微咸水灌溉條件下土壤殘膜對棉花苗期氮平衡指數(shù)與耗水量的影響

朱 珠，姚寶林，李 男，王世昌，文 豪

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453000；2.塔里木大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

隨著地膜覆蓋技術(shù)的迅猛發(fā)展，新疆已經(jīng)成為我國覆膜栽培面積最大的棉花墾區(qū)[1-2]，但隨之而來的殘膜污染越來越嚴(yán)重。諸多研究結(jié)果表明，農(nóng)膜殘留導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞[3-4]、土壤透水強度減弱[5]、抑制作物根系吸收水分和養(yǎng)分[6-7]、形成隔離層阻礙土壤水分運動[8]、土壤局部水分分布不均，影響作物耗水[9]。與此同時，制約新疆棉田發(fā)展的另一個重要問題是農(nóng)業(yè)用水緊缺。微咸水資源化合理利用是緩解水資源矛盾和擴大農(nóng)業(yè)水源的有效途徑之一[10]。有研究認(rèn)為，微咸水進入土壤后，與土壤溶液和土壤固體顆粒產(chǎn)生物理化學(xué)作用，改變土壤結(jié)構(gòu)、土壤顆粒組分、孔隙度等，導(dǎo)致土壤能量和導(dǎo)水性能變化[11]，影響作物吸收土壤養(yǎng)分，進而影響作物的葉綠素和氮含量[12]?？焖?、實時、無損監(jiān)測作物葉綠素含量和氮平衡指數(shù)，對及時掌握作物營養(yǎng)水平、脅迫狀況和環(huán)境適應(yīng)性，科學(xué)指導(dǎo)農(nóng)田施肥管理具有重要意義[13]。CEROVIC 等[14]和ABDALLAH 等[15]研究認(rèn)為，Dualex 4 氮平衡指數(shù)測量儀是測定葉綠素含量和氮平衡指數(shù)的有效工具。目前，針對微咸水灌溉和土壤殘膜危害的研究成果較多，但是微咸水灌溉條件下土壤殘膜對棉花苗期葉綠素含量、氮平衡指數(shù)和土壤耗水的影響少見報道。筆者依據(jù)生產(chǎn)實際，開展微咸水灌溉條件下土壤殘膜對棉花苗期葉綠素含量、氮平衡指數(shù)和土壤耗水的影響研究，旨在探明灌溉水電導(dǎo)率、土壤殘膜、土壤容重和灌溉水控制下限對棉花苗期葉綠素含量、氮平衡指數(shù)和土壤耗水的影響規(guī)律，從而為微咸水灌溉條件下的農(nóng)膜殘留棉田在棉花苗期制定灌溉制度和管理施肥提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地基本情況

試驗區(qū)位于新疆阿拉爾市塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院節(jié)水灌溉試驗基地，北緯40°20′47″～41°47′18″，東經(jīng)79°22′33″～81°53′45″，屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，氣候干燥，蒸發(fā)量大，降水量稀少，年降水量40.1～82.5 mm，年蒸發(fā)量1 876.6～2 558.9 mm[16]。

土壤為沙壤土，0～30 cm 土壤田間持水率（θs）為22.69%[17]，土壤初始電導(dǎo)率為1 132 μS/cm，鹽度為0.07%，總?cè)芙夤腆w（TDS）為568 mg/L，八大離子含量CO32-為0.035 g/kg、HCO3-為0.351 g/kg、Cl-為1.109 g/kg、SO42-為1.861 g/kg、Ca2+為0.196 g/kg、Mg2+為0.097 g/kg、Na+為2.259 g/kg、K+為0.142 g/kg。屬氯化物-硫酸鹽類土壤。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2020年7月在塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室開展。采用4 因素3 水平正交盆栽試驗（表1），共9個處理，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。4個影響因素為土壤殘膜量（A，設(shè)0、240、480 kg/hm23個水平，分別表示為A1、A2、A3；土壤殘膜取自大田土壤，洗凈，晾干），灌溉水控制下限（B，以田間持水率θs為依據(jù)，配置60%θs、80%θs、θs 3個水平，分別表示為B1、B2、B3），土壤容重（C，設(shè)1.3、1.4、1.5 g/cm33個水平，分別表示為C1、C2、C3），灌溉水電導(dǎo)率（D，以NaCl 配置3個水平，分別為2 500、3 800、5 200 μS/cm，表示為D1、D2、D3）。取表層0～30 cm原狀風(fēng)干土，過2 mm 篩，按照不同土壤容重與土壤殘膜量裝入花盆，花盆高80 mm，直徑100 mm。按照試驗方案灌水栽種，置于RTOP 系列智能人工培養(yǎng)箱，設(shè)置2個光照時段，12 h 光照，12 h 黑暗；溫度25℃，濕度控制在60%左右。供試棉花品種為新陸中52號。

表1 試驗方案

1.3 測定項目及數(shù)據(jù)處理

試驗期間每天測定耗水量，以消耗的土壤含水量計算每日耗水量。栽種第27天，用Dualex 4 氮平衡指數(shù)測量儀測定葉綠素含量（Chl）和氮平衡指數(shù)（NBI）。采用Origin 2020 軟件分析數(shù)據(jù)與作圖，DPS 進行Duncan′s 新復(fù)極差方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 微咸水灌溉條件下不同因素處理對棉花苗期葉綠素含量的影響

2.1.1 不同因素處理葉綠素含量 葉綠素含量是反映植物營養(yǎng)狀況和生長階段的重要生化指標(biāo)，也是植物總體生長狀況的重要指標(biāo)[18]。Dualex 4 氮平衡指數(shù)測量儀是新型估測葉片葉綠素含量和葉片表皮多酚含量的葉片熒光傳感器[19]。由圖1可知，在4因素中，灌溉水電導(dǎo)率不同水平（D1、D2、D3）處理顯著影響葉綠素含量（P＜0.05），隨著灌溉水電導(dǎo)率的增加，葉綠素含量降低。灌溉水電導(dǎo)率2 500 μS/cm處理葉綠素含量為41.67 μg/cm2，高于灌溉水電導(dǎo)率3 800 μS/cm 處理25.48%，高于灌溉水電導(dǎo)率5 200 μS/cm 處理25.50%；灌溉水電導(dǎo)率2 500 μS/cm處理與3 800、5 200 μS/cm 處理相比差異顯著（P＜0.05）。

2.1.2 不同因素處理對葉綠素含量的極差分析 采用極差分析法綜合分析各因素對葉綠素含量的影響，判別達到葉綠素含量最大時的因素水平組合方案。由表2可知，灌溉水電導(dǎo)率的極差R值最大，為8.48，土壤容重的極差R值最小，為3.95，各因素對葉綠素含量的影響順序是灌溉水電導(dǎo)率>殘膜量>灌溉水控制下限>土壤容重。因此，灌溉水電導(dǎo)率是影響葉綠素含量的主要因素。綜合平衡確定葉綠素含量達到最大值時的最優(yōu)因子組合為A2B1C1D1，即殘膜量240 kg/hm2、灌溉水控制下限至60%田間持水量、土壤容重1.3 g/cm3、灌溉水電導(dǎo)率2 500 μS/cm組合處理最優(yōu)。

表2 葉綠素含量正交試驗極差分析結(jié)果 單位：μg/cm2

2.1.3 不同處理葉綠素含量差異性結(jié)果 Duncan′s新復(fù)極差法方差分析結(jié)果表明，在灌溉水電導(dǎo)率相同條件下，無殘膜T1 處理葉綠素含量最大，為43.95 μg/cm2，T5、T9 處理葉綠素含量分別為42.85、38.20 μg/cm2，T1、T5、T9 處理之間差異不顯著（P＞0.10）；隨著灌溉水電導(dǎo)率的升高，T2、T3 處理葉綠素含量降低，分別為27.20、31.10 μg/cm2，T1、T5 處理與T8、T2、T3 處理在P<0.10 水平葉綠素含量差異顯著（表3）。在各處理中，T8 處理殘膜量大、灌溉水電導(dǎo)率高、葉綠素含量低；T2、T3 處理灌溉水電導(dǎo)率較高、高，葉綠素含量低，表明灌溉水電導(dǎo)率顯著影響葉片葉綠素含量。

表3 不同處理葉綠素含量差異顯著性檢驗結(jié)果

2.2 微咸水灌溉條件下不同因素處理對棉花苗期氮平衡指數(shù)的影響

Dualex 4 氮平衡指數(shù)測量儀在測定葉片葉綠素含量的同時還反映葉片多酚含量。已有研究結(jié)果表明，葉片多酚值與葉片含氮量線性負(fù)相關(guān)，葉綠素值與多酚值的比值為氮平衡指數(shù)（NBI），氮平衡指數(shù)與植物氮含量正相關(guān)，能夠更好地診斷作物氮素營養(yǎng)狀況[14，19]。為探討土壤殘膜量、灌溉水控制下限、土壤容重和灌溉水電導(dǎo)率對棉花苗期氮素營養(yǎng)狀況的影響，試驗分析了單因素不同水平對栽種27 d后棉花苗期葉片氮平衡指數(shù)的影響。

2.2.1 不同因素處理棉花苗期氮平衡指數(shù) 由圖2可知，土壤殘膜量（A）和土壤容重（C）不同水平處理顯著影響氮平衡指數(shù)（P＜0.05），灌溉水電導(dǎo)率（D）不同水平處理極顯著影響氮平衡指數(shù)（P＜0.01），灌溉水控制下限（B）不同水平處理對氮平衡指數(shù)的影響不顯著（P＞0.05）。隨著殘膜量的增加，氮平衡指數(shù)先增加后減少；隨著土壤容重的增加，氮平衡指數(shù)先減少后增加；隨著灌溉水電導(dǎo)率的增加氮平衡指數(shù)減少，灌溉水電導(dǎo)率3 800 μS/cm 處理與5 200 μS/cm處理氮平衡指數(shù)差異不顯著（P＞0.05）；灌溉水電導(dǎo)率2 500 μS/cm 處理氮平衡指數(shù)最高，為60.52，與灌溉水電導(dǎo)率3 800、5 200 μS/cm 處理相比差異極顯著（P＜0.01）。

2.2.2 不同因素處理棉花苗期氮平衡指數(shù)極差分析 極差分析結(jié)果表明，灌溉水電導(dǎo)率的極差R值最大，為21.32，灌溉水控制下限的極差R值最小，為4.08，對氮平衡指數(shù)的影響作用主次順序為灌溉水電導(dǎo)率>土壤容重>殘膜量>灌溉水控制下限。因此，灌溉水電導(dǎo)率和土壤容重是影響氮平衡指數(shù)的主要因素。綜合平衡確定氮平衡指數(shù)達到最大值時的最優(yōu)因子組合為A2B1C1D1（表4）。

表4 氮平衡指數(shù)正交試驗極差分析結(jié)果

2.2.3 不同因素處理棉花苗期氮平衡指數(shù)差異性結(jié)果 由表5可知，T1 和T5 處理氮平衡指數(shù)較高，分別為69.95 和64.10。當(dāng)灌溉水電導(dǎo)率相同，隨著殘膜量、灌溉水控制下限和土壤容重的增加，T5 處理與T1 處理相比氮平衡指數(shù)減少8.36%，差異不顯著（P＞0.05）；T9 處理與T1 處理相比氮平衡指數(shù)減少32.09%，差異極顯著（P＜0.01）。在殘膜量為0 時，隨著灌溉水電導(dǎo)率的增加氮平衡指數(shù)減少，與T1 處理相比，T2、T3 處理氮平衡指數(shù)較低，分別為32.40、38.70，T2、T3 處理與T1 處理差異極顯著（P＜0.01）。綜合分析認(rèn)為，在無殘膜土壤中，灌溉水電導(dǎo)率越低，氮平衡指數(shù)越大；在殘膜土壤中，殘膜量越小對氮平衡指數(shù)的影響越小。

2.3 微咸水灌溉條件下不同處理對耗水量的影響

2.3.1 灌水后不同時間耗水量 土壤水分變化反映了作物生長的水分環(huán)境及作物蒸發(fā)蒸騰耗水狀況，是影響作物生長的重要因素，用土壤日耗水量表示土壤水分日變化量，即表示1 d 內(nèi)土壤水分減少量[20]。棉花苗期主要的耗水量是土壤蒸發(fā)和微量植株蒸騰。圖3為不同處理在第2次灌水后耗水量隨時間的變化趨勢。由于灌水后土壤含水量增加，灌水后第1天耗水量較高，隨著時間的推移，土壤含水量減少，耗水量減少。不同處理土壤日耗水量隨時間變化規(guī)律一致，T4 與T7 處理耗水量較少，T3、T6 和T9處理耗水量較多。

表5 不同處理氮平衡指數(shù)差異顯著性檢驗結(jié)果

2.3.2 單因素不同水平對耗水量的影響 由圖4可知，灌水后第1天，隨著殘膜量（A）的增加，耗水量由6.68%增加至8.13%，由于灌水后土壤水分含量增加，殘膜阻礙土壤水分入滲，增加了土壤無效耗水。由圖5可知，灌水后第4天，隨著殘膜量（A）的增加，耗水量由2.36%降低至1.98%，說明隨著時間的變化，殘膜土壤水分含量降低，從而降低耗水量。隨灌溉水控制下限（B）的增加，耗水量呈增加趨勢，灌水后第1天，耗水量由7.13%增加至8.10%（圖4）；灌水后第4 天耗水量由1.19%增加至3.04%（圖5）。隨著土壤容重的增加（C），耗水量降低，灌水后第1天，土壤耗水量由7.59%降低至7.39%（圖4）；灌水后第4天，土壤耗水量由2.40%降低至1.97%（圖5）。這說明土壤容重越大，土壤越緊實，影響土壤通氣性，降低土壤耗水量。灌水后第1天，隨灌溉水電導(dǎo)率（D）的增加，土壤耗水量先增加后降低，由7.12%增加至7.69%再降低至7.54%（圖4）；灌水后第4天，耗水量隨灌溉水電導(dǎo)率增加而減少，由2.25%減少至2.12%（圖5），說明高灌溉水電導(dǎo)率會增加土壤無效耗水。

3 討論與結(jié)論

干旱地區(qū)農(nóng)田用水主要通過蒸散消耗，蒸散是農(nóng)田水分循環(huán)的重要過程。隨著水資源日益緊缺，農(nóng)業(yè)用水矛盾加劇，農(nóng)田耗水量已成為評價農(nóng)田用水有效性和制訂灌溉制度的主要依據(jù)[21]。針對微咸水灌溉條件下的殘膜農(nóng)田耗水規(guī)律并不清晰；同時，保證新疆棉田產(chǎn)量的重要因素之一是施肥管理，無損、快速測定植株葉綠素含量和氮平衡指數(shù)是指導(dǎo)施肥管理的有效途徑。探究微咸水灌溉和土壤殘膜共同影響規(guī)律，開展大田試驗耗時費力，因此，針對上述問題開展了盆栽正交試驗。試驗結(jié)果表明，在土壤水分狀況良好時，耗水量隨殘膜量增加呈增大趨勢，此時，土壤殘膜阻礙水分入滲，增加無效耗水；在土壤含水量較低時，耗水量隨殘膜量增加呈降低趨勢，此時，土壤殘膜增加堵塞土壤孔隙，從而阻礙土壤水分蒸發(fā)通道。王亮等[21]研究認(rèn)為，隨著地膜殘留量的增加，作物棵間蒸發(fā)量和棵間蒸發(fā)占蒸散的比例增大，而作物蒸騰量和蒸散量呈減少趨勢，殘膜量225、450 kg/hm2處理比無殘膜處理全生育期田間無效耗水增加。李玉義等[22]研究認(rèn)為，灌水量增加是保證作物耗水的重要途徑，隨著灌水量的增加，土壤耗水量增加。土壤容重增加，增加了土壤緊實度，減少土壤孔隙，從而減少水分蒸發(fā)，使土壤耗水量減少。在土壤水分狀況良好時，耗水量隨灌溉水電導(dǎo)率增加先增大后減少，土壤含水量較低時，耗水量隨灌溉水電導(dǎo)率增加而減少。在土壤干旱時，灌溉水帶入土壤的可溶性鹽降低了土壤水分有效性，為阻止葉片失水、保持葉內(nèi)較高滲透水勢，作物通過減少氣孔開度，抑制蒸騰作用，引起作物生理干旱[23]。增加土壤殘膜量和鹽分脅迫均會引起土壤膨脹，致使土壤板結(jié)，通透性降低，導(dǎo)致土壤性質(zhì)惡化，干擾植株正常生理進程，影響葉綠素含量、組成比例和葉綠體細胞變化，綜合影響作物吸收土壤中氮素營養(yǎng)，進而影響產(chǎn)量[24-25]。因此，合理、高效、科學(xué)、安全地利用微咸水灌溉殘膜棉田成為新疆棉田可持續(xù)發(fā)展的重要研究課題。

在本試驗條件下，灌溉水電導(dǎo)率是影響棉花出苗期葉綠素含量和氮平衡指數(shù)的主要因素。土壤鹽分抑制棉花吸收土壤氮素，隨著灌溉水電導(dǎo)率的增加，棉花苗期葉綠素含量和氮平衡指數(shù)減少。當(dāng)殘膜量為240 kg/hm2、灌溉水電導(dǎo)率為2 500 μS/cm 時不影響棉花苗期葉綠素含量和氮平衡指數(shù)。綜合平衡確定葉綠素含量和氮平衡指數(shù)達到最大值時的最優(yōu)因子組合為：殘膜量240 kg/hm2、灌溉水控制下限至60%田間持水量、土壤容重1.3 g/cm3、灌溉水電導(dǎo)率2 500 μS/cm。

在不同土壤水分條件下，不同因素對土壤耗水量影響不同。灌水后第1天，土壤水分含量高，隨著殘膜量的增加，耗水量由6.68%增加至8.13%；隨著灌溉水控制下限的增加，土壤耗水量呈增加趨勢，由7.13%增加至8.10%；隨著土壤容重的增加，土壤耗水量由7.59%降低至7.39%；隨著灌溉水電導(dǎo)率的增加，土壤耗水量先增加后降低，由7.12%增加至7.69%再降低至7.54%。灌水后第4天，土壤水分含量降低，隨著殘膜量的增加，耗水量由2.36%降低至1.98%；隨著灌溉水電導(dǎo)率的增加，耗水量由2.25%減少至2.12%。高殘膜量、高灌溉水電導(dǎo)率和較高灌溉水控制下限會增加土壤無效耗水。