膜下滴灌不同灌溉定額對土壤水鹽分布和春玉米產量的影響

王增麗，董平國，樊曉康，王天任

（1武威市中心灌溉試驗站，甘肅武威 733000；2武威市水利技術綜合服務中心，甘肅武威 733000）

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膜下滴灌不同灌溉定額對土壤水鹽分布和春玉米產量的影響

王增麗1，董平國1，樊曉康2，王天任2

（1武威市中心灌溉試驗站，甘肅武威 733000；2武威市水利技術綜合服務中心，甘肅武威 733000）

摘要：【目的】研究膜下滴灌條件下，不同灌溉定額對土壤水鹽時空分布特征、春玉米產量和水分利用效率的影響。【方法】在石羊河流域中游，通過2014—2015兩年的灌溉試驗，對春玉米生育期設置不同灌溉定額（4 800、4 200和3 600 m3·hm-2），測定0—100 cm土層內，土壤水鹽時空分布特征，春玉米播種前和收獲后土壤全鹽量在年內和年際間的變化，春玉米產量及其構成要素。【結果】隨灌水定額的增加，0—60 cm土層土壤含水率增加明顯，當灌水定額從420 m3·hm-2增加到480 m3·hm-2時，春玉米吐絲揚花期0—60 cm土層平均含水率可保持在24.52％以上。在作物需水關鍵期，當灌水定額為480 m3·hm-2時，能明顯增加深層土壤的蓄水量。當灌溉定額低于360 m3·hm-2時，灌水量嚴重不足，土壤水分虧缺明顯。在非灌溉期，土壤鹽分隨水分蒸發在表層耕作土壤中積聚。垂直方向上，在0—40 cm土層發生積鹽現象，80—100 cm土層發生脫鹽現象。在灌溉期，在垂直方向上，隨著灌溉定額的增加，土壤淋洗深度呈增加的趨勢。不同灌溉定額條件下，0—20 cm土層土壤發生脫鹽現象，40—100 cm土層發生積鹽現象。但0—100 cm土層內，土壤全鹽量盈虧量總體基本平衡。在水平方向上，土壤鹽分以滴頭為中心向滴灌帶兩側運移，滴頭間土壤水分的交匯作用將原耕層的部分鹽分遷移到滴灌帶的濕潤鋒邊緣處。各處理土壤含鹽量均表現為滴灌帶間較滴頭間增加明顯。不同灌溉定額對春玉米穗長、穗行數、行粒數影響不顯著，對穗粗、禿尖長、百粒重影響顯著。降低灌溉定額可增加春玉米的穗粗和百粒重，但對作物增產無顯著作用。【結論】膜下滴灌條件下，春玉米耗水量受灌水量影響，適度水分虧缺能提高水分利用效率（WUE），但使春玉米產量降低4.45％ —20.99％。春玉米全生育期灌水10次，灌水定額為420 m3·hm-2，灌溉定額為4 200 m3·hm-2的灌溉制度節水、壓鹽、增產效益最優。

關鍵詞：春玉米；膜下滴灌；灌溉定額；水鹽運移；產量

聯系方式：王增麗，E-mail：wangzengli1201@163.com

0 引言

【研究意義】甘肅省石羊河流域屬內陸干旱地區，水資源嚴重短缺，水資源調用難度大使區內膜下滴管技術得到了廣泛應用，但膜下滴灌造成的鹽分在耕層底部聚集累積問題，嚴重制約了區域農業的可持續發展［1-2］。由于土壤水分和鹽分運動是相互聯系、影響的。只有綜合研究土壤水分和鹽分，才能系統表述它們的運動過程和變化規律［3］。【前人研究進展】MASS等［4］通過對試驗資料對比分析，確定了大部分作物的臨界含鹽量，同時提出作物產量隨含鹽量的增加呈線性下降趨勢。MINHAS等［5］研究結果表明，在同樣鹽分水平下，咸水、淡水輪灌措施較咸淡水混灌措施能明顯提高作物的產量。TEDESCHI等［6］研究結果表明，高頻灌水決定了土壤剖面較高的水分含量和較低的鹽分積累，低頻灌水由于較高的次灌水量，可將較多的鹽分淋洗出作物根區。趙成義等［7］研究結果表明，滴灌條件下，土壤濕潤鋒與鹽分的峰值隨灌水量的增加而下移，且灌水量越大，土壤脫鹽效果越好。縮小滴頭的間距可提高對土壤鹽分的淋洗作用［8］。沈浩等［9］、魏光輝等［10］、朱海清等［11］先后在新疆地區瑪納斯河流域、孔雀河流域以及石河子地區進行了水鹽運移研究，結果表明，土壤鹽分變異強度較土壤水分大，鹽分在土壤表層運移活躍，而深層鹽分變化幅度不大，土層鹽分和含水量具有較強的空間相關性。【本研究切入點】前人的研究大多集中在鹽漬土壤方面，而對不同灌溉方式、灌溉制度條件下農田土壤水鹽時空分布特征方面的研究鮮有報道。【擬解決的關鍵問題】本研究通過2年田間定位試驗，重點研究膜下滴灌條件下，不同灌溉定額對春玉米生育期農田土壤水鹽時空分布特征、春玉米產量及水分利用效率，旨在為當地農業生產提供技術指導和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014—2015年在武威市中心灌溉試驗站進行，試驗站海拔1 582 m，東經102°50′，北緯37°52′，為典型的干旱荒漠區。多年平均降水量163.2 mm，多年平均蒸發量2 019.9 mm。土壤質地為粉質壤土，土壤初始含鹽量0.35 g·kg-1，土壤容重1.45 g·cm-3，田間持水量29％，灌溉水源為井水（礦化度0.56 g·L-1），地下水埋深48 m。

1.2 試驗材料及設計

供試玉米品種為先玉335，2014年于4月21日種植，9月26日收獲，全生育期158 d。2015年于4月23日種植，9月21日收獲，全生育期152 d。采用玉米穴播機進行播種，播種量 30 kg·hm-2，膜下滴灌采用一膜兩管四行設置，株距20 cm，行距40 cm，滴灌帶間距80 cm。灌水下限為田間持水量的65％。滴灌帶采用北京綠源塑料有限責任公司生產的內鑲式滴灌帶，滴灌帶管徑16 mm，滴頭間距35 cm、工作壓力 0.1 MPa，滴頭流量1.38 L·h-1。

在作物播前，隨旋耕施入基肥，尿素262.5 kg·hm-2，磷酸二氫銨525 kg·hm-2。在拔節期隨灌水追肥1次，追施尿素200 kg·hm-2。如表1所示，試驗采用隨機區組設計，共3個灌水處理，每個處理重復3次。小區面積62 m2（6.2 m×10 m），周圍布置保護區，試驗前各處理進行春灌，灌水定額為1 200 m3·hm-2。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水鹽含量測定 試驗采用土鉆法分6層（0—10、10—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm）取樣。在滴灌帶正下方，沿鋪設方向距滴頭水平距離0、10、20、30 cm處取樣（滴頭間），記作0，t1，t2，t3；在垂直于滴灌帶方向上，距滴頭水平距離0、15、30、45 cm處向膜中心取樣（滴灌帶間），記作0、d1，d2，d3，各處理每次取樣42個。在春玉米各生育期進行取樣，灌水、降雨前后進行加測。采用烘干法測定土壤水分，利用 SG-3型電導率儀測定電導率 EC1∶5（土水質量比為 1∶5），根據文獻［12］計算土壤全鹽量。

1.3.2 作物產量及特征值測定 作物成熟后，各小區取具有代表性長勢基本一致的連續10株進行考種。考種指標包括穗長、禿尖長、穗粗、百粒重。測產采取小區單打單收方法測定。

1.3.3 氣象因子測定 2014—2015年春玉米生育期降雨量由站內自動氣象站測定。其中，2014、2015年春玉米生育期有效降雨量分別為 167.6 mm、112.6 mm。

1.4 數據處理與分析方法

利用 SPSS16.0對試驗數據進行方差分析和顯著性檢驗，采用Surfer8.0軟件進行制圖。

表1　2014—2015年不同處理春玉米灌水方案Table 1 Experimental design of irrigation treatment for spring maize in 2014-2015（m3·hm-2）

2 結果

2.1 土壤剖面鹽分動態變化

2014—2015年春玉米生育期土壤剖面全鹽含量動態變化如圖1、2所示。以2014年為例（圖1），在苗期（灌后5 d），垂直方向上，各處理在0—20 cm、80—100 cm土層內出現黑色閉合曲線，表明土壤鹽分在該土層內發生累積；水平方向上，滴頭間（X軸 0 —-30刻度區間）土壤鹽分含量色度較滴灌帶間（X 軸0—30刻度區間）淺，表明滴頭間土壤的淋洗作用高于滴灌帶間。到拔節期（灌前1 d），在根系吸水和蒸發蒸騰作用下，灌水定額對土壤脫鹽、積鹽土層深度影響明顯。其中，T1處理在0—80 cm土層發生積鹽，80—100 cm土層發生脫鹽。滴頭處0—80 cm土層鹽分為 0.83 g·kg-1，80—100cm 土層鹽分為 0.72 g·kg-1。T2、T3處理表層積鹽量均較T1處理明顯增加。0—20 cm土層內，T2、T3含鹽量分別為0.80和0.81 g·kg-1。吐絲揚花期（灌后1 d），在垂直方向上，各處理在0—60 cm土層發生脫鹽，60—100 cm土層發生積鹽。其中，T1、T2、T3處理60—100 cm土層含鹽量較 0—60 cm土層分別降低 0.28％、0.47％和0.02％。水平方向上，T1、T2、T3處理0—20 cm土層滴頭間較滴灌帶間分別降低1.11％、2.45％和0.20％。結果表明，增加灌水定額可明顯提高對土壤鹽分的淋洗作用，且滴頭間的淋洗作用高于滴灌帶間的。到灌漿期（灌后2 d），T1處理對土壤表層鹽分的淋洗作用從滴頭間逐漸延伸至滴灌帶間，這可能與土壤在干濕交替、重力等作用下，土壤容重增加，土壤水分的垂向運移減緩，側向運動逐漸增加有關。

與2014年相比，2015年春玉米拔節期灌水前測定結果表明，不同處理在垂直方向和水平方向上，各土層含鹽量均表現為較2014年對應值偏低，這與2015 年5月25日至6月26日降雨量（降雨7次，有效降雨量37.2 mm）較大有關。在頻繁降雨和較低蒸發蒸騰作用下，土壤含鹽量在垂直方向上向深層土壤下移，水平方向上向濕潤鋒邊緣運移。

表2、3分別為2014年播前和2015年收獲后的0—100 cm土層內和距滴頭水平距離處的土壤含鹽量變化表。由表2可知，年度內0—100 cm土壤含鹽量隨灌溉定額的增加呈降低趨勢。2015年作物收獲后土壤含鹽量測定結果表明，T1處理0—100 cm土壤含鹽量較2014年播前降低0.18％，T2、T3處理0—100 cm土壤含鹽量較2014年播前增加0.05％和0.42％，土壤鹽分主要分布在40 cm土層深度以下。結合表3分析可知，土壤鹽分以滴頭為中心向滴灌帶兩側運移，t1、t2、t3處較滴頭處土壤含鹽量分別增加0.1％、0.25％和 0.13％，d1、d2、d3處較滴頭處土壤含鹽量分別增加0.45％、0.75％和0.63％，各處理土壤含鹽量均表現為滴灌帶間較滴頭間增加明顯。此外，連續2年的定位試驗結果表明，0—100 cm土層內土壤全鹽量盈虧變化基本平衡，這可能與人為進行農田春灌措施，土壤鹽分隨水分蒸發被帶到地表，又隨灌溉水和雨水向下運移，土壤鹽分在土壤中進行了多次重新分配有關。

X軸0、15、30、45刻度分別為滴灌帶間取樣點距滴頭0、15、30、45 cm處，0、-10、-20、-30為刻度分別為滴灌帶下方取樣點距滴頭0、10、20、30 cm的距離。下同The calibration 0， 15， 30 and 45 of X axis indicated distance from vertical drip trap respecticely， the calibration 0， -10， -20 and -30 of X axis indicated distance from horizontal drip trap respecticely. The same as below圖1　不同處理2014年春玉米不同生育期土壤含鹽量動態變化Fig.1 Dynamic changes of soil salt at different stages of spring maize in 2014

圖2　不同處理2015年春玉米不同生育期土壤含鹽量動態變化Fig. 2 Dynamic changes of soil salt at different stages of spring maize in 2015

表2　2014年播前和2015年收獲后不同處理0—100 cm土層含鹽量變化Table 2 Variability of soil salt content in 0-100 cm depth before seeding in 2014 and after harvesting in 2015 （g·kg-1）

表3　2014年播前和2015年收獲后不同處理水平距離土壤含鹽量變化Table 3 Variability of soil salt content in vertical drip trap distance before seeding in 2014 and after harvesting in 2015 （g·kg-1）

以上結果說明，在土壤水分蒸發階段，在垂直方向上，土壤鹽分在0—40 cm土層發生積鹽現象，80—100 cm土層發生脫鹽現象。在水平方向上，土壤鹽分以滴頭為中心向滴灌帶兩側運移，滴頭間土壤水分的交匯作用將原耕層的部分鹽分遷移到滴灌帶的濕潤鋒邊緣處。在灌水階段，表層土壤發生淋洗作用，灌水定額對滴頭間土壤的淋洗作用優于滴灌帶間。到作物生育后期，土壤經歷多次干濕交替過程后，灌水定額對滴灌帶間土壤表層鹽分的淋洗作用更加明顯。

2.2 土壤剖面水分動態變化

圖3、4為2014—2015年春玉米不同生育期0— 100 cm土層土壤水分變化。由圖3可知，在苗期（灌后5 d），各處理0—100 cm土壤含水率分布規律基本一致，均隨土壤深度的增加呈緩慢降低的趨勢。進入拔節期，在棵間蒸發和作物蒸騰的作用下，各處理 0 —40 cm土層水分含量較40—100 cm土層明顯減少。T1、T2、T3處理0—40 cm土壤含水率為10.28％—12.53％，40—100 cm土壤含水率為12.22％—14.99％。吐絲揚花期（灌后1 d），隨著春玉米生育進程的延長，灌水定額對土壤水分的影響逐漸明顯。灌水措施明顯增加0—40 cm土層的水分含量。進入灌漿期（灌后2 d），作物水分大量往籽粒轉移，各處理土壤水分含量較前期明顯降低。T1、T2處理土壤含水率曲線出現交叉、重疊，灌水定額對土壤水剖面分布的影響差異減弱。收獲期各處理土壤含水率為16.71％—19.92％，其中T1處理最高，T3處理最低，處理間差異較前期減弱。

圖3　不同處理2014年春玉米不同生育期土壤水分含量動態變化Fig.3 Dynamic changes of soil moisture at different stages of spring maize in 2014

圖4　不同處理2015年春玉米不同生育期土壤水分含量動態變化Fig.4 Dynamic changes of soil moisture at different stages of spring maize in 2015

2015年各處理不同生育期0—100 cm剖面土壤水分含量分布特征與2014年結果基本一致（圖4），表明灌溉定額對 0—100 cm土壤水分變化影響較為穩定。其中，在拔節期，T1、T2、T3處理土壤含水率較2014年分別增加2.30％、2.34％和1.99％，這可能與2015年該生育階段的有效降雨量較2014年增加有關（2014、2015年該階段有效降雨量分別為11.2 mm 和37.2 mm）。在收獲期，2015年各處理土壤含水率較2014年對應值明顯降低，變化規律差異較大，這可能是因為 2014年該階段降雨量較 2015年增加 77.8 mm，較大的降雨量增加了土壤0—100 cm土壤的蓄水量，消除了處理間的差異。

2014—2015年研究結果表明，在根系吸水和蒸發蒸騰作用下，灌水定額對土壤水分的分布影響明顯。當灌水定額為480 m3·hm-2時，春玉米吐絲揚花期0—60 cm土層土壤含水率可保持在24.52％以上。在作物需水關鍵期，當灌水定額高于480 m3·hm-2時，能明顯增加深層土壤水分的蓄水量。當灌溉定額低于360 m3·hm-2時，灌水量嚴重不足，土壤水分虧缺明顯。

2.3 作物產量及水分利用效率分析

2014—2015年春玉米期產量及構成因子見表4。對產量構成因子進行方差分析，結果表明，不同灌溉定額對春玉米穗長、穗行數、行粒數影響不顯著。對穗粗、禿尖長、百粒重影響顯著。由 T1處理測定結果可知，降低灌溉定額春玉米穗粗和百粒重呈增加趨勢，但對作物增產無明顯促進作用。

將各處理的產量（籽粒含水率均值為 10.9％）在自然風干條件下晾曬3周后進行測產，結果表明，2014 年T1產量最高，為18 165.15 kg·hm-2，T2、T3處理產量分別為17 869.80和14 407.50 kg·hm-2，較T1處理降低1.63％、20.69％。其中T1、T3處理差異顯著（P＜0.05）。2015年各處理產量分析結果與2014年變化規律基本一致。T1產量仍然最高，為 18 873.3 kg·hm-2，T2、T3處理產量分別為17 500.2和14 855.4 kg·hm-2，較T1處理分別降低7.28％、22.29％。T1、T3處理差異仍然顯著（P＜0.05）。

2014—2015年各處理耗水量為 287.89—374.47 mm。T3處理水分虧缺嚴重，2年的作物耗水量均較其他處理低。水分利用效率（WUE）為 4.11—5.17 kg·m-3，其中T2＞T1＞T3，T1、T2處理與T3處理差異顯著（P＜0.05）。

2年的定位田間試驗研究結果表明，從經濟及高效利用水資源的角度出發，在春玉米生育期灌水 10次，灌水定額為420 m3·hm-2，灌溉定額為4 200 m3·hm-2的灌溉制度節水、增產效益最優。

表4　春玉米產量特征值及水分利用效率分析Table 4 Yield， its components and WUE of spring maize

3 討論

對作物進行合理的灌溉是保證農業可持續發展的前提，灌溉水量直接影響土壤水分和鹽分狀況。李宗杰［13］研究了胡楊林地土壤水鹽變化，結果表明，土壤鹽分的變化總體趨勢為隨土層的不斷加深，鹽分含量不斷的減少，其中以0—10 cm 層土壤的鹽分最高。張瑞喜等［14］研究了膜下滴灌條件下普通水和磁化水對土壤水鹽分布特征。結果表明，利用磁化水進行灌溉有利于將更多的鹽分淋洗出土體。張金珠等［15］研究結果表明，對鹽堿土進行秸稈覆蓋可明顯減少土壤鹽分的表聚。本研究結果表明，土層鹽分累積和淋溶與灌水定額有關，這與尹美娥等［16］的研究結果相一致。作物產量與灌溉定額和土壤鹽分積累程度關系密切，較強的蒸發蒸騰作用導致土壤鹽分積累，產生的滲透勢影響會作物根系吸水，進而導致作物減產［17-19］。特別是在氣溫較高且蒸發強烈時，對作物進行過量灌水不僅不利于壓鹽，反而促進深層土壤鹽分向上運移和累積［20］。因此，在灌水量一定的情況下，延長灌水周期具有抑制土壤返鹽的作用［21-22］。王成等［23］研究結果表明，免冬春灌使棉田土壤鹽分主要積累在0—30 cm土層之間，灌溉定額為369 mm以上可將土壤鹽分淋洗到60 cm土層以下。但也有研究［24］表明，膜下滴灌土壤鹽分在生育期和非生育期的累積與淋洗，共同決定了土壤的鹽堿化趨勢。采用作物非生育期進行冬灌或春灌，可保證在多年尺度上土壤根區鹽分不會出現明顯累積現象。本研究結果表明，不同灌溉定額對土壤剖面水分含量的變化影響主要反映在深層土壤中（60—100 cm）。這與蔣靜等［25］研究結果相一致。

4 結論

在土壤水分蒸發過程中，在垂直方向上，土壤表層發生積鹽現象，中層發生脫鹽現象，深層土壤鹽分變化基本穩定。在水平方向上，土壤鹽分以滴頭為中心向滴灌帶兩側運移，隨灌水定額的增加，棵間土壤鹽分累積效應越明顯。在灌溉過程中，隨灌水定額的增加，土層發生積鹽、脫鹽現象的深度增加。膜下滴灌條件下，灌溉水的作用范圍主要發生在縱向 0—60 cm，橫向30 cm左右，且滴頭處的土壤水分垂向運動較其他位置明顯。當灌水定額大于480 m3·hm-2時，土壤水分的垂直運動較為明顯。

從經濟及高效利用水資源的角度出發，滴灌條件下，春玉米全生育期灌水10次，灌水定額為420 m3·hm-2，灌溉定額為4 200 m3·hm-2的灌溉制度節水、壓鹽、增產效益最優。

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（責任編輯 楊鑫浩）

Effects of Irrigation Quota on Distribution of Soil Water-Salt and Yield of Spring Maize with Drip Irrigation Under Mulch

WANG Zeng-li1， DONG Ping-guo1， FAN Xiao-kang2， WANG Tian-ren2
（1Key Irrigation Experimental Station in Wuwei， Wuwei 733000， Gansu；2The Integrated Service Centre on Water Conservancy Technologies in Wuwei， Wuwei 733000， Gansu）

Abstract：【Objective】 The objective of the experiment was to investigate the effects of irrigation quota on distribution of soil water-salt， yield and water use efficiency of spring maize under the condition of drip irrigation under film. 【Method】 In the spring maize growth period， field experiment were conducted with different irrigation quota （4 800， 4 200 and 3 600 m3·hm-2） in the middle reach of the Shiyanghe Basin in 2014-2015. Soil water and salt space-time distribution of 0-100 cm soil layer， the interannual change of soil salt content and spring maize yield and its components were measured.【Result】 The more irrigation quota was ， the more soil water content was in 0-60 cm soil layer. Increasing irrigation quota from 420 m3·hm-2to 480 m3·hm-2， soil water content could be higher than 24.52％ of average in 0-60 cm soil layer. In key water requirement period of crop， it could increase the deep soil moisture with 480 m3·hm-2of irrigation quota. While it had a serious soil moisture deficit with 360 m3·hm-2of irrigationquota. In non-irrigation period， soil salt accumulated in 0-40 cm layer and desalinated in 80-100 cm layer in vertical direction. In the irrigation period， desalt depth increased with increasing irrigation quota in vertical direction. Soil salt desalinated in 0-20 cm soil layer and accumulated in 40-100 cm soil layer， while total soil salt of 0-100 soil layer remained unchanged. In horizontal direction， soil salt migrated in both sides of drip irrigation belt， in addition， the effect of soil moisture movement migrated parts of soil salt which was been kept in arable layer to wetting front edge between the middle of the two drip irrigation belt in horizontal direction. Soil salt content in drip irrigation belt interval was higher than in drippers interval， irrigation quota had no significant effect on ear length， ear rows and rows grains of spring maize， while had significant effect on ear diameter， bald tip length and hundred-grain weight.【Conclusion】Under the condition of drip irrigation， water consumption of spring maize was mainly influenced by irrigation water. Water deficit in a certain extent could elevate water use efficiency （WUE）， while yield of spring maize was reduced by 4.45％-20.99％. Irrigation schedule which had irrigation norms of 420 m3·hm-2and 10 irrigation frequencies was recommended as the most optimal result of saving water， preventing soil salt from moving up and increasing yield of spring maize.

Key words：spring maize； drip irrigation under mulch； irrigation quota； water-salt transport； yield

收稿日期：2015-11-26；接受日期：2016-03-06

基金項目：水利部公益性行業科研專項經費項目（201501017）、甘肅省水利科研推廣項目