长期咸水滴灌对灰漠土理化性质及棉花生长的影响

周永学，李美琪，黄志杰，侯振安，闵 伟

(石河子大学农学院，新疆 石河子 832003)

淡水资源匮乏严重制约干旱区农业可持续发展，干旱区灌溉水质盐化的现象也普遍存在[1]，合理利用干旱区咸水资源进行农业灌溉是解决干旱区淡水资源匮乏的重要举措。新疆地处干旱区，年蒸发量远大于降水量，土壤中的盐分很难被淋洗下去，地下水的矿化度高，大多地下水已经达到微咸水的标准[2]。在淡水资源不足和增加农业产出的双重压力下，为维持作物产量，确保农业生产，应用咸水、微咸水灌溉已成为必然趋势。

盐胁迫是严重影响农作物生长、导致产量降低的主要环境胁迫因子[3], 咸水灌溉具有两面性，即咸水灌溉可以为作物生长发育提供所需水分，维持作物生长，但同时也将大量盐分带入土壤中，增加土壤盐渍化的风险，进而影响土壤理化性质和作物产量[4-6]。有研究发现咸水灌溉会导致土壤理化性状日益恶化，造成土壤积盐、增加土壤容重、降低土壤入渗率和改变土壤离子组成[7-8]。土壤盐渍化还会降低土壤水势，致使植物根系吸水困难，进而形成渗透胁迫，导致离子毒害并诱发氧化胁迫等[9]。也有研究发现土壤水分的蒸散损失在咸水灌溉下显著降低，从而导致土壤含水量的增加[10]。土壤水分胁迫是造成农作物生长受阻的主要原因，土壤盐分增加导致土壤溶液的浓度升高，土壤水势降低就会减少植物根系的水分吸收，当土壤水势比植物根系水势更低时，就会造成根系失水，破坏植物的水分平衡。 因此研究咸水灌溉下土壤理化特性及水分特征就显得尤为重要。国内外对咸水资源利用等方面已有诸多报道，主要包括灌溉方式和技术[11-13]、水盐运移及分布规律[14-16]、作物生长[17-19]等方面，目前关于咸水灌溉对土壤水分特征和作物水分生理的研究还不全面。

棉花有较强的耐盐碱能力，通常被作为盐碱地改良的先锋作物。新疆是中国最重要的植棉区，新疆干旱区淡水资源短缺，但是地表和地下咸水资源相对丰富。长期咸水灌溉会导致土壤盐分增加、土壤特性发生改变，影响棉花根系对水分和养分的吸收，最终影响棉花生长、降低产量。本研究分析长期咸水灌溉对棉田土壤理化性质、水力特性、棉花生长和生理的影响，阐明长期咸水灌溉降低棉花产量的机理，以丰富人们对棉花适应盐胁迫机理的了解，为干旱区农业的可持续发展和咸水资源的合理利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验点位于石河子大学农学院试验站(44°18′ N，86°02′E)，该地区属于典型的干旱荒漠气候，水资源匮乏，年平均降水量为180～270 mm，年平均蒸发量为1 000～1 500 mm。土壤类型为灰漠土。2009年土壤基础理化性质：土壤盐分(EC1∶5)0.13 dS·m-1，土壤全氮1.1 g·kg-1，土壤有机质16.8 g·kg-1，土壤pH值(1∶2.5)7.9，土壤速效磷25.9 mg·kg-1，土壤速效钾253 mg·kg-1。供试作物为棉花，品种为新陆早52号。

1.2 试验设置

在试验区连续开展了10 a(2009—2018年)的不同盐度灌溉水田间滴灌试验。10 a试验中灌溉水盐度均设3个处理，分别为0.35、4.61 dS·m-1和8.04 dS·m-1(代表淡水、微咸水和咸水3种灌溉水质，分别用 FW、BW和SW表示)，其中淡水来源于当地深层地下水，咸水和微咸水通过在淡水中加入NaCl和CaCl2(质量比1∶1)获得。采用完全随机区组试验设计，试验中每个处理重复3次，合计9个试验小区，每个试验小区面积25 m2。

棉花通常在4月中旬种植，9月中下旬收获。棉花种植采用覆膜栽培，一膜3管6行，行距配置为60 cm+10 cm，播种密度22.2万株· hm-2。采用干播湿出法种植棉花， 2019年4月25日播种，播种后每个处理滴出苗水30 mm，保证棉花正常出苗。整个棉花生长期间共灌水9次，于6月中旬开始至8月下旬结束，灌水周期7～10 d，灌溉定额450 mm。各施肥处理氮、磷、钾肥用量一致，其中磷肥和钾肥全部做基肥，磷施用量为P2O5105 kg·hm-2，钾施用量为K2O 60 kg·hm-2；氮肥(尿素N≥46.4%)施用量为360 kg·hm-2，全部随水滴施，在棉花生长期间共施肥6次。其他田间管理措施参照当地大田生产。

1.3 样品采集

2019年在棉花花铃期按处理分别采集耕层(0～30 cm)土壤样品，分别在每个试验小区的棉花行内随机选择3个采样点，土样混合均匀并去除杂物、细根，用于测定土壤理化性质，使用环刀取柱状土测定水力特性。在棉花不同生育期采集植株样品，用于测定生物量、叶面积和干鲜质量比；在棉花苗期采集叶片，用于测定叶片水势、丙二醛含量、相对电导率、抗氧化酶活性及叶绿素含量。

1.4 指标测定

采用环刀法取土测定土壤容重、孔隙度和饱和导水率；土壤含水量采用传统烘干法测定；土壤盐度和pH值采用MP522型电导率、pH仪测定，水土比分别为5∶1和2.5∶1；土壤有机质和全氮分别采用K2Cr2O7-H2SO4氧化还原滴定法和凯氏定氮法测定；土壤水分特征曲线采用张力计法测定。

叶片气孔导率采用Li-6400便携式光合仪测定，叶绿素含量采用试剂盒测定，叶片水势采用小叶流法测定，叶面积采用叶面积仪测定，叶片相对电导率(REC)采用电导法测定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸比色法测定，脯氨酸(PRO)含量采用茚三酮比色法测定，超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性和过氧化氢酶(CAT)活性分别采用氮蓝四唑光还原法、愈创木酚-过氧化氢法和紫外吸收法测定。籽棉产量采用样方法测产。

1.5 数据分析

数据计算和绘图采用Excel 2017。采用SPSS 21.0统计分析软件进行差异性分析，显著性检验采用LSD法(α=0.05)。文中数据均为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 长期咸水滴灌对土壤理化性质的影响

长期咸水灌溉显著影响土壤理化性质(图1)。微咸水(BW)和咸水(SW)处理土壤容重、含水量、盐分含量显著增加，而孔隙度、饱和导水率、pH值、有机质和全氮含量显著降低;土壤容重、含水量和电导率在BW、SW处理下分别较FW处理增加5.82%和9.08%、14.61%和36.57%、240%和383%；BW、SW处理孔隙度、饱和导水率、pH值、有机质和全氮含量较FW处理分别降低5.35%和8.34%、45.00%和60.00%、2.55%和2.72%、3.48%和8.54%、5.78%和13.54%。土壤水分特征曲线也受灌溉水盐度的影响，土壤体积含水率0.18～0.52，随着土壤吸力的增加，土壤体积含水率逐渐降低，在土壤吸力小于1000 cm时，各处理间差异不显著，但随着土壤吸力的增加，体积含水率SW处理显著高于BW、FW处理。

注：不同小写字母表示差异达显著水平(P<0.05)。FW，BW，SW分别代表不同灌溉水的盐度(EC：0.35、4.61、8.04 dS·m-1)，下同。Note: Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05). FW, BW, and SW stand for the irrigation water salinity (EC) of 0.35, 4.61 dS·m-1, and 8.04 dS·m-1, respectively. The same below.图1 长期咸水滴灌对土壤理化性质的影响Fig.1 Effect of long-term saline water drip irrigation on soil physical and chemical properties

2.2 长期咸水滴灌对棉花生理的影响

长期咸水灌溉对棉花叶片相对电导率和丙二醛(MDA)含量的影响如图2a 和2b所示。BW、SW处理显著增加棉花叶片相对电导率值和MDA含量，与FW处理相比，BW、SW处理棉花叶片相对电导率值分别增加19.03%和28.61%，MDA含量分别较FW处理增加29.79%和206%。长期咸水灌溉也显著影响棉花叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性和脯氨酸(PRO)含量(图2c、2d、2e和2f)。BW、SW处理显著增加棉花叶片SOD、POD、CAT和PRO的含量，但是SOD和CAT活性随灌溉水盐度的增加呈现先增加后降低的趋势。与FW处理相比，BW、SW处理棉花叶片SOD活性分别增加218%和136%，POD活性分别增加18.77%和13.92%，CAT活性分别增加243%和113%，PRO含量分别增加69.52%和212%。

图2 长期咸水滴灌对棉花生理指标的影响Fig.2 Effect of long-term saline water drip irrigation on physiology index of cotton

长期咸水灌溉显著降低棉花叶片的叶水势、气孔导度和叶面积(图3)。与FW处理相比，BW、SW处理叶水势和气孔导度分别较FW处理降低43.34%和63.46%，11.21%和21.23%。BW、SW处理棉花叶面积在现蕾期、初花期、盛铃期和吐絮期分别较FW处理降低12.57%和28%、9.12%和23.58%、9.54%和18.05%、10.56%和22.11%。

图3 长期咸水滴灌对棉花叶面水势、气孔导度、叶面积的影响Fig.3 Effect of long-term saline water drip irrigation on leaf surface water potential, stomatal conductance and leaf area of cotton

长期咸水灌溉也显著降低棉花叶绿素含量(图4)。与FW处理相比，BW、SW处理棉花叶片叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量分别较FW处理低9.23%和16.88%、18.12%和35.14%、12.13%和22.82%。

图4 长期咸水滴灌对棉花叶片叶绿素含量的影响Fig.4 Effect of long-term saline water drip irrigation on chlorophyll content of cotton leaf

2.3 长期咸水滴灌对棉花植株干鲜质量比的影响

长期咸水灌溉显著影响棉花地上部干鲜质量比(图5)。与FW处理相比，BW处理棉花地上部干鲜质量比呈降低趋势，但与FW相比差异不显著，但SW处理棉花地上部干鲜质量比较FW处理显著降低。BW和SW处理棉花茎、叶和铃的干鲜质量比分别较FW处理降低8.96%和12.60%、12.07%和25.85%、5.53%和15.54%。

图5 长期咸水滴灌对棉花干鲜质量比的影响Fig.5 Effect of saline water drip irrigation on the ratio of dry mass to fresh mass of cotton

2.4 长期咸水滴灌对棉花生物量和籽棉产量的影响

长期咸水灌溉对棉花生物量和籽棉产量的影响如图6所示。BW、SW处理显著降低棉花地上部的生物量，与FW处理相比，BW、SW处理棉花地上部生物量分别降低14.15%和32.88%。BW、SW处理棉花籽棉产量也显著降低，BW、SW处理棉花籽棉产量分别较FW处理降低12.60%和25.72%。

图6 长期咸水滴灌对棉花生物量和籽棉产量的影响Fig.6 Effect of saline water drip irrigation on biomass and seed cotton yield

3 讨 论

3.1 长期咸水滴灌对土壤理化性质的影响

干旱区淡水资源短缺，为维持作物生长，咸水用于农业灌溉对于缓解干旱区淡水资源短缺有着重要的现实意义。但微咸水和咸水灌溉会将大量盐分带入土壤，加剧土壤盐害，影响土壤的物理、化学性质[20]，进而影响棉花的生长发育，导致棉花产量下降。本研究发现，与淡水灌溉相比，长期微咸水和咸水灌溉显著增加土壤容重，降低土壤孔隙度；冯棣等[21]研究也发现土壤容重随着土壤盐度增加而显著增加。季泉毅等[22]的研究也发现长期咸水灌溉会导致土壤容重增大，土壤孔隙度减小，原因可能是长期咸水灌溉导致盐分在土壤中积累，从而改变了土壤容重和孔隙度。此外，本研究还发现长期微咸水和咸水灌溉降低土壤pH值、有机质和全氮，但是显著增加土壤盐分。诸多研究也发现，咸水灌溉导致土壤盐分增加[23-25]。土壤有机质含量降低可能是土壤盐分过高抑制植物生长，在没有外源有机质投入下，导致对土壤有机物投入减少[26]，从而降低土壤有机质和全氮含量。

长期微咸水和咸水灌溉也会导致土壤水力特性发生改变。本研究发现，与淡水灌溉相比，微咸水和咸水灌溉土壤含水量显著增加，原因可能是在高盐分条件下作物吸水受到抑制，此外土壤盐分增加导致作物蒸腾降低，从而导致土壤含水量增加[27-28]。但是土壤饱和导水率随灌溉水盐度的增加而显著降低。季泉毅等[21]研究也发现土壤饱和导水率随着容重的增大而减小，原因可能是土壤容重的增大导致土壤孔隙度减小，而孔隙度的减小使得土壤变得紧密结实，从而降低土壤饱和导水率。土壤水分特征曲线表征了土壤含水率与吸力之间的关系，反映了土壤的持水力，本研究显示，随着土壤吸力的增加，土壤体积含水率逐渐降低，且咸水灌溉土壤体积含水率高于淡水灌溉，谭霄等[29]的研究也得出相似结果，即盐分使土壤持水性能增加。

3.2 长期咸水滴灌对棉花生理的影响

土壤理化性质和土壤水力特性的改变必然影响棉花的正常生长和发育。本研究发现，与淡水灌溉相比，长期微咸水和咸水灌溉导致棉花叶片相对电导率(REC)和丙二醛(MDA)含量显著增加。杨升等[30]研究也表明，随着盐分浓度的增加和盐胁迫时间的延长，植物叶片REC和MDA含量逐渐增加。REC反映植物细胞膜在逆境胁迫下的受损程度，REC增加，说明细胞膜受损程度增大。MDA含量的高低可反映逆境胁迫对植物造成氧化损害的程度。本研究结果表明，长期微咸水和咸水灌溉会导致叶片细胞氧化损害加剧，细胞膜受损程度加大，进而抑制棉花生长。为抵御氧化胁迫，植物自身具备酶促保护系统和非酶促保护系统用来清除活性氧[31-33]，其中酶促清除系统包括SOD、 CAT、POD等。本研究中微咸水和咸水灌溉均能显著增高棉花叶片SOD、POD和CAT的活性，但在咸水灌溉处理下SOD、POD和CAT活性较微咸水处理呈下降趋势，但均高于淡水灌溉处理。诸多研究也表明，在轻度盐胁迫下，膜脂过氧化产物含量呈增大趋势，植物自身会上调SOD，POD和CAT等保护酶类活性，增强清除活性氧自由基的能力[34-36]。Lee等[37]研究也发现过高的盐胁迫会导致POD和CAT活性降低。在盐胁迫等逆境胁迫下植物也会积累有机渗透调节物质(如脯氨酸等)以提高耐盐性[38]，抵御盐胁迫。本研究还发现在长期微咸水和咸水灌溉处理下棉花叶片脯氨酸含量较淡水灌溉处理均显著增加，表明在盐胁迫条件下棉花通过合成渗透调节物质(脯氨酸等)启动自我保护机制，这与刘婷姗[39]的研究得到的结论相同，即随着灌溉水矿化度的增大，脯氨酸含量也明显增大。

盐胁迫会抑制植物光合同化能力，其降低程度与盐分胁迫程度呈正相关[40]。叶绿素含量是反映作物光合能力的重要指标，通过本研究发现，棉花叶片叶绿素含量在长期咸水灌溉下较淡水灌溉显著降低，其原因可能是长期咸水灌溉土壤中积累了大量的Na+和Cl-，导致棉花吸收了大量的Na+和Cl-从而抑制了叶片对K+、Ca2+和Mg2+的吸收，盐分导致棉花离子吸收失衡，致使棉花叶绿素降解加快，从而叶绿素含量降低[41]。Bavei等[42]研究也发现随盐分浓度的增加叶绿素含量显著降低。叶水势、叶面积、气孔导度也能反映棉花植株的光合能力，本研究中咸水灌溉处理下叶水势、气孔导度、叶面积下降。

3.3 长期咸水滴灌对棉花生长和产量的影响

盐胁迫会导致土壤渗透压升高、植物吸水困难，盐分过高还会使得植物体内水分外渗，导致缺水并产生渗透胁迫，影响植物对养分的吸收，抑制作物生长。有研究发现土壤盐分过高会抑制作物生长，降低产量[43-45]。植物干鲜质量比可以反映生物代谢的强弱，在本研究中，咸水灌溉下棉花各器官干鲜质量比较淡水灌溉均显著下降，表明微咸水和咸水灌溉下棉花的代谢能力降低，这与饶晓娟等[46]的研究结果一致。在盐分胁迫下，植物细胞氧化损害加剧，细胞膜受损程度加大，光合作用受阻，必然导致作物生物量和产量降低。本研究发现，长期微咸水和咸水灌溉均导致棉花总生物量和籽棉产量显著降低，这与宋有玺等[47]和谭帅等[48]的研究结果相似。过高浓度的盐分胁迫会影响作物代谢和生长发育过程[49]，郑春莲等[19]通过10 a的咸水灌溉试验得出使用灌溉水矿化度低于4 g·L-1的咸水灌溉不会对棉花产量产生明显的不利影响，高于此值时会导致棉花产量下降。因此，干旱区棉花种植过程中利用微咸水和咸水进行长期灌溉需考虑灌溉水的含盐量，在地下水含盐量较高的地区，最好与淡水配合进行灌溉或者采取咸、淡水轮灌的方式，使土壤盐分保持在一定水平；此外由于长期微咸水和咸水灌溉会降低土壤有机质和全氮等养分含量，在利用咸水灌溉时最好补施有机肥或进行秸秆还田以培肥地力。

4 结 论

长期咸水灌溉增加土壤容重，导致土壤孔隙度下降，进而降低土壤饱和导水率。同时，咸水灌溉可增加土壤含水量，但是土壤水分的有效性降低，导致棉花吸水困难，降低棉花各器官干鲜质量比。咸水灌溉给土壤带来大量的盐分，在盐胁迫下，叶片细胞氧化损害加剧，细胞膜受损程度加大，抗氧化酶在一定程度上抵御盐胁迫带来的危害，但是随着灌溉水盐度的增加，抗氧化酶活性呈降低趋势。土壤有机质和全氮在咸水灌溉条件下呈下降趋势，叶面积、叶绿素含量和叶片气孔导率均呈现明显降低的趋势。土壤水分的有效性降低、土壤养分的下降及光合作用的减弱影响棉花正常生长发育，最终降低棉花生物量和籽棉产量。