微咸水和再生水對盆栽棉花土壤理化性質和根系的影響

潘秋艷，劉玉春，徐 倩，孫紅春，李存東，朱 浩，白彩虹(.河北農業大學 城鄉建設學院，河北 保定 0700；. 河北農業大學 農學院，河北 保定 0700)

0 引 言

淡水資源短缺已經成為制約華北平原經濟發展的重要問題，微咸水和再生水應用于棉花灌溉是解決水資源短缺的有效途徑。王艷娜等[1]，李加宏等[2]進行了有關微咸水和咸水應用的實踐；王全九等[3]研究認為把握好滿足作物對水分的需求與控制鹽分危害的關系是微咸水灌溉技術的關鍵；Hipp[4]認為微咸水灌溉導致土壤鹽分累積，累積程度與灌溉水含鹽量相關；李莎等[5]研究表明灌溉水礦化度是影響作物根層含鹽量的主要因素。Paliwal等[6]研究表明再生水灌溉促進作物生長，減少施肥量。但Singh等[7]，Mapanda等[8]認為再生水應用于農業灌溉會對人體健康和環境產生不利影響，再生水灌溉具有增加土壤鹽分的趨勢[9-12]。龔江等[13]研究表明在鹽分脅迫下棉花根系會產生相應的適應反應，根系形態發生改變。國內外對于微咸水和再生水灌溉對土壤鹽分影響的研究較多，但有關微咸水和再生水在不同灌水量條件下對棉花土壤理化性質和根系的影響，鮮有報道。本文主要研究不同礦化度微咸水和再生水在不同灌水量的條件下，對盆栽棉花土壤理化性質和根系的影響，為微咸水和再生水應用于棉花灌溉提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于河北省保定市河北農業大學東校綠化區。保定市處于38°10′～40°00′ E、113°40′～116°20′ N之間，屬溫帶季風性氣候，年最霜期165～210 d。試驗占地30 m2，試驗用土壤取自試驗地0～20 cm土層，年最高氣溫27 ℃，最低氣溫-12 ℃，多年平均降水量500 mm，平均日照2 700 h，土壤初始含鹽量為0.03%，密度為1.28 g/cm3，田間持水率為0.33 cm3/cm3，有機質含量為23.33 g/kg，速效氮為70.05 mg/kg，速效鉀為122.09 mg/kg，速效磷為15.70 mg/kg。土壤基本物理性質經百特激光粒度分析系統Ver 7.21測定，試驗土壤為砂粉土，如表1所示。

表1 土壤基本物理性質Tab.1 Physical properties of the soil

1.2 試驗設計

試驗分別于2014年4月20日-6月25日和2014年6月26日-8月11日進行兩期，第二期試驗是第一期試驗的重復，僅微咸水的礦化度有調整，供試棉花品種為農大棉601。試驗設置灌水水質和灌水量2個試驗因素，灌水水質設5個水平，分別為低、中、高礦化度的微咸水、再生水和清水，其中清水作為對照，以下分別以Q1、Q2、Q3、Q4和Q5表示。試驗用微咸水采用離子成分摩爾配比NaCl∶Na2SO4∶CaCl2∶MgCl2=4∶2∶1∶1人工配置成低、中、高三個礦化度，第一期試驗低、中、高3個礦化度分別設置為2、3、4 g/L，第二期試驗分別設置為2、4、6 g/L，再生水取自保定銀定莊污水處理廠過濾池，對照用清水取自河北農業大學東校綠化區水井，灌溉水水質見表2。灌水量設4個水平，分別為田間持水量的95%、85%、70%和55%，以下分別以W1、W2、W3和W4表示。試驗共20個處理，每個處理10個重復，采用完全隨機試驗設計，共計200個試驗用盆。

試驗土壤過5 mm篩，按干密度1.28 g/cm3分層均勻填裝至高17 cm、平均直徑為17.5 cm，總容積為16 458 cm3的瓦盆，填裝深度15 cm。裝好土后，按4個灌水水平進行播前灌，2 d后每盆均勻播種20粒棉種，待棉苗長到3片真葉時定苗，每盆留長勢均勻的棉苗1株。試驗無基肥和追肥，雨天用塑料棚遮蓋，保證無雨淋。土壤含水率采用土鉆取樣烘干法測定，根據土壤含水率確定灌水定額，見表3。

1.3 試驗測定項目

試驗測定項目包括土壤鹽分、硝態氮、有機質和棉花根系的根長、根表面積、根體積等。試驗采用土鉆分別在播種期、營養生長期和現玲期各取土1次，每次在統一處理不同平行中取土，取土深度0～15 cm。土樣放于實驗室通風處自然風干，研磨，過2 mm篩，采用水土比為5∶1配置土壤浸提液。土壤浸提液的鹽分使用AZ8371 Salinity meter測定，土壤浸提液的硝態氮采用上海PXSJ-226型雷磁計測定，土壤浸提液的有機質采用TRF-2PC型土壤測試儀測定。試驗結束日每個處理選取3株長勢均勻的棉株，取出完整根部，置于60目鐵篩中沖洗，撿出所有活體根系，再用去離子水沖洗，使用EPSON V300型掃描儀把根系掃描成灰階模式的TIF圖像文件，然后用WinRhizo圖像處理系統處理圖像，獲取根系分布參數總根長、根體積等。

表2 灌溉水水質指標 mg/kgTab.2 Quality of irrigation water

表3 盆栽棉花灌溉制度Tal.3 Potted plant cotton irrigation system

用AMT-300電子四合一土壤測試計測量土壤溫度，第一期試驗的土壤溫度是14～23 ℃，第二期試驗的土壤溫度是23～28 ℃。用20 cm蒸發皿測量水面蒸發量，第一期試驗的日平均蒸發量是5.35 mm，第二期試驗的日平均蒸發量是6.31 mm。

1.4 試驗數據分析方法

試驗數據處理及制圖采用Microsoft Excel 2007進行，數據顯著性分析采用Spss Statistics 17.0V 數據分析軟件LSD法進行。

2 結果與分析

2.1 盆栽棉花苗期土壤鹽分動態變化情況

微咸水和再生水灌溉在滿足作物對水分需求的同時將鹽分帶入土壤，因此要防止鹽分在作物主根區的積累。為了分析微咸水和再生水灌溉對盆栽棉花苗期土壤鹽分動態變化情況的影響，將不同灌水水質和灌水量時苗期土壤含鹽量的變化曲線繪如圖1。灌水量對土壤含鹽量沒有顯著影響。在灌水水質Q1、Q2、Q3、Q4和Q5處理時，第一期試驗結束日土壤含鹽量分別為0.103%、0.180%、0.228%、0.063%和0.045%，第二期試驗結束日土壤含鹽量分別為0.113%、0.166%、0.221%、0.075%和0.068%，微咸水和再生水處理與對照清水處理相比均增加土壤含鹽量，而且土壤含鹽量隨著微咸水礦化度的升高而增加。方差分析結果表明，灌水水質對土壤含鹽量在p=0.05水平上影響顯著，由圖1可知，隨著灌水次數的增多，微咸水灌溉土壤含鹽量逐漸增加，出現表層土壤積鹽現象。在灌水量W1、W2、W3和W4處理時，第一期試驗土壤含鹽量分別為0.144%、0.104%、0.130%和0.116%，第二期試驗土壤含鹽量分別為0.228%、0.164%、0.238%和0.186%，第一期和第二期試驗土壤中鹽分與初始土壤鹽分相比，均出現土壤積鹽現象，方差分析結果表明，灌水量對土壤含鹽量沒有顯著影響。第一期試驗土壤含鹽量低于第二期試驗土壤含鹽量，可能是由于第二期試驗地面蒸發加強，土壤中鹽分積累隨之增加。

圖1 灌水水質和灌水量對盆栽棉花苗期土壤含鹽量的影響Fig.1 Effects of irrigation water quality and irrigation amount on the soil salt content of potted cotton in seeding stage

2.2 盆栽棉花苗期土壤有機質動態變化情況

圖2給出了不同灌水水質和灌水量對盆栽棉花苗期土壤有機質影響的變化情況。在灌水水質Q1、Q2、Q3、Q4和Q5處理時，6月23日土壤有機質含量分別是0.9%、0.9%、0.9%、2.0%和1.3%，8月11日土壤有機質含量分別為1.0%、0.6%、0.9%、1.5%和0.8%。與對照清水相比，微咸水處理使6月23日土壤有機質含量降低30%，再生水處理使6月23日土壤有機質含量增加54%；2和6 g/L微咸水和再生水處理使8月11日土壤有機質含量分別增加25%、13%和88%，4 g/L微咸水處理使8月11日土壤有機質含量降低25%。可知，再生水處理有效提高棉花苗期土壤有機質含量，微咸水處理由于鹽分脅迫作用，抑制或緩慢增加土壤有機質含量。方差分析結果表明，灌水水質對土壤有機質含量在p=0.05水平上影響顯著。在灌水量W1、W2、W3和W4處理時，6月23日土壤有機質含量分別是1.2%、1.1%、1.4%和1.0%，8月11日土壤有機質含量分別為0.7%、0.9%、1.1%和1.1%，方差分析結果表明，灌水量對土壤有機質含量沒有顯著影響。

圖2 灌水水質和灌水量對盆栽棉花苗期土壤有機質含量的影響Fig.2 Effects of irrigation water quality and irrigation amount on the organic content of potted cotton in seeding stage

2.3 盆栽棉花苗期土壤硝態氮動態變化情況

圖3給出了不同灌水水質和灌水量對盆栽棉花苗期土壤硝態氮影響的變化情況。在灌水水質Q1、Q2、Q3、Q4和Q5處理時，第一期試驗硝態氮含量分別為4.8、3.6、4.8、5.1和4.2 mg/kg，第二期試驗硝態氮含量分別為2.6、7.1、6.4、3.0和3.5 mg/kg，與對照清水處理相比，第一期試驗2和4 g/L微咸水和再生水處理土壤硝態氮含量分別增加14%、14%和21%，3 g/L微咸水處理降低14%；第二期試驗4和6 g/L微咸水處理土壤硝態氮增加102%和83%，2 g/L微咸水和再生水處理降低26%和14%。方差分析結果表明，灌水水質對土壤硝態氮含量沒有顯著影響。在灌水量W1、W2、W3和W4處理時，第一期土壤硝態氮含量分別為4.9、3.9、5.5和3.8 mg/kg，第二期試驗土壤硝態氮含量分別為4.6、4.6、5.9和2.9 mg/kg，方差分析結果表明，灌水量對土壤硝態氮含量沒有顯著影響。

2.4 盆栽棉花苗期根系生長情況

圖4(a)和4(b)給出了灌水水質和灌水量對盆栽棉花苗期根系生長情況的影響。由圖4(a)可知，在灌水水質Q1、Q2、Q3、Q4和Q5處理時，第一期試驗根長分別是239、242、176、286和142 cm，第二期試驗根長分別是166、143、119、166和79 cm。與對照清水處理相比，第一期試驗2、3和4 g/L微咸水和再生水處理根長分別增加68%、70%、24%和101%，第二期試驗2、4和6 g/L微咸水和再生水處理根長增加110%、81%、51%和110%。可以得知，微咸水和再生水處理均會使根長增加，再生水處理的根長大于微咸水處理的根長，而隨著微咸水礦化度的增加，根長降低。方差分析結果表明，灌水水質對第一期試驗的苗期根長在p=0.05水平上影響顯著，對第二期試驗苗期根長沒有顯著影響。在灌水量W1、W2、W3和W4處理時，第一期試驗根長分別為244、216、217和192 cm，隨著灌水量的減少根長降低；第二期試驗根長分別為85、123、191和140 cm，隨著灌水量的減少，根長呈現先增加后降低的趨勢。方差分析結果表明，灌水量對苗期根長沒有顯著影響。第一期和第二期試驗土壤積鹽最嚴重的灌水量分別是W1和W3，表明在一定范圍內鹽分脅迫對棉花根系生長有顯著的促進作用。第一期試驗根長大于第二期根長，可能原因是第二期試驗棉花受到水分脅迫嚴重，根系生長活力下降，故而根長降低。灌水水質和灌水量對苗期根體積的影響與對根長的影響規律相同。

圖3 灌水水質和灌水量對盆栽棉花苗期土壤硝態氮含量的影響Fig.3 Effects of irrigation water quality and irrigation amount on the NO3-N content of potted cotton in seeding stage

注：圖中不同小寫字母表示各個處理之間在p=0.05水平上差異顯著。圖4 灌水水質和灌水量對盆栽棉花苗期根系的影響Fig.4 Effects of irrigation water quality and irrigation amount on the root system of potted cotton in seeding stage

3 結 語

不同灌水量時，微咸水和再生水處理對盆栽棉花苗期土壤理化性質和根系生長情況的影響試驗有如下結論。

(1)微咸水和再生水處理與對照清水處理相比，土壤含鹽量分別增加145%～278%和10%～40%，微咸水處理土壤含鹽量隨著礦化度的升高而增加；對于灌水量處理，不同的灌水水平均增加土壤含鹽量。

(2) 再生水、4和6 g/L微咸水處理提高有機質和硝態氮含量，有機質和硝態氮最高時灌水量是W3。

(3)微咸水和再生水處理促進根系生長，而且再生水處理的根系活力大于微咸水處理的根系活力。在鹽分積累最嚴重情況下，根系生長最快，說明一定范圍的鹽分脅迫促進根系生長。

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