水、鹽和施氮量交互作用對(duì)向日葵水分利用的影響

李 琦，馬 韜，曾文治，黃介生，伍靖偉，常志富(.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 43007；.內(nèi)蒙古河套灌區(qū) 義長灌域管理局，內(nèi)蒙古 五原 0500)

土壤鹽漬化問題日益嚴(yán)峻，據(jù)全國第二次土壤普查結(jié)果表明，我國鹽漬土總面積高達(dá)3 600萬hm2[1],已經(jīng)成為土地資源破壞、降低農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的主要原因[2]。水分是作物必不可少的生長要素，直接影響著作物的生長狀況，氮肥則與葉綠素的形成、產(chǎn)量高低息息相關(guān)，而作物主要通過根系來吸收水分和氮肥。目前有大量針對(duì)土壤不同鹽漬化程度對(duì)根系吸水影響的研究，但是水分、鹽分、氮肥三者同時(shí)對(duì)根系吸水的影響研究則鮮有報(bào)道。本文主要討論水分、鹽分、氮肥三個(gè)因素對(duì)根系吸水的影響，并詳細(xì)探討了三者對(duì)蒸騰作用、水分利用率的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本實(shí)驗(yàn)于2014年6-9月在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)義長試驗(yàn)站永聯(lián)基地進(jìn)行[圖1(a)]。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地處北緯40°19′～41°18′，東經(jīng)106°20′～109°19′，年降水量為139～222 mm，且集中在6-8月間，年蒸發(fā)量為2 200～2 400 mm，蒸降比在10以上。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)在高為50 cm、內(nèi)徑為30 cm的測桶中進(jìn)行[圖1(b)]。測桶材質(zhì)為鐵皮，桶壁厚度4 mm，在桶壁外包裹2 cm厚的泡沫保溫層[圖1(c)]。所有供試土壤均為粉壤土，取自永聯(lián)基地附近的農(nóng)田耕作層(0～40 cm)，填土高度40 cm，填土容重為1.3 g/cm3。

圖1 研究區(qū)地理位置與測桶示意圖Fig.1 Location of study site and schematic diagram of experiment bucket

實(shí)驗(yàn)采用三因素全組合設(shè)計(jì)，研究因素為土壤含鹽量(S)、灌溉量(W)和施氮量(N)，每種研究因素均設(shè)置兩個(gè)水平，其中鹽分以干土的百分含鹽量計(jì)，分別為：輕度鹽分脅迫S0(0.2%～0.45%)和中度鹽分脅迫S1(0.45%～0.7%)；水分以田間持水量的百分比計(jì)，分別為水分脅迫處理W0(35%～55%)和充分灌溉處理W1(75%～100%)；氮素的影響通過設(shè)置全生育期不施用氮肥的氮素脅迫處理N0和播種前按135 kg/hm2(以純N計(jì))的最優(yōu)施氮處理[3]N1來反映。3個(gè)因素一共8組處理，每組處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共裝填24個(gè)測桶。

測桶所施肥料為尿素(含N 46%)和過磷酸鈣(含P2O518%)，氮肥(尿素)施入量根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案確定，P2O5的用量一致，為180 kg/hm2，所有肥料均作為基肥于2014年6月2日一次性施入。施肥后每個(gè)測桶采用地膜覆蓋，以起到降低土壤蒸發(fā)量和保溫的作用。供試作物為食用向日葵(Helianthus Annuus.L)，品種為LD5009。播種時(shí)間為2014年6月5日，采用人工點(diǎn)播。根據(jù)向日葵成熟情況，于 2014年9月17日-9月26日收獲，在向日葵全生育期內(nèi)不進(jìn)行追肥，其他管理措施(除草、除蟲等)與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶一致。

1.3 向日葵根系指標(biāo)測量

在向日葵生長的3個(gè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)(現(xiàn)蕾時(shí)、開花時(shí)和成熟時(shí))，在各組實(shí)驗(yàn)處理中選取一株向日葵，稱取地上部分和根系的鮮重，并利用烘干法測得各部分干重、含水量及根系儲(chǔ)水量。將向日葵籽粒風(fēng)干至含水率低于8%時(shí)通過稱重法確定其產(chǎn)量。由于測桶表面覆膜，因此不存在土壤蒸發(fā)，每隔一日稱量測桶重量并利用水量平衡法得到向日葵日騰發(fā)量。單株作物水分利用率(g/kg)為作物總干重質(zhì)量(g)除以生育期內(nèi)耗水量(kg)。此外，利用W.E.T傳感器(英國Delta-T公司生產(chǎn))每兩天測量一次測桶的水分含量，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案確定各測桶的灌溉水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系儲(chǔ)水量(RWS)

由表1方差分析可知，在現(xiàn)蕾時(shí)鹽分和水分處理對(duì)根系儲(chǔ)水量(RWS)有顯著影響(均為P=0.005)，氮肥影響不顯著。在開花和成熟時(shí)，鹽分、水分和施氮量影響均不顯著。

表1 根系儲(chǔ)水量方差分析結(jié)果Tab.1 The results of RWS variance analysis

圖2 水、鹽、施氮量交互作用下對(duì)根系儲(chǔ)水量(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)的影響Fig.2 Effect of water、salt and nitrogen coupling on RWS(Mean±S.D.)

由圖2(a)可知，在3個(gè)觀測時(shí)刻，S1處理的根系儲(chǔ)水量均小于S0處理，土壤鹽分含量的增大抑制根系的吸水作用[4]?，F(xiàn)蕾時(shí)、開花時(shí)和成熟時(shí)S1處理的根系儲(chǔ)水量分別比S0處理的根系儲(chǔ)水量少51.69%、17.97%和13.11%，可知在苗期鹽分對(duì)根系儲(chǔ)水抑制作用較大，而隨著生育期的推進(jìn)，兩個(gè)處理間差異減小。

在3個(gè)觀測時(shí)刻，W0處理的根系儲(chǔ)水量小于W1處理[圖2(b)]。由于本實(shí)驗(yàn)設(shè)置，除人工灌水外向日葵沒有受到其他水分的補(bǔ)給，故W0處理下可供向日葵吸收的水分較少，W0處理對(duì)根系產(chǎn)生水分脅迫。

由圖2(c)知，現(xiàn)蕾時(shí)、開花時(shí)和成熟時(shí)N0處理的根系儲(chǔ)水量小于N1處理，說明氮肥脅迫會(huì)抑制根系吸水作用[5]。在3個(gè)觀測時(shí)刻，N0處理的根系儲(chǔ)水量分別比N1處理的減少17.12%、21.87%和27.57%，兩組處理間差異呈增大趨勢，說明氮肥對(duì)根系儲(chǔ)水的影響主要在花期和成熟期顯現(xiàn)。

2.2 向日葵騰發(fā)量(ET)

由表2方差分析知，鹽分在開花時(shí)和成熟時(shí)對(duì)植株騰發(fā)量影響顯著(P=0.025和P=0.014),水分只在成熟時(shí)影響顯著(P=0.014)，而施氮量在3個(gè)觀測時(shí)刻影響均不顯著。

表2 騰發(fā)量方差分析結(jié)果Tab.2 The results of ET variance analysis

圖3 水、鹽、施氮量交互作用下對(duì)騰發(fā)量(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)的影響Fig.3 Effect of water、salt and nitrogen coupling on ET(Mean±S.D.)

不同鹽分處理時(shí)，見圖3(a)，在現(xiàn)蕾時(shí)S1與S0兩組處理的騰發(fā)量相近。隨著生育期推進(jìn)，兩組處理的騰發(fā)量都呈增大趨勢，但差異也逐漸增大，S0處理的騰發(fā)量大于S1處理，在開花時(shí)和成熟時(shí)，相比于S0處理,S1處理的騰發(fā)量分別減小12.68%和17.41%，說明在開花和成熟時(shí)較高的鹽分會(huì)抑制植株蒸騰作用，減少水分和營養(yǎng)物質(zhì)吸收。

不同水分處理時(shí)，見圖3(b)，在3個(gè)觀測時(shí)刻W0處理的騰發(fā)量均小于W1處理[6,7]。由現(xiàn)蕾至成熟，兩組處理差異逐漸增大，W0處理組的騰發(fā)量分別為W1處理51.06%、41.45%和36.90%。同時(shí)由圖可知，在開花至成熟階段，W1處理組的騰發(fā)量增幅較大達(dá)到了48.05%，說明水分在花期促進(jìn)騰發(fā)量作用明顯，有助于籽粒的形成[8]。

不同氮肥處理時(shí)，見圖3(c)，3個(gè)觀測時(shí)刻的兩組氮肥處理間差異不如鹽分和水分處理明顯。在現(xiàn)蕾和開花時(shí)N1處理下的騰發(fā)量略大，而在成熟時(shí)N1與N0兩組處理騰發(fā)量相近。說明氮肥主要在苗期、蕾期影響植株蒸騰，在花期和成熟期影響較小。

2.3 水分利用率(WUE)

由表3可知，鹽分、水分、施氮量在現(xiàn)蕾時(shí)、開花時(shí)和成熟3個(gè)觀測時(shí)刻對(duì)水分利用率影響均不顯著。

表3 水分利用率方差分析結(jié)果Tab.3 The results of WUE variance analysis

圖4 水、鹽、施氮量交互作用下對(duì)水分利用率(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)的影響Fig.4 Effect of water、salt and nitrogen coupling on WUE(Mean±S.D.)

由圖4(a)可知，在3個(gè)生育期中S1處理的水分利用率均小于S0處理，說明土壤含鹽量增大會(huì)減小植株對(duì)水分的吸收[9]?，F(xiàn)蕾時(shí)、開花時(shí)和成熟時(shí)S1處理的水分利用率分別比S0減小61.18%、53.12%和4.57%?？芍诂F(xiàn)蕾和開花時(shí)，鹽分對(duì)WUE影響較大，鹽分脅迫會(huì)減小WUE。在成熟時(shí)，S0處理的WUE較開花階段減小，而S1處理較開花階段略微增大但仍小于S0處理。

由圖4(b)可知在生長過程中，WUE受水分影響呈現(xiàn)出小-大-小的趨勢。在不同水分條件下，W0處理的水分利用率小于W1處理的，說明水分脅迫會(huì)明顯減少作物對(duì)水分的吸收量[10]。在現(xiàn)蕾時(shí)、開花時(shí)和成熟時(shí)W0處理下的水分利用率較W1分別減小7.60%、45.94%和22.79%，開花時(shí)差異最大，說明蕾期為水分脅迫影響作物對(duì)水分利用的關(guān)鍵時(shí)期。進(jìn)一步比較開花和現(xiàn)蕾時(shí)發(fā)現(xiàn)，水分充足處理組的水分利用率有明顯提高，提高了74.15%，而水分脅迫組處理的水分利用率僅提高了23.6%。

在不同施氮量的條件下，如圖4(c)，在現(xiàn)蕾和開花時(shí)，N0處理下的水分利用率大于N1，N0處理分別使水分利用率增大15.39%和15.11%；而在成熟時(shí)，規(guī)律相反，N1處理較N0處理提高19.87%。說明在現(xiàn)蕾和開花時(shí)，氮肥脅迫組相較于無氮肥脅迫組提高了WUE，在成熟時(shí)施氮處理組提高WUE。

3 結(jié) 語

中度鹽分脅迫處理、水分脅迫處理、氮肥脅迫處理會(huì)減小根系儲(chǔ)水量、騰發(fā)量和水分利用率，具體而言：①對(duì)于根系儲(chǔ)水量，鹽分在苗期抑制作用明顯，氮肥在花期和成熟期抑制作用較大；②對(duì)于騰發(fā)量，鹽分在開花和成熟時(shí)抑制作用顯著，而此時(shí)充分灌溉會(huì)增大騰發(fā)量，相較之下氮肥影響效果較弱，主要影響時(shí)期是苗期和蕾期；③對(duì)于水分利用率，鹽分主要影響時(shí)期是現(xiàn)蕾和開花時(shí)，水分主要影響時(shí)期是蕾期，并且在蕾期充分灌水會(huì)提高水分利用率，而對(duì)于氮肥，在現(xiàn)蕾和開花時(shí)，輕度氮肥脅迫會(huì)提高水分利用率。

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[1] 全國土壤普查辦公室. 中國土壤[M]. 中國農(nóng)業(yè)出版社，1998.

[2] 王佳麗，黃賢金，鐘太洋，等. 鹽堿地可持續(xù)利用研究綜述[J]. 地理學(xué)報(bào)，2011，66(5):673-684.

[3] 曾文治，徐 馳，黃介生，等. 土壤鹽分與施氮量交互作用對(duì)葵花生長的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(3):86-94.

[4] 王利春，石建初，左 強(qiáng)，等. 鹽分脅迫條件下冬小麥根系吸水模型的構(gòu)建與驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(1)：112-117.

[5] 劉小芳. 玉米根系吸水調(diào)控機(jī)制[D].北京：中國科學(xué)院研究生院(教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心)，2013.

[6] 高 麗，楊 劼，劉瑞香. 不同土壤水分條件下中國沙棘雌雄株光合作用、蒸騰作用及水分利用效率特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29(11):6 025-6 034.

[7] 羅永忠，成自勇. 水分脅迫對(duì)紫花苜蓿葉水勢、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度的影響[J]. 草地學(xué)報(bào). 2011，19(2):215-221.

[8] Katerji N, Van Hoorn J W,Hamdy A,et al.Salinity and drought,a comparison of their effects on the relationship between yield and evapotranspiration[J]. Agricultural Water Management.1998,36(1):45-54.

[9] 王 寧. 鹽分脅迫對(duì)不同作物與品種生理特性及水分利用率影響研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[10] 羅迪漢，王 勇. 不同灌水定額對(duì)覆膜滴灌玉米生長、產(chǎn)量及水分利用效率的影響[J]. 節(jié)水灌溉，2015，(7):5-8.