棉花秸稈不同埋深對土壤水鹽分布及棉花根系構(gòu)型的影響

王學成，劉 冉，楊瑩攀，孫博瑞，王海瑞，姚寶林

（1.塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆阿拉爾843300；2.塔里木大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，新疆阿拉爾843300）

0 引 言

棉花是我國第一大經(jīng)濟作物，也是關系國計民生的戰(zhàn)略物資。新疆地區(qū)是我國棉花主要生產(chǎn)基地，棉花生產(chǎn)量常年位居全國第一位[1]。大面積的棉花種植，使得新疆棉花秸稈資源巨大，但秸稈還田的比例卻不高，秸稈還田率僅有54.6%[2]?，F(xiàn)有研究表明，秸稈還田對改善土壤理化性質(zhì)具有很大益處，可促進土壤中碳元素的回歸，提高土壤有機質(zhì)含量與土壤肥力[3,4]。丁潔等[5]發(fā)現(xiàn)秸稈還田可有效促進稻田土壤有機碳的積累，改善土壤中活性炭組分。秸稈還田具有多種方式，生產(chǎn)過程中秸稈還田往往伴隨相應的耕作措施進行[6]。欒天浩等[7]研究發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋還田及秸稈旋混耕作方式較秸稈不還田，玉米產(chǎn)量分別增加9.84%、8.01%，并且有效提高土壤中氮磷鉀含量。李小牛等[8]研究發(fā)現(xiàn)不同秸稈還田量對玉米的生長發(fā)育效果以及土壤理化性質(zhì)影響效果也不同，綜合考慮后發(fā)現(xiàn)秸稈還田量為0.9 kg/m2時綜合效益最高。

根系是作物吸收水分和養(yǎng)分最活躍的地下營養(yǎng)器官，不僅為植株的生長提供能量，也是植株氨基酸、激素等微量化合物合成與轉(zhuǎn)化的場所，對于作物的生長發(fā)育和果實的形成起到十分關鍵的作用[9]。姜英等[10]研究不同秸稈還田方式對吐絲期玉米根系特征的影響發(fā)現(xiàn)，全層翻耕的秸稈還田方式與全層旋耕、條帶翻耕及條帶旋耕的秸稈還田方式相比，在根系主要生長的0～30 cm 土層深度根長提高7.9%～43.2%，表明秸稈還田的方式對作物根系的生長有著顯著影響。

當前關于秸稈還田對作物產(chǎn)量及土壤理化性質(zhì)的影響已有了相對完善的研究，秸稈還田的方式方法都對作物生長及土壤中水鹽分布有著重要影響。南疆地區(qū)具有的高蒸發(fā)量、高鹽環(huán)境，如何確定最佳棉花秸稈埋設深度，促進棉花根系生長發(fā)育和空間分布，從而提高棉花產(chǎn)量，尚需要進一步研究。因此為了探索棉花秸稈合理還田深度和利用方式，開展不同棉稈埋設深度對土壤水鹽分布及棉花根系構(gòu)型的影響等方面的研究，為南疆地區(qū)合理利用棉花秸稈，提高棉花產(chǎn)量提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于新疆生產(chǎn)建設兵團阿拉爾市塔里木大學節(jié)水灌溉試驗基地（81°17'E，40°32'N，海拔1 108 m）開展。該地屬典型溫帶干旱大陸性荒漠氣候區(qū)，降雨稀少且蒸發(fā)強烈。年平均降雨量50 mm，地表蒸發(fā)量高達2 000 mm 以上，土壤容重為1.45 g/cm3，年均氣溫為10.7 ℃。全年≥10 ℃的有效積溫為4 113 ℃，無霜期220 d，年日照2 900 余小時，4?10月份平均日照9.5 h，光熱資源充足，適宜于發(fā)展長絨棉、細絨棉種植技術。2020年棉花生育期間溫度如圖1所示。

圖1 試驗區(qū)棉花生育期期間溫度及ET0統(tǒng)計圖

1.2 試驗設計

供試作物為棉花，品種為“新陸中37”，棉花2020年4月20日進行播種，于2020年10月22日棉花吐絮期末對根系進行采集。本試驗設置不同棉稈隔層埋設深度，分別為10 cm(A)、15 cm(B)、30 cm(C)、45 cm(D)，并設置不埋設棉稈隔層為對照組CK，共5 個試驗處理，每個處理3 個重復，共計5×3=15 個試驗小區(qū)。試驗采用桶裝土柱的方法進行，土柱使用直徑為40 cm、高70 cm 的塑料控根器包裹埋入地下，控根器外側(cè)用塑料薄膜包裹。桶上部和地表平齊，地表與大田地表相同做覆膜處理，每個桶即為一個試驗小區(qū)，試驗土柱設計簡圖如圖2所示。

圖2 試棉稈埋深設計簡圖（單位：cm）

放置控根器時先將大田中土壤按0～20 cm，20～40 cm，40～70 cm分層取出（土壤容重為1.45 g/cm3），并分別放置。將當季風干棉花棉稈按所設置深度（10 cm、15 cm、30 cm、45 cm）進行埋設。棉稈配比為1∶3∶6（葉：桃：稈），平均長度5 cm，壓實后棉稈隔層厚度為5 cm，重量約為12.103 kg/m2，棉稈埋置完畢后將土壤按原層次進行回填。

各土柱均勻分布在大田中，每個土柱中種植3株棉花。棉花生育期灌水和施肥同大田一致，灌水日期與灌水量如表1所示，棉花生育期內(nèi)ET0計算采用FAO推薦公式計算[11,12]，ET0值見圖1（蕾期、花鈴期、吐絮期ET0累計值分別為142 mm、224 mm、140 mm）。在棉花蕾期及花鈴期將棉花滴灌專用肥分5 次隨滴灌水滴入，氮磷鉀比例為15∶30∶7（420 kg/hm2）。棉花生育期內(nèi)病蟲害防治及其他農(nóng)藝措施各處理均相同。

表1 2020年棉花灌溉制度

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土壤含水率和電導率測定

（1）土壤含水率。將各處理小區(qū)土樣按10 cm 分層取出后稱量其濕重，隨后將土樣放置于烘箱中。設置溫度105 ℃，烘8 h，再稱其干重，采用烘干法測定土壤含水率。

（2）土壤電導率。取樣同土壤含水率，將風干后的土壤碾碎并過1 mm 篩后，稱取土樣20 g 置于錐形瓶中，加入100 mL 蒸餾水，制成水土比為5∶1 的水土混合液，震蕩3 min 后進行過濾，用DDS?308A電導儀測定過濾液的電導率（EC）。

1.3.2 棉花根系生物量測定

取根時先將土柱整體取出，把土柱外包裹的塑料控根器去除，然后將土柱中根系按層（0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70 cm）依次取出，每層10 cm，共7層。取出后的根系放置于密封袋中防止風干。挑除非棉花根系后，將根系用去離子水沖洗干凈并自然晾干，使用掃描儀（3720 MFC～J3930DW）將根系掃描為黑白TIF圖像，把根系黑白TIF圖像導入萬深LA?S系列植物圖像分析系統(tǒng)中進行分析，得到各層棉花根長、根表面積、根體積及根平均直徑等形態(tài)特征指標，并計算出根長密度、根表面積密度、根體積密度。掃描后的根系于85 ℃環(huán)境中烘干至恒質(zhì)量，并計算出根系質(zhì)量密度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019 對文中數(shù)據(jù)進行分析處理，使用Origin 2018 和Microsoft Excel 2019進行制圖，并采用SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，選用LSD 與Duncan 新復極差法進行方差分析（P=0.05）。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2.1 棉稈隔層埋設深度對土壤含水率的影響

不同棉稈隔層埋設深度處理下0～70 cm 土壤平均質(zhì)量含水率（Soil water contentSWC）如圖3（a）所示，CK、A、B、C、D 處理下的SWC分別為18.61%，22.69%，13.40%，13.96%，17.84%。A 處理含水率最高，與A 處理相比CK、B、C、D 處理平均SWC分別降低17.94%，40.92%，38.45%，21.35%。這是因為A 處理秸稈隔層埋深較淺，作用同秸稈覆蓋，可有效降低土壤表層蒸發(fā)。方差分析表明，CK 處理與A、D 處理之間不存在顯著差異，但與B、C 處理之間存在顯著性差異，這表明不同棉稈隔層埋深對土壤平均SWC具有顯著影響。

棉稈隔層埋設不同深度處理下，在0～70 cm 各土層的土壤SWC如圖3（b）所示，各處理SWC趨勢相同，隨著深度的增加，SWC值也隨之增加。與平均SWC值相對應，A 處理在各深度的SWC均為最高。但對單個處理的不同深度土壤SWC值進行分析發(fā)現(xiàn)，CK 處理SWC值隨土層深度的增加上升趨勢均勻，不存在SWC明顯變化的土層深度。而B 處理后的土壤SWC，在其埋設棉稈隔層的10～20 cm 土壤深度變化最為明顯，其他各深度變化均勻。C處理在其埋設棉稈隔層的30～40cm 處SWC變化最為明顯。D 處理SWC在埋設棉稈隔層的40～50 cm處也存在拐點，增長趨勢變大。上述分析說明埋設棉稈隔層對土壤中水分的分布具有一定影響，各處理SWC均在各自棉稈隔層埋設區(qū)域有明顯提升趨勢，表明棉稈隔層具有一定持水作用。

圖3 不同棉稈隔層埋設深度對土壤質(zhì)量含水率的影響

2.2 棉稈隔層埋設深度對土壤電導率的影響

不同棉稈隔層埋設深度處理下土壤0～70 cm 的土層平均電導率如圖4（a）所示，CK 處理下的電導率值為263.95 μS/cm，為各處理中最低值。A、B、C、D 處理電導率分別為412.33 μS/cm，351.76 μS/cm，345.79 μS/cm，339.85 μS/cm，與CK 處理相比A、B、C、D 處理電導率分別上升56.22 %，33.27%，31.01%，28.76%。方差分析表明，CK處理與A處理之間存在顯著性差異，表明是否埋設秸稈隔層，對土壤平均電導率值有顯著影響。但A、B、C、D 間不存在顯著性差異，這表明棉稈隔層埋設深度的不同對土壤平均電導率不具有顯著影響（P>0.05）。

棉稈隔層埋設深度對土壤各深度土層電導率影響如圖4（b）所示。CK 處理各深度電導率大小較為均勻，棉稈隔層埋設較淺的A 處理與其他各處理相比在其秸稈埋設的10 cm 土層深處電導率最大。對單個處理的不同土壤深度電導率值分析發(fā)現(xiàn)，B 處理在其棉稈隔層埋設的10～20 cm 土層深度電導率變化幅度較大，C 處理在其棉稈隔層埋設的30～40 cm 土層深度電導率上升幅度最大，D 處理在50 cm 土層深度處存在電導率極值點，上述數(shù)據(jù)分析說明埋設棉稈隔層對土壤中電導率值的分布具有一定影響，各處理在各自棉稈隔層埋設區(qū)域，土壤電導率均有一定變化。

圖4 不同棉稈隔層埋設深度對土壤電導率的影響

2.3 棉稈隔層埋設深度對棉花根系構(gòu)型及分布的影響

2.3.1 棉稈隔層埋設深度對棉花根系干重和分布的影響

選取棉花根系質(zhì)量、根質(zhì)量密度、根長密度、根體積以及根系平均直徑來描述棉稈深埋對棉花根系構(gòu)型的影響。不同棉稈隔層埋設深度處理下單株棉花根系干重總量如圖5（a）所示。C 處理單株棉花根系干重總量最高，為25.97 g，CK 處理單株棉花根系干重總量為24.72 g，C 處理較CK 處理根系總生物量增加5.06 %，B 處理對應的單株棉花根系干重總量為11.94 g，C 處理較B 處理根系總生物量增117.50%。方差分析表明，CK 與A、C、D 處理間不具有顯著性差異（P＞0.05），但B 處理與CK、C、D 處理間存在顯著性差異（P＜0.05），這表明棉稈隔層埋設深度的變化對單株棉花根系干重總量具有顯著的影響。

根質(zhì)量密度（Root weight density，RWD）在0～70 cm 深度土壤剖面的分布情況如圖5（b）所示。單株棉花RWD中69%～85%RWD分布于0～20 cm 土層，84%～93%分布于0～30 cm 的土層范圍。由圖5（b）可知，棉稈埋設深度為30 cm 的處理在20～70 cm 各土層范圍內(nèi)的RWD均處于最高值。對各處理間相同深度土層RWD進行方差分析表明，在0～10 cm 土層，CK 處理與B、E 處理間具有顯著的差異，但CK 與C 和D 處理之間不存在顯著差異。10～20 cm 深度土層中，C 處理與CK、A、B、D 均存在顯著差異。20～30 cm 深度土層中，CK 與C 處理間具有顯著差異，C 處理與B 處理間存在顯著性差異，其他處理間不具有顯著差異。這表明棉稈隔層埋設深度不同對單株棉花RWD在土壤中的分布有顯著性影響。

圖5 不同棉稈隔層埋設深度對棉花根系質(zhì)量的影響

上述數(shù)據(jù)分析表明，當棉稈埋設深度為30 cm 時，單株棉花根系質(zhì)量最高，C 處理在0～40 cm 根系主要分布區(qū)域內(nèi)單株棉花根系質(zhì)量分別高于CK、A、B、D 處理2.60%，55.68%，123.71%，20.09%。但其他棉稈隔層埋設深度處理較CK 處理棉花根系質(zhì)量有所下降，這說明棉稈隔層埋設深度的設置對棉花根系質(zhì)量具有顯著影響。

2.3.2 棉稈隔層埋設深度對棉花根系長度密度和分布的影響

根系的根長密度（Root length density，RLD）決定植物吸收土壤水分和養(yǎng)分的能力，在反映根系生理生態(tài)功能方面具有重要意義。如圖6（a）所示，CK 處理與C 處理不存在顯著差異，但C處理與A、B、D均存在顯著差異。C處理RLD高于CK 處理21.84%。上述分析表明單株棉花平均RLD受棉稈隔層埋設深度的影響顯著，當棉稈隔層埋設深度為30 cm 時RLD值最高，RLD值大小依次為C>A>E>D>B。

RLD在0～70 cm 土壤垂直剖面的分布情況如圖6（b）所示。70.58%～80.23%的RLD存在于0～40 cm 的土層深度之中。隨著土層深度的增加RLD逐漸降低。在根系主要生長的0～40 cm 土層深度處，C 處理下的單株棉花RLD 較CK 處理增加12.65%，較B、D、E處理分別增加52.60%，19.25%，25.41%。這表明棉稈隔層埋深為30 cm 對棉花根系生長起到促進作用。但其他棉稈隔層埋設深度處理的單株棉花RLD較CK 處理有下降現(xiàn)象，這表明棉稈隔層埋深對單株棉花RLD具有一定影響。

圖6 不同棉稈隔層埋設深度對棉花根長密度的影響

2.3.3 棉稈隔層埋設深度對棉花根系平均直徑及體積影響

不同棉稈埋設深度處理下對根系平均直徑（Root average diameter，RAD）影響具有顯著性（圖7）。方差分析表明CK處理與A、B、D處理間無顯著性差異，但C處理與CK、B、D處理之間具有顯著差異性。C 處理根系平均直徑為2.81 mm，CK 處理棉花根系平均直徑為1.66 mm，C 處理較CK 處理根系平均直徑上升69.28%，A 處理根系平均直徑為2.18 mm，較CK 上升31.10%，D 處理根系平均直徑為1.80 mm，較CK 上升8.02%。上述數(shù)據(jù)分析表明棉稈隔層不同埋設深度對棉花根系平均直徑具有顯著影響，棉稈隔層埋設深度為30 cm 時棉花根系平均值最大。

圖7 不同棉稈隔層埋設深度對棉花根平均直徑的影響

不同秸稈埋深處理對根系體積（Root volume，RV）的影響如圖8所示。由數(shù)據(jù)方差分析可知，秸稈埋深對RV 存在一定的影響。其中C 處理下的棉花根系體積值最高，為35.27 cm3，較CK 上升15.87%，CK 與各處理均不存在顯著差異，表明是否埋設棉稈隔層對棉花根系體積不具有顯著影響。但C處理與B 處理存在顯著差異，與B 處理相比，C 處理提高63.15%，這表明棉稈隔層埋設深度對棉花根系體積具有顯著影響。

圖8 不同棉稈隔層埋設深度對棉花根體積的影響

3 討 論

（1）棉稈隔層埋設深度對土壤水分分布的影響。本試驗結(jié)果表明棉稈隔層埋設深度為10 cm 時土壤含水率最高，考慮到秸稈埋設深度較淺，可以參考秸稈地表覆蓋狀態(tài)下對土壤含水率的影響。趙娜娜等[13]的研究表明秸稈覆蓋處理下，較不設置秸稈覆蓋處理下土壤積聚降水效果更佳，并提高土壤表層0～60 cm 土壤含水率。蔡太義等[14]的研究也表明秸稈覆蓋處理下土壤各深度土層含水率皆大于不做秸稈覆蓋處理的土壤，且隨著土壤深度的增加，秸稈覆蓋處理與無秸稈覆蓋處理的土壤含水率差異逐漸降低。另外棉稈隔層埋設深度為45 cm、30 cm、15 cm 時土壤含水率依次降低，這是因為棉稈埋深會影響到土壤本身虛實程度。棉稈隔層埋深45 cm、30 cm、15 cm 處理下，土壤上虛下實程度越來越高，結(jié)合試驗地區(qū)高蒸發(fā)量，低降水量的氣候特點，土壤越虛，蒸發(fā)量越高，土壤的蓄水能力也越低。劉丹等[15]研究也表明，全實耕層比上虛下實耕層土壤蓄水量都有提高。王浩等[16]研究表明虛實并存和全虛耕層比上虛下實耕層全生育期土壤蓄水量分別提高13.41 mm和15.70 mm，本試驗結(jié)果與前人研究結(jié)果基本一致。

（2）棉稈隔層埋設深度對土壤鹽分分布的影響。數(shù)據(jù)分析顯示不同棉稈隔層埋設深度對土壤鹽分含量具有顯著性影響，這說明棉稈隔層的布置影響鹽分在土壤中的遷移路徑。當棉稈隔層埋設深度為10 cm 時，土壤電導率最高，結(jié)合南疆地區(qū)高溫高蒸發(fā)量的地域條件分析，土壤水分蒸發(fā)過程中，發(fā)生返鹽現(xiàn)象，鹽分在棉稈隔層處發(fā)生聚集，灌水時期，棉稈隔層上部鹽分也積聚于隔層處。同理其他埋設棉稈處理較不埋設棉稈處理鹽分含量都有所增加。另外棉稈隔層具有持水作用，根據(jù)各不同深度土層含鹽量分析說明，棉稈埋設區(qū)域土壤含水含鹽量都有上升現(xiàn)象，這與劉月等[17]研究發(fā)現(xiàn)持水能力高的土層較持水能力低的土層含鹽量更高的研究結(jié)果較為一致。

（3）棉稈隔層埋設深度對根系構(gòu)型的影響。根系是作物最重要的養(yǎng)分和水分吸收器官，在作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成過程中起著非常重要的作用。秸稈還田對作物根系生長的影響研究較多，槐圣昌[18]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田較不還田處理下對作物根系根長密度、根質(zhì)量密度、根尖數(shù)等根系指標都有明顯提高效果。本試驗結(jié)果表明當秸稈隔層埋設深度為30 cm時，棉花根系生長最為茂盛，在根系主要生長的0～40 cm 土壤深度中，C 處理較CK 處理的根系質(zhì)量密度、根長密度和根平均直徑都有提高。但其他埋設深度處理與不埋設棉稈隔層處理相比根系指標都有所下降，考慮到南疆地區(qū)蒸發(fā)量高及土壤高鹽分含量的特點可能是因為其他埋設深度處理不在根系主要生長區(qū)沒有充分發(fā)揮其對棉花根系的養(yǎng)分供應的作用，但卻影響到根系生長區(qū)土壤水鹽分布情況，水分含量降低，鹽分含量上升，因此其他埋設處理的棉花根系形態(tài)不如對照組CK。

4 結(jié) 論

（1）不同深度棉稈埋設深度對土壤水分鹽分分布以及根系構(gòu)型有顯著影響。本研究發(fā)現(xiàn)，棉稈隔層阻礙了土壤中鹽分及水分在豎直方向的運移，使得水分及鹽分在棉稈隔層處發(fā)生一定的聚集現(xiàn)象，因此各埋設深度處理含鹽量都高于CK。另外棉稈埋深會影響到土壤本身虛實程度，從而改變土壤中水分分布情況，使得除A 處理外其他各處理土壤含水率均低于CK。

（2）本試驗數(shù)據(jù)表明，C處理各項根系構(gòu)型指標均高于其他處理，C 處理較CK 處理單株棉花根系質(zhì)量上升5.09%，根長密度上升21.84%，根直徑及根體積分別上升69.30%，15.87%。其他各處理較CK根系各指標都有所下降。

綜合分析，不同深度棉稈隔層埋設深度對土壤水鹽及棉花根系生長具有顯著影響，其中埋設深度為30 cm 處理起到了促進棉花根系生長的作用。本試驗結(jié)果可以為南疆地區(qū)在實際生產(chǎn)過程中采取秸稈還田方式提供經(jīng)驗參考。