基于氫氧同位素不同鹽肥條件下棉田水分分布研究

王鑫宇，何新林*，楊廣，趙麗，楊麗莉

（1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.寒旱區(qū)生態(tài)水利工程兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000）

我國新疆是典型干旱地區(qū)，水分是限制作物生長重要因素[1]。棉花作為新疆最主要農(nóng)作物[2]，關(guān)于棉花水分分布有大量研究成果，李惠等研究表明，膜下滴灌后棉花調(diào)整水分利用來源顯著增加0～30 cm土壤水利用比例[3]。湯英等研究指出，不同水分處理下枸杞主根系（20～60 cm）土壤含水率與相應(yīng)δD呈負(fù)相關(guān)，且降水量較大時(shí)枸杞增加對40～60 cm土壤水利用[4]。岳伶俐等研究認(rèn)為，油茶果實(shí)第二生長高峰較第一生長高峰對于30～100 cm土壤水吸收有大幅增加[5]。但關(guān)于不同鹽分與不同肥料處理下棉花水分分布規(guī)律鮮有研究。研究棉花在不同鹽分和肥料處理下各生育期水分利用來源對不同鹽分土地進(jìn)行合理施肥制度制定，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水具有重要價(jià)值。

傳統(tǒng)研究作物水分分布規(guī)律方法是通過確定植物根系空間分布特征分析其水分利用來源[6-7]，難以規(guī)范且易破壞根系影響分析結(jié)果[8]。運(yùn)用穩(wěn)定氫氧同位素分析植物水分分布規(guī)律相比傳統(tǒng)方法更有效和精確[9]。吳駿恩等研究表明，植物根系吸水過程中穩(wěn)定氫氧同位素并不發(fā)生分餾，植物木質(zhì)部水的同位素組成和其他潛在水源組成可判斷植物利用水分來源[10]。近年研究利用氫氧同位素分析植物水分來源，楊培嶺等對咸淡水灌溉下玉米吸水規(guī)律開展研究[11]。李華非對青海湖沙柳土壤水氫氧同位素組成特征等開展研究[12]。郭輝等利用氫氧同位素揭示新疆防護(hù)林與棉花水分來源及水分競爭關(guān)系[13]。氫氧同位素分布特征反映植物對不同水源選擇和利用能力，通過分析植物木質(zhì)部中同位素組成及各類水分來源中氫氧同位素組成，結(jié)合多元線性混合模型（IsoSource模型）可對植物水分利用來源及比例進(jìn)行分析判斷[14]。

試驗(yàn)以“新路早48號”棉花為研究對象，分別在不同鹽分與肥料處理?xiàng)l件下，通過收集全生育期大氣降雨、不同深度土壤水和棉花莖稈水，分析不同鹽分與肥料處理下氫氧同位素變化特征，通過IsoSource模型確定棉花對于不同水源利用比例情況，探討棉花水分利用特性，為高效施肥、合理利用各類水源、提高棉花水分利用效率和效益提供理論指導(dǎo)與方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于新疆石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（44°18'N，86°02'E）開展。該區(qū)域?qū)儆谥袦貛Ц珊祬^(qū)氣候，年平均日照時(shí)間2 865 h，無霜期170 d。年均降水量為141 mm，主要集中在6～9月，年均蒸發(fā)量為1 718 mm[15]。試驗(yàn)品種采用新疆惠遠(yuǎn)種業(yè)股份有限公司“新陸早48號”。實(shí)驗(yàn)站土壤類型為壤土，土壤物理性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)地土壤物理性質(zhì)Table 1 Soil physical properties of the test site

1.2 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)設(shè)置為鹽肥兩個控制因素的正交試驗(yàn)。試驗(yàn)地為9個2 m×2 m測坑。試驗(yàn)棉花采取“一膜二管四行”種植方式。灌溉方式為膜下滴灌，潛水泵加壓，滴頭流量為2.0 L·h-1。土壤含鹽量3水平：輕度鹽化土（3 g·kg-1）、中度鹽化土（6 g·kg-1）、重度鹽化土（9 g·kg-1），分別標(biāo)記為S1、S2、S3。施肥量3水平：105、210和315 kg·hm-2（以氮計(jì)）分別標(biāo)記為N1，N2，N3。總計(jì)9個處理。灌水定額參考近年來石河子及周邊農(nóng)場膜下滴灌棉花規(guī)定制定，設(shè)置為4 500 m3·hm-2。

1.3 樣品采集

于2021年5～10月收集大氣降水、0～60 cm棉花土壤水、棉花莖稈水試驗(yàn)樣品。為減少同位素分餾對結(jié)果影響，所有樣品均放入冷藏裝置，帶回實(shí)驗(yàn)室冷凍保存。為減少由于取樣時(shí)間帶來的差異性，每次采樣時(shí)間均設(shè)置在蒸散發(fā)作用較弱的上午8:30左右[16]。

①棉花樣品采集：每個處理分別選擇長勢優(yōu)良的棉花，剪取新鮮的植物莖稈（直徑0.6 cm左右；長度3 cm左右）。除去棉花外皮和韌皮部后，立刻裝進(jìn)10 mL玻璃瓶中，用Parafilm封口膜封口帶回實(shí)驗(yàn)室冷凍保存。棉花樣品收集時(shí)間分別為苗期（5月25日）、蕾期（6月25日）、花鈴期（8月22日）、吐絮期（9月11日）。

②土壤樣品采集：在收集棉花莖稈樣品時(shí)，對剪取棉花莖稈下的土壤手動鉆收采集0～60 cm深度土壤樣品，每20 cm收集1次。土壤體積含水率測量采用TRIME-PICO-IPH TDR（德國IMKO公司）。觀測深度與土壤取樣深度相同。深度為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm。收集的土樣立刻裝入10 mL玻璃瓶內(nèi)，Parafilm封口膜密封帶回實(shí)驗(yàn)室冷凍保存。

③降雨樣品收集：在實(shí)驗(yàn)站隨機(jī)放置3個自制雨量桶收集降雨，在收集降雨后盡快對其進(jìn)行過濾并且放入實(shí)驗(yàn)站冷藏，以減小蒸發(fā)帶來的同位素分餾影響。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)期間所取棉花莖稈樣品、土壤樣品及降雨樣品均采用LI-2000植物、土壤水分真空設(shè)備（美國LGR公司），將棉花莖稈樣品水分和土壤水分提取出來并放入1.5 mL色譜瓶中密封低溫保存。石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院利用液態(tài)水同位素分析儀（Los Gatos Research,Inc.Mountain View，USA）測量提取水中氫氧同位素比率，計(jì)算公式如下：

其中，Rsample為樣品中元素重輕同位素豐度之比，如（D/H），（18O/16O）；Rstandard為國際通用標(biāo)準(zhǔn)物（H、O穩(wěn)定同位素采用V-SMOW）穩(wěn)定同位素豐度之比。液態(tài)水同位素儀器測試精度18O/16O優(yōu)于0.1‰，D/H優(yōu)于0.3‰。

1.5 水分來源模型（IsoSource模型）

運(yùn)用IsoSource模型[17]計(jì)算棉花對各水源利用比例。研究結(jié)果為氫同位素分餾，相比氧同位素分餾更顯著，所以選擇以δD為例。將棉花莖稈木質(zhì)部水的δD與剩余水源的δD帶入該模型，構(gòu)建質(zhì)量平衡公式：

其中，δD為棉花莖稈水氫同位素值；δD1，δD2…δDn為各水源氫同位素組成；f1，f2…fn為各水源占棉花利用水分百分?jǐn)?shù)，總和為1。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)站大氣降雨同位素組成特征

本次試驗(yàn)期間（5～10月）研究區(qū)實(shí)驗(yàn)站共收集7次大氣降雨，降雨穩(wěn)定同位素值分布如圖1所示，降雨的δD與δ18O范圍分別是-58.732‰～-1.77‰和-8.236‰～-1.248‰，最大值出現(xiàn)在7月11日，δD、δ18O值分別為-1.77‰和-1.248‰，最小值出現(xiàn)在8月4日，分別為δD、δ18O值分別為-58.732‰和-8.236‰，對實(shí)驗(yàn)站所測大氣降雨同位素值作線性回歸分析，得到該實(shí)驗(yàn)站大氣降水線方程（LMWL,Local Meteoric Water Line）為δD=7.18δ18O-4.17（n=7,R2=0.96），其斜率和截距均小于全球大氣降水線[18]（GMWL，Global MeteoricWater Line），δD=8δ18O+10。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)站大氣降雨并非棉花主要用水來源。

圖1 全球和實(shí)驗(yàn)站降雨的氫氧同位素值分布情況Fig.1 Distribution of hydrogen and oxygen isotope values of rainfall in the world and experimental stations

2.2 棉花莖稈水穩(wěn)定同位素組成與土壤水穩(wěn)定同位素組成關(guān)系

由圖2可知，棉花莖稈水δD值均分布在土壤水同位素值分布區(qū)間，說明土壤水是棉花主要利用水源[19]。在每個生育期內(nèi)隨土壤深度增加，土壤水δD值在每個處理下均隨土壤深度增加呈下降趨勢。與李惠研究新疆膜下滴灌棉花穩(wěn)定同位素分布特征一致[20]。在苗期時(shí)，40 cm以上土壤水δD值波動較大。當(dāng)鹽分含量為S1，S2，S3時(shí)，每層土壤δD值均呈現(xiàn)N1＞N2＞N3情況，同時(shí)棉花莖稈水δD值也表現(xiàn)為N1＞N2＞N3。說明在棉花苗期時(shí)，同一鹽分情況下，隨施肥量增加土壤水和棉花莖稈水的δD值均呈下降趨勢，而高鹽分情況相比低鹽分下降更快。蕾期時(shí)相對于苗期土壤水和莖稈水的δD值進(jìn)一步變小，同鹽分不同肥料處理?xiàng)l件下相同深度土壤水的δD值相比苗期跨度也更大。但不同處理下土壤水和棉花莖稈水的δD值總體變化規(guī)律與苗期一致。花期時(shí)相對于蕾期土壤水，莖稈水δD值大幅變小，且在肥料處理為N3條件下變化最明顯。但土壤水及莖稈水δD值垂直變化規(guī)律與前兩個生育期一致。吐絮期相比花期土壤水，莖稈水δD值變幅更大，δD值也更小，土壤水和棉花莖稈水δD值變化規(guī)律與前3個生育期保持一致。

因每個生育期土壤水和棉花莖稈水的δD值總體變化規(guī)律一致，同時(shí)花期又是全生育期內(nèi)所需水肥最重要階段[21]。因此本研究主要以棉花花期為例，探討不同處理下土壤水與棉花莖稈水的δD值總體變化規(guī)律，如圖2所示。

圖2 棉花花期莖稈水與土壤水源同位素關(guān)系Fig.2 Relationship between stem water and soil water source isotope in cotton flowering

綜上，棉花全生育期內(nèi)，每個處理下土壤水的δD值均會隨土壤深度增加而減小且吐絮期、花期比苗期、蕾期減小幅度更大。在同一生育期內(nèi)同等鹽分處理情況下，隨施肥量增加，棉花根莖水的δD值越小。

2.3 不同處理下棉花對不同深度土壤水利用率

因大氣降雨、灌溉水及地表徑流等水源只有轉(zhuǎn)化成土壤水后才可被植物吸收利用[22]，此次試驗(yàn)中棉花吸水來源被認(rèn)為是不同深度土壤水。將0～20，20～40，40～60 cm土壤水以及棉花莖稈水的δD輸入IsoSource模型，得到每個生育期在不同處理下棉花對不同深度土壤水利用比例Water utilization rate（后文簡稱WUR）見表2。苗期時(shí)棉花主要利用0～20 cm土壤水，其中最高利用比例為N1S3的79%，最低比例為N3S1的72%。當(dāng)鹽分為S1時(shí)，水分利用比例大小關(guān)系為：N1S1＞N2S1＞N3S1。鹽份為S2時(shí)，水分利用比例大小關(guān)系為：N1S2＞N2S2＞N3S2。鹽份為S3時(shí)，水分利用比例大小關(guān)系為：N1S3＞N2S3＞N3S3。蕾期時(shí)棉花主要利用20～40 cm土壤水，N2S3時(shí)利用比例最高為57.7%，最低利用比例為N2S1的52.5%。當(dāng)鹽分為S1時(shí)，水分利用比例大小關(guān)系為：N1S1＞N2S1＞N3S1。鹽分為S2時(shí)，水分利用比例大小關(guān)系為：N3S2＞N1S2＞N2S2。鹽份為S3時(shí)，水分利用比例大小關(guān)系為：N2S3＞N1S3＞N3S3?；ㄆ跁r(shí)棉花主要利用40～60 cm土壤水，其中最高利用比例為N1S1的63.7%，最低利用比例為N3S3的58.7%。當(dāng)鹽分為S1時(shí)，水分利用比例大小關(guān)系為：N1S1＞N2S1＞N3S1。當(dāng)鹽分為S2時(shí)，水分利用比例大小關(guān)系為：N1S2＞N2S2＞N3S2。當(dāng)鹽分為S3時(shí)，水分利用比例大小關(guān)系為：N2S3＞N1S3＞N3S3。吐絮期時(shí)棉花利用40～60 cm土壤水比例較花期大幅增長，N1S1時(shí)利用比例最高為80.3%，N3S3利用比例最低為73%。當(dāng)鹽分為S1時(shí)，水分利用比例大小關(guān)系為：N1S1＞N2S1＞N3S1。鹽分為S2時(shí)，水分利用比例大小關(guān)系為：N1S2＞N2S2＞N3S2。鹽分為S3時(shí)，水分利用比例大小關(guān)系為：N2S3＞N1S3＞N3S3。

表2 全生育期各處理下棉花利用土壤水分深度和比例Table 2 Depth and proportion of soil water use of cotton under different treatments in the whole growth period

綜上，苗期時(shí)在3種梯度鹽分處理下，棉花主要利用0～20 cm土壤水比例隨著施肥量增加而減少。蕾期相比苗期棉花主要利用土壤水深度向下延伸至20～40 cm，且鹽分處理為S1、S2時(shí)，棉花主要利用20～40 cm土壤水比例隨著施肥量增加而減少?；ㄆ凇⑼滦跗跁r(shí)棉花主要利用土壤水深度為40～60 cm，鹽分為S1，S2處理時(shí)均表現(xiàn)為施肥量和棉花土壤水利用比例呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 討論與結(jié)論

3.1 不同鹽肥處理棉花利用土壤水分深度和比例變化規(guī)律

棉花苗期主要利用0～20 cm土壤水（利用比例最高為N1S3的79%），蕾期主要利用20～40 cm土壤水（利用比例最高為N2S3的57.7%），花期主要利用40～60 cm土壤水（利用比例最高為N1S1的63.7%），吐絮期主要利用40～60 cm土壤水（利用比例最高為N1S1的80.3%），全生育期符合棉花吸水由淺變深的規(guī)律，與張立楨等對山西運(yùn)城董村棉花根系吸收規(guī)律一致[23]，說明試驗(yàn)棉花符合一般生長規(guī)律。

3.2 不同鹽肥處理棉花土壤水和莖稈水δD值變化規(guī)律

所有處理棉花土壤水δD值和土壤深度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，全生育期內(nèi)土壤水δD值呈下降趨勢；鹽分一定時(shí)，棉花莖稈水δD值與施肥量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)鹽分處理為S1時(shí)，全生育期各處理δD值大小關(guān)系為N1S1＞N2S1＞N3S1，且全生育期N1S1、N2S1、N3S1的δD均值分別為：-104.198‰、-107.496‰、-109.374‰；當(dāng)鹽分處理為S2時(shí)，全生育期各處理δD值大小關(guān)系為N1S2＞N2S2＞N3S2，且全生育期N1S2、N2S2、N3S2的δD均值分別為：-102.481‰、-106.055‰、-108.422‰；當(dāng)鹽分處理為S3時(shí)，全生育期各處理δD值關(guān)系為N1S3＞N2S3＞N3S3，且全生育期N1S1、N2S1、N3S1的δD均值分別為：-101.063‰、-104.415‰、-107.974‰。

3.3 棉花土壤含水率與土壤水利用比例關(guān)系

土壤含水率變化可在一定程度上反映植物生長情況[24]。隨鹽分處理不同，棉花根系吸水作用變化導(dǎo)致棉花土壤含水率也發(fā)生改變[25-26]，調(diào)整利用土壤水比例結(jié)構(gòu)。苗期與蕾期當(dāng)鹽分為S1和S2時(shí)，棉花淺層土壤水（0～40 cm）含水率與相應(yīng)利用率成反比，與王艷莉等研究發(fā)現(xiàn)淺層含水率增加，促進(jìn)根系活性導(dǎo)致淺層土壤水利用增加一致[27]。苗期因土壤初始含水率影響導(dǎo)致規(guī)律不顯著。同時(shí)鹽分為S1，S2時(shí)，隨施肥量增加棉花對0～40 cm土壤水利用比例逐漸降低。當(dāng)鹽分為S3時(shí)，不同施肥量下棉花對于0～40 cm土壤水吸收比例關(guān)系為N2S3＞N1S3＞N3S3?；ㄆ诤屯滦跗冢}分為S1，S2時(shí)，棉花根系主要吸收土壤水深度40～60 cm含水率與相應(yīng)利用率呈反比，隨施肥量增加棉花對該層土壤利用比例逐漸減少。鹽分為S3時(shí)肥料為N2處理均大于N1與N3處理40～60 cm土壤水利用比例。

綜上，不同鹽分土壤采取適宜施肥量有利于棉花提高灌溉水利用效率[28]，當(dāng)鹽分為S1，S2時(shí)推薦使用施肥量為N1，鹽分為S3時(shí)推薦使用施肥量為N2，可將水資源高效用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。