微咸水灌溉条件下土壤残膜对棉花苗期氮平衡指数与耗水量的影响

朱 珠，姚宝林，李 男，王世昌，文 豪

（1.中国农业科学院 农田灌溉研究所，河南 新乡 453000；2.塔里木大学 水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

随着地膜覆盖技术的迅猛发展，新疆已经成为我国覆膜栽培面积最大的棉花垦区[1-2]，但随之而来的残膜污染越来越严重。诸多研究结果表明，农膜残留导致土壤结构破坏[3-4]、土壤透水强度减弱[5]、抑制作物根系吸收水分和养分[6-7]、形成隔离层阻碍土壤水分运动[8]、土壤局部水分分布不均，影响作物耗水[9]。与此同时，制约新疆棉田发展的另一个重要问题是农业用水紧缺。微咸水资源化合理利用是缓解水资源矛盾和扩大农业水源的有效途径之一[10]。有研究认为，微咸水进入土壤后，与土壤溶液和土壤固体颗粒产生物理化学作用，改变土壤结构、土壤颗粒组分、孔隙度等，导致土壤能量和导水性能变化[11]，影响作物吸收土壤养分，进而影响作物的叶绿素和氮含量[12]。快速、实时、无损监测作物叶绿素含量和氮平衡指数，对及时掌握作物营养水平、胁迫状况和环境适应性，科学指导农田施肥管理具有重要意义[13]。CEROVIC 等[14]和ABDALLAH 等[15]研究认为，Dualex 4 氮平衡指数测量仪是测定叶绿素含量和氮平衡指数的有效工具。目前，针对微咸水灌溉和土壤残膜危害的研究成果较多，但是微咸水灌溉条件下土壤残膜对棉花苗期叶绿素含量、氮平衡指数和土壤耗水的影响少见报道。笔者依据生产实际，开展微咸水灌溉条件下土壤残膜对棉花苗期叶绿素含量、氮平衡指数和土壤耗水的影响研究，旨在探明灌溉水电导率、土壤残膜、土壤容重和灌溉水控制下限对棉花苗期叶绿素含量、氮平衡指数和土壤耗水的影响规律，从而为微咸水灌溉条件下的农膜残留棉田在棉花苗期制定灌溉制度和管理施肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地基本情况

试验区位于新疆阿拉尔市塔里木大学水利与建筑工程学院节水灌溉试验基地，北纬40°20′47″～41°47′18″，东经79°22′33″～81°53′45″，属暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，气候干燥，蒸发量大，降水量稀少，年降水量40.1～82.5 mm，年蒸发量1 876.6～2 558.9 mm[16]。

土壤为沙壤土，0～30 cm 土壤田间持水率（θs）为22.69%[17]，土壤初始电导率为1 132 μS/cm，盐度为0.07%，总溶解固体（TDS）为568 mg/L，八大离子含量CO32-为0.035 g/kg、HCO3-为0.351 g/kg、Cl-为1.109 g/kg、SO42-为1.861 g/kg、Ca2+为0.196 g/kg、Mg2+为0.097 g/kg、Na+为2.259 g/kg、K+为0.142 g/kg。属氯化物-硫酸盐类土壤。

1.2 试验设计

试验于2020年7月在塔里木大学现代农业工程重点实验室开展。采用4 因素3 水平正交盆栽试验（表1），共9个处理，每个处理设置3个重复。4个影响因素为土壤残膜量（A，设0、240、480 kg/hm23个水平，分别表示为A1、A2、A3；土壤残膜取自大田土壤，洗净，晾干），灌溉水控制下限（B，以田间持水率θs为依据，配置60%θs、80%θs、θs 3个水平，分别表示为B1、B2、B3），土壤容重（C，设1.3、1.4、1.5 g/cm33个水平，分别表示为C1、C2、C3），灌溉水电导率（D，以NaCl 配置3个水平，分别为2 500、3 800、5 200 μS/cm，表示为D1、D2、D3）。取表层0～30 cm原状风干土，过2 mm 筛，按照不同土壤容重与土壤残膜量装入花盆，花盆高80 mm，直径100 mm。按照试验方案灌水栽种，置于RTOP 系列智能人工培养箱，设置2个光照时段，12 h 光照，12 h 黑暗；温度25℃，湿度控制在60%左右。供试棉花品种为新陆中52号。

表1 试验方案

1.3 测定项目及数据处理

试验期间每天测定耗水量，以消耗的土壤含水量计算每日耗水量。栽种第27天，用Dualex 4 氮平衡指数测量仪测定叶绿素含量（Chl）和氮平衡指数（NBI）。采用Origin 2020 软件分析数据与作图，DPS 进行Duncan′s 新复极差方差分析。

2 结果与分析

2.1 微咸水灌溉条件下不同因素处理对棉花苗期叶绿素含量的影响

2.1.1 不同因素处理叶绿素含量 叶绿素含量是反映植物营养状况和生长阶段的重要生化指标，也是植物总体生长状况的重要指标[18]。Dualex 4 氮平衡指数测量仪是新型估测叶片叶绿素含量和叶片表皮多酚含量的叶片荧光传感器[19]。由图1可知，在4因素中，灌溉水电导率不同水平（D1、D2、D3）处理显著影响叶绿素含量（P＜0.05），随着灌溉水电导率的增加，叶绿素含量降低。灌溉水电导率2 500 μS/cm处理叶绿素含量为41.67 μg/cm2，高于灌溉水电导率3 800 μS/cm 处理25.48%，高于灌溉水电导率5 200 μS/cm 处理25.50%；灌溉水电导率2 500 μS/cm处理与3 800、5 200 μS/cm 处理相比差异显著（P＜0.05）。

2.1.2 不同因素处理对叶绿素含量的极差分析 采用极差分析法综合分析各因素对叶绿素含量的影响，判别达到叶绿素含量最大时的因素水平组合方案。由表2可知，灌溉水电导率的极差R值最大，为8.48，土壤容重的极差R值最小，为3.95，各因素对叶绿素含量的影响顺序是灌溉水电导率>残膜量>灌溉水控制下限>土壤容重。因此，灌溉水电导率是影响叶绿素含量的主要因素。综合平衡确定叶绿素含量达到最大值时的最优因子组合为A2B1C1D1，即残膜量240 kg/hm2、灌溉水控制下限至60%田间持水量、土壤容重1.3 g/cm3、灌溉水电导率2 500 μS/cm组合处理最优。

表2 叶绿素含量正交试验极差分析结果 单位：μg/cm2

2.1.3 不同处理叶绿素含量差异性结果 Duncan′s新复极差法方差分析结果表明，在灌溉水电导率相同条件下，无残膜T1 处理叶绿素含量最大，为43.95 μg/cm2，T5、T9 处理叶绿素含量分别为42.85、38.20 μg/cm2，T1、T5、T9 处理之间差异不显著（P＞0.10）；随着灌溉水电导率的升高，T2、T3 处理叶绿素含量降低，分别为27.20、31.10 μg/cm2，T1、T5 处理与T8、T2、T3 处理在P<0.10 水平叶绿素含量差异显著（表3）。在各处理中，T8 处理残膜量大、灌溉水电导率高、叶绿素含量低；T2、T3 处理灌溉水电导率较高、高，叶绿素含量低，表明灌溉水电导率显著影响叶片叶绿素含量。

表3 不同处理叶绿素含量差异显著性检验结果

2.2 微咸水灌溉条件下不同因素处理对棉花苗期氮平衡指数的影响

Dualex 4 氮平衡指数测量仪在测定叶片叶绿素含量的同时还反映叶片多酚含量。已有研究结果表明，叶片多酚值与叶片含氮量线性负相关，叶绿素值与多酚值的比值为氮平衡指数（NBI），氮平衡指数与植物氮含量正相关，能够更好地诊断作物氮素营养状况[14，19]。为探讨土壤残膜量、灌溉水控制下限、土壤容重和灌溉水电导率对棉花苗期氮素营养状况的影响，试验分析了单因素不同水平对栽种27 d后棉花苗期叶片氮平衡指数的影响。

2.2.1 不同因素处理棉花苗期氮平衡指数 由图2可知，土壤残膜量（A）和土壤容重（C）不同水平处理显著影响氮平衡指数（P＜0.05），灌溉水电导率（D）不同水平处理极显著影响氮平衡指数（P＜0.01），灌溉水控制下限（B）不同水平处理对氮平衡指数的影响不显著（P＞0.05）。随着残膜量的增加，氮平衡指数先增加后减少；随着土壤容重的增加，氮平衡指数先减少后增加；随着灌溉水电导率的增加氮平衡指数减少，灌溉水电导率3 800 μS/cm 处理与5 200 μS/cm处理氮平衡指数差异不显著（P＞0.05）；灌溉水电导率2 500 μS/cm 处理氮平衡指数最高，为60.52，与灌溉水电导率3 800、5 200 μS/cm 处理相比差异极显著（P＜0.01）。

2.2.2 不同因素处理棉花苗期氮平衡指数极差分析 极差分析结果表明，灌溉水电导率的极差R值最大，为21.32，灌溉水控制下限的极差R值最小，为4.08，对氮平衡指数的影响作用主次顺序为灌溉水电导率>土壤容重>残膜量>灌溉水控制下限。因此，灌溉水电导率和土壤容重是影响氮平衡指数的主要因素。综合平衡确定氮平衡指数达到最大值时的最优因子组合为A2B1C1D1（表4）。

表4 氮平衡指数正交试验极差分析结果

2.2.3 不同因素处理棉花苗期氮平衡指数差异性结果 由表5可知，T1 和T5 处理氮平衡指数较高，分别为69.95 和64.10。当灌溉水电导率相同，随着残膜量、灌溉水控制下限和土壤容重的增加，T5 处理与T1 处理相比氮平衡指数减少8.36%，差异不显著（P＞0.05）；T9 处理与T1 处理相比氮平衡指数减少32.09%，差异极显著（P＜0.01）。在残膜量为0 时，随着灌溉水电导率的增加氮平衡指数减少，与T1 处理相比，T2、T3 处理氮平衡指数较低，分别为32.40、38.70，T2、T3 处理与T1 处理差异极显著（P＜0.01）。综合分析认为，在无残膜土壤中，灌溉水电导率越低，氮平衡指数越大；在残膜土壤中，残膜量越小对氮平衡指数的影响越小。

2.3 微咸水灌溉条件下不同处理对耗水量的影响

2.3.1 灌水后不同时间耗水量 土壤水分变化反映了作物生长的水分环境及作物蒸发蒸腾耗水状况，是影响作物生长的重要因素，用土壤日耗水量表示土壤水分日变化量，即表示1 d 内土壤水分减少量[20]。棉花苗期主要的耗水量是土壤蒸发和微量植株蒸腾。图3为不同处理在第2次灌水后耗水量随时间的变化趋势。由于灌水后土壤含水量增加，灌水后第1天耗水量较高，随着时间的推移，土壤含水量减少，耗水量减少。不同处理土壤日耗水量随时间变化规律一致，T4 与T7 处理耗水量较少，T3、T6 和T9处理耗水量较多。

表5 不同处理氮平衡指数差异显著性检验结果

2.3.2 单因素不同水平对耗水量的影响 由图4可知，灌水后第1天，随着残膜量（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，残膜阻碍土壤水分入渗，增加了土壤无效耗水。由图5可知，灌水后第4天，随着残膜量（A）的增加，耗水量由2.36%降低至1.98%，说明随着时间的变化，残膜土壤水分含量降低，从而降低耗水量。随灌溉水控制下限（B）的增加，耗水量呈增加趋势，灌水后第1天，耗水量由7.13%增加至8.10%（图4）；灌水后第4 天耗水量由1.19%增加至3.04%（图5）。随着土壤容重的增加（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%（图4）；灌水后第4天，土壤耗水量由2.40%降低至1.97%（图5）。这说明土壤容重越大，土壤越紧实，影响土壤通气性，降低土壤耗水量。灌水后第1天，随灌溉水电导率（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%（图4）；灌水后第4天，耗水量随灌溉水电导率增加而减少，由2.25%减少至2.12%（图5），说明高灌溉水电导率会增加土壤无效耗水。

3 讨论与结论

干旱地区农田用水主要通过蒸散消耗，蒸散是农田水分循环的重要过程。随着水资源日益紧缺，农业用水矛盾加剧，农田耗水量已成为评价农田用水有效性和制订灌溉制度的主要依据[21]。针对微咸水灌溉条件下的残膜农田耗水规律并不清晰；同时，保证新疆棉田产量的重要因素之一是施肥管理，无损、快速测定植株叶绿素含量和氮平衡指数是指导施肥管理的有效途径。探究微咸水灌溉和土壤残膜共同影响规律，开展大田试验耗时费力，因此，针对上述问题开展了盆栽正交试验。试验结果表明，在土壤水分状况良好时，耗水量随残膜量增加呈增大趋势，此时，土壤残膜阻碍水分入渗，增加无效耗水；在土壤含水量较低时，耗水量随残膜量增加呈降低趋势，此时，土壤残膜增加堵塞土壤孔隙，从而阻碍土壤水分蒸发通道。王亮等[21]研究认为，随着地膜残留量的增加，作物棵间蒸发量和棵间蒸发占蒸散的比例增大，而作物蒸腾量和蒸散量呈减少趋势，残膜量225、450 kg/hm2处理比无残膜处理全生育期田间无效耗水增加。李玉义等[22]研究认为，灌水量增加是保证作物耗水的重要途径，随着灌水量的增加，土壤耗水量增加。土壤容重增加，增加了土壤紧实度，减少土壤孔隙，从而减少水分蒸发，使土壤耗水量减少。在土壤水分状况良好时，耗水量随灌溉水电导率增加先增大后减少，土壤含水量较低时，耗水量随灌溉水电导率增加而减少。在土壤干旱时，灌溉水带入土壤的可溶性盐降低了土壤水分有效性，为阻止叶片失水、保持叶内较高渗透水势，作物通过减少气孔开度，抑制蒸腾作用，引起作物生理干旱[23]。增加土壤残膜量和盐分胁迫均会引起土壤膨胀，致使土壤板结，通透性降低，导致土壤性质恶化，干扰植株正常生理进程，影响叶绿素含量、组成比例和叶绿体细胞变化，综合影响作物吸收土壤中氮素营养，进而影响产量[24-25]。因此，合理、高效、科学、安全地利用微咸水灌溉残膜棉田成为新疆棉田可持续发展的重要研究课题。

在本试验条件下，灌溉水电导率是影响棉花出苗期叶绿素含量和氮平衡指数的主要因素。土壤盐分抑制棉花吸收土壤氮素，随着灌溉水电导率的增加，棉花苗期叶绿素含量和氮平衡指数减少。当残膜量为240 kg/hm2、灌溉水电导率为2 500 μS/cm 时不影响棉花苗期叶绿素含量和氮平衡指数。综合平衡确定叶绿素含量和氮平衡指数达到最大值时的最优因子组合为：残膜量240 kg/hm2、灌溉水控制下限至60%田间持水量、土壤容重1.3 g/cm3、灌溉水电导率2 500 μS/cm。

在不同土壤水分条件下，不同因素对土壤耗水量影响不同。灌水后第1天，土壤水分含量高，随着残膜量的增加，耗水量由6.68%增加至8.13%；随着灌溉水控制下限的增加，土壤耗水量呈增加趋势，由7.13%增加至8.10%；随着土壤容重的增加，土壤耗水量由7.59%降低至7.39%；随着灌溉水电导率的增加，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，随着残膜量的增加，耗水量由2.36%降低至1.98%；随着灌溉水电导率的增加，耗水量由2.25%减少至2.12%。高残膜量、高灌溉水电导率和较高灌溉水控制下限会增加土壤无效耗水。