全生育期咸水滴灌对土壤盐分累积和棉花生长的影响

2022-02-03郭晓雯刘佳炜郑志玉

干旱区研究 2022年6期

郭晓雯，刘佳炜，郑志玉，闵伟

（石河子大学农学院绿洲生态农业兵团重点实验室，新疆石河子 832003）

干旱区淡水资源匮乏，但咸水资源较为丰富，因此，咸水灌溉可有效改善干旱区农业发展受限于淡水缺乏的状况［1］。但咸水矿化度高，连年灌溉会使土壤盐渍化程度加剧，土体结构恶化，改变土壤理化性质，导致土壤盐渍化［2］。咸水灌溉向土壤输入盐分离子，改变土壤离子含量和种类，引起土壤矿质元素缺乏或过量，造成作物养分吸收不平衡［3］。离子间的拮抗作用和协同作用也会对土壤产生影响，既可促进良好土体结构形成，增加土壤肥力，也可危害土壤，加剧土壤恶化程度［4］。其中，Na+是造成土壤盐渍化的主要离子，可诱导作物根系中的K+外流，产生毒害作用［5-6］；而Ca2+可以降低Na+毒害作用，当Ca2+、K+和Mg2+共存时，会形成拮抗关系，影响土壤元素的吸收［4,7］。近年来，有关土壤离子的研究集中在重金属离子对土壤的污染和盐分对土壤可溶性盐分离子的影响，但有关盐分与土壤元素间的关系的研究还较少，有待进一步探究［8-9］。盐分不仅影响土壤理化性质、离子含量和微生物活性，还能改变土壤酶活性和种类。

土壤酶活性是表征土壤养分状况的指标，对碳、氮、磷和硫等元素循环流动有重要作用，而盐分是影响其活性的主要因素，通过改变土壤理化性质和离子含量，影响土壤养分有效性和微生物活性，最终引起土壤酶种类和活性变化［10-11］。盐胁迫造成的离子毒害及渗透胁迫，会减少土壤微生物数量，进而降低微生物分泌的酶量［12］。相关研究表明，土壤盐分含量增加，可抑制脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性，但在低浓度盐离子条件下，盐离子可活化土壤微生物，释放出大量胞外酶，因而土壤脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性出现先增后减的趋势［13］。土壤酶相关研究集中在不同施肥水平、外源添加物、盐分和重金属离子对其活性的影响，涉及酶种类较少，土壤离子与酶活性间联系的研究还不够完善，需深入研究［14-16］。盐分可通过改变土壤微生物数量和酶活性，引起耕层土壤变化，限制作物生长发育，最终降低籽棉产量［17］。

本研究以干旱区为研究背景，设置不同灌溉水盐度和施氮水平，通过测定土壤可溶性盐分离子含量、土壤元素含量、C、N、P和S转化相关酶活性和籽棉产量，探究灌溉水盐度和氮肥对土壤可溶性盐分离子、土壤元素和酶活性的影响，揭示土壤离子、酶活性及产量三者间的内在联系，以期为干旱区合理利用咸水资源、增加棉花产量和维持土壤养分平衡提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

本研究在石河子大学农学院试验站（44°33′N，85°98′E）进行，该地区水资源匮乏，属于典型的干旱荒漠气候，年均蒸发量为1000～1500 mm，年均降水量为180～270 mm。供试作物为棉花，品种为新陆早52号。试验小区土壤类型为灰漠土，土壤基础理化性质为：土壤盐分（EC1:5）0.13 dS·m-1，容重1.27 g·cm-3，土壤pH1:2.57.9，土壤全氮1.1 g·kg-1，土壤碱解氮52.38 mg·kg-1，土壤有机质16.8 g·kg-1，土壤速效钾253 mg·kg-1，土壤速效磷25.9 mg·kg-1。

1.2 试验设计

本研究已连续开展12 a微咸水和咸水滴灌田间试验（2009—2020年），试验设置3种灌溉水盐度，为0.35 dS·m-1（淡水，FW）、4.61 dS·m-1（微咸水，BW）和8.04 dS·m-1（咸水，SW）。施氮量分别为0 kg·hm-2（N0）和360 kg·hm-2（N360）。本试验采取完全随机区组设计，共计6 个处理，每个处理重复3 次，共18个试验小区，每个试验小区25 m2。

棉花种植采用干播湿出法，于每年4 月中旬播种，9 月下旬收获。采用覆膜栽培技术，一膜3 管6行，行距为（66+10）cm，密度为2.22×105株·hm-2。棉花生育期内灌溉定额为450 mm，从6 月中旬至8 月下旬，共计灌水9 次，灌水周期为7～10 d，灌水前土壤不采取洗盐措施。氮肥（尿素，N≥46.4%）在棉花生育期内随水滴施，分5 次全部做追肥，磷、钾肥全部用做基肥，磷（P2O5）施用量为105 kg·hm-2，钾（K2O）施用量为60 kg·hm-2，其他田间管理措施参照当地大田生产。

微咸水和咸水是由NaCl 和CaCl2按1：1 比例配制而成，每次灌溉水盐度均保持一致。3 种灌溉水质的化学性质如表1所示。

表1 3种灌溉水质化学性质Tab.1 Chemical properties of three irrigation water quality

1.3 样品采集与处理

2021 年在棉花花铃期用管型土钻采集耕层土样（0～30 cm），取样方法为对角线法，将采集的土样混合均匀并去除杂物，分为三部分，一部分鲜土过2 mm筛，保存在4 ℃的冰箱中，用于酶活性测定，一部分风干研磨后过1 mm筛，用于土壤可溶性盐分离子含量测定，另一部分风干研磨后过0.149 mm的尼龙筛，用于土壤全量元素含量测定，棉花籽棉产量在吐絮期采用样方法和实收记产测定。

1.4 土壤离子含量测定

1.5 土壤酶活性测定

采用关松荫［19］提供的方法测定土壤酶活性。蔗糖酶（SC）活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，脱氢酶（DHA）活性采用TTC 分光光度法测定，羟胺还原酶（HR）活性采用硫酸铁铵-邻菲罗啉法测定，脲酶（UE）活性采用靛酚蓝比色法测定，硝酸还原酶（NR）活性采用磺胺比色法测定，多酚氧化酶（PPO）活性采用邻苯三酚比色法测定，碱性磷酸酶（ALP）活性采用磷酸苯二钠比色法测定，亚硝酸还原酶（NiR）活性采用α-萘胺-对氨基苯磺酸比色法测定，过氧化氢酶（CAT）活性采用高锰酸钾滴定法测定，芳基硫酸酯酶（ASF）活性采用对硝基苯硫酸盐法测定。

1.6 数据分析

采用SPSS 统计软件包（version SPSS.26.0）进行方差分析和相关性分析，显著水平为0.05，用Dun⁃can法对处理间进行多重比较（P＜0.05），采用Tukey检验确定组间有显著性差异（P＜0.05）。采用Ex⁃cel 2016 进行试验数据的计算、统计分析和制图。RDA 分析（redundancy analysis）采用R 语言vegan 包进行分析和作图。

2 结果与分析

2.1 灌溉水盐度和施氮量对土壤可溶性盐分离子的影响

灌溉水盐度、施氮量及二者交互作用对土壤Na+、Ca2+、Cl-和HCO3-含量有显著影响（图1）。与FW处理相比，BW和SW处理显著增加土壤Na+、Ca2+和Cl-含量，BW 处理分别增加了1048.15%、80.30%和772.00%，SW 处理分别增加了1362.96%、166.67%和1268.00%；但显著降低了土壤HCO3-含量，分别降低了25.40%和40.48%。与N0处理相比，N360处理显著增加了Na+、Ca2+和Cl-含量，分别增加了7.95%、22.84%和18.28%；但显著降低了HCO3-含量，降低了22.29%。交互作用的影响为：FW 处理下，施氮显著降低了HCO3-含量，但对Na+、Ca2+和Cl-含量无显著影响。BW和SW处理下，施氮显著增加了Ca2+和Cl-含量，BW 处理分别增加了24.53%和29.47%，SW 处理分别增加了31.58%和11.11%；但对HCO3-含量无显著影响。BW 处理下，施氮显著增加了Na+含量；但在SW处理下，施氮对Na+含量无显著影响。

图1 不同灌溉水盐度和施氮量对土壤可溶性盐分离子的影响Fig.1 Effects of different irrigation water salinity and nitrogen application rates on soil eight ions

2.2 灌溉水盐度和施氮量对土壤元素的影响

灌溉水盐度、施氮量及二者交互作用对土壤P、K、Fe 和Se 含量有显著影响（表2）。与FW 处理相比，BW 处理显著降低了K、Fe 和Se 含量，分别降低了0.13%、0.38%和7.73%，但显著增加了P 含量，增加10.90%；SW 处理显著降低了P、K、Fe 和Se 含量，分别降低了0.13%、6.25%、6.61%和15.37%。与N0处理相比，N360 处理显著降低了P、K、Fe 和Se 含量，分别降低了9.50%、3.27%、3.29%和6.36%。交互作用的影响为：FW 处理下，施氮对P、K、Fe 和Se含量无显著影响；但在BW 和SW 处理下，施氮显著降低了P含量，分别降低了17.18%和3.32%。此外，BW 处理下，施氮显著降低了K、Fe 和Se 含量。SW处理下，施氮显著增加了Fe 含量，但对K 和Se 含量无显著影响。

灌溉水盐度和交互作用显著影响Na、Mn、Ni、Co和Cr含量（表2）。与FW处理相比，BW处理显著降低了Na、Ni、Co 和Cr 含量，分别降低了3.62%、7.14%、1.60%和9.65%，但显著增加了Mn含量，增加了1.17%；SW 处理显著降低了Na、Mn、Ni、Co 和Cr含量，分别降低了9.12%、7.03%、10.60%、7.87%和12.80%。交互作用的影响为：FW 处理下，施氮对Na、Mn、Ni、Co和Cr含量无显著影响；BW处理下，施氮显著降低了Na、Mn、Co和Cr含量，但对Ni含量无显著影响；SW处理下，施氮显著增加了Mn、Ni和Cr含量，但对Na和Co含量无显著影响。

灌溉水盐度和施氮量显著影响Ca 和Mg 含量，灌溉水盐度显著影响Cu 含量，施氮量显著影响Zn和Al含量，灌溉水盐度和施氮量的交互作用显著影响Mo含量（表2）。与FW处理相比，BW处理显著增加了Ca和Mg含量，分别增加了1.47%和6.86%；SW处理显著增加了Ca 含量，增加了9.67%，但显著降低Mg 含量，降低了4.54%；BW 和SW 处理显著降低Cu含量，分别降低了0.21%和7.42%。与N0处理相比，N360 处理显著降低了Ca、Mg、Zn 和Al 含量，分别降低了2.26%、7.80%、13.68%和3.46%。交互作用的影响为：FW处理下，施氮显著增加了Mo含量，但在BW 和SW 处理下，施氮对Mo 含量无显著影响。此外，灌溉水盐度、施氮量及二者交互作用对Cd含量无显著影响。

表2 不同灌溉水盐度和施氮量对土壤元素的影响Tab.2 Effects of different irrigation water salinity and nitrogen application rates on soil elements

2.3 灌溉水盐度和施氮量对酶活性的影响

灌溉水盐度、施氮量及二者交互作用显著影响SC、PPO、CAT 和DHA 活性（图2）。与FW 处理相比，BW和SW处理显著降低了SC、PPO、CAT和DHA活性，BW 处理分别降低了26.55%、20.52%、0.67%和2.32%，SW 处理分别降低了50.47%、41.10%、3.52%和37.91%。与N0 处理相比，N360 处理显著增加了SC、PPO、CAT 和DHA 活性，分别增加了44.21%、26.5%、3.54%和87.12%。交互作用的影响为：在不同灌溉水的处理下，施氮显著增加了DHA和PPO活性，但增加幅度差异较大，FW处理分别增加了150.08%和47.17%，BW 处理分别增加了51.05%和15.85%，SW 处理分别增加了69.96%和10.63%；此外，FW 和SW 处理下，施氮显著增加了SC 和CAT 活性，但在BW 处理下，施氮对SC 和CAT活性无显著影响。

图2 不同灌溉水盐度和施氮量对蔗糖酶（a）、多酚氧化酶（b）、过氧化氢酶（c）和脱氢酶（d）活性的影响Fig.2 Effects of different irrigation water salinity and nitrogen application rates on the activities of SC(a),PPO(b),CAT(c)and DHA(d)

灌溉水盐度、施氮量及二者交互作用显著影响UE、NiR、NR 和HR 活性（图3）。与FW 处理相比，BW和SW处理显著增加了NiR和NR活性，BW处理分别增加了91.93%和13.59%，SW 处理分别增加了106.68%和30.49%，但显著降低了HR 活性，分别降低了24.36%和2.90%；BW 处理显著降低了UE 活性，降低了6.98%，但SW 处理显著增加了UE 活性，增加了7.57%。与N0处理相比，N360处理显著增加了UE、NiR、NR 和HR 活性，分别增加了40.06%、35.25%、32.49%和26.88%。交互作用的影响为：在不同灌溉水的处理下，施氮显著增加了UE和NiR活性，但增加幅度差异较大，FW 处理分别增加了18.62%和31.29%，BW 处理分别增加了28.76%和39.58%，SW 处理分别增加了77.17%和33.26%。FW和BW处理下，施氮显著增加了NR活性，但是在SW处理下无显著差异，FW和SW处理下，施氮显著增加了HR活性，但是在SW处理下无显著差异。

图3 不同灌溉水盐度和施氮量对脲酶（a）、亚硝酸还原酶（b）、硝酸还原酶（c）和羟胺还原酶（d）活性的影响Fig.3 Effects of different irrigation water salinity and nitrogen application rates on the activities of UE(a),NiR(b),NR(c)and HR(d)

灌溉水盐度、施氮量及二者交互作用显著影响ALP和ASF活性（图4）。与FW处理相比，BW和SW处理显著降低了ALP 和ASF 活性，BW 处理分别降低了13.09%和36.94%，SW处理分别降低了27.03%和35.73%。与N0 处理相比，N360 处理显著增加了ALP和ASF活性，分别增加了20.84%和19.88%。但是在SW 处理下无显著差异，FW 和BW 处理下，施氮显著增加了ALP 活性，但在SW 处理下，施氮对ALP活性无显著影响。BW和SW处理下，施氮显著增加了ASF活性，但在FW处理下，施氮对ASF活性无显著影响。

图4 不同灌溉水盐度和施氮量对碱性磷酸酶（a）和芳基硫酸酯酶（b）活性的影响Fig.4 Effects of different irrigation water salinity and nitrogen application rates on the activities of ALP(a)and ASF(b)

2.4 灌溉水盐度和施氮量对棉花生长和籽棉产量的影响

灌溉水盐度、施氮量及其二者交互作用显著影响棉花生长和籽棉产量（图5）。与FW 处理相比，BW 和SW 处理显著降低了棉花茎干重、叶干重、铃干重和籽棉产量，BW 分别降低了30.96%、19.01%、34.94%和28.15%，SW 分别降低了26.79%、9.21%、24.18%和54.03%。与N0 处理相比，N360 显著增加棉花茎干重、叶干重、铃干重和籽棉产量，分别增加了65.21%、82.86%、37.58%和131.78%。交互作用的影响为：随着灌溉水盐度的增加，氮肥的增产效应不同，FW 处理棉花茎干重、叶干重、铃干重和籽棉产量分别增加了72.63%、99.40%、32.88%和102.57%，BW处理棉花茎干重、叶干重、铃干重和籽棉产量分别增加了93.94%、120.20%、36.96%和140.02%，SW处理棉花茎干重、叶干重、铃干重和籽棉产量分别增加了34.83%、42.83%、44.64%和200.76%。

图5 不同灌溉水盐度和施氮量对棉花生长和产量的影响Fig.5 Effects of different irrigation water salinity and nitrogen application rate on cotton growth and yield

2.5 土壤可溶性盐分离子与土壤酶活性的相关性

图6 土壤可溶性盐分离子与酶活性的相关性Fig.6 Correlation between soil soluble salt ions and enzyme activities

2.6 土壤C、N、P 和S 转化有关酶活性与籽棉产量的相关性分析

图7 土壤酶活性与产量的相关性Fig.7 Correlation between soil enzyme activity and yield

3 讨论

3.1 灌溉水盐度和施氮量对土壤离子和土壤元素含量的影响

咸水灌溉和氮肥施用也会影响土壤元素的含量。本研究发现，土壤元素中Na、Ni、Co、Cr、K、Fe、Se 和Cu 含量随灌溉水盐度增加而降低；Ca 含量随灌溉水盐度增加而增加，可能是盐分胁迫下，作物根系的敏感性限制对养分的吸收，从而造成元素含量改变［27］。施氮条件下，土壤元素中P、K、Fe、Se、Ca、Zn、Al和Mg含量较不施氮处理显著降低。相关研究表明，长期施用氮肥可增加土壤Fe、Mn、Zn 和Cu离子含量［28］，降低土壤Na、K、Mg和Ca含量，可能是氮肥施用促进作物生长，加速作物对养分的吸收利用，从而使离子含量降低［29］。

3.2 灌溉水盐度和施氮量对酶活性的影响

土壤酶是土壤微生态中活跃组分之一，其活性可反映土壤肥力状况，是评价土壤质量的重要指标［30］。盐分和施氮量是影响土壤酶活性的重要因素。本研究发现，咸水灌溉会降低蔗糖酶、过氧化氢酶、脱氢酶、多酚氧化酶、羟胺还原酶、碱性磷酸酶和芳基硫酸酯酶活性，可能是咸水中的Na+离子使土壤板结，恶化土壤环境，抑制作物根系生长和微生物数量，从而降低酶活性［31］。本研究也发现，咸水灌溉能增加硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性，但相关研究表明，盐分对硝酸还原酶活性影响较小，但对亚硝酸还原酶活性有抑制作用，可能是土壤理化性质的改变，影响硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性［32］。但对于脲酶而言，咸水灌溉抑制其活性，微咸水灌溉促进其活性，可能是微咸水能够对脲酶形成刺激，增加其活性［33］。氮肥的施用能改善土壤质量，促进作物和微生物生长，增加产酶量和酶活性［34］。本研究还发现，施氮条件下土壤酶活性得到提高，可能是施用氮肥抑制土壤积盐，改善土壤状况，为土壤酶提供了适宜的生存环境，有利于提高其活性［35］，也可能是施氮增加土壤有机质含量，刺激作物根际代谢，增加根系分泌物含量，促进作物生长，为土壤中的微生物提供氮源和碳源，改变作物根系环境和微生物群落结构，在根际形成养分库，进而提高土壤酶活性［36］；也有研究发现，作物在不同生育期内土壤酶活性呈现出不同变化趋势，这与作物不同生育期内对养分的需求不同，导致土壤离子产生变化，进而影响酶活性［37］。

3.3 灌溉水盐度和施氮量对棉花生物量和籽棉产量的影响

咸水灌溉破坏土壤水盐平衡，导致盐分在土表积聚，形成次生盐渍化土壤，造成作物减产［38］。本研究表明，微咸水和咸水灌溉显著降低棉花生物量和籽棉产量，是因为盐分的增加改变了土壤结构，使得土壤板结，容重增加，排盐能力降低，盐分聚集，从而盐胁迫对作物的抑制作用更显著，降低作物生物量和产量［39］。盐分能通过抑制作物对水分的吸收，限制作物的生长发育，最终影响产量［40］。有研究表明，盐分可改变水稻穗部性状进而影响水稻产量［41］，还可影响小麦根系呼吸，降低其抗氧化和养分吸收能力，造成小麦减产［42］。

氮素是作物生长所需的必需营养元素，能增加作物产量［43］。本研究表明，施氮显著增加棉花生物量和籽棉产量，原因可能是施用氮肥能够促进作物根系的生长，促进其吸收利用养分，提高养分利用率［44］；也可能是因为氮肥能够增强作物光合能力，从而增加作物产量［45］。相关研究表明，在低盐及中高盐地区，氮肥对番茄生理与产量有较大促进作用［46］，氮肥的施用也可增加饲草作物的产量［47］，不同施氮量对产量的影响也不同，盐碱滩涂水稻产量在低氮条件下呈增加趋势，但在高氮条件下呈降低趋势［48］。