基于氢氧同位素不同盐肥条件下棉田水分分布研究

王鑫宇，何新林*，杨广，赵丽，杨丽莉

（1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2.寒旱区生态水利工程兵团重点实验室，新疆 石河子 832000）

我国新疆是典型干旱地区，水分是限制作物生长重要因素[1]。棉花作为新疆最主要农作物[2]，关于棉花水分分布有大量研究成果，李惠等研究表明，膜下滴灌后棉花调整水分利用来源显著增加0～30 cm土壤水利用比例[3]。汤英等研究指出，不同水分处理下枸杞主根系（20～60 cm）土壤含水率与相应δD呈负相关，且降水量较大时枸杞增加对40～60 cm土壤水利用[4]。岳伶俐等研究认为，油茶果实第二生长高峰较第一生长高峰对于30～100 cm土壤水吸收有大幅增加[5]。但关于不同盐分与不同肥料处理下棉花水分分布规律鲜有研究。研究棉花在不同盐分和肥料处理下各生育期水分利用来源对不同盐分土地进行合理施肥制度制定，实现农业节水具有重要价值。

传统研究作物水分分布规律方法是通过确定植物根系空间分布特征分析其水分利用来源[6-7]，难以规范且易破坏根系影响分析结果[8]。运用稳定氢氧同位素分析植物水分分布规律相比传统方法更有效和精确[9]。吴骏恩等研究表明，植物根系吸水过程中稳定氢氧同位素并不发生分馏，植物木质部水的同位素组成和其他潜在水源组成可判断植物利用水分来源[10]。近年研究利用氢氧同位素分析植物水分来源，杨培岭等对咸淡水灌溉下玉米吸水规律开展研究[11]。李华非对青海湖沙柳土壤水氢氧同位素组成特征等开展研究[12]。郭辉等利用氢氧同位素揭示新疆防护林与棉花水分来源及水分竞争关系[13]。氢氧同位素分布特征反映植物对不同水源选择和利用能力，通过分析植物木质部中同位素组成及各类水分来源中氢氧同位素组成，结合多元线性混合模型（IsoSource模型）可对植物水分利用来源及比例进行分析判断[14]。

试验以“新路早48号”棉花为研究对象，分别在不同盐分与肥料处理条件下，通过收集全生育期大气降雨、不同深度土壤水和棉花茎秆水，分析不同盐分与肥料处理下氢氧同位素变化特征，通过IsoSource模型确定棉花对于不同水源利用比例情况，探讨棉花水分利用特性，为高效施肥、合理利用各类水源、提高棉花水分利用效率和效益提供理论指导与方法。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于新疆石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室（44°18'N，86°02'E）开展。该区域属于中温带干旱区气候，年平均日照时间2 865 h，无霜期170 d。年均降水量为141 mm，主要集中在6～9月，年均蒸发量为1 718 mm[15]。试验品种采用新疆惠远种业股份有限公司“新陆早48号”。实验站土壤类型为壤土，土壤物理性质见表1。

表1 试验地土壤物理性质Table 1 Soil physical properties of the test site

1.2 试验布置

试验设置为盐肥两个控制因素的正交试验。试验地为9个2 m×2 m测坑。试验棉花采取“一膜二管四行”种植方式。灌溉方式为膜下滴灌，潜水泵加压，滴头流量为2.0 L·h-1。土壤含盐量3水平：轻度盐化土（3 g·kg-1）、中度盐化土（6 g·kg-1）、重度盐化土（9 g·kg-1），分别标记为S1、S2、S3。施肥量3水平：105、210和315 kg·hm-2（以氮计）分别标记为N1，N2，N3。总计9个处理。灌水定额参考近年来石河子及周边农场膜下滴灌棉花规定制定，设置为4 500 m3·hm-2。

1.3 样品采集

于2021年5～10月收集大气降水、0～60 cm棉花土壤水、棉花茎秆水试验样品。为减少同位素分馏对结果影响，所有样品均放入冷藏装置，带回实验室冷冻保存。为减少由于取样时间带来的差异性，每次采样时间均设置在蒸散发作用较弱的上午8:30左右[16]。

①棉花样品采集：每个处理分别选择长势优良的棉花，剪取新鲜的植物茎秆（直径0.6 cm左右；长度3 cm左右）。除去棉花外皮和韧皮部后，立刻装进10 mL玻璃瓶中，用Parafilm封口膜封口带回实验室冷冻保存。棉花样品收集时间分别为苗期（5月25日）、蕾期（6月25日）、花铃期（8月22日）、吐絮期（9月11日）。

②土壤样品采集：在收集棉花茎秆样品时，对剪取棉花茎秆下的土壤手动钻收采集0～60 cm深度土壤样品，每20 cm收集1次。土壤体积含水率测量采用TRIME-PICO-IPH TDR（德国IMKO公司）。观测深度与土壤取样深度相同。深度为0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm。收集的土样立刻装入10 mL玻璃瓶内，Parafilm封口膜密封带回实验室冷冻保存。

③降雨样品收集：在实验站随机放置3个自制雨量桶收集降雨，在收集降雨后尽快对其进行过滤并且放入实验站冷藏，以减小蒸发带来的同位素分馏影响。

1.4 数据处理与分析

试验期间所取棉花茎秆样品、土壤样品及降雨样品均采用LI-2000植物、土壤水分真空设备（美国LGR公司），将棉花茎秆样品水分和土壤水分提取出来并放入1.5 mL色谱瓶中密封低温保存。石河子大学水利建筑工程学院利用液态水同位素分析仪（Los Gatos Research,Inc.Mountain View，USA）测量提取水中氢氧同位素比率，计算公式如下：

其中，Rsample为样品中元素重轻同位素丰度之比，如（D/H），（18O/16O）；Rstandard为国际通用标准物（H、O稳定同位素采用V-SMOW）稳定同位素丰度之比。液态水同位素仪器测试精度18O/16O优于0.1‰，D/H优于0.3‰。

1.5 水分来源模型（IsoSource模型）

运用IsoSource模型[17]计算棉花对各水源利用比例。研究结果为氢同位素分馏，相比氧同位素分馏更显著，所以选择以δD为例。将棉花茎秆木质部水的δD与剩余水源的δD带入该模型，构建质量平衡公式：

其中，δD为棉花茎秆水氢同位素值；δD1，δD2…δDn为各水源氢同位素组成；f1，f2…fn为各水源占棉花利用水分百分数，总和为1。

2 结果与分析

2.1 实验站大气降雨同位素组成特征

本次试验期间（5～10月）研究区实验站共收集7次大气降雨，降雨稳定同位素值分布如图1所示，降雨的δD与δ18O范围分别是-58.732‰～-1.77‰和-8.236‰～-1.248‰，最大值出现在7月11日，δD、δ18O值分别为-1.77‰和-1.248‰，最小值出现在8月4日，分别为δD、δ18O值分别为-58.732‰和-8.236‰，对实验站所测大气降雨同位素值作线性回归分析，得到该实验站大气降水线方程（LMWL,Local Meteoric Water Line）为δD=7.18δ18O-4.17（n=7,R2=0.96），其斜率和截距均小于全球大气降水线[18]（GMWL，Global MeteoricWater Line），δD=8δ18O+10。结果表明，实验站大气降雨并非棉花主要用水来源。

图1 全球和实验站降雨的氢氧同位素值分布情况Fig.1 Distribution of hydrogen and oxygen isotope values of rainfall in the world and experimental stations

2.2 棉花茎秆水稳定同位素组成与土壤水稳定同位素组成关系

由图2可知，棉花茎秆水δD值均分布在土壤水同位素值分布区间，说明土壤水是棉花主要利用水源[19]。在每个生育期内随土壤深度增加，土壤水δD值在每个处理下均随土壤深度增加呈下降趋势。与李惠研究新疆膜下滴灌棉花稳定同位素分布特征一致[20]。在苗期时，40 cm以上土壤水δD值波动较大。当盐分含量为S1，S2，S3时，每层土壤δD值均呈现N1＞N2＞N3情况，同时棉花茎秆水δD值也表现为N1＞N2＞N3。说明在棉花苗期时，同一盐分情况下，随施肥量增加土壤水和棉花茎秆水的δD值均呈下降趋势，而高盐分情况相比低盐分下降更快。蕾期时相对于苗期土壤水和茎秆水的δD值进一步变小，同盐分不同肥料处理条件下相同深度土壤水的δD值相比苗期跨度也更大。但不同处理下土壤水和棉花茎秆水的δD值总体变化规律与苗期一致。花期时相对于蕾期土壤水，茎秆水δD值大幅变小，且在肥料处理为N3条件下变化最明显。但土壤水及茎秆水δD值垂直变化规律与前两个生育期一致。吐絮期相比花期土壤水，茎秆水δD值变幅更大，δD值也更小，土壤水和棉花茎秆水δD值变化规律与前3个生育期保持一致。

因每个生育期土壤水和棉花茎秆水的δD值总体变化规律一致，同时花期又是全生育期内所需水肥最重要阶段[21]。因此本研究主要以棉花花期为例，探讨不同处理下土壤水与棉花茎秆水的δD值总体变化规律，如图2所示。

图2 棉花花期茎秆水与土壤水源同位素关系Fig.2 Relationship between stem water and soil water source isotope in cotton flowering

综上，棉花全生育期内，每个处理下土壤水的δD值均会随土壤深度增加而减小且吐絮期、花期比苗期、蕾期减小幅度更大。在同一生育期内同等盐分处理情况下，随施肥量增加，棉花根茎水的δD值越小。

2.3 不同处理下棉花对不同深度土壤水利用率

因大气降雨、灌溉水及地表径流等水源只有转化成土壤水后才可被植物吸收利用[22]，此次试验中棉花吸水来源被认为是不同深度土壤水。将0～20，20～40，40～60 cm土壤水以及棉花茎秆水的δD输入IsoSource模型，得到每个生育期在不同处理下棉花对不同深度土壤水利用比例Water utilization rate（后文简称WUR）见表2。苗期时棉花主要利用0～20 cm土壤水，其中最高利用比例为N1S3的79%，最低比例为N3S1的72%。当盐分为S1时，水分利用比例大小关系为：N1S1＞N2S1＞N3S1。盐份为S2时，水分利用比例大小关系为：N1S2＞N2S2＞N3S2。盐份为S3时，水分利用比例大小关系为：N1S3＞N2S3＞N3S3。蕾期时棉花主要利用20～40 cm土壤水，N2S3时利用比例最高为57.7%，最低利用比例为N2S1的52.5%。当盐分为S1时，水分利用比例大小关系为：N1S1＞N2S1＞N3S1。盐分为S2时，水分利用比例大小关系为：N3S2＞N1S2＞N2S2。盐份为S3时，水分利用比例大小关系为：N2S3＞N1S3＞N3S3。花期时棉花主要利用40～60 cm土壤水，其中最高利用比例为N1S1的63.7%，最低利用比例为N3S3的58.7%。当盐分为S1时，水分利用比例大小关系为：N1S1＞N2S1＞N3S1。当盐分为S2时，水分利用比例大小关系为：N1S2＞N2S2＞N3S2。当盐分为S3时，水分利用比例大小关系为：N2S3＞N1S3＞N3S3。吐絮期时棉花利用40～60 cm土壤水比例较花期大幅增长，N1S1时利用比例最高为80.3%，N3S3利用比例最低为73%。当盐分为S1时，水分利用比例大小关系为：N1S1＞N2S1＞N3S1。盐分为S2时，水分利用比例大小关系为：N1S2＞N2S2＞N3S2。盐分为S3时，水分利用比例大小关系为：N2S3＞N1S3＞N3S3。

表2 全生育期各处理下棉花利用土壤水分深度和比例Table 2 Depth and proportion of soil water use of cotton under different treatments in the whole growth period

综上，苗期时在3种梯度盐分处理下，棉花主要利用0～20 cm土壤水比例随着施肥量增加而减少。蕾期相比苗期棉花主要利用土壤水深度向下延伸至20～40 cm，且盐分处理为S1、S2时，棉花主要利用20～40 cm土壤水比例随着施肥量增加而减少。花期、吐絮期时棉花主要利用土壤水深度为40～60 cm，盐分为S1，S2处理时均表现为施肥量和棉花土壤水利用比例呈负相关关系。

3 讨论与结论

3.1 不同盐肥处理棉花利用土壤水分深度和比例变化规律

棉花苗期主要利用0～20 cm土壤水（利用比例最高为N1S3的79%），蕾期主要利用20～40 cm土壤水（利用比例最高为N2S3的57.7%），花期主要利用40～60 cm土壤水（利用比例最高为N1S1的63.7%），吐絮期主要利用40～60 cm土壤水（利用比例最高为N1S1的80.3%），全生育期符合棉花吸水由浅变深的规律，与张立桢等对山西运城董村棉花根系吸收规律一致[23]，说明试验棉花符合一般生长规律。

3.2 不同盐肥处理棉花土壤水和茎秆水δD值变化规律

所有处理棉花土壤水δD值和土壤深度呈负相关关系，全生育期内土壤水δD值呈下降趋势；盐分一定时，棉花茎秆水δD值与施肥量呈负相关关系。当盐分处理为S1时，全生育期各处理δD值大小关系为N1S1＞N2S1＞N3S1，且全生育期N1S1、N2S1、N3S1的δD均值分别为：-104.198‰、-107.496‰、-109.374‰；当盐分处理为S2时，全生育期各处理δD值大小关系为N1S2＞N2S2＞N3S2，且全生育期N1S2、N2S2、N3S2的δD均值分别为：-102.481‰、-106.055‰、-108.422‰；当盐分处理为S3时，全生育期各处理δD值关系为N1S3＞N2S3＞N3S3，且全生育期N1S1、N2S1、N3S1的δD均值分别为：-101.063‰、-104.415‰、-107.974‰。

3.3 棉花土壤含水率与土壤水利用比例关系

土壤含水率变化可在一定程度上反映植物生长情况[24]。随盐分处理不同，棉花根系吸水作用变化导致棉花土壤含水率也发生改变[25-26]，调整利用土壤水比例结构。苗期与蕾期当盐分为S1和S2时，棉花浅层土壤水（0～40 cm）含水率与相应利用率成反比，与王艳莉等研究发现浅层含水率增加，促进根系活性导致浅层土壤水利用增加一致[27]。苗期因土壤初始含水率影响导致规律不显著。同时盐分为S1，S2时，随施肥量增加棉花对0～40 cm土壤水利用比例逐渐降低。当盐分为S3时，不同施肥量下棉花对于0～40 cm土壤水吸收比例关系为N2S3＞N1S3＞N3S3。花期和吐絮期，盐分为S1，S2时，棉花根系主要吸收土壤水深度40～60 cm含水率与相应利用率呈反比，随施肥量增加棉花对该层土壤利用比例逐渐减少。盐分为S3时肥料为N2处理均大于N1与N3处理40～60 cm土壤水利用比例。

综上，不同盐分土壤采取适宜施肥量有利于棉花提高灌溉水利用效率[28]，当盐分为S1，S2时推荐使用施肥量为N1，盐分为S3时推荐使用施肥量为N2，可将水资源高效用于农业生产。