水氮調(diào)控對輕度鹽化土滴灌棉花根系生長的影響

李文昊，王振華，朱延凱，馬東青

(1.石河子大學水利建筑工程學院,新疆 石河子 832000；2.石河子大學現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室,新疆 石河子 832000)

棉花屬耐鹽先鋒作物，是我國最重要的三大經(jīng)濟作物之一。根據(jù)國家統(tǒng)計局1994—2016年“棉花統(tǒng)計公告”中新疆和全國棉花播種面積及總產(chǎn)量數(shù)據(jù)，2015年新疆棉花播種總面積190.43萬hm2，占全國總播種面積的50%；而早在2012年，新疆棉花總產(chǎn)量已達全國總產(chǎn)量的54%。新疆棉花的種植面積及總產(chǎn)量不僅占據(jù)全國“半壁江山”，同時顯示出強大的規(guī)模優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展態(tài)勢[1]。新疆地處西北，屬內(nèi)陸干旱區(qū)，土壤鹽漬化問題嚴重，依據(jù)第二次土壤普查結(jié)果，新疆鹽漬化耕地面積127萬hm2，占耕地總面積的31.10%，其中輕度鹽漬化農(nóng)田占總耕地面積的22.32%[2]。土壤鹽漬化降低了區(qū)域棉花的生產(chǎn)水平；大面積利用滴灌技術(shù)后，出現(xiàn)的節(jié)水灌溉型次生鹽漬化問題對新疆的棉花產(chǎn)業(yè)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全形成了新的威脅[3-4]。

很多研究者對作物水氮調(diào)控進行了細致研究，丁紅等[5]研究表明，水氮調(diào)控可以促進花生根系和地上部生長，從而提高莢果產(chǎn)量。張鳳翔等[6]研究表明，低水分條件下增加氮素含量能夠顯著增加水稻根干重、根體積和促進水稻根系的扎深，土壤水分較低時施氮對株高無顯著的促進效應(yīng)。Zonta 等[7]通過研究水氮的灌溉速率對棉花生長和產(chǎn)量的影響，得出了在缺水條件下棉花適宜的灌水和施氮時機及用量。謝志良等[8]研究表明，水分短缺將抑制棉花冠層生長，導致光合作用下降，但通過施加氮肥可促進根系向縱深方向生長，提高水分利用效率。Ehdaie等[9]研究表明，干旱條件下較多的毛細根數(shù)量和較大的根表面積有利于吸收土壤中的水分和養(yǎng)分，從而獲得較高的作物產(chǎn)量。已有研究成果極大推動了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學發(fā)展，但針對鹽堿地水氮調(diào)控下滴灌棉花生長的研究較少。

課題組已經(jīng)分析了水氮調(diào)控對輕度鹽化土滴灌棉花生理特性作用[10]，結(jié)合棉花的生理生長指標等數(shù)據(jù)，確定出該試驗條件下輕度鹽化土棉花最佳灌水及施氮量分別為3 740 m3·hm-2和754 kg·hm-2，但成果尚未分析水氮調(diào)控對輕度鹽化土滴灌棉花地下部根系生長的影響。本研究利用已有試驗條件，獲取并深入分析根系數(shù)據(jù)，探尋輕度鹽化土壤環(huán)境下水氮耦合對滴灌棉花根系生長的影響。結(jié)合已有研究結(jié)果，為區(qū)域輕度鹽化土條件下滴灌棉花水肥生產(chǎn)提供更全面的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室試驗基地暨石河子大學節(jié)水灌溉試驗站(85°59′47″E，44°19′28″N，海拔412 m)完成。試驗站地處石河子市西郊石河子大學農(nóng)業(yè)試驗場二連，該地區(qū)屬于典型的溫帶大陸性氣候，平均地面坡度為6‰。全年平均日照時間達2 865 h，多年平均降雨量為198 mm，平均蒸發(fā)量為1 340 mm，無霜期170 d。

1.2 試驗設(shè)計

2017年4—10月采用桶栽試驗種植棉花(桶高0.50 m，內(nèi)徑0.45 m，在桶底部打孔)。試驗選取當?shù)孛藁ㄖ髟云贩N“農(nóng)豐133”，按機采棉“一膜兩管六行”模式設(shè)計株距，即桶內(nèi)呈等邊三角形布置棉花3株，株距11 cm。供試土壤預(yù)先進行鹽處理，采用取自兵團第八師121團的重鹽堿土與中壤土按比例摻合，自然晾干碾碎去石塊混合均勻后，根據(jù)《新疆墾區(qū)鹽堿地改良》[11]“耕地土壤鹽化程度的分級標準”，配比含鹽量為4～5 g·kg-1的輕度鹽化土，按容重1.40 g·cm-3分層裝土深45 cm。為貼合自然環(huán)境，將桶口面與地面平齊埋入土中。

設(shè)計水氮2因素3水平完全組合試驗，根據(jù)生產(chǎn)實踐和前人的研究[12]，氮肥設(shè)3個水平：300、600、900 kg·hm-2尿素(分別標記為N1、N2、N3)；灌水設(shè)3個水平：2 750、3 750、4 750 m3·hm-2(分別標記為W1、W2、W3)；共設(shè)置9個處理，3次重復(fù)，隨機排列，共27個桶。2017年4月12日人工點種，棉花播種深度在3～4 cm之間，采用“干播濕出”播種方式。用醫(yī)用輸液管模擬滴灌的滴頭，滴頭位于棉花播種位置處，控制滴頭流量為1.8 L·h-1。參照鄭旭榮[13]研究成果，全生育期灌溉次數(shù)為12次，肥隨水入，各生育期灌水及氮肥比例如表1所示。磷肥、鉀肥以磷酸二氫鉀作基肥一次施入，各處理施用量均為300 kg·hm-2。

1.3 測試項目及方法

2017年10月1日收獲棉花后，采用破壞試驗分層取樣法，以滴頭(桶中心)為中心，經(jīng)桶中心的兩條互相垂直的直徑分別定義為X軸和Y軸，將土樣在水平面上分為四個象限。沿X軸正方向間距為5 cm，Y軸正方向間距為5 cm，深度為10 cm分層切塊，獲得長×寬×高為5 cm×5 cm×10 cm大小的單位土塊，27個桶共計9 072個樣品。

表1 棉花各生育期灌水及施肥比例

2018年3月至5月，用鑷子人工手揀土塊中體積較大的根系；殘留在土中細小根系利用0.5 mm土篩緩慢篩分；土壤漏于篩下，根系存于篩上。每個土塊中獲得的根系用細孔尼龍網(wǎng)包裹，置于自來水下慢慢沖洗，將洗凈的待測根系放入大小為10 cm×20 cm的透明托盤內(nèi)，向托盤內(nèi)注入1～2 cm深清水，并用鑷子將托盤內(nèi)根系分開，減少重疊面積。使用EPSON V600高分辨率掃描儀將棉花根系掃描成灰階模式的TIF圖像文件，之后用根系掃描分析系統(tǒng)WinRhizo分析圖像，獲取根表面積、根平均直徑和根體積參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013對數(shù)據(jù)進行整理及圖表制作；使用SPSS 19.0軟件進行方差分析，采用Duncan法比較處理間的差異(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮調(diào)控對輕度鹽化土滴灌棉花根表面積垂直分布的影響

由圖1可知，不同水氮處理都表現(xiàn)出滴灌棉花根表面積隨土層深度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢。即0～10 cm土層根表面積小于10～20 cm;根表面積在10～30 cm土層最大；30～40 cm土層根表面積小于20～30 cm土層。試驗中發(fā)現(xiàn)，棉花生育期結(jié)束后部分毛細根系在桶底聚集，從而導致各處理40～50 cm土層的總根表面積比30～40 cm土層增加15.17%。在等施氮處理下，0～10 cm土層W3水平比W2水平減小13.15%；20～30 cm土層N1和N2處理灌水抑制根表面積增加效果不顯著，N3水平下隨灌溉定額的增加，W2N3與W3N3較W1N3處理根表面積平均依次減小15.91%和10.84%；30～40 cm土層，N1處理3個灌溉定額水平較N2處理根表面積平均減小13.70%，N2處理3個灌溉定額水平較N3處理根表面積平均減小9.92%。因此，土壤中過量的水分對根表面積增加具有一定的抑制作用。等灌水處理下，除0～10 cm土層，根表面積隨施氮量的增加先增后減；其余各土層均隨施氮量增加逐漸減小，說明高氮將抑制根表面積生長。

2.2 水氮調(diào)控對輕度鹽化土滴灌棉花根表面積水平分布的影響

由圖2可知，各處理水平方向根表面積在滴頭下方最大，隨距離滴頭位置的增加滴灌棉花根表面積逐漸減小。在等施氮處理下，相同土層根表面積隨灌溉定額的增加而減小，距離滴頭位置越遠，表現(xiàn)越明顯；距滴頭15～20 cm位置處，W2水平根表面積較W1水平平均減小6.90%，W3根表面積較W1水平平均減小11.31%。等灌水處理下，相同土層根表面積隨施肥量的增加呈拋物線狀分布，即相同灌水條件下，N2水平根表面積最大；距離滴頭位置越遠，表現(xiàn)越明顯。距滴頭10～15 cm位置處，N2水平根表面積較N1水平平均增加7.43%，較N3水平平均增加6.54%。綜合考慮輕度鹽化土滴灌棉花根表面積垂直及水平分布，試驗條件下中水、中肥處理根表面積最大。

2.3 水氮調(diào)控對輕度鹽化土滴灌棉花根平均直徑垂直分布的影響

由圖3可知，除各處理30～40 cm土層根平均直徑比20～30 cm土層增加4.01%外，輕度鹽化土滴灌棉花根平均直徑隨土層深度的增加而逐漸降低。等施氮處理下，N1處理根平均直徑整體隨灌溉定額的增加先增后減；N2處理0～30 cm土層根平均直徑隨灌溉定額的增加而逐漸減少，30～50 cm土層隨灌溉定額的增加先增后減；N3處理0～30 cm土層根平均直徑隨灌溉定額的增加先增后減，30～50 cm土層隨灌溉定額的逐漸減少，說明灌水量能夠顯著影響根平均直徑在土壤中垂直分布。等灌水處理下，各土層根平均直徑隨施氮量的增加呈現(xiàn)先增后減現(xiàn)象。中水和中氮促進垂直方向根直徑生長。

圖1 各處理下輕度鹽化土滴灌棉花根表面積垂直分布Fig.1 Vertical distribution of cotton root surface area under drip irrigation in mild salinized soil under different treatments

圖2 各處理下輕度鹽化土滴灌棉花根表面積水平分布Fig.2 Horizontal distribution of cotton root surface area under drip irrigation in mild salinized soil under different treatments

圖3 各處理下輕度鹽化土滴灌棉花根平均直徑垂直分布Fig.3 Vertical distribution of average diameter of cotton root under drip irrigation in mild salinized soil under different treatments

2.4 水氮調(diào)控對輕度鹽化土滴灌棉花根平均直徑水平分布的影響

由圖4可知，各處理水平方向根平均直徑在滴頭下方最大，隨距離滴頭位置的增加滴灌棉花根表面積逐漸減小。等施氮處理下，在滴頭兩側(cè)根平均直徑隨灌溉定額的增加先增后減，距離滴頭10～15 cm范圍W2水平內(nèi)根平均直徑較W1水平平均提高10.41%，較W1水平平均提高6.68%。等灌水處理下，在滴頭兩側(cè)0～20 cm范圍內(nèi)隨含氮量的增加根平均直徑差異較小，說明灌水量是影響根平均直徑水平方向大小分布的主要因素。綜合考慮輕度鹽化土滴灌棉花根平均直徑垂直及水平分布，試驗條件下中水、中肥處理根平均直徑最大。

2.5 水氮調(diào)控對輕度鹽化土滴灌棉花根體積垂直分布的影響

由圖5可知，輕度鹽化土滴灌棉花根體積分布主要集中在0～30 cm土層內(nèi)，且隨土層深度的增加而逐漸降低，40～50 cm土層根體積大于30～40 cm，同樣因為試驗結(jié)束后部分毛細根系在桶底聚集。等施氮處理下，0～20 cm土層棉花根體積在不同灌溉定額處理下變化不明顯；20～50 cm土層棉花根體積隨灌溉定額的增加而降低，W2水平較W1水平棉花根體積平均減小8.91%，W3水平較W1水平棉花根體積平均減小10.83%。等灌水處理下，施氮量對棉花根體積的影響較??；20～50 cm土層根體積總體隨灌溉定額的增加呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。N2水平較N1水平棉花根體積平均減小4.75%，N3水平較N1水平棉花根體積平均減小5.42%。

2.6 水氮調(diào)控對輕度鹽化土滴灌棉花根體積水平分布的影響

由圖6可知，各處理水平方向上根體積在滴頭下方最大，隨距離滴頭位置的增加滴灌棉花根體積逐漸減小。等施氮處理下，各土層根體積隨灌溉定額的增加而降低，除在N1和N2水平，-15～15 cm范圍內(nèi)根體積隨含水量的增加先增后減；N3水平下，W2和W3處理分別比W1處理滴灌棉花根體積平均減小10.72%和13.45%。等灌水處理下，輕度鹽化土滴灌棉花根體積均隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢。綜合考慮輕度鹽化土滴灌棉花根體積垂直及水平分布，試驗條件下中水、中肥處理根體積最大。

圖4 各處理下輕度鹽化土滴灌棉花根平均直徑水平分布Fig.4 Horizontal distribution of average diameter of cotton root under drip irrigation in mild salinized soil under different treatments

3 討 論

水氮可有效調(diào)控作物根系生長[14]。通過調(diào)控水氮用量，可以不同程度地緩解鹽脅迫引起的作物不良生長，改善鹽漬土中作物根系的生長狀況。本研究利用桶栽試驗確定并非水大、肥大就能促進輕度鹽化土滴灌棉花根系的生長，相反過高的水肥用量都將影響棉花根系的生長。研究結(jié)果與張金珠等[15]確定的干旱條件下增施一定量氮肥可有助于緩解水分對根表面積增長的抑制作用，但過量使用氮肥將抑制棉花根表面積生長的成果相近；但該文獻未詳細研究根平均直徑和根體積等形態(tài)參數(shù)。廖常健等[16]同樣得出，高水和高氮對根表面積生長具有抑制作用，與Sharme等[17]提出的一定干旱條件能促進根系伸長和根徑增加，擴大水分和養(yǎng)分吸收面積促進對養(yǎng)分的吸收成果相似。

本研究綜合分析了不同水肥處理對根表面積、根平均直徑及根體積的綜合影響，確定出輕度鹽化土滴灌灌溉定額3 750 m3·hm-2，尿素施用量600 kg·hm-2棉花根系生長最佳。課題組還測算不同處理棉花的實際產(chǎn)量，同樣得出輕度鹽化土滴灌灌溉定額3 750 m3·hm-2，尿素施用量600 kg·hm-2棉花產(chǎn)量最高，為5 854.5 kg·hm-2(各處理棉花產(chǎn)量見表2)。研究成果與課題組利用回歸方程確定的輕度鹽化土棉花最佳灌水施氮量3 740 m3·hm-2和754 kg·hm-2有一定差異[5]，但在分析過程中均認為，棉花各生育期凈光合速率和蒸騰速率等光合指標、氣孔導度和細胞間CO2濃度等葉綠素熒光參數(shù)、籽棉產(chǎn)量及增產(chǎn)效應(yīng)最大值都出現(xiàn)在灌溉定額3 750 m3·hm-2，尿素施用量600 kg·hm-2處理，本文進一步利用根系參數(shù)等數(shù)據(jù)證明了該成果。本成果還與石洪亮[18]提出的施氮300 kg·hm-2(即施尿素量642.81 kg·hm-2)時，灌溉定額2 800～3 800 m3·hm-2，籽棉產(chǎn)量差異不明顯，水、氮利用率最高的研究結(jié)論相近。

4 結(jié) 論

1)輕度鹽脅迫下，灌水和施氮產(chǎn)生的交互作用對棉花根表面積和根平均直徑有顯著影響；根表面積和根平均直徑均隨灌溉定額或施氮量的增加而減小。灌水量和施氮量對棉花0～20 cm土層根體積調(diào)控作用不明顯。

2)輕度鹽化土滴灌棉花根表面積、根平均直徑及根體積垂直方向隨土層深度的增加逐漸降低，水平方向主要分布在滴頭下方。灌溉定額3 750 m3·hm-2，尿素施用量600 kg·hm-2有利于輕度鹽化土滴灌棉花根系生長。

圖6 各處理下輕度鹽化土滴灌棉花根體積水平分布Fig.6 Horizontal distribution of cotton root volume under drip irrigation in mild salinized soil under different treatments

表2 不同處理棉花產(chǎn)量