郭曉雯, 劉佳煒, 鄭志玉, 閔 偉
(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832003)
干旱區(qū)淡水資源匱乏,但咸水資源較為豐富,因此,咸水灌溉可有效改善干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展受限于淡水缺乏的狀況[1]。但咸水礦化度高,連年灌溉會(huì)使土壤鹽漬化程度加劇,土體結(jié)構(gòu)惡化,改變土壤理化性質(zhì),導(dǎo)致土壤鹽漬化[2]。咸水灌溉向土壤輸入鹽分離子,改變土壤離子含量和種類(lèi),引起土壤礦質(zhì)元素缺乏或過(guò)量,造成作物養(yǎng)分吸收不平衡[3]。離子間的拮抗作用和協(xié)同作用也會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生影響,既可促進(jìn)良好土體結(jié)構(gòu)形成,增加土壤肥力,也可危害土壤,加劇土壤惡化程度[4]。其中,Na+是造成土壤鹽漬化的主要離子,可誘導(dǎo)作物根系中的K+外流,產(chǎn)生毒害作用[5-6];而Ca2+可以降低Na+毒害作用,當(dāng)Ca2+、K+和Mg2+共存時(shí),會(huì)形成拮抗關(guān)系,影響土壤元素的吸收[4,7]。近年來(lái),有關(guān)土壤離子的研究集中在重金屬離子對(duì)土壤的污染和鹽分對(duì)土壤可溶性鹽分離子的影響,但有關(guān)鹽分與土壤元素間的關(guān)系的研究還較少,有待進(jìn)一步探究[8-9]。鹽分不僅影響土壤理化性質(zhì)、離子含量和微生物活性,還能改變土壤酶活性和種類(lèi)。
土壤酶活性是表征土壤養(yǎng)分狀況的指標(biāo),對(duì)碳、氮、磷和硫等元素循環(huán)流動(dòng)有重要作用,而鹽分是影響其活性的主要因素,通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)和離子含量,影響土壤養(yǎng)分有效性和微生物活性,最終引起土壤酶種類(lèi)和活性變化[10-11]。鹽脅迫造成的離子毒害及滲透脅迫,會(huì)減少土壤微生物數(shù)量,進(jìn)而降低微生物分泌的酶量[12]。相關(guān)研究表明,土壤鹽分含量增加,可抑制脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性,但在低濃度鹽離子條件下,鹽離子可活化土壤微生物,釋放出大量胞外酶,因而土壤脲酶、堿性磷酸酶和過(guò)氧化氫酶活性出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)[13]。土壤酶相關(guān)研究集中在不同施肥水平、外源添加物、鹽分和重金屬離子對(duì)其活性的影響,涉及酶種類(lèi)較少,土壤離子與酶活性間聯(lián)系的研究還不夠完善,需深入研究[14-16]。鹽分可通過(guò)改變土壤微生物數(shù)量和酶活性,引起耕層土壤變化,限制作物生長(zhǎng)發(fā)育,最終降低籽棉產(chǎn)量[17]。
本研究以干旱區(qū)為研究背景,設(shè)置不同灌溉水鹽度和施氮水平,通過(guò)測(cè)定土壤可溶性鹽分離子含量、土壤元素含量、C、N、P和S轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性和籽棉產(chǎn)量,探究灌溉水鹽度和氮肥對(duì)土壤可溶性鹽分離子、土壤元素和酶活性的影響,揭示土壤離子、酶活性及產(chǎn)量三者間的內(nèi)在聯(lián)系,以期為干旱區(qū)合理利用咸水資源、增加棉花產(chǎn)量和維持土壤養(yǎng)分平衡提供理論依據(jù)。
本研究在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站(44°33′N(xiāo),85°98′E)進(jìn)行,該地區(qū)水資源匱乏,屬于典型的干旱荒漠氣候,年均蒸發(fā)量為1000~1500 mm,年均降水量為180~270 mm。供試作物為棉花,品種為新陸早52號(hào)。試驗(yàn)小區(qū)土壤類(lèi)型為灰漠土,土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為:土壤鹽分(EC1:5)0.13 dS·m-1,容重1.27 g·cm-3,土壤pH1:2.57.9,土壤全氮1.1 g·kg-1,土壤堿解氮52.38 mg·kg-1,土壤有機(jī)質(zhì)16.8 g·kg-1,土壤速效鉀253 mg·kg-1,土壤速效磷25.9 mg·kg-1。
本研究已連續(xù)開(kāi)展12 a微咸水和咸水滴灌田間試驗(yàn)(2009—2020年),試驗(yàn)設(shè)置3種灌溉水鹽度,為0.35 dS·m-1(淡水,F(xiàn)W)、4.61 dS·m-1(微咸水,BW)和8.04 dS·m-1(咸水,SW)。施氮量分別為0 kg·hm-2(N0)和360 kg·hm-2(N360)。本試驗(yàn)采取完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),共計(jì)6 個(gè)處理,每個(gè)處理重復(fù)3 次,共18個(gè)試驗(yàn)小區(qū),每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)25 m2。
棉花種植采用干播濕出法,于每年4 月中旬播種,9 月下旬收獲。采用覆膜栽培技術(shù),一膜3 管6行,行距為(66+10)cm,密度為2.22×105株·hm-2。棉花生育期內(nèi)灌溉定額為450 mm,從6 月中旬至8 月下旬,共計(jì)灌水9 次,灌水周期為7~10 d,灌水前土壤不采取洗鹽措施。氮肥(尿素,N≥46.4%)在棉花生育期內(nèi)隨水滴施,分5 次全部做追肥,磷、鉀肥全部用做基肥,磷(P2O5)施用量為105 kg·hm-2,鉀(K2O)施用量為60 kg·hm-2,其他田間管理措施參照當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。
微咸水和咸水是由NaCl 和CaCl2按1:1 比例配制而成,每次灌溉水鹽度均保持一致。3 種灌溉水質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)如表1所示。
表1 3種灌溉水質(zhì)化學(xué)性質(zhì)Tab.1 Chemical properties of three irrigation water quality
2021 年在棉花花鈴期用管型土鉆采集耕層土樣(0~30 cm),取樣方法為對(duì)角線(xiàn)法,將采集的土樣混合均勻并去除雜物,分為三部分,一部分鮮土過(guò)2 mm篩,保存在4 ℃的冰箱中,用于酶活性測(cè)定,一部分風(fēng)干研磨后過(guò)1 mm篩,用于土壤可溶性鹽分離子含量測(cè)定,另一部分風(fēng)干研磨后過(guò)0.149 mm的尼龍篩,用于土壤全量元素含量測(cè)定,棉花籽棉產(chǎn)量在吐絮期采用樣方法和實(shí)收記產(chǎn)測(cè)定。
采用關(guān)松蔭[19]提供的方法測(cè)定土壤酶活性。蔗糖酶(SC)活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定,脫氫酶(DHA)活性采用TTC 分光光度法測(cè)定,羥胺還原酶(HR)活性采用硫酸鐵銨-鄰菲羅啉法測(cè)定,脲酶(UE)活性采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定,硝酸還原酶(NR)活性采用磺胺比色法測(cè)定,多酚氧化酶(PPO)活性采用鄰苯三酚比色法測(cè)定,堿性磷酸酶(ALP)活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定,亞硝酸還原酶(NiR)活性采用α-萘胺-對(duì)氨基苯磺酸比色法測(cè)定,過(guò)氧化氫酶(CAT)活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定,芳基硫酸酯酶(ASF)活性采用對(duì)硝基苯硫酸鹽法測(cè)定。
采用SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件包(version SPSS.26.0)進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析,顯著水平為0.05,用Dun?can法對(duì)處理間進(jìn)行多重比較(P<0.05),采用Tukey檢驗(yàn)確定組間有顯著性差異(P<0.05)。采用Ex?cel 2016 進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析和制圖。RDA 分析(redundancy analysis)采用R 語(yǔ)言vegan 包進(jìn)行分析和作圖。
灌溉水鹽度、施氮量及二者交互作用對(duì)土壤Na+、Ca2+、Cl-和HCO3-含量有顯著影響(圖1)。與FW處理相比,BW和SW處理顯著增加土壤Na+、Ca2+和Cl-含量,BW 處理分別增加了1048.15%、80.30%和772.00%,SW 處理分別增加了1362.96%、166.67%和1268.00%;但顯著降低了土壤HCO3-含量,分別降低了25.40%和40.48%。與N0處理相比,N360處理顯著增加了Na+、Ca2+和Cl-含量,分別增加了7.95%、22.84%和18.28%;但顯著降低了HCO3-含量,降低了22.29%。交互作用的影響為:FW 處理下,施氮顯著降低了HCO3-含量,但對(duì)Na+、Ca2+和Cl-含量無(wú)顯著影響。BW和SW處理下,施氮顯著增加了Ca2+和Cl-含量,BW 處理分別增加了24.53%和29.47%,SW 處理分別增加了31.58%和11.11%;但對(duì)HCO3-含量無(wú)顯著影響。BW 處理下,施氮顯著增加了Na+含量;但在SW處理下,施氮對(duì)Na+含量無(wú)顯著影響。
圖1 不同灌溉水鹽度和施氮量對(duì)土壤可溶性鹽分離子的影響Fig.1 Effects of different irrigation water salinity and nitrogen application rates on soil eight ions
灌溉水鹽度、施氮量及二者交互作用對(duì)土壤P、K、Fe 和Se 含量有顯著影響(表2)。與FW 處理相比,BW 處理顯著降低了K、Fe 和Se 含量,分別降低了0.13%、0.38%和7.73%,但顯著增加了P 含量,增加10.90%;SW 處理顯著降低了P、K、Fe 和Se 含量,分別降低了0.13%、6.25%、6.61%和15.37%。與N0處理相比,N360 處理顯著降低了P、K、Fe 和Se 含量,分別降低了9.50%、3.27%、3.29%和6.36%。交互作用的影響為:FW 處理下,施氮對(duì)P、K、Fe 和Se含量無(wú)顯著影響;但在BW 和SW 處理下,施氮顯著降低了P含量,分別降低了17.18%和3.32%。此外,BW 處理下,施氮顯著降低了K、Fe 和Se 含量。SW處理下,施氮顯著增加了Fe 含量,但對(duì)K 和Se 含量無(wú)顯著影響。
灌溉水鹽度和交互作用顯著影響Na、Mn、Ni、Co和Cr含量(表2)。與FW處理相比,BW處理顯著降低了Na、Ni、Co 和Cr 含量,分別降低了3.62%、7.14%、1.60%和9.65%,但顯著增加了Mn含量,增加了1.17%;SW 處理顯著降低了Na、Mn、Ni、Co 和Cr含量,分別降低了9.12%、7.03%、10.60%、7.87%和12.80%。交互作用的影響為:FW 處理下,施氮對(duì)Na、Mn、Ni、Co和Cr含量無(wú)顯著影響;BW處理下,施氮顯著降低了Na、Mn、Co和Cr含量,但對(duì)Ni含量無(wú)顯著影響;SW處理下,施氮顯著增加了Mn、Ni和Cr含量,但對(duì)Na和Co含量無(wú)顯著影響。
灌溉水鹽度和施氮量顯著影響Ca 和Mg 含量,灌溉水鹽度顯著影響Cu 含量,施氮量顯著影響Zn和Al含量,灌溉水鹽度和施氮量的交互作用顯著影響Mo含量(表2)。與FW處理相比,BW處理顯著增加了Ca和Mg含量,分別增加了1.47%和6.86%;SW處理顯著增加了Ca 含量,增加了9.67%,但顯著降低Mg 含量,降低了4.54%;BW 和SW 處理顯著降低Cu含量,分別降低了0.21%和7.42%。與N0處理相比,N360 處理顯著降低了Ca、Mg、Zn 和Al 含量,分別降低了2.26%、7.80%、13.68%和3.46%。交互作用的影響為:FW處理下,施氮顯著增加了Mo含量,但在BW 和SW 處理下,施氮對(duì)Mo 含量無(wú)顯著影響。此外,灌溉水鹽度、施氮量及二者交互作用對(duì)Cd含量無(wú)顯著影響。
表2 不同灌溉水鹽度和施氮量對(duì)土壤元素的影響Tab.2 Effects of different irrigation water salinity and nitrogen application rates on soil elements
灌溉水鹽度、施氮量及二者交互作用顯著影響SC、PPO、CAT 和DHA 活性(圖2)。與FW 處理相比,BW和SW處理顯著降低了SC、PPO、CAT和DHA活性,BW 處理分別降低了26.55%、20.52%、0.67%和2.32%,SW 處理分別降低了50.47%、41.10%、3.52%和37.91%。與N0 處理相比,N360 處理顯著增加了SC、PPO、CAT 和DHA 活性,分別增加了44.21%、26.5%、3.54%和87.12%。交互作用的影響為:在不同灌溉水的處理下,施氮顯著增加了DHA和PPO活性,但增加幅度差異較大,F(xiàn)W處理分別增加了150.08%和47.17%,BW 處理分別增加了51.05%和15.85%,SW 處理分別增加了69.96%和10.63%;此外,F(xiàn)W 和SW 處理下,施氮顯著增加了SC 和CAT 活性,但在BW 處理下,施氮對(duì)SC 和CAT活性無(wú)顯著影響。
圖2 不同灌溉水鹽度和施氮量對(duì)蔗糖酶(a)、多酚氧化酶(b)、過(guò)氧化氫酶(c)和脫氫酶(d)活性的影響Fig.2 Effects of different irrigation water salinity and nitrogen application rates on the activities of SC(a),PPO(b),CAT(c)and DHA(d)
灌溉水鹽度、施氮量及二者交互作用顯著影響UE、NiR、NR 和HR 活性(圖3)。與FW 處理相比,BW和SW處理顯著增加了NiR和NR活性,BW處理分別增加了91.93%和13.59%,SW 處理分別增加了106.68%和30.49%,但顯著降低了HR 活性,分別降低了24.36%和2.90%;BW 處理顯著降低了UE 活性,降低了6.98%,但SW 處理顯著增加了UE 活性,增加了7.57%。與N0處理相比,N360處理顯著增加了UE、NiR、NR 和HR 活性,分別增加了40.06%、35.25%、32.49%和26.88%。交互作用的影響為:在不同灌溉水的處理下,施氮顯著增加了UE和NiR活性,但增加幅度差異較大,F(xiàn)W 處理分別增加了18.62%和31.29%,BW 處理分別增加了28.76%和39.58%,SW 處理分別增加了77.17%和33.26%。FW和BW處理下,施氮顯著增加了NR活性,但是在SW處理下無(wú)顯著差異,F(xiàn)W和SW處理下,施氮顯著增加了HR活性,但是在SW處理下無(wú)顯著差異。
圖3 不同灌溉水鹽度和施氮量對(duì)脲酶(a)、亞硝酸還原酶(b)、硝酸還原酶(c)和羥胺還原酶(d)活性的影響Fig.3 Effects of different irrigation water salinity and nitrogen application rates on the activities of UE(a),NiR(b),NR(c)and HR(d)
灌溉水鹽度、施氮量及二者交互作用顯著影響ALP和ASF活性(圖4)。與FW處理相比,BW和SW處理顯著降低了ALP 和ASF 活性,BW 處理分別降低了13.09%和36.94%,SW處理分別降低了27.03%和35.73%。與N0 處理相比,N360 處理顯著增加了ALP和ASF活性,分別增加了20.84%和19.88%。但是在SW 處理下無(wú)顯著差異,F(xiàn)W 和BW 處理下,施氮顯著增加了ALP 活性,但在SW 處理下,施氮對(duì)ALP活性無(wú)顯著影響。BW和SW處理下,施氮顯著增加了ASF活性,但在FW處理下,施氮對(duì)ASF活性無(wú)顯著影響。
圖4 不同灌溉水鹽度和施氮量對(duì)堿性磷酸酶(a)和芳基硫酸酯酶(b)活性的影響Fig.4 Effects of different irrigation water salinity and nitrogen application rates on the activities of ALP(a)and ASF(b)
灌溉水鹽度、施氮量及其二者交互作用顯著影響棉花生長(zhǎng)和籽棉產(chǎn)量(圖5)。與FW 處理相比,BW 和SW 處理顯著降低了棉花莖干重、葉干重、鈴干重和籽棉產(chǎn)量,BW 分別降低了30.96%、19.01%、34.94%和28.15%,SW 分別降低了26.79%、9.21%、24.18%和54.03%。與N0 處理相比,N360 顯著增加棉花莖干重、葉干重、鈴干重和籽棉產(chǎn)量,分別增加了65.21%、82.86%、37.58%和131.78%。交互作用的影響為:隨著灌溉水鹽度的增加,氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)不同,F(xiàn)W 處理棉花莖干重、葉干重、鈴干重和籽棉產(chǎn)量分別增加了72.63%、99.40%、32.88%和102.57%,BW處理棉花莖干重、葉干重、鈴干重和籽棉產(chǎn)量分別增加了93.94%、120.20%、36.96%和140.02%,SW處理棉花莖干重、葉干重、鈴干重和籽棉產(chǎn)量分別增加了34.83%、42.83%、44.64%和200.76%。
圖5 不同灌溉水鹽度和施氮量對(duì)棉花生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響Fig.5 Effects of different irrigation water salinity and nitrogen application rate on cotton growth and yield
圖6 土壤可溶性鹽分離子與酶活性的相關(guān)性Fig.6 Correlation between soil soluble salt ions and enzyme activities
圖7 土壤酶活性與產(chǎn)量的相關(guān)性Fig.7 Correlation between soil enzyme activity and yield
咸水灌溉和氮肥施用也會(huì)影響土壤元素的含量。本研究發(fā)現(xiàn),土壤元素中Na、Ni、Co、Cr、K、Fe、Se 和Cu 含量隨灌溉水鹽度增加而降低;Ca 含量隨灌溉水鹽度增加而增加,可能是鹽分脅迫下,作物根系的敏感性限制對(duì)養(yǎng)分的吸收,從而造成元素含量改變[27]。施氮條件下,土壤元素中P、K、Fe、Se、Ca、Zn、Al和Mg含量較不施氮處理顯著降低。相關(guān)研究表明,長(zhǎng)期施用氮肥可增加土壤Fe、Mn、Zn 和Cu離子含量[28],降低土壤Na、K、Mg和Ca含量,可能是氮肥施用促進(jìn)作物生長(zhǎng),加速作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用,從而使離子含量降低[29]。
土壤酶是土壤微生態(tài)中活躍組分之一,其活性可反映土壤肥力狀況,是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[30]。鹽分和施氮量是影響土壤酶活性的重要因素。本研究發(fā)現(xiàn),咸水灌溉會(huì)降低蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶、脫氫酶、多酚氧化酶、羥胺還原酶、堿性磷酸酶和芳基硫酸酯酶活性,可能是咸水中的Na+離子使土壤板結(jié),惡化土壤環(huán)境,抑制作物根系生長(zhǎng)和微生物數(shù)量,從而降低酶活性[31]。本研究也發(fā)現(xiàn),咸水灌溉能增加硝酸還原酶和亞硝酸還原酶活性,但相關(guān)研究表明,鹽分對(duì)硝酸還原酶活性影響較小,但對(duì)亞硝酸還原酶活性有抑制作用,可能是土壤理化性質(zhì)的改變,影響硝酸還原酶和亞硝酸還原酶活性[32]。但對(duì)于脲酶而言,咸水灌溉抑制其活性,微咸水灌溉促進(jìn)其活性,可能是微咸水能夠?qū)﹄迕感纬纱碳?,增加其活性?3]。氮肥的施用能改善土壤質(zhì)量,促進(jìn)作物和微生物生長(zhǎng),增加產(chǎn)酶量和酶活性[34]。本研究還發(fā)現(xiàn),施氮條件下土壤酶活性得到提高,可能是施用氮肥抑制土壤積鹽,改善土壤狀況,為土壤酶提供了適宜的生存環(huán)境,有利于提高其活性[35],也可能是施氮增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,刺激作物根際代謝,增加根系分泌物含量,促進(jìn)作物生長(zhǎng),為土壤中的微生物提供氮源和碳源,改變作物根系環(huán)境和微生物群落結(jié)構(gòu),在根際形成養(yǎng)分庫(kù),進(jìn)而提高土壤酶活性[36];也有研究發(fā)現(xiàn),作物在不同生育期內(nèi)土壤酶活性呈現(xiàn)出不同變化趨勢(shì),這與作物不同生育期內(nèi)對(duì)養(yǎng)分的需求不同,導(dǎo)致土壤離子產(chǎn)生變化,進(jìn)而影響酶活性[37]。
咸水灌溉破壞土壤水鹽平衡,導(dǎo)致鹽分在土表積聚,形成次生鹽漬化土壤,造成作物減產(chǎn)[38]。本研究表明,微咸水和咸水灌溉顯著降低棉花生物量和籽棉產(chǎn)量,是因?yàn)辂}分的增加改變了土壤結(jié)構(gòu),使得土壤板結(jié),容重增加,排鹽能力降低,鹽分聚集,從而鹽脅迫對(duì)作物的抑制作用更顯著,降低作物生物量和產(chǎn)量[39]。鹽分能通過(guò)抑制作物對(duì)水分的吸收,限制作物的生長(zhǎng)發(fā)育,最終影響產(chǎn)量[40]。有研究表明,鹽分可改變水稻穗部性狀進(jìn)而影響水稻產(chǎn)量[41],還可影響小麥根系呼吸,降低其抗氧化和養(yǎng)分吸收能力,造成小麥減產(chǎn)[42]。
氮素是作物生長(zhǎng)所需的必需營(yíng)養(yǎng)元素,能增加作物產(chǎn)量[43]。本研究表明,施氮顯著增加棉花生物量和籽棉產(chǎn)量,原因可能是施用氮肥能夠促進(jìn)作物根系的生長(zhǎng),促進(jìn)其吸收利用養(yǎng)分,提高養(yǎng)分利用率[44];也可能是因?yàn)榈誓軌蛟鰪?qiáng)作物光合能力,從而增加作物產(chǎn)量[45]。相關(guān)研究表明,在低鹽及中高鹽地區(qū),氮肥對(duì)番茄生理與產(chǎn)量有較大促進(jìn)作用[46],氮肥的施用也可增加飼草作物的產(chǎn)量[47],不同施氮量對(duì)產(chǎn)量的影響也不同,鹽堿灘涂水稻產(chǎn)量在低氮條件下呈增加趨勢(shì),但在高氮條件下呈降低趨勢(shì)[48]。
(1)隨灌溉水鹽度增加,棉花生物量和產(chǎn)量顯著降低;隨施氮量增加,棉花生物量和產(chǎn)量顯著增加。