長期咸水滴灌對灰漠土理化性質(zhì)及棉花生長的影響

周永學(xué)，李美琪，黃志杰，侯振安，閔 偉

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832003)

淡水資源匱乏嚴(yán)重制約干旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，干旱區(qū)灌溉水質(zhì)鹽化的現(xiàn)象也普遍存在[1]，合理利用干旱區(qū)咸水資源進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉是解決干旱區(qū)淡水資源匱乏的重要舉措。新疆地處干旱區(qū)，年蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，土壤中的鹽分很難被淋洗下去，地下水的礦化度高，大多地下水已經(jīng)達(dá)到微咸水的標(biāo)準(zhǔn)[2]。在淡水資源不足和增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的雙重壓力下，為維持作物產(chǎn)量，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，應(yīng)用咸水、微咸水灌溉已成為必然趨勢。

鹽脅迫是嚴(yán)重影響農(nóng)作物生長、導(dǎo)致產(chǎn)量降低的主要環(huán)境脅迫因子[3], 咸水灌溉具有兩面性，即咸水灌溉可以為作物生長發(fā)育提供所需水分，維持作物生長，但同時(shí)也將大量鹽分帶入土壤中，增加土壤鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而影響土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量[4-6]。有研究發(fā)現(xiàn)咸水灌溉會導(dǎo)致土壤理化性狀日益惡化，造成土壤積鹽、增加土壤容重、降低土壤入滲率和改變土壤離子組成[7-8]。土壤鹽漬化還會降低土壤水勢，致使植物根系吸水困難，進(jìn)而形成滲透脅迫，導(dǎo)致離子毒害并誘發(fā)氧化脅迫等[9]。也有研究發(fā)現(xiàn)土壤水分的蒸散損失在咸水灌溉下顯著降低，從而導(dǎo)致土壤含水量的增加[10]。土壤水分脅迫是造成農(nóng)作物生長受阻的主要原因，土壤鹽分增加導(dǎo)致土壤溶液的濃度升高，土壤水勢降低就會減少植物根系的水分吸收，當(dāng)土壤水勢比植物根系水勢更低時(shí)，就會造成根系失水，破壞植物的水分平衡。 因此研究咸水灌溉下土壤理化特性及水分特征就顯得尤為重要。國內(nèi)外對咸水資源利用等方面已有諸多報(bào)道，主要包括灌溉方式和技術(shù)[11-13]、水鹽運(yùn)移及分布規(guī)律[14-16]、作物生長[17-19]等方面，目前關(guān)于咸水灌溉對土壤水分特征和作物水分生理的研究還不全面。

棉花有較強(qiáng)的耐鹽堿能力，通常被作為鹽堿地改良的先鋒作物。新疆是中國最重要的植棉區(qū)，新疆干旱區(qū)淡水資源短缺，但是地表和地下咸水資源相對豐富。長期咸水灌溉會導(dǎo)致土壤鹽分增加、土壤特性發(fā)生改變，影響棉花根系對水分和養(yǎng)分的吸收，最終影響棉花生長、降低產(chǎn)量。本研究分析長期咸水灌溉對棉田土壤理化性質(zhì)、水力特性、棉花生長和生理的影響，闡明長期咸水灌溉降低棉花產(chǎn)量的機(jī)理，以豐富人們對棉花適應(yīng)鹽脅迫機(jī)理的了解，為干旱區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和咸水資源的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站(44°18′ N，86°02′E)，該地區(qū)屬于典型的干旱荒漠氣候，水資源匱乏，年平均降水量為180～270 mm，年平均蒸發(fā)量為1 000～1 500 mm。土壤類型為灰漠土。2009年土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)：土壤鹽分(EC1∶5)0.13 dS·m-1，土壤全氮1.1 g·kg-1，土壤有機(jī)質(zhì)16.8 g·kg-1，土壤pH值(1∶2.5)7.9，土壤速效磷25.9 mg·kg-1，土壤速效鉀253 mg·kg-1。供試作物為棉花，品種為新陸早52號。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

在試驗(yàn)區(qū)連續(xù)開展了10 a(2009—2018年)的不同鹽度灌溉水田間滴灌試驗(yàn)。10 a試驗(yàn)中灌溉水鹽度均設(shè)3個(gè)處理，分別為0.35、4.61 dS·m-1和8.04 dS·m-1(代表淡水、微咸水和咸水3種灌溉水質(zhì)，分別用 FW、BW和SW表示)，其中淡水來源于當(dāng)?shù)厣顚拥叵滤趟臀⑾趟ㄟ^在淡水中加入NaCl和CaCl2(質(zhì)量比1∶1)獲得。采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)中每個(gè)處理重復(fù)3次，合計(jì)9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積25 m2。

棉花通常在4月中旬種植，9月中下旬收獲。棉花種植采用覆膜栽培，一膜3管6行，行距配置為60 cm+10 cm，播種密度22.2萬株· hm-2。采用干播濕出法種植棉花， 2019年4月25日播種，播種后每個(gè)處理滴出苗水30 mm，保證棉花正常出苗。整個(gè)棉花生長期間共灌水9次，于6月中旬開始至8月下旬結(jié)束，灌水周期7～10 d，灌溉定額450 mm。各施肥處理氮、磷、鉀肥用量一致，其中磷肥和鉀肥全部做基肥，磷施用量為P2O5105 kg·hm-2，鉀施用量為K2O 60 kg·hm-2；氮肥(尿素N≥46.4%)施用量為360 kg·hm-2，全部隨水滴施，在棉花生長期間共施肥6次。其他田間管理措施參照當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。

1.3 樣品采集

2019年在棉花花鈴期按處理分別采集耕層(0～30 cm)土壤樣品，分別在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的棉花行內(nèi)隨機(jī)選擇3個(gè)采樣點(diǎn)，土樣混合均勻并去除雜物、細(xì)根，用于測定土壤理化性質(zhì)，使用環(huán)刀取柱狀土測定水力特性。在棉花不同生育期采集植株樣品，用于測定生物量、葉面積和干鮮質(zhì)量比；在棉花苗期采集葉片，用于測定葉片水勢、丙二醛含量、相對電導(dǎo)率、抗氧化酶活性及葉綠素含量。

1.4 指標(biāo)測定

采用環(huán)刀法取土測定土壤容重、孔隙度和飽和導(dǎo)水率；土壤含水量采用傳統(tǒng)烘干法測定；土壤鹽度和pH值采用MP522型電導(dǎo)率、pH儀測定，水土比分別為5∶1和2.5∶1；土壤有機(jī)質(zhì)和全氮分別采用K2Cr2O7-H2SO4氧化還原滴定法和凱氏定氮法測定；土壤水分特征曲線采用張力計(jì)法測定。

葉片氣孔導(dǎo)率采用Li-6400便攜式光合儀測定，葉綠素含量采用試劑盒測定，葉片水勢采用小葉流法測定，葉面積采用葉面積儀測定，葉片相對電導(dǎo)率(REC)采用電導(dǎo)法測定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸比色法測定，脯氨酸(PRO)含量采用茚三酮比色法測定，超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性和過氧化氫酶(CAT)活性分別采用氮藍(lán)四唑光還原法、愈創(chuàng)木酚-過氧化氫法和紫外吸收法測定。籽棉產(chǎn)量采用樣方法測產(chǎn)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)計(jì)算和繪圖采用Excel 2017。采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行差異性分析，顯著性檢驗(yàn)采用LSD法(α=0.05)。文中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期咸水滴灌對土壤理化性質(zhì)的影響

長期咸水灌溉顯著影響土壤理化性質(zhì)(圖1)。微咸水(BW)和咸水(SW)處理土壤容重、含水量、鹽分含量顯著增加，而孔隙度、飽和導(dǎo)水率、pH值、有機(jī)質(zhì)和全氮含量顯著降低;土壤容重、含水量和電導(dǎo)率在BW、SW處理下分別較FW處理增加5.82%和9.08%、14.61%和36.57%、240%和383%；BW、SW處理孔隙度、飽和導(dǎo)水率、pH值、有機(jī)質(zhì)和全氮含量較FW處理分別降低5.35%和8.34%、45.00%和60.00%、2.55%和2.72%、3.48%和8.54%、5.78%和13.54%。土壤水分特征曲線也受灌溉水鹽度的影響，土壤體積含水率0.18～0.52，隨著土壤吸力的增加，土壤體積含水率逐漸降低，在土壤吸力小于1000 cm時(shí)，各處理間差異不顯著，但隨著土壤吸力的增加，體積含水率SW處理顯著高于BW、FW處理。

注：不同小寫字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。FW，BW，SW分別代表不同灌溉水的鹽度(EC：0.35、4.61、8.04 dS·m-1)，下同。Note: Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05). FW, BW, and SW stand for the irrigation water salinity (EC) of 0.35, 4.61 dS·m-1, and 8.04 dS·m-1, respectively. The same below.圖1 長期咸水滴灌對土壤理化性質(zhì)的影響Fig.1 Effect of long-term saline water drip irrigation on soil physical and chemical properties

2.2 長期咸水滴灌對棉花生理的影響

長期咸水灌溉對棉花葉片相對電導(dǎo)率和丙二醛(MDA)含量的影響如圖2a 和2b所示。BW、SW處理顯著增加棉花葉片相對電導(dǎo)率值和MDA含量，與FW處理相比，BW、SW處理棉花葉片相對電導(dǎo)率值分別增加19.03%和28.61%，MDA含量分別較FW處理增加29.79%和206%。長期咸水灌溉也顯著影響棉花葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性和脯氨酸(PRO)含量(圖2c、2d、2e和2f)。BW、SW處理顯著增加棉花葉片SOD、POD、CAT和PRO的含量，但是SOD和CAT活性隨灌溉水鹽度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。與FW處理相比，BW、SW處理棉花葉片SOD活性分別增加218%和136%，POD活性分別增加18.77%和13.92%，CAT活性分別增加243%和113%，PRO含量分別增加69.52%和212%。

圖2 長期咸水滴灌對棉花生理指標(biāo)的影響Fig.2 Effect of long-term saline water drip irrigation on physiology index of cotton

長期咸水灌溉顯著降低棉花葉片的葉水勢、氣孔導(dǎo)度和葉面積(圖3)。與FW處理相比，BW、SW處理葉水勢和氣孔導(dǎo)度分別較FW處理降低43.34%和63.46%，11.21%和21.23%。BW、SW處理棉花葉面積在現(xiàn)蕾期、初花期、盛鈴期和吐絮期分別較FW處理降低12.57%和28%、9.12%和23.58%、9.54%和18.05%、10.56%和22.11%。

圖3 長期咸水滴灌對棉花葉面水勢、氣孔導(dǎo)度、葉面積的影響Fig.3 Effect of long-term saline water drip irrigation on leaf surface water potential, stomatal conductance and leaf area of cotton

長期咸水灌溉也顯著降低棉花葉綠素含量(圖4)。與FW處理相比，BW、SW處理棉花葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量分別較FW處理低9.23%和16.88%、18.12%和35.14%、12.13%和22.82%。

圖4 長期咸水滴灌對棉花葉片葉綠素含量的影響Fig.4 Effect of long-term saline water drip irrigation on chlorophyll content of cotton leaf

2.3 長期咸水滴灌對棉花植株干鮮質(zhì)量比的影響

長期咸水灌溉顯著影響棉花地上部干鮮質(zhì)量比(圖5)。與FW處理相比，BW處理棉花地上部干鮮質(zhì)量比呈降低趨勢，但與FW相比差異不顯著，但SW處理棉花地上部干鮮質(zhì)量比較FW處理顯著降低。BW和SW處理棉花莖、葉和鈴的干鮮質(zhì)量比分別較FW處理降低8.96%和12.60%、12.07%和25.85%、5.53%和15.54%。

圖5 長期咸水滴灌對棉花干鮮質(zhì)量比的影響Fig.5 Effect of saline water drip irrigation on the ratio of dry mass to fresh mass of cotton

2.4 長期咸水滴灌對棉花生物量和籽棉產(chǎn)量的影響

長期咸水灌溉對棉花生物量和籽棉產(chǎn)量的影響如圖6所示。BW、SW處理顯著降低棉花地上部的生物量，與FW處理相比，BW、SW處理棉花地上部生物量分別降低14.15%和32.88%。BW、SW處理棉花籽棉產(chǎn)量也顯著降低，BW、SW處理棉花籽棉產(chǎn)量分別較FW處理降低12.60%和25.72%。

圖6 長期咸水滴灌對棉花生物量和籽棉產(chǎn)量的影響Fig.6 Effect of saline water drip irrigation on biomass and seed cotton yield

3 討 論

3.1 長期咸水滴灌對土壤理化性質(zhì)的影響

干旱區(qū)淡水資源短缺，為維持作物生長，咸水用于農(nóng)業(yè)灌溉對于緩解干旱區(qū)淡水資源短缺有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。但微咸水和咸水灌溉會將大量鹽分帶入土壤，加劇土壤鹽害，影響土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)[20]，進(jìn)而影響棉花的生長發(fā)育，導(dǎo)致棉花產(chǎn)量下降。本研究發(fā)現(xiàn)，與淡水灌溉相比，長期微咸水和咸水灌溉顯著增加土壤容重，降低土壤孔隙度；馮棣等[21]研究也發(fā)現(xiàn)土壤容重隨著土壤鹽度增加而顯著增加。季泉毅等[22]的研究也發(fā)現(xiàn)長期咸水灌溉會導(dǎo)致土壤容重增大，土壤孔隙度減小，原因可能是長期咸水灌溉導(dǎo)致鹽分在土壤中積累，從而改變了土壤容重和孔隙度。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)長期微咸水和咸水灌溉降低土壤pH值、有機(jī)質(zhì)和全氮，但是顯著增加土壤鹽分。諸多研究也發(fā)現(xiàn)，咸水灌溉導(dǎo)致土壤鹽分增加[23-25]。土壤有機(jī)質(zhì)含量降低可能是土壤鹽分過高抑制植物生長，在沒有外源有機(jī)質(zhì)投入下，導(dǎo)致對土壤有機(jī)物投入減少[26]，從而降低土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量。

長期微咸水和咸水灌溉也會導(dǎo)致土壤水力特性發(fā)生改變。本研究發(fā)現(xiàn)，與淡水灌溉相比，微咸水和咸水灌溉土壤含水量顯著增加，原因可能是在高鹽分條件下作物吸水受到抑制，此外土壤鹽分增加導(dǎo)致作物蒸騰降低，從而導(dǎo)致土壤含水量增加[27-28]。但是土壤飽和導(dǎo)水率隨灌溉水鹽度的增加而顯著降低。季泉毅等[21]研究也發(fā)現(xiàn)土壤飽和導(dǎo)水率隨著容重的增大而減小，原因可能是土壤容重的增大導(dǎo)致土壤孔隙度減小，而孔隙度的減小使得土壤變得緊密結(jié)實(shí)，從而降低土壤飽和導(dǎo)水率。土壤水分特征曲線表征了土壤含水率與吸力之間的關(guān)系，反映了土壤的持水力，本研究顯示，隨著土壤吸力的增加，土壤體積含水率逐漸降低，且咸水灌溉土壤體積含水率高于淡水灌溉，譚霄等[29]的研究也得出相似結(jié)果，即鹽分使土壤持水性能增加。

3.2 長期咸水滴灌對棉花生理的影響

土壤理化性質(zhì)和土壤水力特性的改變必然影響棉花的正常生長和發(fā)育。本研究發(fā)現(xiàn)，與淡水灌溉相比，長期微咸水和咸水灌溉導(dǎo)致棉花葉片相對電導(dǎo)率(REC)和丙二醛(MDA)含量顯著增加。楊升等[30]研究也表明，隨著鹽分濃度的增加和鹽脅迫時(shí)間的延長，植物葉片REC和MDA含量逐漸增加。REC反映植物細(xì)胞膜在逆境脅迫下的受損程度，REC增加，說明細(xì)胞膜受損程度增大。MDA含量的高低可反映逆境脅迫對植物造成氧化損害的程度。本研究結(jié)果表明，長期微咸水和咸水灌溉會導(dǎo)致葉片細(xì)胞氧化損害加劇，細(xì)胞膜受損程度加大，進(jìn)而抑制棉花生長。為抵御氧化脅迫，植物自身具備酶促保護(hù)系統(tǒng)和非酶促保護(hù)系統(tǒng)用來清除活性氧[31-33]，其中酶促清除系統(tǒng)包括SOD、 CAT、POD等。本研究中微咸水和咸水灌溉均能顯著增高棉花葉片SOD、POD和CAT的活性，但在咸水灌溉處理下SOD、POD和CAT活性較微咸水處理呈下降趨勢，但均高于淡水灌溉處理。諸多研究也表明，在輕度鹽脅迫下，膜脂過氧化產(chǎn)物含量呈增大趨勢，植物自身會上調(diào)SOD，POD和CAT等保護(hù)酶類活性，增強(qiáng)清除活性氧自由基的能力[34-36]。Lee等[37]研究也發(fā)現(xiàn)過高的鹽脅迫會導(dǎo)致POD和CAT活性降低。在鹽脅迫等逆境脅迫下植物也會積累有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(如脯氨酸等)以提高耐鹽性[38]，抵御鹽脅迫。本研究還發(fā)現(xiàn)在長期微咸水和咸水灌溉處理下棉花葉片脯氨酸含量較淡水灌溉處理均顯著增加，表明在鹽脅迫條件下棉花通過合成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(脯氨酸等)啟動自我保護(hù)機(jī)制，這與劉婷姍[39]的研究得到的結(jié)論相同，即隨著灌溉水礦化度的增大，脯氨酸含量也明顯增大。

鹽脅迫會抑制植物光合同化能力，其降低程度與鹽分脅迫程度呈正相關(guān)[40]。葉綠素含量是反映作物光合能力的重要指標(biāo)，通過本研究發(fā)現(xiàn)，棉花葉片葉綠素含量在長期咸水灌溉下較淡水灌溉顯著降低，其原因可能是長期咸水灌溉土壤中積累了大量的Na+和Cl-，導(dǎo)致棉花吸收了大量的Na+和Cl-從而抑制了葉片對K+、Ca2+和Mg2+的吸收，鹽分導(dǎo)致棉花離子吸收失衡，致使棉花葉綠素降解加快，從而葉綠素含量降低[41]。Bavei等[42]研究也發(fā)現(xiàn)隨鹽分濃度的增加葉綠素含量顯著降低。葉水勢、葉面積、氣孔導(dǎo)度也能反映棉花植株的光合能力，本研究中咸水灌溉處理下葉水勢、氣孔導(dǎo)度、葉面積下降。

3.3 長期咸水滴灌對棉花生長和產(chǎn)量的影響

鹽脅迫會導(dǎo)致土壤滲透壓升高、植物吸水困難，鹽分過高還會使得植物體內(nèi)水分外滲，導(dǎo)致缺水并產(chǎn)生滲透脅迫，影響植物對養(yǎng)分的吸收，抑制作物生長。有研究發(fā)現(xiàn)土壤鹽分過高會抑制作物生長，降低產(chǎn)量[43-45]。植物干鮮質(zhì)量比可以反映生物代謝的強(qiáng)弱，在本研究中，咸水灌溉下棉花各器官干鮮質(zhì)量比較淡水灌溉均顯著下降，表明微咸水和咸水灌溉下棉花的代謝能力降低，這與饒曉娟等[46]的研究結(jié)果一致。在鹽分脅迫下，植物細(xì)胞氧化損害加劇，細(xì)胞膜受損程度加大，光合作用受阻，必然導(dǎo)致作物生物量和產(chǎn)量降低。本研究發(fā)現(xiàn)，長期微咸水和咸水灌溉均導(dǎo)致棉花總生物量和籽棉產(chǎn)量顯著降低，這與宋有璽等[47]和譚帥等[48]的研究結(jié)果相似。過高濃度的鹽分脅迫會影響作物代謝和生長發(fā)育過程[49]，鄭春蓮等[19]通過10 a的咸水灌溉試驗(yàn)得出使用灌溉水礦化度低于4 g·L-1的咸水灌溉不會對棉花產(chǎn)量產(chǎn)生明顯的不利影響，高于此值時(shí)會導(dǎo)致棉花產(chǎn)量下降。因此，干旱區(qū)棉花種植過程中利用微咸水和咸水進(jìn)行長期灌溉需考慮灌溉水的含鹽量，在地下水含鹽量較高的地區(qū)，最好與淡水配合進(jìn)行灌溉或者采取咸、淡水輪灌的方式，使土壤鹽分保持在一定水平；此外由于長期微咸水和咸水灌溉會降低土壤有機(jī)質(zhì)和全氮等養(yǎng)分含量，在利用咸水灌溉時(shí)最好補(bǔ)施有機(jī)肥或進(jìn)行秸稈還田以培肥地力。

4 結(jié) 論

長期咸水灌溉增加土壤容重，導(dǎo)致土壤孔隙度下降，進(jìn)而降低土壤飽和導(dǎo)水率。同時(shí)，咸水灌溉可增加土壤含水量，但是土壤水分的有效性降低，導(dǎo)致棉花吸水困難，降低棉花各器官干鮮質(zhì)量比。咸水灌溉給土壤帶來大量的鹽分，在鹽脅迫下，葉片細(xì)胞氧化損害加劇，細(xì)胞膜受損程度加大，抗氧化酶在一定程度上抵御鹽脅迫帶來的危害，但是隨著灌溉水鹽度的增加，抗氧化酶活性呈降低趨勢。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮在咸水灌溉條件下呈下降趨勢，葉面積、葉綠素含量和葉片氣孔導(dǎo)率均呈現(xiàn)明顯降低的趨勢。土壤水分的有效性降低、土壤養(yǎng)分的下降及光合作用的減弱影響棉花正常生長發(fā)育，最終降低棉花生物量和籽棉產(chǎn)量。