不同鹽度和灌溉量對棉花水氮利用效率的影響

不同鹽度和灌溉量對棉花水氮利用效率的影響

0開發(fā)微生物和微：發(fā)展隨著社會(huì)的發(fā)展和人口的增加，水資源的缺乏，尤其是淡水資源的匱乏已成為一個(gè)不容忽視的重要問題。水資源的充分合理利用已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。同時(shí),由于工業(yè)和生活用水比例不斷增加,造成灌溉淡水資源非常短缺。微咸水一般指礦化度為2~5g/L的含鹽水,在干旱區(qū)半干旱區(qū)廣泛分布。據(jù)統(tǒng)計(jì),中國地下微咸水資源約為每年200億m3,研究利用微咸水進(jìn)行灌溉是解決灌溉水資源短缺的重要措施之一。國內(nèi)外已進(jìn)行了大量有關(guān)微咸水及咸水應(yīng)用的實(shí)踐。新疆地處于干旱地區(qū),淡水資源相對緊缺,農(nóng)業(yè)用水主要依賴于地表水和淺層地下水進(jìn)行灌溉,但是,近年來由于自然,人為等因素造成很多河流、湖波、水庫的水質(zhì)惡化,鹽化現(xiàn)象明顯,水量不斷減少,有些地區(qū)的河流甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。與此同時(shí),淺層地下水受氣候、土壤、水文等因素的影響多為礦化度較高咸水和微咸水。因此,在新疆發(fā)展咸水和微咸水灌溉,提高水資源利用率有著非常重要的意義。棉花屬于耐鹽能力較強(qiáng)的一類經(jīng)濟(jì)作物,在新疆廣泛種植,尤其是“九五”期間,膜下滴灌技術(shù)在新疆棉花生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用,使得棉花的種植面積迅速擴(kuò)大。有研究表明應(yīng)用咸水進(jìn)行灌溉時(shí),滴灌是較好的灌溉方式,可降低鹽分對作物生長的影響,減少灌溉水量。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對于咸水灌溉對土壤質(zhì)量和作物生長與產(chǎn)量的影響、土壤鹽分分布、灌溉制度優(yōu)化、土壤改良等方面開展了大量研究,但對于咸水滴灌農(nóng)田氮肥去向和作物水氮利用效率的研究還很薄弱。本研究應(yīng)用15N同位素示蹤方法研究咸水滴灌條件下氮肥在土壤和作物系統(tǒng)中的去向,探討不同灌溉水鹽度對棉花水、氮利用效率的影響,為干旱半干旱地區(qū)咸水微咸水資源合理利用和滴灌棉田水氮高效利用提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1土壤條件型試驗(yàn)于2010年在新疆石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站進(jìn)行,土壤類型為灌溉灰漠土,質(zhì)地為壤土,有機(jī)質(zhì)16.82g/kg,全氮1.06g/kg,速效磷25.88mg/kg,速效鉀252mg/kg。供試作物:棉花(新陸早33號(hào))。1.2材料與試驗(yàn)小區(qū)本試驗(yàn)采用田間小區(qū)試驗(yàn)和微區(qū)試驗(yàn)相結(jié)合,試驗(yàn)中灌溉水鹽度(電導(dǎo)率,EC)設(shè)3個(gè)水平,分別為0.35、4.61和8.04dS/m(分別代表淡水、微咸水和咸水3種灌溉水類型,以下分別以FW、BW、SW表示);灌溉水量設(shè)兩個(gè)水平,為405和540mm(以下分以I405和I540表示)。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每個(gè)處理重復(fù)3次,共18個(gè)試驗(yàn)小區(qū),小區(qū)面積54m2。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)中間設(shè)置微區(qū)試驗(yàn),使用直徑40cm,高100cm的鐵桶在試驗(yàn)開始前一年預(yù)先埋入土中,每個(gè)微區(qū)由一個(gè)滴頭固定供水,在桶底部接出流管,用于收集土壤滲漏液。微區(qū)內(nèi)氮肥使用15N同位素(豐度10%)標(biāo)記尿素,試驗(yàn)小區(qū)使用普通尿素。氮肥(N)用量為360kg/hm2,全部作追肥,在棉花生長期間分6次隨水滴施,初花期前開始,吐絮期前結(jié)束。磷、鉀肥在播種前一次性施入做基肥,用量為P2O5105kg/hm2,K2O60kg/hm2。棉花種植方式為覆膜栽培,一膜四行,行距30+60+30cm,種植密度22.2×104株/hm2。灌溉方式為膜下滴灌,一膜二管,滴頭間距40cm,滴頭流量2.6L/h。各處理在棉花播種后均滴淡水30mm,以保證出苗。棉花生長期間共灌水9次,盛蕾期開始,吐絮初期結(jié)束。其它管理措施參照當(dāng)?shù)卮筇铩?.3植株樣品測定試驗(yàn)小區(qū)內(nèi),每次灌溉施肥前以及播種前和收獲后,采集不同深度(0~20、20~40、40~60、60~80、80~100cm)土壤樣品,測定土壤含水量;在棉花不同生長階段定期采集棉花地上部植株樣品,分為莖、葉、蕾鈴三部分,70℃烘干12h,稱重;粉碎后測定植株全氮含量;在棉花吐絮期測定棉花產(chǎn)量,最后實(shí)收計(jì)產(chǎn)。在微區(qū)內(nèi),在每次灌溉后,收集滲漏液,測定滲漏液體積、全氮含量及15N豐度;在棉花吐絮初期采集地上部棉花植株樣品,測定干物質(zhì)質(zhì)量、全氮含量及15N豐度;采集微區(qū)不同深度(0~20、20~40、40~60、60~80、80~100cm)土壤樣品,測定土壤含水量、全氮含量及15N豐度。1.4指標(biāo)和方法的測量土壤含水量采用烘干法測定,土壤、植物及滲漏液全氮含量及15N豐度由中國農(nóng)科院原子能利用研究所測定。1.5灌溉水分生產(chǎn)率1)作物水分生產(chǎn)率(waterproductivityofcrop,WPc):也稱為農(nóng)田水分生產(chǎn)率,采用下式計(jì)算。式中,WPc為作物水分生產(chǎn)率,kg/m3;Y為作物產(chǎn)量,kg/hm2;ETc為農(nóng)田蒸散量,m3/hm2;I為灌水量,m3/hm2;P為有效降水量,m3/hm2;L為農(nóng)田水分滲漏損失量,m3/hm2;ΔW為農(nóng)田土壤凈貯水量(1m深度)。2)灌溉水分生產(chǎn)率(waterproductivityofirrigation,WPi):采用下式計(jì)算。式中,WPi為灌溉水分生產(chǎn)率,kg/m3;Y為作物產(chǎn)量,kg/hm2;Wi為單位面積灌水量,m/hm2。2結(jié)果與分析2.1種灌溉水對棉花干物質(zhì)的影響棉花盛鈴期不同處理棉花各器官及總干物質(zhì)積累量見表1?？傮w上,隨著灌溉量的增大(由405mm增加到540mm),棉花莖、葉、蕾鈴和總干物質(zhì)質(zhì)量都有所增加,但不同灌溉水鹽度間存在差異。在低灌量下(405mm),三種灌溉水處理(FW、BW、SW)棉花莖、葉干物質(zhì)質(zhì)量差異不大,但FW、BW處理蕾鈴和總干物質(zhì)質(zhì)量均顯著高于SW。FW和BW處理蕾鈴干物質(zhì)質(zhì)量較SW分別增加了18.59%和27.61%;總干物質(zhì)質(zhì)量較SW分別增加了14.57%和17.15%。高灌量下(540mm),棉花莖、葉、蕾鈴和總干物質(zhì)質(zhì)量都表現(xiàn)為BW處理最高,其次是FW處理,SW處理最低。BW處理棉花總干物質(zhì)質(zhì)量比FW和SW處理分別增加了9.61%和20.17%?？傮w表明低鹽度微咸水灌溉(4.61dS/m)可促進(jìn)棉花干物質(zhì)積累,顯著增加棉花總干物質(zhì)質(zhì)量;而高鹽度咸水灌溉(8.04dS/m)則會(huì)抑制棉花生長,干物質(zhì)質(zhì)量顯著降低。這與前人的研究結(jié)果基本一致。2.2素吸收總量檢測結(jié)果不同處理棉花各器官及整株氮素吸收量見表2。棉花莖氮素吸收量灌溉水鹽度和灌溉量影響較小,處理間無顯著差異。灌水量由405mm(I405)增加到540mm(I540),棉花葉、蕾鈴和氮素吸收總量均有所增加。在低灌量下(405mm),淡水灌溉(FW)棉花葉氮素吸收量顯著高于微咸水灌溉(BW)和咸水灌溉(SW),而蕾鈴和總氮素吸收量則表現(xiàn)為FW、BW處理顯著高于SW處理;FW和BW處理棉花氮素吸收總量較SW處理增加約25%。在高灌量下(540mm),FW和BW處理葉氮素吸收量顯著高于SW處理,分別增加20.77%和19.03%。蕾鈴和氮素吸收總量則表現(xiàn)為BW處理最高,其次是FW處理,SW處理最低;淡水(FW)和微咸水(BW)灌溉棉花氮素吸收總量差異不大,均顯著高于咸水處理(SW),分別較咸水處理(SW)增加25.8%和32.3%。2.3灌溉處理sw不同處理棉花籽棉產(chǎn)量見圖1。灌溉水鹽度對棉花籽棉產(chǎn)量顯著影響,淡水(FW)和微咸水灌溉(BW)處理籽棉產(chǎn)量差異不大(p>0.05),均顯著高于咸水灌溉處理(SW)。在405和540mm兩個(gè)灌溉量下,SW處理籽棉產(chǎn)量較FW、BW處理分別降低9.12%、11.32%和18.48%、21.71%。說明低鹽度微咸水(4.61dS/m)灌溉對棉花產(chǎn)量影響不大,但高鹽度咸水灌溉(8.04dS/m)會(huì)導(dǎo)致棉花減產(chǎn)。從灌溉量來看,在淡水(FW)和微咸水(BW)灌溉條件下,I540處理棉花籽棉產(chǎn)量顯著高于I405處理;但咸水灌溉(SW)下,I540處理棉花籽棉產(chǎn)量與I405處理差異不顯著。2.4不同灌溉方式下農(nóng)田蒸散量和灌溉水分生產(chǎn)率的變化不同處理對滴灌棉田蒸散量影響見圖2,棉田蒸散量受灌溉水鹽度和灌水量影響顯著,總體表現(xiàn)為隨著灌溉量的增加而增加,隨著灌溉水鹽度的增加(從0.35到4.61和8.04dS/m)而降低。在三種灌溉鹽度下,灌溉量從405mm增加到540mm,蒸散量平均增加了35.04%。低灌溉量下(405mm),SW處理棉田蒸散量顯著低于FW處理,但是FW處理BW處理棉田蒸散量無顯著差異;高灌溉量下(540mm),FW和BW處理農(nóng)田蒸散量差異不大,均顯著高于SW處理,分別高出4.9%和3.3%。不同處理的作物水分生產(chǎn)率(農(nóng)田水分生產(chǎn)率)和灌溉水分生產(chǎn)率見圖3。作物水分生產(chǎn)率和灌溉水分生產(chǎn)率受灌溉水鹽度和灌溉量的影響顯著,不同灌溉水鹽度和灌溉量處理下作物水分生產(chǎn)率為0.70~1.02kg/m3,平均為0.88kg/m3,灌溉水分生產(chǎn)率為0.79~1.16kg/m3,平均為1.00kg/m3?？傮w上隨著灌水量的增加,作物水分生產(chǎn)率和灌溉水分生產(chǎn)率顯著降低,I540處理作物水分生產(chǎn)率平均較I405處理降低20.40%,灌溉水分生產(chǎn)率降低19.33%。在低灌量下(405mm),BW處理作物水分利用率最高,SW最低,FW居中但與前二者差異均不顯著;高灌量下(540mm),FW和BW處理作物水分利用率差異不大,均顯著高于SW處理,分別較SW處理高13.7%和18.6%。不同灌溉水鹽度對棉花灌溉水分生產(chǎn)率的影響在兩個(gè)灌溉量水平下相似,均表現(xiàn)為BW處理灌溉水分生產(chǎn)率最高,但與FW差異不顯著,均顯著高于SW處理。405和540mm灌量下,FW、BW處理灌溉水分生產(chǎn)率分別較SW增加9.12%、11.32%和18.5%、21.7%。2.5灌溉水鹽度和灌溉量對15n回收率的影響不同處理滴灌棉花15N回收率(氮肥利用率,NUE)為47.02%~59.86%(圖4a),棉花15N回收率受灌溉水鹽度和灌溉量的影響顯著。增加灌溉量后棉花15N回收率有所增加,I540處理棉花15N回收率較I405處理平均增加7.51%。從灌溉水鹽度來看,BW處理棉花15N回收率最高(平均為57.12%),其次是FW處理(平均為53.9%),但二者之間差異不顯著(p>0.05),SW處理棉花15N回收率顯著低于FW和BW處理,平均分別降低10.17%和15.23%。不同處理土壤15N回收率(土壤殘留率)見圖4b。土壤15N回收率受灌溉水鹽度和灌溉量的影響顯著,回收率在16.75%~22.41%之間。總體上,隨著灌溉量的增加(405mm增加到540mm),土壤15N回收率顯著降低,I540處理較I405處理平均降低13.20%。從灌溉水鹽度來看,低灌量下(405mm),SW處理土壤15N回收率最高,BW處理最低,FW居中但與前二者差異均不顯著;高灌量下(540mm),不同灌溉水鹽度對土壤15N殘留率無顯著影響。不同處理土壤-作物系統(tǒng)15N總回收率為68.99%~76.61%(圖4c)。灌水量由405mm增加到540mm,淡水(FW)和微咸水(BW)灌溉處理15N總回收率有所增加,咸水灌溉(SW)15N總回收率有所降低,但差異均未達(dá)到顯著性水平(p>0.05)。低灌量下(405mm),FW和BW處理15N總回收率高于SW處理,但差異不顯著;高灌量下(540mm),SW處理15N總回收率最低,BW最高,較SW增加7.66%,但BW處理15N總回收率與FW差異不顯著。從滲漏液中15N標(biāo)記肥料的測定結(jié)果可以看出(圖4d),不同處理氮肥的淋洗損失率為1.56%~4.71%。總體上,隨著灌溉水鹽度和灌溉量的增加,氮肥淋洗損失率顯著增加。灌水量540mm處理(I540)15N淋洗損失率較450mm處理(I405)平均增加29.47%。從灌溉水鹽度來看,SW處理15N淋洗損失率最高,其次是BW處理,FW處理最低;咸水(SW)和微咸水(BW)灌溉處理15N淋洗損失率平均較淡水灌溉(FW)分別增加了80.53%和136.00%。上述結(jié)果表明,不同處理棉田氮肥的損失率約為23.39%~31.01%,其中淋洗損失率僅為1.56%~4.71%。盡管滴灌條件下氮肥的淋洗很少,但是灌溉水鹽度對氮肥淋洗損失的影響明顯,隨著灌溉水鹽度的增加,氮肥淋洗損失量顯著增加。3微通過灌溉對棉田蒸散和水分利用效率的影響棉花生物量累積是獲得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)皮棉的基礎(chǔ)。有學(xué)者認(rèn)為微咸水灌溉改變了土壤物理化學(xué)特征,會(huì)直接影響植物生長。棉花屬于耐鹽性作物,在適宜棉花生長的范圍內(nèi),土壤鹽分能增加棉花的干物質(zhì)積累量。本研究結(jié)果也表明微咸水灌溉處理棉花干物質(zhì)積累量顯著高于淡水灌溉,但咸水灌溉處理的棉花干物質(zhì)積累量顯著降低。氮素是植物生長必需營養(yǎng)元素之一,在維持棉花生長及產(chǎn)量形成方面起著重要作用,當(dāng)土壤中鹽分過多,會(huì)產(chǎn)生競爭效應(yīng),抑制植物對氮素的吸收。侯振安等研究認(rèn)為隨著土壤鹽度的增加,棉花氮素吸收量顯著降低。劉志偉等研究發(fā)現(xiàn)隨著NaCl含量的增加,玉米氮積累量減少。但也有研究認(rèn)為并不是所有鹽度都對植物有害,適當(dāng)?shù)柠}分還會(huì)對植物吸收氮素有促進(jìn)作用,不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量降低。本研究中微咸水灌溉處理棉花氮素吸收量和產(chǎn)量最高,但與淡水灌溉差異不顯著,均顯著高于咸水灌溉處理;這與前人研究基本一致。說明適度的微咸水灌溉對棉花生長和產(chǎn)量影響不大,但咸水灌溉會(huì)明顯抑制棉花生長,導(dǎo)致減產(chǎn)。蒸散量為植株蒸騰量和地表蒸發(fā)量的總和,是水資源與水文研究中非常重要的量值,尤其是在干旱半干旱地區(qū),咸水中含有較高濃度的鹽分離子,具有較高的滲透壓,灌溉后土壤水勢較低,抑制了植株根系對水分的吸收;同時(shí),土壤鹽分影響植株的生理和生長發(fā)育,間接影響到植株的吸水能力。有研究表明隨著灌溉水鹽度的增加,帶入作物根區(qū)的鹽分也不斷增加,當(dāng)鹽分積累到一定程度就會(huì)影響作物的正常生長,造成作物蒸騰減少。劉梅先等研究表明咸水滴灌條件下棉田蒸散量比淡水或微咸水灌溉棉田減少8.0%,但淡水和微咸水處理則無顯著差異。本研究中,咸水灌溉棉田蒸散量顯著低于淡水處理,但微咸水灌溉和淡水灌溉無顯著差異,說明適量的微咸水灌溉對棉田蒸散量影響不大。水分利用效率是衡量棉花用水效率的指標(biāo)之一。王毅等研究認(rèn)為適量微咸水滴灌有利于棉花根系生長,進(jìn)而提高水分生產(chǎn)率。蔣靜等研究也表明微咸水灌溉條件下,一定的水分虧缺可以提高水分生產(chǎn)效率,但隨著年份的增加,積鹽達(dá)到一定水平,水分生產(chǎn)效率會(huì)顯著降低。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著灌水量的增加,水分生產(chǎn)率也逐漸降低;微咸水灌溉作物水分生產(chǎn)率和灌溉水分生產(chǎn)率與淡水灌溉差異不大(低灌溉量下,微咸水灌溉作物水分生產(chǎn)率略高于淡水灌溉),但咸水灌溉水分生產(chǎn)率顯著降低,這與蔣靜等和劉梅先等的研究一致。說明適宜鹽度和灌溉量的微咸水灌溉不會(huì)導(dǎo)致水分生產(chǎn)率降低,在一定程度上可以緩解淡水不足,但高鹽度的咸水灌溉會(huì)抑制植物生長,導(dǎo)致蒸散量顯著減少,水分利用效率降低。本研究應(yīng)用15N同位素標(biāo)記方法探討了不同灌溉水鹽度和灌溉量處理下棉田氮肥的去向,結(jié)果表明滴灌棉田植物15N回收率(NUE)為47.02%~59.86%。由于本試驗(yàn)中氮肥采用滴灌施肥方式,所以氮肥利用率高于常規(guī)灌溉農(nóng)田(30%~40%);但與Hou等對于滴灌條件下棉花15N回收率(NUE)為34.25%~49.38%的研究結(jié)果相近。灌溉水鹽度和灌溉量對棉花15N回收率影響顯著,高灌溉量(540mm)較低灌溉量(405mm)棉花15N回收率有所增加;淡水和微咸水灌溉處理棉花氮肥利用率顯著高于咸水灌溉,但微咸水與淡水灌溉差異不顯著。Chen等研究也表明氮肥利用率會(huì)隨著土壤鹽度的增加而顯著降低。因此,微咸水灌溉對滴灌棉田氮肥利用率影響不大,但高鹽度的咸水灌溉會(huì)導(dǎo)致氮肥利用率降低。從土壤15N殘留率來看,不同處理為16.75%~22.41%,這與Karlen等研究結(jié)果(20%)基本相似。前期試驗(yàn)研究結(jié)果表明高鹽度土壤(ECe為10.8dS/m)滴灌棉田15N殘留率率顯著高于中、低鹽度土壤(ECe分別為6.3和2.5dS/m),這與本試驗(yàn)中405mm灌溉量下灌溉水鹽度對土壤15N殘留率影響的研究結(jié)果一致;但在540mm灌溉量下,不同灌溉水鹽度對土壤15N殘留率影響不大?？赡苁且?yàn)楣喔攘吭龃髮?dǎo)致咸水灌溉處理的15N肥料淋洗量增加,所以3個(gè)灌溉水鹽度處理間土壤15N殘留率無明顯差異。本試驗(yàn)研究也表明高灌溉量下土壤15N殘留率顯著減少,15N淋洗損失率顯著增加。研究結(jié)果表明不同灌溉水鹽度對滴灌棉田土壤-作物系統(tǒng)15N總回收率影響顯著,微咸水灌溉棉田顯著高于咸水灌溉,但與淡水灌溉棉田無顯著差異;土壤-作物系統(tǒng)15N總回收率變化范圍為68.99%~76.61%,與Wei等(75.82%)、Hou等(55.9%~61.3%)的研究結(jié)果相近,說明不同灌溉水處理棉田土壤-作物系統(tǒng)15N的損失率約為23%~31%。氮肥施入農(nóng)田土壤后主要通過揮發(fā),淋洗,硝化/反硝化等途徑損失。一般認(rèn)為氨揮發(fā)損失是北方石灰性土壤氮素?fù)p失的主要途徑。Vander等研究發(fā)現(xiàn)施用尿素后,氨揮發(fā)可達(dá)12%~46%。毛端明等認(rèn)為氮肥施入旱地土壤中,氨揮發(fā)率平均達(dá)到47.1%。但徐萬里等應(yīng)用原位監(jiān)測法對新疆綠洲棉田土壤氨揮發(fā)的研究結(jié)果表明土壤氨揮發(fā)損失僅占氮肥施用量的0.18%~0.46%。董文旭等通過對華北農(nóng)田土壤氨揮發(fā)原位測定研究發(fā)現(xiàn)氨揮發(fā)損失量占施氮量的0.41%~5%。滴灌條件下由于氮肥(尿素)是溶解于水后隨灌溉水滴入土壤,并很快運(yùn)移到下層土壤,因此氨揮發(fā)并不強(qiáng)烈,氮肥的氨揮發(fā)損失率不超過2%。有研究明膜下滴灌棉田氮肥的揮發(fā)損失率為0.09%~0.14%。因此,滴管條件下氮肥(尿素)隨水施用,氨揮發(fā)不是氮肥損失的主要途徑。此外,膜下滴灌農(nóng)田灌水量尤其是單次灌水量較少,因此可顯著降低氮肥淋洗的風(fēng)險(xiǎn)。周和平等研究表明,膜下滴灌可以有效的降低肥料和水分的淋洗,有壓鹽保水保肥的作用。王肖娟等應(yīng)用硝酸鹽淋溶收集裝置對氮素淋洗損失的監(jiān)測結(jié)果表明滴灌棉田氮肥淋洗損失率為1.69%~5.97%,Hanson等對滴灌條件下氮肥淋洗損失的數(shù)值模擬結(jié)果顯示氮肥淋洗損失率為2.6%~6.8%。本研究中15N肥料的淋洗損失率為1.56%~4.71%,與上述結(jié)果基本吻合。已有研究認(rèn)為硝化/反硝化損失可能是滴灌棉田氮肥損失的主要途徑。王肖娟等通過間接估算法計(jì)算得到滴灌棉田氮肥的硝化/反硝化損失率為15.94%~21.61%。由于滴灌是