棉花秸秆不同埋深对土壤水盐分布及棉花根系构型的影响

王学成，刘 冉，杨莹攀，孙博瑞，王海瑞，姚宝林

（1.塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆阿拉尔843300；2.塔里木大学现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔843300）

0 引 言

棉花是我国第一大经济作物，也是关系国计民生的战略物资。新疆地区是我国棉花主要生产基地，棉花生产量常年位居全国第一位[1]。大面积的棉花种植，使得新疆棉花秸秆资源巨大，但秸秆还田的比例却不高，秸秆还田率仅有54.6%[2]。现有研究表明，秸秆还田对改善土壤理化性质具有很大益处，可促进土壤中碳元素的回归，提高土壤有机质含量与土壤肥力[3,4]。丁洁等[5]发现秸秆还田可有效促进稻田土壤有机碳的积累，改善土壤中活性炭组分。秸秆还田具有多种方式，生产过程中秸秆还田往往伴随相应的耕作措施进行[6]。栾天浩等[7]研究发现秸秆覆盖还田及秸秆旋混耕作方式较秸秆不还田，玉米产量分别增加9.84%、8.01%，并且有效提高土壤中氮磷钾含量。李小牛等[8]研究发现不同秸秆还田量对玉米的生长发育效果以及土壤理化性质影响效果也不同，综合考虑后发现秸秆还田量为0.9 kg/m2时综合效益最高。

根系是作物吸收水分和养分最活跃的地下营养器官，不仅为植株的生长提供能量，也是植株氨基酸、激素等微量化合物合成与转化的场所，对于作物的生长发育和果实的形成起到十分关键的作用[9]。姜英等[10]研究不同秸秆还田方式对吐丝期玉米根系特征的影响发现，全层翻耕的秸秆还田方式与全层旋耕、条带翻耕及条带旋耕的秸秆还田方式相比，在根系主要生长的0～30 cm 土层深度根长提高7.9%～43.2%，表明秸秆还田的方式对作物根系的生长有着显著影响。

当前关于秸秆还田对作物产量及土壤理化性质的影响已有了相对完善的研究，秸秆还田的方式方法都对作物生长及土壤中水盐分布有着重要影响。南疆地区具有的高蒸发量、高盐环境，如何确定最佳棉花秸秆埋设深度，促进棉花根系生长发育和空间分布，从而提高棉花产量，尚需要进一步研究。因此为了探索棉花秸秆合理还田深度和利用方式，开展不同棉秆埋设深度对土壤水盐分布及棉花根系构型的影响等方面的研究，为南疆地区合理利用棉花秸秆，提高棉花产量提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于新疆生产建设兵团阿拉尔市塔里木大学节水灌溉试验基地（81°17'E，40°32'N，海拔1 108 m）开展。该地属典型温带干旱大陆性荒漠气候区，降雨稀少且蒸发强烈。年平均降雨量50 mm，地表蒸发量高达2 000 mm 以上，土壤容重为1.45 g/cm3，年均气温为10.7 ℃。全年≥10 ℃的有效积温为4 113 ℃，无霜期220 d，年日照2 900 余小时，4−10月份平均日照9.5 h，光热资源充足，适宜于发展长绒棉、细绒棉种植技术。2020年棉花生育期间温度如图1所示。

图1 试验区棉花生育期期间温度及ET0统计图

1.2 试验设计

供试作物为棉花，品种为“新陆中37”，棉花2020年4月20日进行播种，于2020年10月22日棉花吐絮期末对根系进行采集。本试验设置不同棉秆隔层埋设深度，分别为10 cm(A)、15 cm(B)、30 cm(C)、45 cm(D)，并设置不埋设棉秆隔层为对照组CK，共5 个试验处理，每个处理3 个重复，共计5×3=15 个试验小区。试验采用桶装土柱的方法进行，土柱使用直径为40 cm、高70 cm 的塑料控根器包裹埋入地下，控根器外侧用塑料薄膜包裹。桶上部和地表平齐，地表与大田地表相同做覆膜处理，每个桶即为一个试验小区，试验土柱设计简图如图2所示。

图2 试棉秆埋深设计简图（单位：cm）

放置控根器时先将大田中土壤按0～20 cm，20～40 cm，40～70 cm分层取出（土壤容重为1.45 g/cm3），并分别放置。将当季风干棉花棉秆按所设置深度（10 cm、15 cm、30 cm、45 cm）进行埋设。棉秆配比为1∶3∶6（叶：桃：秆），平均长度5 cm，压实后棉秆隔层厚度为5 cm，重量约为12.103 kg/m2，棉秆埋置完毕后将土壤按原层次进行回填。

各土柱均匀分布在大田中，每个土柱中种植3株棉花。棉花生育期灌水和施肥同大田一致，灌水日期与灌水量如表1所示，棉花生育期内ET0计算采用FAO推荐公式计算[11,12]，ET0值见图1（蕾期、花铃期、吐絮期ET0累计值分别为142 mm、224 mm、140 mm）。在棉花蕾期及花铃期将棉花滴灌专用肥分5 次随滴灌水滴入，氮磷钾比例为15∶30∶7（420 kg/hm2）。棉花生育期内病虫害防治及其他农艺措施各处理均相同。

表1 2020年棉花灌溉制度

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤含水率和电导率测定

（1）土壤含水率。将各处理小区土样按10 cm 分层取出后称量其湿重，随后将土样放置于烘箱中。设置温度105 ℃，烘8 h，再称其干重，采用烘干法测定土壤含水率。

（2）土壤电导率。取样同土壤含水率，将风干后的土壤碾碎并过1 mm 筛后，称取土样20 g 置于锥形瓶中，加入100 mL 蒸馏水，制成水土比为5∶1 的水土混合液，震荡3 min 后进行过滤，用DDS−308A电导仪测定过滤液的电导率（EC）。

1.3.2 棉花根系生物量测定

取根时先将土柱整体取出，把土柱外包裹的塑料控根器去除，然后将土柱中根系按层（0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70 cm）依次取出，每层10 cm，共7层。取出后的根系放置于密封袋中防止风干。挑除非棉花根系后，将根系用去离子水冲洗干净并自然晾干，使用扫描仪（3720 MFC～J3930DW）将根系扫描为黑白TIF图像，把根系黑白TIF图像导入万深LA−S系列植物图像分析系统中进行分析，得到各层棉花根长、根表面积、根体积及根平均直径等形态特征指标，并计算出根长密度、根表面积密度、根体积密度。扫描后的根系于85 ℃环境中烘干至恒质量，并计算出根系质量密度。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2019 对文中数据进行分析处理，使用Origin 2018 和Microsoft Excel 2019进行制图，并采用SPSS 22.0对数据进行统计分析，选用LSD 与Duncan 新复极差法进行方差分析（P=0.05）。

2 数据统计分析

2.1 棉秆隔层埋设深度对土壤含水率的影响

不同棉秆隔层埋设深度处理下0～70 cm 土壤平均质量含水率（Soil water contentSWC）如图3（a）所示，CK、A、B、C、D 处理下的SWC分别为18.61%，22.69%，13.40%，13.96%，17.84%。A 处理含水率最高，与A 处理相比CK、B、C、D 处理平均SWC分别降低17.94%，40.92%，38.45%，21.35%。这是因为A 处理秸秆隔层埋深较浅，作用同秸秆覆盖，可有效降低土壤表层蒸发。方差分析表明，CK 处理与A、D 处理之间不存在显著差异，但与B、C 处理之间存在显著性差异，这表明不同棉秆隔层埋深对土壤平均SWC具有显著影响。

棉秆隔层埋设不同深度处理下，在0～70 cm 各土层的土壤SWC如图3（b）所示，各处理SWC趋势相同，随着深度的增加，SWC值也随之增加。与平均SWC值相对应，A 处理在各深度的SWC均为最高。但对单个处理的不同深度土壤SWC值进行分析发现，CK 处理SWC值随土层深度的增加上升趋势均匀，不存在SWC明显变化的土层深度。而B 处理后的土壤SWC，在其埋设棉秆隔层的10～20 cm 土壤深度变化最为明显，其他各深度变化均匀。C处理在其埋设棉秆隔层的30～40cm 处SWC变化最为明显。D 处理SWC在埋设棉秆隔层的40～50 cm处也存在拐点，增长趋势变大。上述分析说明埋设棉秆隔层对土壤中水分的分布具有一定影响，各处理SWC均在各自棉秆隔层埋设区域有明显提升趋势，表明棉秆隔层具有一定持水作用。

图3 不同棉秆隔层埋设深度对土壤质量含水率的影响

2.2 棉秆隔层埋设深度对土壤电导率的影响

不同棉秆隔层埋设深度处理下土壤0～70 cm 的土层平均电导率如图4（a）所示，CK 处理下的电导率值为263.95 μS/cm，为各处理中最低值。A、B、C、D 处理电导率分别为412.33 μS/cm，351.76 μS/cm，345.79 μS/cm，339.85 μS/cm，与CK 处理相比A、B、C、D 处理电导率分别上升56.22 %，33.27%，31.01%，28.76%。方差分析表明，CK处理与A处理之间存在显著性差异，表明是否埋设秸秆隔层，对土壤平均电导率值有显著影响。但A、B、C、D 间不存在显著性差异，这表明棉秆隔层埋设深度的不同对土壤平均电导率不具有显著影响（P>0.05）。

棉秆隔层埋设深度对土壤各深度土层电导率影响如图4（b）所示。CK 处理各深度电导率大小较为均匀，棉秆隔层埋设较浅的A 处理与其他各处理相比在其秸秆埋设的10 cm 土层深处电导率最大。对单个处理的不同土壤深度电导率值分析发现，B 处理在其棉秆隔层埋设的10～20 cm 土层深度电导率变化幅度较大，C 处理在其棉秆隔层埋设的30～40 cm 土层深度电导率上升幅度最大，D 处理在50 cm 土层深度处存在电导率极值点，上述数据分析说明埋设棉秆隔层对土壤中电导率值的分布具有一定影响，各处理在各自棉秆隔层埋设区域，土壤电导率均有一定变化。

图4 不同棉秆隔层埋设深度对土壤电导率的影响

2.3 棉秆隔层埋设深度对棉花根系构型及分布的影响

2.3.1 棉秆隔层埋设深度对棉花根系干重和分布的影响

选取棉花根系质量、根质量密度、根长密度、根体积以及根系平均直径来描述棉秆深埋对棉花根系构型的影响。不同棉秆隔层埋设深度处理下单株棉花根系干重总量如图5（a）所示。C 处理单株棉花根系干重总量最高，为25.97 g，CK 处理单株棉花根系干重总量为24.72 g，C 处理较CK 处理根系总生物量增加5.06 %，B 处理对应的单株棉花根系干重总量为11.94 g，C 处理较B 处理根系总生物量增117.50%。方差分析表明，CK 与A、C、D 处理间不具有显著性差异（P＞0.05），但B 处理与CK、C、D 处理间存在显著性差异（P＜0.05），这表明棉秆隔层埋设深度的变化对单株棉花根系干重总量具有显著的影响。

根质量密度（Root weight density，RWD）在0～70 cm 深度土壤剖面的分布情况如图5（b）所示。单株棉花RWD中69%～85%RWD分布于0～20 cm 土层，84%～93%分布于0～30 cm 的土层范围。由图5（b）可知，棉秆埋设深度为30 cm 的处理在20～70 cm 各土层范围内的RWD均处于最高值。对各处理间相同深度土层RWD进行方差分析表明，在0～10 cm 土层，CK 处理与B、E 处理间具有显著的差异，但CK 与C 和D 处理之间不存在显著差异。10～20 cm 深度土层中，C 处理与CK、A、B、D 均存在显著差异。20～30 cm 深度土层中，CK 与C 处理间具有显著差异，C 处理与B 处理间存在显著性差异，其他处理间不具有显著差异。这表明棉秆隔层埋设深度不同对单株棉花RWD在土壤中的分布有显著性影响。

图5 不同棉秆隔层埋设深度对棉花根系质量的影响

上述数据分析表明，当棉秆埋设深度为30 cm 时，单株棉花根系质量最高，C 处理在0～40 cm 根系主要分布区域内单株棉花根系质量分别高于CK、A、B、D 处理2.60%，55.68%，123.71%，20.09%。但其他棉秆隔层埋设深度处理较CK 处理棉花根系质量有所下降，这说明棉秆隔层埋设深度的设置对棉花根系质量具有显著影响。

2.3.2 棉秆隔层埋设深度对棉花根系长度密度和分布的影响

根系的根长密度（Root length density，RLD）决定植物吸收土壤水分和养分的能力，在反映根系生理生态功能方面具有重要意义。如图6（a）所示，CK 处理与C 处理不存在显著差异，但C处理与A、B、D均存在显著差异。C处理RLD高于CK 处理21.84%。上述分析表明单株棉花平均RLD受棉秆隔层埋设深度的影响显著，当棉秆隔层埋设深度为30 cm 时RLD值最高，RLD值大小依次为C>A>E>D>B。

RLD在0～70 cm 土壤垂直剖面的分布情况如图6（b）所示。70.58%～80.23%的RLD存在于0～40 cm 的土层深度之中。随着土层深度的增加RLD逐渐降低。在根系主要生长的0～40 cm 土层深度处，C 处理下的单株棉花RLD 较CK 处理增加12.65%，较B、D、E处理分别增加52.60%，19.25%，25.41%。这表明棉秆隔层埋深为30 cm 对棉花根系生长起到促进作用。但其他棉秆隔层埋设深度处理的单株棉花RLD较CK 处理有下降现象，这表明棉秆隔层埋深对单株棉花RLD具有一定影响。

图6 不同棉秆隔层埋设深度对棉花根长密度的影响

2.3.3 棉秆隔层埋设深度对棉花根系平均直径及体积影响

不同棉秆埋设深度处理下对根系平均直径（Root average diameter，RAD）影响具有显著性（图7）。方差分析表明CK处理与A、B、D处理间无显著性差异，但C处理与CK、B、D处理之间具有显著差异性。C 处理根系平均直径为2.81 mm，CK 处理棉花根系平均直径为1.66 mm，C 处理较CK 处理根系平均直径上升69.28%，A 处理根系平均直径为2.18 mm，较CK 上升31.10%，D 处理根系平均直径为1.80 mm，较CK 上升8.02%。上述数据分析表明棉秆隔层不同埋设深度对棉花根系平均直径具有显著影响，棉秆隔层埋设深度为30 cm 时棉花根系平均值最大。

图7 不同棉秆隔层埋设深度对棉花根平均直径的影响

不同秸秆埋深处理对根系体积（Root volume，RV）的影响如图8所示。由数据方差分析可知，秸秆埋深对RV 存在一定的影响。其中C 处理下的棉花根系体积值最高，为35.27 cm3，较CK 上升15.87%，CK 与各处理均不存在显著差异，表明是否埋设棉秆隔层对棉花根系体积不具有显著影响。但C处理与B 处理存在显著差异，与B 处理相比，C 处理提高63.15%，这表明棉秆隔层埋设深度对棉花根系体积具有显著影响。

图8 不同棉秆隔层埋设深度对棉花根体积的影响

3 讨 论

（1）棉秆隔层埋设深度对土壤水分分布的影响。本试验结果表明棉秆隔层埋设深度为10 cm 时土壤含水率最高，考虑到秸秆埋设深度较浅，可以参考秸秆地表覆盖状态下对土壤含水率的影响。赵娜娜等[13]的研究表明秸秆覆盖处理下，较不设置秸秆覆盖处理下土壤积聚降水效果更佳，并提高土壤表层0～60 cm 土壤含水率。蔡太义等[14]的研究也表明秸秆覆盖处理下土壤各深度土层含水率皆大于不做秸秆覆盖处理的土壤，且随着土壤深度的增加，秸秆覆盖处理与无秸秆覆盖处理的土壤含水率差异逐渐降低。另外棉秆隔层埋设深度为45 cm、30 cm、15 cm 时土壤含水率依次降低，这是因为棉秆埋深会影响到土壤本身虚实程度。棉秆隔层埋深45 cm、30 cm、15 cm 处理下，土壤上虚下实程度越来越高，结合试验地区高蒸发量，低降水量的气候特点，土壤越虚，蒸发量越高，土壤的蓄水能力也越低。刘丹等[15]研究也表明，全实耕层比上虚下实耕层土壤蓄水量都有提高。王浩等[16]研究表明虚实并存和全虚耕层比上虚下实耕层全生育期土壤蓄水量分别提高13.41 mm和15.70 mm，本试验结果与前人研究结果基本一致。

（2）棉秆隔层埋设深度对土壤盐分分布的影响。数据分析显示不同棉秆隔层埋设深度对土壤盐分含量具有显著性影响，这说明棉秆隔层的布置影响盐分在土壤中的迁移路径。当棉秆隔层埋设深度为10 cm 时，土壤电导率最高，结合南疆地区高温高蒸发量的地域条件分析，土壤水分蒸发过程中，发生返盐现象，盐分在棉秆隔层处发生聚集，灌水时期，棉秆隔层上部盐分也积聚于隔层处。同理其他埋设棉秆处理较不埋设棉秆处理盐分含量都有所增加。另外棉秆隔层具有持水作用，根据各不同深度土层含盐量分析说明，棉秆埋设区域土壤含水含盐量都有上升现象，这与刘月等[17]研究发现持水能力高的土层较持水能力低的土层含盐量更高的研究结果较为一致。

（3）棉秆隔层埋设深度对根系构型的影响。根系是作物最重要的养分和水分吸收器官，在作物的生长发育和产量形成过程中起着非常重要的作用。秸秆还田对作物根系生长的影响研究较多，槐圣昌[18]研究发现，秸秆还田较不还田处理下对作物根系根长密度、根质量密度、根尖数等根系指标都有明显提高效果。本试验结果表明当秸秆隔层埋设深度为30 cm时，棉花根系生长最为茂盛，在根系主要生长的0～40 cm 土壤深度中，C 处理较CK 处理的根系质量密度、根长密度和根平均直径都有提高。但其他埋设深度处理与不埋设棉秆隔层处理相比根系指标都有所下降，考虑到南疆地区蒸发量高及土壤高盐分含量的特点可能是因为其他埋设深度处理不在根系主要生长区没有充分发挥其对棉花根系的养分供应的作用，但却影响到根系生长区土壤水盐分布情况，水分含量降低，盐分含量上升，因此其他埋设处理的棉花根系形态不如对照组CK。

4 结 论

（1）不同深度棉秆埋设深度对土壤水分盐分分布以及根系构型有显著影响。本研究发现，棉秆隔层阻碍了土壤中盐分及水分在竖直方向的运移，使得水分及盐分在棉秆隔层处发生一定的聚集现象，因此各埋设深度处理含盐量都高于CK。另外棉秆埋深会影响到土壤本身虚实程度，从而改变土壤中水分分布情况，使得除A 处理外其他各处理土壤含水率均低于CK。

（2）本试验数据表明，C处理各项根系构型指标均高于其他处理，C 处理较CK 处理单株棉花根系质量上升5.09%，根长密度上升21.84%，根直径及根体积分别上升69.30%，15.87%。其他各处理较CK根系各指标都有所下降。

综合分析，不同深度棉秆隔层埋设深度对土壤水盐及棉花根系生长具有显著影响，其中埋设深度为30 cm 处理起到了促进棉花根系生长的作用。本试验结果可以为南疆地区在实际生产过程中采取秸秆还田方式提供经验参考。