高θER-max逐漸增大，二者間具有良好的線性關(guān)系：

這說(shuō)明隨S的降低θER-max逐漸減少，即作物可吸收的速效水分逐漸減小。因此，S越小土壤對(duì)植物產(chǎn)生水分脅迫的可能性越高。

2.3 土壤物理質(zhì)量（S）對(duì)棉花株高的影響

由表2可見(jiàn)，棉花株高隨S的增加而增加。1#田塊壤土和重壤土0-40 cm土層S平均值分別為0.037 1和0.024 0，對(duì)應(yīng)的棉花株高分別為91.6 cm和82.9 cm，2#試驗(yàn)田壤土和重壤土0-40 cm土層S平均值分別為0.038 9和0.030 6，對(duì)應(yīng)的棉花株高分別為92.3 cm和83.7 cm。

表2 土壤理質(zhì)量（S）對(duì)棉花株高和產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

2.4 土壤物理質(zhì)量（S）對(duì)棉花產(chǎn)量及其組成要素的影響

由表2可知，同一田塊內(nèi)，壤土和重壤土S差異顯著，籽棉產(chǎn)量及其構(gòu)成要素間差異也達(dá)到顯著水平。1#田塊壤土和重壤土0-40 cm土層S平均值分別為0.037 1和0.024 0，對(duì)應(yīng)的收獲密度分別為17.3萬(wàn)株·hm-2和16.4萬(wàn)株·hm-2，單株有效鈴數(shù)分別為6.0個(gè)和5.3個(gè)，單鈴重分別為5.5 g和5.0 g，而產(chǎn)量分別為 5 709.0 kg·hm-2和4 346.0 kg·hm-2。產(chǎn)量（Y）與S間的線性關(guān)系方程為：Y（kg·hm-2）=104 172S+1 784.3（R2=0.983 8，P＜0.01）。

3 討論

隨著S的降低，土壤容重增加，這與Dexter的研究相一致［14］。而容重增大必然導(dǎo)致緊實(shí)度提高。李志洪和王淑平［4］研究表明，白漿土容重由0.84 g·cm-3增加到1.31 g·cm-3時(shí)，緊實(shí)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時(shí)，緊實(shí)度由 1.5 kg·cm-2增加到2.8 kg·cm-2。這導(dǎo)致小麥根系長(zhǎng)度和重量均隨容重增加而降低，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量隨容重增加而下降。

土壤S與機(jī)械阻力（SMR，kPa）的關(guān)系方程為［20］：

式中，δ為有效飽和度，δ=（w-wr）/（ws-wr）。機(jī)械阻力限制作物根系生長(zhǎng)，將機(jī)械阻力限制條件下的根系生長(zhǎng)與無(wú)機(jī)械阻力限制的根系最佳生長(zhǎng)的比值定義為相對(duì)生長(zhǎng)率（R），其與SMR的關(guān)系為［18］：

因此，根系生長(zhǎng)隨S的降低而降低。經(jīng)計(jì)算，本研究中1#試驗(yàn)田壤土和重壤土0-40 cm土層S平均值分別為0.037 1和0.024 0，則SMR平均值分別為1 324 kPa和1 890 kPa，對(duì)應(yīng)的R分別為0.56和0.44；2#試驗(yàn)田壤土和重壤土0-40 cm土層S平均值分別為0.038 9和0.030 6，則SMR平均值分別為1 287 kPa和1 547 kPa，對(duì)應(yīng)的R分別為0.57和0.51。因此，S降低會(huì)導(dǎo)致土壤機(jī)械阻力增大［20］。而機(jī)械阻力的增加導(dǎo)致根系生長(zhǎng)受阻，這與宋家祥等［5］、李潮海等［24］的研究相一致。同時(shí)，機(jī)械阻力的增加還會(huì)引起水分有效性的降低［25］，最終影響產(chǎn)量。

機(jī)械阻力除了影響根系生長(zhǎng)外，可能還會(huì)影響出苗情況，一般而言，機(jī)械阻力越大，土壤越緊實(shí)，作物出苗受到的阻力越大。本研究中，S越小對(duì)應(yīng)的棉花收獲密度越小。這可能與S越小機(jī)械阻力越大有關(guān)。

S與θER-max密切相關(guān)，當(dāng)土壤含水量處于θER-max的上限（wFC）和下限（wRC）范圍內(nèi)，土壤水分供應(yīng)充足，作物不會(huì)受到水分脅迫。理論上，當(dāng)土壤含水量降低到wRC時(shí)就應(yīng)該開(kāi)始進(jìn)行灌溉，不然作物吸水就會(huì)變得困難，即發(fā)生水分脅迫［1-2］。例如，吳元芝和黃明斌研究表明，以相對(duì)含水量為水分脅迫指標(biāo)時(shí)，重壤土、中壤土和砂壤土開(kāi)始影響玉米的凈光合速率的水分脅迫閾值分別為0.80、0.74和0.57［3］；吳立峰等研究表明，北疆棉田灌水量在80%棉花蒸發(fā)蒸騰量時(shí)可以獲得低于最高籽棉產(chǎn)量約5%的籽棉產(chǎn)量和最高的水分利用效率［12］。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中最好對(duì)土壤水分狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但是這往往不能實(shí)現(xiàn)。在南疆膜下滴灌棉田中，生產(chǎn)實(shí)踐中常常在6月中上旬開(kāi)始第一次灌溉，而后相隔7天左右進(jìn)行下一次灌溉，灌水定額的平均值約為37.5 mm。蔡煥杰等研究表明，籽棉產(chǎn)量達(dá)到6 000 kg·hm-2以上，膜下滴灌棉田苗期后的日平均耗水量約為4.8 mm［26］，則7天的耗水量為33.6 mm。按本研究0-40 cm土層計(jì)算，如果不發(fā)生水分脅迫，則θER-max應(yīng)大于0.084 cm3·cm-3，根據(jù)方程（8）其對(duì)應(yīng)的S=0.035。這與Dexter［16］關(guān)于S的分級(jí)閾值相符合。說(shuō)明區(qū)域內(nèi)棉花耗水情況主要由土壤水分供應(yīng)狀況決定。生產(chǎn)實(shí)踐中，灌水定額的平均值約為37.5 mm，超過(guò)33.6 mm，此時(shí)土壤灌溉深度大于40 cm，有利于緩解或消除S＜0.035土壤的水分脅迫。因此，應(yīng)該根據(jù)土壤物理質(zhì)量制定相應(yīng)的灌溉制度。

當(dāng)土壤S＜0.035時(shí)，提高灌水定額有助于消除土壤對(duì)植物的水分脅迫。但是，S過(guò)低會(huì)導(dǎo)致土壤通氣性不足，影響作物生長(zhǎng)。作物正常生長(zhǎng)所需求的通氣孔隙度閾值為θAIR≥0.1［27］。本研究中，θAIR與S的關(guān)系方程為：θAIR=1.984 9S+0.040 4（R2=0.997，P＜0.01）。根據(jù)該方程，θAIR=0.1對(duì)應(yīng)S=0.030。因此，本研究中S＜0.030的土壤通氣性不足，會(huì)對(duì)棉花生長(zhǎng)和產(chǎn)量產(chǎn)生抑制作用。這與試驗(yàn)結(jié)果相一致。1#和2#田塊重壤土0-40 cm土層的S分別為0.024和0.030 6，因此，1#田塊重壤土通氣不足，2#田塊重壤通氣情況處于臨界狀態(tài)。

4 結(jié)論

參數(shù)S與土壤容重、土壤速效水分區(qū)間和通氣孔隙度均具有顯著的相關(guān)性。而容重、水分有效性和通氣狀況均能影響作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量，因此，S作為土壤物理質(zhì)量的綜合參數(shù)可以反映作物產(chǎn)量情況。本研究中，籽棉產(chǎn)量（Y）與S間的線性關(guān)系方程為：Y（kg·hm-2）=104 172S+1 784.3（R2=0.983 8，P＜0.01）。當(dāng)S=0.035時(shí)，對(duì)應(yīng)的籽棉產(chǎn)量為5430 kg·hm-2。南疆棉花高產(chǎn)的目標(biāo)產(chǎn)量在5 250-6 750 kg·hm-2。因此，使用S分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為膜下滴灌棉田產(chǎn)量管理依據(jù)是可行的。

本研究中，壤土0.035＜S＜0.040，產(chǎn)量平均值達(dá)到5 790.1 kg·hm-2，籽棉產(chǎn)量還有進(jìn)一步提升空間，產(chǎn)量限制因素應(yīng)該是緊實(shí)度對(duì)出苗和根系生長(zhǎng)有一定的影響；2#田塊重壤土的S=0.030 6，對(duì)應(yīng)籽棉產(chǎn)量為4 836.8 kg·hm-2，產(chǎn)量限制因素主要包括機(jī)械阻力偏高導(dǎo)致收獲密度下降，速效水分供應(yīng)不足導(dǎo)致單株鈴數(shù)和單鈴重下降；1#田塊重壤土的S=0.024 0，對(duì)應(yīng)籽棉產(chǎn)量為4 346.0 kg·hm-2，產(chǎn)量限制因素包括機(jī)械阻力過(guò)高影響收獲密度，速效水分供應(yīng)不足和通氣不良供導(dǎo)致單株鈴數(shù)和單鈴重降低。因此，隨著S逐漸降低，導(dǎo)致棉花減產(chǎn)的因素也發(fā)生變化。當(dāng)0.035＜S＜0.050，產(chǎn)量制約因素為機(jī)械阻力；0.030＜S＜0.0350，減產(chǎn)因素為機(jī)械阻力與水分脅迫；S＜0.0300，減產(chǎn)因素為機(jī)械阻力、水分脅迫與通氣不足。