不同礦化度(微)咸水膜下滴灌棉田土壤水鹽分布及棉花生長特性研究

李萬精，楊 廣，雷 杰，王春霞，何新林，李 毅，龔 萍，喬長錄，蒲勝海

(1. 石河子大學水利建筑工程學院/寒旱區(qū)生態(tài)水利工程兵團重點實驗室，新疆 石河子 832003；2. 西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；3. 新疆農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所,新疆 烏魯木齊 830000)

全球淡水資源匱乏已嚴重影響著作物生產(chǎn)安全和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康[1]。干旱半干旱地區(qū)淡水資源緊缺嚴重限制灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展，干旱區(qū)賦存豐富的(微)咸水資源已被用于農(nóng)業(yè)灌溉，從而減輕了干旱區(qū)農(nóng)業(yè)用水壓力[2-3]。合理開發(fā)利用(微)咸水可有效增加農(nóng)業(yè)供水量、提高水資源利用率，對緩解西北地區(qū)水資源危機、維持綠洲生態(tài)具有重要意義[4]。

眾多國內(nèi)外學者指出(微)咸水資源可用于干旱區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉。Iskenderov[5]在阿塞拜疆發(fā)現(xiàn)用含鹽量為5～6 g·L-1的咸水灌溉會增加土壤溶液濃度和植物細胞液的滲透壓，不影響棉株的生長發(fā)育；鄭春蓮等[6]在中國華北平原發(fā)現(xiàn)2～4 g·L-1礦化度微咸水灌溉對籽棉產(chǎn)量無顯著影響，大于6 g·L-1時籽棉產(chǎn)量顯著降低；李丹等[7]在濱海地區(qū)發(fā)現(xiàn)用電導率小于4.7 dS·m-1的微咸水灌溉番茄可節(jié)省灌溉水量并提高番茄的品質(zhì)，但番茄的產(chǎn)量會有所降低；趙風華等[8]在華北平原研究發(fā)現(xiàn)3 g·L-1的微咸水灌溉可提高冬小麥葉片對干熱風的生理適應能力；劉雪艷等[9]在南疆地區(qū)發(fā)現(xiàn)礦化度為2.36～3.39 g·L-1時，棉株體內(nèi)鹽分累積較低，對養(yǎng)分的吸收及棉花品質(zhì)影響最小。

膜下滴灌技術已經(jīng)在中國西北干旱區(qū)大面積推廣應用[10]。將(微)咸水灌溉和覆膜技術相結(jié)合可為(微)咸水資源的開發(fā)利用提供有效途徑[11-12]，但是(微)咸水灌溉會對作物生長產(chǎn)生不同程度的影響，甚至增加土壤潛在鹽漬化風險[13]。為明確(微)咸水膜下滴灌下土壤水鹽運移規(guī)律及棉花耐鹽閾值，進而探明(微)咸水灌溉下棉花作物的生長機理，國內(nèi)學者開展了相關研究。王久生等[14]在南疆研究發(fā)現(xiàn)灌水后土壤含鹽量總體是隨灌溉水礦化度的增大而增大，土壤鹽分濃度較大則會抑制棉花株高和莖粗的生長，灌溉水電導率為2.22 dS·m-1時對棉花生長影響較??；郭仁松等[15]在南疆綠洲棉田發(fā)現(xiàn)咸水灌溉下隨著土壤深度增加土壤含水率呈增大趨勢，而土壤含鹽量呈下降趨勢，3 g·L-1礦化度處理下皮棉產(chǎn)量下降2.1%，棉花耐鹽閾值為3 g·L-1；宋有璽等[16]在民勤綠洲區(qū)發(fā)現(xiàn)棉花的灌溉水礦化度閾值為3.51 g·L-1，礦化度小于該值時棉花產(chǎn)量與淡水灌溉產(chǎn)量差異不明顯。以上研究為(微)咸水資源運用于農(nóng)業(yè)灌溉提供了可靠依據(jù)，但由于各地區(qū)不同的氣候及地形條件，研究結(jié)果也不盡相同。

基于準噶爾盆地南緣灌溉用水短缺、(微)咸水資源安全高效利用技術有待推廣的現(xiàn)狀，本文針對(微)咸水灌溉下棉花生長及其耐鹽閾值問題，通過2018—2020連續(xù)3 a測坑試驗，設置6個不同礦化度灌溉水源情景，分析了(微)咸水膜下滴灌下土壤水分、鹽分含量及八大離子分布運移情況和棉花生長狀況，明確適宜棉花生長的鹽分閾值，為干旱半干旱地區(qū)(微)咸水灌溉提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在石河子大學現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室試驗基地(85°59′47″ E, 44°19′26″ N)進行。該地區(qū)最高氣溫出現(xiàn)在7月，平均氣溫25.1℃～26.1℃；年降水量125.0～207.7 mm，6—9月份的降水量占全年的55%～70%。地下水離地表距離為7—9 m，供試土壤為砂壤土，土壤平均容重為1.49 g·cm-3，田間持水量為19.13%。

1.2 試驗設計

本試驗采用規(guī)格2 m×2 m×2 m的測坑種植棉花，測坑由混凝土磚石鋪砌并進行防滲處理，底部設30 cm砂礫石反濾層，棉花寬行60 cm，窄行30 cm，試驗布置方式如圖1所示(見100頁)。棉花品種為‘農(nóng)豐133’，采用單翼迷宮式滴灌帶，直徑16 mm，滴頭間距為30 cm，滴頭流量為2 L·h-1。在本研究中，礦化度1～5 g·L-1為微咸水，6 g·L-1為咸水，灌溉水源設6個不同礦化度：1、2、3、4、5、6 g·L-1，分別為CK、A、B、C、D、E，根據(jù)研究區(qū)地下水主要化學組成人工配置灌溉水源，其中NaHCO3、Na2SO4、NaCl、CaCl2、MgCl2質(zhì)量比為1∶7∶8∶1∶1。棉花灌溉制度見表1，棉花灌溉定額為4 800 m3·hm-2，出苗水為淡水，其余灌水日期灌溉(微)咸水，灌水上限控制在田間持水量的90%。肥料隨灌溉水滴施，施肥量N：300 kg·hm-2,P：120 kg·hm-2,K：60 kg·hm-2。每個處理設3個重復。由于各測坑獨立導致棉花膜間相互不連續(xù)，和大田實際情況有所差別，故本試驗重點觀測窄行、寬行處土壤水分、鹽分含量及八大離子的分布運移情況。

表1 棉花生育期劃分及灌溉制度

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤水分和鹽分 土壤水分含量由便攜式土壤水分測定儀(Trime-Pico IPH2；精度：±2%；IMKO公司，德國)測量，土壤水溶性鹽分采用萬分之一電子天平測定。

1.3.3 棉花生長指標 株高和葉面積指數(shù)采用卷尺測定，莖粗采用游標卡尺測定；葉綠素含量由葉綠素測定儀測定(TYS-4N；精度：±1SPAD；金科利達電子科技有限公司，中國)。棉花葉面積指數(shù)通過式(1)進行計算：

LAI=LA×D

(1)

式中，LAI為葉面積指數(shù)；LA為單株綠色葉片總?cè)~面積(m2·株-1)，即為最大葉寬和葉脈長的乘積再乘以修正系數(shù)0.75；D為實際棉花種植密度(株·m-2)。

1.3.4 棉花產(chǎn)量及灌溉水分利用效率 在吐絮初期調(diào)查各處理測坑的單株鈴數(shù)，各處理在棉花收獲時采集100朵吐絮的棉花，采用萬分之一電子天平稱重后計算單鈴重；棉花產(chǎn)量采用萬分之一電子天平測定各處理棉花收獲量，并計算單位面積棉花產(chǎn)量；灌溉水利用效率IWUE為棉花產(chǎn)量(kg·hm-2)與灌溉定額(mm)的比值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同礦化度水質(zhì)灌溉下土壤水鹽分布

2.1.1 土壤水分分布情況 圖2為2018—2020年不同礦化度(微)咸水灌溉12 h后各生育期土壤平均含水率(AMC)的動態(tài)變化情況。土壤含水率分布主要受灌水量影響，在花鈴期由于灌溉水量增加使得土壤含水率達到一個較高的水平，例如2020年(圖2c)各處理的AMC在苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期分別為11.49%、15.08%、17.08%、14.84%；經(jīng)分析，花鈴期的AMC與其余生育期呈顯著差異(P<0.05)，蕾期與吐絮期的AMC無顯著差異。在年際尺度上，各種植年份相同生育期的AMC無顯著差異(P>0.05)，說明年際間土壤平均含水率波動不大。為比較各處理之間AMC差異性，以2018年為例，6個處理全生育期AMC分別為13.55%、13.46%、13.83%、13.49%、15.31%、15.70%，經(jīng)分析，D、E處理之間差異不顯著，但與其余處理呈顯著差異(P<0.05)，說明D、E處理下土壤含水率明顯高于其他處理，這是由于高礦化度水灌溉下鹽分累積造成棉花根區(qū)鹽分脅迫，導致其吸收水分受到抑制。

圖2 2018-2020年不同礦化度(微)咸水灌溉下各生育期土壤平均含水率

花鈴期是棉花整個生育期水肥利用最多的階段，是棉鈴生長發(fā)育的關鍵時期，對棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)影響較大，故本研究重點分析2020年花鈴期0～100 cm土層窄行與寬行處灌后12 h土壤水分分布情況，結(jié)果如圖3所示。灌后12 h窄行處各處理的20、40、60、80、100 cm土層AMC分別為13.61%、18.52%、20.61%、18.26%、14.39%，經(jīng)分析，40、60、80 cm土層之間無顯著差異，與20、60 cm土層呈極顯著差異(P<0.01)，說明窄行處灌后12 h各處理土壤含水率隨土壤深度呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，在40～80 cm土層含水率高于土壤表層(0～20 cm)和深層(80～100 cm)含水率。灌后12 h寬行處土壤含水率隨土層深度波動范圍不大，滴灌水對寬行處土壤含水率量影響較小。

圖3 不同礦化度(微)咸水灌溉12 h后0～100 cm土層土壤水分分布

2.1.2 土壤鹽分分布情況 圖4為2018—2020年不同礦化度灌溉12 h后各生育期平均土壤水溶性鹽分(ASC)的動態(tài)變化情況。由圖4可看出，在(微)咸水灌溉下ASC隨棉花生育期逐漸累積，并在3 a逐年增加；ASC在下一年種植開始時較上一年吐絮期時有所減少，這是由于北疆冬季積雪化水和春季降雨對土層鹽分產(chǎn)生淋洗以及來年試驗開始時第一次灌溉淡水洗鹽。為比較各處理之間鹽分累積差異性，以2020年為例，各處理全生育期ASC分別為4.35、5.57、6.35、7.18、8.96、10.02 g·kg-1；經(jīng)分析，C、D、E處理之間無顯著差異，D、E處理與A、B處理呈顯著差異(P<0.05)，與CK處理呈顯著差異(P<0.05)，這說明隨著灌溉水礦化度增加，鹽分累積量加大，與淡水處理相比，D、E處理下高礦化度灌溉下土壤鹽分累積明顯。

圖4 2018-2020年不同礦化度(微)咸水灌溉下各生育期平均土壤水溶性鹽分含量

在此以2020年為例，重點分析窄行與寬行處花鈴期0～100 cm土層土壤鹽分分布情況，如圖5所示。灌后12 h窄行處土壤水溶性鹽分隨土層深度的增加而逐漸累積，60、80、100 cm土層水溶性鹽分含量無顯著差異，80、100 cm土層與20、40 cm土層水溶性鹽分呈極顯著差異(P<0.01)，這說明(微)咸水灌溉下鹽分在60～100 cm土層出現(xiàn)明顯富集。灌后12 h寬行處土壤水溶性鹽分隨土層深度的增加而呈現(xiàn)先減少后增加的規(guī)律，這是由于水分運移到寬行表層處較窄行少，持續(xù)的蒸發(fā)與蒸騰作用導致表層鹽分含量高。

圖5 不同礦化度(微)咸水灌溉12 h后0～100 cm土層土壤平均水溶性鹽分含量

2.2 不同礦化度水質(zhì)灌溉下鹽離子分布

圖6 不同礦化度(微)咸水灌溉下土壤離子含量分布

圖7 不同礦化度(微)咸水灌溉下土壤溶液水化學類型

2.3 不同礦化度水質(zhì)灌溉對棉花生長的影響

2.3.1 棉花生長指標 在(微)咸水灌溉下，棉花根層的土壤水鹽含量對棉花的生長狀況具有較大影響，當棉花根層的土壤鹽分含量超過其耐鹽閾值時，鹽分脅迫影響棉花根系吸水作用，導致棉花生長受到抑制。由表2可以看出，B、C處理下株高與其余處理呈顯著差異，C處理棉花株高最高，為81.21 cm，D、E處理下棉花生長明顯受到抑制，株高較低。A、B、C處理下棉花莖粗無顯著差異，但與D、E處理呈極顯著差異，D、E處理下棉花莖粗僅為8.79、8.12 mm。B、C處理下棉花葉面積指數(shù)與其余處理差異顯著，C處理下棉花葉面積指數(shù)最高，為5.73。A、C處理下葉綠素含量與其余處理顯著差異，分別為55.47、58.61 SPAD，D、E處理下葉綠素含量較低。

表2 不同礦化度(微)咸水灌溉對棉花生長的影響

2.3.2 棉花產(chǎn)量及灌溉水利用效率 由表3可知，CK、A、B、C處理下棉花單株鈴數(shù)與單鈴重無顯著差異，但與D、E處理顯著差異，單株鈴數(shù)與單鈴重決定了棉花的產(chǎn)量與品質(zhì)，E處理下單株鈴數(shù)僅為4個，單鈴重僅為4.25 g，遠低于CK處理。CK、B、C處理下產(chǎn)量與IWUE無顯著差異，B處理下產(chǎn)量和IWUE最高，分別為5 355.62 kg·hm-2和11.16，C處理下產(chǎn)量高出CK處理0.02%，可見C處理下產(chǎn)量并未減少，這說明4 g·L-1的微咸水灌溉下并未造成棉花減產(chǎn)。

表3 不同礦化度(微)咸水灌溉對棉花產(chǎn)量及灌溉水利用效率的影響

3 討 論

3.1 不同礦化度灌溉水源對土壤水分分布的影響

適宜的礦化度水質(zhì)灌溉對耐鹽作物棉花的生長及其產(chǎn)量不會產(chǎn)生很大的影響，說明微咸水可替代部分淡水資源應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。3 a試驗結(jié)果表明，土壤含水率分布主要受灌水量的影響，在花鈴期時土壤含水率最高；灌后12 h后土壤水分隨土壤深度增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，持續(xù)的蒸發(fā)作用導致表層土壤水分含量較低，這與吳軍虎等[18]研究結(jié)果類似；中間層土壤水分在灌后12 h仍然處于較高水平，這說明滴灌水入滲土層后主要富集在40～80 cm土層。本研究發(fā)現(xiàn)5、6 g·L-1高礦化度處理土壤水分含量整體明顯高于1～4 g·L-1處理，這是由于礦化度高于4 g·L-1的咸水會導致棉花根系鹽分脅迫，抑制其對水分的吸收；1～4 g·L-1處理水分差異不明顯但灌溉水礦化度越高，土壤水分含量越高，這是由于Na+增多會導致土壤顆粒的膨脹和透水性變差，使得水分能很好地入滲到中間層而不會很快蒸發(fā)散失[19]。吳忠東等[20]認為隨著礦化度的升高，同一深度土層的含水率呈增大的趨勢，這與本研究類似；同時也得出礦化度進一步增大到4.3 g·L-1時土壤含水率反而略有減小，這是因為其研究未考慮作物對水分的影響。郭仁松等[15]認為土壤含水率隨著土壤深度增加而增大，且隨著(微)咸水礦化度增加土壤含水率呈增大趨勢，這與本研究結(jié)果類似。

3.2 不同礦化度灌溉水源對土壤鹽離子分布的影響

采用(微)咸水灌溉會使土壤積鹽加重，易對棉花產(chǎn)生鹽分脅迫，不合理利用咸水灌溉會加大土壤鹽漬化風險[21-22]。(微)咸水灌溉下土壤中鹽分淋洗和累積作用同時發(fā)生，當淋洗過程占主導地位時，可以用(微)咸水進行灌溉，不會產(chǎn)生明顯的負面影響；當鹽分累積量過高，滴灌水淋濾效果不佳時則需采取增加灌溉量等措施，將鹽分淋洗出根區(qū)。本研究發(fā)現(xiàn)，(微)咸水灌溉下土壤鹽分隨棉花生育期逐漸累積，并在3 a內(nèi)逐年增加，但次年種植時鹽分較上一年吐絮期時會有所減少；隨著灌溉水礦化度增加，鹽分累積量加大，D、E處理下高礦化度水質(zhì)灌溉下土壤鹽分累積十分明顯。(微)咸水灌溉下土壤鹽分主要累積在60～100 cm的深層土壤，并隨著棉花生育期的推進及灌溉水礦化度的增加，土壤鹽分累積量越大。張俊鵬等[23]認為棉花生育期內(nèi)根系層土壤電導率隨灌溉水礦化度的增加呈增大趨勢，這與本研究結(jié)果一致。在本研究中，灌溉水礦化度在1～4 g·L-1范圍內(nèi)時，鹽分的淋溶效果較佳，鹽分累積并不明顯。鄭春蓮等[6]認為灌溉水礦化度小于4 g·L-1可基本維持土壤鹽分周年補排平衡，這與本研究結(jié)果類似。

3.3 不同礦化度灌溉水源對棉花生長的影響

咸水灌溉下土壤鹽分累積過高勢必導致棉花的生長狀況及產(chǎn)量出現(xiàn)不同程度的變化。本研究發(fā)現(xiàn)在高礦化度水質(zhì)(5、6 g·L-1)灌溉下，由于根區(qū)土壤鹽分脅迫作用，棉花生長受到了極大的不利影響，但適宜礦化度水質(zhì)灌溉可為棉花帶來微量的營養(yǎng)元素，在棉花根區(qū)營造適宜棉花生長的水鹽環(huán)境，在一定程度上促進棉花的生長。王久生等[14]利用微咸水灌溉棉花得出土壤中的鹽分濃度較高時會抑制棉花株高和莖粗的生長，灌溉水電導率為2.22 mS·cm-1時對棉花生長有促進作用。宋有璽等[16]發(fā)現(xiàn)礦化度低于6 g·L-1的咸水膜下滴灌比淡水灌溉更有利于棉花葉面積的生長；微咸水礦化度在2 g·L-1時會促進棉花干物質(zhì)的積累，得出民勤綠洲區(qū)種植棉花的灌溉水礦化度閾值為3.51 g·L-1。這與本研究結(jié)果類似。前人研究分析了總體鹽分含量對棉花生長的影響，但由于地區(qū)差異導致研究結(jié)果不盡相同。在本研究中，灌溉水礦化度小于4 g·L-1時，隨著灌溉水礦化度的增加，棉花的生長并未受到抑制，甚至對棉花的生長有一定的促進作用，這是由于隨滴灌水帶入到土壤的離子并未對棉花根系產(chǎn)生毒害作用及土壤鹽分濃度并未造成棉花根系水鹽脅迫，而棉花的生長發(fā)育也會吸收部分離子供其生長；但當?shù)V化度大于4 g·L-1時，灌溉水礦化度的增加會使得棉花生長受到鹽分脅迫，抑制其對水分的吸收，導致株高、莖粗、葉面積和葉綠素含量降低。馮棣等[28]在河北灌區(qū)得出灌溉水礦化度達到4 g·L-1后就會抑制棉花生長，這與本研究結(jié)果一致。棉花產(chǎn)量是反映咸水是否能用于棉田灌溉的直接指標，在本研究中棉花產(chǎn)量降低的主要因素是高礦化度水質(zhì)灌溉使得棉花根層的鹽分過量富集，造成棉花根系不能充分吸收水分，進而影響棉花生長，導致花鈴期縮短，單株鈴數(shù)明顯減少，棉鈴發(fā)育受到抑制。在淡水資源嚴重匱乏的干旱半干旱地區(qū)，適宜礦化度的(微)咸水可用于棉田灌溉，本研究表明1～4 g·L-1的微咸水可用于棉花灌溉而不會加重土壤鹽漬化，故確定4 g·L-1礦化度水質(zhì)為該研究區(qū)的棉花灌溉閾值。

4 結(jié) 論

1)(微)咸水灌溉下花鈴期土壤含水率最高，5、6 g·L-1處理下土壤含水率明顯高于其他處理。窄行處灌后12 h各處理土壤含水率隨土壤深度呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，在40～80 cm土層含水率高于土壤表層(0～20 cm)含水率與土壤深層(80～100 cm)含水量。土壤鹽分隨棉花生育期逐漸累積，累積鹽分在3 a逐年增加，灌溉水礦化度高于4 g·L-1時會導致棉花根系鹽分脅迫，抑制其對水分的吸收。土壤鹽分隨著棉花生育期的推進及灌溉水礦化度的增加而增大。

3)灌溉水礦化度小于4 g·L-1時，棉花生長未受到抑制；礦化度大于4 g·L-1時，株高、莖粗、葉面積和葉綠素含量受到抑制；3 g·L-1處理下產(chǎn)量和IWUE最高，分別為5 355.62 kg·hm-2和11.16，4 g·L-1處理下產(chǎn)量高出淡水處理0.02%。礦化度小于4 g·L-1的灌溉水可視為棉花適宜的灌溉水源。