加气对微咸水灌溉棉花幼苗生长的影响

刘 冉，王学成，宋嘉雯，徐雪雯，辛 朗，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

水肥气热是影响作物生长的重要因素，南疆地区因土壤盐分含量高及耕作方式不合理等造成的土壤板结现象[1]使得土壤通气性降低，导致作物根区形成低氧胁迫，影响作物生长发育。南疆作为我国棉花产地，现已普及超宽膜覆盖的棉花种植模式[2]，由于超宽膜的不透气性，使得这种低氧胁迫现象更为严重。该地区淡水资源缺乏，但微咸水资源相对丰富[3]，为寻求微咸水高效利用方式，开展微咸水灌溉条件下加气对南疆地区棉花幼苗生长生理指标的影响，对南疆地区微咸水利用及加气灌溉的发展具有重要意义。

地下灌溉技术较地表灌溉技术具有减少地表蒸发量的优势，可以达到节约农业用水的目的，因此得到了大力发展[4]。加气灌溉是地下灌溉技术的进一步发展[5,6]。现有研究已表明，加气处理因解决了根区出现的低氧胁迫问题并且具有提高土壤酶活性的作用[7]，所以具有一定的增产效果。崔冰晶等人[8]研究表明，与不加气灌溉相比，加气灌溉处理的土壤O2提高2%，土壤孔隙也有所增大，改善了黄瓜根区土壤环境。张璇等人[9]研究发现，根际通气可有效促进番茄生长，并且增加叶绿素含量，进而提高净光合速率。于珍珍[10]研究表明，水肥气耦合作用下，可有效提高玉米株高、茎粗等生长指标，并且可以有效提高玉米产量。王丹英[11]研究发现，适量通气不仅可以促进水稻根系生长，而且可以促进植株分蘖和生物量的积累。以上研究表明加气灌溉技术对作物生长生理发育及产量都有一定的促进作用。南疆地区农业用水紧缺，但具备丰厚的微咸水资源，目前针对微咸水灌溉的研究也越来越多，高聪帅等人[12]研究发现冬小麦具有较强耐盐性，在灌溉水矿化度不大于5 g/L 的情况下可以实现稳产，这表明可以实现使用微咸水对一些耐盐作物进行灌溉。棉花具有较强耐盐性[13]，刘雪艳等人[14]研究表明灌水矿化度为2.36～3.39 g/L 时对棉花的生长及产量影响较小，并且发现干旱缺水时期可以用咸淡混合的灌水方式来保证棉花产量的稳定。研究表明，土壤中盐分含量的高低对作物根系的生长具有显著影响[15]。

综上所述，现阶段针对加气灌溉、微咸水灌溉的研究已较为完善，但缺少将两者综合起来做微咸水灌溉条件下加气处理对作物影响的研究。针对南疆地区缺少淡水资源的现状，研究微咸水灌溉条件下加气处理对棉花幼苗的生理生长影响效果具有较强意义。因此开展加气对微咸水灌溉棉花幼苗生长生理的影响等方面的研究，为南疆地区微咸水的高效利用及加气灌溉的发展提供一定经验参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021年5-7月在塔里木大学水利与建筑工程学院节水灌溉试验基地温室内（81°17′E，40°32′N，海拔1 106 m）开展。温室内试验期间温湿度如图1所示。

图1 试验期间温室内温湿度Fig.1 Temperature and humidity in greenhouse during experiment

温室桶栽试验所用PVC 桶高60 cm，直径20 cm。桶水平放置，两端用PVC 底座和塑料薄膜封死，侧面打孔，间距10 cm，孔径5 cm，每桶打4 孔。供试土样为砂壤土，土壤基本物理性质如表1所示。

表1 土壤基本性质Tab.1 Basic properties of soil

将风干砂壤土过2 mm筛后按土壤容重1.40 g/cm3分层装入桶中。每孔播种2株棉花。水平放倒的桶底部埋设渗灌管，渗灌管一端封死，另外一端连接桶外加气泵。试验布置如图2所示。

图2 试验设计图（单位：cm）Fig.2 Test design

1.2 试验设计

试验设计灌溉水电导率分别为W1（0.6 mS/cm)，W2(4 mS/cm），W3(7 mS/cm)和W4(10 mS/cm)，2 个加气量（S1 不加气，S2 加气），共计8 个处理。每个处理重复3 次，试验设计方案如表2所示。

表2 温室试验设计方案表Tab.2 Greenhouse test design scheme

加气处理每日加气7 次，加气时间为8∶00-20∶00，加气时间间隔为2 h，加气量采用公式（1）[16]进行计算。得出加气量后，依据气泵功率将加气量转化为加气时间。依据土壤储水量计算出灌水量，每孔灌水1 L，各处理灌水量一致，灌水后进行播种。灌水采用医用针头进行滴灌，于5月10日滴水完成后进行播种。

式中：V为标准加气量，L；S为桶横截面积，cm2；L为桶长，cm；ρb为土壤容重，1.40 g/cm3；ρs为土壤密度，2.67 g/cm3。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤含水率和电导率测定

播后第30 天，将棉花幼苗根系处土壤取出，采用烘干法测定土壤质量含水率。将土壤碾碎过筛（2 mm）后配置水土5∶1浸提液，静置8 h后用电导率仪测定土壤电导率值。

1.3.2 株高

播后第10 天开始用直尺测量幼苗株高，每2 天测量一次株高（精确到0.1 cm）。

1.3.3 叶面积、茎粗

播后第20天用直尺测量叶片长与宽。

叶面积=叶片长×叶片宽×叶面积系数（叶面积系数取0.75[17]）

播后第20 天用游标卡尺（精确到0.01 mm）测量株高茎粗。

1.3.4 光合参数

播后第20 天使用Li6400-xt 光合仪测定棉花净光合速率（Pn)，蒸腾速率(Tr)（每处理选取长势均匀的3 株棉花，每株棉花随机取3 片叶测定）。测定时间为11∶00、13∶00、15∶00、17∶00、19∶00。

1.3.5 棉花生物量

播后第30 天，将棉花沿地表剪断，分别称量茎鲜重、叶鲜重及根鲜重，将茎叶根105 ℃杀青30 min 后放置于75 ℃环境中烘干至恒质量，称取其茎、叶、根干重（精确至0.000 1 g）。

1.3.6 棉花根系生物量测定

播后第30 天，将根从土中取出，取出后的根系放置于密封袋中。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～TW3S2930DW）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、根体积及根平均直径等形态特征指标，并计算出根长密度。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2019 对数据进行统计分析，使用Origin 2018 进行制图，采用SPSS 22.0 对数据进行统计分析，选用LSD与Duncan新复极差法进行显著性检验（p=0.05）。

2 结果与分析

2.1 加气与灌水电导率对棉花幼苗生长指标的影响

2.1.1 株高

加气和灌水电导率对棉花幼苗的生长影响显著，在播种后20 天左右幼苗株高长势有提高趋势。由图3可知，当灌溉水矿化度电导率一致时，加气较不加气处理的棉花幼苗株高日均增长量有提高现象但不具有显著性（p>0.05），灌溉水电导率为W1、W2、W3、W4 时分别提高2.80%、6.73%、13.47%、9.44%。当加气处理一致时，棉花株高日增长量随灌溉水电导率的提高而降低，且呈现显著性变化（p<0.05），TW1S1较TW2S1、TW3S1、TW4S1时分别提高6.15%、24.74、29.40%；TW1S2较TW2S2、TW3S2、TW4S2分别增加2.4%、15.63%、32.24%。加气处理使得各灌溉水电导率梯度之间棉花幼苗日增长量差值减小，这表明加气处理对灌溉水电导率为W2、W3的日均株高增长量提升作用要高于对灌溉水电导率为W4的作用。

图3 不同处理对棉花幼苗株高的影响（不同字母代表组间具有显著性差异p<0.05，下同）Fig.3 Effects of different treatments on plant height of cotton seedlings

2.1.2 叶面积、茎粗

不同加气处理与灌溉水电导率对棉花幼苗叶面积、茎粗的变化如图4所示。在加气处理相同情况下，棉花幼苗的叶面积、茎粗变化均相同，随着灌溉水电导率的升高而降低，且降低现象显著，TW1S1较TW2S1、TW3S1、TW4S1处理叶面积分别提高13.41%、14.55%、39.58%；TW1S2较TW2S2、TW3S2、TW4S2处理叶面积分别提高15.16%、18.27%、31.14%。不加气与加气处理下，W1茎粗最大，茎粗大小依次为W1>W2>W3>W4，在灌溉水电导率值为W1时，TW1S2较TW1S1叶面积、茎粗分别提高11.31%、2.24%，这表明，灌溉水电导率值较低时，幼苗的叶面积、茎粗生长效果最佳，随着灌溉水电导率上升，棉花幼苗的生长受到的抑制影响加剧，在灌溉水电导率相同时，加气较不加气处理对棉花有一定的促进作用。

图4 不同处理下棉花幼苗叶面积与茎粗Fig.4 Effects of different treatments on leaf area of cotton seedlings

2.2 加气及灌溉水电导率不同处理下对棉花幼苗生物量的影响

表3为不同灌溉水电导率水平和加气处理对棉花幼苗植株各部分干鲜物质累积的影响，在同一灌溉水电导率水平下，加气处理下棉花幼苗的茎、叶、根的干鲜重均高于不加气处理，并且差异性显著。加气较不加气处理棉花幼苗的鲜生物量、干生物量分别最大提高13.77%和18.16%。TW1S2、TW2S2、TW3S2、TW4S2较TW1S1、TW2S1、TW3S1、TW4S1的鲜生物量和干生物量分别提升9.74%和14.95%、7.92%和9.76%、9.33%和18.02%、7.63%和8.96%。根据方差分析，在相同的加气处理条件下，棉花幼苗的茎、叶、根的干鲜重均随着灌溉水电导率的增大而降低，且下降效果显著。加气处理下，TW1S2较TW2S2、TW3S2、TW4S2相比鲜生物量分别增加12.25%、21.47%、37.11%，TW1S2较TW2S2、TW3S2、TW4S2相比干生物量分别增加9.33%、21.18%、68.48%；在不加气处理下，TW1S1较TW2S1、TW3S1、TW4S1相比鲜生物量分别增加10.4%、20.98%、34.39%，TW1S1较TW2S1、TW3S1，TW4S1相比干生物量分别增加4.39%、24.42%、59.70%。

表3 不同处理对棉花幼苗生物量的影响gTab.3 Effects of different treatments on cotton seedling biomass

2.3 加气及灌溉水电导率不同处理下光合参数的影响

由图5可以看出，棉花幼苗净光合速率、蒸腾速率日变化均呈现双峰“M”曲线，在中午13∶00 及17∶00 达到两个峰值，“午休”现象明显。当加气处理一定时，方差分析表明，灌溉水电导率值对棉花幼苗净光合速率和蒸腾速率的影响具有显著性。不加气处理中TW1S1处理较TW2S1、TW3S1、TW4S1处理在第一个峰值处分别提高4.99%、37.94%、48.13%，第二个峰值处分别提高21.14%、42.64%、48.40%。加气处理中TW1S2处理较TW2S2、TW3S2、TW4S2处理在第一个峰值处分别提高4.99%、37.94%、48.13%，第二个峰值处分别提高21.14%、42.64%、48.40%。这表明随着灌溉水电导率值的升高，棉花幼苗光合速率逐渐降低。当灌溉水电导率值一定时，虽然加气处理对棉花幼苗光合速率影响不具有显著性，但是仍具有一定提升现象。TW1S2、TW2S2、TW3S2、TW4S2较TW1S1、TW2S1、TW3S1、TW4S1在第一个峰值处分别提高4.43%、0.94%、14.89%、15.86%，在第二个峰值处分别提高12.32%、19.01%、13.33%、17.86%。

图5 不同处理对棉花幼苗净光合速率的影响Fig.5 Effects of different treatments on net photosynthetic rate of cotton seedlings

图6为棉花幼苗蒸腾速率日变化图，棉花幼苗蒸腾速率在13∶00 及17∶00 出现两个峰值，“午休”现象出现在15∶00。不加气处理中在第一个峰值处TW1S1较TW2S1、TW3S1、TW4S1分别提高9.41%、37.83%、47.01%，在第二个峰值处分别提高18.03%、53.50%、60.97%。加气处理中TW1S2较TW2S2、TW3S2、TW4S2在第一个峰值处分别提高11.81%、27.45%、33.33%，在第二个峰值处分别提高7.40%、41.70%、43.82%，方差表明灌溉水电导率值对棉花幼苗蒸腾速率具有显著性影响。当灌溉水电导率一定时，比较相同灌溉水条件下加气处理对棉花幼苗蒸腾速率的影响发现，TW1S2、TW2S2、TW3S2、TW4S2与相对应的TW1S1、TW2S1、TW3S1、TW4S1处理在第一个峰值处分别提高5.99%、4.79%、19.45%、25.28%。在第二个峰值处分别提高5.85%、16.65%、24.91%、15.85%。

图6 不同处理对棉花幼苗蒸腾速率的影响Fig.6 Effects of different treatments on transpirationrate of cotton seedlings

2.4 加气及灌溉水电导率不同处理下对棉花幼苗根系构型的影响

由表4可知，在相同加气处理下，棉花幼苗的根长密度、根直径随着灌水电导率的增加而降低，TW1S1较TW2S1、TW3S1、TW4S1处理分别提高10.20% 和7.41%、 17.39% 和9.78%、22.73%和18.37%，根体积变化也是一样，随着电导率的降低，TW1S1较TW2S1、TW3S1、TW4S1处理根体积分别提高6.99%，9.29%，10.88%。在同一灌溉水电导率水平下，加气对单株棉花根长密度、根均直径、根体积与不加气处理相比，差异不显著，与不加气处理相比根长密度分别提高3.70%、4.08%、4.35%、2.27%，根平均直径分别提高2.59%、2.78%、1.86%、5.10%，根体积分别提高3.59%、2.54%、1.78%、1.82%。由此可见，幼苗根系各项指标随着灌溉水电导率的增加而降低，但通过加气作用可以有效缓解灌溉水中盐分对于幼苗根系的影响。

表4 不同处理对棉花幼苗根系构型的影响Tab.4 Effects of different treatments on root architecture of cotton seedlings

3 讨 论

3.1 加气和灌溉水电导率对棉花幼苗生长生理的影响

棉花幼苗时期是棉花各器官完善时期，同时也是最易受水盐及其他外界因素影响的时期[18]。盐分等影响因素会显著影响棉花幼苗生长指标及光合参数与叶绿素含量等生理指标[19]。本试验研究发现随着灌溉水电导率的上升，棉花幼苗的生长速度、叶面积、茎粗等生长指标及干物质积累都有明显下降。这可能是因为棉花生长初期吸收的水分含盐量较大时，会造成根系细胞失水，产生生理性干旱[20]，进而影响棉花幼苗地上部分茎叶、株高等生长指标。图7为各处理播种后30 天土壤质量含水率与电导率图，从图7可以看出随着灌溉水电导率的上升，土壤中剩余水分也随之上升，这可能是因为棉花幼苗的根系受到了盐分胁迫，影响根系对土壤水分的吸收，进而影响了棉花的生长发育，孙艳芸等人[21]发现盐分胁迫会降低根系活力进而抑制作物生长，这与本试验结果基本一致。由图7可发现，相同灌溉水电导率处理下加气较不加气处理，土壤中水分含量更低。这是因为加气处理可以有效增加土壤中孔隙，使得根系有氧呼吸增多，土壤酶活性提高[22]，根系活力上升，吸水能力提高，进而促进棉花幼苗的生长发育，因此加气较不加气处理棉花幼苗株高、叶面积、茎粗等生长指标和干物质积累都有所提高。

光合参数是反应作物生长状况的重要参数[26]。本研究发现随着灌溉水电导率的上升，棉花幼苗净光合速率及蒸腾速率逐步降低，这与王堽等人[27]发现随着盐水平的增加，作物净光合速率及蒸腾速率显著降低的结论相一致。加气处理使得棉花幼苗净光合速率及蒸腾速率较不加气处理有一定提高作用，李元等人[28]研究发现，加气处理可显著提高番茄光合作用。叶片蒸腾速率上升，水分散失速度也随之增大，这与图7显示土壤中剩余质量含水量相对应。说明盐分胁迫会使得棉花幼苗光合作用降低，但加气处理可以提高棉花光合作用。

图7 各不同处理对土壤水盐的影响Fig.7 Effects of different treatments on soil water and salt

3.2 加气和微咸水处理下对棉花幼苗根系构型的影响

在加气处理对根系的影响方面，本试验研究发现在相同灌水条件下，加气较不加气处理棉花幼苗的根系各项指标都有所提高，这是因为根际通气好，能促进根系对养分和水分的吸收进而促进根系生长发育[29]。雷宏军[30]等人研究也表明，加气灌溉可促进作物根系生长发育，进而有利于根系对土壤水肥的吸收利用，促进根系生长和生物量的积累。本试验研究结果表明，随着灌溉水电导率的上升，棉花幼苗的根系指标显著下降。这是因为根系是与土壤盐分直接接触的器官，与其他器官相比，更易受到盐分的影响，高浓度盐分降低土壤溶液水势，导致植物根系吸水困难，从而使根系的各项指标降低[31]。

4 结 论

（1）灌溉水电导率对棉花幼苗的生长指标影响显著,同一灌溉水电导率条件下，加气处理的生长指标均高于不加气处理。随着灌溉水电导率值的上升，棉花幼苗的生长指标逐步降低。在加气处理下，TW1S2较TW4S2棉花幼苗株高、叶面积显著增大了29.40%、39.58%，单株棉花根茎叶鲜重、干重显著增大了30.26%、51.05%，棉花幼苗光合参数显著提高了15.20%。加气处理具有促进棉花幼苗生长的作用，并且相同灌溉水电导率下加气处理的棉花幼苗较不加气处理的棉花幼苗光合性能也均有所提高。

（2）灌溉水电导率的升高对棉花幼苗根系构型有一定的抑制作用。本实验数据表明，TW1S2处理各项根系构型指标均高于其他处理，随着灌溉水电导率的上升，棉花幼苗根系指标逐渐降低，TW1S2处理较TW1S1处理根长密度、根均直径、根体积分别提高了3.70%、2.59%、3.59%。

加气处理能有效降低因微咸水灌溉产生抑制棉花幼苗生长的影响，促进棉花幼苗生长发育，并提高棉花幼苗光合能力。因此当缺少农业灌溉淡水时，可以在使用微咸水灌溉的同时进行加气处理，以达到降低微咸水抑制作物生长影响的效果。