水、鹽和施氮量交互作用對向日葵水分利用的影響

李 琦，馬 韜，曾文治，黃介生，伍靖偉，常志富(.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 43007；.內蒙古河套灌區 義長灌域管理局，內蒙古 五原 0500)

土壤鹽漬化問題日益嚴峻，據全國第二次土壤普查結果表明，我國鹽漬土總面積高達3 600萬hm2[1],已經成為土地資源破壞、降低農業產量的主要原因[2]。水分是作物必不可少的生長要素，直接影響著作物的生長狀況，氮肥則與葉綠素的形成、產量高低息息相關，而作物主要通過根系來吸收水分和氮肥。目前有大量針對土壤不同鹽漬化程度對根系吸水影響的研究，但是水分、鹽分、氮肥三者同時對根系吸水的影響研究則鮮有報道。本文主要討論水分、鹽分、氮肥三個因素對根系吸水的影響，并詳細探討了三者對蒸騰作用、水分利用率的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本實驗于2014年6-9月在內蒙古河套灌區義長試驗站永聯基地進行[圖1(a)]。內蒙古河套灌區地處北緯40°19′～41°18′，東經106°20′～109°19′，年降水量為139～222 mm，且集中在6-8月間，年蒸發量為2 200～2 400 mm，蒸降比在10以上。

1.2 試驗材料與設計

本實驗在高為50 cm、內徑為30 cm的測桶中進行[圖1(b)]。測桶材質為鐵皮，桶壁厚度4 mm，在桶壁外包裹2 cm厚的泡沫保溫層[圖1(c)]。所有供試土壤均為粉壤土，取自永聯基地附近的農田耕作層(0～40 cm)，填土高度40 cm，填土容重為1.3 g/cm3。

圖1 研究區地理位置與測桶示意圖Fig.1 Location of study site and schematic diagram of experiment bucket

實驗采用三因素全組合設計，研究因素為土壤含鹽量(S)、灌溉量(W)和施氮量(N)，每種研究因素均設置兩個水平，其中鹽分以干土的百分含鹽量計，分別為：輕度鹽分脅迫S0(0.2%～0.45%)和中度鹽分脅迫S1(0.45%～0.7%)；水分以田間持水量的百分比計，分別為水分脅迫處理W0(35%～55%)和充分灌溉處理W1(75%～100%)；氮素的影響通過設置全生育期不施用氮肥的氮素脅迫處理N0和播種前按135 kg/hm2(以純N計)的最優施氮處理[3]N1來反映。3個因素一共8組處理，每組處理設置3個重復，共裝填24個測桶。

測桶所施肥料為尿素(含N 46%)和過磷酸鈣(含P2O518%)，氮肥(尿素)施入量根據實驗方案確定，P2O5的用量一致，為180 kg/hm2，所有肥料均作為基肥于2014年6月2日一次性施入。施肥后每個測桶采用地膜覆蓋，以起到降低土壤蒸發量和保溫的作用。供試作物為食用向日葵(Helianthus Annuus.L)，品種為LD5009。播種時間為2014年6月5日，采用人工點播。根據向日葵成熟情況，于 2014年9月17日-9月26日收獲，在向日葵全生育期內不進行追肥，其他管理措施(除草、除蟲等)與當地農戶一致。

1.3 向日葵根系指標測量

在向日葵生長的3個關鍵時間節點(現蕾時、開花時和成熟時)，在各組實驗處理中選取一株向日葵，稱取地上部分和根系的鮮重，并利用烘干法測得各部分干重、含水量及根系儲水量。將向日葵籽粒風干至含水率低于8%時通過稱重法確定其產量。由于測桶表面覆膜，因此不存在土壤蒸發，每隔一日稱量測桶重量并利用水量平衡法得到向日葵日騰發量。單株作物水分利用率(g/kg)為作物總干重質量(g)除以生育期內耗水量(kg)。此外，利用W.E.T傳感器(英國Delta-T公司生產)每兩天測量一次測桶的水分含量，并根據實驗方案確定各測桶的灌溉水量。

2 結果與分析

2.1 根系儲水量(RWS)

由表1方差分析可知，在現蕾時鹽分和水分處理對根系儲水量(RWS)有顯著影響(均為P=0.005)，氮肥影響不顯著。在開花和成熟時，鹽分、水分和施氮量影響均不顯著。

表1 根系儲水量方差分析結果Tab.1 The results of RWS variance analysis

圖2 水、鹽、施氮量交互作用下對根系儲水量(均值±標準差)的影響Fig.2 Effect of water、salt and nitrogen coupling on RWS(Mean±S.D.)

由圖2(a)可知，在3個觀測時刻，S1處理的根系儲水量均小于S0處理，土壤鹽分含量的增大抑制根系的吸水作用[4]。現蕾時、開花時和成熟時S1處理的根系儲水量分別比S0處理的根系儲水量少51.69%、17.97%和13.11%，可知在苗期鹽分對根系儲水抑制作用較大，而隨著生育期的推進，兩個處理間差異減小。

在3個觀測時刻，W0處理的根系儲水量小于W1處理[圖2(b)]。由于本實驗設置，除人工灌水外向日葵沒有受到其他水分的補給，故W0處理下可供向日葵吸收的水分較少，W0處理對根系產生水分脅迫。

由圖2(c)知，現蕾時、開花時和成熟時N0處理的根系儲水量小于N1處理，說明氮肥脅迫會抑制根系吸水作用[5]。在3個觀測時刻，N0處理的根系儲水量分別比N1處理的減少17.12%、21.87%和27.57%，兩組處理間差異呈增大趨勢，說明氮肥對根系儲水的影響主要在花期和成熟期顯現。

2.2 向日葵騰發量(ET)

由表2方差分析知，鹽分在開花時和成熟時對植株騰發量影響顯著(P=0.025和P=0.014),水分只在成熟時影響顯著(P=0.014)，而施氮量在3個觀測時刻影響均不顯著。

表2 騰發量方差分析結果Tab.2 The results of ET variance analysis

圖3 水、鹽、施氮量交互作用下對騰發量(均值±標準差)的影響Fig.3 Effect of water、salt and nitrogen coupling on ET(Mean±S.D.)

不同鹽分處理時，見圖3(a)，在現蕾時S1與S0兩組處理的騰發量相近。隨著生育期推進，兩組處理的騰發量都呈增大趨勢，但差異也逐漸增大，S0處理的騰發量大于S1處理，在開花時和成熟時，相比于S0處理,S1處理的騰發量分別減小12.68%和17.41%，說明在開花和成熟時較高的鹽分會抑制植株蒸騰作用，減少水分和營養物質吸收。

不同水分處理時，見圖3(b)，在3個觀測時刻W0處理的騰發量均小于W1處理[6,7]。由現蕾至成熟，兩組處理差異逐漸增大，W0處理組的騰發量分別為W1處理51.06%、41.45%和36.90%。同時由圖可知，在開花至成熟階段，W1處理組的騰發量增幅較大達到了48.05%，說明水分在花期促進騰發量作用明顯，有助于籽粒的形成[8]。

不同氮肥處理時，見圖3(c)，3個觀測時刻的兩組氮肥處理間差異不如鹽分和水分處理明顯。在現蕾和開花時N1處理下的騰發量略大，而在成熟時N1與N0兩組處理騰發量相近。說明氮肥主要在苗期、蕾期影響植株蒸騰，在花期和成熟期影響較小。

2.3 水分利用率(WUE)

由表3可知，鹽分、水分、施氮量在現蕾時、開花時和成熟3個觀測時刻對水分利用率影響均不顯著。

表3 水分利用率方差分析結果Tab.3 The results of WUE variance analysis

圖4 水、鹽、施氮量交互作用下對水分利用率(均值±標準差)的影響Fig.4 Effect of water、salt and nitrogen coupling on WUE(Mean±S.D.)

由圖4(a)可知，在3個生育期中S1處理的水分利用率均小于S0處理，說明土壤含鹽量增大會減小植株對水分的吸收[9]。現蕾時、開花時和成熟時S1處理的水分利用率分別比S0減小61.18%、53.12%和4.57%。可知在現蕾和開花時，鹽分對WUE影響較大，鹽分脅迫會減小WUE。在成熟時，S0處理的WUE較開花階段減小，而S1處理較開花階段略微增大但仍小于S0處理。

由圖4(b)可知在生長過程中，WUE受水分影響呈現出小-大-小的趨勢。在不同水分條件下，W0處理的水分利用率小于W1處理的，說明水分脅迫會明顯減少作物對水分的吸收量[10]。在現蕾時、開花時和成熟時W0處理下的水分利用率較W1分別減小7.60%、45.94%和22.79%，開花時差異最大，說明蕾期為水分脅迫影響作物對水分利用的關鍵時期。進一步比較開花和現蕾時發現，水分充足處理組的水分利用率有明顯提高，提高了74.15%，而水分脅迫組處理的水分利用率僅提高了23.6%。

在不同施氮量的條件下，如圖4(c)，在現蕾和開花時，N0處理下的水分利用率大于N1，N0處理分別使水分利用率增大15.39%和15.11%；而在成熟時，規律相反，N1處理較N0處理提高19.87%。說明在現蕾和開花時，氮肥脅迫組相較于無氮肥脅迫組提高了WUE，在成熟時施氮處理組提高WUE。

3 結 語

中度鹽分脅迫處理、水分脅迫處理、氮肥脅迫處理會減小根系儲水量、騰發量和水分利用率，具體而言：①對于根系儲水量，鹽分在苗期抑制作用明顯，氮肥在花期和成熟期抑制作用較大；②對于騰發量，鹽分在開花和成熟時抑制作用顯著，而此時充分灌溉會增大騰發量，相較之下氮肥影響效果較弱，主要影響時期是苗期和蕾期；③對于水分利用率，鹽分主要影響時期是現蕾和開花時，水分主要影響時期是蕾期，并且在蕾期充分灌水會提高水分利用率，而對于氮肥，在現蕾和開花時，輕度氮肥脅迫會提高水分利用率。

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