不同矿化度微咸水亏缺灌溉对棉花生长与产量的影响

张建军, 彭珂珊, 曹 伟

(1.新疆维吾尔自治区水资源中心，新疆 乌鲁木齐 830000;2.西北农林科技大学,陕西 杨凌 712100)

水是农业生产和粮食安全的关键因素。为了适应人口增加和粮食需求不断扩展的需要，我国农业灌溉有效面积不断增大，灌溉农业占用了大量的淡水资源，导致淡水资源供需矛盾问题日益突出[1]。特别是在降雨稀少、以灌溉为主的新疆地区。棉花是新疆塔里木河支柱产业，是农民收入的重要来源。随着塔里木河经济发展，人口增加，对水资源的需求日益增加。因此，农业供水逐年减少，农业供需用水矛盾十分突出，灌溉水资源紧缺成为当地农业生产及棉花生产持续发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、阿克苏地区、喀什地区、克孜勒苏克尔克孜自治州、和田地区5个地州共42个县市和兵团农一师、农二师、农三师、和田农垦管理局共56个农垦团场，是以维吾尔族为主体的多民族聚居区。位于塔里木河下游的新疆生产建设兵团第二师31团灌区是典型的人工绿洲区域，地处塔克拉玛干沙漠和库木塔格沙漠之间的狭长地带，干旱少雨，淡水资源缺乏，而微咸水和咸水资源相对丰富，在水资源紧缺或阶段性供应不足的现实情况下，大量地下微咸水和农田排水直接被用于棉田灌溉[2]，对作物生长和土壤环境均产生了不同程度的影响。因此，微咸水的合理利用就显得至关重要。

棉花耐盐、抗旱能力相对较强，适量浓度的咸水灌溉对棉花生长影响不大，但当灌溉水浓度达到一定程度时，带入农田的盐分将降低土壤水分有效性，引起生理干旱，进而抑制棉花生长[3～4]。国内外学者针对微咸水灌溉对棉花生长的影响做了大量研究，联合国粮农(FAO)提供的棉花耐盐阈值为7.7 dS·m-1，当电导率EC每增加一个单位dS·m-1棉花产量就会降低5.2%[5]。但根据气候、土壤环境等试验条件的不同也会有所差异。Henggeler等[6]研究发现灌溉水电导率每增加一个单位dS·m-1棉花的单铃重减少3%，灌溉水电导率为4.5 dS·m-1时，调亏1/3灌溉水量引起的减产高于灌溉水为4.5 dS·m-1引起的减产；Vulkan-Levy等[7]研究表明棉花株高与灌溉水量始终呈正相关，与灌溉水盐分含量呈负相关，当灌溉水水量超过一定限度时，棉花产量随水量增加而降低，但是干物质量呈一直增长的趋势；马丽娟[8]使用8.04 dS·m-1的咸水、4.61 dS·m-1的微咸水以及淡水进行灌溉试验，结果表明微咸水灌溉棉花干物质质量最高，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、产量显著降低，但微咸水与淡水灌溉差异不显著。此外，相关研究对连续多年咸水灌溉下棉田的水盐变化动态进行了预测研究，连续灌溉20 a情景下，3 g·L-1微咸水没有导致根系层土壤明显积盐，5 g·L-1和7 g·L-1咸水引发了次生盐渍化，综合考虑土壤盐分变化和棉花耐盐阈值，5 g·L-1以下微咸水可直接用于棉花播前造墒和补灌[9]。

由于不同试验的灌溉方式和水质、灌溉制度、气候条件、土壤类型等因素不同，使得咸水安全利用时灌溉水矿化度的阈值存在较大差异[10]，因此需要因地制宜的研究棉花生长对咸水灌溉的响应特征。本研究结合研究区的生产实际情况，通过设置6种不同矿化度微咸水(淡水与农田排水按不同比例混合)和2个灌溉定额(满灌和-20%亏灌)，对不同矿化度微咸水亏缺灌溉下棉花生长与产量的影响进行研究，以期减少微咸水利用过程中盐分的输入、提出切实可行的微咸水利用方式，为干旱区农业的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区新疆生产建设兵团第二师31团位于塔克拉玛干沙漠东北边缘塔里木河与孔雀河下游的冲积平原上，地理坐标为E85°24′～88°30′，N39°30′～42°20′。海拔高度为864～870 m，地势起伏和缓，属极端干旱沙漠性气候，光热资源丰富，降雨稀少且四季分布不均，昼夜温差大，多风沙和浮尘天气，降雨量年际变化大，多年平均降雨量53.3～62.7 mm，多年平均蒸发量2 273～2 788 mm，日照时数3 036.2 h，≥10℃的年积温4121℃，无霜期191 d，生态环境极为脆弱，灌溉用水来自塔里木河与恰拉水库，矿化度全年变化范围在0.47～1.53 g·L-1之间，全团灌溉排水矿化度在10.58～18.36 g·L-1之间；土壤类型主要有灌溉草甸土、风沙土、盐土、沼泽土等。

图1 研究区位置示意

1.2 试验设计

试验方案为裂区设计，主因素为灌溉定额，副因素为不同矿化度的灌溉水。参照当地农业生产的实际状况，灌溉定额设置为满灌(5 250 m3·hm-2)和亏灌(4 200 m3·h-2)，灌溉水矿化度共设置6种淡水、咸水配比，淡水来自于塔里木河，咸水直接由排碱渠内抽取。具体试验设计见表1。试验采用1膜2管4行的种植方式，棉花供试品种为“新陆中67号”，地膜宽度为125 cm，宽行、窄行以及膜间的距离分别为65 cm、12 cm和20 cm，每个小区42 m2，共12个处理，每个处理3个重复；灌水日期为6月12日至8月30日，每7天1次，共计12次，根据棉花不同生育期需水量的不同进行灌溉,其它田间管理措施均与当地相同。

表1 试验设计

1.3 测定项目与方法

1.3.1 株高、茎粗、叶面积的测定 在每个小区的内行和外行分别选取长势均一的3株棉花，用红色绳子标记作为观测对象，在棉花的不同生育期使用卷尺和电子数显游标卡尺分别对株高和茎粗进行测量；棉花叶面积指数采用比叶面积(SLA)的方法测定[11]。

1.3.2 叶绿素含量的测定 从蕾期开始，挑选各小区内长势一致的植株样6株，用叶绿素仪(SPAD-502, Konica Minolta Sensing, Inc.,Japan)测定叶绿素含量(SPAD)，时间间隔为10 d。在每株棉花在上、中、下位置各选取一个叶片测量5次，取其平均值，每个小区6株棉花相同叶位叶片SPAD值再平均，作为该小区的SPAD值。

1.3.3 棉花干物质量的测定 每个小区在棉花的苗期、蕾期、花铃期和吐絮期内分别选取3株长势相同的植株，采取破坏行采样，将各个器官区分开后，将植株样品放入烘箱105℃杀青30 min后，于70℃烘至恒重，称重后计算干物质量。

1.3.4 产量及水分利用效率的测定 吐絮期在每个小区各选取3个面积为6.67 m2的棉田，测定棉花的有效铃数、株数，之后摘取100朵棉花晒干称重，测定单铃重，以此计算各处理棉花籽棉产量并折合亩产；水分利用效率(Water use Efficiency, WUE)的计算方法为：WUE(kg·m-3)=总产量(籽棉产量)/总灌水量。

1.4 数据处理

试验数据使用Excel2019整理；利用SigmaPlot 12.0、Origin 2018、Adobe Illustrator CC软件进行图形绘制、排版。使用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析和多重比较，图表中数据为平均值±标准误差；

2 结果与分析

2.1 不同灌溉处理对棉花理化性状的影响

2.1.1 对棉花株高、茎粗的影响 图2为不同处理下棉花株高、茎粗随时间的变化情况，由图2可知，不同处理下的棉花株高、茎粗变化规律相同，前期营养生长阶段生长较为迅速，满灌各处理株高、茎粗的日变化分别在0.67～0.90 mm·d-1和0.08～0.11 mm·d-1之间，亏灌各处理株高、茎粗的日变化分别在0.54～0.74 mm·d-1和0.09～0.12 mm·d-1之间，在103 d打顶后，棉花营养生长减缓而生殖生长加快，打顶后各处理下棉花的株高基本不再变化，茎粗呈缓慢增长的趋势。从不同处理间的对比变化来看，满灌和亏灌下的各处理棉花株高最高的处理分别为T2和T7，各不同矿化度处理间无明显变化规律；满灌的各处理下T3处理的茎粗最大，T1处理的茎粗最小，亏灌的各处理下T7处理的茎粗最大，T12处理的茎粗最小，各不同矿化度处理间同样无明显变化规律。整体来看，满灌处理的株高要大于亏灌处理，而茎粗要小于亏灌处理。

图2 不同处理下棉花株高、茎粗随时间的变化情况

2.1.2 对棉花叶绿素含量的影响 试验结果表明，在灌溉条件下，对棉花叶绿素含量影响最大。不同处理下的叶绿素含量变化如图3所示，满灌条件下，各处理SPAD值随时间的变化一致，呈先减小后增大再减小的趋势，在开花期叶绿素含量最小，在花铃期后期叶绿素含量最大，吐絮期之后逐渐下降；亏灌条件下，各处理SPAD值同样在花铃期后期达到最大并且随后逐渐下降，但在吐絮期之前各处理间无明显变化规律；从整体来看，满灌条件各处理叶绿素含量的变化范围要大于亏灌处理且叶绿素含量随生长时间变化的规律更为明显。

图3 不同矿化度处理下叶绿素含量的变化

2.2 不同灌溉处理对棉花干物质量的影响

从图4可以看出，满灌和亏灌各处理下棉花的单株干物质量在不同生育时期呈逐渐增大的趋势，干物质累计速率在苗期和蕾期较慢，从蕾期之后生长开始加速，在苗期和花铃期各处理之间的干物质量无显著性差异，满灌条件下，T5处理在蕾期的干物质含量与其它处理有显著性差异，其它各处理之间无明显变化规律，吐絮期随着各处理矿化度的增加，棉花的单株干物质量呈先下降后增大的趋势，T1处理下干物质量最大，T4处理下干物质量最小。在亏灌条件下，T12处理的干物质量最大，与T1、T2处理有显著性差异，T9、T10、T11处理与T1处理同样具有显著性差异。吐絮期随着各处理矿化度的增加，棉花的单株干物质量也同样呈先下降后增大的趋势，T11处理下干物质量最大，T4处理下干物质量最小。从整体来看，满灌条件和亏灌条件下棉花苗期、蕾期、花铃期的干物质累计量差异不大，但吐絮期满灌条件下各处理的干物质量均要大于亏灌处理，在一定矿化度范围之内，棉花的干物质量随着灌溉水矿化度的增加呈减小的趋势，但灌溉水矿化度达到一定程度后，干物质量会显著增加。

图4 不同矿化度处理下叶绿素含量的变化

2.3 不同灌溉处理对棉花产量及水分利用效率的影响

在棉花生育期结束后，对各小区进行人工测产，结果如表2所示。由表2可以看出，灌溉水量对棉花产量的影响十分显著，满灌情况下棉花产量整体要大于亏灌情况下的棉花产量，但灌溉水分生产效率普遍较低，与此同时会增加生产成本。从各不同矿化度处理间来看，在满灌和亏灌情况下，随着灌溉水矿化度的增加棉花籽棉产量呈逐渐下降的趋势，T2、T3、T4、T5、T6处理较T1处理产量分别下降了6.57 %、12.39 %、15.96 %、25.50 %、33.95 %，灌溉水矿化度每增加1 g·L-1棉花的籽棉产量减少3.36 %。T8、T9、T10、T11、T12处理较T7处理产量分别下降了3.6 4%、8.2 1%、10.09 %、17.5 1%、43.83 %，灌溉水矿化度每增加1 g·L-1棉花的籽棉产量减少4.34 %。满灌情况下灌溉水矿化度为6.8 g·L-1时，淡水亏灌20%灌溉水量引起的减产高于满灌情况下溉水矿化度为6.8 g·L-1时引起的减产，灌溉量对棉花籽棉产量的影响要大于灌溉水矿化度的影响。

表2 不同灌溉处理下棉花的产量及水分利用效率

3 讨论与结论

恰当地控制灌溉微咸水的矿化度，对耐盐作物生长及其产量不会产生很大的影响，说明微咸水可替代部分淡水资源进行农业生产[13～14]。合理利用微咸水资源灌溉对于缓解新疆塔里木河淡水资源短缺的问题有着至关重要的意义[15]。从整体来看，满灌条件各处理叶绿素含量的变化范围要大于亏灌处理且叶绿素含量随生长时间变化的规律更为明显，各处理SPAD值均在花铃期后期达到最大并且随后逐渐下降，但亏灌条件下，叶绿素含量在吐絮期之前各处理间无明显变化规律，这可能是由于受到水分、盐分胁迫以及管理水平的影响。相关研究表明：亏缺灌溉对棉花株高有显著影响，并且二者存在负相关关系，随着亏缺程度的增加，株高呈显著下降的趋势[16～17]。在一定范围内，灌溉量大，棉株营养生长旺盛，株高增加，反之营养生长受到抑制，株高降低。

(1)从研究的结果来看，满灌处理的株高要大于亏灌处理，而满灌处理茎粗要小于亏灌处理，这与前人的研究结果基本相符[16,18]，茎粗的变化不但受水分的影响，还会受到灌溉水中盐分含量的影响。对比不同处理间的对比变化，满灌和亏灌下的各处理棉花株高最高的处理分别为T2和T7，满灌的各处理下T3处理的茎粗最大，T1处理的茎粗最小， 亏灌的各处理下T7处理的茎粗最大，T12处理的茎粗最小，说明在一定范围内，灌溉水盐分含量的增加导致棉花株高降低的同时会使茎粗增大，与灌溉水盐分含量相对比，棉花茎粗的变化对水分更为敏感，缺水会导致茎粗增大；叶绿素含量是反映植被生长阶段以及营养状况的重要生化参数，也是植物总体生长状况的重要指标。

(2)棉花干物质积累特征是影响棉花产量和品质的重要指标，相关研究发现亏缺灌溉对棉花生物量的影响更显著[19]，特别是对生育前期营养生长阶段的影响更大。由于受亏缺灌溉诱导的水分胁迫的影响，棉花营养生长受到抑制，同时出现了株高和叶面积均下降的趋势，导致生物量减少，并且随着亏缺量的增加生物量减少增多[20～22]。笔者研究中从整体来看，满灌条件和亏灌条件下棉花苗期、蕾期、花铃期的干物质累计量差异不大，但吐絮期满灌条件下各处理的干物质量均要大于亏灌处理，生长前期营养生长所受到的影响较后期生殖生长所受到的影响较小，这与以往的研究有所不符，可能是由于笔者研究中各处理下棉花的单株干物质量在不同生育时期呈逐渐增大的趋势[23]。笔者本研究当中满灌情况下灌溉水矿化度每增加1 g·L-1棉花的籽棉产量减少3.36 %，亏灌情况下灌溉水矿化度每增加1 g·L-1棉花的籽棉产量减少4.34%，这可能是由于灌溉水水质、气候、土壤母质以及田间管理所导致的，在不同矿化度咸水灌溉下棉花产量并未出现上升的趋势，但灌溉水矿化度较低的处理减产程度一般也比较小。

(3)整体来看，满灌处理的株高要大于亏灌处理，而茎粗要小于亏灌处理，从不同处理间的对比变化来看，株高、茎粗各不同矿化度处理间同样无明显变化规律；不同处理间的叶绿素含量变化无明显变化规律，满灌条件各处理叶绿素含量的变化范围要大于亏灌处理且叶绿素含量随生长时间变化的规律更为明显。满灌条件和亏灌条件下棉花苗期、蕾期、花铃期的干物质累计量差异不大，但吐絮期满灌条件下各处理的干物质量均要大于亏灌处理。在吐絮期，满灌条件和亏灌条件下变化大。满灌情况下灌溉水矿化度每增加1g·L-1棉花的籽棉产量减少3.36 %，亏灌情况下灌溉水矿化度每增加1 g·L-1棉花的籽棉产量减少4.34 %，满灌情况下灌溉水矿化度为6.8 g·L-1(T4处理)时，淡水亏灌20%灌溉水量引起的减产高于满灌情况下溉水矿化度为6.8 g·L-1时引起的减产，灌溉量对棉花籽棉产量的影响要大于灌溉水矿化度的影响。

(4)综合考虑产量、水分利用效率和增加的成本，在水资源极度匮乏的情况下，建议研究区使用淡水与咸水2：3的比例(矿化度为6.8 ±0.58 g·L-1)进行灌溉。