水氮调控对轻度盐化土滴灌棉花根系生长的影响

李文昊，王振华，朱延凯，马东青

(1.石河子大学水利建筑工程学院,新疆 石河子 832000；2.石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室,新疆 石河子 832000)

棉花属耐盐先锋作物，是我国最重要的三大经济作物之一。根据国家统计局1994—2016年“棉花统计公告”中新疆和全国棉花播种面积及总产量数据，2015年新疆棉花播种总面积190.43万hm2，占全国总播种面积的50%；而早在2012年，新疆棉花总产量已达全国总产量的54%。新疆棉花的种植面积及总产量不仅占据全国“半壁江山”，同时显示出强大的规模优势和产业化发展态势[1]。新疆地处西北，属内陆干旱区，土壤盐渍化问题严重，依据第二次土壤普查结果，新疆盐渍化耕地面积127万hm2，占耕地总面积的31.10%，其中轻度盐渍化农田占总耕地面积的22.32%[2]。土壤盐渍化降低了区域棉花的生产水平；大面积利用滴灌技术后，出现的节水灌溉型次生盐渍化问题对新疆的棉花产业及农业生产安全形成了新的威胁[3-4]。

很多研究者对作物水氮调控进行了细致研究，丁红等[5]研究表明，水氮调控可以促进花生根系和地上部生长，从而提高荚果产量。张凤翔等[6]研究表明，低水分条件下增加氮素含量能够显著增加水稻根干重、根体积和促进水稻根系的扎深，土壤水分较低时施氮对株高无显著的促进效应。Zonta 等[7]通过研究水氮的灌溉速率对棉花生长和产量的影响，得出了在缺水条件下棉花适宜的灌水和施氮时机及用量。谢志良等[8]研究表明，水分短缺将抑制棉花冠层生长，导致光合作用下降，但通过施加氮肥可促进根系向纵深方向生长，提高水分利用效率。Ehdaie等[9]研究表明，干旱条件下较多的毛细根数量和较大的根表面积有利于吸收土壤中的水分和养分，从而获得较高的作物产量。已有研究成果极大推动了农业生产的科学发展，但针对盐碱地水氮调控下滴灌棉花生长的研究较少。

课题组已经分析了水氮调控对轻度盐化土滴灌棉花生理特性作用[10]，结合棉花的生理生长指标等数据，确定出该试验条件下轻度盐化土棉花最佳灌水及施氮量分别为3 740 m3·hm-2和754 kg·hm-2，但成果尚未分析水氮调控对轻度盐化土滴灌棉花地下部根系生长的影响。本研究利用已有试验条件，获取并深入分析根系数据，探寻轻度盐化土壤环境下水氮耦合对滴灌棉花根系生长的影响。结合已有研究结果，为区域轻度盐化土条件下滴灌棉花水肥生产提供更全面的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在现代节水灌溉兵团重点实验室试验基地暨石河子大学节水灌溉试验站(85°59′47″E，44°19′28″N，海拔412 m)完成。试验站地处石河子市西郊石河子大学农业试验场二连，该地区属于典型的温带大陆性气候，平均地面坡度为6‰。全年平均日照时间达2 865 h，多年平均降雨量为198 mm，平均蒸发量为1 340 mm，无霜期170 d。

1.2 试验设计

2017年4—10月采用桶栽试验种植棉花(桶高0.50 m，内径0.45 m，在桶底部打孔)。试验选取当地棉花主栽品种“农丰133”，按机采棉“一膜两管六行”模式设计株距，即桶内呈等边三角形布置棉花3株，株距11 cm。供试土壤预先进行盐处理，采用取自兵团第八师121团的重盐碱土与中壤土按比例掺合，自然晾干碾碎去石块混合均匀后，根据《新疆垦区盐碱地改良》[11]“耕地土壤盐化程度的分级标准”，配比含盐量为4～5 g·kg-1的轻度盐化土，按容重1.40 g·cm-3分层装土深45 cm。为贴合自然环境，将桶口面与地面平齐埋入土中。

设计水氮2因素3水平完全组合试验，根据生产实践和前人的研究[12]，氮肥设3个水平：300、600、900 kg·hm-2尿素(分别标记为N1、N2、N3)；灌水设3个水平：2 750、3 750、4 750 m3·hm-2(分别标记为W1、W2、W3)；共设置9个处理，3次重复，随机排列，共27个桶。2017年4月12日人工点种，棉花播种深度在3～4 cm之间，采用“干播湿出”播种方式。用医用输液管模拟滴灌的滴头，滴头位于棉花播种位置处，控制滴头流量为1.8 L·h-1。参照郑旭荣[13]研究成果，全生育期灌溉次数为12次，肥随水入，各生育期灌水及氮肥比例如表1所示。磷肥、钾肥以磷酸二氢钾作基肥一次施入，各处理施用量均为300 kg·hm-2。

1.3 测试项目及方法

2017年10月1日收获棉花后，采用破坏试验分层取样法，以滴头(桶中心)为中心，经桶中心的两条互相垂直的直径分别定义为X轴和Y轴，将土样在水平面上分为四个象限。沿X轴正方向间距为5 cm，Y轴正方向间距为5 cm，深度为10 cm分层切块，获得长×宽×高为5 cm×5 cm×10 cm大小的单位土块，27个桶共计9 072个样品。

表1 棉花各生育期灌水及施肥比例

2018年3月至5月，用镊子人工手拣土块中体积较大的根系；残留在土中细小根系利用0.5 mm土筛缓慢筛分；土壤漏于筛下，根系存于筛上。每个土块中获得的根系用细孔尼龙网包裹，置于自来水下慢慢冲洗，将洗净的待测根系放入大小为10 cm×20 cm的透明托盘内，向托盘内注入1～2 cm深清水，并用镊子将托盘内根系分开，减少重叠面积。使用EPSON V600高分辨率扫描仪将棉花根系扫描成灰阶模式的TIF图像文件，之后用根系扫描分析系统WinRhizo分析图像，获取根表面积、根平均直径和根体积参数。

1.4 数据处理

采用Excel 2013对数据进行整理及图表制作；使用SPSS 19.0软件进行方差分析，采用Duncan法比较处理间的差异(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 水氮调控对轻度盐化土滴灌棉花根表面积垂直分布的影响

由图1可知，不同水氮处理都表现出滴灌棉花根表面积随土层深度的增加呈现先增加后降低的变化趋势。即0～10 cm土层根表面积小于10～20 cm;根表面积在10～30 cm土层最大；30～40 cm土层根表面积小于20～30 cm土层。试验中发现，棉花生育期结束后部分毛细根系在桶底聚集，从而导致各处理40～50 cm土层的总根表面积比30～40 cm土层增加15.17%。在等施氮处理下，0～10 cm土层W3水平比W2水平减小13.15%；20～30 cm土层N1和N2处理灌水抑制根表面积增加效果不显著，N3水平下随灌溉定额的增加，W2N3与W3N3较W1N3处理根表面积平均依次减小15.91%和10.84%；30～40 cm土层，N1处理3个灌溉定额水平较N2处理根表面积平均减小13.70%，N2处理3个灌溉定额水平较N3处理根表面积平均减小9.92%。因此，土壤中过量的水分对根表面积增加具有一定的抑制作用。等灌水处理下，除0～10 cm土层，根表面积随施氮量的增加先增后减；其余各土层均随施氮量增加逐渐减小，说明高氮将抑制根表面积生长。

2.2 水氮调控对轻度盐化土滴灌棉花根表面积水平分布的影响

由图2可知，各处理水平方向根表面积在滴头下方最大，随距离滴头位置的增加滴灌棉花根表面积逐渐减小。在等施氮处理下，相同土层根表面积随灌溉定额的增加而减小，距离滴头位置越远，表现越明显；距滴头15～20 cm位置处，W2水平根表面积较W1水平平均减小6.90%，W3根表面积较W1水平平均减小11.31%。等灌水处理下，相同土层根表面积随施肥量的增加呈抛物线状分布，即相同灌水条件下，N2水平根表面积最大；距离滴头位置越远，表现越明显。距滴头10～15 cm位置处，N2水平根表面积较N1水平平均增加7.43%，较N3水平平均增加6.54%。综合考虑轻度盐化土滴灌棉花根表面积垂直及水平分布，试验条件下中水、中肥处理根表面积最大。

2.3 水氮调控对轻度盐化土滴灌棉花根平均直径垂直分布的影响

由图3可知，除各处理30～40 cm土层根平均直径比20～30 cm土层增加4.01%外，轻度盐化土滴灌棉花根平均直径随土层深度的增加而逐渐降低。等施氮处理下，N1处理根平均直径整体随灌溉定额的增加先增后减；N2处理0～30 cm土层根平均直径随灌溉定额的增加而逐渐减少，30～50 cm土层随灌溉定额的增加先增后减；N3处理0～30 cm土层根平均直径随灌溉定额的增加先增后减，30～50 cm土层随灌溉定额的逐渐减少，说明灌水量能够显著影响根平均直径在土壤中垂直分布。等灌水处理下，各土层根平均直径随施氮量的增加呈现先增后减现象。中水和中氮促进垂直方向根直径生长。

图1 各处理下轻度盐化土滴灌棉花根表面积垂直分布Fig.1 Vertical distribution of cotton root surface area under drip irrigation in mild salinized soil under different treatments

图2 各处理下轻度盐化土滴灌棉花根表面积水平分布Fig.2 Horizontal distribution of cotton root surface area under drip irrigation in mild salinized soil under different treatments

图3 各处理下轻度盐化土滴灌棉花根平均直径垂直分布Fig.3 Vertical distribution of average diameter of cotton root under drip irrigation in mild salinized soil under different treatments

2.4 水氮调控对轻度盐化土滴灌棉花根平均直径水平分布的影响

由图4可知，各处理水平方向根平均直径在滴头下方最大，随距离滴头位置的增加滴灌棉花根表面积逐渐减小。等施氮处理下，在滴头两侧根平均直径随灌溉定额的增加先增后减，距离滴头10～15 cm范围W2水平内根平均直径较W1水平平均提高10.41%，较W1水平平均提高6.68%。等灌水处理下，在滴头两侧0～20 cm范围内随含氮量的增加根平均直径差异较小，说明灌水量是影响根平均直径水平方向大小分布的主要因素。综合考虑轻度盐化土滴灌棉花根平均直径垂直及水平分布，试验条件下中水、中肥处理根平均直径最大。

2.5 水氮调控对轻度盐化土滴灌棉花根体积垂直分布的影响

由图5可知，轻度盐化土滴灌棉花根体积分布主要集中在0～30 cm土层内，且随土层深度的增加而逐渐降低，40～50 cm土层根体积大于30～40 cm，同样因为试验结束后部分毛细根系在桶底聚集。等施氮处理下，0～20 cm土层棉花根体积在不同灌溉定额处理下变化不明显；20～50 cm土层棉花根体积随灌溉定额的增加而降低，W2水平较W1水平棉花根体积平均减小8.91%，W3水平较W1水平棉花根体积平均减小10.83%。等灌水处理下，施氮量对棉花根体积的影响较小；20～50 cm土层根体积总体随灌溉定额的增加呈现先增后减的变化趋势。N2水平较N1水平棉花根体积平均减小4.75%，N3水平较N1水平棉花根体积平均减小5.42%。

2.6 水氮调控对轻度盐化土滴灌棉花根体积水平分布的影响

由图6可知，各处理水平方向上根体积在滴头下方最大，随距离滴头位置的增加滴灌棉花根体积逐渐减小。等施氮处理下，各土层根体积随灌溉定额的增加而降低，除在N1和N2水平，-15～15 cm范围内根体积随含水量的增加先增后减；N3水平下，W2和W3处理分别比W1处理滴灌棉花根体积平均减小10.72%和13.45%。等灌水处理下，轻度盐化土滴灌棉花根体积均随着施氮量的增加呈现先增后减的趋势。综合考虑轻度盐化土滴灌棉花根体积垂直及水平分布，试验条件下中水、中肥处理根体积最大。

图4 各处理下轻度盐化土滴灌棉花根平均直径水平分布Fig.4 Horizontal distribution of average diameter of cotton root under drip irrigation in mild salinized soil under different treatments

3 讨 论

水氮可有效调控作物根系生长[14]。通过调控水氮用量，可以不同程度地缓解盐胁迫引起的作物不良生长，改善盐渍土中作物根系的生长状况。本研究利用桶栽试验确定并非水大、肥大就能促进轻度盐化土滴灌棉花根系的生长，相反过高的水肥用量都将影响棉花根系的生长。研究结果与张金珠等[15]确定的干旱条件下增施一定量氮肥可有助于缓解水分对根表面积增长的抑制作用，但过量使用氮肥将抑制棉花根表面积生长的成果相近；但该文献未详细研究根平均直径和根体积等形态参数。廖常健等[16]同样得出，高水和高氮对根表面积生长具有抑制作用，与Sharme等[17]提出的一定干旱条件能促进根系伸长和根径增加，扩大水分和养分吸收面积促进对养分的吸收成果相似。

本研究综合分析了不同水肥处理对根表面积、根平均直径及根体积的综合影响，确定出轻度盐化土滴灌灌溉定额3 750 m3·hm-2，尿素施用量600 kg·hm-2棉花根系生长最佳。课题组还测算不同处理棉花的实际产量，同样得出轻度盐化土滴灌灌溉定额3 750 m3·hm-2，尿素施用量600 kg·hm-2棉花产量最高，为5 854.5 kg·hm-2(各处理棉花产量见表2)。研究成果与课题组利用回归方程确定的轻度盐化土棉花最佳灌水施氮量3 740 m3·hm-2和754 kg·hm-2有一定差异[5]，但在分析过程中均认为，棉花各生育期净光合速率和蒸腾速率等光合指标、气孔导度和细胞间CO2浓度等叶绿素荧光参数、籽棉产量及增产效应最大值都出现在灌溉定额3 750 m3·hm-2，尿素施用量600 kg·hm-2处理，本文进一步利用根系参数等数据证明了该成果。本成果还与石洪亮[18]提出的施氮300 kg·hm-2(即施尿素量642.81 kg·hm-2)时，灌溉定额2 800～3 800 m3·hm-2，籽棉产量差异不明显，水、氮利用率最高的研究结论相近。

4 结 论

1)轻度盐胁迫下，灌水和施氮产生的交互作用对棉花根表面积和根平均直径有显著影响；根表面积和根平均直径均随灌溉定额或施氮量的增加而减小。灌水量和施氮量对棉花0～20 cm土层根体积调控作用不明显。

2)轻度盐化土滴灌棉花根表面积、根平均直径及根体积垂直方向随土层深度的增加逐渐降低，水平方向主要分布在滴头下方。灌溉定额3 750 m3·hm-2，尿素施用量600 kg·hm-2有利于轻度盐化土滴灌棉花根系生长。

图6 各处理下轻度盐化土滴灌棉花根体积水平分布Fig.6 Horizontal distribution of cotton root volume under drip irrigation in mild salinized soil under different treatments

表2 不同处理棉花产量