干旱区微咸水覆膜灌溉棉花根系生长分布与土壤水盐运移规律及其相互作用

赖善星，张耀珑，盛统民，张茗惠，陈文岭*

(1.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430078；2.中国地质大学(武汉)长江流域环境水科学湖北省重点实验室，湖北 武汉 430078；3.新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830049)

新疆位于西北内陆盆地，是我国最主要的棉花产区之一，水资源短缺和土地盐渍化制约着该地区农业的可持续发展[1-2]。我国微咸水资源利用潜力巨大[3]，微咸水资源广泛分布于新疆地区浅层地下水中，在淡水资源匮乏情况下，采用微咸水灌溉在一定程度上缓解了该地区不断增加的用水需求[4]。但微咸水资源利用不当，容易导致土壤盐渍化、棉花减产[5-6]。因此，如何科学合理、安全高效地利用微咸水资源，一直是新疆棉田灌溉需要解决的核心问题[7]。

因地制宜地采用节水灌溉措施可提高微咸水利用效率、减少危害。膜下滴灌是将传统覆膜种植与滴灌相结合的一种节水灌溉技术，具有增加根区土壤含水率、减少土壤蒸发和深层渗漏量等优点[8]，已经成为微咸水资源合理用于新疆农业生产的重要灌溉模式[9]。前人对微咸水覆膜灌溉棉田土壤水盐运移规律及其对棉花产量的影响做了大量的研究。如Chen等[5]通过多年的微咸水膜下滴灌田间试验研究发现，灌溉水主要影响浅部0～60 cm土层，覆膜处土壤水分高于未覆膜的裸土处，盐分累积主要集中在40～45 cm土层；王全九等[10]研究认为，覆膜抑制了盐分向土壤表层累积，通过对主根区进行脱盐，为棉花生长提供了较好的水盐环境；叶含春等[11]研究发现，膜下滴灌棉田土壤盐分随水分运移明显，土壤盐分分布规律主要受水分蒸发和灌溉水浸润区范围的影响；宋有玺等[12]研究表明，合理采用2 g/L左右的微咸水灌溉棉田比淡水更有利于棉花叶面积增长和地上部干物质累积。

作物细根是根系系统中重要的器官，是作物与土壤相互作用的枢纽[13]。作物细根生长与形态分布受田间土壤水盐分布的影响[14]；同时作物细根形态分布也影响了土壤水盐运移[15]，作物细根分布的复杂性是导致田间土壤水盐运移规律复杂性的重要原因之一[16]。作物细根生长与形态分布状况也是影响作物地上部生长和产量的重要因素[13]。因此，研究微咸水覆膜灌溉棉花根系生长分布与土壤水盐运移动态变化规律及其相互作用关系显得十分重要。纵观国内外研究，主要以棉花密集种植的田间试验为主，田间精细监测棉花根系生长分布与土壤水盐运移动态的工作量大且复杂，不同棉株间根系生长相互影响，难以准确获得单株棉花根系生长分布情况，并且大田中难免有其他植物根系生长，对试验结果也可能会造成较大的干扰。而关于单株棉花根系生长分布情况与土壤水盐运移间的相互作用关系研究也少见报道。因此，本文通过开展不同灌溉水棉花盆栽覆膜灌溉试验，探讨在微咸水和淡水灌溉处理条件下，单株棉花根系生长分布与土壤水盐运移动态变化规律及其相互作用关系，从而为干旱地区微咸水有效利用，优化精准控盐的节水措施以及实现棉花稳产、高产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

不同灌溉水棉花盆栽覆膜灌溉试验于2020年4月至10月在新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局水利科研所国家重点灌溉试验站(简称为巴州灌溉试验站)内完成。试验区地处孔雀河冲积平原区，地势较为平缓。该地区属温带大陆性干旱气候，降雨稀少，蒸发作用强烈，光照时间充足，年平均光照时间达3 036.2 h，年平均气温为12.0℃，年平均降雨量为53.3～62.7 mm，年平均蒸发量为2 273～2 788 mm[17]。试验期内总降雨量为32.4 mm，最大日降雨量为6.8 mm，降雨稀少，对试验的影响可忽略不计。

盆栽试验所用的灌溉水分为微咸水和淡水，其中微咸水取自区内开采的浅层地下水，其矿化度为2.9 g/L；淡水取自渠道水，引自孔雀河来水，其矿化度为0.9 g/L。不同灌溉用水中主要离子含量，见表1。试验所用土取自区内棉田表层土(0～20 cm)，土质较为均一，以壤土为主，其干容重为1.63 g/cm3[18]。

表1 2020年巴州灌溉试验站盆栽试验灌溉用水中主要离子含量

1.2 试验布置与监测方法

1.2.1 试验布置

盆栽试验设置微咸水和淡水灌溉处理，每个处理各设置20株盆栽。盆栽试验供试棉花品种为“创棉”50号，于2020年4月15日采用营养钵播种育苗，每个营养钵播种两棵，4月20日出苗。本试验将足量的棉田表层土过筛网去除土壤中残留的杂质并充分混匀，并依据邻近地块田间棉花根系生长主要集中在0～30 cm深度范围内[5]，尽量选用尺寸大的桶进行装样[19]，试样桶选用规格为40 cm高、上部和下部直径分别为40 cm和36 cm的桶，按棉田土壤干容重将筛选后混合均匀的土填装至桶高35 cm处，每桶留取5 cm空间确保土壤基质净重为45 kg，再向每桶盆栽土壤中施加底肥(磷酸二铵、硫酸钾等复合肥)，底肥量参照当地棉田实际施加量进行换算。所有盆栽按照随机区组设计放置于棉田旁土坑中，确保桶中顶部土壤与棉田土面平齐。移栽前两天用自来水将所有盆栽土壤浇透，每桶浇水10 L，待棉苗开始长出2片真叶，于5月11日将长势一致的2株棉花幼苗移栽在每个桶里，桶底部均匀打有10个直径为5 mm的小孔，在桶底铺设两层纱网，并在纱网上均匀撒上一层细砾石保证透气，防止土壤流失以及棉花根系伸出孔外。

移栽完成后，对盆栽土面进行覆膜，7 d后选留2株棉花幼苗中长势较好的一株，期间每桶盆栽每隔2天浇灌1 L自来水以保证棉苗生长。6月14日开始加入微咸水和淡水灌溉处理，灌水时揭开地膜，沿盆栽土面缓慢均匀浇灌，灌水结束后复原。盆栽试验灌水时间、灌溉水量以及棉花生育期施肥量(随水浇灌)与当地棉田保持一致，具体的灌水和施肥方案见表2。试验过程中观测盆栽底部孔洞周边土壤是否有湿润迹象，结果发现在整个灌水期间均未见灌溉水从盆栽底部渗出。

表2 2020年巴州灌溉试验站盆栽试验灌水和施肥方案

1.2.2 试验监测方法

盆栽试验分别于6月23日(苗期)、7月18日(蕾期)、8月4日(花铃期)、8月20日(盛铃期)、9月1日(吐絮期)从微咸水、淡水灌溉处理组中各选取长势一致的4株盆栽，将棉株子叶节处以上的地上部剪掉，分别测量棉花株高、茎粗，并对棉株叶、蕾、花、铃的数量进行清点，之后将棉株分为茎、叶、铃3部分，先用自来水冲洗，再用去离子水洗净装入纸袋，置于烘箱105℃杀青0.5 h，70℃烘干48 h至恒重，分别称量干物质重。对盆栽棉花根系采用网格法进行取样，由于网格法挖土取根工作量大[5]，故每次仅对微咸水和淡水灌溉处理中代表性的一盆盆栽进行取样。具体取样方式按桶填装土壤的高度共划分为5层，每层厚度为7 cm[见图1(a)]；以棉株位置为中心，靠近棉株主根位置划分为5 cm×5 cm 9个网格，靠近桶边缘其他土块，按照桶边界划分8个网格，每个深度土层共划分为17个土块[见图1(b)]，合计85个土块。在获取棉花根系样品前，采用校正后的WET土壤水盐热测试仪(Delta-T Devices Ltd.,Cambridge,UK)测定每个含根土样的含水率和电导率，并通过测得的电导率反映含根土样的盐分状况。

图1 棉花盆栽网格法挖土取根示意图

将每个含根土样用400目/cm2的纱布包裹，并用自来水冲洗，人工去除杂质后，将棉花根系从土壤中筛出，自然风干后利用根系扫描仪(Perfection V700 photo,Epson,suwa,Japan)在400dpi分辨率下扫描成TIF格式图像文件，再用WinRHIZOTron Pro 2009(Regent,Quebee,Canada)根系分析软件对图像文件进行处理，获得棉花根系的相关参数(如根长等)。

1.3 试验数据处理

以盆栽种植位置为中心，取横向、纵向、45°方向(2个)共4个土壤剖面(图1)，利用Excel软件对4个土壤剖面对应同一位置的含根土块的根长密度(每个土块总根长除以体积)、含水率、电导率求取平均值，并利用Sufer 8.0软件(Sufer 8.0,Golden Software Inc.,USA)绘制咸、淡水灌溉处理条件下土壤剖面棉花根长密度、含水率、电导率分布等值线图，最后利用SPSS 19.0(SPSS 19.0,SPSS Inc.,USA)软件对所获取的试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同生育期咸、淡水灌溉处理条件下棉花根系生长分布的变化规律

不同生育期微咸水和淡水灌溉处理条件下土壤剖面棉花根长密度、含水率和电导率等值线分布图，见图2和图3。

由图2和图3可知，整个生育期内咸、淡水灌溉处理条件下棉花根系生长分布的变化规律较为相似。生长初期，咸、淡水灌溉处理下棉花根系主要集中在棉花种植位置附近深度为10～15 cm浅部土壤中，此时咸、淡水灌溉处理下棉花根系分布的差异性主要取决于主根从种子中萌发时具有的偏向性[20][见图2(a)、图3(a)]；进入蕾期，棉花根系分布密集区域的范围以及棉花根长密度峰值和平均值均明显增大，咸、淡水灌溉处理下土壤剖面棉花平均根长密度分别增长0.56 cm/cm3、0.58 cm/cm3，棉花根系向各个方向延展并向下生长[见图2(b)、图3(b)]，增强棉花植株稳定性的同时伸入较深的土壤中吸收水分及养分[21]；花铃期棉花根系较蕾期进一步生长，咸、淡水灌溉处理下土壤剖面棉花平均根长密度分别增长0.54 cm/cm3、0.66 cm/cm3，这是由于灌溉水的淋洗作用使得盐分在盆栽底部中心形成盐分累积区[5]，棉花根系“躲避”底部中心盐分累积区，向盆栽边壁低盐分区域生长[见图2(c)、图3(c)]；进入盛铃期，棉花根系分布密集区域的范围和土壤剖面棉花平均根长密度达到最大，该时期淡水灌溉处理下土壤剖面棉花平均根长密度大于微咸水灌溉处理约9.6%，但在盆栽底部中心盐分累积区域附近，由于盐分胁迫，棉花平均根长密度仍然较小[16],此时棉花根系主要集中在棉株附近的浅层土壤中以及盆栽边缘底部区域[见图2(d)、图3(d)];吐絮期棉花根系生长速度减缓[5]，土壤浅部靠近盆栽边壁处及土壤中部棉花根系老化脱落，棉花根系分布密集区域范围减小， 土壤剖面棉花平均根长密度相比盛铃期显著降低，咸、淡水灌溉处理下土壤剖面棉花平均根长密度分别下降26.8%、28.1%，近地表的棉花主根开始积累养分，致使近地表棉花根量比例有所回升[21][见图2(e)、图3(e)]。

图2 不同生育期微咸水灌溉处理条件下土壤剖面棉花根长密度、含水率和电导率等值线分布图

图3 不同生育期淡水灌溉处理条件下土壤剖面棉花根长密度、含水率和电导率等值线分布图

通过分析图2和图3可知：在整个生育期内，咸、淡水灌溉处理下棉花根系最大根长密度主要分布在浅部0～32.5 cm土层，淡水灌溉处理下土壤剖面棉花平均根长密度均大于同生育期微咸水灌溉处理，两者差值分别为0.10 cm/cm3(苗期)、0.12 cm/cm3(蕾期)、0.24 cm/cm3(花铃期)、0.16 cm/cm3(盛铃期)和0.14 cm/cm3(吐絮期)。

2.2 不同生育期咸淡水灌溉处理条件下土壤水分运移的变化规律

作物根系吸水作用是土壤水分运移的重要驱动力之一，作物根系吸水强度与根长密度密切相关，根长密度越大,作物根系吸水强度越强[5]。由于整个生育期内咸、淡水灌溉处理下棉花根系生长分布的变化规律较为相似，所以整个生育期内咸、淡水灌溉处理下土壤水分运移分布的变化规律也较为相似(见图2和图3)。通过分析图2和图3可知：生长初期，灌溉水量小，土壤水分下渗深度有限[22-23]，此时作物根系吸收水分主要集中在主根附近，深度为10～15 cm处[见图2(a)、图3(a)]；进入蕾期，灌溉水量增大(见表2)，土壤剖面平均含水率相比苗期有所增大，同时由于土壤剖面棉花平均根长密度有较大幅度增长[见图2(b)、图3(b)]，棉花根系吸水量随之增大，使得土壤剖面平均含水率增长幅度较小，水分仍集中在深度10～15 cm处[见图2(b)、图3(b)]；随着花铃期土壤剖面棉花平均根长密度继续增大，整个土壤剖面平均含水率降低明显，棉花根系密集区域附近水分率先被吸收，此时土壤剖面含水率较高的区域多位于深度25～35 cm棉花根系密度较小的区域[见图2(c)、图3(c)]；盛铃期土壤剖面棉花平均根长密度达到最大，土壤剖面平均含水率继续降低，由于盆栽底部中心位置棉花根长密度较低，根系吸水量小，灌溉水下渗，导致土壤剖面高含水率区域位于盆栽底部中心位置[见图2(d)、图3(d)]；吐絮期土壤剖面棉花平均根长密度降低明显，根系吸水作用相比于盛铃期也有所减弱，但由于吐絮期前盆栽已停止灌溉(见表2)，整个土壤剖面含水率持续下降，同时由于近地表棉花根量比例回升，盆栽底部水分受土壤浅表根系吸水作用，水分向土壤浅表运移趋势明显[见图2(e)、图3(e)]。

通过分析图2和图3可知：在整个生育期内，咸、淡水灌溉处理条件下土壤剖面棉花平均根长密度增长幅度在蕾期、花铃期达到最大，土壤剖面平均含水率在这两个生育期内下降也最为明显，其中咸水灌溉处理下土壤剖面平均含水率在蕾期、花铃期分别下降2.4%、3.0%，淡水灌溉处理下土壤剖面平均含水率在蕾期、花铃期分别下降2.0%、3.8%，且淡水灌溉处理下土壤剖面平均含水率均小于同生育期微咸水灌溉处理，两者差值分别为0.7%(苗期)、0.9%(蕾期)、0.5%(花铃期)、1.3%(盛铃期)和2.2%(吐絮期)。

2.3 不同生育期咸、淡水灌溉处理条件下土壤盐分运移的变化规律

叶含春等[11]研究发现，膜下滴灌棉田土壤盐分随水分运移规律明显。通过分析图2和图3可知：生长初期，灌溉水量小、水分下渗强度有限，加上浅部根系吸水“水去盐留”作用[5,22]，盐分主要集中在棉花主根位置附近、深度为10 cm以内土层[见图2(a)、图3(a)]；进入蕾期，灌溉水量增大，受灌溉水淋洗作用，土壤盐分随水分向下运移[5]，同时由于蕾期棉花根系生长较为活跃，根系吸水作用强，部分盐分随水分向深度15～20 cm棉花根系密集区域运移[见图2(b)、图3(b)];进入花铃期和盛铃期，经灌溉水多次淋洗，盐分在深度为25 cm至盆栽底部形成较为集中的盐分累积区[见图2(c)(d)、图3(c)(d)]。由于淡水灌溉处理下盆栽底部棉花根长密度高于微咸水灌溉处理，吸水能力更强，盐分随水分下移，导致盆栽底部盐分相比微咸水灌溉处理更为集中；但微咸水灌溉处理下土壤剖面平均电导率仍高于淡水处理约9.1%。吐絮期灌水停止，缺少了灌溉水的淋洗作用，受近地表根系较强的吸水作用，盆栽底部盐分随水分向土壤浅部运移[见图2(e)、图3(e)]。

通过分析图2和图3可知：在整个生育期内，淡水灌溉处理下土壤剖面平均电导率均小于同生育期微咸水灌溉处理，两者差值分别为7 mS/m(苗期)、12 mS/m(蕾期)、17 mS/m(花铃期)、22 mS/m(盛铃期)和37 mS/m(吐絮期)；咸、淡水灌溉处理条件下土壤剖面棉花平均根长密度在蕾期、花铃期增长幅度最大，土壤剖面平均电导率在这两个生育期内增长幅度也最大，其中咸水灌溉处理下土壤剖面平均电导率在蕾期、花铃期分别增长49 mS/m、53 mS/m，淡水灌溉处理下土壤剖面平均电导率在蕾期、花铃期分别增长44 mS/m、37 mS/m。

2.4 不同咸、淡水灌溉处理对棉花地上部生长和产量的影响

吐絮期咸、淡水灌溉处理下棉花地上部生长指标和产量，见表3。

由表3可知：淡水灌溉处理下盆栽单株棉花株高、茎粗、叶片数皆优于微咸水灌溉处理，这是由于微咸水的矿化度大，抑制了棉花根系生长[24]；棉花地上部生长与根系生长状况密切相关[25]，淡水灌溉处理盆栽单株棉花地上部干重优于微咸水灌溉处理，这与淡水灌溉处理下土壤剖面平均根长密度均大于同生育期微咸水灌溉处理结果一致；淡水灌溉处理盆栽单株棉花产量也高于微咸水灌溉处理约27.7%。

表3 吐絮期咸、淡水灌溉处理下棉花地上部生长指标和产量

综上分析可知，微咸水灌溉处理下棉花根区根系密集区盐分累积明显，棉花根系长期受到根区高盐分胁迫将抑制其根系生长[26]，进而导致棉花干物质积累减少，棉花减产。因此，如何减少棉花微咸水灌溉根区的盐分累积是值得重点关注的问题之一。对此，张琼等[27]的研究表明，对于含盐量高的土壤，高频灌溉的洗盐效果优于低频灌溉，可显著降低土壤含盐量；黄金瓯等[8]的研究表明，在棉花根系生长旺盛时期，采用咸、淡水轮灌能缓解盐害离子对棉花根系生长的胁迫。依据本文研究结果，在实际生产中采用地下滴灌模式，即将滴灌带布设在地下(如深度为15 cm或30 cm处)，使灌溉水集中供给棉花根系生长密集区，可提高棉花根系对灌溉水的吸收率，同时对高盐分累积区进行洗盐，可达到节水控盐、棉花增产稳产的效果。

3 结 论

(1) 整个生育期内，咸、淡水盆栽覆膜灌溉处理条件下棉花根系分布与土壤水盐运移的动态变化规律较为相似。苗期至盛铃期土壤剖面棉花平均根长密度持续增长，蕾期和花铃期土壤剖面棉花平均根长密度增长最为明显，且在盛铃期达到最大，吐絮期土壤剖面棉花平均根长密度明显下降。棉花根系自发躲避盐分累积区，向盐分较低的区域延伸。整个生育期内，棉花最大根长密度区域主要分布在浅部0～32.5 cm土层，且淡水灌溉处理下土壤剖面棉花平均根长密度大于微咸水灌溉处理。

(2) 苗期和蕾期土壤水分集中在深度10～15 cm棉花根系密集区域；花铃期和盛铃期高含水量区域多位于棉花根长密度较小区域；吐絮期盆栽底部水分受浅表根系吸水作用向土壤浅表运移。整个生育期内，淡水灌溉处理下土壤剖面平均含水率小于微咸水灌溉处理。

(3) 生长初期盐分主要分布在土壤浅部棉花主根位置附近；蕾期盐分受灌溉水淋洗作用，在深度为25 cm至盆栽底部形成较为集中的盐分累积区；吐絮期盐分随水分向土壤浅表运移。整个生育期内，受棉花根系强烈的吸水作用，棉花根区根系生长密集区盐分累积明显，微咸水灌溉处理下土壤剖面平均电导率大于淡水灌溉处理。

(4) 淡水灌溉处理下盆栽单株棉花地上部生长和产量均优于微咸水灌溉处理，淡水灌溉处理棉花产量高于微咸水灌溉处理约27.7%。长期使用微咸水灌溉易在棉花根区主根位置附近、深度15～32.5 cm处形成高盐分累积，进而抑制棉花根系生长，导致棉花减产。