加氣對微咸水灌溉棉花幼苗生長的影響

劉 冉，王學成，宋嘉雯，徐雪雯，辛 朗，姚寶林

（1.塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆阿拉爾 843300；2.塔里木大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，新疆阿拉爾 843300）

0 引 言

水肥氣熱是影響作物生長的重要因素，南疆地區(qū)因土壤鹽分含量高及耕作方式不合理等造成的土壤板結(jié)現(xiàn)象[1]使得土壤通氣性降低，導(dǎo)致作物根區(qū)形成低氧脅迫，影響作物生長發(fā)育。南疆作為我國棉花產(chǎn)地，現(xiàn)已普及超寬膜覆蓋的棉花種植模式[2]，由于超寬膜的不透氣性，使得這種低氧脅迫現(xiàn)象更為嚴重。該地區(qū)淡水資源缺乏，但微咸水資源相對豐富[3]，為尋求微咸水高效利用方式，開展微咸水灌溉條件下加氣對南疆地區(qū)棉花幼苗生長生理指標的影響，對南疆地區(qū)微咸水利用及加氣灌溉的發(fā)展具有重要意義。

地下灌溉技術(shù)較地表灌溉技術(shù)具有減少地表蒸發(fā)量的優(yōu)勢，可以達到節(jié)約農(nóng)業(yè)用水的目的，因此得到了大力發(fā)展[4]。加氣灌溉是地下灌溉技術(shù)的進一步發(fā)展[5,6]。現(xiàn)有研究已表明，加氣處理因解決了根區(qū)出現(xiàn)的低氧脅迫問題并且具有提高土壤酶活性的作用[7]，所以具有一定的增產(chǎn)效果。崔冰晶等人[8]研究表明，與不加氣灌溉相比，加氣灌溉處理的土壤O2提高2%，土壤孔隙也有所增大，改善了黃瓜根區(qū)土壤環(huán)境。張璇等人[9]研究發(fā)現(xiàn)，根際通氣可有效促進番茄生長，并且增加葉綠素含量，進而提高凈光合速率。于珍珍[10]研究表明，水肥氣耦合作用下，可有效提高玉米株高、莖粗等生長指標，并且可以有效提高玉米產(chǎn)量。王丹英[11]研究發(fā)現(xiàn)，適量通氣不僅可以促進水稻根系生長，而且可以促進植株分蘗和生物量的積累。以上研究表明加氣灌溉技術(shù)對作物生長生理發(fā)育及產(chǎn)量都有一定的促進作用。南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)用水緊缺，但具備豐厚的微咸水資源，目前針對微咸水灌溉的研究也越來越多，高聰帥等人[12]研究發(fā)現(xiàn)冬小麥具有較強耐鹽性，在灌溉水礦化度不大于5 g/L 的情況下可以實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)，這表明可以實現(xiàn)使用微咸水對一些耐鹽作物進行灌溉。棉花具有較強耐鹽性[13]，劉雪艷等人[14]研究表明灌水礦化度為2.36～3.39 g/L 時對棉花的生長及產(chǎn)量影響較小，并且發(fā)現(xiàn)干旱缺水時期可以用咸淡混合的灌水方式來保證棉花產(chǎn)量的穩(wěn)定。研究表明，土壤中鹽分含量的高低對作物根系的生長具有顯著影響[15]。

綜上所述，現(xiàn)階段針對加氣灌溉、微咸水灌溉的研究已較為完善，但缺少將兩者綜合起來做微咸水灌溉條件下加氣處理對作物影響的研究。針對南疆地區(qū)缺少淡水資源的現(xiàn)狀，研究微咸水灌溉條件下加氣處理對棉花幼苗的生理生長影響效果具有較強意義。因此開展加氣對微咸水灌溉棉花幼苗生長生理的影響等方面的研究，為南疆地區(qū)微咸水的高效利用及加氣灌溉的發(fā)展提供一定經(jīng)驗參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年5-7月在塔里木大學水利與建筑工程學院節(jié)水灌溉試驗基地溫室內(nèi)（81°17′E，40°32′N，海拔1 106 m）開展。溫室內(nèi)試驗期間溫濕度如圖1所示。

圖1 試驗期間溫室內(nèi)溫濕度Fig.1 Temperature and humidity in greenhouse during experiment

溫室桶栽試驗所用PVC 桶高60 cm，直徑20 cm。桶水平放置，兩端用PVC 底座和塑料薄膜封死，側(cè)面打孔，間距10 cm，孔徑5 cm，每桶打4 孔。供試土樣為砂壤土，土壤基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 土壤基本性質(zhì)Tab.1 Basic properties of soil

將風干砂壤土過2 mm篩后按土壤容重1.40 g/cm3分層裝入桶中。每孔播種2株棉花。水平放倒的桶底部埋設(shè)滲灌管，滲灌管一端封死，另外一端連接桶外加氣泵。試驗布置如圖2所示。

圖2 試驗設(shè)計圖（單位：cm）Fig.2 Test design

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計灌溉水電導(dǎo)率分別為W1（0.6 mS/cm)，W2(4 mS/cm），W3(7 mS/cm)和W4(10 mS/cm)，2 個加氣量（S1 不加氣，S2 加氣），共計8 個處理。每個處理重復(fù)3 次，試驗設(shè)計方案如表2所示。

表2 溫室試驗設(shè)計方案表Tab.2 Greenhouse test design scheme

加氣處理每日加氣7 次，加氣時間為8∶00-20∶00，加氣時間間隔為2 h，加氣量采用公式（1）[16]進行計算。得出加氣量后，依據(jù)氣泵功率將加氣量轉(zhuǎn)化為加氣時間。依據(jù)土壤儲水量計算出灌水量，每孔灌水1 L，各處理灌水量一致，灌水后進行播種。灌水采用醫(yī)用針頭進行滴灌，于5月10日滴水完成后進行播種。

式中：V為標準加氣量，L；S為桶橫截面積，cm2；L為桶長，cm；ρb為土壤容重，1.40 g/cm3；ρs為土壤密度，2.67 g/cm3。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土壤含水率和電導(dǎo)率測定

播后第30 天，將棉花幼苗根系處土壤取出，采用烘干法測定土壤質(zhì)量含水率。將土壤碾碎過篩（2 mm）后配置水土5∶1浸提液，靜置8 h后用電導(dǎo)率儀測定土壤電導(dǎo)率值。

1.3.2 株高

播后第10 天開始用直尺測量幼苗株高，每2 天測量一次株高（精確到0.1 cm）。

1.3.3 葉面積、莖粗

播后第20天用直尺測量葉片長與寬。

葉面積=葉片長×葉片寬×葉面積系數(shù)（葉面積系數(shù)取0.75[17]）

播后第20 天用游標卡尺（精確到0.01 mm）測量株高莖粗。

1.3.4 光合參數(shù)

播后第20 天使用Li6400-xt 光合儀測定棉花凈光合速率（Pn)，蒸騰速率(Tr)（每處理選取長勢均勻的3 株棉花，每株棉花隨機取3 片葉測定）。測定時間為11∶00、13∶00、15∶00、17∶00、19∶00。

1.3.5 棉花生物量

播后第30 天，將棉花沿地表剪斷，分別稱量莖鮮重、葉鮮重及根鮮重，將莖葉根105 ℃殺青30 min 后放置于75 ℃環(huán)境中烘干至恒質(zhì)量，稱取其莖、葉、根干重（精確至0.000 1 g）。

1.3.6 棉花根系生物量測定

播后第30 天，將根從土中取出，取出后的根系放置于密封袋中。挑除非棉花根系后，將根系用去離子水沖洗干凈并自然晾干，使用掃描儀（3720 MFC～TW3S2930DW）將根系掃描為黑白TIF 圖像，把根系黑白TIF 圖像導(dǎo)入萬深LA-S 系列植物圖像分析系統(tǒng)中進行分析，得到各層棉花根長、根體積及根平均直徑等形態(tài)特征指標，并計算出根長密度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，使用Origin 2018 進行制圖，采用SPSS 22.0 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，選用LSD與Duncan新復(fù)極差法進行顯著性檢驗（p=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 加氣與灌水電導(dǎo)率對棉花幼苗生長指標的影響

2.1.1 株高

加氣和灌水電導(dǎo)率對棉花幼苗的生長影響顯著，在播種后20 天左右幼苗株高長勢有提高趨勢。由圖3可知，當灌溉水礦化度電導(dǎo)率一致時，加氣較不加氣處理的棉花幼苗株高日均增長量有提高現(xiàn)象但不具有顯著性（p>0.05），灌溉水電導(dǎo)率為W1、W2、W3、W4 時分別提高2.80%、6.73%、13.47%、9.44%。當加氣處理一致時，棉花株高日增長量隨灌溉水電導(dǎo)率的提高而降低，且呈現(xiàn)顯著性變化（p<0.05），TW1S1較TW2S1、TW3S1、TW4S1時分別提高6.15%、24.74、29.40%；TW1S2較TW2S2、TW3S2、TW4S2分別增加2.4%、15.63%、32.24%。加氣處理使得各灌溉水電導(dǎo)率梯度之間棉花幼苗日增長量差值減小，這表明加氣處理對灌溉水電導(dǎo)率為W2、W3的日均株高增長量提升作用要高于對灌溉水電導(dǎo)率為W4的作用。

圖3 不同處理對棉花幼苗株高的影響（不同字母代表組間具有顯著性差異p<0.05，下同）Fig.3 Effects of different treatments on plant height of cotton seedlings

2.1.2 葉面積、莖粗

不同加氣處理與灌溉水電導(dǎo)率對棉花幼苗葉面積、莖粗的變化如圖4所示。在加氣處理相同情況下，棉花幼苗的葉面積、莖粗變化均相同，隨著灌溉水電導(dǎo)率的升高而降低，且降低現(xiàn)象顯著，TW1S1較TW2S1、TW3S1、TW4S1處理葉面積分別提高13.41%、14.55%、39.58%；TW1S2較TW2S2、TW3S2、TW4S2處理葉面積分別提高15.16%、18.27%、31.14%。不加氣與加氣處理下，W1莖粗最大，莖粗大小依次為W1>W2>W3>W4，在灌溉水電導(dǎo)率值為W1時，TW1S2較TW1S1葉面積、莖粗分別提高11.31%、2.24%，這表明，灌溉水電導(dǎo)率值較低時，幼苗的葉面積、莖粗生長效果最佳，隨著灌溉水電導(dǎo)率上升，棉花幼苗的生長受到的抑制影響加劇，在灌溉水電導(dǎo)率相同時，加氣較不加氣處理對棉花有一定的促進作用。

圖4 不同處理下棉花幼苗葉面積與莖粗Fig.4 Effects of different treatments on leaf area of cotton seedlings

2.2 加氣及灌溉水電導(dǎo)率不同處理下對棉花幼苗生物量的影響

表3為不同灌溉水電導(dǎo)率水平和加氣處理對棉花幼苗植株各部分干鮮物質(zhì)累積的影響，在同一灌溉水電導(dǎo)率水平下，加氣處理下棉花幼苗的莖、葉、根的干鮮重均高于不加氣處理，并且差異性顯著。加氣較不加氣處理棉花幼苗的鮮生物量、干生物量分別最大提高13.77%和18.16%。TW1S2、TW2S2、TW3S2、TW4S2較TW1S1、TW2S1、TW3S1、TW4S1的鮮生物量和干生物量分別提升9.74%和14.95%、7.92%和9.76%、9.33%和18.02%、7.63%和8.96%。根據(jù)方差分析，在相同的加氣處理條件下，棉花幼苗的莖、葉、根的干鮮重均隨著灌溉水電導(dǎo)率的增大而降低，且下降效果顯著。加氣處理下，TW1S2較TW2S2、TW3S2、TW4S2相比鮮生物量分別增加12.25%、21.47%、37.11%，TW1S2較TW2S2、TW3S2、TW4S2相比干生物量分別增加9.33%、21.18%、68.48%；在不加氣處理下，TW1S1較TW2S1、TW3S1、TW4S1相比鮮生物量分別增加10.4%、20.98%、34.39%，TW1S1較TW2S1、TW3S1，TW4S1相比干生物量分別增加4.39%、24.42%、59.70%。

表3 不同處理對棉花幼苗生物量的影響gTab.3 Effects of different treatments on cotton seedling biomass

2.3 加氣及灌溉水電導(dǎo)率不同處理下光合參數(shù)的影響

由圖5可以看出，棉花幼苗凈光合速率、蒸騰速率日變化均呈現(xiàn)雙峰“M”曲線，在中午13∶00 及17∶00 達到兩個峰值，“午休”現(xiàn)象明顯。當加氣處理一定時，方差分析表明，灌溉水電導(dǎo)率值對棉花幼苗凈光合速率和蒸騰速率的影響具有顯著性。不加氣處理中TW1S1處理較TW2S1、TW3S1、TW4S1處理在第一個峰值處分別提高4.99%、37.94%、48.13%，第二個峰值處分別提高21.14%、42.64%、48.40%。加氣處理中TW1S2處理較TW2S2、TW3S2、TW4S2處理在第一個峰值處分別提高4.99%、37.94%、48.13%，第二個峰值處分別提高21.14%、42.64%、48.40%。這表明隨著灌溉水電導(dǎo)率值的升高，棉花幼苗光合速率逐漸降低。當灌溉水電導(dǎo)率值一定時，雖然加氣處理對棉花幼苗光合速率影響不具有顯著性，但是仍具有一定提升現(xiàn)象。TW1S2、TW2S2、TW3S2、TW4S2較TW1S1、TW2S1、TW3S1、TW4S1在第一個峰值處分別提高4.43%、0.94%、14.89%、15.86%，在第二個峰值處分別提高12.32%、19.01%、13.33%、17.86%。

圖5 不同處理對棉花幼苗凈光合速率的影響Fig.5 Effects of different treatments on net photosynthetic rate of cotton seedlings

圖6為棉花幼苗蒸騰速率日變化圖，棉花幼苗蒸騰速率在13∶00 及17∶00 出現(xiàn)兩個峰值，“午休”現(xiàn)象出現(xiàn)在15∶00。不加氣處理中在第一個峰值處TW1S1較TW2S1、TW3S1、TW4S1分別提高9.41%、37.83%、47.01%，在第二個峰值處分別提高18.03%、53.50%、60.97%。加氣處理中TW1S2較TW2S2、TW3S2、TW4S2在第一個峰值處分別提高11.81%、27.45%、33.33%，在第二個峰值處分別提高7.40%、41.70%、43.82%，方差表明灌溉水電導(dǎo)率值對棉花幼苗蒸騰速率具有顯著性影響。當灌溉水電導(dǎo)率一定時，比較相同灌溉水條件下加氣處理對棉花幼苗蒸騰速率的影響發(fā)現(xiàn)，TW1S2、TW2S2、TW3S2、TW4S2與相對應(yīng)的TW1S1、TW2S1、TW3S1、TW4S1處理在第一個峰值處分別提高5.99%、4.79%、19.45%、25.28%。在第二個峰值處分別提高5.85%、16.65%、24.91%、15.85%。

圖6 不同處理對棉花幼苗蒸騰速率的影響Fig.6 Effects of different treatments on transpirationrate of cotton seedlings

2.4 加氣及灌溉水電導(dǎo)率不同處理下對棉花幼苗根系構(gòu)型的影響

由表4可知，在相同加氣處理下，棉花幼苗的根長密度、根直徑隨著灌水電導(dǎo)率的增加而降低，TW1S1較TW2S1、TW3S1、TW4S1處理分別提高10.20% 和7.41%、 17.39% 和9.78%、22.73%和18.37%，根體積變化也是一樣，隨著電導(dǎo)率的降低，TW1S1較TW2S1、TW3S1、TW4S1處理根體積分別提高6.99%，9.29%，10.88%。在同一灌溉水電導(dǎo)率水平下，加氣對單株棉花根長密度、根均直徑、根體積與不加氣處理相比，差異不顯著，與不加氣處理相比根長密度分別提高3.70%、4.08%、4.35%、2.27%，根平均直徑分別提高2.59%、2.78%、1.86%、5.10%，根體積分別提高3.59%、2.54%、1.78%、1.82%。由此可見，幼苗根系各項指標隨著灌溉水電導(dǎo)率的增加而降低，但通過加氣作用可以有效緩解灌溉水中鹽分對于幼苗根系的影響。

表4 不同處理對棉花幼苗根系構(gòu)型的影響Tab.4 Effects of different treatments on root architecture of cotton seedlings

3 討 論

3.1 加氣和灌溉水電導(dǎo)率對棉花幼苗生長生理的影響

棉花幼苗時期是棉花各器官完善時期，同時也是最易受水鹽及其他外界因素影響的時期[18]。鹽分等影響因素會顯著影響棉花幼苗生長指標及光合參數(shù)與葉綠素含量等生理指標[19]。本試驗研究發(fā)現(xiàn)隨著灌溉水電導(dǎo)率的上升，棉花幼苗的生長速度、葉面積、莖粗等生長指標及干物質(zhì)積累都有明顯下降。這可能是因為棉花生長初期吸收的水分含鹽量較大時，會造成根系細胞失水，產(chǎn)生生理性干旱[20]，進而影響棉花幼苗地上部分莖葉、株高等生長指標。圖7為各處理播種后30 天土壤質(zhì)量含水率與電導(dǎo)率圖，從圖7可以看出隨著灌溉水電導(dǎo)率的上升，土壤中剩余水分也隨之上升，這可能是因為棉花幼苗的根系受到了鹽分脅迫，影響根系對土壤水分的吸收，進而影響了棉花的生長發(fā)育，孫艷蕓等人[21]發(fā)現(xiàn)鹽分脅迫會降低根系活力進而抑制作物生長，這與本試驗結(jié)果基本一致。由圖7可發(fā)現(xiàn)，相同灌溉水電導(dǎo)率處理下加氣較不加氣處理，土壤中水分含量更低。這是因為加氣處理可以有效增加土壤中孔隙，使得根系有氧呼吸增多，土壤酶活性提高[22]，根系活力上升，吸水能力提高，進而促進棉花幼苗的生長發(fā)育，因此加氣較不加氣處理棉花幼苗株高、葉面積、莖粗等生長指標和干物質(zhì)積累都有所提高。

光合參數(shù)是反應(yīng)作物生長狀況的重要參數(shù)[26]。本研究發(fā)現(xiàn)隨著灌溉水電導(dǎo)率的上升，棉花幼苗凈光合速率及蒸騰速率逐步降低，這與王堽等人[27]發(fā)現(xiàn)隨著鹽水平的增加，作物凈光合速率及蒸騰速率顯著降低的結(jié)論相一致。加氣處理使得棉花幼苗凈光合速率及蒸騰速率較不加氣處理有一定提高作用，李元等人[28]研究發(fā)現(xiàn)，加氣處理可顯著提高番茄光合作用。葉片蒸騰速率上升，水分散失速度也隨之增大，這與圖7顯示土壤中剩余質(zhì)量含水量相對應(yīng)。說明鹽分脅迫會使得棉花幼苗光合作用降低，但加氣處理可以提高棉花光合作用。

圖7 各不同處理對土壤水鹽的影響Fig.7 Effects of different treatments on soil water and salt

3.2 加氣和微咸水處理下對棉花幼苗根系構(gòu)型的影響

在加氣處理對根系的影響方面，本試驗研究發(fā)現(xiàn)在相同灌水條件下，加氣較不加氣處理棉花幼苗的根系各項指標都有所提高，這是因為根際通氣好，能促進根系對養(yǎng)分和水分的吸收進而促進根系生長發(fā)育[29]。雷宏軍[30]等人研究也表明，加氣灌溉可促進作物根系生長發(fā)育，進而有利于根系對土壤水肥的吸收利用，促進根系生長和生物量的積累。本試驗研究結(jié)果表明，隨著灌溉水電導(dǎo)率的上升，棉花幼苗的根系指標顯著下降。這是因為根系是與土壤鹽分直接接觸的器官，與其他器官相比，更易受到鹽分的影響，高濃度鹽分降低土壤溶液水勢，導(dǎo)致植物根系吸水困難，從而使根系的各項指標降低[31]。

4 結(jié) 論

（1）灌溉水電導(dǎo)率對棉花幼苗的生長指標影響顯著,同一灌溉水電導(dǎo)率條件下，加氣處理的生長指標均高于不加氣處理。隨著灌溉水電導(dǎo)率值的上升，棉花幼苗的生長指標逐步降低。在加氣處理下，TW1S2較TW4S2棉花幼苗株高、葉面積顯著增大了29.40%、39.58%，單株棉花根莖葉鮮重、干重顯著增大了30.26%、51.05%，棉花幼苗光合參數(shù)顯著提高了15.20%。加氣處理具有促進棉花幼苗生長的作用，并且相同灌溉水電導(dǎo)率下加氣處理的棉花幼苗較不加氣處理的棉花幼苗光合性能也均有所提高。

（2）灌溉水電導(dǎo)率的升高對棉花幼苗根系構(gòu)型有一定的抑制作用。本實驗數(shù)據(jù)表明，TW1S2處理各項根系構(gòu)型指標均高于其他處理，隨著灌溉水電導(dǎo)率的上升，棉花幼苗根系指標逐漸降低，TW1S2處理較TW1S1處理根長密度、根均直徑、根體積分別提高了3.70%、2.59%、3.59%。

加氣處理能有效降低因微咸水灌溉產(chǎn)生抑制棉花幼苗生長的影響，促進棉花幼苗生長發(fā)育，并提高棉花幼苗光合能力。因此當缺少農(nóng)業(yè)灌溉淡水時，可以在使用微咸水灌溉的同時進行加氣處理，以達到降低微咸水抑制作物生長影響的效果。