春灌对绿洲区棉田水盐分布及产量的影响

朱延凯，王振华，李文昊

(1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000)

新疆位于欧亚大陆中部，蒸发剧烈、降水稀少，属于典型的沙漠绿洲灌溉农业区[1]。由于新疆的特殊自然环境，土壤母质含有大量盐分，盐碱地面积达0.218 亿hm2[2]。农业用水占总用水量的95%以上，而棉花生产用水在新疆农业用水中占有很大比例[3]。为达到节水、抑盐的目的，新疆生产建设兵团自1996年开始进行膜下滴灌试验并得到广泛应用，目前膜下滴灌面积已超过200 万hm2[4]。实践表明该技术不仅具有节水、节肥、抑盐的特点，还具有增温、保墒的作用[5]。在短时间内，膜下滴灌技术显著提高了棉花的经济效益。

由于膜下节水滴灌技术的广泛应用，大量排碱渠系统被废弃，而小定额的节水滴灌不能把土壤盐分淋洗到地下水中，导致土壤中的盐分在强烈的蒸发作用下聚集到表层，形成了由节水滴灌引起的次生盐碱化问题。为保持节水、抑盐的平衡性，需要在非生育期进行灌溉达到淋洗盐分的目的[6]。在实际农业生产中，播种前的非生育期春灌灌水成为抑制土壤盐碱化的有效方法[7]。前人研究表明：进行灌水量为0.15 万m3/hm2的春灌可以压盐提墒、促进棉花的生殖生长[8]；合理的春灌处理，可以对盐碱地进行有效的改良[9]；0.135 万m3/hm2的春灌定额适合轻度盐渍化土壤，可将表层盐分淋洗至10～50 cm[10]。虽然有关学者对非生育期春灌定额进行了研究，但试验地域均在南疆，且得出的结果也不尽相同。此外，不同的土壤盐碱化程度、灌水方式及土壤类型也是导致所得结果有所差异的原因。关于北疆地区春灌定额还没有明确的研究。因此，本文基于小区试验，采用滴灌灌水方式，研究不同春灌定额对北疆棉田水盐分布及棉花产量的影响，以期为北疆绿洲区棉田春灌提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2016年4-10月在现代节水灌溉兵团重点实验室试验基地暨石河子大学节水灌溉试验站进行。试验站位于石河子市西郊石河子大学农试验场二连，85°59′47″E，44°19′28″N，海拔412 m，平均地面坡度为0.6%。年均日照时间为2 865 h，多年平均降雨量为198 mm，平均蒸发量为1 340 mm，大于10 ℃积温为3 463.5 ℃，大于15 ℃积温为2 960.0 ℃，无霜期170 d。年平均风速为1.5 m/s，静风占32%，偏东风、偏西风、偏南风、偏北风分别占14%、17%、22%和15%。土壤质地为中壤土，试验期间地下水埋深大于5 m，0～200 cm土层土壤平均干容重为1.52 g/cm3，田间持水率为23.64%，春灌前平均土壤含盐量0.28%、平均土壤含水率14.65%。试验期间降雨量及蒸散量见图1。

图1 2016年试验地降雨量及蒸散量Fig.1 Precipitation and evapotranspiration of experimental field in 2016

1.2 试验方法

选取当地棉花品种“农丰133”，采用一膜两管四行的种植模式，行距(30+60+30) cm，株距10 cm，滴头间距30 cm。采取大田小区试验，试验小区南北走向，参照杨鹏年等[10]的研究结论及当地的常规春灌水量，春灌定额设为T1:800 m3/hm2、T2:1 300 m3/hm2、T3:1 800 m3/hm2及T4:2 300 m3/hm24个不同处理，每个处理重复2次，划分8个试验小区，各小区面积均为5 m×8 m，相邻小区之间设置过渡带，避免相邻小区间的水分相互渗透影响试验结果，春灌灌水方式为滴灌。各处理采用相同的水、肥管理，灌溉定额385 mm，灌水11次，灌溉用水矿化度为0.87 g/L。施肥量为尿素(N：46.4%)600 kg/hm2，磷酸二氢钾(P2O5：51.5%)300 kg/hm2，其他农艺措施与普通棉田相同。各生育期具体灌水、施肥处理详见表1，棉花种植模式见图2。

表1 棉花各生育期灌水及施肥处理Tab.1 Irrigation and fertilization treatments ofcotton at different growth stages

图2 膜下滴灌棉花种植模式(单位：m)Fig.2 Planting layout of cotton with mulched drip irrigation

1.3 测定项目及方法

(1)土壤水分测定。各处理分别在棉田灌前、灌后7 d及灌后15 d用土钻取土，取样深度为200 cm，从地表开始取样，每20 cm钻取一个土样，土壤含水率采用烘干法测定。

(2)土壤盐分测定。将土样在室内自然风干，磨碎过1 mm筛，取100 mL蒸馏水和20 g土放入三角瓶中，配制土水质量比为1∶5的澄清液[11]，采用DDS11-A型数显电导率仪测定电导率，水溶性盐总量采用烘干-残渣法测定，拟合出电导率与含盐量的方程式为：

S=2.749 4EC-0.004 7 (R2=0.962 3)

(1)

式中：S为土壤含盐量，g/kg；EC为电导率值，mS/cm。

(3)棉花产量指标测定。于收获期对每个小区实行单打单收，然后折算棉花籽棉产量。

(4)数据处理。采用Excel 2013对数据进行整理，使用SPSS 17.0软件进行方差分析，利用Origin 8.5绘图。

2 结果与分析

2.1 春灌对土壤水分分布的影响

(1)相同春灌定额对不同时期的土壤水分分布的影响。不同春灌定额灌前、灌后7 d及灌后15 d的土壤水分分布情况见图3。整体上,通过对不同春灌处理 [图3(b)、图3(c)、图3(d)]灌后与灌前土壤含水量对比得出:灌后土壤含水率较灌前有明显的增加,特别是在0～100 cm范围内增加程度较明显，而T1[图3(a)]处理下含水率灌前与灌后变化不明显。随着时间的延长，气温升高，春季的蒸发增大，导致表层的含水率逐渐减小。然而，在不同的春灌处理下又各自呈现出不同的特点。

由[图3(a)]可以看出: 当春灌定额为800 m3/hm2时,灌前与灌后的土壤含水率在100 cm土层以下差别很小,原因是春灌定额小,向深层入渗的水量少，且春季蒸发大，导致0～20 cm内的土层水分含量也在减小。由[图3(b)]得出: 当春灌定额为1 300 m3/hm2时,灌水后7 d,土层0～20、20～140、140～200 cm内的土壤含水率平均值分别是17.23%、16.57%、17.87%,平均含水率分别增加了4.19%、2.05%、1.16%。随着土壤深度增加，平均含水率减小。说明灌水量少，对深层土壤含水率的影响不大。由[图3(c)]得出:当春灌定额达到1 800 m3/hm2时,0～200 cm处的土层含水率较灌前显著增加,且随着深度增加,差异越来越小,土壤含水量的平均值为19.89%，较灌前平均含水率增加了5.20%。由图3(d)得出:与小定额[图3(a)、图3(b)]相比,春灌定额越大,在垂直方向对土壤的水分含量影响越明显,灌后7 d水分可以运移至200 cm处，且灌后25 d的土壤水分仍可以保持较高的水平。综上，春灌定额的大小显著影响着剖面土壤含水量大小及其分布，当春灌定额达到1 800 m3/hm2时对土壤含水量影响显著，但过大会使土壤储存较多水量，造成水分的深层渗漏。

图3 相同春灌定额下不同时期的土壤剖面含水率对比分析Fig.3 Comparison of soil moisture content in different periods under the same irrigation quota

(2)不同春灌定额对相同时期土壤水分分布的影响。春灌后不同时间对T1～T4处理土壤水分分布的影响见图4。整体上，在春灌处理后的不同时期，T3及T4处理下土壤含水量较高。不同春灌处理在灌后7 d土壤含水量较大，相比灌前，灌后15 d不同处理土壤水分保持在一个较高的水平。从图4可以看出，在相同春灌定额下，不同时期的土壤剖面含水率对比分析得出：对于不同春灌定额的滴灌处理而言,在春灌前，土层的最初含水率基本保持一致，随着土壤深度的加深，土壤的含水率不断增大，即越深的土层含水率越高。春灌之后，通过灌后7 d的含水率对比发现：随着春灌定额的增大，相同深度土层的含水率有不同程度的增大；在垂直方向上，随着春灌定额的增大，0～200 cm以内的土壤水分不断增大，其中T2处理增加得相对均匀。较T1处理来说，T2、T3及T4处理土壤含水量均有一定程度的增加，其中T4处理增加的幅度最大。通过对比灌后25 d的不同春灌定额下的含水率，发现小的春灌定额(800、1 300 m3/hm2)在100 cm以下的土层几乎趋于稳定，对于大定额(1 800、2 300 m3/hm2)的灌水，在80 cm以下的土层变化幅度大，并且在19%上下浮动。以上表明，在一定的时间范围内，不同春灌处理下土壤水分能保持很好的墒情，T3处理时土壤水分达到较高水平，这为确定春灌后播种时间提供了理论基础。

图4 不同春灌定额下相同时期的土壤剖面含水率对比分析Fig.4 Comparison of soil moisture content in the same period under different irrigation quota

2.2 春灌对土壤盐分分布的影响

(1)相同春灌定额对不同时期的土壤盐分分布的影响。不同春灌定额灌前、灌后7 d及灌后15 d的土壤盐分分布情况见图5。由图5可知，不同春灌处理后7、15 d土壤含盐量均出现不同程度的下降趋势。其中，不同灌水处理对土壤盐分的淋洗效果不同，表现出与春灌处理具有密切关系。从图5中可以看出, 受不同春灌处理的影响，不同深度土层的含盐量呈现出不同的变化规律。随着春灌定额的增大,灌后的棉田土壤在0～100 cm土层内的盐分含量呈现出减小的趋势,说明灌水对表层的土壤盐分洗盐效果显著。在0～200 cm土层中,随着春灌定额的不断增大,盐分被淋洗得越深。小春灌定额[图5(a)]处理时,表层土壤含盐量降低,对深层土壤含盐量影响不显著,大体呈现出土壤表层与底层盐分差别不大的分布特点。随着春灌定额的不断增大[图5(b)、图5(c)、图5(d)],表层土壤的洗盐效果越来越明显,同时也加剧了盐分向更深的土壤累积的过 程。其中，从图5(c)得出:当春灌定额达到1 800 m3/hm2时,200 cm处的土层盐分含量高于灌前,且随着春灌定额的增大向下层迁移的盐分越多。由以上分析可知，不同春灌处理对土壤盐分淋洗效果不同，T3及T4处理对盐分的淋洗效果较好，0～40 cm土层盐分含量为2.07～2.27 g/kg，对棉花出苗基本无影响。

图5 相同春灌定额下不同时期的土壤剖面含盐量对比分析Fig.5 Comparison of salt content of soil profiles in different periods under the same irrigation quota

(2)不同春灌定额对相同时期土壤盐分分布的影响。图6为不同时期各春灌处理对土壤盐分分布的影响。从图6中可以看出，相同时期，不同春灌定额的土壤剖面含盐量对比分析得出：对于不同春灌处理而言,在春灌前，土层的最初含盐量基本是保持一种态势，春灌后7 d土壤的含盐量大幅度减小。而春灌15 d后均出现盐分小幅度增加的情况，这可能是由于春季地表蒸发造成的；通过灌后7 d的不同土层含盐量对比发现：随着春灌定额的增大，相同深度的土层的含盐量呈现出不同程度的降低趋势。与T1相比，T2、T3及T4处理0～200 cm土层平均含盐量分别降低了14.1%、20.8%及19.0%；而在灌后15 d，与T1相比，T2、T3、T4处理土壤平均含盐量分别降低了9.3%、17.7%及18.10%。在土壤的垂直方向上，随着春灌定额的增大，0～100 cm以内的土壤含盐量变化幅度较大，其中T3、T4处理在灌后7 d的不同土层深度的含盐量变化幅度最大。通过对比灌后15 d的不同春灌定额下的含盐量，T3与T4 2个处理在0～100 cm土层盐分淋洗效果较好。综上，春灌后不同时期盐分变化呈现出一些其他特点：灌后7 d及灌后15 d土壤盐分均得到了充分淋洗。与灌后7 d相比，灌后15 d土壤盐分有所升高，但是与灌前相比，各处理土壤含盐量分别降低了5.9%、13.3%、14.8%、15.1%，可为棉花出苗提供适宜的盐分环境。

图6 不同灌水定额下相同时期的土壤剖面含盐量对比分析Fig.6 Comparison of salt content of soil profile in the same period under different irrigation quota

2.3 不同春灌处理棉花产量比较

棉花产量可以作为衡量不同春灌处理对棉花是否有影响的指标之一，由不同处理引起的土壤水盐再分布对棉花产量有着不同程度的影响，图7为不同春灌处理下棉花产量的变化规律。

由图7可知，整体上，随着春灌定额的增加棉花产量呈现出逐渐增大的趋势。但各处理之间又有不同的特点：T1与T2之间差异不具有显著性(P>0.05)，然而T1、T2均与T3、T4之间存在显著性差异(P<0.05)。在各春灌处理中，春灌处理T4时的产量最高，达到了6 347.681 kg/hm2。T1处理时的产量最低，为4 996.783 kg/hm2。相比T1处理时的棉花产量，T2、T3及T4处理下的产量分别增加了9.6%、25.4%及27.0%。由此可见，小的春灌定额对棉花产量影响不大，当春灌定额达到T3处理时棉花增产明显。表明，春灌处理可以提高棉花产量，且大春灌定额增产效果明显。

图7 不同春灌处理棉花产量变化Fig.7 Variation of cotton yield in different spring treatments

3 讨 论

研究区属于典型的干旱区，对作物进行合理的灌溉是保证农业可持续发展的前提，春灌定额直接影响着土壤水、盐的再分布情况[12]。由于北疆的特殊气候条件及长期膜下滴灌造成盐分在土壤下层累积问题，对干旱区农业的发展产生了不利影响[13]。有学者指出，如果棉田非生育期不进行灌水淋洗，膜下滴灌盐分全年累积速率达14%左右，存在次生盐碱化风险[7]。对非生育期的灌水淋洗，有关学者作了相关研究：赵波等[14]确定了北疆棉田冬灌定额，结果表明，滴灌条件下3 000 m3/hm2的冬灌可淋洗盐分至耕层300 cm以下，同时获得较高的产量；陈小芹等[15]认为：以3 000 m3/hm2的滴灌方式进行冬灌更为适宜，起到较好的保水压盐效果；现有文献关于冬灌灌水制度的研究成果已经很丰富，但是对于北疆棉田春灌对盐分的影响研究较少。本文通过春灌试验表明，春灌定额1 800 m3/hm2淋洗效果较好，可将表层盐分淋洗至30～60 cm以下，获得6 264.583 kg/hm2的棉花产量。本试验得出的春灌定额与李文娟等[16]认为春灌水量为3 000 m3/hm2时能满足压盐及保证出苗率的结果差别很大，但与李宁等[8]在南疆进行春灌试验得出的灌水量为1 500 m3/hm2可提高棉花产量的试验结果基本一致，可能与土壤初始含盐量及土壤理化性质等因素有关。因此，对适宜北疆绿洲区滴灌方式下的春灌定额还应进行更深入的研究。

4 结 论

(1)不同春灌定额均影响了土壤剖面含水量，整体上，随着灌水定额的增加土壤含水量随之增大。不同春灌水量对土层含水率的影响深度不同，T1处理仅对0～30 cm土层含水率影响显著，而T3、T4处理可以影响0～100 cm土层含水率，当灌水量达到T3时，0～200 cm土层平均含水率高达19.89%；通过比较春灌后不同时间各处理土壤含水率，发现灌后15 d较灌后7 d土壤含水率有所下降，但T3、T4处理土壤水分仍能保持较高水平，表明大的春灌定额保持土壤水分的能力较强。

(2)不同春灌处理均使土壤盐分呈现出下降趋势，但不同灌水定额对盐分淋洗的程度不同。在本试验中，小定额春灌(T1)处理可使表层盐分淋洗至30 cm以下。当春灌水量达到T3、T4处理时，可使土壤表层盐分淋洗至80 cm以下，0～40 cm土层盐分含量降至2.07～2.27 g/kg，有利于棉花的出苗；对于不同春灌处理，春灌前土层的初始含盐量基本保持一种，春灌后7 d土壤的含盐量大幅度减小，而春灌15 d后均出现盐分小幅度增加的情况，这可能是由于春季地表蒸发造成的。但与灌前相比，各处理土壤含盐量分别降低了5.9%、13.3%、14.8%、15.1%，可为棉花出苗提供适宜的盐分环境。

(3)各春灌处理改善了棉田水盐环境，棉花产量均出现增大的趋势，T3、T4处理下棉花产量分别达到了6 264.583、6 347.681 kg/hm2。与T1处理相比，T2、T3及T4处理的产量分别增加了9.6%、25.4%及27.0%。

(4)从水资源高效利用及经济效益考虑，滴灌条件下，春灌定额1 800 m3/hm2可使棉田土壤达到适宜的水盐环境，也可达到6 264.583 kg/hm2的较高产量。

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