機采棉模式下滴灌毛管布置方式 對土壤水鹽運移及產量的影響

王萌萌，呂廷波，何新林，曹玉斌，王東旺

(1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2.現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000)

0 引 言

新疆是我國棉花產量最高的種植區，隨著生產機械化水平的提高，新疆膜下滴灌種植技術也更易于機械化。滴灌毛管布置是實施膜下滴灌的具體形式，為了適應棉花的機采種植，滴灌毛管布置由原來的一膜兩管四行、一膜一管四行變為一膜兩管六行、一膜三管六行[1-5]。目前，國內較多學者就傳統種植模式下不同滴灌毛管布置方式進行了較多的研究，研究認為一膜兩管四行有利于降低棉花根區土壤含鹽量，有利于棉花生長和提高水分利用效率，較一膜一管四行減少了灌水時間，提高了灌水效率，減少了深層滲漏量[6-8]。

總的來說，已有的研究取得了眾多成果，但是缺少對機采棉模式下不同滴灌毛管布置方面的研究。因此，本文結合新疆耕種實際情況，以田間測坑試驗為主，對比分析了不同滴灌毛管布置方式下機采棉土壤水鹽分布和產量情況，以探索出適宜的機采棉滴灌毛管布置方式，為新疆機采棉的進一步推廣提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016年4-10月在新疆石河子市石河子大學農試場二連現代節水灌溉兵團重點實驗室試驗基地(東經86°03′、北緯44°19′、海拔442.9 m)進行。該站區為溫帶大陸性干旱氣候，無霜期171 d，多年平均降水量在200 mm左右，多年平均蒸發量1 600 mm，多年平均日照時數2 700 h，地下水埋深5 m以下。供試土壤為壤土，土壤物理狀況見表1。

表1 試驗區土壤物理狀況Tab.1 Soil physical in the research

試驗區前茬均為棉花，供試品種為農豐133號，生育期123天左右，植株塔型，該品種適宜密植，群體間通風透光好，且早熟、高產，適宜機采種植。

1.2 試驗設計

采用測坑試驗，每個測坑大小為2 m×3 m，深3 m，并采用水泥墻防止相鄰測坑水分的測滲。試驗于2016年4月20日播種，于6月11日開始第一次滴水，全生育期共滴水11次，每次采用定額4 950 m3/hm2，7 d左右滴水一次，蕾期和花鈴期分別灌水3次和8次，以稱重式桶灌方式控制水量，肥料隨水滴施，全生育期施用氮肥225 kg/hm2，磷酸二銨140 kg/hm2，打頂等田間管理措施隨試驗基地統一管理。

田間調查取樣于2014年9月，歷時10 d，對整個瑪納斯河流域中游平原灌區棉花種植模式進行了調查，調查結果顯示一膜兩管六行與一膜三管六行種植比例分別占到40.6%與35.9%。故本文結合調查結果，采用上述兩種種植模式為試驗處理，其行距為10 cm+66 cm+10 cm+66 cm+10 cm，株距10 cm(圖1示)，處理分別為：a，一膜兩管六行，一條滴灌帶管三行棉花；b，一膜三管六行，一條滴灌帶管兩行棉花。每個處理重復3組共計6組，共使用6個測坑。

圖1 機采棉栽培模式與滴灌毛管布局(單位：cm)Fig.1 Cotton planting pattern and capillary arrangments for drip-irrigation

1.3 測定項目與方法

土壤含水量：灌水前1 d分別在棉行花窄行和寬行間分別取1 m深的土壤，從地表0 cm開始，每隔10 cm取一個，每個點共取11個，每個測坑共取22個樣，全生育期共取13次樣，采用烘干稱重法測得土壤含水率。

土壤鹽分：在灌水前1 d分別在寬行與窄行進行取土，風干磨碎后過5 mm的篩子，按照1:5的水土比例配成懸濁液，震蕩均勻后過濾，靜置兩個小時后，采用蒸干法得到土壤含鹽量。

1.4 數據處理

采用SPSS 20.0軟件進行數據整理和統計分析，用excel進行整理和繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同滴灌毛管布置對土壤水分運移的影響

毛管布置方式決定了滴灌濕潤范圍與形狀[9,10]，全生育期不同滴灌毛管布置方式下土壤水分分布如圖2所示。從圖中可以看出，滴灌毛管布置方式不同，整個生育期內各土層土壤水分分布存在差異，土壤平均質量含水率隨著土層深度增加而增加，變化范圍為6.26%～21.02%。

對比兩種滴灌毛管布置方式不同根區土壤含水率的分布變化，兩種布置窄行剖面60 cm以上土層含水率較低，呈波動變化；60 cm深度以下，土壤含水率波動較小，總體處于上升趨勢，處于一個穩定的狀態，主要是因為棉花植株生長加快，蒸散發加劇，水分消耗較快以滿足棉花的生長需要。寬行剖面從表層到深層整體處于上升趨勢，三管布置下含水率增加主要是因為隨著生育期的推進，灌水次數的增加，水分水平擴散范圍增大，膜下相鄰兩毛管的濕潤體形成交匯，水分深層滲漏；兩管布置下含水率增加主要是因為滴灌毛管本身鋪設處于棉花寬行間，滴頭處易形成積水，從而產生深層滲漏。

不同滴灌毛管布置下0～60 cm以及70～100 cm土體內土壤含水率的動態變化如圖3所示，三管布置滴灌毛管鋪設靠近膜下窄行，灌水后為棉花的根系層提供了充足的水分條件，隨著生育期的推進，灌水次數的增加，棉花根系層(0～60 cm)的土壤含水率呈上升趨勢，深層土壤含水率呈波動變化；兩管布置滴灌毛管鋪設于膜下寬行的中間，灌后寬行的土壤含水率明顯高于窄行，說明在一定程度上產生了深層滲漏。

圖2 不同滴灌毛管布置土壤水分分布變化Fig.2 Distributions of soil water contents under different capillary arrangements

圖3 不同滴灌毛管布置土壤含水率的動態變化Fig.3 Distributions of soil water contents under different capillary arrangements

因為棉花根系主要集中在0～60 cm土體內，故對棉花根系區重點分析。同時已有研究表明，在花鈴期土壤含水率保持相對田間持水率的60%～80%可滿足棉花生長需要。根據圖3分別對花鈴期兩種布置方式下窄行與寬行0～60 cm以及70～100 cm土體內的土壤平均質量含水率進行了計算。兩管布置和三管布置下窄行、寬行0～60 cm淺層土壤的土壤平均質量含水率分別為12.65%、14.37%、13.81%、15.19%，相對田間持水量分別為59.56%、67.70%、65.05%、71.53%；70～100 cm土壤內的土壤平均質量含水率為15.48%、15.68%、15.02%、15.86%，相對田間持水量為72.92%、73.85%、70.74%、74.67%。由于土壤初始含水率存在差異，兩管布置與三管布置下的窄行、寬行根系層初始含水率分別為16.73%、17.08%、15.83%、15.91%，可知初始含水率值相差不大，兩管布置下的根系層含水率高于三管布置，在一定程度上會對生育期內水分產生影響，但這種影響是相對較小的，上述分析表明，在花鈴期三管布置下的土壤含水率高于兩管布置，說明主要還是由于滴灌帶布設的不同導致土壤水分變化存在顯著差異，綜上可知三管滴管毛管布置方式下0～60 cm土體內的土壤平均質量含水率滿足棉花生長需要并高于兩管布置，說明其耕層中上部保水能力更優于兩管布置。

2.2 不同滴灌毛管布置對土壤鹽分運移的影響

全生育期不同滴灌毛管布置方式下土壤鹽分分布如圖4所示，相同灌水量下，由于土壤初始含鹽率的影響，整個生育期不同滴灌毛管布置下各土層土壤鹽分分布存在差異，但整體上土壤含鹽量從地表到深層呈現先減小，后增大的分布特征。

圖4 不同滴灌毛管布置土壤鹽分分布變化Fig.4 Dynamics of soil salt contents under different capillary arrangements

對兩管滴灌毛管布置及三管滴灌毛管布置其生育期土壤鹽分分布變化進行分析可知：從播種到苗期，期間無灌溉，在蒸發作用下，淺層土壤積累了大量的鹽分；進入蕾期后，開始進行灌溉，淺層鹽分變化顯著；進入花鈴期后，需水量增大，需肥量也增加，花鈴前期淺層鹽分分布變化顯著，隨著灌水次數與灌水定額的增加，使得花鈴后期淺層土壤鹽分含量有所減小；進入吐絮期后，灌水停止，導致含鹽量再次有所增加。大氣溫度較高，在大氣蒸發驅動下，花鈴前期到花鈴后期淺層鹽分繼續增加；進入吐絮期，大氣溫度降低，蒸發減小，降雨量增加，淺層含鹽量顯著減小。

膜下滴灌是一種局部灌溉，在滴灌過程中，土壤內的鹽分產生了定向分布[11,12]。不同滴灌毛管布置下0～60 cm以及70～100 cm土體內土壤含鹽量的動態變化如圖5所示，滴灌毛管布置不同土壤鹽分動態變化也有所差異。兩管布置窄行與寬行吐絮期較播種時的棉花根層土壤平均鹽分呈不同變化趨勢，窄行0～60 cm土層鹽分含量相比開始時減小了23.19%，是因為地膜覆蓋抑制了棵間蒸發，土壤鹽分主要隨水向下運移；寬行0～60 cm土層鹽分含量相比開始時增大了9.48%，是因為鹽分隨著水分產生運移在膜下滴頭處形成了脫鹽區，但同時受蒸發蒸騰作用影響，鹽分又產生垂向運移，得以不斷積累。在生育末期窄行與寬行70～100 cm土體內鹽分增加，是積鹽區。三管布置窄行0～60 cm土層鹽分含量相比開始時減小了17.98%，主要是滴灌毛管布置距離棉花窄行10 cm與5 cm處，使得窄行處于濕潤體中心，水分再分布過程中棉花主根區的鹽分被驅于根系層外；寬行0～60 cm土層鹽分含量相比開始時增大了40.47%，主要是鹽分隨水向水平與垂直擴散，運移到濕潤體邊緣形成積鹽區，再加上蒸發蒸騰引起的鹽分補給下，使得鹽分在寬行不斷累積。寬行70～100 cm土層的含鹽量明顯高于窄行，是典型的積鹽區。

對比兩種毛管布置方式土壤鹽分運移變化，三管布置在棉花根系層形成淡化脫鹽區，在濕潤體邊緣形成積鹽區。兩管布置由于毛管布置在棉花寬行間，濕潤峰邊緣距離棉花窄行較近，在一定程度上會使得棉花根區受鹽分脅迫。綜述說明三管滴灌毛管布置方式控鹽效果較好。

圖5 不同滴灌毛管布置根區土壤鹽分動態變化Fig.5 Dynamics of soil salt contents under different capillary arrangements

2.3 不同滴灌毛管布置對棉花生長的影響

從表2可以看出，在相同灌溉定額、灌溉頻率下，整體三管布置下籽棉產量處于較高水平，較兩管布置增加6.10%。同時對水分利用效率進行了對比分析，結果表明三管布置下棉花具有最高的水分利用效率，達到1.35 kg/m3，兩管布置為1.28 kg/m3。水分利用效率取決于產量和耗水量，在灌溉定額相同情況下，不同毛管布置導致土壤水鹽運移差異，從試驗結果來看，三管布置方式的根區水鹽運移利于棉花生長，再加上超寬膜覆蓋土壤，其保溫、提溫效果好，故在該毛管布置下棉花植株大，果枝果節多，能夠獲得較高的產量及水分利用效率。

表2 不同滴灌毛管布置方式棉花農藝性狀及產量分析Tab.2 Cotton yield and agronomic characters under different capillary arrangements

3 結 論

本文著重研究了不同滴灌毛管布置方式對棉花土壤水鹽運移、棉花產量及水分利用效率的影響，結果表明：

(1)在相同灌水定額45 mm條件下，對于三管布置其寬行與窄行的土壤含水量在棉花根區分布范圍均達到了60%田間持水率，對棉花根系生長無水分脅迫；對于兩 管布置，在棉花根系分布較多的區域其土壤含水率未達到60%田間持水率，在其寬行區域達到了60%田間持水率，故其布置會對根系吸水產生一定的脅迫。

(2)在相同灌溉制度下，三管布置其土層剖面鹽分在棉花根系層形成淡化脫鹽區，棉花生長根系區不受鹽分脅迫；而兩管布置由于毛管布置在棉花寬行間，濕潤峰邊緣距離棉花窄行較近，鹽分積聚，在一定程度上會使得棉花根區受鹽分脅迫。

(3)滴灌毛管布置不同土壤導致水分分布、土壤鹽分分布對棉花的生長與產量產生了較大的影響，從而使得水分利用效率也存在差異，三管布置與兩管布置下其灌溉水分利用效率分別為1.35、1.28 kg/m3。

本文研究的一膜兩管六行模式與一膜三管六行模式都屬于超寬膜機采模式，相比兩管滴灌毛管布置，三管滴灌毛管布置在水分利用效率與產量上表現出較高的水平。

□