机采棉模式下滴灌毛管布置方式对土壤水盐运移及产量的影响

2018-08-29王萌萌吕廷波何新林曹玉斌王东旺

中国农村水利水电 2018年8期

王萌萌，吕廷波，何新林，曹玉斌，王东旺

(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)

0 引言

新疆是我国棉花产量最高的种植区，随着生产机械化水平的提高，新疆膜下滴灌种植技术也更易于机械化。滴灌毛管布置是实施膜下滴灌的具体形式，为了适应棉花的机采种植，滴灌毛管布置由原来的一膜两管四行、一膜一管四行变为一膜两管六行、一膜三管六行[1-5]。目前，国内较多学者就传统种植模式下不同滴灌毛管布置方式进行了较多的研究，研究认为一膜两管四行有利于降低棉花根区土壤含盐量，有利于棉花生长和提高水分利用效率，较一膜一管四行减少了灌水时间，提高了灌水效率，减少了深层渗漏量[6-8]。

总的来说，已有的研究取得了众多成果，但是缺少对机采棉模式下不同滴灌毛管布置方面的研究。因此，本文结合新疆耕种实际情况，以田间测坑试验为主，对比分析了不同滴灌毛管布置方式下机采棉土壤水盐分布和产量情况，以探索出适宜的机采棉滴灌毛管布置方式，为新疆机采棉的进一步推广提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年4-10月在新疆石河子市石河子大学农试场二连现代节水灌溉兵团重点实验室试验基地(东经86°03′、北纬44°19′、海拔442.9 m)进行。该站区为温带大陆性干旱气候，无霜期171 d，多年平均降水量在200 mm左右，多年平均蒸发量1 600 mm，多年平均日照时数2 700 h，地下水埋深5 m以下。供试土壤为壤土，土壤物理状况见表1。

表1 试验区土壤物理状况Tab.1 Soil physical in the research

试验区前茬均为棉花，供试品种为农丰133号，生育期123天左右，植株塔型，该品种适宜密植，群体间通风透光好，且早熟、高产，适宜机采种植。

1.2 试验设计

采用测坑试验，每个测坑大小为2 m×3 m，深3 m，并采用水泥墙防止相邻测坑水分的测渗。试验于2016年4月20日播种，于6月11日开始第一次滴水，全生育期共滴水11次，每次采用定额4 950 m3/hm2，7 d左右滴水一次，蕾期和花铃期分别灌水3次和8次，以称重式桶灌方式控制水量，肥料随水滴施，全生育期施用氮肥225 kg/hm2，磷酸二铵140 kg/hm2，打顶等田间管理措施随试验基地统一管理。

田间调查取样于2014年9月，历时10 d，对整个玛纳斯河流域中游平原灌区棉花种植模式进行了调查，调查结果显示一膜两管六行与一膜三管六行种植比例分别占到40.6%与35.9%。故本文结合调查结果，采用上述两种种植模式为试验处理，其行距为10 cm+66 cm+10 cm+66 cm+10 cm，株距10 cm(图1示)，处理分别为：a，一膜两管六行，一条滴灌带管三行棉花；b，一膜三管六行，一条滴灌带管两行棉花。每个处理重复3组共计6组，共使用6个测坑。

图1 机采棉栽培模式与滴灌毛管布局(单位：cm)Fig.1 Cotton planting pattern and capillary arrangments for drip-irrigation

1.3 测定项目与方法

土壤含水量：灌水前1 d分别在棉行花窄行和宽行间分别取1 m深的土壤，从地表0 cm开始，每隔10 cm取一个，每个点共取11个，每个测坑共取22个样，全生育期共取13次样，采用烘干称重法测得土壤含水率。

土壤盐分：在灌水前1 d分别在宽行与窄行进行取土，风干磨碎后过5 mm的筛子，按照1:5的水土比例配成悬浊液，震荡均匀后过滤，静置两个小时后，采用蒸干法得到土壤含盐量。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0软件进行数据整理和统计分析，用excel进行整理和绘图。

2 结果与分析

2.1 不同滴灌毛管布置对土壤水分运移的影响

毛管布置方式决定了滴灌湿润范围与形状[9,10]，全生育期不同滴灌毛管布置方式下土壤水分分布如图2所示。从图中可以看出，滴灌毛管布置方式不同，整个生育期内各土层土壤水分分布存在差异，土壤平均质量含水率随着土层深度增加而增加，变化范围为6.26%～21.02%。

对比两种滴灌毛管布置方式不同根区土壤含水率的分布变化，两种布置窄行剖面60 cm以上土层含水率较低，呈波动变化；60 cm深度以下，土壤含水率波动较小，总体处于上升趋势，处于一个稳定的状态，主要是因为棉花植株生长加快，蒸散发加剧，水分消耗较快以满足棉花的生长需要。宽行剖面从表层到深层整体处于上升趋势，三管布置下含水率增加主要是因为随着生育期的推进，灌水次数的增加，水分水平扩散范围增大，膜下相邻两毛管的湿润体形成交汇，水分深层渗漏；两管布置下含水率增加主要是因为滴灌毛管本身铺设处于棉花宽行间，滴头处易形成积水，从而产生深层渗漏。

不同滴灌毛管布置下0～60 cm以及70～100 cm土体内土壤含水率的动态变化如图3所示，三管布置滴灌毛管铺设靠近膜下窄行，灌水后为棉花的根系层提供了充足的水分条件，随着生育期的推进，灌水次数的增加，棉花根系层(0～60 cm)的土壤含水率呈上升趋势，深层土壤含水率呈波动变化；两管布置滴灌毛管铺设于膜下宽行的中间，灌后宽行的土壤含水率明显高于窄行，说明在一定程度上产生了深层渗漏。

图2 不同滴灌毛管布置土壤水分分布变化Fig.2 Distributions of soil water contents under different capillary arrangements

图3 不同滴灌毛管布置土壤含水率的动态变化Fig.3 Distributions of soil water contents under different capillary arrangements

因为棉花根系主要集中在0～60 cm土体内，故对棉花根系区重点分析。同时已有研究表明，在花铃期土壤含水率保持相对田间持水率的60%～80%可满足棉花生长需要。根据图3分别对花铃期两种布置方式下窄行与宽行0～60 cm以及70～100 cm土体内的土壤平均质量含水率进行了计算。两管布置和三管布置下窄行、宽行0～60 cm浅层土壤的土壤平均质量含水率分别为12.65%、14.37%、13.81%、15.19%，相对田间持水量分别为59.56%、67.70%、65.05%、71.53%；70～100 cm土壤内的土壤平均质量含水率为15.48%、15.68%、15.02%、15.86%，相对田间持水量为72.92%、73.85%、70.74%、74.67%。由于土壤初始含水率存在差异，两管布置与三管布置下的窄行、宽行根系层初始含水率分别为16.73%、17.08%、15.83%、15.91%，可知初始含水率值相差不大，两管布置下的根系层含水率高于三管布置，在一定程度上会对生育期内水分产生影响，但这种影响是相对较小的，上述分析表明，在花铃期三管布置下的土壤含水率高于两管布置，说明主要还是由于滴灌带布设的不同导致土壤水分变化存在显著差异，综上可知三管滴管毛管布置方式下0～60 cm土体内的土壤平均质量含水率满足棉花生长需要并高于两管布置，说明其耕层中上部保水能力更优于两管布置。

2.2 不同滴灌毛管布置对土壤盐分运移的影响

全生育期不同滴灌毛管布置方式下土壤盐分分布如图4所示，相同灌水量下，由于土壤初始含盐率的影响，整个生育期不同滴灌毛管布置下各土层土壤盐分分布存在差异，但整体上土壤含盐量从地表到深层呈现先减小，后增大的分布特征。

图4 不同滴灌毛管布置土壤盐分分布变化Fig.4 Dynamics of soil salt contents under different capillary arrangements

对两管滴灌毛管布置及三管滴灌毛管布置其生育期土壤盐分分布变化进行分析可知：从播种到苗期，期间无灌溉，在蒸发作用下，浅层土壤积累了大量的盐分；进入蕾期后，开始进行灌溉，浅层盐分变化显著；进入花铃期后，需水量增大，需肥量也增加，花铃前期浅层盐分分布变化显著，随着灌水次数与灌水定额的增加，使得花铃后期浅层土壤盐分含量有所减小；进入吐絮期后，灌水停止，导致含盐量再次有所增加。大气温度较高，在大气蒸发驱动下，花铃前期到花铃后期浅层盐分继续增加；进入吐絮期，大气温度降低，蒸发减小，降雨量增加，浅层含盐量显著减小。

膜下滴灌是一种局部灌溉，在滴灌过程中，土壤内的盐分产生了定向分布[11,12]。不同滴灌毛管布置下0～60 cm以及70～100 cm土体内土壤含盐量的动态变化如图5所示，滴灌毛管布置不同土壤盐分动态变化也有所差异。两管布置窄行与宽行吐絮期较播种时的棉花根层土壤平均盐分呈不同变化趋势，窄行0～60 cm土层盐分含量相比开始时减小了23.19%，是因为地膜覆盖抑制了棵间蒸发，土壤盐分主要随水向下运移；宽行0～60 cm土层盐分含量相比开始时增大了9.48%，是因为盐分随着水分产生运移在膜下滴头处形成了脱盐区，但同时受蒸发蒸腾作用影响，盐分又产生垂向运移，得以不断积累。在生育末期窄行与宽行70～100 cm土体内盐分增加，是积盐区。三管布置窄行0～60 cm土层盐分含量相比开始时减小了17.98%，主要是滴灌毛管布置距离棉花窄行10 cm与5 cm处，使得窄行处于湿润体中心，水分再分布过程中棉花主根区的盐分被驱于根系层外；宽行0～60 cm土层盐分含量相比开始时增大了40.47%，主要是盐分随水向水平与垂直扩散，运移到湿润体边缘形成积盐区，再加上蒸发蒸腾引起的盐分补给下，使得盐分在宽行不断累积。宽行70～100 cm土层的含盐量明显高于窄行，是典型的积盐区。

对比两种毛管布置方式土壤盐分运移变化，三管布置在棉花根系层形成淡化脱盐区，在湿润体边缘形成积盐区。两管布置由于毛管布置在棉花宽行间，湿润峰边缘距离棉花窄行较近，在一定程度上会使得棉花根区受盐分胁迫。综述说明三管滴灌毛管布置方式控盐效果较好。

图5 不同滴灌毛管布置根区土壤盐分动态变化Fig.5 Dynamics of soil salt contents under different capillary arrangements

2.3 不同滴灌毛管布置对棉花生长的影响

从表2可以看出，在相同灌溉定额、灌溉频率下，整体三管布置下籽棉产量处于较高水平，较两管布置增加6.10%。同时对水分利用效率进行了对比分析，结果表明三管布置下棉花具有最高的水分利用效率，达到1.35 kg/m3，两管布置为1.28 kg/m3。水分利用效率取决于产量和耗水量，在灌溉定额相同情况下，不同毛管布置导致土壤水盐运移差异，从试验结果来看，三管布置方式的根区水盐运移利于棉花生长，再加上超宽膜覆盖土壤，其保温、提温效果好，故在该毛管布置下棉花植株大，果枝果节多，能够获得较高的产量及水分利用效率。