滴灌棉田不同種植模式對棉花根區(qū)土壤鹽分及出苗率的影響研究與數(shù)值模擬

李鑫鑫，劉洪光，龔 萍，何新林，林 恩，李開明

(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子 832000； 2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832000)

新疆棉花機(jī)械采摘率達(dá)到70%以上，因此衍生出多種機(jī)采棉種植模式。機(jī)采棉模式的覆膜寬度、滴灌帶布置和棉花株距、行距等變化，使土壤水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律更為復(fù)雜，尤其是早期膜孔處產(chǎn)生的表聚現(xiàn)象，對棉花苗期的生長產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響棉花的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。此外，新疆干旱區(qū)鹽堿土分布廣、種類多、積鹽重、改良難，2014年灌區(qū)鹽漬化耕地占總耕地面積的37.72%，比2006年提高6%[3]。近年來，為適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的趨勢，新疆大力發(fā)展機(jī)采棉產(chǎn)業(yè)以提高采摘效率和經(jīng)濟(jì)效益，降低棉花的生產(chǎn)成本，至2018年，全疆采棉機(jī)械化率已達(dá)到70%以上。

經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐，新疆初步探索出若干兼顧機(jī)械作業(yè)、產(chǎn)量和品質(zhì)的機(jī)采棉配套種植模式，機(jī)采棉模式的覆膜寬度、滴灌帶布置、株距行距以及膜上開孔數(shù)量因此改變。膜上開孔打通了覆膜時(shí)大氣——土壤之間的水分連續(xù)性，在蒸發(fā)作用下，土壤中的水分通過膜孔散失到大氣中，鹽分則積聚在土壤表層和膜孔附近[4-7]。不同的機(jī)采棉模式使膜下水鹽的分布運(yùn)移變得復(fù)雜，而棉花幼苗對土壤鹽分十分敏感[8-10]，鹽分較高對棉花出苗和出苗后的生長產(chǎn)生鹽害，破壞棉花養(yǎng)分離子吸收[11-13]，嚴(yán)重時(shí)會使幼苗受到鹽分脅迫導(dǎo)致死苗，造成棉花保苗率低，影響棉花產(chǎn)量[14]，棉花出苗灌水量對棉花的出苗、養(yǎng)分吸收利用、用水耗水效率產(chǎn)生重要影響[15-16]。

實(shí)際生產(chǎn)管理中，出苗水灌水量并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各地往往根據(jù)種植經(jīng)驗(yàn)灌溉出苗水，缺乏科學(xué)性。在棉花苗期，蒸發(fā)較為強(qiáng)烈，土壤淺層鹽分的分布受到出苗水灌水量的調(diào)控，間接制約著棉苗的出生和后期發(fā)育，最終影響棉農(nóng)的經(jīng)濟(jì)收益，因此，不合理的出苗水灌水量可能會影響棉花的出苗率，灌水量過大會造成水資源的浪費(fèi)。所以在保證棉花出苗保苗的前提下，確定合理的出苗水灌水量，對土壤鹽分控制及棉花田間管理有重要意義。

目前，這樣的研究還很匱乏。本試驗(yàn)結(jié)合大田數(shù)據(jù)研究3 種機(jī)采棉種植模式的棉田灌出苗水后淺層土壤鹽分積聚的變化規(guī)律，并建立Hydrus土壤鹽分運(yùn)移模型，進(jìn)一步分析現(xiàn)行機(jī)采棉種植模式下，不同出苗水灌水量對棉花根區(qū)土壤鹽分和出苗率的影響，以期為提高棉花灌溉管理提供參考。

1 材料與方法

試驗(yàn)地位于新疆石河子灌區(qū)的北泉鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為85°55′～86°50′ E，44°10′～44°35′ N。年降水量180～270 mm，年蒸發(fā)量1 000～1 500 mm，日照2 318～2 732 h，無霜期147～191 d，干旱指數(shù)為5.5，是典型內(nèi)陸干旱區(qū)。

1.1 大田試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018-04-05，在試驗(yàn)區(qū)選取3塊相鄰的膜下滴灌棉田，種植模式分別為1膜2管6行、1膜3管6行、1膜3管5行(圖1)。棉田0～50 cm深度土壤平均含水率為26%，0～10 cm深度土壤平均鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5 g/kg，10～50 cm深度土壤平均鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 g/kg，土質(zhì)是壤土，土壤容質(zhì)量為1.34～1.40 g/cm3。2018年4月10日， 3塊棉田進(jìn)行機(jī)械播種，均采用播后滴水出苗的管理模式，水源為當(dāng)?shù)氐叵滤?淡水)，灌水量為 1 275 m3/hm2。灌水后每隔3 d觀察出苗狀況，30 d后計(jì)算出苗率，在每塊棉田隨機(jī)選取15個(gè) 1 m2的區(qū)域面積調(diào)查出苗率，出苗率=出苗數(shù)/播種數(shù)×100%(每個(gè)膜孔生出1株苗即認(rèn)定出苗)，一共選取45個(gè)樣本，同時(shí)在樣本調(diào)查面積中選取長勢均勻、具有代表性的5株棉苗，用直尺測定株高，用游標(biāo)卡尺測定莖粗，葉面積采用“葉長×葉寬×0.84”[17]計(jì)算。完成出苗率調(diào)查后，在每個(gè)樣本區(qū)域面積上，水平方向按膜外壟溝、膜邊、膜孔1、膜孔2、膜孔3、膜孔4、膜孔5和膜孔6設(shè)置取土點(diǎn)，垂直方向按0 cm、10 cm和20 cm共3個(gè)土層設(shè)置取土點(diǎn)取土樣，以3層土樣鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的加權(quán)平均值分析土壤鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)與出苗率的關(guān)系，土壤鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)用電導(dǎo)法測定。

圖1 棉田種植模式示意圖(單位：cm)Fig.1 Planting patterns in cotton fields(Unit: cm)

1.2 HYDRUS數(shù)值模擬

模型建立：為比較不同出苗水灌水量對棉花根區(qū)土壤鹽分和出苗率的影響，試驗(yàn)?zāi)M 3 種種植模式的棉田，在棉花苗期(2018-04-08-2018-05-11，共計(jì)34 d)統(tǒng)計(jì)不同出苗水灌水量下棉花根區(qū)土壤鹽分的分布情況。出苗水灌水量分別為225、525、825、1 125、1 275、1 425、1 725 m3/hm2。模型采用變時(shí)間步長剖分方式，土壤水分特征曲線模型采用壓力膜儀測定，利用VanGenuchten-Mualem模型擬合。

模型邊界條件設(shè)置見表1，試驗(yàn)棉田土壤類型為壤土，結(jié)合HYDRUS模型中的Rosseta模塊，率定土壤特征參數(shù)初值(表2)。模擬時(shí)段中未降雨，因此在模型中降雨因素可以忽略。通過穿透曲線法測定不同時(shí)間土柱內(nèi)流出液體的氯離子濃度，先用坐標(biāo)軸法計(jì)算水動(dòng)力學(xué)彌散系數(shù)，再使用實(shí)測值反演確定水動(dòng)力學(xué)彌散系數(shù)(表3)。根據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定棉花根系吸水參數(shù)(表4)。在模擬時(shí)段內(nèi)，土壤的飽和含水率、殘余含水率以及彌散系數(shù)等參數(shù)均不變，所以在數(shù)值模型中各個(gè)參數(shù)設(shè)置為固定不變。

表1 模型邊界條件Table 1 Model boundary conditions

表2 土壤特征參數(shù)Table 2 Soil characteristic parameters

注：θr.土壤剩余體積含水率；θs.土壤飽和體積含水率；α.與土壤物理性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)；n.經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Ks.土壤飽和導(dǎo)水率；l.孔隙關(guān)聯(lián)度參數(shù)。

Note:θr.Residual volume water content of soil;θs.Saturated volume water content of soil;α.Parameter related to the physical properties of soil;n.Empirical coefficient;Ks.Saturated water conductivity of soil andlis the pore correlation parameter.

表3 水動(dòng)力學(xué)彌散系數(shù)Table 3 Hydrodynamic dispersion coefficient

注：Disp.L.縱向彌散系數(shù)；Disp.T.橫向彌散系數(shù)。

Note：Disp.Longitudinal dispersion coefficient；Disp.T.Transverse dispersion coefficient.

表4 Feddes根系吸水參數(shù)Table 4 Feddes root water absorption parameters

注：P0.土體空隙被水完全充滿時(shí)對應(yīng)的負(fù)壓值；P0pt.土壤毛管上升水達(dá)到最大量時(shí)對應(yīng)的負(fù)壓值；P2.土壤毛管水因地表蒸發(fā)和作物吸收發(fā)生斷裂時(shí)對應(yīng)的負(fù)壓值；P3.作物產(chǎn)生永久凋萎時(shí)對應(yīng)的負(fù)壓值；H.水平方向；L.垂直方向。

Note：P0.Corresponding negative pressure value when the soil voids are fully filled with water；P0pt.Corresponding negative pressure value when the soil capillary rising water reaches the maximum；P2.Corresponding negative pressure value when the soil capillary water breaks due to surface evaporation and crop absorption；P3.Permanent wilting point；H.Horizontal; L.Longitudinal.

1.3 模型基本方程

假設(shè)試驗(yàn)土壤均質(zhì)且各向同性，考慮根系吸水，方程描述如下：

(1)

式中：θ(h)為土壤體積含水率，cm3/cm3；h為壓力水頭，cm；K(h)為非飽和土壤導(dǎo)水率，cm/d；t為時(shí)間；x為橫向坐標(biāo)；z為垂向坐標(biāo)；規(guī)定z向上為正；S為源匯項(xiàng)，此處表示根系吸水率，即根系在單位時(shí)間內(nèi)單位體積土壤中所吸收水分的體積，cm3/d。

1.3.2 土壤水力函數(shù) Van-Genuchten公式

(2)

(3)

式中：Ks為土壤飽和導(dǎo)水率，cm/d；θe為土壤相對飽和度；θr為土壤剩余體積含水率；θs為土壤飽和體積含水率；n、m、α均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。其中m=1-(1/n)，α是與土壤物理性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)；l為孔隙關(guān)聯(lián)度參數(shù)，通常取平均值0.5。

1.3.3 土壤鹽分運(yùn)動(dòng)基本方程

(4)

式中：c為溶質(zhì)質(zhì)量濃度，g/cm3；qi為入滲率，cm/d；Dij為彌散系數(shù)，cm2/d；xi為空間坐標(biāo)(i=1,2)，x1=x，x2=z，D11=Dxx，D12=Dxz；Cs為匯項(xiàng)鹽質(zhì)量濃度，g/L。

1.3.4 根系吸水模型S(h,hφ,x,z)=α(h,hφ,x,z)b(x,z)StTp

(5)

式中：α(h,hφ,x,z)為土壤水鹽脅迫函數(shù)；hφ為滲透壓力，cm；b(x,z)為根系分布函數(shù)；St為與蒸騰關(guān)聯(lián)的地表長度，cm；Tp為潛在蒸發(fā)速率，cm/d。

1.3.5 參考作物蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算 根據(jù)試驗(yàn)區(qū)水面蒸發(fā)數(shù)據(jù)資料，由FAO提出的蒸發(fā)皿方法計(jì)算研究區(qū)參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0(圖2)，計(jì)算公式為：

ET0=Kp×Epan

(6)

式中：Epan為蒸發(fā)皿觀測值，mm/d；Kp為蒸發(fā)皿系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花出苗及耐鹽性分析

2.1.1 種植模式對棉苗素質(zhì)的影響 株高、莖粗和葉面積是表征棉苗地上部的發(fā)育指標(biāo)，反應(yīng)棉苗的生長狀態(tài)。如表5所示，1膜3管6行棉田棉苗生長快，莖稈粗大，子葉面積大，各項(xiàng)指標(biāo)分別顯著高于1膜2管6行棉田3.02%、17.45%和10.57%，但與1膜3管5行棉田棉苗的株高和莖粗差異不顯著，葉面積差異顯著。1膜2管6行棉田棉苗生長較慢，苗相對矮小且子葉面積最小。

圖2 參考作物蒸發(fā)蒸騰量變化特征Fig.2 Variation of reference crop evapotranspiration

表5 不同種植模式下棉苗的生理性狀Table 5 Effects of different planting patterns on physiological characters of cotton seedlings

注：葉面積指棉苗子葉葉面積；測定時(shí)間為灌出苗水后30 d；同列不同小寫字母代表差異顯著(P<0.05)。

Note: Leaf area refers to cotyledon area of cotton seedlings; the measurement time was 30 days after irrigation for seedling emergence; different lower-case letters in the same column represent significant differences (P<0.05).

2.1.2 土壤鹽分對棉花出苗率的影響 棉花幼苗扎根淺，生長受鹽分脅迫敏感，根據(jù)前期出苗率的調(diào)查結(jié)果，試驗(yàn)以各膜孔取土點(diǎn)0～20 cm深度土壤平均鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為影響棉花出苗率的鹽分值。圖3顯示出苗率與0～20 cm深度土壤鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系，出苗率隨膜孔鹽分增加而降低，土壤鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)與出苗率之間呈現(xiàn)明顯的線性負(fù)相關(guān)，這與Zhang 等[18]的研究結(jié)論類似。對0～20 cm深度土壤鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)與出苗率的關(guān)系進(jìn)行線性擬合得到：

y=-11.041x+105.2 (R2=0.96)

(7)

式中，y為棉花出苗率，%；x為0～20 cm深度土壤的平均鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)，g/kg。

結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，以出苗率達(dá)到80%、60%、30%為標(biāo)準(zhǔn)，由式(7)計(jì)算棉花出苗時(shí) 0～20 cm深度土壤鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的適宜值、臨界值、極限值分別為：2.28 g/kg、4.09 g/kg和6.81 g/kg。

鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)是0、10、20 cm土壤鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的加權(quán)平均值 Salt mass fraction in the figure is the weighted average of salt mass fraction in 0 cm, 10 cm and 20 cm soil

圖3 土壤鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)與棉花出苗率的擬合線
Fig.3 Fitting line between soil salt mass fractionand cotton emergence rate

2.2 模型驗(yàn)證

首先模擬3種種植模式棉田在出苗水灌水量為1 275 m3/hm2時(shí)，膜內(nèi)和膜外土壤鹽分的分布情況，然后將灌水后30 d時(shí)，1膜2管6行種植模式下膜孔2和膜孔3取樣點(diǎn)，1膜3管6行種植模式下膜外壟溝和膜孔1取樣點(diǎn)，1膜3管5行種植模式下膜邊和膜孔5取樣點(diǎn)的0～20 cm深度土壤的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)按0 cm(土壤表層)、10 cm和20 cm分層導(dǎo)出并與前期大田實(shí)測數(shù)據(jù)對比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證Fig.4 Verification of the accuracy of the model

在0～20 cm深度土壤內(nèi)，土壤鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)降低趨勢，膜外壟溝及膜邊處鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于膜內(nèi)膜孔處，而膜孔處鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)也因膜孔距離滴頭和膜間遠(yuǎn)近不同呈現(xiàn)出較大差異，鹽分分布較為復(fù)雜。3 種種植模式下，0～20 cm深度土壤分層鹽分?jǐn)?shù)據(jù)的模擬值與實(shí)測值擬合情況良好，擬合決定系數(shù)均在0.9以上，所建HYDRUS土壤鹽分運(yùn)移模型可以用于模擬膜下滴灌不同種植模式棉田的土壤鹽分運(yùn)移情況。

2.3 模型應(yīng)用

2.3.1 不同種植模式棉田土壤鹽分對不同出苗灌水量的響應(yīng)特征 運(yùn)用建立的HYDRUS土壤鹽分運(yùn)移模型，詳細(xì)模擬 3 種種植模式下，出苗水灌水量不同時(shí)，每個(gè)取樣點(diǎn)土壤鹽分的分布情況。如表6～表8所示，試驗(yàn)使用灌出苗水30 d后，0～20 cm深度土壤平均鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中1膜2管6行種植模式下，滴頭和作物是對稱布置的，所以只分析膜孔1、膜孔2和膜孔3的數(shù)據(jù)。

表6 1膜2管6行土壤鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 6 Soil salt mass fraction under 1 film 2 tubes 6 rows planting pattern

表7 1膜3管6行土壤鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 7 Soil salt mass fraction under 1 film 3 tubes 6 rows planting pattern

表8 1膜3管5行土壤鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 8 Soil salt mass fraction under1 film 3 tubes 5 rows planting pattern

3 種種植模式下，當(dāng)出苗水灌水量相同時(shí)，膜外的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于膜孔，膜邊高于膜外壟溝；1膜2管6行種植模式下膜孔的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于1膜3管6行和1膜3管5行的膜孔；在相同的種植模式下，膜孔1和膜孔6的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他膜孔；在覆膜區(qū)中部生長的棉苗所在膜孔的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，受到鹽害的威脅也最小；當(dāng)出苗水灌水量增大時(shí)，3 種種植模式下，膜外壟溝和膜邊的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)增高趨勢，膜孔呈降低趨勢。

由式(7)可知，0～20 cm深度土壤的平均鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.09 g/kg時(shí)，棉花出苗率為60%，以此作為可接受的出苗率臨界標(biāo)準(zhǔn)。在相同種植模式下，只要膜孔1和膜孔6的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)對應(yīng)的出苗率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，膜孔2、膜孔3、膜孔4和膜孔5的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)對應(yīng)的出苗率也會達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。1膜2管6行種植模式下，當(dāng)出苗水灌水量達(dá)到設(shè)計(jì)的最高值1 725 m3/hm2時(shí)，膜孔1的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)對應(yīng)的出苗率只有57.06%，未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)。1膜3管6行種植模式下，當(dāng)出苗水灌水量為1 125 m3/hm2時(shí)，膜孔1和膜孔6的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)對應(yīng)的出苗率分別為60.15%和59.60%，基本達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，膜孔2、膜孔3、膜孔4和膜孔5的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)對應(yīng)的出苗率依次是78.26%、78.04%、84.77%和78.48%，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)出苗水灌水量為1 275 m3/hm2時(shí)，膜孔1～膜孔6的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)對應(yīng)的出苗率依次為61.70%、79.47%、79.03%、 85.88%、79.70%和61.26%，完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)出苗水灌水量為825 m3/hm2時(shí)，膜孔1和膜孔6的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)對應(yīng)的出苗率分別為56.18%和 55.74%，未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)。1膜3管5行與1膜3管6行相對應(yīng)膜孔的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差較小，所以相對應(yīng)的出苗率差別也較小，但是在相同的滴灌系統(tǒng)布置與器材投入情況下，1膜3管6行比1膜3管5行多種植一行作物，能提高棉田的產(chǎn)出效益，且在前期大田棉苗性狀調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，1膜3管6行種植模式的棉花株高、莖粗、葉面積指數(shù)均優(yōu)于另外兩種種植模式[19]，綜合考慮，選擇1膜3管6行種植模式，出苗灌水量為1 125～1 275 m3/hm2，是合理的機(jī)采棉種植和水分管理方式。

2.3.2 1膜3管6行棉田根區(qū)土體鹽分隨蒸發(fā)時(shí)間的變化 在1膜3管6行種植模式下，當(dāng)出苗水灌水量為1 125 m3/hm2時(shí)，清楚掌握棉花根區(qū)0～50 cm土體的含鹽量隨蒸發(fā)時(shí)間的變化情況，可以為后期種植模式和灌溉制度的進(jìn)一步優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。試驗(yàn)采用式(8)作為理論計(jì)算依據(jù)。

(8)

式中：fx為土壤各深度鹽分含量函數(shù)；x為土體深度，cm。

在模型的X方向取1個(gè)膜間長度加1個(gè)覆膜寬度共220 cm，Y方向取50 cm，Z方向取單位長度1 cm，以V=X×Y×Z=10 cm × 50 cm × 1 cm作為1個(gè)計(jì)算單元土體，共劃分22個(gè)單元土體。計(jì)算時(shí)，首先，對土壤鹽分曲線積分(每個(gè)單元土體的中部位置，土壤深度為0～50 cm)；然后，乘以X軸的長度，再乘以Z軸的長度，得到1個(gè)單元土體的鹽分含量；最后，累加每個(gè)單元土體的含鹽量，得到土體含鹽量(V=X×Y×Z=220 cm×50 cm×1 cm)。

從灌水當(dāng)天至灌水后30 d，土體含鹽量隨蒸發(fā)時(shí)間的變化規(guī)律呈現(xiàn)明顯的指數(shù)正相關(guān)關(guān)系，擬合公式見式(9)。

y=27.542e0.006 1x(R2=0.98)

(9)

式中：y為土體含鹽量，g；x為蒸發(fā)時(shí)間，d。

如圖5所示，灌水前，土體含鹽量隨蒸發(fā)時(shí)間呈增高趨勢，灌水前1 d時(shí)，土體含鹽量達(dá)到模擬時(shí)段內(nèi)的最高值35.33 g，灌水當(dāng)天，土體含鹽量迅速下降至27.76 g，土體脫鹽率達(dá)到21.43%，隨后土體含鹽量又隨蒸發(fā)時(shí)間逐漸升高，至灌后30 d時(shí)，達(dá)到較大值32.73 g，較灌水當(dāng)天增長17.90%。灌水后，大量鹽分被沖洗至50 cm以下深度的土壤中，覆膜可以增溫保墑、抑制蒸發(fā)，所以灌水后土體含鹽量一直小于灌水前土體含鹽量，為棉苗生長提供較好的水鹽環(huán)境。

在圖中橫坐標(biāo)中，負(fù)數(shù)代表灌水前時(shí)間，0代表灌水當(dāng)天，正數(shù)代表灌水后時(shí)間，下同 In abscissa, negative number represents time before irrigation, 0 represents the day of irrigation, and positive number represents the day after irrigation，the same below

圖5 土體含鹽量變化特征
Fig.5 Variation characteristics of soil salinity

2.3.3 1膜3管6行棉田各取樣點(diǎn)鹽分隨蒸發(fā)時(shí)間的變化特征 進(jìn)一步模擬1膜3管6行種植模式下，各取樣點(diǎn)在出苗水灌水量為1 125 m3/hm2時(shí)，0～20 cm深度土壤平均鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨蒸發(fā)時(shí)間的變化情況。

如表9所示，從灌水當(dāng)天至灌水后30 d，膜邊、膜孔1和膜孔6的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨蒸發(fā)時(shí)間變化呈現(xiàn)明顯的指數(shù)正相關(guān)關(guān)系；膜外壟溝、膜孔2、膜孔3、膜孔4和膜孔5的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨蒸發(fā)時(shí)間變化呈現(xiàn)明顯的線性正相關(guān)關(guān)系，擬合決定系數(shù)均在0.9以上，與圖6土壤鹽分的模擬情況一致。

灌水前3 d，膜外壟溝的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)是3.71 g/kg，灌水后30 d達(dá)到6.63 g/kg，鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高78.71%；灌水后30 d，膜邊鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 7.01 g/kg，比灌水前3 d提高115.03%。從灌水前3 d至灌后30 d，膜外壟溝的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈平緩增高趨勢，灌水當(dāng)天對鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不大，蒸發(fā)對膜外壟溝的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)起主導(dǎo)作用。在灌水當(dāng)天，膜邊鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所降低，隨后又隨蒸發(fā)時(shí)間呈增高趨勢，對比膜外壟溝和膜邊的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線的斜率，發(fā)現(xiàn)膜邊的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)受蒸發(fā)時(shí)間影響更加強(qiáng)烈。

圖6 各取樣點(diǎn)土壤鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨蒸發(fā)時(shí)間的變化特征Fig.6 Variation characteristics of soil salt mass fraction with evaporation time at each sampling point

表9 1膜3管6行棉田各取樣點(diǎn)土壤鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨蒸發(fā)時(shí)間變化的擬合公式
Table 9 Fitting formula of soil salt mass fraction change with evaporationtime at each sampling point in 1-3-6 planting pattern

取樣點(diǎn)Sampling point擬合公式Fitting formula擬合決定系數(shù)Fitting determinant coefficient膜外壟溝 Furrows outside the filmy=0.057 9x+5.010 7R2=0.98膜邊 Film edgey=3.112 8e0.031 9xR2=0.90膜孔1 Film hole 1y=2.006 6e0.025 1xR2=0.98膜孔2 Film hole 2y=0.037 7x+1.328 9R2=0.99膜孔3 Film hole 3y=0.023 3x+1.799 8R2=0.98膜孔4 Film hole 4y=0.020 4x+1.266 6R2=0.95膜孔5 Film hole 5y=0.038 6x+1.308 6R2=0.99膜孔6 Film hole 6y=2.01 3e0.025 8xR2=0.98

注：y為0～20 cm深度土壤的平均鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)，g/kg；x為蒸發(fā)時(shí)間，d。

Note:yis the average salinity mass fraction of 0-20 cm deep soil, g/kg;xis the evaporation time, d.

相比灌水前1 d，灌水當(dāng)天每個(gè)膜孔的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)有顯著降低，之后隨蒸發(fā)時(shí)間逐漸升高。膜孔1和膜孔6距離滴頭相對最遠(yuǎn)，距離膜外裸地最近，灌水當(dāng)天膜孔1的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.89 g/kg，灌后30 d時(shí)達(dá)到4.08 g/kg，提高 115.87%；灌水當(dāng)天膜孔6的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.89 g/kg，灌后30 d時(shí)達(dá)到4.13 g/kg，提高 118.52%，膜孔1和膜孔6的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)受蒸發(fā)時(shí)間影響強(qiáng)烈。膜孔2和膜孔5距離滴頭較近，距離膜外較遠(yuǎn)，從灌水當(dāng)天到灌水后30天，膜孔2和膜孔5的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化幅度小于膜孔1和膜孔6，分別為 100.83%和105.20%；膜孔3和膜孔4距離膜外裸地相對最遠(yuǎn)，距離滴頭最近，從灌水當(dāng)天到灌后30 d，膜孔3和膜孔4的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化幅度最小，分別為41.38%和 60.87%。

3 討 論

在分析土壤鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)與出苗率的關(guān)系時(shí)，有的學(xué)者[20]沒有在膜孔處取土樣，雖然取樣點(diǎn)仍然在覆膜區(qū)域內(nèi)，但與最近的膜孔之間的距離為10～20 cm。實(shí)際上，在灌水后，土壤濕潤體所形成的鹽分淡化區(qū)影響范圍是有限的，同一覆膜區(qū)域內(nèi)，每個(gè)膜孔和滴頭之間的距離是不同的，那么鹽分淡化區(qū)對每個(gè)膜孔處的土壤鹽分影響程度有很大差異，所以這樣的取樣方法增大了試驗(yàn)誤差，結(jié)果并不能完全代表膜孔鹽分對棉花出苗的影響。本文是在調(diào)查過出苗率后，在棉苗生長處即膜孔處直接取土樣，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性有所提升，在保證出苗率為80%、60%、30%時(shí)，計(jì)算出0～20 cm深度土壤平均鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的適宜值、臨界值、極限值分別為2.28 g/kg、4.09 g/kg、6.81 g/kg，這與王春霞等[21]的研究結(jié)論略有差異，分析原因主要是本文研究區(qū)位于新疆北疆，而前者試驗(yàn)研究區(qū)位于新疆南疆，兩地氣候和灌溉水質(zhì)均有較大差異，在選擇棉花品種時(shí)要統(tǒng)籌考慮以上影響因素，而現(xiàn)有常用的棉花品種受其自身遺傳因素的影響，對鹽分的耐受性是不同的[11, 22-23]，在推廣應(yīng)用時(shí)應(yīng)做到因地制宜。

灌出苗水后，滴頭下方形成了含有大量鹽分的土壤濕潤體，它隨蒸發(fā)時(shí)間向水平和垂直兩個(gè)方向推移，之后水分通過膜孔散失到大氣中，鹽分留在上層土壤里，成為棉苗發(fā)育和后期棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵影響因素。當(dāng)灌水量相同時(shí)，覆膜區(qū)域內(nèi)滴頭的布置決定了土壤濕潤體淋洗鹽分的水平和垂直范圍，膜孔離滴頭近，濕潤體淋洗鹽分作用強(qiáng)，棉苗根區(qū)土壤鹽分就少；膜孔離滴頭遠(yuǎn)，濕潤體淋洗鹽分作用弱，棉苗根區(qū)土壤鹽分就多，因此，1膜2管6行種植模式的膜孔鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于1膜3管6行和1膜3管5行，其中膜孔1和膜孔6在同一種植模式下土壤鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他膜孔，這和寧松瑞等[24]的研究結(jié)論是類似的。1膜3管5行種植模式相比1膜3管6行種植模式，覆膜區(qū)域的中部少種植一行棉花，降低了膜上開孔率，蒸發(fā)作用和根系吸水作用也減弱，所以1膜3管6行種植模式下膜孔3和膜孔4的含鹽量高于1膜3管5行的膜孔4。但整體來看，因?yàn)檫@行棉花距離膜外裸地較遠(yuǎn)，并且位于兩個(gè)滴頭中間，所以它受兩個(gè)土壤濕潤體的雙重淋洗作用影響，其膜孔處土壤鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)在同一種植模式下是最低的。膜外土壤鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于膜孔處，說明膜孔處蒸發(fā)強(qiáng)度相對于膜外裸地是微弱的，膜邊處土壤鹽分高于膜外壟溝處，說明當(dāng)土壤濕潤體擴(kuò)散到膜邊時(shí)，已達(dá)到最大擴(kuò)散 距離。

李明思等[25]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤濕潤鋒處的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大的同時(shí)，上層土壤鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)在減小，本研究得出了類似結(jié)論。出苗水灌水量調(diào)控著土壤濕潤體的洗鹽范圍。如果灌水量小，形成的濕潤體就小，鹽分的淡化淋洗范圍就很有限，被沖洗至中下層土壤的鹽分就少；如果灌水量大，形成的濕潤體鹽分淡化淋洗范圍大，被沖洗至中下層土壤的鹽分就多。隨灌水量增大，擴(kuò)散至膜外的水鹽也越多，膜外土壤水分持續(xù)蒸發(fā)，鹽分就不斷積聚在上層土壤中，所以3 種種植模式下，當(dāng)出苗水灌水量增大時(shí)，膜外壟溝和膜邊鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈增高趨勢，又因?yàn)槟た滋幫寥罎駶欝w的鹽分淋洗作用大于蒸發(fā)作用，所以土壤鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈降低趨勢。

4 結(jié) 論

棉苗根區(qū)0～20 cm深度土壤的平均鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)與棉花出苗率呈線性負(fù)相關(guān)，棉花出苗時(shí)， 0～20 cm深度土壤平均鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的極限值、臨界值、適宜值分別為6.81 g/kg、4.09 g/kg、2.28 g/kg。

在灌水后，隨蒸發(fā)時(shí)間推移，膜孔處鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增高，威脅棉苗生長。在1膜3管6行種植模式下，當(dāng)出苗水灌水量為1 125～1 275 m3/hm2時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)保苗、節(jié)水的目標(biāo)，這是合理的機(jī)采棉種植模式和水分管理方式。