不同灌溉模式对土壤水盐分布及棉花产量的影响

韩万海，王增丽

(1.武威市中心灌溉试验站，甘肃 武威 733000；2.武威市水利技术综合服务中心，甘肃 武威 733000)

0 引 言

膜下滴灌技术具有保墒、增温、增产等特点，可减少深层渗漏、具有节水、增产、节肥作用。自1996年新疆生产建设兵团开始试验应用和推广棉花膜下滴灌技术以来，中国农田滴灌面积发展迅猛。然而膜下滴灌技术也面临着许多问题,如多年采用滴灌方式的农田土壤盐分含量呈逐年增加的趋势，导致作物产量逐年降低。张伟[1]、弋鹏飞[2]等研究结果表明，随着滴灌使用年限的增加，在连续采用滴灌方式的棉田里农田土壤盐分积累明显增大，作物产量降幅也随之增大。然而杨鹏年[3]研究结果表明，在滴灌过程中，土壤内的盐分发生定向重分布，形成脱盐区、稳定区和积盐区，且脱盐区的面积大于积盐区。李文昊等[4]研究结果表明，新疆绿洲地区推广滴灌技术后，耕地内土壤盐分降低，但区域内的荒地成为农田排出盐分重要的聚集场所。吕桂军[5]盐渍土盆栽试验研究结果表明，不同的灌溉处理对玉米生长发育及水分、盐分、温度变化的影响较大，其中玉米株高和叶面积的长势是常规灌溉>交替灌溉>固定灌溉。赵志才[6]研究结果表明，水分在农田土壤中的分布主要受灌水量和土壤质地的影响，充分灌溉使水分存贮在较深土层中，而非充分灌溉则使水分存贮在表层。在相同灌水量的条件下，土体内的盐分积累程度随着灌溉水矿化度的增大而加剧。在相同矿化度条件下，土体内的盐分含量及积盐深度随着灌水量的增加而增大。在作物整个生育期内，连续使用咸水灌溉将导致土壤积盐，且非充分灌溉较充分灌溉更易使土壤表层积盐。

甘肃省石羊河流域民勤县属内陆干旱地区，地表水资源严重短缺，农业灌溉主要靠地下水超采维持，然而高矿化度的地下水灌溉和强烈的蒸发蒸腾作用使该区耕地大面积存在土壤盐渍化风险。因此，为达到高效利用苦咸水、保证土壤盐分入出平衡和作物产量、实现干旱缺水区水资源高效利用的目的，特制定了本研究内容，针对民勤湖区灌区膜下滴灌条件下不同灌溉定额对土壤水盐分布及棉花产量的影响进行研究，探讨土壤水盐运移变化规律，旨在为合理利用盐碱地、发展高矿化水灌溉农业供技术指导和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

1.2 试验材料及测定方法

供试品种为当地主栽品种新陆早7号，各处理采用膜下滴灌方法灌溉，栽培方式采用一膜两管四行方式，膜宽幅120 cm。采用点播器条播法种植，播种量为115 kg/hm2。于2016年4月25日播种，10月15日收获，生育期173 d。株距18 cm，行距30 cm，结合春耕施入基肥，基肥采用一次性缓释专用肥(其中纯N为375 kg/hm2，P2O5为180 kg/hm2)。在棉花初花期各处理随灌水措施追施尿素200 kg/hm2。由于该区处于苦咸水区，当地播前进行河水泡地措施以降低土壤中的盐分累积，保证作物可以正常生长，灌溉量一般为1200 m3/hm2。各次灌水定额以滴灌的常用定额300 m3/hm2设置，灌溉定额以当地传统灌水量1 200 m3/hm2为基础，分设亏缺、常规、盈余3个梯度。小区面积为(50 m×15 m)750 m2，试验处理设置如表1所示。

表1 不同处理灌溉定额设置表 m3/hm2

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水盐含量测定

在棉花各生育期土壤水分采用土钻取土烘干法测定，测点在作物两行中间、滴灌带正下方的两滴头中间位置，每7～10 d测定一次，灌水前后及降雨后加测，每个处理重复2次，每个重复打1钻测定土壤水分，利用SG-3型电导率仪测定电导率EC1∶5(土水质量比为1∶5)，根据文献[6,7]计算土壤含盐量。

C=0.027 5EC1∶5+0.136 6

(1)

S=10CθH

(2)

式中：C为土壤溶液中含盐量，kg/m3；EC1∶5为电导率测定值，μS/cm；S为某一深度内土壤含盐量，t/hm2；θ为体积含水率，%；H为土层深度，m，取0.8 m。

根据盐分平衡原理，已知研究时段开始和结束时土壤含盐量，则土壤盐分盈亏量为：

ΔS=Sb-Sa

(3)

式中：ΔS为土壤盐分盈亏量，t/hm2；Sa为开始时土壤含盐量，t/hm2；Sb为结束时土壤含盐量，t/hm2；当ΔS为正值表示积盐，负值表示脱盐。

1.3.2 作物产量和耗水量测定

棉花收获后考察各处理棉花的株高、果枝数、铃数、铃重、绒长和衣分，各小区实行单打单收，3期收花后的产量为该小区籽棉的总产量。

采用水量平衡法计算不同生育期棉花的蒸发蒸腾量，测定深度80 cm。水量平衡方程为：

ETc=P+I-ΔW

(4)

式中：ETc为棉花生育期耗水量，mm；P为降水量，mm；I为灌水量，mm；ΔW为棉花生育期土壤蓄水增减量，mm。

试验数据采用Excel及SPSS16.0统计分析软件进行处理与分析。

2 结果与分析

2.1 土壤盐分变化分析

各处理棉花生育期土壤含盐量分布见图1，由图1可知，在播前，各处理0～80 cm土层土壤含盐量在0.60～0.84 g/kg，处理间盐分变化规律基本一致，这与播前进行春灌措施有关。进入苗期，各处理土壤含盐量较播前增加。其中，T1、T2、T3、T4处理0～80 cm土壤含盐量均值分别为1.10、1.09、1.09和1.10 g/kg，较播前分别增加42.26%、42.44%、42.71%和45.00%，各处理0～80 cm土层内，土壤盐分随土壤深度的增加呈降低趋势。分析原因可能为滴灌属于局部灌溉方式，较低的灌溉量不足以将灌溉水中的盐分淋洗到作物耕层以外。

进入蕾期，各处理0～80 cm土壤含盐量变化曲线呈明显“S”型：T1、T2、T3、T4处理10～20 cm土层含盐量最低，成为曲线的拐点，土壤含盐量分别为1.00、1.02、1.01和1.01 g/kg；40～60 cm土层含盐量最高，分别为1.28、1.24、1.35和1.28 g/kg，表明在灌水作用下，各处理在10～20 cm土层发生脱盐现象，在40～60 cm土层内发生脱盐现象。进入花铃前期，灌前1 d(7月8日)各处理土壤含盐量变化曲线表明，各处理均表现表层土壤含盐量逐渐增加，深层土壤含盐量逐渐降低趋势，且处理间0～80 cm土壤含盐量差异较蕾期明显。在吐絮期，各处理浅层土壤含盐量在有效灌水的作用下，较前期有所降低，土壤含盐量有所增加。其中在0～10 cm土层发生脱盐现象，T1、T2、T3、T4处理土壤含盐量分别为1.08、1.10、1.05、1.05 g/kg，T1、T2、T3处理在40～60 cm土层发生积盐现象，分别为1.23、1.19、1.20 g/kg，T4处理在60～80 cm发生积盐现象，含量为1.21 g/kg。

研究结果表明，在民勤县湖区灌区，强烈的蒸发蒸腾作用和咸水灌溉作用下，0～80 cm土壤处于积盐状态，只有经过雨季降雨和春季河水大定额灌溉淋洗后，才可使棉花根区土壤的盐分保持在安全限度内。

2.2 土壤含盐量盈亏分析

为进一步了解棉花生育期土壤盐分变化规律，对0～80 cm土层含盐量进行盈亏分析，结果见表2。由表可知，收获后，T1、T2、T3、T4处理0～80 cm土壤含盐量分别为0.56、0.56、0.51和0.52 t/hm2。结合播前各处理土壤含盐量数据，T1、T2、T3、T4处理在棉花全生育期土壤含盐量均表现为盈余(即积盐)，积盐量为0.42、0.28、0.04、0.01 t/hm2。结果表明，灌溉额对棉花生育期土壤0～80 cm土壤含盐量盈亏变化具有影响：重度水分亏缺(T4处理)土壤积盐量最低，中度水分亏缺(T2、T3处理)次之，充分灌水(T1处理)土壤积盐量最高。

图1 棉花不同生育期土壤含盐量变化Fig.1 Changes of soil salinity at different stages of cotton

将0～80 cm土壤含盐量分为4层分析，结果表明，T1、T2处理在0～20、20～40、40～60、60～80 cm土层内均表现为积盐现象，且随土层的增加，积盐量呈增加趋势。T3、T4处理有部分土层有脱盐现象，但脱盐量不大。

研究结果表明，土壤含盐量空间分布特征受灌水定额、蒸发蒸腾、根系吸水等因素影响。滴灌条件下，湖区灌区棉花采用苦咸水灌溉时，0～80 cm土层内易发生积盐现象。生育期有限的灌水量、降雨不足以将土壤盐分淋洗到80 cm土体以下，随灌溉定额增加，0～80 cm土壤含盐量介于1.17～1.23 g/kg。根据土壤盐渍化等级标准，该灌区属于中度盐渍化土，该等级对盐分敏感作物产量受到影响，但对耐盐作物(苜蓿、棉花、甜菜、高粱、谷子等)无多大影响，可保证棉花正常生长。

2.3 土壤水分动态变化

各处理棉花生育期0～80 cm土壤含水率变化如图2所示。由图可知，各处理0～80 cm土壤含水率变化基本一致，均随作物生育进程的延长呈降低趋势。其中，各处理土壤含水率变化曲线从棉花苗期(4月24日)至蕾期(7月8日)出现重叠、交叉，表明灌溉定额对0～80 cm土壤水分变化的影响基本一致。

到花铃期(7月25日)时，灌溉定额明显影响土壤水分在0～80 cm土层的分布特征。其中，T1、T2、T3、T4处理土壤含水率介于10.88%～13.43%。其中，T3处理土壤含水率最高，T4处理土壤含水率最低。分析原因为花铃前期棉花的营养生长和生殖生长处于旺盛阶段，作物处于需水高峰期，处理之间的耗水量差别不大。之后，棉花在花铃后期进行打顶整枝，生殖生长受到抑制，老化叶片开始脱落，叶面积指数开始下降，耗水量降低，各处理土壤0～80 cm土壤含水率差异较前期明显降低。到收获前期(10月15日)，T1、T2、T3、T4各处理土壤含水率降到生育期最低值，分别为10.22%、9.14%、8.02%和7.01%，处理间差异基本减弱，土壤含水量降幅明显减小。

表2 不同处理0～80 cm土壤含盐量盈亏量 t/hm2

图2 不同处理棉花生育期土壤含水率变化 Fig.2 Changes of soil water indifferent treatments

为进一步研究棉花不同生育期0～80 cm土壤含水率，将棉花典型生育阶段土壤含水量列于图3。由图3可知，由于经过统一春灌措施，苗期各处理的土壤含水率变化规律基本一致，均为随土壤深度的增加呈土壤含水量呈增加趋势。其中T1、T2、T3、T4处理0～80 cm土壤含水率均值分别为14.83%、14.95%、15.06%和15.83%。

到花铃初期(7月8日)，各处理土壤含水量变化曲线呈“S”变化，且各处理土壤含水量曲线多次出现重叠和交叉现象，处理间土壤含水率差异较前期明显降低。其中，T1、T2、T3、T4处理0～80 cm土壤含水率均值为13.58%、13.57%、13.49%和12.92%。进入吐絮期(9月15日)后，在蒸腾和棵间蒸发作用下，各处理0～80 cm土层土壤含水量差异进一步增大，T1、T2、T3、T4处理土壤含水量分别为11.45%、10.85%、9.27%和7.77%，结果表明灌水定额的累积效应在棉花吐絮期时进一步增大。其中T3、T4处理土壤含水率曲线位于T1、T2处理的左边，两条曲线没有明显的重叠、相交现象。

研究结果表明，在棉花生育前期土壤含水量变化规律基本一致，在中期，棵间蒸发、作物蒸腾作用下，灌溉定额能明显影响0～80 cm土壤含水量的分布特征。到吐絮期，灌溉定额对土壤水分分布特征的累积效应明显。当灌溉定额为1 500 m3/hm2时，土壤水分的垂直运动明显增强，土壤水分向深层运移。花铃期为棉花的需水高峰期，灌溉定额对土壤水分垂向运动的影响差异减弱。

图3 不同处理棉花生育期土壤含水量分布Fig.3 Distribution of water in soil profile at different growth stages of cotton under different treatments

2.4 不同处理棉花产量、耗水量及WUE分析

将不同处理的棉花产量构成因素及产量结果列于表3。由表3可知，灌溉定额对棉花收获后的株高影响显著。其中，T1、T2处理棉花株高显著高于T3、T4处理，差异达显著性水平。棉花的铃数依次为T2>T1>T3>T4。其中，T2处理与T3、T4处理差异显著。T1、T2、T3、T4各处理单铃重均值分别为9.76、9.65、8.70和8.07 g，其中，T1、T2处理分别与T3、T4处理差异显著。各处理籽棉产量分别为4 938.9、4 969.9、3 946.0、3 031.0 kg/hm2，其中T1、T2处理与T3、T4处理差异显著。此外，T1、T2、T3、T4处理WUE分别为1.33、1.47、1.38和1.23 kg/m3，其中，T1、T2处理与T3、T4处理差异显著。

表3 不同处理棉花产量特征值及水分利用效率分析Tab.3 Analysis of yield, its factors and WUE of cotton

注：不同字母表示不同处理差异显著。

不同处理棉花生育期耗水量及耗水强度见表4。由表4可知，T1、T2、T3、T4处理生育期耗水量分别为310.4、289.8、260.5和227.4 mm，处理间耗水量差异显著，表明棉花生育期耗水量随灌溉定额的增加呈增加趋势。各处理棉花的耗水强度为1.31～1.79 mm/d，大小依次为T1>T2>T3>T4，且两两处理间耗水强度差异均达显著性水平。结合棉花阶段耗水量分析结果可知，各处理棉花耗水量差异主要反映在棉花花铃期～吐絮期间，T1、T2、T3、T4处理在该阶段耗水量依次为187.05、165.48、142.455和127.29 mm，分析原因与该时期棉花处于耗水高峰和处理间灌水定额不同有关。

表4 不同处理棉花生育期阶段耗水量及耗水强度分析Tab.4 Evaluation indexes of stages water consumption for different treatments

注：同列有相同字母表示差异不显著(P<0.05)。

3 结 语

在民勤盆地利用地下苦咸水进行膜下滴灌时，随灌溉定额的增加，棉花生育期0～80 cm土壤含盐量呈增加趋势，但积盐量介于1.17～1.23 g/kg。根据土壤盐渍化等级划分标准，该土质属轻度盐渍化土壤，对盐分敏感的作物，其产量会受到影响，但对耐盐作物，如棉花、甜菜、高粱、谷子等作物无明显影响，表明在该区域适度利用苦咸水进行棉花灌溉，80 cm土体内的盐分累积效应明显，而有限的降雨量又不足以将土壤盐分淋洗到棉花根层以下。但在棉花播种前，春季利用河水进行淋洗可保证棉花生育期0～80 cm土壤含盐量不超过作物耐盐度的临界值，可保证棉花的正常生长发育，土壤也不会长期处于积盐状态。

在武威市民勤沙漠绿洲灌区可适度的合理利用当地的苦咸水资源，膜下滴灌条件下，棉花蕾期灌水2次，初花期、盛花期和铃期各灌水1次，全生育期灌水5次，灌水定额为300 m3/hm2，灌溉定额为1 500 m3/hm2的灌溉制度能达到节水、控盐、保产目的，为最优的灌溉模式。

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