多年膜下滴灌對土壤水鹽及棉花產量的影響

楊宏偉，李思恩

（1.甘肅省水利廳石羊河流域水資源利用中心，甘肅武威 733000；2.中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083）

膜下滴灌是將地膜與滴灌技術有效的結合起來[1,2]，充分利用了地膜減少蒸發、增溫保墑作用和滴灌定時定量供水、減少滲漏和蒸發作用，為作物生長提供良好的生長環境。膜下滴灌條件下灌水入滲能力和土壤毛細管作用較強，有助于土壤鹽分向作物行間運移轉換[3]；劉建國等對膜下滴灌毛管配置對水分運移及棉花增產效應的影響研究表明，與常規溝畦灌相比，膜下滴灌節水35%～63%，增產籽棉1 200～1 500 kg∕hm2，增產18%～44%[4]；J.E[5]等在美國水管理研究所進行的番茄、棉花和甜玉米等作物為期15 年的膜下滴灌的研究結果表明，膜下滴灌可以顯著提高作物的產量和水分利用效率，高頻度的灌溉還可以減少深層滲漏量。Ayars[6]等研究了滴灌條件下，灌水間隔對棉花根區濕潤體含鹽量及作物產量的影響。結果表明，每天灌水土壤剖面含鹽量要比每隔一天灌水的低得多，但對棉花產量無明顯的影響。膜下滴灌灌溉條件下，棉花生育期灌水6 次，灌水定額為250 m3∕hm2的灌溉制度最優[7]，劉洪亮等對北疆棉區長期膜下滴灌棉田土壤鹽分時空變化與次生鹽漬化趨勢分析表明，長期膜下滴灌棉田，0～40 cm土壤鹽分年均積鹽達到0.36 g∕kg，鹽分表聚現象明顯[8]。李明思等對長期膜下滴灌農田土壤鹽分時空變化研究表明，經過13年的膜下滴灌，地頭裸表層土壤鹽分質量分數大于20 g∕kg，存在鹽分表聚現象[9]。李文昊研究表明新疆長期膜下滴灌棉田生育期開始前和結束后土壤中鹽分呈現顯著的淺集表聚分布特征[10]。

甘肅河西內陸河流域氣候干旱，戈壁和沙漠是主體地貌類型，地下水位較高并礦化度較大，土壤鹽漬化問題十分嚴重[11]。棉花作為河西走廊主要經濟作物，近年來當地大力發展高效節水灌溉技術，特別是采用膜下滴灌水肥一體化方式進行棉花灌溉，極大的提高了作物水分生產效率，但多年采用膜下滴灌水肥一體化灌溉，當地出現了棉花產量下降的情況。在當地常規棉花種植實踐經驗的基礎上，本文采用4年棉花種植大田定位試驗，分析研究膜下滴灌條件下多年棉花種植土壤水鹽動態變化特征及產量，提出適時調整種植結構和灌溉方式的科學對策，對防止土壤鹽堿化，提高作物產量及種植經濟效益，增加農民收入，促進當地實現鄉村振興有著重要現實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況及試驗設計

試驗在民勤縣灌溉試驗站進行，試驗站海拔1 351 m，東經103°05'，北緯38°37'。地處民勤綠洲和騰格里沙漠交界處，為典型的沙漠綠洲氣候。多年平均氣溫為7.8 ℃，多年平均降水量110 mm，多年平均蒸發量2644 mm，無霜期150 d。平均土壤密度1.54 g∕cm3，田間持水量21.72%，土壤質地為沙壤土，灌溉水礦化度1.20 g∕L，地下水埋深30 m 以下。風大沙多，春季最大風速38 m∕s，多為西北風。

試驗于2015 年開始，按照當地常規棉花和葵花交替進行分年度種植，棉花種植年份為2015 年、2017 年、2019 年、2021 年，其余年份為葵花種植，棉花采用膜下滴灌的方式灌溉，設置一個畦灌灌溉作為對照，分年度對棉花種植下土壤水鹽數據及產量數據定位采集。供試棉花品種為新陸早7 號，棉花膜下滴灌采用一膜兩管四行方式，膜寬120 cm，株距18 cm，行距30 cm。試驗設置6 個小區，每小區10 m×50 m，棉花播前進行一次春季儲水灌溉，灌水量為1 400 m3∕hm2，灌水設置如表1所示，施肥及農藝措施參照當地。

表1 各處理灌水定額及日期設置表 m3/hm2 Tab.1 Irrigation quota and date setting of treatment

1.2 測定項目和方法

（1）土壤水鹽含量測定。棉花各生育期灌水前第5天分層（0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）取樣一次，每小區設置3 個重復取樣點，每個點用土鉆采集6 個樣，即滴頭下0 處、以滴灌帶鋪設方向水平距滴頭水平距離15、30 cm 處（計作-15 cm，-30 cm），垂直滴灌帶鋪設方向水平距滴頭水平距離10、20、30 cm 處(計作+10 cm，+20 cm，+30 cm)。采用烘干法測定土壤水分，利用ST1-3 型電導率儀測定電導率EC1:5（土水質量比為1:5），根據以下公式計算土壤全鹽量：

式中：C為土壤全鹽量，g∕kg；EC1:5為土水比為1:5的土壤飽和浸提液的電導率，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。

（2）作物耗水量測定。采用農田土壤水量平衡公式進行耗水量計算。灌水量采用水表進行計量。由于該試驗田地下水埋深在30 m以下，可視地下水補給量為0，灌水入滲深度不超過1 m，可視深層滲漏為0。作物生長所需水分主要由灌溉水和降雨供應。因此，水量平衡方程可簡化為：

式中：ET為作物生育期耗水量，mm；P為生育期降水量，mm；I為生育期內灌溉量，mm；ΔW為作物生育期土壤蓄水變化量，mm。

土壤蓄水量按照下列公式計算：

式中：W為土壤蓄水量，mm；H為土層深度，cm；D為土壤體積質量，g∕cm3；B為土壤質量含水率，%。

（3）棉花產量及特征值測定。收獲時測定果枝數、鈴數、單鈴重、衣分、絨長、籽棉產量，測產采取小區單打單收方法測定。

（4）降雨量測定。由試驗站內自動氣象站測定。

（5）數據處理與分析方法。利用SPSS16.0 對試驗數據進行方差分析和顯著性檢驗，采用Excel 軟件對土壤水分分布制圖。

2 結果與分析

2.1 膜下滴灌灌溉處理農田土壤水分動態變化特征

當地常規膜下滴灌灌溉處理下，各年度棉花生育期土壤含水率動態變化如圖1 所示。由圖1 可知，各年度棉花生育期土壤含水率動態變化基本一致，土壤含水量介于7.89%～25.35%之間。2015 年，各生育期滴頭間土壤水分含量變化較滴灌帶間顯著，滴頭間土壤含水量介于7.89%～21.01%之間，滴灌帶間土壤含水量介于8.02%～20%之間。苗期滴頭間和滴灌帶間土壤水分含量較其他生育期低，各年度0～60 cm 土層滴頭間和滴灌帶間土壤水分含量變化較60～100 cm 土層顯著，說明膜下滴灌主要影響棉花耕作層土壤水分，灌水不會產生深層滲漏。0～100 cm 土層滴頭間及滴灌帶間土壤水分含量變化顯著性依次為：2021 年＞2019年＞2017 年＞2015 年，各年份不同生育期滴頭間和滴灌帶間土壤水分含量隨土壤深度的增加呈現“先增-后降-再增”的變化趨勢，100 cm 土層處土壤水分含量最大為25.16%，40 cm 土層土壤水分含量變化顯著，土壤水分含量介于9.32%～23.05%。每年的棉花生育期灌水定額相同的條件下，隨著多年同一耕地種植同一作物，能增加土壤水分，特別是能增加耕作層以下土壤水分含量，改變土壤質地組成。

圖1 膜下滴灌各年度棉花生育期土壤水分含量動態變化Fig.1 Dynamic changes of soil moisture content during cotton growth period under drip irrigation under plastic film

2015年，滴頭間和滴灌帶間隨著生育增加，0～60 cm 土層土壤水分含量呈增加趨勢，滴頭間開花期達到頂峰，滴灌帶間蕾期達到頂峰。80～100 cm 土壤水分穩定在14.98%左右。2017 年滴頭間和滴灌帶間0～60 cm 土層土壤水分差異不顯著，數值在15.12%左右變化，60～100 cm 土層隨著生育期增加土壤水分含量呈增加趨勢，苗期最低，吐絮期最高。2019 年苗期0～60 cm 土層滴頭間和滴灌帶間土壤水分含量均低于其他生育期，苗期滴頭間土壤水分含量較蕾期、開花期、吐絮期分別低32%、26%、11%，苗期滴灌帶間土壤水分含量較蕾期、開花期、吐絮期分別低29%、15%、36%。60～100 cm 土層滴頭間和滴灌帶間土壤水分含量變化基本一致。2021年0～60 cm土層滴頭間較滴灌帶間土壤水分含量差異不顯著，滴灌帶間土壤水分含量表現為吐絮期＞蕾期＞開花期＞苗期，滴頭間土壤水分含量表現為蕾期、開花期、吐絮期基本一致，均高于苗期。

2.2 膜下滴灌灌溉處理農田土壤鹽分年際變化

棉花苗期滴灌帶帶間和滴頭間各年度土壤不同深度鹽分含量如表2所示，播前春季儲水灌溉后，各年度土壤表層鹽分含量較棉花收獲后低，各年度0～40 cm 土層土壤鹽分在0.56～1.03 g∕kg 區間變化，隨著耕種年份增加，棉花根層0～40 cm 土壤鹽分呈顯著增加趨勢，最大增加率81%，出現在20～40 cm土層，而80～100 cm 土層土壤鹽分含量年際變化不顯著，年際增加率在-4%至2%之間（負值表示減少）。棉花苗期滴頭間各年度0～40 cm 土層土壤鹽分在0.57～1.02 g∕kg 區間變化，隨著耕種年份增加，棉花根層0～40 cm 土壤鹽分呈顯著增加趨勢，最大增加率73%，出現在10～20 cm土層，而80～100 cm土層土壤鹽分含量年際變化不顯著，年際增加率在-2%～5%之間（負值表示減少）。苗期0～100 cm 土壤剖面滴灌帶帶間鹽分含量2021 年、2019 年、2017 年分別較2015 年增加38%、29%、23%，滴頭間鹽分含量2021 年、2019 年、2017 年分別較2015年增加35%、22%、9%，表明滴灌帶帶間鹽分含量增加較滴頭間顯著，分別高出3%、7%、14%。2015 年至2021 年苗期0～100 cm 土層滴灌帶帶間土壤鹽分含量均高于滴頭間，分別高1%、14%、12%、4%，說明隨著耕種年份增加，苗期土壤0～100 cm 剖面土層含鹽量呈增加趨勢，滴灌帶帶間鹽分含量累積較滴頭間顯著，20～40 cm土層尤為顯著。

表2 苗期0～100 cm土層土壤鹽分年際變化Tab.2 interannual variation of soil salinity in 0～100 cm soil layer at seedling stage

棉花蕾期滴灌帶帶間和滴頭間各年度土壤不同深度鹽分含量如表3 所示，各年度0～40 cm 土層土壤鹽分在0.52～0.95 g∕kg 區間變化，隨著耕種年份增加，棉花根層0～40 cm土壤鹽分呈顯著增加趨勢，最大增加率38%，出現在10～20 cm 土層，而80～100 cm 土層土壤鹽分含量年際變化不顯著，年際增加率在-2%～5%之間（負值表示減少）。棉花苗期滴頭間各年度0～40 cm 土層土壤鹽分在0.51～0.91 g∕kg 區間變化，隨著耕種年份增加，棉花根層0～40 cm 土壤鹽分呈顯著增加趨勢，最大增加率35%，出現在0～10 cm 土層，而80～100 cm 土層土壤鹽分含量年際變化不顯著，年際增加率在3%～6%之間。蕾期0～100 cm 土壤剖面滴灌帶帶間鹽分含量2021 年、2019 年、2017 年分別較2015 年增加25%、15%、7%，滴頭間鹽分含量2021 年、2019 年、2017 年分別較2015 年增加21%、10%、7%，表明滴灌帶帶間鹽分含量增加較滴頭間顯著，分別高出4%、5%、0。2015 年至2021年苗期0～100 cm 土層滴灌帶帶間土壤鹽分含量均高于滴頭間，分別對應高4%、5%、9%、8%，說明隨著耕種年份增加，蕾期土壤0～100 cm 剖面土層含鹽量呈增加趨勢，滴灌帶帶間鹽分含量累積較滴頭間顯著，20～40 cm 土層尤為顯著。

表3 蕾期0～100 cm土層土壤鹽分年際變化Tab.3 Interannual variation of soil salinity in 0～100 cm soil layer at bud stage

棉花開花期滴灌帶帶間和滴頭間各年度土壤不同深度鹽分含量如表4 所示，各年度0～40 cm 土層土壤鹽分在0.52～1.18 g∕kg 區間變化，隨著耕種年份增加，0～60 cm 土層土壤鹽分呈顯著增加趨勢，最大增加率74%，出現在20～40 cm 土層，而80～100 cm 土層土壤鹽分含量年際變化不顯著，年際增加率在-4%～4%之間（負值表示減少）。棉花開花期滴頭間各年度0～40 cm 土層土壤鹽分在0.52～0.83g∕kg 區間變化，隨著耕種年份增加，0～60 cm 土層土壤鹽分呈顯著增加趨勢，最大增加率59%，出現在40～60 cm 土層，而80～100 cm 土層土壤鹽分含量年際變化不顯著，年際增加率在-4%～3%之間（負值表示減少）。開花期0～100 cm 土壤剖面滴灌帶帶間鹽分含量2021 年、2019 年、2017 年分別較2015 年增加41%、27%、13%，滴頭間鹽分含量2021 年、2019 年、2017 年分別較2015 年增加26%、15%、3%，表明滴灌帶帶間鹽分含量增加較滴頭間顯著，分別高出15%、12%、10%。2015-2021年開花期0～100 cm 土層滴灌帶帶間土壤鹽分含量均高于滴頭間，分別對應高6%、16%、17%、18%，說明隨著耕種年份增加，開花期土壤0～100 cm 剖面土層含鹽量呈增加趨勢，滴灌帶帶間鹽分含量累積較滴頭間顯著，40～60 cm 土層尤為顯著。

表4 開花期0～100 cm土層土壤鹽分年際變化Tab.4 Interannual variation of soil salinity in 0～100 cm soil layer at flowering stage

棉花吐絮期滴灌帶帶間和滴頭間各年度土壤不同深度鹽分含量如表5 所示，各年度0～40 cm 土層土壤鹽分在0.49～0.95 g∕kg 區間變化，隨著耕種年份增加，0～60 cm 土層土壤鹽分呈顯著增加趨勢，最大增加率67%，出現在40～60 cm 土層，而80～100 cm 土層土壤鹽分含量年際變化不顯著，年際增加率在-3%～7%之間（負值表示減少）。棉花吐絮期滴頭間各年度0～40 cm 土層土壤鹽分在0.52～0.83 g∕kg 區間變化，隨著耕種年份增加，0～60 cm 土層土壤鹽分呈顯著增加趨勢，最大增加率41%，出現在40～60 cm 土層，而80～100 cm 土層土壤鹽分含量年際變化不顯著，年際增加率在-2%～5%之間（負值表示減少）。吐絮期0～100 cm 土壤剖面滴灌帶帶間鹽分含量2021 年、2019 年、2017 年分別較2015 年增加31%、20%、18%，滴頭間鹽分含量2021 年、2019 年、2017 年分別較2015 年增加25%、11%、3%，表明滴灌帶帶間鹽分含量增加較滴頭間顯著，分別高出6%、9%、15%。2015 年至2021年吐絮期0～100 cm 土層滴灌帶帶間土壤鹽分含量均高于滴頭間，分別對應高-5%、16%、9%、5%，說明隨著耕種年份增加，開花期土壤0～100 cm 剖面土層含鹽量呈增加趨勢，滴灌帶帶間鹽分含量累積較滴頭間顯著，40～60 cm 土層尤為顯著。

表5 吐絮期0～100 cm土層土壤鹽分年際變化Tab.5 Interannual variation of soil salinity in 0～100 cm soil layer at boll opening stage

棉花收獲后滴灌帶帶間和滴頭間各年度土壤不同深度鹽分含量如表6 所示，各年度0～40 cm 土層土壤鹽分在0.88～1.63 g∕kg 區間變化，隨著耕種年份增加，0～60 cm 土層土壤鹽分呈顯著增加趨勢，最大增加率66%，出現在10～20 cm 土層，而60～100 cm 土層土壤鹽分含量年際變化不顯著，年際增加率在-1%～9%之間（負值表示減少）。棉花收獲后滴頭間各年度0～40 cm土層土壤鹽分在0.88～1.46 g∕kg區間變化，隨著耕種年份增加，0～60 cm 土層土壤鹽分呈顯著增加趨勢，最大增加率65%，出現在10～20 cm 土層，而80～100 cm 土層土壤鹽分含量年際變化不顯著，年際增加率在-3%～4%之間（負值表示減少）。收獲后0～100 cm 土壤剖面滴灌帶帶間鹽分含量2021 年、2019 年、2017 年分別較2015 年增加43%、19%、9%，滴頭間鹽分含量2021 年、2019 年、2017 年分別較2015 年增加43%、18%、9%，此時滴灌帶帶間鹽分含量增加率與滴頭間相當，鹽分主要累積在0～60 cm 土層。2015 年至2021 年吐絮期0～100 cm 土層滴灌帶帶間土壤鹽分含量均高于滴頭間，分別對應高9%、10%、11%、10%，說明隨著耕種年份增加，收獲后土壤0～100 cm 剖面土層含鹽量呈增加趨勢，滴灌帶帶間鹽分含量累積較滴頭間顯著，10～20 cm土層尤為顯著。

表6 棉花收獲后0～100 cm土層土壤鹽分年際變化Tab.6 Interannual variation of soil salinity in 0～100 cm soil layer after cotton harvest

2.3 膜下滴灌灌溉處理各年度棉花產量和水分利用效率

各年度常規膜下滴灌灌溉處理下棉花產量及產量特征值如表7所示。隨耕種年份增加棉花的株高、鈴數、鈴重、衣分呈現減小的變化趨勢，2021 年的株高、鈴數、鈴重、衣分較2015年分別減小16%、21%、14%、7%，2015年株高、鈴數、鈴重、衣分與2021 年其對應值達顯著性差異水平（p＜0.05），說明連續常規膜下滴灌灌溉耕種下棉花的株高、鈴數、鈴重、衣分值減小較大。各年度對應籽棉產量結果表明，隨著耕種年份增加產量呈下降趨勢，表現為2015 年＞2017 年＞2019 年＞2021 年，2015 年產量較2017 年、2019 年、2021 年分別高2.1%、2.3%、8.1%，2015 年與2021 年的產量值達顯著性差異水平（p＜0.05）。各年度棉花水分利用效率（WUE） 介于1.28～1.42 kg∕m3之間，在同一尺度膜下滴灌灌溉定額下水分利用效率（WUE）表現為：2015 年＞2017 年＞2019 年＞2021年，2015 年較2017 年、2019 年、2021 年分別高2.1%、2.2%、6.3%，2015 年與2021 年的水分利用效率（WUE）值達顯著性差異水平（p＜0.05）。

表7 棉花產量特征值及水分利用效率分析Tab.7 Analysis of cotton yield characteristics and water use efficiency

3 討 論

本試驗是按照當地常規倒茬種植作物進行，定位監測膜下滴灌條件下，棉花農田土壤水鹽動態變化特征、棉花產量及水分利用效率，而對葵花連續3 年的種植（2016 年、2018年、2020 年）土壤水鹽特征及葵花產量、水分利用效率尚未監測，在今后的試驗研究中結合葵花種植，在更長系列膜下滴灌條件下，還需進一步研究土壤水鹽動態變化特征、作物產量及水分利用效率。

4 結 論

（1）棉花苗期滴頭間和滴灌帶間土壤水分含量較其他生育期低，各年度0～60 cm 土層滴頭間和滴灌帶間土壤水分含量變化較60～100 cm 土層顯著，膜下滴灌主要影響棉花耕作層土壤水分，灌水不會產生深層滲漏。滴頭間土壤水分含量表現為蕾期、開花期、吐絮期基本一致，均高于苗期。

（2）棉花各生育期滴灌帶帶間鹽分和滴頭間鹽分含量隨著耕種年份增加而增加，生育期20～60 cm 土層內滴灌帶帶間鹽分含量增加較滴頭間顯著，最大增加幅度出現在收獲后。2021 年0～100 cm 土層滴灌帶帶間鹽分含量較2015 年增加44%、滴頭間鹽分含量較2015 年增加42%。2021 年收獲后滴灌帶間0～100 cm 土層鹽分含量較2015 年增加82%，2021 年收獲后滴頭間0～40 cm土層鹽分含量較2015年增加117%。

（3）2021 年棉花產量及水分利用效率較2015 年降低均接近10%，同一農田按照當地常規種植模式連續在膜下滴灌灌溉處理下種植棉花，從第四茬種植棉花開始，棉花的籽棉產量及其水分利用效率（WUE）明顯降低，從土壤水鹽環境、經濟及高效利用水資源的角度出發，建議同一耕地連續在膜下滴灌灌溉處理下，種植棉花從第四茬起進行種植結構調整，或進行灌溉方式調整，采用畦灌、溝灌、管灌等，或同時進行種植結構和灌溉方式調整，達到降低耕作層土壤鹽分含量，進而為作物生長創造良好水鹽環境，提高作物產量。