不同水分處理干播濕出水熱鹽效應對棉花出苗率的影響

丁 宇,張江輝,白云崗,趙經華,鄭 明,劉洪波,肖 軍,韓政宇

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院,烏魯木齊 830052;2.新疆水利水電科學院,烏魯木齊 830049)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國重要的優質棉生產基地和典型純灌溉農業類型區,農業用水占比高達90%左右[1],大部分棉區種植要在冬季灌水淋洗土壤鹽分,在春季播種前灌水保持土壤墑情[2-3],發展節水型農業成為提高水資源利用率、保證農業經濟可持續發展的重要途徑之一。“干播濕出”與“常規冬灌、春灌”相比,播種前無冬灌、春灌,具備節約水資源,出苗率高等特點,在苗期能加速棉苗根系的發育。此外,能夠降低搶墑播種的強度,等到適宜的天氣和溫度再播種。該技術在緩解區域水資源短缺、節約成本等方面都有促進作用[4-6]。雙膜覆蓋相比單膜覆蓋技術能明顯提高棉花對不良氣候環境的抵御能力、充分發揮增溫、保墑、抑制土壤板結、防止病蟲害的作用[7-9]。新疆石河子、阿克蘇等地區棉花雙膜覆蓋技術已大面積推廣,相比于單膜覆蓋處理病蟲害發生率降低13.5%,出苗率高達84.2%[10]。【前人研究進展】近年來,圍繞干播濕出棉田土壤水鹽運移或者水熱效應等已有相關研究。干播濕出相比冬灌棉田土壤表層溫度明顯較高,播前0～10 cm土壤日均溫度較冬灌處理高1.86℃,播后0～10 cm土壤日均溫度比冬灌處理高0.44℃,有利于棉花早播,促進棉種萌芽[11]。在缺乏淋洗水量的情況下將導致棉田的鹽分積累,土壤鹽分在水平方向上累積在濕潤層外圍,垂直方向鹽分累計在作物根系底部[12-14]。【本研究切入點】目前大多數干播濕出相關文獻主要以整個生育期土壤溫度或者水鹽運移研究為主,而出苗期作為決定棉花生長及形成最終產量的重要時期,關鍵影響因素不明確,主要影響機制不清楚,出苗期灌溉制度不完善,影響棉田的出苗率,推廣大面積干播濕出膜下滴灌技術受阻。有關棉花干播濕出雙膜覆蓋技術相關研究較少,且雙膜覆蓋條件下干播濕出水鹽運移及水熱效應規律仍需進一步討論研究。【擬解決的關鍵問題】以干播濕出雙膜覆蓋棉田出苗期土壤水熱鹽效應研究為主,分析土壤水、熱、鹽與棉花出苗率間相互關系及影響機制,完善適宜棉花出苗、生長的水分管理制度,為新疆阿克蘇地區農業生產提供指導。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗田位于新疆阿克蘇市沙雅縣海樓鎮海樓村(N 41.22°,E 82.78°,海拔986 m),為溫帶大陸性氣候,氣候溫和,空氣干燥,太陽輻射強。多年平均降水量不足50 mm,多年平均蒸發量高達2 000 mm以上。土壤質地以壤土為主,土壤含鹽量介于0.58～2.18 g/kg,屬于低鹽堿土,試驗田地下水位為3.8 m。棉花品種為源棉11號,播種時間為2021年4月18日,播前無冬灌、春灌,灌溉水為地表水,灌溉方式為滴灌,滴頭流量為2.1 L/h,滴頭間距30 cm。表1

表1 灌前土壤理化性質

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

棉花種植方式采用1膜3管6行的模式,采用機械進行雙膜覆蓋,覆膜寬度為2.05 m,寬窄行(66+10)cm,膜間距離46 cm,株距為10 cm,一個小區3膜寬為6 m,長度為10 m,每個小區之間設置有1 m的保護行。

試驗設置干播濕出5個處理,1個對照處理,每個處理3個重復,共18個小區,小區面積為60 m2。對照處理為當地冬灌,灌水定額為2 700 m3/hm2,灌水時間為2020年11月15日。大多數處理出苗率達到50%左右將上層膜揭開。圖1,表2

圖1 種植方式和滴灌帶布置

表2 試驗設計

1.2.2 土壤樣本采集與測定

采用直徑為5 cm的土鉆在同一剖面的寬行、窄行(滴頭下方)及膜間中間位置取樣,取樣深度分別為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm。

(1)土壤含水率:采用烘干法((105±2)℃,12 h)測定土壤質量含水率,通過土壤干容重乘以質量含水率換算成土壤體積含水率。

(2)土壤鹽分和電導率:采用土水比為1∶5的土壤浸提液電導率(EC1∶5,ms/cm)與土壤含鹽量(SC,g/kg)來表征土壤鹽分。將烘干的土樣碾磨,剔除植物殘體、石塊等侵入體,研磨成粉末狀時取18g加入三角瓶中,加入90 ml純凈水,配置土水質量比為1∶5的混合液,使用震蕩機震蕩10 min,靜止15 min后得到上清液,最后使用F3型電導率儀(梅特勒-托利多儀器)測定上清液的電導率。SC與EC1∶5可通過以下線性關系換算,其線性關系根據電導率與含鹽量單位轉化而來,計算溶液中鹽分含量得出鹽分在18 g土壤顆粒中占比。

SC=2.778EC1∶5.

(1)

1.2.3 土壤溫度

采用地溫計測定出苗期土壤溫度,分別在08:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00、20:00、22:00測定5、10、15、20 cm共4個土層的地溫變化,監測土壤日變化及日均變化趨勢,計算土壤日均溫度。

1.2.4 棉花出苗率

播種18 d后,對各處理棉苗進行出苗率測定,分別調查每個處理3個重復的出苗率、未發芽率、爛種率、空穴率,出苗率=出苗株數/總播種粒數×100%,出苗率+未發芽率+爛種率+空穴率=100%。

1.3 數據處理

采用Excel 2010和Origin 2016軟件對試驗數據進行統計、繪圖;利用CAD2010軟件繪制種植方式及滴灌帶布置圖;使用SPSS 25.0對試驗數據進行雙因素方差分析及線性回歸分析。

2 結果與分析

2.1 出苗期土壤含水率變化

2.1.1 出苗期0～40 cm土層水分變化

研究表明,各灌水定額處理土壤平均含水率存在明顯差異(P<0.001)。其中S3處理土壤含水率顯著大于S1和S2處理,S2處理顯著大于S1處理,CK處理土壤含水率最小。各處理灌水定額不同土壤表層平均含水率存在差異,灌水定額越大,土壤含水率越大。對照處理CK由于灌水時間較早,灌后土壤水分滲入至土壤深層導致一直減少,土壤含水率較小。各灌水定額處理0～40 cm土層土壤平均含水率整體表現為S3>S2>S1>CK。各滴水頻次處理間,S5處理顯著大于S4和S3處理,CK處理土壤含水率最小。由于使用雙膜覆蓋技術膜內土壤水分蒸發較小,大部分土壤水分下滲至土壤深層,且不同灌水量大小下滲程度不同。其中S3處理為1次滴水且單次滴水定額較S4和S5處理大,土壤水分下滲至深層,表層土壤水分較低;而S5處理滴水次數為3次且每次滴水定額較小,土壤水分下滲土層較淺,在3次滴水結束后表層土壤含水率較高。表3

表3 各處理出苗期0～40 cm土壤平均含水率

2.1.2 各處理土壤剖面平均含水率分布特征

研究表明,隨土層深度增加各灌水定額處理土壤平均含水率呈現先增大后減小的趨勢。其中20～30 cm土層土壤含水率最大,80～100 cm土層土壤含水率最小。由于各土層土壤質地不同,導致各土層平均含水率存在差異性。20～30 cm土層為黏土層,保水性較強,透水、透氣性較差,因此該土層土壤含水率更高,而80～100 cm土層為沙土層,保水性較差,透水性較強,土壤含水率較低。隨土層深度增加各干播濕出處理土壤平均含水率呈現先增大后減小的趨勢。在20～30 cm土層土壤含水率最大,80～100 cm土層土壤含水率最小。與灌水定額處理相同,因為各土層土壤質地不同導致各土層土壤含水率的差異。隨土層深度增加CK處理土壤平均含水率逐漸增大。因為冬灌處理灌水定額較大,且灌水時間較早,所以到出苗期時土壤表層水分已大量蒸發,含水率較小,而土壤深層不受日照影響,水分蒸發較少,土壤依然保持較大含水率。圖2

圖2 各處理土壤剖面平均含水率變化

2.2 出苗期土壤含鹽量變化

2.2.1 出苗期土壤鹽分動態

研究表明,CK處理因為較大的灌水量已經將表層鹽分淋洗至較深土層,所以在播種后土壤表層鹽分處于較低水平。干播濕出處理出苗期土壤鹽分變化趨勢為先降低后升高。其中,4月25日左右各處理土壤鹽分下降到最低值,S3處理下降幅度最大,S1處理下降幅度最小。由于灌水量的不同,各處理的鹽分變化呈現差異性,S3處理灌水定額較大,土壤表層的鹽分淋洗更強,土壤含鹽量降幅更大,相反S1處理對于鹽分的影響相對較小。5月3日左右各處理土壤表層鹽分積聚情況嚴重,其中S1處理土壤含鹽量增幅較大,S3處理鹽分回升較小。由于日照影響,深層土壤中水分蒸發將鹽分再次帶回土壤表層,出現鹽分積聚情況,S3處理灌水量較大,將土壤鹽分淋洗至更深層,土壤表層鹽分積累情況不明顯,而S1處理則相反,表層鹽分積聚情況更嚴重。

由于灌水定額差距過大,對照處理相比干播濕出處理土壤含鹽量同樣更低。各滴水頻次處理變化趨勢為先降低后增高。其中在4月23日左右各處理土壤鹽分有明顯降低,S5處理下降幅度最小,S3處理下降幅度最大。由于S3處理滴水次數少,灌水量大,表層土壤鹽分降低幅度更大,而S5處理為3次滴水且第1次灌水量小,故表層土壤鹽分降低較少。在5月1日左右各處理同樣出現鹽分積聚情況,其中S3處理土壤表層鹽分回升較少,S5處理土壤含鹽量增幅較大。由于S3處理灌水量較大將鹽分淋洗至土壤深層,鹽分表聚情況不明顯,而S5處理整個灌水周期較長,在日照強烈的新疆南疆地區,土壤表層反鹽現象更加嚴重。圖3

圖3 出苗期0～40 cm土層土壤鹽分動態變化

2.2.2 出苗期灌后0～40 cm土層各處理脫鹽效果

研究表明,各處理出苗期灌水后土壤平均脫鹽率存在顯著差異(P<0.001)。CK處理由于較大的灌水量,鹽分淋洗效果更好,脫鹽率顯著大于干播濕出處理。各灌水定額處理中,S3處理脫鹽率顯著大于S2處理,S2處理脫鹽率顯著大于S1處理,表現為CK>S3>S2>S1。由于灌水定額的不同土壤脫鹽率呈顯著差異,CK與S3處理因為灌水定額較大,土壤表層鹽分淋洗情況更好,土壤表層脫鹽率更高,S1處理因為較小灌水定額脫鹽率較小。各滴水頻次處理中,CK處理脫鹽率依然顯著大于各處理,干播濕出處理脫鹽率由高到低依次為S3、S2、S4、S1和S5處理。因為S3處理灌水次數少、灌水量大,所以土壤表層鹽分淋洗狀況更好,而S5處理灌水次數多、灌水量小,土壤表層鹽分淋洗效果較差,脫鹽率較低。S3與對照處理相比在出苗期0～40 cm土壤脫鹽率更大,鹽分淋洗效果更好。表4

表4 灌后0～40 cm土層各處理土壤脫鹽率

2.3 棉花出苗期土壤溫度變化

2.3.1 土壤溫度日變化趨勢

研究表明,各處理土壤溫度在一天內變化趨勢大致相同,主要變化趨勢為先降低后升高再降低。08:00～12:00左右S3處理溫度較高,12:00～22:00左右,S1處理土壤溫度更高。不同灌水量對與土壤溫度的影響不同且與氣溫有關。S3處理的灌水定額大,土壤表層含水率相比其他處理更大,土壤熱容量也相應較大,08:00～12:00氣溫較低時土壤熱量散失較慢,土壤溫度更高。而S1處理土壤含水率較小,土壤熱容量也相應較小,故12:00～22:00氣溫較高時,土壤吸收熱量的速度更快,溫度更高。

各處理土壤溫度日變化呈現先降低后增高再降低的趨勢。其中,08:00～12:00左右S5處理土壤溫度較高,12:00～22:00左右S3處理土壤溫度較高。在灌水定額相同的情況下,由于S5處理滴水次數為3次且每次滴水定額相比S3和S4處理較小,下滲至深層的水分較少,土壤表層含水率較高,比熱容也相應較大,土壤吸熱散熱更慢,故在08:00～12:00氣溫較低時土壤溫度降低更慢,溫度更高;而S3和S4處理滴水定額較大,水分下滲至土壤深層較多,土壤表層含水率較小,比熱容也相應較小,在12:00～22:00左右氣溫較高時土壤溫度升高更快,溫度更高。圖4

圖4 灌后0～40 cm土層各處理土壤溫度日變化

2.3.2 出苗期土壤日均溫度變化

研究表明,對各處理土壤日均溫度進行統計分析,各處理土壤日均溫度存在顯著差異(P<0.001)。在各灌水定額處理中,S1處理土壤日均溫度與CK處理無明顯差異且顯著大于其他各處理,S3處理土壤日均溫度明顯低于其他各處理。由于土壤溫度與土壤含水率間的重要影響,CK與S1處理土壤含水率小,熱容量小,在白天氣溫較高時,土壤溫度增長更快,土壤日均溫度更高;而S3處理則恰好相反,因為較大土壤含水率,在氣溫較高時土壤升溫較慢,日均溫度較小。在各滴水頻次處理中,隨著滴水頻次增加土壤日均溫度逐漸降低,S3處理土壤溫度最高,S5處理土壤溫度較低。在雙膜覆蓋條件下,S5處理由于較高的土壤含水率,導致土壤溫度變化幅度較小,且一直維持在較低水平,土壤日均溫度較低;而S3處理土壤含水率較低,土壤溫度變化幅度較大,在日照強烈的南疆地區雙膜覆蓋增溫效果更強,因此土壤日均溫度較高。CK與S1處理有著較高的土壤日均溫度。表5

表5 各處理出苗期0～40 cm土壤日均溫度

2.4 出苗期土壤平均含水率與土壤日均溫度相關性

研究表明,自變量為土壤平均含水率,因變量為土壤日均溫度。自變量土壤平均含水率能解釋因變量土壤日均溫度變化程度的71.8%,且模型擬合程度為71.8%>50%。土壤平均含水率顯著影響土壤日均溫度,P<0.05。影響系數為-0.387<0,意味著土壤平均含水率顯著負向影響土壤日均溫度。表6

表6 土壤水熱變化線性回歸

繪制土壤平均含水率和土壤日均溫度的水熱變化圖,對自變量與因變量之間進行擬合,回歸方程如下:

Y=34.537-0.387X.

(2)

式中,Y為土壤日均溫度;X為土壤平均含水率。

土壤日均溫度與土壤平均含水率有很強的負相關性,土壤平均含水率越大,土壤日均溫度越小。圖5

圖5 出苗期0～40 cm土層土壤水熱變化

2.5 不同水分處理對棉花出苗率的影響

研究表明,各處理出苗率差異顯著(P<0.05)。在干播濕出不同灌水定額處理中,隨著灌水定額增加出苗率逐漸降低。S1出苗率顯著高于S2處理,S2處理出苗率顯著高于S3處理。由于S3處理為1次灌水且灌水定額較大,棉苗上層覆土易發生板結現象,導致出苗率較低。且當灌水定額較大時,膜下易形成積水,導致棉苗死亡。而S1處理灌水定額較小,土壤含水率較為適宜,也不易出現土壤板結現象,所以出苗率較高。各干播濕出不同滴水頻次處理中,隨著滴水頻次的增加出苗率逐漸升高。S5處理出苗率顯著高于S4處理,S4處理出苗率顯著高于S3處理。由于S5處理為3次滴水,且每次滴水量較少,既防止了膜下形成積水,導致土壤板結,也保證了苗期作物所需的水分,出苗率更高,而S3處理則相反。CK與S1處理土壤日均溫度高且土壤水鹽環境更為適宜,所以出苗率更高。各處理出苗率整體表現為CK≈S1>S2≈S5>S4>S3。圖6

注:不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

3 討 論

3.1在滴灌模式下,出苗期灌水定額越大,土壤表層鹽分淋洗效果越好,土壤脫鹽率越高[15-16]。但是其研究僅僅是以壓鹽、脫鹽為目的分析土壤水鹽運移變化情況。在干播濕出灌溉模式下,出苗期棉苗除了受到鹽分的影響,保持適宜的土壤溫度對于種子發芽生長有著不可或缺的作用。棉花屬于喜溫作物,棉花種子發芽最適宜溫度為20～30℃,且溫度越高發芽越快,低溫情況下會導致種子發芽出苗困難,對棉花生長發育有著極大影響[17]。試驗研究結果表明,不同水分處理條件下干播濕出棉田土壤水分、溫度、鹽分情況都存在顯著差異性,而適宜的土壤水熱環境在出苗期起著主導作用,能夠保證棉花擁有較高的出苗率。結果顯示,在各干播濕出處理中,S1處理出苗率最高且于CK處理更為接近,且S1處理鹽分含量最高,平均含水率最低,土壤日均溫度最高,與CK處理相比土壤日均溫度及平均含水率差異性最小,也證明了干播濕出棉田出苗期土壤水熱環境的重要作用。

3.2土壤含水率與土壤溫度呈現明顯的負相關性,土壤水分高的土層區域土壤溫度較低,灌溉定額越大,對根系土壤溫度的影響區域就越大。與張永玲、王克全等[18-19]對于土壤溫度研究相符,因為當土壤含水率較大,比熱容也較大,土壤吸熱和散熱的速度會變慢,當外界氣溫較高時,土壤吸熱較慢,溫度相對較低,當外界氣溫較低時,土壤散熱較慢,溫度則相對較高,土壤含水率較低時則相反。何平如等[20]以不同百分比梯度的田間持水率為灌水控制下限,對棉花水鹽分布及生長情況進行研究,結果表明75%的田間持水率為灌水量具有最適宜棉花生長的土壤水分環境。試驗棉田0～40 cm土層75%的田間持水率為18.89%,干播濕出S1灌水定額處理最為接近,且土壤溫度相對較大,與何平如等[20]對與土壤水分環境研究相符。在適宜的土壤含水率范圍內,較小的灌水定額對于土壤溫度環境有著促進作用。

3.3根據“鹽隨水動”水鹽運移特點,灌水定額越大,水的淋洗作用更大,土壤表層鹽分淋洗效果越好,土壤脫鹽率越高。張偉等[21]試驗結果也表明這一水鹽運移特點,滴水開始,土壤含水率增加,由于水的淋洗作用表層含鹽量逐漸降低,停止滴水后,土壤表層含水率因為蒸發作用降低,鹽分隨水分蒸發又帶回到土壤表層,土壤含鹽量升高。但是脫鹽率高是因為灌水定額大,灌水定額越大會導致土壤含水率過大,土壤溫度過低,抑制種子的發芽和生長。出苗期灌水定額宜小,較小的灌水定額不僅能夠滿足作物出苗期所需的土壤水鹽條件,而且土壤溫度高,能夠促進種子發芽、生長。較大的灌水定額雖然土壤脫鹽率高,但是土壤含水率過大,導致土壤溫度過低了,影響棉花的發芽和生長。

4 結 論

4.1相同滴水頻次下,隨灌水定額增加土壤平均含水率逐漸增加,表現為S1

4.2在灌水定額處理中,灌水量越大土壤脫鹽率越高,在各滴水頻次處理中,滴水頻次越少,土壤脫鹽率越高,CK處理脫鹽率顯著大于各干播濕出處理。在土壤鹽分較低情況下,鹽分變化情況對出苗情況影響較小。

4.3相同滴水頻次下,隨灌水定額增加土壤日均溫度逐漸減小,表現為S1>S2>S3;相同灌水定額下,隨滴水頻次增加土壤日均溫度依次減小,表現為S3>S4>S5。土壤平均含水率與土壤日均溫度有明顯負相關性,隨土壤平均含水率增大,土壤日均溫度減小,CK與S1處理土壤日均溫度顯著大于其他處理。

4.4在干播濕出雙膜覆蓋條件,S1與CK處理出苗率較高,各處理出苗率整體表現為CK≈S1>S2≈S5>S4>S3。其中土壤水熱環境因素在棉花出苗期起著主導作用,適宜的土壤水熱環境能夠保證較高的出苗率,達到節水保苗的目的。最佳出苗水處理為S1(675 m3/hm2)。