賴善星，張耀瓏，盛統(tǒng)民，張茗惠，陳文嶺*

(1.中國地質大學(武漢)環(huán)境學院，湖北 武漢 430078；2.中國地質大學(武漢)長江流域環(huán)境水科學湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430078；3.新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

新疆位于西北內陸盆地，是我國最主要的棉花產區(qū)之一，水資源短缺和土地鹽漬化制約著該地區(qū)農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。我國微咸水資源利用潛力巨大[3]，微咸水資源廣泛分布于新疆地區(qū)淺層地下水中，在淡水資源匱乏情況下，采用微咸水灌溉在一定程度上緩解了該地區(qū)不斷增加的用水需求[4]。但微咸水資源利用不當，容易導致土壤鹽漬化、棉花減產[5-6]。因此，如何科學合理、安全高效地利用微咸水資源，一直是新疆棉田灌溉需要解決的核心問題[7]。

因地制宜地采用節(jié)水灌溉措施可提高微咸水利用效率、減少危害。膜下滴灌是將傳統(tǒng)覆膜種植與滴灌相結合的一種節(jié)水灌溉技術，具有增加根區(qū)土壤含水率、減少土壤蒸發(fā)和深層滲漏量等優(yōu)點[8]，已經(jīng)成為微咸水資源合理用于新疆農業(yè)生產的重要灌溉模式[9]。前人對微咸水覆膜灌溉棉田土壤水鹽運移規(guī)律及其對棉花產量的影響做了大量的研究。如Chen等[5]通過多年的微咸水膜下滴灌田間試驗研究發(fā)現(xiàn)，灌溉水主要影響淺部0～60 cm土層，覆膜處土壤水分高于未覆膜的裸土處，鹽分累積主要集中在40～45 cm土層；王全九等[10]研究認為，覆膜抑制了鹽分向土壤表層累積，通過對主根區(qū)進行脫鹽，為棉花生長提供了較好的水鹽環(huán)境；葉含春等[11]研究發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌棉田土壤鹽分隨水分運移明顯，土壤鹽分分布規(guī)律主要受水分蒸發(fā)和灌溉水浸潤區(qū)范圍的影響；宋有璽等[12]研究表明，合理采用2 g/L左右的微咸水灌溉棉田比淡水更有利于棉花葉面積增長和地上部干物質累積。

作物細根是根系系統(tǒng)中重要的器官，是作物與土壤相互作用的樞紐[13]。作物細根生長與形態(tài)分布受田間土壤水鹽分布的影響[14]；同時作物細根形態(tài)分布也影響了土壤水鹽運移[15]，作物細根分布的復雜性是導致田間土壤水鹽運移規(guī)律復雜性的重要原因之一[16]。作物細根生長與形態(tài)分布狀況也是影響作物地上部生長和產量的重要因素[13]。因此，研究微咸水覆膜灌溉棉花根系生長分布與土壤水鹽運移動態(tài)變化規(guī)律及其相互作用關系顯得十分重要。縱觀國內外研究，主要以棉花密集種植的田間試驗為主，田間精細監(jiān)測棉花根系生長分布與土壤水鹽運移動態(tài)的工作量大且復雜，不同棉株間根系生長相互影響，難以準確獲得單株棉花根系生長分布情況，并且大田中難免有其他植物根系生長，對試驗結果也可能會造成較大的干擾。而關于單株棉花根系生長分布情況與土壤水鹽運移間的相互作用關系研究也少見報道。因此，本文通過開展不同灌溉水棉花盆栽覆膜灌溉試驗，探討在微咸水和淡水灌溉處理條件下，單株棉花根系生長分布與土壤水鹽運移動態(tài)變化規(guī)律及其相互作用關系，從而為干旱地區(qū)微咸水有效利用，優(yōu)化精準控鹽的節(jié)水措施以及實現(xiàn)棉花穩(wěn)產、高產提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

不同灌溉水棉花盆栽覆膜灌溉試驗于2020年4月至10月在新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局水利科研所國家重點灌溉試驗站(簡稱為巴州灌溉試驗站)內完成。試驗區(qū)地處孔雀河沖積平原區(qū)，地勢較為平緩。該地區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候，降雨稀少，蒸發(fā)作用強烈，光照時間充足，年平均光照時間達3 036.2 h，年平均氣溫為12.0℃，年平均降雨量為53.3～62.7 mm，年平均蒸發(fā)量為2 273～2 788 mm[17]。試驗期內總降雨量為32.4 mm，最大日降雨量為6.8 mm，降雨稀少，對試驗的影響可忽略不計。

盆栽試驗所用的灌溉水分為微咸水和淡水，其中微咸水取自區(qū)內開采的淺層地下水，其礦化度為2.9 g/L；淡水取自渠道水，引自孔雀河來水，其礦化度為0.9 g/L。不同灌溉用水中主要離子含量，見表1。試驗所用土取自區(qū)內棉田表層土(0～20 cm)，土質較為均一，以壤土為主，其干容重為1.63 g/cm3[18]。

表1 2020年巴州灌溉試驗站盆栽試驗灌溉用水中主要離子含量

1.2 試驗布置與監(jiān)測方法

1.2.1 試驗布置

盆栽試驗設置微咸水和淡水灌溉處理，每個處理各設置20株盆栽。盆栽試驗供試棉花品種為“創(chuàng)棉”50號，于2020年4月15日采用營養(yǎng)缽播種育苗，每個營養(yǎng)缽播種兩棵，4月20日出苗。本試驗將足量的棉田表層土過篩網(wǎng)去除土壤中殘留的雜質并充分混勻，并依據(jù)鄰近地塊田間棉花根系生長主要集中在0～30 cm深度范圍內[5]，盡量選用尺寸大的桶進行裝樣[19]，試樣桶選用規(guī)格為40 cm高、上部和下部直徑分別為40 cm和36 cm的桶，按棉田土壤干容重將篩選后混合均勻的土填裝至桶高35 cm處，每桶留取5 cm空間確保土壤基質凈重為45 kg，再向每桶盆栽土壤中施加底肥(磷酸二銨、硫酸鉀等復合肥)，底肥量參照當?shù)孛尢飳嶋H施加量進行換算。所有盆栽按照隨機區(qū)組設計放置于棉田旁土坑中，確保桶中頂部土壤與棉田土面平齊。移栽前兩天用自來水將所有盆栽土壤澆透，每桶澆水10 L，待棉苗開始長出2片真葉，于5月11日將長勢一致的2株棉花幼苗移栽在每個桶里，桶底部均勻打有10個直徑為5 mm的小孔，在桶底鋪設兩層紗網(wǎng)，并在紗網(wǎng)上均勻撒上一層細礫石保證透氣，防止土壤流失以及棉花根系伸出孔外。

移栽完成后，對盆栽土面進行覆膜，7 d后選留2株棉花幼苗中長勢較好的一株，期間每桶盆栽每隔2天澆灌1 L自來水以保證棉苗生長。6月14日開始加入微咸水和淡水灌溉處理，灌水時揭開地膜，沿盆栽土面緩慢均勻澆灌，灌水結束后復原。盆栽試驗灌水時間、灌溉水量以及棉花生育期施肥量(隨水澆灌)與當?shù)孛尢锉３忠恢?，具體的灌水和施肥方案見表2。試驗過程中觀測盆栽底部孔洞周邊土壤是否有濕潤跡象，結果發(fā)現(xiàn)在整個灌水期間均未見灌溉水從盆栽底部滲出。

表2 2020年巴州灌溉試驗站盆栽試驗灌水和施肥方案

1.2.2 試驗監(jiān)測方法

盆栽試驗分別于6月23日(苗期)、7月18日(蕾期)、8月4日(花鈴期)、8月20日(盛鈴期)、9月1日(吐絮期)從微咸水、淡水灌溉處理組中各選取長勢一致的4株盆栽，將棉株子葉節(jié)處以上的地上部剪掉，分別測量棉花株高、莖粗，并對棉株葉、蕾、花、鈴的數(shù)量進行清點，之后將棉株分為莖、葉、鈴3部分，先用自來水沖洗，再用去離子水洗凈裝入紙袋，置于烘箱105℃殺青0.5 h，70℃烘干48 h至恒重，分別稱量干物質重。對盆栽棉花根系采用網(wǎng)格法進行取樣，由于網(wǎng)格法挖土取根工作量大[5]，故每次僅對微咸水和淡水灌溉處理中代表性的一盆盆栽進行取樣。具體取樣方式按桶填裝土壤的高度共劃分為5層，每層厚度為7 cm[見圖1(a)]；以棉株位置為中心，靠近棉株主根位置劃分為5 cm×5 cm 9個網(wǎng)格，靠近桶邊緣其他土塊，按照桶邊界劃分8個網(wǎng)格，每個深度土層共劃分為17個土塊[見圖1(b)]，合計85個土塊。在獲取棉花根系樣品前，采用校正后的WET土壤水鹽熱測試儀(Delta-T Devices Ltd.,Cambridge,UK)測定每個含根土樣的含水率和電導率，并通過測得的電導率反映含根土樣的鹽分狀況。

圖1 棉花盆栽網(wǎng)格法挖土取根示意圖

將每個含根土樣用400目/cm2的紗布包裹，并用自來水沖洗，人工去除雜質后，將棉花根系從土壤中篩出，自然風干后利用根系掃描儀(Perfection V700 photo,Epson,suwa,Japan)在400dpi分辨率下掃描成TIF格式圖像文件，再用WinRHIZOTron Pro 2009(Regent,Quebee,Canada)根系分析軟件對圖像文件進行處理，獲得棉花根系的相關參數(shù)(如根長等)。

1.3 試驗數(shù)據(jù)處理

以盆栽種植位置為中心，取橫向、縱向、45°方向(2個)共4個土壤剖面(圖1)，利用Excel軟件對4個土壤剖面對應同一位置的含根土塊的根長密度(每個土塊總根長除以體積)、含水率、電導率求取平均值，并利用Sufer 8.0軟件(Sufer 8.0,Golden Software Inc.,USA)繪制咸、淡水灌溉處理條件下土壤剖面棉花根長密度、含水率、電導率分布等值線圖，最后利用SPSS 19.0(SPSS 19.0,SPSS Inc.,USA)軟件對所獲取的試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同生育期咸、淡水灌溉處理條件下棉花根系生長分布的變化規(guī)律

不同生育期微咸水和淡水灌溉處理條件下土壤剖面棉花根長密度、含水率和電導率等值線分布圖，見圖2和圖3。

由圖2和圖3可知，整個生育期內咸、淡水灌溉處理條件下棉花根系生長分布的變化規(guī)律較為相似。生長初期，咸、淡水灌溉處理下棉花根系主要集中在棉花種植位置附近深度為10～15 cm淺部土壤中，此時咸、淡水灌溉處理下棉花根系分布的差異性主要取決于主根從種子中萌發(fā)時具有的偏向性[20][見圖2(a)、圖3(a)]；進入蕾期，棉花根系分布密集區(qū)域的范圍以及棉花根長密度峰值和平均值均明顯增大，咸、淡水灌溉處理下土壤剖面棉花平均根長密度分別增長0.56 cm/cm3、0.58 cm/cm3，棉花根系向各個方向延展并向下生長[見圖2(b)、圖3(b)]，增強棉花植株穩(wěn)定性的同時伸入較深的土壤中吸收水分及養(yǎng)分[21]；花鈴期棉花根系較蕾期進一步生長，咸、淡水灌溉處理下土壤剖面棉花平均根長密度分別增長0.54 cm/cm3、0.66 cm/cm3，這是由于灌溉水的淋洗作用使得鹽分在盆栽底部中心形成鹽分累積區(qū)[5]，棉花根系“躲避”底部中心鹽分累積區(qū)，向盆栽邊壁低鹽分區(qū)域生長[見圖2(c)、圖3(c)]；進入盛鈴期，棉花根系分布密集區(qū)域的范圍和土壤剖面棉花平均根長密度達到最大，該時期淡水灌溉處理下土壤剖面棉花平均根長密度大于微咸水灌溉處理約9.6%，但在盆栽底部中心鹽分累積區(qū)域附近，由于鹽分脅迫，棉花平均根長密度仍然較小[16],此時棉花根系主要集中在棉株附近的淺層土壤中以及盆栽邊緣底部區(qū)域[見圖2(d)、圖3(d)];吐絮期棉花根系生長速度減緩[5]，土壤淺部靠近盆栽邊壁處及土壤中部棉花根系老化脫落，棉花根系分布密集區(qū)域范圍減小， 土壤剖面棉花平均根長密度相比盛鈴期顯著降低，咸、淡水灌溉處理下土壤剖面棉花平均根長密度分別下降26.8%、28.1%，近地表的棉花主根開始積累養(yǎng)分，致使近地表棉花根量比例有所回升[21][見圖2(e)、圖3(e)]。

圖2 不同生育期微咸水灌溉處理條件下土壤剖面棉花根長密度、含水率和電導率等值線分布圖

圖3 不同生育期淡水灌溉處理條件下土壤剖面棉花根長密度、含水率和電導率等值線分布圖

通過分析圖2和圖3可知：在整個生育期內，咸、淡水灌溉處理下棉花根系最大根長密度主要分布在淺部0～32.5 cm土層，淡水灌溉處理下土壤剖面棉花平均根長密度均大于同生育期微咸水灌溉處理，兩者差值分別為0.10 cm/cm3(苗期)、0.12 cm/cm3(蕾期)、0.24 cm/cm3(花鈴期)、0.16 cm/cm3(盛鈴期)和0.14 cm/cm3(吐絮期)。

2.2 不同生育期咸淡水灌溉處理條件下土壤水分運移的變化規(guī)律

作物根系吸水作用是土壤水分運移的重要驅動力之一，作物根系吸水強度與根長密度密切相關，根長密度越大,作物根系吸水強度越強[5]。由于整個生育期內咸、淡水灌溉處理下棉花根系生長分布的變化規(guī)律較為相似，所以整個生育期內咸、淡水灌溉處理下土壤水分運移分布的變化規(guī)律也較為相似(見圖2和圖3)。通過分析圖2和圖3可知：生長初期，灌溉水量小，土壤水分下滲深度有限[22-23]，此時作物根系吸收水分主要集中在主根附近，深度為10～15 cm處[見圖2(a)、圖3(a)]；進入蕾期，灌溉水量增大(見表2)，土壤剖面平均含水率相比苗期有所增大，同時由于土壤剖面棉花平均根長密度有較大幅度增長[見圖2(b)、圖3(b)]，棉花根系吸水量隨之增大，使得土壤剖面平均含水率增長幅度較小，水分仍集中在深度10～15 cm處[見圖2(b)、圖3(b)]；隨著花鈴期土壤剖面棉花平均根長密度繼續(xù)增大，整個土壤剖面平均含水率降低明顯，棉花根系密集區(qū)域附近水分率先被吸收，此時土壤剖面含水率較高的區(qū)域多位于深度25～35 cm棉花根系密度較小的區(qū)域[見圖2(c)、圖3(c)]；盛鈴期土壤剖面棉花平均根長密度達到最大，土壤剖面平均含水率繼續(xù)降低，由于盆栽底部中心位置棉花根長密度較低，根系吸水量小，灌溉水下滲，導致土壤剖面高含水率區(qū)域位于盆栽底部中心位置[見圖2(d)、圖3(d)]；吐絮期土壤剖面棉花平均根長密度降低明顯，根系吸水作用相比于盛鈴期也有所減弱，但由于吐絮期前盆栽已停止灌溉(見表2)，整個土壤剖面含水率持續(xù)下降，同時由于近地表棉花根量比例回升，盆栽底部水分受土壤淺表根系吸水作用，水分向土壤淺表運移趨勢明顯[見圖2(e)、圖3(e)]。

通過分析圖2和圖3可知：在整個生育期內，咸、淡水灌溉處理條件下土壤剖面棉花平均根長密度增長幅度在蕾期、花鈴期達到最大，土壤剖面平均含水率在這兩個生育期內下降也最為明顯，其中咸水灌溉處理下土壤剖面平均含水率在蕾期、花鈴期分別下降2.4%、3.0%，淡水灌溉處理下土壤剖面平均含水率在蕾期、花鈴期分別下降2.0%、3.8%，且淡水灌溉處理下土壤剖面平均含水率均小于同生育期微咸水灌溉處理，兩者差值分別為0.7%(苗期)、0.9%(蕾期)、0.5%(花鈴期)、1.3%(盛鈴期)和2.2%(吐絮期)。

2.3 不同生育期咸、淡水灌溉處理條件下土壤鹽分運移的變化規(guī)律

葉含春等[11]研究發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌棉田土壤鹽分隨水分運移規(guī)律明顯。通過分析圖2和圖3可知：生長初期，灌溉水量小、水分下滲強度有限，加上淺部根系吸水“水去鹽留”作用[5,22]，鹽分主要集中在棉花主根位置附近、深度為10 cm以內土層[見圖2(a)、圖3(a)]；進入蕾期，灌溉水量增大，受灌溉水淋洗作用，土壤鹽分隨水分向下運移[5]，同時由于蕾期棉花根系生長較為活躍，根系吸水作用強，部分鹽分隨水分向深度15～20 cm棉花根系密集區(qū)域運移[見圖2(b)、圖3(b)];進入花鈴期和盛鈴期，經(jīng)灌溉水多次淋洗，鹽分在深度為25 cm至盆栽底部形成較為集中的鹽分累積區(qū)[見圖2(c)(d)、圖3(c)(d)]。由于淡水灌溉處理下盆栽底部棉花根長密度高于微咸水灌溉處理，吸水能力更強，鹽分隨水分下移，導致盆栽底部鹽分相比微咸水灌溉處理更為集中；但微咸水灌溉處理下土壤剖面平均電導率仍高于淡水處理約9.1%。吐絮期灌水停止，缺少了灌溉水的淋洗作用，受近地表根系較強的吸水作用，盆栽底部鹽分隨水分向土壤淺部運移[見圖2(e)、圖3(e)]。

通過分析圖2和圖3可知：在整個生育期內，淡水灌溉處理下土壤剖面平均電導率均小于同生育期微咸水灌溉處理，兩者差值分別為7 mS/m(苗期)、12 mS/m(蕾期)、17 mS/m(花鈴期)、22 mS/m(盛鈴期)和37 mS/m(吐絮期)；咸、淡水灌溉處理條件下土壤剖面棉花平均根長密度在蕾期、花鈴期增長幅度最大，土壤剖面平均電導率在這兩個生育期內增長幅度也最大，其中咸水灌溉處理下土壤剖面平均電導率在蕾期、花鈴期分別增長49 mS/m、53 mS/m，淡水灌溉處理下土壤剖面平均電導率在蕾期、花鈴期分別增長44 mS/m、37 mS/m。

2.4 不同咸、淡水灌溉處理對棉花地上部生長和產量的影響

吐絮期咸、淡水灌溉處理下棉花地上部生長指標和產量，見表3。

由表3可知：淡水灌溉處理下盆栽單株棉花株高、莖粗、葉片數(shù)皆優(yōu)于微咸水灌溉處理，這是由于微咸水的礦化度大，抑制了棉花根系生長[24]；棉花地上部生長與根系生長狀況密切相關[25]，淡水灌溉處理盆栽單株棉花地上部干重優(yōu)于微咸水灌溉處理，這與淡水灌溉處理下土壤剖面平均根長密度均大于同生育期微咸水灌溉處理結果一致；淡水灌溉處理盆栽單株棉花產量也高于微咸水灌溉處理約27.7%。

表3 吐絮期咸、淡水灌溉處理下棉花地上部生長指標和產量

綜上分析可知，微咸水灌溉處理下棉花根區(qū)根系密集區(qū)鹽分累積明顯，棉花根系長期受到根區(qū)高鹽分脅迫將抑制其根系生長[26]，進而導致棉花干物質積累減少，棉花減產。因此，如何減少棉花微咸水灌溉根區(qū)的鹽分累積是值得重點關注的問題之一。對此，張瓊等[27]的研究表明，對于含鹽量高的土壤，高頻灌溉的洗鹽效果優(yōu)于低頻灌溉，可顯著降低土壤含鹽量；黃金甌等[8]的研究表明，在棉花根系生長旺盛時期，采用咸、淡水輪灌能緩解鹽害離子對棉花根系生長的脅迫。依據(jù)本文研究結果，在實際生產中采用地下滴灌模式，即將滴灌帶布設在地下(如深度為15 cm或30 cm處)，使灌溉水集中供給棉花根系生長密集區(qū)，可提高棉花根系對灌溉水的吸收率，同時對高鹽分累積區(qū)進行洗鹽，可達到節(jié)水控鹽、棉花增產穩(wěn)產的效果。

3 結 論

(1) 整個生育期內，咸、淡水盆栽覆膜灌溉處理條件下棉花根系分布與土壤水鹽運移的動態(tài)變化規(guī)律較為相似。苗期至盛鈴期土壤剖面棉花平均根長密度持續(xù)增長，蕾期和花鈴期土壤剖面棉花平均根長密度增長最為明顯，且在盛鈴期達到最大，吐絮期土壤剖面棉花平均根長密度明顯下降。棉花根系自發(fā)躲避鹽分累積區(qū)，向鹽分較低的區(qū)域延伸。整個生育期內，棉花最大根長密度區(qū)域主要分布在淺部0～32.5 cm土層，且淡水灌溉處理下土壤剖面棉花平均根長密度大于微咸水灌溉處理。

(2) 苗期和蕾期土壤水分集中在深度10～15 cm棉花根系密集區(qū)域；花鈴期和盛鈴期高含水量區(qū)域多位于棉花根長密度較小區(qū)域；吐絮期盆栽底部水分受淺表根系吸水作用向土壤淺表運移。整個生育期內，淡水灌溉處理下土壤剖面平均含水率小于微咸水灌溉處理。

(3) 生長初期鹽分主要分布在土壤淺部棉花主根位置附近；蕾期鹽分受灌溉水淋洗作用，在深度為25 cm至盆栽底部形成較為集中的鹽分累積區(qū)；吐絮期鹽分隨水分向土壤淺表運移。整個生育期內，受棉花根系強烈的吸水作用，棉花根區(qū)根系生長密集區(qū)鹽分累積明顯，微咸水灌溉處理下土壤剖面平均電導率大于淡水灌溉處理。

(4) 淡水灌溉處理下盆栽單株棉花地上部生長和產量均優(yōu)于微咸水灌溉處理，淡水灌溉處理棉花產量高于微咸水灌溉處理約27.7%。長期使用微咸水灌溉易在棉花根區(qū)主根位置附近、深度15～32.5 cm處形成高鹽分累積，進而抑制棉花根系生長，導致棉花減產。