微生物菌肥对盐碱地不同作物节水效应研究_郭鹏程.pdf

收稿日期:20221106基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFC3201302);中国博士后科学基金资助项目(2021M701374);黄河设计院自主研究开发项目(2021KY024)作者简介:郭鹏程(1981)，男，河南浚县人，正高级工程师，主要从事生态修复与水资源保护研究工作通信作者:轩晓博(1979)，男，陕西兴平人，高级工程师，研究方向为农业水土资源开发与保护E-mail:xbxuan 126com【节水灌溉】微生物菌肥对盐碱地不同作物节水效应研究郭鹏程1，2，轩晓博1，2，封硕1，鲍珊珊2，裴向阳2(1黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003;2水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室(筹)，河南 郑州 450003)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284%，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:Q93996文献标志码:Adoi:103969/jissn10001379202307023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):125129esearch on Water-Saving Effect of Micro-Organism Agents on Different Crops in Saline-Alkali LandGUO Pengcheng1，2，XUAN Xiaobo1，2，FENG Shuo1，BAO Shanshan2，PEI Xiangyang2(1Yellow iver Engineering Consulting Co，Ltd，Zhengzhou 450003，China;2Key Laboratory of Water Managementand Water Security for Yellow iver Basin，Ministry of Water esources(Under Construction)，Zhengzhou 450003，China)Abstract:In order to explore the effect of microbial inoculants on agricultural water saving in saline alkali land，a field plot experiment wascarried out in Hetao irrigation area on the upper reaches of the Yellow iver Sunflower and corn were selected as typical crops，and a bot-tomed pit measuring device was used to control the groundwater level and accurately regulate the irrigation volume by stages By setting differ-ent water-saving gradients，the effects of microbial fertilizer on soil moisture content，soil porosity，soil bulk density and crop yield were stud-ied The results show that after the application of microbial fertilizer，when the irrigation water in the growth period is saved by 10%com-pared with the conventional irrigation，the soil moisture content is increased，with a change range of 10%16%The changes of soil porosityand bulk density are not obvious and waterretaining of the soil is enhanced The yield increase rate of sunflower is 25%，the growth rate ofcorn is 284%and the change of crop quality is not obviousKey words:Hetao irrigation area;saline-alkali land;microbial fertilizer;water-saving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 653%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23，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 394 万 hm2，占耕地面积的 686%，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521第 45 卷第 7 期人民黄河Vol45，No72023 年 7 月YELLOWIVEJul，2023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，改善土壤团粒结构，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(3 a)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11试验区概述试验区(东经 10724、北纬4046)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143180 g/cm3;土壤耕作层(040 cm)有机质含量为8031129 g/kg、全氮含量为059075 g/kg、全磷含量为017043 g/kg、全钾含量为 11861872 g/kg、全盐含量为 075282g/kg、pH 值为 759845。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 2 m33 m=66 m2，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 15 m。图 1试验区标准测坑装置12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30 min 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。13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 300 kg/hm2、硫酸钾 150 kg/hm2、尿素405 kg/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10 L)，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(3 375 m3/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。表 1有底测坑试验设计(向日葵)处理灌水量/(m3hm2)播前生育期现蕾期 开花期小计合计微生物菌肥固体/(kghm2)液体/(Lhm2)CT11 8006756751 3503 1507 500300CT21 8006006001 2003 0007 500300CT1 8007507501 5003 30000表 2有底测坑试验设计(玉米)处理灌水量/(m3hm2)生育期拔尖期抽雄期灌浆期合计微生物菌肥固体/(kghm2)液体/(Lhm2)CY11 01251 01251 01253 03757 500300CY29009009002 7007 500300CY1 1251 1251 1253 37500图 2有底测坑小区平面布置621人 民 黄 河2023 年第 7 期玉米在 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、7 d 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。14数据分析采用 SPSS220、Origin 2022 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21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。211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1306%)、较对照组提升 291%，CT1 处理的含水率为123%、较对照组提升 215%。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 116%，CY2 处理较对照组提升 34%。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。图 3不同试验组土壤理化性质212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1 a，微生物菌肥对土壤孔隙度的影响有限。213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 1 a 的试验中微生物菌肥对土壤容重的影响并不明显。214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。215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 2614%和 3825%;玉米组中 CY1 和 CY2 土壤全盐含量较对照组分别下降 3506%和 3573%。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。721人 民 黄 河2023 年第 7 期表 3河套灌区盐碱度分级标准g/kg非盐碱化轻度盐碱化中度盐碱化重度盐碱化盐碱土2244661010216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。图 4不同试验组土壤养分含量综上所述，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。22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 3 29175 kg/hm2)，较对照组增产25%，增幅显著。图 5不同处理向日葵的生长性状及产量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。23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 3 806 cm2，较对照组显著提高 545%见图6(c)。施用微生物菌肥后，所有节水处理的玉米株821人 民 黄 河2023 年第 7 期高、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 6 04808 kg/hm2)，较对照组增产 284%，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。图 6不同处理玉米的生长性状及产量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，即使节水 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):111115 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):6063 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):14101420 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):124131 5 许坤鹏，刘喜兵河套灌区盐碱地改良方案总结与探索 J 甘肃科技，2021，37(1):4142 6 宋玉珍微生物肥料在松嫩平原盐碱地造林中的应用研究 D 哈尔滨:东北林业大学，2009:1314 7 逄焕成，李玉义，于天一，等不同盐胁迫条件下微生物菌剂对土壤盐分及苜蓿生长的影响 J 植物营养与肥料学报，2011，17(6):14031408 8 逄焕成，李玉义，严慧峻，等微生物菌剂对盐碱土理化和生物性状影响的研究J 农业环境科学学报，2009，28(5):951955 9 康林玉，刘周斌，欧立军，等土壤微生物促进作物生长发育研究进展 J 湖南农业科学，2017(3):113116 10 尤露微生物肥料对土壤的改良及在农作物生产中的运用研究 J 甘肃农业，2021(7):8990 11张建嶺，赵永锋，陈哲施用复合微生物肥对农田土壤水分、pH 值的影响 J 北京农业，2014(27):216 12余锋，李思宇，邱园园，等稻田甲烷排放的微生物学机理及节水栽培对甲烷排放的影响J 中国水稻科学，2022，36(1):112【责任编辑简群】921人 民 黄 河2023 年第 7 期