干旱區(qū)膜下滴灌棉田灌溉制度及土壤水鹽運移規(guī)律研究

黃曉敏，于宴民，汪昌樹，趙東梁

(1.長江勘測規(guī)劃設計研究院，武漢 430010；2.新疆兵團勘測設計院，烏魯木齊 830000；3.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；4.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點試驗室，武漢 430040；5.新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

干旱缺水是制約我國西北內(nèi)陸干旱區(qū)農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。新疆南部地區(qū)降水稀少、氣候干燥、蒸發(fā)強烈，土壤含鹽量為0.2%～0.9%，地下水礦化度多在5～10 g/L。降水稀少使對土壤鹽分的淋溶作用較弱，灌溉水礦化度較高以及潛水蒸發(fā)促進鹽分在地表積聚。在水資源極其短缺的形勢下，發(fā)展抑鹽的節(jié)水灌溉技術，提高水分利用效率顯得尤為緊迫。膜下滴灌是將覆膜栽培和滴灌技術相結(jié)合的一種新型灌溉技術，可控性強，具有節(jié)水且水肥利用率高、保墑增產(chǎn)等優(yōu)點。新疆棉田多為改良后的輕度鹽漬化土[1]，滴灌小流量淡化了作物主根區(qū)的鹽分，適用性強，但鹽分積聚于灌層。因此，研究干旱區(qū)膜下滴灌適宜的灌溉制度，并對土壤水鹽運移的規(guī)律和產(chǎn)量進行評價，不僅是改良鹽漬化土壤的關鍵，還是制定科學的灌溉制度和防治土壤次生鹽漬化的前提。

國內(nèi)外學者圍繞干旱區(qū)膜下滴灌灌溉制度、土壤水鹽動態(tài)及鹽漬化等方面開展了頗多的研究：如潛水埋深對膜下滴灌土壤水鹽運移及土壤積鹽程度的影響[2]，不同礦化度和不同含鹽量對土壤水分、鹽分分布的影響[3]等。研究得出排水深度控制在1.2 m，80%的土體電導率將下降0.2 dS/m[4]，點源和線源滴灌時隨著滴灌速率的增加，深度方向速率降低，浸潤面向水平方向擴展[5]。滴灌下水分可將鹽分淋洗至濕潤鋒邊緣，土壤鹽分在三維空間發(fā)生運移[6]，鹽分在土壤中的分布特性主要與離子濃度有關[7]。高頻灌溉使土壤耕作層具有較高的水分含量和較低的鹽分積累；低頻灌水將更多的鹽分淋洗出根區(qū)[8]，高含鹽量土壤花鈴期高頻灌溉與低頻灌溉相比，可以有效降低濕潤體內(nèi)土壤鹽分含量[9]，低頻(10 d)和適頻(7 d)灌溉下膜內(nèi)0～60 cm土層具有適宜的含水量[10]。以上研究表明膜下滴灌取得了很多研究成果，但在長期應用中仍有期待改進的地方，尤其是灌溉制度與節(jié)水抑鹽機理的分析研究。為總結(jié)干旱區(qū)膜下滴灌棉田灌溉制度，揭示土壤水鹽運移的規(guī)律，同時提高水分利用效率，文中以南疆滴灌棉花為研究對象，采用“一膜雙管四行”的種植及滴灌毛管布置模式，開展膜下滴灌棉田試驗，以期為總結(jié)干旱區(qū)膜下滴灌棉田節(jié)水控鹽與高產(chǎn)的灌溉制度提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2014年3月下旬至10月在新疆巴音郭楞蒙古自治州水管處國家重點灌溉試驗站(41°35′14″N，86°10′24″E)開展。該站位于庫爾勒市西尼爾鎮(zhèn)，地處塔里木盆地北緣，地勢平緩，地表高程895～903 m；屬典型的暖溫帶大陸性荒漠氣候，以干旱半干旱氣候區(qū)為主，干旱少雨，蒸發(fā)強烈，多年平均降水量53.3～62.7 mm，水面蒸發(fā)量2 273～2 788 mm(Eφ20 cm蒸發(fā)皿累積蒸發(fā)量)，蒸將比43.6；年日照時數(shù)3 036 h，年均氣溫11.5 ℃，全年≥10 ℃積溫4 121.2 ℃，無霜期191 d。試驗田長期種植棉花，在非生育期每年實施冬、春灌。土質(zhì)以粉砂和砂壤土為主，土壤基本物理特性參數(shù)及粒徑分布見表1(王衛(wèi)華等，2010年)。灌溉水為孔雀河來水，電導率0.65 dS/m，礦化度0.52～0.91 g/L，地下水埋深在4左右，田間持水量16%(重量含水量)，萎蔫系數(shù)6%。

1.2 試驗種植方式

試驗棉花種植采用一膜雙管4行的布管方式(圖1)，行距20 cm-40 cm-20 cm-60 cm，一膜寬115 cm，膜間裸地寬40 cm，株距10 cm。棉花品種為新陸中21號，4月20日播種，春灌保證了出苗土壤墑情，苗期為“蹲苗”灌頭水，灌水定額和時間完全一致(共1次)，灌前取樣作為本底值，從第2水開始不同水分處理的灌溉，9月5日灌水結(jié)束，9月30日收獲。生育期內(nèi)采用滴灌系統(tǒng)灌水，滴灌帶布設于膜下窄行，間距為60 cm，平均滴頭流量1.6 L/h，滴頭間距30 cm。灌水量由軟管末端的水表控制，管理栽培措施同當?shù)卮筇锷a(chǎn)，試驗站設有自記式美國Davis小型氣象站W(wǎng)ATCHDOG。

表1 土壤基本物理特性參數(shù)及機械組成Tab.1 Basic soil physical properties and texture

圖1 棉花種植與滴灌帶布局模式(單位：cm)Fig.1 Sketch of cottons and pipes for drip-irrigation

1.3 試驗方案設計與方法

設置3水平單因素的對比處理，各處理設3次重復，共9個小區(qū)，小區(qū)規(guī)格為10 m×17 m，共12膜棉花，根據(jù)田塊隨機排列，小區(qū)間采用60 cm寬的聚氯乙烯塑料膜隔離以消除水分的橫向滲流。依據(jù)李百鳳等[12-14]的研究，棉花膜下滴灌條件下保持土壤含水率在50%～80%的相對田間持水量水平可以得到較理想的作物耗水分布，選取各生育階段的適宜土壤含水率上、下限(表2)，計算各生育期的階段灌水定額并換算到試驗小區(qū)(表3)，見公式(1)：

m=15×667×Fc×z×p×(θmax-θmin

(1)

式中：m為階段灌水定額，m3/hm2；Fc為田間持水量，%；z為土壤計劃濕潤層深度，蕾期取0.4 m，花鈴期與吐絮期取0.6 m；p為濕潤比，取70%；θmax、θmin分別為各生育階段的適宜土壤含水率上、下限。灌后間隔2 d在耕作層取土測定土壤含水率，并與下限值比較指示灌水。在各試驗小區(qū)中間棉花長勢均勻、無少苗處垂直滴灌帶方向相鄰的窄行、寬行、膜間取樣，間隔為16 d，深度為自地表向下每10 cm取樣至60 cm，之后每20 cm 取至100 cm。采用烘干法測量土壤含水率，使用雷磁DDS-307型電導率儀測量1∶5土水浸提液的電導率值。測產(chǎn)以一膜寬進行棉花采摘，調(diào)查單株鈴數(shù)和鈴重，計算棉花產(chǎn)量。為減小鹽分的空間變異，避免異常點的不確定性，將重復小區(qū)算術平均進行分析。

表2 各生育階段適宜土壤含水率上、下限處理 %

注：表中均為占田間持水量的百分數(shù)。

2 結(jié)果與分析

依據(jù)試驗鉆取情況及參考文獻[14]，棉花根系主要垂直分布在地表以下30 cm土層，此處根系密度最大，因此，文中以窄行30 cm土層為判斷棉花生長是否受到水鹽脅迫的代表性點，即文獻[20]中引入的關鍵點。40 cm深度以上集中了90%左右的根系，為主根區(qū)，作為分析土壤水鹽運移的分隔層，與文獻[18]的研究一致。

2.1 土壤水分動態(tài)變化

蕾期后開始不同的灌水處理，圖2分別顯示了各處理對應深度土壤含水率的時間序列。滴灌供水為濕潤點源的三維空間入滲，濕潤體沿滴灌毛管呈帶狀分布，隨灌水處理的不同呈各異的空間分布狀態(tài)，灌后水分在植株蒸騰蒸發(fā)及土壤勢梯度的作用下進行再分布。各處理淺層土壤含水率膜下較膜間受灌水影響明顯，呈波動變化，越接近表層，變化幅度越大，即隨著深度增加，灌水后升高幅度逐漸減小。

表3 灌溉定額及灌水方案處理Tab.3 Treatments of irrigation quota and schemes

由圖2可知，0～40 cm深度土壤含水率排序為膜下窄行>寬行>膜間，40 cm以下土壤含水率波動變化不明顯。灌水大部分滲入土體，部分運移至膜間形成蒸發(fā)，只有少量水分經(jīng)深層滲漏損耗。比較各試驗處理間土壤水分動態(tài)變化，適宜土壤含水率上、下限差值與土壤含水率的波動呈正相關關系，是影響土壤水分分布的決定因素，T2較T1處理各生育期灌水下限相同，灌水上限增加，T3在T2處理的基礎上，增加灌水上限并降低下限，處理間各階段灌水定額均呈梯次變化。T1-T3處理窄行30 cm深度關鍵點土壤含水率分別為9.62%、10.31%、8.92%，分別占田間持水量的60.1%、64.4%、55.8%，表明生育期內(nèi)個別時段受水分脅迫的影響，T3處理低于棉花關鍵期(盛鈴期)土壤水分最適宜下限的60%且波動范圍大，T1處理最接近土壤水分最適宜下限，T2處理最高。比較寬行0～40 cm深度土壤含水率，T1處理變化不大，T2、T3處理呈波動增加，且T3處理波動變化較為明顯，表明T1處理在需水旺盛的蕾鈴期，土壤含水率水平方向上變化較緩，濕潤體濕潤距離小于40 cm。T2、T3處理土壤含水率呈波動變化，進入花鈴期后土壤含水率明顯增加，表明隨著生育期的增加，階段灌水定額增加，灌水的水平濕潤距離增加，不僅點源間產(chǎn)生濕潤體交匯，兩滴灌毛管在寬行中間同樣形成交匯。膜間0～40 cm深度土壤含水率的影響因素較多，因無覆膜的持水作用，蒸發(fā)強烈，有較高的潛在蒸發(fā)勢。進入生育期后，受灌溉、蒸騰蒸發(fā)作用的影響，T1、T2處理迅速下降至5%左右，后期沒有明顯變化，T3處理在進入花鈴期后出現(xiàn)上升的趨勢，表明隨著冠層覆蓋面積的增加，棵間蒸發(fā)減小，同時該處理灌水滲透可運移至膜間，膜間土壤含水率呈現(xiàn)微弱的增大趨勢。主根區(qū)以下土層水分的滲漏主要位于窄行，試驗是基于保持棉田根區(qū)土壤保持適宜土壤含水率范圍的灌水，因此滲漏量有限，僅需對窄行深層土壤含水率垂向變化做分析。圖中可以看出，0～40 cm土層土壤含水率較深層波動較大，深層土壤含水率變化的垂直范圍小于40 cm以上深度，原因是蒸發(fā)蒸騰作用對表土影響較大，且主根層在生育期內(nèi)需水量大，而深層土壤含水率產(chǎn)生波動則受灌水與滲漏的影響。T2、T3處理均有不同程度的深層滲漏，無法被根系吸收利用，產(chǎn)生了無效水，窄行0～40 cm與50～100 cm土壤含水率交叉變化，總體上前者高于后者。

圖2 不同灌水處理間各層土壤含水率動態(tài)變化過程Fig.2 Dynamic changes process of soil moisture content for different irrigation treatments

2.2 土壤鹽分動態(tài)變化

不同灌水處理棉花各生育期土層電導率的歷時曲線見圖3。非生育期春灌為出苗提供土壤墑情的同時，使棉花主根層的鹽分得到充分淋洗，因而在整個土壤剖面鹽分的初始分布較均勻，隨著試驗的不同灌水處理，各試驗小區(qū)土壤鹽分的重分布情況產(chǎn)生了較大的差別。

鹽隨水走，土壤鹽分隨水分定向運移，水平方向上，不同灌水處理0～40 cm土層的土體電導率值膜間>寬行>窄行，表明生育期鹽分的積聚與距離滴灌帶的遠近呈正相關，從線源至濕潤體邊緣土壤水分與鹽分梯度呈相反的變化。全生育期內(nèi)與本底值相比，各處理間膜下窄行0～40 cm主根層內(nèi)的土體電導率值均有不同程度的下降，形成脫鹽，為脫鹽區(qū)，但在30～40 cm土層T1、T3處理土壤鹽分在個別時段積聚。T1、T2處理窄行0～100 cm深度土壤電導率均減小，膜間與寬行0～40 cm逐漸增加，表明灌水對主根層土體具有驅(qū)鹽作用，部分鹽分隨濕潤體運移至主根層之外，積聚于距離滴灌帶較遠的膜間、膜下寬行以及窄行深層的濕潤體邊緣。寬行、膜間0～40 cm土層的土壤電導率值變化趨勢相似，鹽分運移至寬行后，膜下土壤由于覆膜保護，表層溫度與濕度較高，抑制了土壤水的垂向運移，而運移至膜間后，由于無覆膜的保護，土壤水的基質(zhì)勢減小、溶質(zhì)勢增大，出現(xiàn)鹽分表聚性的現(xiàn)象，土體始終保持較高的電導率值。T1、T3處理主根層土體電導率值變化趨勢相似，在蕾期與花鈴期分別出現(xiàn)峰值，但二者相差30 d左右，表明適宜土壤含水率上、下限的選取對鹽分的積累有顯著影響，灌溉決定了鹽分的積聚程度及積聚時間，各生育期階段灌水定額小，土壤鹽分積聚時間早，反之，則出現(xiàn)在盛鈴期。T1處理電導率出現(xiàn)峰值后銳減至2 dS/m以下，脅迫時間較T3短，且T3處理在花鈴期鹽分最大，為3.5 dS/m，產(chǎn)生鹽分脅迫。T2處理灌水與返鹽在各生育期達到平衡，無鹽分脅迫出現(xiàn)，土壤鹽分的調(diào)控較好。

圖3 不同灌水處理間各層土體電導率動態(tài)變化過程Fig.3 Dynamic changes process of soil EC for different irrigation treatments

棉花主根層水鹽的分布是灌水、蒸發(fā)蒸騰及地下水埋深等因素綜合影響的結(jié)果，進入花鈴期前植株冠層覆蓋面積小，蒸發(fā)作用突出，蒸發(fā)蒸騰作用產(chǎn)生的返鹽大于灌水的淋洗，鹽分在表層積聚，產(chǎn)生次生鹽漬化。經(jīng)比較得知，T2處理在棉花耕作層維持了鹽分的動態(tài)平衡。鹽分不僅在水平方向上運移，土壤深度方向上，T2、T3處理滴灌水分形成入滲深度較大，部分鹽分被淋洗至深層土壤，而T1處理垂向鹽分的運移不明顯。T1處理各生育期階段灌水定額較小，灌水頻率高，對于范圍有限的濕潤體內(nèi)部，驅(qū)鹽效果較好，但次灌水量對鹽分的淋洗深度相對有限，對鹽分分布的影響范圍小，在植株蒸發(fā)蒸騰的作用下進入主根層的水分迅速耗散，部分鹽分在主根層產(chǎn)生積聚。T3處理各生育期階段灌水定額較大，灌水濕潤范圍廣，但灌水間隔較長，對鹽分的淋洗效果同樣不明顯。

2.3 棉田測產(chǎn)與適宜灌溉制度分析

T1～T3處理灌溉定額分別為348、385、435 mm，籽棉產(chǎn)量測產(chǎn)結(jié)果T2>>T3>T1，水分利用效率(WUE)T2>T1>>T3。在試驗區(qū)土壤質(zhì)地下3種灌水處理的棉花產(chǎn)量見表4，各生育階段的適宜土壤含水率上、下限選取對棉花產(chǎn)量有顯著影響。T2處理(385 mm/18次)棉田的產(chǎn)量最高，為6 083 kg/hm2。T1、T3受不同程度的水鹽脅迫，分別較T2處理減產(chǎn)19%、12%。T1處理各生育期階段灌水定額較小，整個生育期關鍵點土壤含水率水平較高，但生育期內(nèi)棉花受到水鹽脅迫，且灌水濕潤范圍有限，驅(qū)鹽效果較差，進而影響了植株發(fā)育，如蕾鈴脫落等。T3處理階段灌水定額大，濕潤范圍廣，鹽分淋洗充分，但灌水間隔增長，土壤水分得不到及時補充，不能適時地滿足棉花的需水需求，植株在需水關鍵期易受水分脅迫而減產(chǎn)。T2處理(灌溉定額385 mm、灌水18次)在各個生育期內(nèi)水鹽耦合調(diào)控較好，加上灌水能最大限度的被植株有效利用，獲得高產(chǎn)、水分利用效率的棉田。

3 討 論

基于各生育階段不同適宜土壤含水率范圍的試驗研究與以作物根系吸水區(qū)水量平衡原理推求不同[11]，簡化了灌溉制度選擇方法，李百鳳、鄭旭榮等[12,13]從節(jié)水角度得出的土壤含水率保持50%～80%相對田間持水量水平不影響作物的生長，可以此選取不同的灌水上、下限，得到各生育期的階段灌水定額。本文棉花主根區(qū)的選擇與危常州、高龍等[14,15]的研究相同。李文昊[16]將膜下滴灌棉花根區(qū)剖面定義深度為60cm，受土壤質(zhì)地與氣象因素等的影響，南北疆棉田根長有所差異。本文由上述研究結(jié)論對各處理間灌水間隔的選取形成了不同的灌溉制度，得出各處理的控鹽效果，加上土壤鹽分受地下水埋深及礦化度等很多因素的影響，試驗除T1、T3處理在蕾期與花鈴期出現(xiàn)積鹽，其余生育期及T2處理在棉花主根層窄行0～40cm深度土層均形成脫鹽，0～100cm土層前期較低、中期升高、后期又降低。寬行與膜間則因鹽分隨水分水平方向的運移而增加。窄行0～40cm土層，T2處理滿足棉花生長所適宜的60%～80%的田間持水量水平，控鹽效果好，鹽分隨水分運移至寬行、膜間以及深層土壤，在主根層形成適宜棉花生長的水鹽環(huán)境。各處理膜間土壤鹽分均有表聚現(xiàn)象，T2、T3處理灌水可以運移至窄行50～100cm，攜帶的鹽分在該層積聚。

表4 不同灌水處理棉花產(chǎn)量Tab.4 The cotton yield for different treatments

干旱半干旱區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，棉花高產(chǎn)和水分高效利用的矛盾是一直以來被探討的話題，本文T1-T3處理WUE分別為0.94、1.05、0.82kg/(mm·hm-2)。T1生育期內(nèi)灌溉定額較T2、T3處理分別少9.6%、20%，水分利用效率與T2處理接近，較T3處理提高13%，表明階段灌水定額過大，造成灌水入滲深度增加，產(chǎn)生深層滲漏。T1處理水分利用效率較高，但在部分生育期產(chǎn)生水分脅迫，限制了葉片生長，影響了葉片氣孔開放，造成了棉花的減產(chǎn)，可以依據(jù)土壤特性、氣象條件、根系趨水性等使棉花的需水規(guī)律與灌水更好地契合，減少水分脅迫時間，為干旱區(qū)節(jié)水抑鹽提供參考決策。本文得出灌溉制度385mm/18次為研究區(qū)棉田種植適宜的灌溉制度，可獲得高產(chǎn)，水分利用效率最高，與余美等[10,15,17,18]的研究結(jié)論類似，但上述文獻均未基于根區(qū)保持適宜土壤含水率指示灌水，而是依據(jù)經(jīng)驗灌水所選取的灌溉制度開展試驗。理論上膜下滴灌為“0”滲漏量，隨著應用年限的延長，會加重鹽堿危害，在地下水埋深小于5m的區(qū)域產(chǎn)生次生鹽漬化，本文研究表明隨著階段灌水定額的增加，深層滲漏在部分地區(qū)還是以常態(tài)在出現(xiàn)[10,15]。農(nóng)業(yè)用水有效性的相關研究[19]頗多，膜下滴灌在“淺灌勤灌”時可獲得相對較高的水分利用效率[15-17]，但產(chǎn)量往往不是最高的，種植中為了追求更大的收益往往追求高產(chǎn)而忽視高效，滿足作物生物學需水，獲得高產(chǎn)，本文在保證相對高產(chǎn)的同時，研究了水分利用效率較高的種植方式。未來研究還可在棉花的耗水、干物質(zhì)積累的關系中進行對比，施肥等水鹽影響因子、地下水埋深對灌溉制度及土壤水鹽運移均有一定影響，可開展相關模擬研究，以期得到流域尺度水鹽耦合較好以及不同地下水埋深的灌溉制度[20]。地域性差異只是影響灌溉制度與水鹽運移的因素之一，區(qū)域內(nèi)土壤質(zhì)地的差異、水鹽的空間變異性等都是相關的影響因素，本文與高龍等[15,18]研究得出的土壤水鹽分分布結(jié)果相似。氣象要素、棉花種植密度及土壤特性等對棉花生育期需水量均有影響，可分析研究不同田塊鹽分本底值空間變異對水鹽運移的影響[9]。此外，不同土壤含水率下棉花生長的鹽分脅迫關系也很有研究價值。因條件限制，本文未能明確棉花在干物質(zhì)積累上的關系，在土壤初始含鹽量的差異性、土壤質(zhì)地、施肥等水鹽影響因子方面有待于定量研究，即保持各對比試驗相同的本底值。1年的試驗期較短，不足以推廣說明對棉花節(jié)水灌溉、控鹽和產(chǎn)量的長期影響。因此，對膜下滴灌條件下水、鹽、熱、肥的運移規(guī)律及水肥耦合、需水量與灌溉制度等仍需要進一步的研究。

4 結(jié) 論

(1)T1～T3處理灌溉定額分別為348、385、435mm，分別灌水28、18、13次，灌水間隔不同，階段灌水定額與灌水次數(shù)差異明顯，生育期內(nèi)土壤水鹽分布差異明顯。土壤水鹽呈相反的分布規(guī)律，即分別與距離滴灌帶的遠近呈負、正相關。18次灌水385mm控鹽效果最佳，對土壤鹽分的淋洗及返鹽維持動態(tài)平衡，達到節(jié)水抑鹽的效果。

(2) 籽棉測產(chǎn)結(jié)果：不同適宜含水率形成的灌溉制度不同，對棉花產(chǎn)量有一定影響，棉花產(chǎn)量T2>>T3>T1，水分利用效率T2>T1>>T3，T2處理生育期內(nèi)鮮有水分虧缺，水分利用效率與經(jīng)濟產(chǎn)量較高，為適宜的灌溉制度。

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