冯国艺 张 谦 祁 虹 雷晓鹏 王树林 王 燕 杜海英梁青龙 林永增
(河北省农林科学院棉花研究所/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)
盐碱地广泛分布于世界1 0 0 多个国家,据联合国粮食及农业组织(FA O)统计,全世界盐渍土总面积约为10 亿hm2,约占陆地总面积的3.1%[1]。盐碱地具有巨大的开发利用潜力,我国具有农业利用潜力的盐碱地约占全国耕地面积的1 0%[2],盐碱地的开发利用已成为解决社会用地与耕地矛盾、实现农业可持续发展的重要途径之一。我国滨海盐碱地具有相当大的面积,占全国盐碱地面积的4 0%[3-4],该区域一般年降水量均在500 mm以上,农业生产开发利用潜力巨大[5]。滨海盐碱地土壤盐碱化影响土壤的理化性质和植物生长[6];改造治理土壤盐碱化并合理开发利用滨海盐碱地资源,是我国解决耕地资源锐减和保证粮食安全生产的重要途径之一。
滨海盐碱地土壤盐分主要来自于地下水,其矿化度多少主要与海水的距离有关[7]。如何阻断滨海盐碱地地下潜水上升,实现降低土壤盐分,从而缓解对植物的盐碱胁迫成为滨海盐碱地改良的有效途径之一。众多学者采取了许多措施对滨海盐碱地进行改造,并对盐碱地改良措施影响土壤理化性质及植物光合生产的作用机理进行了深入研究[8-11],并对不同盐碱程度耕层的盐分和养分季节性变化对产量的影响进行了分析[12]。但由于滨海盐碱地土壤盐分空间分布受地形[13]、土壤质地[14]和气候环境[15]等因素的差异影响,生产实践过程中出现在同一地区地下水矿化度相同的情况下同一改良措施改良效果差异较大的现象。以往研究中滨海盐碱地土壤水盐空间分布变化多用来评价改良措施效果,对土壤水盐运移情况的研究较多集中在某一时期或部分土层,对作物生育期内地形和土壤质地情况对土壤水盐空间分布变化的影响以及土壤水盐空间分布变化对作物光合生产的影响关注较少,从而导致据某一时期判定的土壤改良效果与作物生产情况不一致的情况。因此结合滨海盐碱地气候特点,结合地形和土壤质地情况的差异,研究作物生育期内滨海盐碱地水盐空间分布特征,并分析其对作物光合生产和产量影响,将为改良措施制定和判定的客观性和全面性提供一定理论依据。
棉花耐盐性较强,被公认为是开发盐碱地的先锋作物[4],而且棉花是中国重要的经济作物,种植面积约占世界的15%,产量约占世界的25%[16]。因此,本研究选取滨海同一区域内自然状态下海拔和容重差异较大不同盐碱程度的棉田,结合滨海地区棉花生产和气候降水情况,分4—6月、7—8月和9—10月3个时段,对盐碱棉田0~200 cm土层水盐空间分布规律进行研究,并分析其对棉花光合生产和产量的影响,探讨不同盐碱程度滨海盐碱地水盐运移规律及其影响因素,阐明其对棉花光合生产的影响机制,分析地形和容重复合效应对其作用机理,并探讨不同土壤水盐空间分布特征下棉花光合生产特点,为滨海盐碱地改良和利用提供科学依据。
试验于2015—2016年在河北省国营海兴农场(38°21′N,117°31′E)进行。选取地形、海拔和土壤容重具有较大差异的4块棉田(面积均大于3.0 hm2),各棉田土质为滨海盐渍土,参考前人对滨海盐碱地的划分方法[17],根据4月下旬耕层(0~20 cm)含盐量将4块棉田划分3种盐碱程度,各棉田地形及地下水情况如表1所示,耕层土壤盐分状况如表2所示。
表1 不同盐碱程度棉田地形水文状况Table 1 Terrain and hydrology status of the cotton fields different in saline-alkali level
前茬作物均为棉花,一年一熟制。棉花品种为冀棉228,2015年4月21日、2016年4月23日抢墒播种,行距配置为(90+45)cm,播种时将地表5cm土层拨到膜间,并在开沟器犁出的10 cm左右深的窄沟中播种,并在宽行中间开施肥沟(15 cm左右深)施入底肥;播种时施入尿素450 kg·hm-2,过磷酸钙750 kg·hm-2。采用宽膜覆盖栽培,1膜2行,先点播后铺膜。7月20日完成打顶,雨季追肥1次(尿素150 kg·hm-2),简化整枝,化控、病虫害防治等田间管理同当地农业生产传统措施。对各棉田进行生育时期调查,将50%棉苗子叶展平的日期记为出苗期,将50%棉株现蕾、开花、吐絮的日期分别记为现蕾期、开花期和吐絮期。各棉田棉花生育进程情况如表3所示。
表2 不同盐碱程度棉田土壤养分状况Table 2 Soil nutrient status of the cotton fields different in saline-alkali level
表3 棉花生育进程调查Table 3 Monitoring of growing processes of the cotton
(1)海拔和土壤容重。用GPS对取样棉田进行海拔定位,每块棉田测定10次后取平均值。将棉田0~200 cm等分为10个土层,通过环刀法测定不同层次容重;每个棉田选6个点测定。具体方法为:将环刀托放在已知重量的环刀上,环刀内壁涂上少量凡士林,将环刀刃口向下垂直压入土中,直至环刀筒中充满样品为止。把装有样品的环刀两端立即加盖。随即称重(精确至0.01克),并记录。土壤容重计算公式为:R s=G×1 0 0/(V×(100+W)),式中,Rs为土壤容重,G为环刀内湿样重,V 为环刀容积;W 为样品含水率(%)。
(2)土壤水盐含量、pH。在棉花整个生育期(4到10月),将棉田0~200 cm等分为10个土层,每月通过取土方法对土壤中水分和盐分进行测定,为减小土壤中的水盐分布随时间的变异性对取样的影响,每次取土在一天内完成。取样后称量,105℃烘干至恒重(6~8h),干燥器内冷却30 min,然后称量测定土样的质量含水率;将烘干土与水按1∶5配置成浸提液;利用PHS-3型pH酸度计测定pH,DDS2307型电导仪测定电导值,按照公式y=2.8311x+0.2932换算获得土壤含盐量,其中y为含盐量(g·kg-1),x为电导率(ms·cm-1)。每个棉田选6个点测定。
(3)干物质积累分配和产量。在各个棉田选取生长发育具有代表性的棉株6株,分解并在105℃下杀青30 min,80℃下完全烘干后称重;用Logistic方程y=a/(1+be-cx)对棉株光合物质积累过程进行模拟。
(4)测产。收获前各个棉田随机选取6个点,每个取样点面积30 m2,调查各样点全部株数和铃数,折算出单株结铃数和单位面积总铃数,以实收籽棉产量计产;每个点随机选取窄行相邻2行,每行逐株调查混收10棵,风干测定平均铃重,并轧花后测定衣分,并据其与衣分计算皮棉产量。
试验数据用S P S S 1 1.0 进行统计分析,用SigmaPlot 10.0作图。
土壤容重是最重要的土壤物理性质之一,反映土壤入渗性能、持水能力和溶质迁移潜力等。2015年和2016年对不同类型棉田0~200 cm土层容重测定表明,不同类型棉田土壤容重除在个别层次明显增大外,土壤容重均自上而下存在逐渐增大趋势;除“隔层”外,0~140 cm土层重度盐碱A1和轻度盐碱棉田较小且无明显差异,重度盐碱A2和中度盐碱棉田较大且无明显差异;重度盐碱A2较A1棉田高5.2%~22.7%,中度盐碱较轻度盐碱棉田高7.0%~20.7%;161~200 cm各类型棉田容重无明显差异。重度盐碱A1棉田121~140 cm土层容重为1.58 g·cm-3,较相邻层次高13.6%~19.5%,较其他类型棉田同层次高8.9%~16.5%;中度盐碱棉田21~40 cm土层容重为1.49 g·cm-3,较相邻层次高7.1%~13.2%,较其他类型棉田同层次高9.4%~33.3%;轻度盐碱棉田141~160 cm土层容重为1.61 g·cm-3,较相邻层次高10.7%~19.1%,较其他类型棉田同层次高10.2%~16.2%。
对不同类型棉田0 ~2 0 0 c m 土层含水率测定表明(图1),不同类型棉田不同层次土壤含水率自上向下逐渐增大,不同月份之间,4—6月份最低,7—8月份最高。不同盐碱棉田之间,重度盐碱棉田土壤含水率最高。土壤含水率轻度盐碱棉田4—6 月份0 ~8 0 c m 土层为12.6%~19.8%,与中度盐碱棉田差异不明显,较重度盐碱地低11.4%~30.5%;7—8月份0~140 c m 土层为1 4.1%~2 4.5%,较中度盐碱棉田低4.6%~15.5%,较重度盐碱棉田低9.6%~33.7%;9—10月份0~140 cm土层为13.9%~24.4%,较中度盐碱棉田高4.7%~12.8%,较重度盐碱棉田低4.2%~29.8%。土壤含水率4—10月份轻度盐碱棉田141~160 cm土层为21.6%~23.8%,较相邻土层低2.6%~13.6%,较相同层次不同类型棉田低2.7%~26.3%;重度盐碱A1和A2棉田
图1 不同盐碱程度棉田生育期内土壤水分垂直分布及变化Fig. 1 Vertical distribution and variation of soil moisture in the cotton field during the cotton growth period relative to soil salinealkali level
土壤盐分是表征盐碱化程度高低的重要指标。对不同类型棉田0~200 cm土层含盐量测定表明(图2),不同类型棉田不同层次土壤含盐量自上向下逐渐增大。不同月份之间,4—6月份最高,7—8月份最低。不同盐碱棉田之间,含盐量重度盐碱棉田最高,各土层均不低于5.0 g·kg-1;轻度盐碱棉田0~140 cm各土层均不高于3.0 g·kg-1;中度盐碱棉田0~100 cm土层4—6月份在3.0~5.0 g·kg-1之间,7—8月份不高于3.0 g·kg-1,9—10月份不高于4.0 g·kg-1;轻度和中度盐碱棉田7—8月份0~140 cm土层差异较小,4—10月份141~200 cm土层无明显差异。各土层含盐量4—6月份重度较轻度盐碱棉田高47.0%~255.2%,较中度盐碱棉田高44.4%~87.2%;7—8月份重度较轻度盐碱棉田高46.1%~335.3%,较中度盐碱棉田高59.5%~323.3%;9—10月份重度较轻度盐碱棉田高58.7%~179.7%,较中度盐碱棉田高54.7%~87.0%。0~140 cm中度较轻度盐碱棉田4—6月份高38.5%~105.1%,9—10月份高35.3%~66.1%。重度盐碱A1和A2棉田在4—9月份0~200 cm土层变化规律较为一致,4—6月份和9—10月份A1略高于A2,7—8月份略低于A2,土壤含盐量差异不明显。
图2 不同盐碱程度棉田生育期内土壤盐分垂直分布及变化Fig. 2 Vertical distribution and variation of soil salt content in the cotton field during the cotton growth period relative to soil saline-alkali level
对不同类型棉田0 ~2 0 0 c m 土层p H 测定表明(图3),重度盐碱棉田高于其他类型棉田;0 ~1 4 0 c m 土层轻度盐碱棉田低于中度盐碱棉田,其他土层无明显差异。不同月份之间,4—6月份最高,7—8月份最低。各土层pH重度盐碱棉田在测定时期内均高于8.0。0~140 cm土层pH 4—6月份轻度盐碱棉田在7.4~8.0之间,较中度盐碱棉田低3.5%~7.6%,较重度盐碱棉田低5.8%~11.1%;7-8月份轻度盐碱棉田保持在7.0~7.5之间,较中度盐碱棉田低1.4%~3.7%,较重度盐碱棉田低12.2%~17.2%;9—10月份轻度盐碱棉田保持在7.5~7.8之间,较中度盐碱棉田低5.0%~7.2%,较重度盐碱棉田低5.0%~9.9%;中度盐碱棉田保持在8.0~8.4之间,重度盐碱棉田保持在8.2~8.6之间。重度盐碱A1和A2棉田在4—9月份0~140 cm土层变化规律较为一致,土壤pH差异不明显。141~160 cm土层4—10月份轻度盐碱棉田pH范围在7.7~8.2之间,较重度盐碱棉田低6.6%~14.3%,较中度盐碱棉田低2.0%~8.4%;161~200 cm土层轻度盐碱棉田pH范围4—6月和9—10月在9.0~9.2之间,较重度盐碱棉田高1.5%~3.5%,较中度盐碱棉田高1.1%~2.9%;7—8月在8.0~8.3之间,较重度盐碱棉田低7.5%~10.3%,较中度盐碱棉田低1.0%~2.1%。
对不同类型棉田棉株光合物质积累测定并结合出苗日期表明(表4),总光合物质积累量随盐碱程度降低而增高,轻度较重度盐碱棉田增高2 2 6.3%~2 3 6.0%,较中度棉田增高43.9%~48.4%。对其积累特征分析表明,总光合物质积累重度盐碱棉田直线增长期开始时间(6月20日左右)和结束时间(7月15日左右)早,持续时间短,最大增长速率(Vmax)出现在7月1日左右。中度和轻度盐碱棉田直线增长期开始时间差异不大(6月25日左右),但结束时间和最大增长速率出现时间差异较大,中度盐碱棉田在8月8日左右结束,最大增长速率出现在7月15日左右;轻度盐碱棉田在8月22日左右结束,最大增长速率出现在7月23日左右。总光合物质积累直线增长期、最大增长速率和物质积累活跃期(P)轻度较重度盐碱棉田分别高98.7%~119.3%、51.6%~71.3%和98.7%~119.3%,较中度盐碱棉田分别高25.1%~33.0%、16.2%~53.5%和25.1%~33.0%。
图3 不同盐碱程度棉田土壤pH垂直分布及变化Fig. 3 Vertical distribution and variation of soil pH in the cotton field during the cotton growth period relative to soil saline-alkali level
表4 不同盐碱程度棉田棉花光合物质积累特征Table 4 Characteristics of the accumulation of photosynthesizing substance in the cotton relative to soil saline-alkali level
通过测产和产量实收统计(表5),不同类型棉田产量差异显著,轻度盐碱棉田籽棉产量超过了3 0 0 0 k g·h m-2水平;平均皮棉产量达到1 2 0 0 k g·h m-2水平,较重度盐碱棉田高9 1.0%~1 3 0.8%,较中度盐碱棉田高3 6.0%~4 0.7%。中度盐碱棉田皮棉产量达到9 0 0 k g·h m-2以上水平,较重度盐碱棉田高40.4%~64.0%。进一步分析产量构成因子发现,不同盐碱程度棉田收获株数和单位面积铃数差异显著,盐碱程度越低,收获株数和单位面积铃数越多;重度和中度盐碱棉田铃重和衣分差异不明显,显著低于轻度盐碱棉田。两块重度盐碱棉田棉花产量及构成因子之间无明显差异。可见,单位面积铃数是造成重度盐碱棉田产量较低的主要原因,铃重和衣分限制中度盐碱棉田产量进一步提高。
表5 不同类型棉田产量及构成因子Table 5 Yield and yield components of the cotton relative to type of the cotton field
滨海盐碱地土壤盐分主要来自浅层地下水;土壤盐分含量多少主要受地下水情况(水位及盐分)和水盐运移规律的影响[4-5]。地下水位的不同是土壤贮水量和盐分差异的主要因素[18],土壤水盐运移受地形的影响。本研究表明,轻度和中度盐碱棉田海拔较重度盐碱棉田海拔高约1.6~1.9 m,拉大了地下水与地表的距离,使盐分上升阻力加大。土壤水盐运移直接受土壤导水率影响[19];研究表明土壤容重对导水率具有重要影响[20],土壤水分的移动能力、运动状态受土壤孔隙状况的直接影响,而土壤容重直接影响着土壤的孔隙状况[21]。同一质地不同容重的土壤,其孔隙度随容重增大递减,特别是大孔隙含量与容重更为密切相关。容重小的土壤,各种尺度孔隙均比较丰富,无论是降水对盐分的淋溶作用还是毛细作用的盐分表聚现象均很明显,土壤导水率较高;随容重增大,特大孔隙及大孔隙含量急剧下降,细小孔隙也逐渐减少,盐分迁移较为困难,土壤导水率较差。本研究表明,海拔较高的轻度和中度盐碱棉田容重差异对水盐空间分布影响显著。在冲积平原上的土壤内部有不同容重的夹层层状土,对土壤水盐运移的影响巨大[22]。本研究中轻度盐碱棉田土壤容重在140~160 cm明显增大,较中度盐碱棉田高12.5%,这种巨大反差容重极大地破坏了土壤的毛细作用,有效地阻碍了盐分上行,形成一个盐分上行“隔层”,隔层切断了土壤毛细通道,破坏了土体的连续性,使深层土壤水分不能通过毛管作用向土表运移,从而大大降低了土体的蒸发速率[23]。海拔较低的两块重度盐碱棉田容重虽然存在明显差异,但地下水位较低,长期的毛细作用导致大量盐分表聚,同时雨季降水经常导致土壤空隙水分与地下水相通,引起地下水位上升,导致盐分大量迁移滞留土壤,土壤水分和盐分长期保持较高数值。可见海拔较低是重度盐碱胁迫形成的主要原因之一,较高的海拔高度显著降低土壤盐分,而棉田土壤适当深度土层较高容重是保持土壤水盐及pH在棉花生长较为适宜范围内的关键。
滨海盐碱地土壤周年水盐运移和pH受地形和土壤导水性显著影响,同样受降水情况的影响。研究表明,不同盐碱棉田土壤水盐和pH均表现为4—6月份(春夏干旱少雨季)最高,7—8月份(夏秋雨季)显著下降,9—10月份(雨后秋季)又有所回升。由于海拔较高和土壤容重形成的“隔层”,增加了水盐运移上迁距离以及入渗水在隔层以上土层的停蓄时间,延缓了水分的入渗过程,促进了离子的交换、吸附和解析等作用,是轻度盐碱棉田的土壤水分、盐分和pH较低的原因;海拔和土壤容重较大,水盐上行阻力较大是中度盐碱棉田水分、盐分和pH降低的主要因素;而海拔较低,地下水位高,水盐上行阻力小,导致重度盐碱棉田土壤水分、盐分和pH显著高于其他类型棉田。进入7—8月份,轻度盐碱棉田由于海拔较高,容重低,土壤孔隙度较高,排水较为方便,土壤盐分的淋洗作用进一步降低了土壤盐分和pH。中度盐碱棉田土壤盐分和pH也受降水淋洗但作用明显降低,这是由于较高的容重迟滞了水盐和pH下降。重度盐碱棉田由于海拔和土壤容重较低,虽然降水淋洗降低了土壤盐分,但是也提高了地下水位,降雨结束后盐分很快又返回土壤,因此土壤水分、盐分和pH长时间处于一个较高水平,较高的土壤容重削弱了降水的淋洗作用,导致重度盐碱棉田高容重地块水分、盐分和pH高于低容重地块。进入9—10月份,轻度盐碱棉田土壤140~160 cm“隔层”不仅起到阻碍盐分上升的作用,而且起到滞留水分的作用,0~140 cm土壤含水量明显高于中度盐碱棉田,而土壤pH增加不明显;土壤140~160 cm“隔层”的缺失导致中度盐碱棉田土壤水分明显降低,而盐分和pH明显增加;重度盐碱棉田低海拔成为土壤水分、盐分和pH明显高于轻度和中度盐碱棉田的主要原因,而容重较小导致水盐上行较快,低容重地块水盐含量和pH略高于高容重地块。
研究表明,滨海盐碱地土壤水盐运移对棉花光合生产和产量具有直接影响。滨海盐碱地土壤4—6月份不同类型棉田棉花苗期叶片生长均受到盐碱胁迫影响,不同类型棉田盐碱胁迫的差异主要体现在棉花收获株数上,研究表明中度和重度盐碱棉田收获株数显著低于轻度盐碱棉田,其中中度盐碱棉田为轻度盐碱棉田的85.1%~89.8%,重度盐碱棉田为轻度盐碱棉田的68. 1%~74.6%,这对产量水平高低起到决定作用。同时较低盐分和pH有利于轻度盐碱棉田棉花叶片叶绿素含量的提高,为生育后期棉花光合生产和产量的提高奠定了基础[24];而中度和重度盐碱棉田虽然土壤水分较高,但是由于较高的盐分和pH等盐碱胁迫,不仅对棉花生长具有较强的离子伤害,而且会引起生理缺水,因此不仅叶片生长受到抑制,而且妨碍了叶片叶绿素的合成[25]。进入7—8月份(雨季)后,轻度和中度盐碱棉田的盐碱胁迫显著解除,叶片迅速生长,叶绿素含量也显著增加,光合速率明显增高[26],表现出较强的光合生产能力。但是中度盐碱棉田由于早期生长受到明显抑制,此时土壤水分较为丰沛,营养生长尤为明显,开花数和铃数明显增加;到9—10月份(雨后秋季),土壤水分迅速下降,盐分和pH迅速提高,受盐碱胁迫影响,而且较高的土壤容重不利于根系发育,因此叶片迅速发黄脱落,光合速率明显下降,棉铃发育受到光合底物不足的影响,单铃重和衣分显著下降,导致产量水平较低[27]。而重度盐碱棉田在整个生育期内盐碱胁迫程度较高,因此,光合能力显著减弱,成铃数较少,单铃重和衣分与中度盐碱棉田差异不大,因此产量水平最低。轻度盐碱棉田苗期受到盐碱胁迫最小,雨季不仅盐碱胁迫得到解除,而且土壤水分适中,光合生产较为稳健;而且雨后秋季盐碱胁迫较轻,且土壤水分较高,叶片维持较长的生理期,光合速率在较长时间内维持在一个较高水平;因此单株成铃数较为适中,棉铃发育较为充分,单铃重和衣分较高。
滨海盐碱地不同盐碱胁迫对棉花的影响还体现在光合物质积累特征方面[28]。光合物质积累量随盐碱程度降低而显著增加;而盐碱胁迫对光合生产进程的影响是造成光合物质积累量差异的主要原因。重度盐碱棉田由于受盐碱胁迫较重且持续时间长,导致光合生产与光热资源吻合度低,光合积累速率低[29],而且快速积累持续时间短,因此光合物质积累量显著降低,这是低产的主要原因之一;中度盐碱棉田生育前期受盐碱胁迫程度较轻,盐碱胁迫在一段时期内得到解除,但是在生育后期盐碱胁迫再次加重,因此光合生产与光热资源有一定吻合度,但后期盐碱胁迫导致光合物质快速积累期过早结束(8月8日左右),这对生殖器官生长发育极为不利,导致棉铃发育不充分引起减产。轻度盐碱棉田生育中后期盐碱胁迫得到解除,因此光合生产与光热资源极度吻合,光合速率高,活跃期长,不仅较高的光合物质积累为高产奠定了物质基础,而且与光热资源具有较高的吻合度,棉铃发育充分,为提高皮棉产量提供了进一步保障。
滨海盐碱棉田地形和土壤质地情况影响土壤水盐运移,土壤不同层次水盐及pH时空分布对棉花光合生产和产量形成具有直接影响。海拔较高,1 m左右深度的土层保持合理容重,并在较深土层土壤具有较高容重,不仅使土壤具有有利于作物生长的持水性,并且有效阻断潜水上升,促进下行重力水对土壤盐分的淋洗,这些特征有利于显著降低棉田盐碱程度,提高棉花光合生产和产量;轻度盐碱棉田地形及土壤质地及水盐时空分布特征为滨海盐碱地生态改良提供了理论依据。
轻度盐碱棉田的较高海拔以及土壤141~160 cm深处高容重隔层促使土壤盐分和pH降低,土壤水分雨季较低而吐絮期较高;棉花遭受盐碱涝害胁迫较小,光合性能较高且光合生产与水热资源吻合度高,长期处于物质积累活跃期;中度盐碱棉田棉花生育前期和后期仍有明显盐碱胁迫,产量形成期与光热资源丰富期吻合度较差;重度盐碱棉田海拔低,长期处于高度盐碱胁迫之下,棉花光合性能受到严重抑制,光合生产能力和产量水平低下。借鉴轻度盐碱棉田情况,滨海盐碱地改良可采用铺垫盐碱隔层后将地表抬高一定高度,并加强棉田土壤对水分的旱蓄涝排能力。