微生物菌肥对盐碱地不同作物节水效应研究

2023-08-27郭鹏程轩晓博封硕鲍珊珊裴向阳

人民黄河 2023年7期

郭鹏程轩晓博封硕鲍珊珊裴向阳

摘要：为探究微生物菌肥对盐碱地农业节水的影响作用，在黄河上游的河套灌区开展田间小区试验，选取向日葵和玉米作为典型作物，采用有底测坑装置控制地下水水位，分期精确调控灌水量。通过设置不同节水梯度，研究了施用微生物菌肥对土壤含水率、土壤孔隙度、土壤容重、作物产量的影响。结果表明：在施用微生物菌肥、生长期灌溉水量较常规节约１０％的情况下，土壤的含水率均有所提升，变化幅度为１０％～１６％，土壤孔隙度和容重变化不明显，土壤保水性有所增强，向日葵增产率达２５％，玉米增产率达２８．４％，农作物品质变化不明显。

关键词：河套灌区；盐碱地；微生物菌肥；节水

中图分类号：Ｑ９３９．９６文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０２３

引用格式：郭鹏程，轩晓博，封硕，等．微生物菌肥对盐碱地不同作物节水效应研究［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（７）：１２５－１２９．

黄河流域水资源自然禀赋条件较差，水资源短缺是流域最大的矛盾。黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略提出，把水资源作为最大的刚性约束，全面实施深度节水控水行动，坚持节水优先，落实以水定城、以水定地、以水定人、以水定产举措。统计数据显示，２０２０年黄河流域农业用水占比高达６５．３％［１］。大规模的农业用水，伴随着较低的用水效率，已成为当前黄河流域农业灌溉面临的最大困境和挑战，也进一步加剧了黄河流域的水资源短缺状况。因此，在黄河流域强化农业节水增效、发展高效节水农业，已成为水资源管理十分迫切的要求。

河套灌区位于我国西北内陆，地处黄河上游段，属我国三大灌区之一。河套灌区是黄河流域的用水大户，对黄河的依赖程度高，属于没有黄河便没有农业的地区。灌区年引黄水量约５０亿ｍ３，占黄河过境水量的１／７。由于灌区地势低，处于断陷盆地，长期灌排不配套，地下水矿化度高、含盐量大，加之气候干旱，蒸腾作用大，盐分于地表聚集，导致土壤积盐［２－３］，使河套灌区成为内蒙古盐渍化土壤主要分布区之一，也是我国西北最主要的农耕区与生态脆弱区。目前河套灌区耕地盐碱化面积３９．４万ｈｍ２，占耕地面积的６８．６％，以中重度盐碱化为主［４］。灌区引黄水主要用途：一部分用于秋浇春灌，压洗耕作层土壤盐分，为农业生产创造良好的土壤条件，这部分用水量相对较大；另一部分，用于农作物的正常生长期耗水。近些年河套灌区针对节水开展了大量的工作，实施了一大批节水工程，虽然取得了较为显著的成效，但仍存在许多“瓶颈”问题。与其他区域不同的是，河套灌区土壤盐碱化的问题长期存在，为了保障国家粮食安全，降低盐碱土对农业生产的影响，普遍采用大水压盐的方式来改善耕作条件，这可从近几年该地区用水量居高不下、实际引黄水量超过额定分配指标得到佐证。节水与抑盐之间的矛盾始终存在，土壤盐碱化是灌区节水的主要限制性因素，节水工作遇到了前所未有的挑战。因此，需另辟蹊径，从根本上解决问题，“节水先治土，治土先盐碱”逐渐成为该地区破解节水难题的基本共识。

从２０世纪至今，全球的专家学者对改良盐碱土壤的措施和机制研究取得了显著的成果，其中部分措施方案例如微生物菌剂在实际应用中已经起到了良好的效果并得到推广［５］。采用微生物技术治理盐碱化土地，通过有益微生物活化土壤中被固化的养分，改善土壤团粒结構，不仅可以增强土壤的保水性，降低灌溉用水量，还可减少化肥施用量，同步实现节水、抑盐、减污等多重目标。为深入研究微生物技术在河套灌区农业节水中的实际应用效果，本课题组在灌区开展３期（３ａ）田间试验，验证该技术推广的可行性和有效性，以期为河套灌区农业节水开辟新的途径，有力助推黄河流域生态保护和农业高质量发展。

１试验内容

１．１试验区概述

试验区（东经１０７°２４′、北纬４０°４６′）位于河套灌区中部曙光试验站，土壤属于轻度盐碱土，试验小区土壤容重１．４３～１．８０ｇ／ｃｍ３；土壤耕作层（０～４０ｃｍ）有机质含量为８．０３～１１．２９ｇ／ｋｇ、全氮含量为０．５９～０．７５ｇ／ｋｇ、全磷含量为０．１７～０．４３ｇ／ｋｇ、全钾含量为１１．８６～１８．７２ｇ／ｋｇ、全盐含量为０．７５～２．８２ｇ／ｋｇ、ｐＨ值为７．５９～８．４５。试验区共有６组样地测坑，测坑设有遮雨棚，试验田不接受自然降水，如图１所示。每组测坑面积２ｍ×３．３ｍ＝６．６ｍ２，测坑地下室装有地下水位控制和土壤溶液提取装置，装有６套玛利奥托瓶，采用当地地下水补充瓶中水分，根据研究需要精确调控地下水埋深，准确测量每日地下水补给量。本研究所有试验地下水埋深控制在１．５ｍ。

１．２材料与方法

作物选择当地盐碱地适生作物向日葵（品种ＳＨ３６３）、玉米（品种西蒙５６８）；试验所需常规肥料为磷酸二铵、硫酸钾、尿素，微生物菌肥选用ＥＴＳ。

土壤理化指标和养分状况于向日葵和玉米播种前、收获后各测定１次；采用水泵、水表定量控制灌溉水量并记录灌溉的时间等。每个生育期测定作物株高、茎粗、叶面积；向日葵分为地上（秆径）和地下（根系）２部分分别收取样品，称量各部分鲜重。植物样品在１０５ ℃杀青３０ｍｉｎ后７５ ℃烘至恒重，称其干重。记录作物收获株数，籽粒自然晾干后称重，从而折算出产量。

１．３试验设计

本次试验常规化肥施用量以当地往年经验为标准（磷酸二铵３００ｋｇ／ｈｍ２、硫酸钾１５０ｋｇ／ｈｍ２、尿素４０５ｋｇ／ｈｍ２），微生物菌肥用量按前期试验最佳施用量设定（见表１、表２），向日葵和玉米分别设置３种不同节水处理试验。其中：向日葵试验组分别记为节水１０％（ＣＴ１）和节水２０％（ＣＴ２），固体微生物菌肥于播前一次性施入，液体微生物菌剂分２次随水施入（第１次和第２次灌水各１０Ｌ），对照组记为ＣＴ（不节水，不施用微生物菌剂）；玉米试验以当地常规灌溉水量（３３７５ｍ３／ｈｍ２，生育期进行３次灌溉）为对照组，记为ＣＹ，分别以节水１０％、２０％设置节水梯度ＣＹ１和ＣＹ２。灌溉方式为地面灌溉，田间管理与当地农户管理一致。有底测坑试验具体参数见表１、表２，有底测坑小区平面布置见图２。

玉米在２０２１年４月底进行播种，共进行２次灌水、５次定株测量；向日葵在２０２１年６月初进行播种，共进行２次灌水（其中播前１次）、５次定株测量。灌水前和灌水后第３、５、７ｄ测定土壤含水率，并进行灌后土壤及排水样的采集，在作物收割后进行测产。

１．４数据分析

采用ＳＰＳＳ２２．０、Ｏｒｉｇｉｎ２０２２等软件对数据进行统计、计算和分析，并对灌溉作物的节水量、作物产量、土壤含水率、土壤孔隙度、土壤容重等进行差异显著性分析。

２结果分析

２．１土壤理化性状

分别从土壤含水率、土壤孔隙度、土壤容重、土壤ｐＨ值、土壤全盐含量、土壤养分含量等方面对不同处理的土壤样品进行分析。

２．１．１土壤含水率

不同试验组土壤含水率如图３（ａ）所示。向日葵试验组中，施用微生物菌肥的所有处理的土壤含水率均显著高于对照组，其中ＣＴ２处理的含水率最高（为１３．０６％）、较对照组提升２９．１％，ＣＴ１处理的含水率為１２．３％、较对照组提升２１．５％。玉米试验组中，施加微生物菌肥所有处理的土壤含水率均高于对照组，其中ＣＹ１处理含水率最高、较对照组提升１１．６％，ＣＹ２处理较对照组提升３．４％。这表明微生物菌肥可通过改善土壤理化性质，增强土壤保水性，减少水分流失，提高土壤含水率［６］，达到良好的节水效果。

２．１．２土壤孔隙度

向日葵和玉米试验组中所有处理的土壤孔隙度与对照组均无显著差异［见图３（ｂ）］，这是因为土壤孔隙度的改变需要一定时间，而本试验期限为１ａ，微生物菌肥对土壤孔隙度的影响有限。

２．１．３土壤容重

向日葵和玉米试验组中所有处理的土壤容重与对照组均无显著差异［见图３（ｃ）］，这说明微生物菌肥对土壤结构的改变是一个长期的过程，为期１ａ的试验中微生物菌肥对土壤容重的影响并不明显。

２．１．４土壤ｐＨ值

向日葵和玉米的所有试验组土壤ｐＨ值并无明显差异，这表明本试验中施用微生物菌肥后，节水处理对土壤ｐＨ值的影响不大，如图３（ｄ）所示。

２．１．５土壤全盐含量

土壤全盐含量指土壤中可溶性盐分阴阳离子的总和［见图３（ｅ）、表３］，向日葵和玉米试验组中，施用微生物菌肥＋节水处理的土壤全盐含量较对照组均显著降低至轻度盐碱水平。其中：向日葵组中ＣＴ１和ＣＴ２土壤全盐含量较对照组分别下降２６．１４％和３８．２５％；玉米组中ＣＹ１和ＣＹ２土壤全盐含量较对照组分别下降３５．０６％和３５．７３％。原因可能是微生物在自身生长繁殖过程中可以产生大量的黏胶和多糖等物质，这些物质促进土壤团粒形成，加速土壤淋盐作用，通过抑制返盐降低土壤表层盐分［７］。此外，还有研究认为微生物菌肥可以改善作物根系环境，促进根系对水分和营养盐的吸收，从而降低土壤的盐离子浓度［８］。

２．１．６土壤养分

１）水解氮。水解氮又称碱解氮，包括无机态氮和结构简单能为作物直接吸收利用的有机态氮，可供作物近期吸收利用，因此也称速效氮。玉米、向日葵土壤样本中水解氮含量如图４（ａ）所示，向日葵试验组中ＣＴ１和ＣＴ２处理的土壤水解氮含量较对照组均有明显下降，玉米试验验组中ＣＹ２的土壤水解氮含量显著低于对照组。

２）速效磷。土壤速效磷是指土壤中可被植物吸收的磷组分。玉米、向日葵试验组土壤样本中速效磷含量如图４（ｂ）所示，所有节水＋施加微生物菌肥处理的土壤速效磷含量均较对照组显著降低。

３）速效钾。速效钾是指土壤中易被作物吸收利用的钾素，包括土壤溶液钾及土壤交换性钾。玉米、向日葵试验组土壤样本中速效钾含量如图４（ｃ）所示，除ＣＴ２处理外其余处理的土壤速效钾含量均较对照组有所下降。

４）有机质。玉米、向日葵试验组土壤样本中有机质含量如图４（ｄ）所示，向日葵和玉米试验组中的有机质含量与对照组无显著差异。

综上所述，向日葵和玉米试验组中，施用微生物菌肥＋节水处理后的土壤各种养分含量较对照组均呈显著降低的趋势，这说明微生物菌肥可以改善作物根系环境，显著促进作物对土壤速效养分的吸收和利用，导致收获后土壤的速效养分含量显著降低［９］。各试验处理组的土壤有机质含量较对照组并无明显变化，这可能是因为微生物菌肥中含有较为丰富的有机质成分，可以补充土壤中被作物吸收利用的有机质［１０］。

２．２向日葵生长性状及产量

图５为不同处理的向日葵生长性状及产量。施加微生物菌肥＋节水处理后，向日葵的株高、茎粗总体上与对照无显著差异；ＣＴ１处理的向日葵叶片数量最多，达到１６个，显著高于对照组。叶片的主要作用是进行光合作用，因此叶片数量一定程度上反映了光合有效面积的大小和对光能截获量的多少，从而最终影响作物产量的高低。由图５（ｄ）可以看出，ＣＴ１处理的向日葵产量最高（为３２９１．７５ｋｇ／ｈｍ２），较对照组增产２５％，增幅显著。

在施加微生物菌肥后向日葵所有节水处理产量均高于对照组，表明施用微生物菌肥可以达到一定的节水效果。一方面微生物菌肥促进土壤形成团粒结构，增大了土壤的孔隙度和透气性，改善了土壤的物理结构，增强了土壤的保水能力［１１］；另一方面，微生物分泌的多种物质可以促进作物的光合作用，减少蒸腾失水，提高了作物对水分的利用效率［１２］，促进作物生长，提高产量。但是微生物菌肥的节水作用有限，作物的生长需要一定量的水分，过度节水会抑制作物的生长，降低产量，因此向日葵节水２０％处理的产量低于节水１０％处理的。

２．３玉米生长性状及产量

与向日葵组试验结果相似，玉米试验组中施用微生物菌肥＋节水处理的玉米株高和茎粗与对照组无显著差异［见图６（ａ），６（ｂ）］；ＣＹ１处理的玉米叶面积最大，为３８０６ｃｍ２，较对照组显著提高５４．５％［见图６（ｃ）］。施用微生物菌肥后，所有节水处理的玉米株高、茎粗并未显著低于对照组，这说明微生物菌肥可以达到部分节水效果，即使节水２０％，玉米的生长状况仍未受到明显影响。

各处理玉米产量如图６（ｄ）所示，ＣＹ１处理玉米产量最高（为６０４８．０８ｋｇ／ｈｍ２），较对照组增产２８．４％，增幅显著。ＣＹ１和ＣＹ２处理的玉米产量较对照组均有提升，表明微生物菌肥有良好的增产效果，在节水２０％的情况下，玉米的产量仍能保持较高水平。而玉米在生长过程中也需要一定的水分，因此过度节水的处理组（节水２０％）玉米产量受到一定程度影响，显著低于节水１０％处理的。

３结论

施用微生物菌肥对河套灌区盐碱化土壤进行改良，通过田间试验探讨其对作物在盐碱化土壤生长的节水效应。主要结论如下：

１）施用微生物菌肥可以显著提高向日葵和玉米处理组的土壤含水率，达到良好的节水效果，即使节水２０％，土壤的含水率仍显著高于对照组。

２）施用微生物菌肥可以通过增加土壤团粒或者改善作物根系环境等作用促进作物对盐离子的吸收，从而降低土壤全盐含量。向日葵试验组中，节水２０％的处理对土壤全盐含量降低作用最为明显。玉米试验组中，节水１０％和节水２０％均能显著降低土壤全盐含量。

３）微生物菌肥可以促进作物对土壤速效养分的吸收，同时达到较好的节水效应。整体而言，向日葵和玉米试验组中节水处理并不会影响作物对土壤速效养分的吸收利用。

４）微生物菌肥施用后，即使節水２０％，向日葵和玉米的生长状况及产量也不会受到显著影响；在节水１０％的情况下，向日葵和玉米的产量均达到最大。由于微生物菌肥的节水效应有限，作物生长需要一定量的水分，因此节水２０％处理的产量明显低于节水１０％处理的。

通过以上研究认为，微生物技术在河套灌区农业节水方面具有一定的效果，未来随着试验的深入，可结合灌区农业“四控”要求，开展集成技术研究与推广。

参考文献：

［１］张倩歌，杨茂．基于超效率ＳＢＭ模型的黄河水资源利用效率评价［Ｊ］．人民黄河，２０２２，４４（９）：１１１－１１５．

［２］马惠茹．河套灌区草牧业发展与盐碱地生态治理现状调查［Ｊ］．家畜生态学报，２０２０，４１（２）：６０－６３．

［３］景宇鹏，段玉，妥德宝，等．河套平原弃耕地土壤盐碱化特征［Ｊ］．土壤学报，２０１６，５３（６）：１４１０－１４２０．

［４］王庆蒙，景宇鹏，李跃进，等．不同培肥措施对河套灌区盐碱地改良效果［Ｊ］．中国土壤与肥料，２０２０（５）：１２４－１３１．