不同礦化度微咸水虧缺灌溉對棉花生長與產量的影響

張建軍, 彭珂珊, 曹 偉

(1.新疆維吾爾自治區水資源中心，新疆 烏魯木齊 830000;2.西北農林科技大學,陜西 楊凌 712100)

水是農業生產和糧食安全的關鍵因素。為了適應人口增加和糧食需求不斷擴展的需要，我國農業灌溉有效面積不斷增大，灌溉農業占用了大量的淡水資源，導致淡水資源供需矛盾問題日益突出[1]。特別是在降雨稀少、以灌溉為主的新疆地區。棉花是新疆塔里木河支柱產業，是農民收入的重要來源。隨著塔里木河經濟發展，人口增加，對水資源的需求日益增加。因此，農業供水逐年減少，農業供需用水矛盾十分突出，灌溉水資源緊缺成為當地農業生產及棉花生產持續發展最重要的限制性因素。塔里木河流域包括巴音郭楞蒙古自治州、阿克蘇地區、喀什地區、克孜勒蘇克爾克孜自治州、和田地區5個地州共42個縣市和兵團農一師、農二師、農三師、和田農墾管理局共56個農墾團場，是以維吾爾族為主體的多民族聚居區。位于塔里木河下游的新疆生產建設兵團第二師31團灌區是典型的人工綠洲區域，地處塔克拉瑪干沙漠和庫木塔格沙漠之間的狹長地帶，干旱少雨，淡水資源缺乏，而微咸水和咸水資源相對豐富，在水資源緊缺或階段性供應不足的現實情況下，大量地下微咸水和農田排水直接被用于棉田灌溉[2]，對作物生長和土壤環境均產生了不同程度的影響。因此，微咸水的合理利用就顯得至關重要。

棉花耐鹽、抗旱能力相對較強，適量濃度的咸水灌溉對棉花生長影響不大，但當灌溉水濃度達到一定程度時，帶入農田的鹽分將降低土壤水分有效性，引起生理干旱，進而抑制棉花生長[3～4]。國內外學者針對微咸水灌溉對棉花生長的影響做了大量研究，聯合國糧農(FAO)提供的棉花耐鹽閾值為7.7 dS·m-1，當電導率EC每增加一個單位dS·m-1棉花產量就會降低5.2%[5]。但根據氣候、土壤環境等試驗條件的不同也會有所差異。Henggeler等[6]研究發現灌溉水電導率每增加一個單位dS·m-1棉花的單鈴重減少3%，灌溉水電導率為4.5 dS·m-1時，調虧1/3灌溉水量引起的減產高于灌溉水為4.5 dS·m-1引起的減產；Vulkan-Levy等[7]研究表明棉花株高與灌溉水量始終呈正相關，與灌溉水鹽分含量呈負相關，當灌溉水水量超過一定限度時，棉花產量隨水量增加而降低，但是干物質量呈一直增長的趨勢；馬麗娟[8]使用8.04 dS·m-1的咸水、4.61 dS·m-1的微咸水以及淡水進行灌溉試驗，結果表明微咸水灌溉棉花干物質質量最高，其次是淡水灌溉，咸水灌溉最低，咸水灌溉棉花的氮素吸收量、產量顯著降低，但微咸水與淡水灌溉差異不顯著。此外，相關研究對連續多年咸水灌溉下棉田的水鹽變化動態進行了預測研究，連續灌溉20 a情景下，3 g·L-1微咸水沒有導致根系層土壤明顯積鹽，5 g·L-1和7 g·L-1咸水引發了次生鹽漬化，綜合考慮土壤鹽分變化和棉花耐鹽閾值，5 g·L-1以下微咸水可直接用于棉花播前造墑和補灌[9]。

由于不同試驗的灌溉方式和水質、灌溉制度、氣候條件、土壤類型等因素不同，使得咸水安全利用時灌溉水礦化度的閾值存在較大差異[10]，因此需要因地制宜的研究棉花生長對咸水灌溉的響應特征。本研究結合研究區的生產實際情況，通過設置6種不同礦化度微咸水(淡水與農田排水按不同比例混合)和2個灌溉定額(滿灌和-20%虧灌)，對不同礦化度微咸水虧缺灌溉下棉花生長與產量的影響進行研究，以期減少微咸水利用過程中鹽分的輸入、提出切實可行的微咸水利用方式，為干旱區農業的可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區新疆生產建設兵團第二師31團位于塔克拉瑪干沙漠東北邊緣塔里木河與孔雀河下游的沖積平原上，地理坐標為E85°24′～88°30′，N39°30′～42°20′。海拔高度為864～870 m，地勢起伏和緩，屬極端干旱沙漠性氣候，光熱資源豐富，降雨稀少且四季分布不均，晝夜溫差大，多風沙和浮塵天氣，降雨量年際變化大，多年平均降雨量53.3～62.7 mm，多年平均蒸發量2 273～2 788 mm，日照時數3 036.2 h，≥10℃的年積溫4121℃，無霜期191 d，生態環境極為脆弱，灌溉用水來自塔里木河與恰拉水庫，礦化度全年變化范圍在0.47～1.53 g·L-1之間，全團灌溉排水礦化度在10.58～18.36 g·L-1之間；土壤類型主要有灌溉草甸土、風沙土、鹽土、沼澤土等。

圖1 研究區位置示意

1.2 試驗設計

試驗方案為裂區設計，主因素為灌溉定額，副因素為不同礦化度的灌溉水。參照當地農業生產的實際狀況，灌溉定額設置為滿灌(5 250 m3·hm-2)和虧灌(4 200 m3·h-2)，灌溉水礦化度共設置6種淡水、咸水配比，淡水來自于塔里木河，咸水直接由排堿渠內抽取。具體試驗設計見表1。試驗采用1膜2管4行的種植方式，棉花供試品種為“新陸中67號”，地膜寬度為125 cm，寬行、窄行以及膜間的距離分別為65 cm、12 cm和20 cm，每個小區42 m2，共12個處理，每個處理3個重復；灌水日期為6月12日至8月30日，每7天1次，共計12次，根據棉花不同生育期需水量的不同進行灌溉,其它田間管理措施均與當地相同。

表1 試驗設計

1.3 測定項目與方法

1.3.1 株高、莖粗、葉面積的測定 在每個小區的內行和外行分別選取長勢均一的3株棉花，用紅色繩子標記作為觀測對象，在棉花的不同生育期使用卷尺和電子數顯游標卡尺分別對株高和莖粗進行測量；棉花葉面積指數采用比葉面積(SLA)的方法測定[11]。

1.3.2 葉綠素含量的測定 從蕾期開始，挑選各小區內長勢一致的植株樣6株，用葉綠素儀(SPAD-502, Konica Minolta Sensing, Inc.,Japan)測定葉綠素含量(SPAD)，時間間隔為10 d。在每株棉花在上、中、下位置各選取一個葉片測量5次，取其平均值，每個小區6株棉花相同葉位葉片SPAD值再平均，作為該小區的SPAD值。

1.3.3 棉花干物質量的測定 每個小區在棉花的苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期內分別選取3株長勢相同的植株，采取破壞行采樣，將各個器官區分開后，將植株樣品放入烘箱105℃殺青30 min后，于70℃烘至恒重，稱重后計算干物質量。

1.3.4 產量及水分利用效率的測定 吐絮期在每個小區各選取3個面積為6.67 m2的棉田，測定棉花的有效鈴數、株數，之后摘取100朵棉花曬干稱重，測定單鈴重，以此計算各處理棉花籽棉產量并折合畝產；水分利用效率(Water use Efficiency, WUE)的計算方法為：WUE(kg·m-3)=總產量(籽棉產量)/總灌水量。

1.4 數據處理

試驗數據使用Excel2019整理；利用SigmaPlot 12.0、Origin 2018、Adobe Illustrator CC軟件進行圖形繪制、排版。使用SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析和多重比較，圖表中數據為平均值±標準誤差；

2 結果與分析

2.1 不同灌溉處理對棉花理化性狀的影響

2.1.1 對棉花株高、莖粗的影響 圖2為不同處理下棉花株高、莖粗隨時間的變化情況，由圖2可知，不同處理下的棉花株高、莖粗變化規律相同，前期營養生長階段生長較為迅速，滿灌各處理株高、莖粗的日變化分別在0.67～0.90 mm·d-1和0.08～0.11 mm·d-1之間，虧灌各處理株高、莖粗的日變化分別在0.54～0.74 mm·d-1和0.09～0.12 mm·d-1之間，在103 d打頂后，棉花營養生長減緩而生殖生長加快，打頂后各處理下棉花的株高基本不再變化，莖粗呈緩慢增長的趨勢。從不同處理間的對比變化來看，滿灌和虧灌下的各處理棉花株高最高的處理分別為T2和T7，各不同礦化度處理間無明顯變化規律；滿灌的各處理下T3處理的莖粗最大，T1處理的莖粗最小，虧灌的各處理下T7處理的莖粗最大，T12處理的莖粗最小，各不同礦化度處理間同樣無明顯變化規律。整體來看，滿灌處理的株高要大于虧灌處理，而莖粗要小于虧灌處理。

圖2 不同處理下棉花株高、莖粗隨時間的變化情況

2.1.2 對棉花葉綠素含量的影響 試驗結果表明，在灌溉條件下，對棉花葉綠素含量影響最大。不同處理下的葉綠素含量變化如圖3所示，滿灌條件下，各處理SPAD值隨時間的變化一致，呈先減小后增大再減小的趨勢，在開花期葉綠素含量最小，在花鈴期后期葉綠素含量最大，吐絮期之后逐漸下降；虧灌條件下，各處理SPAD值同樣在花鈴期后期達到最大并且隨后逐漸下降，但在吐絮期之前各處理間無明顯變化規律；從整體來看，滿灌條件各處理葉綠素含量的變化范圍要大于虧灌處理且葉綠素含量隨生長時間變化的規律更為明顯。

圖3 不同礦化度處理下葉綠素含量的變化

2.2 不同灌溉處理對棉花干物質量的影響

從圖4可以看出，滿灌和虧灌各處理下棉花的單株干物質量在不同生育時期呈逐漸增大的趨勢，干物質累計速率在苗期和蕾期較慢，從蕾期之后生長開始加速，在苗期和花鈴期各處理之間的干物質量無顯著性差異，滿灌條件下，T5處理在蕾期的干物質含量與其它處理有顯著性差異，其它各處理之間無明顯變化規律，吐絮期隨著各處理礦化度的增加，棉花的單株干物質量呈先下降后增大的趨勢，T1處理下干物質量最大，T4處理下干物質量最小。在虧灌條件下，T12處理的干物質量最大，與T1、T2處理有顯著性差異，T9、T10、T11處理與T1處理同樣具有顯著性差異。吐絮期隨著各處理礦化度的增加，棉花的單株干物質量也同樣呈先下降后增大的趨勢，T11處理下干物質量最大，T4處理下干物質量最小。從整體來看，滿灌條件和虧灌條件下棉花苗期、蕾期、花鈴期的干物質累計量差異不大，但吐絮期滿灌條件下各處理的干物質量均要大于虧灌處理，在一定礦化度范圍之內，棉花的干物質量隨著灌溉水礦化度的增加呈減小的趨勢，但灌溉水礦化度達到一定程度后，干物質量會顯著增加。

圖4 不同礦化度處理下葉綠素含量的變化

2.3 不同灌溉處理對棉花產量及水分利用效率的影響

在棉花生育期結束后，對各小區進行人工測產，結果如表2所示。由表2可以看出，灌溉水量對棉花產量的影響十分顯著，滿灌情況下棉花產量整體要大于虧灌情況下的棉花產量，但灌溉水分生產效率普遍較低，與此同時會增加生產成本。從各不同礦化度處理間來看，在滿灌和虧灌情況下，隨著灌溉水礦化度的增加棉花籽棉產量呈逐漸下降的趨勢，T2、T3、T4、T5、T6處理較T1處理產量分別下降了6.57 %、12.39 %、15.96 %、25.50 %、33.95 %，灌溉水礦化度每增加1 g·L-1棉花的籽棉產量減少3.36 %。T8、T9、T10、T11、T12處理較T7處理產量分別下降了3.6 4%、8.2 1%、10.09 %、17.5 1%、43.83 %，灌溉水礦化度每增加1 g·L-1棉花的籽棉產量減少4.34 %。滿灌情況下灌溉水礦化度為6.8 g·L-1時，淡水虧灌20%灌溉水量引起的減產高于滿灌情況下溉水礦化度為6.8 g·L-1時引起的減產，灌溉量對棉花籽棉產量的影響要大于灌溉水礦化度的影響。

表2 不同灌溉處理下棉花的產量及水分利用效率

3 討論與結論

恰當地控制灌溉微咸水的礦化度，對耐鹽作物生長及其產量不會產生很大的影響，說明微咸水可替代部分淡水資源進行農業生產[13～14]。合理利用微咸水資源灌溉對于緩解新疆塔里木河淡水資源短缺的問題有著至關重要的意義[15]。從整體來看，滿灌條件各處理葉綠素含量的變化范圍要大于虧灌處理且葉綠素含量隨生長時間變化的規律更為明顯，各處理SPAD值均在花鈴期后期達到最大并且隨后逐漸下降，但虧灌條件下，葉綠素含量在吐絮期之前各處理間無明顯變化規律，這可能是由于受到水分、鹽分脅迫以及管理水平的影響。相關研究表明：虧缺灌溉對棉花株高有顯著影響，并且二者存在負相關關系，隨著虧缺程度的增加，株高呈顯著下降的趨勢[16～17]。在一定范圍內，灌溉量大，棉株營養生長旺盛，株高增加，反之營養生長受到抑制，株高降低。

(1)從研究的結果來看，滿灌處理的株高要大于虧灌處理，而滿灌處理莖粗要小于虧灌處理，這與前人的研究結果基本相符[16,18]，莖粗的變化不但受水分的影響，還會受到灌溉水中鹽分含量的影響。對比不同處理間的對比變化，滿灌和虧灌下的各處理棉花株高最高的處理分別為T2和T7，滿灌的各處理下T3處理的莖粗最大，T1處理的莖粗最小， 虧灌的各處理下T7處理的莖粗最大，T12處理的莖粗最小，說明在一定范圍內，灌溉水鹽分含量的增加導致棉花株高降低的同時會使莖粗增大，與灌溉水鹽分含量相對比，棉花莖粗的變化對水分更為敏感，缺水會導致莖粗增大；葉綠素含量是反映植被生長階段以及營養狀況的重要生化參數，也是植物總體生長狀況的重要指標。

(2)棉花干物質積累特征是影響棉花產量和品質的重要指標，相關研究發現虧缺灌溉對棉花生物量的影響更顯著[19]，特別是對生育前期營養生長階段的影響更大。由于受虧缺灌溉誘導的水分脅迫的影響，棉花營養生長受到抑制，同時出現了株高和葉面積均下降的趨勢，導致生物量減少，并且隨著虧缺量的增加生物量減少增多[20～22]。筆者研究中從整體來看，滿灌條件和虧灌條件下棉花苗期、蕾期、花鈴期的干物質累計量差異不大，但吐絮期滿灌條件下各處理的干物質量均要大于虧灌處理，生長前期營養生長所受到的影響較后期生殖生長所受到的影響較小，這與以往的研究有所不符，可能是由于筆者研究中各處理下棉花的單株干物質量在不同生育時期呈逐漸增大的趨勢[23]。筆者本研究當中滿灌情況下灌溉水礦化度每增加1 g·L-1棉花的籽棉產量減少3.36 %，虧灌情況下灌溉水礦化度每增加1 g·L-1棉花的籽棉產量減少4.34%，這可能是由于灌溉水水質、氣候、土壤母質以及田間管理所導致的，在不同礦化度咸水灌溉下棉花產量并未出現上升的趨勢，但灌溉水礦化度較低的處理減產程度一般也比較小。

(3)整體來看，滿灌處理的株高要大于虧灌處理，而莖粗要小于虧灌處理，從不同處理間的對比變化來看，株高、莖粗各不同礦化度處理間同樣無明顯變化規律；不同處理間的葉綠素含量變化無明顯變化規律，滿灌條件各處理葉綠素含量的變化范圍要大于虧灌處理且葉綠素含量隨生長時間變化的規律更為明顯。滿灌條件和虧灌條件下棉花苗期、蕾期、花鈴期的干物質累計量差異不大，但吐絮期滿灌條件下各處理的干物質量均要大于虧灌處理。在吐絮期，滿灌條件和虧灌條件下變化大。滿灌情況下灌溉水礦化度每增加1g·L-1棉花的籽棉產量減少3.36 %，虧灌情況下灌溉水礦化度每增加1 g·L-1棉花的籽棉產量減少4.34 %，滿灌情況下灌溉水礦化度為6.8 g·L-1(T4處理)時，淡水虧灌20%灌溉水量引起的減產高于滿灌情況下溉水礦化度為6.8 g·L-1時引起的減產，灌溉量對棉花籽棉產量的影響要大于灌溉水礦化度的影響。

(4)綜合考慮產量、水分利用效率和增加的成本，在水資源極度匱乏的情況下，建議研究區使用淡水與咸水2：3的比例(礦化度為6.8 ±0.58 g·L-1)進行灌溉。