不同灌溉模式對土壤水鹽分布及棉花產量的影響

韓萬海，王增麗

(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)

0 引 言

膜下滴灌技術具有保墑、增溫、增產等特點，可減少深層滲漏、具有節水、增產、節肥作用。自1996年新疆生產建設兵團開始試驗應用和推廣棉花膜下滴灌技術以來，中國農田滴灌面積發展迅猛。然而膜下滴灌技術也面臨著許多問題,如多年采用滴灌方式的農田土壤鹽分含量呈逐年增加的趨勢，導致作物產量逐年降低。張偉[1]、弋鵬飛[2]等研究結果表明，隨著滴灌使用年限的增加，在連續采用滴灌方式的棉田里農田土壤鹽分積累明顯增大，作物產量降幅也隨之增大。然而楊鵬年[3]研究結果表明，在滴灌過程中，土壤內的鹽分發生定向重分布，形成脫鹽區、穩定區和積鹽區，且脫鹽區的面積大于積鹽區。李文昊等[4]研究結果表明，新疆綠洲地區推廣滴灌技術后，耕地內土壤鹽分降低，但區域內的荒地成為農田排出鹽分重要的聚集場所。呂桂軍[5]鹽漬土盆栽試驗研究結果表明，不同的灌溉處理對玉米生長發育及水分、鹽分、溫度變化的影響較大，其中玉米株高和葉面積的長勢是常規灌溉>交替灌溉>固定灌溉。趙志才[6]研究結果表明，水分在農田土壤中的分布主要受灌水量和土壤質地的影響，充分灌溉使水分存貯在較深土層中，而非充分灌溉則使水分存貯在表層。在相同灌水量的條件下，土體內的鹽分積累程度隨著灌溉水礦化度的增大而加劇。在相同礦化度條件下，土體內的鹽分含量及積鹽深度隨著灌水量的增加而增大。在作物整個生育期內，連續使用咸水灌溉將導致土壤積鹽，且非充分灌溉較充分灌溉更易使土壤表層積鹽。

甘肅省石羊河流域民勤縣屬內陸干旱地區，地表水資源嚴重短缺，農業灌溉主要靠地下水超采維持，然而高礦化度的地下水灌溉和強烈的蒸發蒸騰作用使該區耕地大面積存在土壤鹽漬化風險。因此，為達到高效利用苦咸水、保證土壤鹽分入出平衡和作物產量、實現干旱缺水區水資源高效利用的目的，特制定了本研究內容，針對民勤湖區灌區膜下滴灌條件下不同灌溉定額對土壤水鹽分布及棉花產量的影響進行研究，探討土壤水鹽運移變化規律，旨在為合理利用鹽堿地、發展高礦化水灌溉農業供技術指導和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

1.2 試驗材料及測定方法

供試品種為當地主栽品種新陸早7號，各處理采用膜下滴灌方法灌溉，栽培方式采用一膜兩管四行方式，膜寬幅120 cm。采用點播器條播法種植，播種量為115 kg/hm2。于2016年4月25日播種，10月15日收獲，生育期173 d。株距18 cm，行距30 cm，結合春耕施入基肥，基肥采用一次性緩釋專用肥(其中純N為375 kg/hm2，P2O5為180 kg/hm2)。在棉花初花期各處理隨灌水措施追施尿素200 kg/hm2。由于該區處于苦咸水區，當地播前進行河水泡地措施以降低土壤中的鹽分累積，保證作物可以正常生長，灌溉量一般為1200 m3/hm2。各次灌水定額以滴灌的常用定額300 m3/hm2設置，灌溉定額以當地傳統灌水量1 200 m3/hm2為基礎，分設虧缺、常規、盈余3個梯度。小區面積為(50 m×15 m)750 m2，試驗處理設置如表1所示。

表1 不同處理灌溉定額設置表 m3/hm2

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水鹽含量測定

在棉花各生育期土壤水分采用土鉆取土烘干法測定，測點在作物兩行中間、滴灌帶正下方的兩滴頭中間位置，每7～10 d測定一次，灌水前后及降雨后加測，每個處理重復2次，每個重復打1鉆測定土壤水分，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[6,7]計算土壤含鹽量。

C=0.027 5EC1∶5+0.136 6

(1)

S=10CθH

(2)

式中：C為土壤溶液中含鹽量，kg/m3；EC1∶5為電導率測定值，μS/cm；S為某一深度內土壤含鹽量，t/hm2；θ為體積含水率，%；H為土層深度，m，取0.8 m。

根據鹽分平衡原理，已知研究時段開始和結束時土壤含鹽量，則土壤鹽分盈虧量為：

ΔS=Sb-Sa

(3)

式中：ΔS為土壤鹽分盈虧量，t/hm2；Sa為開始時土壤含鹽量，t/hm2；Sb為結束時土壤含鹽量，t/hm2；當ΔS為正值表示積鹽，負值表示脫鹽。

1.3.2 作物產量和耗水量測定

棉花收獲后考察各處理棉花的株高、果枝數、鈴數、鈴重、絨長和衣分，各小區實行單打單收，3期收花后的產量為該小區籽棉的總產量。

采用水量平衡法計算不同生育期棉花的蒸發蒸騰量，測定深度80 cm。水量平衡方程為：

ETc=P+I-ΔW

(4)

式中：ETc為棉花生育期耗水量，mm；P為降水量，mm；I為灌水量，mm；ΔW為棉花生育期土壤蓄水增減量，mm。

試驗數據采用Excel及SPSS16.0統計分析軟件進行處理與分析。

2 結果與分析

2.1 土壤鹽分變化分析

各處理棉花生育期土壤含鹽量分布見圖1，由圖1可知，在播前，各處理0～80 cm土層土壤含鹽量在0.60～0.84 g/kg，處理間鹽分變化規律基本一致，這與播前進行春灌措施有關。進入苗期，各處理土壤含鹽量較播前增加。其中，T1、T2、T3、T4處理0～80 cm土壤含鹽量均值分別為1.10、1.09、1.09和1.10 g/kg，較播前分別增加42.26%、42.44%、42.71%和45.00%，各處理0～80 cm土層內，土壤鹽分隨土壤深度的增加呈降低趨勢。分析原因可能為滴灌屬于局部灌溉方式，較低的灌溉量不足以將灌溉水中的鹽分淋洗到作物耕層以外。

進入蕾期，各處理0～80 cm土壤含鹽量變化曲線呈明顯“S”型：T1、T2、T3、T4處理10～20 cm土層含鹽量最低，成為曲線的拐點，土壤含鹽量分別為1.00、1.02、1.01和1.01 g/kg；40～60 cm土層含鹽量最高，分別為1.28、1.24、1.35和1.28 g/kg，表明在灌水作用下，各處理在10～20 cm土層發生脫鹽現象，在40～60 cm土層內發生脫鹽現象。進入花鈴前期，灌前1 d(7月8日)各處理土壤含鹽量變化曲線表明，各處理均表現表層土壤含鹽量逐漸增加，深層土壤含鹽量逐漸降低趨勢，且處理間0～80 cm土壤含鹽量差異較蕾期明顯。在吐絮期，各處理淺層土壤含鹽量在有效灌水的作用下，較前期有所降低，土壤含鹽量有所增加。其中在0～10 cm土層發生脫鹽現象，T1、T2、T3、T4處理土壤含鹽量分別為1.08、1.10、1.05、1.05 g/kg，T1、T2、T3處理在40～60 cm土層發生積鹽現象，分別為1.23、1.19、1.20 g/kg，T4處理在60～80 cm發生積鹽現象，含量為1.21 g/kg。

研究結果表明，在民勤縣湖區灌區，強烈的蒸發蒸騰作用和咸水灌溉作用下，0～80 cm土壤處于積鹽狀態，只有經過雨季降雨和春季河水大定額灌溉淋洗后，才可使棉花根區土壤的鹽分保持在安全限度內。

2.2 土壤含鹽量盈虧分析

為進一步了解棉花生育期土壤鹽分變化規律，對0～80 cm土層含鹽量進行盈虧分析，結果見表2。由表可知，收獲后，T1、T2、T3、T4處理0～80 cm土壤含鹽量分別為0.56、0.56、0.51和0.52 t/hm2。結合播前各處理土壤含鹽量數據，T1、T2、T3、T4處理在棉花全生育期土壤含鹽量均表現為盈余(即積鹽)，積鹽量為0.42、0.28、0.04、0.01 t/hm2。結果表明，灌溉額對棉花生育期土壤0～80 cm土壤含鹽量盈虧變化具有影響：重度水分虧缺(T4處理)土壤積鹽量最低，中度水分虧缺(T2、T3處理)次之，充分灌水(T1處理)土壤積鹽量最高。

圖1 棉花不同生育期土壤含鹽量變化Fig.1 Changes of soil salinity at different stages of cotton

將0～80 cm土壤含鹽量分為4層分析，結果表明，T1、T2處理在0～20、20～40、40～60、60～80 cm土層內均表現為積鹽現象，且隨土層的增加，積鹽量呈增加趨勢。T3、T4處理有部分土層有脫鹽現象，但脫鹽量不大。

研究結果表明，土壤含鹽量空間分布特征受灌水定額、蒸發蒸騰、根系吸水等因素影響。滴灌條件下，湖區灌區棉花采用苦咸水灌溉時，0～80 cm土層內易發生積鹽現象。生育期有限的灌水量、降雨不足以將土壤鹽分淋洗到80 cm土體以下，隨灌溉定額增加，0～80 cm土壤含鹽量介于1.17～1.23 g/kg。根據土壤鹽漬化等級標準，該灌區屬于中度鹽漬化土，該等級對鹽分敏感作物產量受到影響，但對耐鹽作物(苜蓿、棉花、甜菜、高粱、谷子等)無多大影響，可保證棉花正常生長。

2.3 土壤水分動態變化

各處理棉花生育期0～80 cm土壤含水率變化如圖2所示。由圖可知，各處理0～80 cm土壤含水率變化基本一致，均隨作物生育進程的延長呈降低趨勢。其中，各處理土壤含水率變化曲線從棉花苗期(4月24日)至蕾期(7月8日)出現重疊、交叉，表明灌溉定額對0～80 cm土壤水分變化的影響基本一致。

到花鈴期(7月25日)時，灌溉定額明顯影響土壤水分在0～80 cm土層的分布特征。其中，T1、T2、T3、T4處理土壤含水率介于10.88%～13.43%。其中，T3處理土壤含水率最高，T4處理土壤含水率最低。分析原因為花鈴前期棉花的營養生長和生殖生長處于旺盛階段，作物處于需水高峰期，處理之間的耗水量差別不大。之后，棉花在花鈴后期進行打頂整枝，生殖生長受到抑制，老化葉片開始脫落，葉面積指數開始下降，耗水量降低，各處理土壤0～80 cm土壤含水率差異較前期明顯降低。到收獲前期(10月15日)，T1、T2、T3、T4各處理土壤含水率降到生育期最低值，分別為10.22%、9.14%、8.02%和7.01%，處理間差異基本減弱，土壤含水量降幅明顯減小。

表2 不同處理0～80 cm土壤含鹽量盈虧量 t/hm2

圖2 不同處理棉花生育期土壤含水率變化 Fig.2 Changes of soil water indifferent treatments

為進一步研究棉花不同生育期0～80 cm土壤含水率，將棉花典型生育階段土壤含水量列于圖3。由圖3可知，由于經過統一春灌措施，苗期各處理的土壤含水率變化規律基本一致，均為隨土壤深度的增加呈土壤含水量呈增加趨勢。其中T1、T2、T3、T4處理0～80 cm土壤含水率均值分別為14.83%、14.95%、15.06%和15.83%。

到花鈴初期(7月8日)，各處理土壤含水量變化曲線呈“S”變化，且各處理土壤含水量曲線多次出現重疊和交叉現象，處理間土壤含水率差異較前期明顯降低。其中，T1、T2、T3、T4處理0～80 cm土壤含水率均值為13.58%、13.57%、13.49%和12.92%。進入吐絮期(9月15日)后，在蒸騰和棵間蒸發作用下，各處理0～80 cm土層土壤含水量差異進一步增大，T1、T2、T3、T4處理土壤含水量分別為11.45%、10.85%、9.27%和7.77%，結果表明灌水定額的累積效應在棉花吐絮期時進一步增大。其中T3、T4處理土壤含水率曲線位于T1、T2處理的左邊，兩條曲線沒有明顯的重疊、相交現象。

研究結果表明，在棉花生育前期土壤含水量變化規律基本一致，在中期，棵間蒸發、作物蒸騰作用下，灌溉定額能明顯影響0～80 cm土壤含水量的分布特征。到吐絮期，灌溉定額對土壤水分分布特征的累積效應明顯。當灌溉定額為1 500 m3/hm2時，土壤水分的垂直運動明顯增強，土壤水分向深層運移。花鈴期為棉花的需水高峰期，灌溉定額對土壤水分垂向運動的影響差異減弱。

圖3 不同處理棉花生育期土壤含水量分布Fig.3 Distribution of water in soil profile at different growth stages of cotton under different treatments

2.4 不同處理棉花產量、耗水量及WUE分析

將不同處理的棉花產量構成因素及產量結果列于表3。由表3可知，灌溉定額對棉花收獲后的株高影響顯著。其中，T1、T2處理棉花株高顯著高于T3、T4處理，差異達顯著性水平。棉花的鈴數依次為T2>T1>T3>T4。其中，T2處理與T3、T4處理差異顯著。T1、T2、T3、T4各處理單鈴重均值分別為9.76、9.65、8.70和8.07 g，其中，T1、T2處理分別與T3、T4處理差異顯著。各處理籽棉產量分別為4 938.9、4 969.9、3 946.0、3 031.0 kg/hm2，其中T1、T2處理與T3、T4處理差異顯著。此外，T1、T2、T3、T4處理WUE分別為1.33、1.47、1.38和1.23 kg/m3，其中，T1、T2處理與T3、T4處理差異顯著。

表3 不同處理棉花產量特征值及水分利用效率分析Tab.3 Analysis of yield, its factors and WUE of cotton

注：不同字母表示不同處理差異顯著。

不同處理棉花生育期耗水量及耗水強度見表4。由表4可知，T1、T2、T3、T4處理生育期耗水量分別為310.4、289.8、260.5和227.4 mm，處理間耗水量差異顯著，表明棉花生育期耗水量隨灌溉定額的增加呈增加趨勢。各處理棉花的耗水強度為1.31～1.79 mm/d，大小依次為T1>T2>T3>T4，且兩兩處理間耗水強度差異均達顯著性水平。結合棉花階段耗水量分析結果可知，各處理棉花耗水量差異主要反映在棉花花鈴期～吐絮期間，T1、T2、T3、T4處理在該階段耗水量依次為187.05、165.48、142.455和127.29 mm，分析原因與該時期棉花處于耗水高峰和處理間灌水定額不同有關。

表4 不同處理棉花生育期階段耗水量及耗水強度分析Tab.4 Evaluation indexes of stages water consumption for different treatments

注：同列有相同字母表示差異不顯著(P<0.05)。

3 結 語

在民勤盆地利用地下苦咸水進行膜下滴灌時，隨灌溉定額的增加，棉花生育期0～80 cm土壤含鹽量呈增加趨勢，但積鹽量介于1.17～1.23 g/kg。根據土壤鹽漬化等級劃分標準，該土質屬輕度鹽漬化土壤，對鹽分敏感的作物，其產量會受到影響，但對耐鹽作物，如棉花、甜菜、高粱、谷子等作物無明顯影響，表明在該區域適度利用苦咸水進行棉花灌溉，80 cm土體內的鹽分累積效應明顯，而有限的降雨量又不足以將土壤鹽分淋洗到棉花根層以下。但在棉花播種前，春季利用河水進行淋洗可保證棉花生育期0～80 cm土壤含鹽量不超過作物耐鹽度的臨界值，可保證棉花的正常生長發育，土壤也不會長期處于積鹽狀態。

在武威市民勤沙漠綠洲灌區可適度的合理利用當地的苦咸水資源，膜下滴灌條件下，棉花蕾期灌水2次，初花期、盛花期和鈴期各灌水1次，全生育期灌水5次，灌水定額為300 m3/hm2，灌溉定額為1 500 m3/hm2的灌溉制度能達到節水、控鹽、保產目的，為最優的灌溉模式。

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