不同咸水利用方式对棉花叶绿素荧光参数及土壤盐分的影响

王广恩，郭丽，钱玉源，刘祎，张曦

（1. 河北省农林科学院棉花研究所，石家庄050051；2. 农业部黄淮海半干旱区棉花生物学与遗传育种重点实验室，石家庄050051；3. 河北省农林科学院农业资源环境研究所，石家庄050051）

我国淡水资源短缺，随着社会经济的迅速发展，淡水资源紧缺已成为农业发展的主要制约因素之一[1-2]。 河北平原是我国重要农业区，淡水资源匮乏情况更为突出， 但该区浅层咸水资源丰富，且易开采、补给快。 科学合理利用浅层咸水资源，有利于深层淡水资源储存和农业可持续发展[3-5]。 可见，安全合理开发利用浅层微咸水是缓解该区水资源供需矛盾较为有效的手段。

棉花是仅次于粮食的第二大作物，且是事关国计民生的主要战略物资，确保棉花产业健康稳定发展对国民经济具有重要意义[6]。 随着河北低平原区深层淡水资源越来越匮乏，在深层淡水极度短缺但浅层微咸水蕴藏丰富的河北低平原区，扩大耐盐碱较强的棉花种植既能保证棉花产量，又能充分利用该区浅层地下微咸水，还能保护深层淡水资源。 但与淡水不同，如咸水灌溉不合理，易导致土壤中积累过多盐分， 破坏土壤理化性状，造成土壤结构板结，作物生长受到抑制[7-9]。 因此科学合理、安全利用咸水是淡水资源紧缺地区需要研究的关键问题。

迄今，在河北低平原区研究咸水在棉花上的利用已有报道[10-12]。 冯棣等采用畦灌和沟灌的造墒方法，研究了连续6 年灌溉不同矿化度咸水对棉花出苗的影响，认为用于畦灌和沟灌处理的造墒水矿化度应分别控制在6 g·L－1和4 g·L－1以下[10]。 张俊鹏等连续3 年采用不同矿化度咸水灌溉，发现随矿化度的增加，棉花根系生长层土壤的含水量和电导率也随之增大，且土壤电导率增加趋势更为明显[11]。 张俊鹏等还发现利用5 g·L－1的咸水灌溉加上地膜覆盖可减少土壤水分蒸发，抑制盐分表聚，育苗移栽棉花的增产效果显著[12]。上述报道均是在微地貌或不同矿化度咸水、不同种植方式下研究咸水对棉花生长及土壤水盐运移规律的调控效应，但采用咸淡水轮灌和混灌的咸水利用方式对该区棉花长势及土壤盐分积聚的影响尚不明确。 本文研究依托不同咸水利用方式的短期定位试验，探讨在河北低平原区采用咸淡水混灌、咸淡水轮灌和咸水灌溉对棉花干物质累积、叶绿素荧光参数及土壤盐分运移规律的影响， 对咸水不同利用方式的合理性和安全性做出科学评价，丰富微咸水安全利用理论和提供应用技术。

1 材料与方法

1.1 试验概况

2013 年，在河北饶阳留楚试验区（37°54′N、115°42′E，海拔高度20 m）开展了不同咸水利用方式对棉花生长影响的研究。 该区属河北低平原区，土壤类型为黏质土壤，定位试验开始前土壤有机质质量比为13.1 g·kg－1，碱解氮含量为72.3 mg·kg－1，速效磷含量为17.6 mg·kg－1，速效钾含量 为129 mg·kg－1， 土 壤 体 积 质 量 为1.41 g·cm－3，0～20 cm 耕层土壤盐分含量为0.47 g·kg－1。在前期定位试验基础上，笔者于2015 和2016 年研究第3 年和第4 年不同咸水利用方式对棉花的影响。2015 和2016 年5―9 月的降水量分别为59、12、110、41、32 mm 和20、81、186、94、44 mm，年平均气温12.7 ℃。

1.2 试验设计

试验共设5 个处理。 CK： 造墒和蕾期灌淡水，T1（混灌）：造墒和蕾期均灌咸水与淡水混配的矿化度为3 g·L－1微咸水，T2（轮灌）：淡水造墒蕾期灌矿化度为5g·L－1咸水，T3：造墒和蕾期灌矿化度5 g·L－1咸水，T4：淡水造墒蕾期不灌水。其中，CK 为深层淡水，淡水矿化度为1 g·L－1；其它不同矿化度咸水为淡水与工业用盐配制而成，不同矿化度灌溉水的离子组成见表1。 每小区长10 m，宽8 m，随机排列，3 次重复。采用1 膜2 行的宽窄行种植模式， 大行行距80 cm， 小行行距50 cm，株距30 cm，人工点播，每穴棉籽4 个，窄行播种后用地膜覆盖。 2015 年和2016 年播种期分别为4 月26 日和4 月27 日。 为了保证密度，缺苗处于播种后20 d 左右采用移栽方式补齐。2015 年分别于4 月21 日和6 月20 日灌造墒水和蕾期水，2016 年于4 月22 日和6 月13 日分别灌选墒水和苗期水， 灌溉时用水表控制灌水量。施肥、 病虫害防治及田间管理管理等措施一致，棉花品种为冀863。

表1 试验用不同矿化度灌溉水的离子组成Table 1 Ion compositions of irrigation water with different salinities used in the experiment

1.3 观测指标与测定方法

1.3.1 棉花齐苗率。 于播种后第20 天调查齐苗率（每穴含有1 个健全苗就计为齐苗）。 计算公式如下：

齐苗率＝齐苗穴数/播种穴数×100% （1）

1.3.2 棉花生长指标。 分别在盛蕾期 （6 月25日）、盛花期（7 月20 日）和盛铃期（8 月20 日）测定植株干物质质量、株高和叶面积指数。 每区选择3 株生长一致的棉株，用直尺量取茎基部至主茎顶端的距离测得株高。 将3 株植株于105 ℃杀青30 min 后75 ℃烘至恒重， 获得单株干物质质量。 采用SUN-SCAN 型冠层分析仪（Delta-T，英国）在9∶30―10∶30 测定叶面积指数（Leaf area index,LAI）。

1.3.3 叶绿素荧光参数。 在晴天09:30―11:00 利用MINI-PAM 叶绿素荧光仪（德国Walz 公司）测定叶片叶绿素荧光参数。 选择主茎上未被遮蔽且叶位一致的叶片，将测试叶片暗适应30 min 后测定初始荧光（Fo）和最大荧光（Fm），然后打开光源在光适应情况下测定稳态荧光（Fs）及此时的最大荧光（Fm'）。通过公式计算最大光化学效率（Fv/Fm）、实际光化学效率（ΦPSⅡ）和光化学猝灭系数（qP），计算方法如下：

1.3.4 土壤盐分。 各小区选择具有代表性样点，2015 年和2016 年在棉花盛花期和收获后， 分别取0～100 cm 土壤样本，每层10 cm。将土样风干磨碎、过1 mm 筛，称取10 g 土样置锥形瓶中，加50 mL 蒸馏水后振荡10 min， 再静置5 min 并过滤。采用DDS-11A 型电导率仪测定电导率。按干燥残渣法确定电导率和土壤含盐量之间的标定关系式为：

式中，S 为土壤含盐量（%，质量分数），EC（Electric conductivity）为电导率（μS·cm－1）。

1.3.5 产量及构成因素。 每小区选取同行生长一致且相邻的3 株棉株测单株成铃数， 然后将这3株的全部成铃取下，烘干称重，得铃重。 霜降日之前采摘的棉花为霜前花，之后为霜后花。 每个小区单收计产。

1.4 数据统计方法

采用SPSS 7.05 软件计算行数据平均值、标准差等并进行显著性分析， 采用MS Excel 2007绘图。

2 结果与分析

2.1 不同咸水利用方式对棉花齐苗率的影响

由于2015 年T2 和T4 处理的底墒水与CK相同，齐苗率无显著差异。 混灌处理的齐苗率与CK 无显著差异，但咸水灌溉处理的齐苗率较CK下降4.6%（图1）。2016 年不同处理间的齐苗率与2015 年的表现趋势基本一致， 虽然T1 和T2 处理土壤积累了部分盐离子，但对棉花齐苗率无显著影响；咸水灌溉处理的齐苗率比CK 下降6.4%，差异显著。 上述结果表明，采用混灌和轮灌的咸水灌溉方式3～4 年对棉花的齐苗率无显著影响，但灌溉5 g·L－1的咸水会降低棉花的齐苗率。

图1 2015―2016 年不同处理间棉花齐苗率Fig. 1 Full stand establishment for each treatment from 2015 to 2016

2.2 不同咸水利用方式对棉花单株干物质质量及株高的影响

2015 年，T3 处理不同生育时期的单株干物质质量和株高均显著低于CK， 混灌和轮灌处理较CK 无显著差异。 随着棉花生育期的延长，T4处理的单株干物质质量和株高较其它处理显著降低（表2）。 2016 年，T3 和T4 处理各生育时期的干物质质量和株高显著低于CK， 但T3 与T4无显著差异；T1 和T2 处理的单株干物质质量和株高较CK 无显著差异。 上述结果表明采用矿化度3 g·L－1的咸淡混灌水或5 g·L－1的咸水与淡水轮灌对棉花干物质质量和株高的影响较小，但仅灌底墒水或仅用5 g·L－1的咸水灌溉则会影响棉花的生长。

2.3 不同咸水利用方式对棉花叶面积指数的影响

不同咸水灌溉对棉花叶面积指数的影响见表3，2015 年不同生育时期T3 处理的叶面积指数较CK 显著下降， 混灌和轮灌处理与CK 相比无显著差异，T4 处理在盛铃期显著低于其他处理。 2016 年不同时期T3 与T4 处理较其他处理显著降低， 但T3 与T4 不同生育期无显著差异，这一结果与2015 年不尽一致。 总体来看： 连续3～4 年采用混灌和轮灌的咸水利用方式其叶面积指数较CK 变化较小，仅用咸水灌溉的棉花的叶面积指数较CK 降低。

表2 不同咸水利用方式对棉花干物重和株高的影响Table 2 Changes of dry weight accumulation and plant height under condition of different utilization ways of saline water irrigation

2.4 不同咸水灌溉对棉花叶片叶绿素荧光参数的影响

最大光化学效率（Fv/Fm）代表光系统Ⅱ（photoxystemⅡcomplex,PSⅡ） 的最大量子产量，反应植物的潜在最大光合能力； 实际光化学效率（ΦPSⅡ）反映了在光照下PSⅡ的实际量子产量；光化学猝灭系数（qP）反映了PSII 天线色素吸收的光子用于引发光化学反应电子传递链的份额，也反映了PSⅡ反应中心的开放程度。 试验表明，2015 年棉花叶片最大光化学效率年表现为各调查时期T1 和T2 与CK 无显著差异，而T3 和T4处理的最大光化学效率较CK 显著下降；随生育期的延长， 盛铃期T4 处理显著低于T3 处理。2016 年各生育时期表现为T1 和T2 与CK 无显著差异， 但T3 和T4 处理较CK 分别低了3.4%和3.1%， 差异显著。 不同生育时期的棉花叶片ΦPSⅡ和qp与最大光化学效率表现趋势基本一致（图2）。由此可见，混灌与轮灌对棉花叶片叶绿素荧光参数的影响较小，而连续3～4 年灌溉5 g·L－1咸水较灌溉淡水显著降低棉花叶绿素荧光参数。

表3 不同咸水利用方式对棉花叶面积指数的影响Table 3 Effects of different utilization ways of saline water irrigation on leaf area index

2.5 不同咸水利用方式对土壤盐分含量及其运移的影响

在咸水利用过程中，土壤盐分是影响棉花生长的主要因素，因此我们对0～100 cm 土壤含盐量进行了测定（图3）。 2015 年和2016 年棉花盛花期和收获后，同一层土壤盐分含量表现为咸水处理最高，混灌和轮灌处理低于咸水灌溉，且混灌和轮灌土壤含盐量相近，CK 和不灌水处理土壤含盐明显低于上述处理。 从不同土壤层的盐分含量分析，2015 年盛花期、收获后和2016 年收获后在同一灌溉处理下不同土壤层的土壤盐分变化幅度较小，但2016 年盛花期混灌、轮灌和咸水灌溉处理的0～50 cm 土壤含盐量随土层深度呈逐渐上升的趋势，50～100 cm 的土壤含盐量的变化较小。 这一结果可能与2016 年7 月降水量较大，导致浅层土壤盐分淋洗有关。 综上可见，该试验条件下咸淡混灌或轮灌处理虽然会携带盐分进入土壤， 但土壤盐分含量明显低于咸水灌溉。采用5 g·L－1的咸水灌溉增加了0～100 cm 土壤的盐分累积量。

2.6 不同咸水利用方式对棉花产量的影响

2015 年T1 和T2 处理的产量及产量构成因素与CK 无显著差异。T3 处理的单株成铃数和产量较CK 显著降低，T4 处理的单株成铃数、 铃重和产量均低于其它处理；T4 处理的霜前花率显著高于其它处理，而T1 和T2 处理与CK 无显著差异（表4）。 2016 年T1 和T2 处理的单株成铃数、铃重、产量与CK 差异较小；T3 和T4 处理的单株成铃数、T3 处理铃重和产量较CK 显著下降，但T3 和T4 处理的单株成铃数、铃重和产量变化幅度较小； 霜前花率与2015 年表现出相似趋势。 综上可知，连续3～4 年采用混灌和轮灌对产量的影响不大，而矿化度5 g·L－1的咸水灌溉较CK 产量显著降低，但干旱年份较蕾期不灌水有增产效应，多雨年份与蕾期不灌水无显著差异。

3 讨论

3.1 不同咸水利用方式对棉花形态指标及叶绿素荧光参数的影响

将微咸水科学安全的应用到灌溉农业中，不仅能缓解干旱地区淡水供需矛盾，提高咸水可利用率，还增加农业可用水源，起到抗旱增产的效果。 目前微咸水利用方式主要有微咸水直接灌溉、咸淡水混灌及咸淡水轮灌[5]。混灌是将不同质量的水混合，使劣质水得以利用，增加了农业可用水资源[13]。 Kang 等认为咸淡水轮灌可显著减少咸水灌溉的不利影响[14]，Wang 等发现咸淡水交替灌溉可选择在作物耐盐阶段进行，能减轻盐分胁迫造成的植物损伤[15]。还有研究表明，盐胁迫可抑制干物质质量，影响根系形态指标[16-17]。 本试验通过第3 和第4 年不同咸水利用方式的定位试验，发现混灌和轮灌处理的齐苗率、棉花干物质质量、株高和叶面积指数与淡水处理无显著差异， 而灌溉5 g·L－1咸水灌溉处理的上述指标较淡水处理显著下降。

图2 不同咸水利用方式对PSⅡ最大光化学效率、PSⅡ光化学效率及化学猝灭系数的影响。Fig. 2 Effects of different utilization ways of saline water irrigation on the maximum photochemical efficiency, the PSⅡphotochemical efficiency and the PSⅡphotochemical quenching of leaves of cotton

叶绿素荧光参数可反映植物进行光合的生理状况，被视为是研究植物光合作用与环境关系的内在探针。 已有报道指出，利用一定矿化度的咸水进行咸淡轮灌，可减轻盐分胁迫对光合能力和叶绿素荧光参数影响[18-19]。 本研究以棉花为材料， 发现矿化度为3 g·L－1的咸淡水混灌处理和淡水与5 g·L－1咸水的轮灌处理对叶绿素荧光参数的响应较淡水处理无显著变化，但咸水灌溉和仅灌造墒水较淡水处理的叶绿素荧光参数显著下降。 可见，该试验条件下采用5 g·L－1的咸水灌溉对叶绿素荧光参数具有一定的负调控效应，而利用3 g·L－1的咸淡混合水或淡水与5 g·L－1咸水轮灌对叶绿素荧光参数的影响较小。

3.2 不同咸水利用方式对棉花产量及土壤盐分运移规律的影响

图3 不同咸水利用方式下0～100 cm 土壤盐分含量的变化Fig. 3 Changes of 0-100 cm soil salt content under condition of different ways of salty water irrigation

表4 不同咸水利用方式下棉花产量及产量构成因素的变化Table 4 Changes of grain yield components and yield under condition of different utilization ways of salty water

前人研究表明，用电导率为4.61 dS·mL－1微咸水灌溉对棉花产量无显著影响，8.04 dS·mL－1咸水灌溉对产量产生负面影响[20]。 灌溉矿化度3 g·L－1的微咸水皮棉产量下降2.1%， 差异不显著；灌5 g·L－1咸水则下降9.6%，差异显著，产量下降主要原因是单株结铃数和铃重显著下降[21]。本研究表明，3 g·L－1的咸淡混合水或淡水与5 g·L－1咸水轮灌处理的单株铃数、铃重、产量及霜前花率较淡水无显著差异；5 g·L－1咸水灌溉的产量较淡水显著降低， 但连续3 年咸水灌溉在少雨年份较生长季不灌水增产效应显著， 第4 年（多雨年份）咸水灌溉较生长季不灌水增产但差异不显著。

咸水灌溉引起土壤盐分增加，从而影响棉花生长[22]，土壤盐分淋洗与灌溉水矿化度、灌溉频率及方式密切相关[23-25]。 Wang 等利用HYDRUS 2D 模型预测了西北区长期咸淡水交替膜下滴灌棉田土壤盐分变化情况，结果表明在进行春灌的情况下，采用该方式进行灌溉不会造成作物根区积盐[15]。 张俊鹏等在黑龙港流域连续3 年研究不同矿化度咸水灌溉下棉田土壤电导率变化，指出棉花生育期内根系层土壤电导率随灌溉水矿化度的增加而增大[11]。 本研究表明，0～100 c m 土层咸水灌溉处理土壤含盐量最高，对棉花生长有一定负效应；咸淡水混灌和轮灌处理也带入部分盐分，但明显低于咸水处理，对棉花生长未产生盐胁迫。 在多雨年份，0～50 cm 土层盐分含量变化较大，这可能是受降水、灌溉及蒸腾作用的影响。 综上，从土壤安全及棉花产量的角度考虑，矿化度5 g·L－1的咸水不宜长期直接造墒和生长期灌溉， 而连续3～4 年利用矿化度控制在3 g·L－1的咸淡水混灌或淡水和5 g·L－1咸水轮灌带入土壤中的盐分未对棉花植株长势产生负效应，同时还可以利用浅层咸水，节约宝贵的淡水资源。

4 结论

连续3～4 年灌溉矿化度3 g·L－1咸淡混合的微咸水或淡水与矿化度5 g·L－1咸水轮灌对棉花齐苗率、干物重、株高、叶面积指数、叶绿素荧光参数、产量较淡水无显著影响，咸水处理下上述指标较淡水显著降低。 在第3 年干旱年份，咸水灌溉的棉花产量较仅灌造墒水（T4）显著提高，多雨年份（第4 年）咸水灌溉较仅灌造墒水增产效果不显著。 咸水灌溉明显增加了0～100 cm土壤的盐分，咸淡混灌和轮灌土壤盐分也有所增加，但低于5 g·L－1的咸水灌溉处理，且对棉花生长无显著影响。

由于不同年份棉花生育期间的光照、土壤水分蒸发、 植株蒸腾及降水量存在差异, 对根区土壤盐分的淋溶存在一定影响。 此外, 由于咸水灌溉会将部分盐分带入耕层土壤，因此连续多年不同咸水利用方式对棉花生长特征及土壤盐分累积及运移的影响需进一步研究。