咸水灌溉对土壤理化性质和棉花产量的影响

王泽林，杨广*，王春霞，刘赛华，何新林，李发东，任富天，龙爱华

(1石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000; 2 中国科学院地理科学与资源研究所，北京，100101;3中国科学院大学，北京 100049)

目前，水资源已成为制约国民经济发展的瓶颈，国民经济的增长趋势，直接依赖于水资源开发利用决策的优劣，研究和采取有效措施解决日益短缺的水资源问题是水利可持续发展以及国民经济可持续发展的重大方略[1]。中国咸水资源储量丰富，分布于地下的微咸水资源约200亿m3/a，其中每年可供开采的为130亿m3，且大部分分布在地下10～100 m范围，宜于开采利用的潜力很大[2]。研究结果显示，利用咸水、微咸水灌溉的关键是选择恰当的灌溉方式[3-4]；滴灌作为一种水分利用效率高的局部灌溉形式,大部分灌溉水通过植物的蒸腾作用而消耗[5]；在干旱高温条件下土壤水分大量蒸散，引起土壤pH值升高，使土壤不断碱化，棉花生长缓慢、生育期缩短，从而导致产量和品质下降[6-7]。利用微咸水灌溉一方面增加了土壤湿度，降低土壤溶液的浓度及渗透压，利于作物吸收水分，另一方面也增加了从灌溉水带进土壤中的盐分。吴忠东等研究结果表明，灌溉水的矿化度、灌溉次数及水量决定了土壤盐分增加的多少[8]，另外，如果在当地长期使用微咸水灌溉，应尽量采用3 g/L以下的微咸水，或采取措施调控土壤盐分平衡状况，避免因积盐而影响作物的出苗率和正常生长[9];郭太龙等[10]对不同矿化度的微咸水垂直一维积水入渗的研究结果表明，在矿化度1～5 g/L范围内土壤积盐量随入渗水矿化度的增加而增大的幅度最大。

地下水和地表水中水化学组分的形成与其补给、径流和排泄条件、赋存条件、周边环境等多种因素有关，充分利用水化学资料可以揭示地下水和地表水的形成及循环规律[11]。利用Piper 三线图、主要离子比值关系、同位素技术分析地下水水化学组成的时空分布特征及区域水化学类型及其形成的主要控制因素，有助于了解区域地下水循环过程[12]。长期灌溉微咸水会逐年降低土壤水初始入渗率，当灌溉水浓度达到某一临界值时，盐分在一定深度的土层内聚集明显增大，而且不同作物的灌溉水浓度临界值不同[13]；另外，连续灌溉当地浅层地下微咸水会使0～5 cm土层土壤质量恶化程度较严重，需要采取土壤和生物措施、或通过灌溉技术控制其盐及有害的钠、氯等离子[14-15]。本文研究微咸水滴灌条件下不同矿化度水处理对棉花产量和土壤理化性质的影响，从而为微咸水安全利用提供一定的科学依据。

1 实验材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于新疆自治区玛纳斯河流域石河子大学节水灌溉试验站,该试验站地处新疆生产建设兵团第八师石河子市石河子大学农试场二连。该地区平均海拔高度为400 m左右，属于典型的干旱荒漠气候；水资源匮乏，年降水量125.0～207.7 mm，且年内分配不均，6—9月降水量占全年的55%～70%以上，年蒸发量1000～1500 mm，干旱指数为15～25；地下水位埋藏比较深，达9 m。该地区却是典型的光热资源优越区，年均气温为7.9～8.7 ℃，大于0 ℃积温为4023～4118 ℃，全年日照时数达2721～2818 h以上，无霜期168～171 d。

1.2 实验方案

1.2.1 试验设计及实施

试验于2018年4月16日播种，采用测坑种植棉花进行试验，棉花品种为农丰133号，棉花测坑共15个测坑，采用2.05 m超宽膜机采棉配置，行距为40 cm+20 cm+80 cm+20 cm+40 cm，株距20 cm。棉花的测坑规格为2 m×2m×2 m，底部设30 cm反滤层，四周侧壁进行防渗处理。供试土壤为中壤土，土壤平均容重为1.46 g/cm3，田间持水率为19.13%(质量含水率)。灌水方式为滴灌，潜水泵加压，滴头流量为7.9～10.5 L/h，滴头布置于距作物的基径约5 cm处；灌溉水质为微咸水与咸水，根据新疆准噶尔南缘莫索湾灌区地下水的主要组成成分，灌溉水溶液由人工配置而成，所配化学药品NaHCO3、Na2SO4、NaCl、CaCl2、MgCl2的质量比为1∶7∶8∶1∶1。对测坑棉花主要进行盐分处理实验，测坑棉花的灌溉水盐分处理分别设5个处理，分别为1、3、6、9、12 g/L。棉花的灌水下限范围为相对田间持水率的35%～45%，棉花的灌水上限为相对田间持水率80%。以上每个处理设3个重复。

棉花灌水设计如下：苗期到蕾期灌一次淡水；蕾期到花铃期每8天灌一次微咸水或咸水，共灌3次水；花铃期到吐絮期每7天灌一次微咸水或咸水，共灌7次水；吐絮期到收获期停止灌水。每个测坑每次灌水量相同，每个测坑灌溉定额为320 m3/667 m2，灌溉棉花的肥料随水滴施，打顶等田间管理措施随试验基地统一管理。试验土壤的基本理化性质见表1。

1.2.2 数据监测

(1)土壤含水率。灌水前一天取1 m深的土壤，从地表0 cm开始，每隔20 cm取一个，每个测坑取5个样，全生育期共取12次样，每次所取土样采用烘干称重法测得土壤含水率。

(2)土壤电导率(EC)。在灌水前一天取土样，将土样风干磨碎后用5 mm筛子筛，之后按照1∶5的水土比例配成悬浊液，震荡均匀后过滤，静置2 h后采用上海雷磁DDS-11 A电导率仪测土壤电导率(EC)。

(4)土壤pH。采用电位法利用酸度计、玻璃电极和pH复合电极测定土壤pH。以上测定均重复3次，取其平均值。

(5)棉花产量。在棉花采收前测定产量，统计各处理的棉花播种面积和收获量，并计算单位面积产量。

1.2.3 数据分析

采用Excel2018整理数据，应用Origin画图软件并运用舒卡列夫分类和Piper三线图等方法处理、分析数据。

2 结果与分析

2.1 土壤含水率的变化及分析

土壤水分是影响棉花生理生长的重要因素，土壤水分的动态变化影响着棉花的正常生长，土壤的水分越充足，越有利于棉花的生理生长，同时，外在环境的日照辐射、水分蒸发、自然降雨和人为灌溉方式等都会对棉花的生理生长产生重要的影响。

由图1可以看出：

(1)棉花0～100 cm土体含水率呈现不同程度的波动，0～20 cm土层水分波动主要是灌水后强烈的棵间蒸发导致，且棉花都是幼苗，冠层覆盖度小，土面蒸发强度大，导致水分剧烈变化。在20～80 cm土层，棉花耗水剧烈，水分变化突出，说明棉花根系分布主要在这一土层，所以灌水湿润层应该在土壤80 cm之内，但是由于中壤土容易渗漏，考虑灌溉到100 cm左右的土层比较符合实际需要，这样既可满足棉花的正常需水，又能使水分充分合理利用。

(2)不同处理下棉花的土壤含水率随时间变化过程基本一致，在棉花生长的中后期土壤含水率随矿化度的增大呈增加趋势，含水率大小顺序为12 g/L处理>9 g/L处理>6 g/L处理>3 g/L和1 g/L处理。可见，在不同矿化度处理下，灌水矿化度12、9、6 g/L对棉花根系吸水的影响更严重，导致部分水留在土壤中不能被吸收利用，而灌水矿化度3 g/L有利于棉花吸收土壤水分。分析其原因主要是，微咸水和咸水灌溉带入的盐分使土壤水势降低，对棉花造成盐分胁迫，从而影响棉花对土壤水分的吸收。

(3)土壤剖面表层(0～20 cm含水率)低，中间层(20～80 cm)含水率较高，底层(80～100 cm)含水率较低。分析其原因主要是，由于日照强烈，蒸发强度大，土壤水分散失速度较快，表层土壤保水性差，水分易于蒸发和入渗，所以含水率低；中间土壤为壤土层，灌溉的水多存储于中间层，保水性好；底层土壤为壤土层，在棉花生育期内只有灌溉量较大时灌溉水才能补给到该层，该层土壤含水率略低于中间层。

(4)当矿化度低于6 g/L时，土壤积累的盐分不会对棉花吸收水分产生严重影响，同时适宜的含水率应在10%～20%。

图1 不同矿化度处理下不同土层棉花土壤水分动态变化Fig.1 Dynamic changes of soil moisture in cotton under different salinity treatments

2.2 土壤电导率(EC)的变化及分析

土壤电导率是土壤中水溶性盐的指标，与土壤全盐含量相比土壤电导率更准确。不同矿化度处理条件下棉花生育期内土壤电导率值分布见图2。

由图2可知:灌溉微咸水和咸水会导致土壤盐分的积累,特别是表层0～20 cm土壤最为明显，其土壤的含盐度较高，土壤电导率(EC)值范围在0.30～2.1 ms/cm之间，接近或超过1.5 ms/cm的比较普遍。

在播前，各处理0～100 cm土层土壤电导率值在0.3～1.19 ms/cm，各处理间的电导率值变化规律基本一致。

进入苗期，各处理土壤电导率值较播前增加，其中，1、3、6、9、12 g/L处理0～20 cm土壤电导率分别为0.31、0.62、0.45、0.69、0.54 ms/cm，各处理0～100 cm土层内，土壤电导率值随土壤深度的增加呈增加趋势。分析其原因主要是，棉花在苗期灌淡水，灌溉的水量将灌溉水中的盐分淋洗到作物耕层以外。

进入蕾期，各处理0～100 cm土壤电导率变化曲线随深度呈“单峰曲线”型，1、3、6、9、12 g/L处理0～20 cm土层电导率值最高，土壤电导率值分别为 0.91、1.52、1.68、1.75和1.93 ms/cm；60～80 cm土层电导率值最低，分别为 0.53、0.38、0.72、0.71和0.34 ms/cm，表明在微咸水灌水作用下，各处理在0～20 cm土层发生积盐现象，在60～80 cm土层内发生脱盐现象。

进入花铃期，各处理均呈现表层土壤电导率值逐渐增加、深层土壤电导率值逐渐降低趋势，且处理间0～100 cm土壤电导率值差异较蕾期明显。

在吐絮期，各处理土壤电导率在微咸水灌水的作用下，较前期土壤电导率值有所增加。其中在0～20 cm土层发生积盐现象，1、3、6、9、12 g/L处理土壤电导率值分别为 1.3、1.72、2.01、2.1和2.38 ms/cm。

上述结果表明：在不同矿化度水灌溉条件下，0～20 cm土壤处于积盐状态，20～100 cm土层积盐较小，通过降雨和淡水灌溉淋洗，可使棉花根区土壤的盐分保持在安全限度内。

2.3 土壤八大离子的变化及分析

各处理棉花生育期0～20 cm土壤八大离子变化如图3所示。

由图3可知：

2.4 不同矿化度处理下土壤溶液水化学特征的变化及分析

图4 不同矿化度处理土壤溶液piper三线图Fig.4 Piper plot of soil solution with different salinity

2.5 土壤pH的变化及分析

各处理棉花生育期土壤pH变化如图5所示。由图5可知：在棉花整个生育期内，土壤pH值呈单峰曲线型变化，在蕾期达到最大值，在1、3、6、9、12 g/L处理下土壤pH值分别为8.435、8.57、8.85、8.93和8.95。分析其原因是，由于灌水的增加导致盐分随灌水移动，微咸水中的Na+主要富集在滴头附近，而Mg2+和Ca2+被优先淋洗到湿润体边缘，经过一系列的化学反应改变了远离滴头边缘土壤的碱性，使得碱度在花铃期和吐絮期明显降低。

图5 棉花不同生育期土壤pH值Fig.5 Soil pH value at different growing stages of cotton

2.6 棉花产量的变化及分析

微咸水矿化度为或低于3 g/L，且在棉花盛花期前滴灌，棉田土壤含盐量不会显著增加，对棉花产量也无显著影响[18]。当灌溉微咸水矿化度低于3 g/L时，作物产量无显著变化，而大于3 g/L时，土壤的入渗能力减小，脱盐效果降低，盐分在土壤表层积累后，不利于土壤水分的蒸发，而盐分在土壤不断积累，抑制棉花根系对水分和养分的吸收，导致产量降低[19-21]。

图6 棉花产量变化Fig.6 Changes in cotton yield

3 结论

(1)当矿化度低于6 g/L时，土壤积累的盐分不会对棉花吸收水分产生严重影响；适宜的土壤含水率为10%～20%；在不同矿化度水灌溉条件下，0～20 cm土壤处于积盐状态，20～100 cm土层积盐较小，通过降雨和淡水灌洗可使棉花根区土壤的盐分保持平衡。

(3)当离子含量积累到一定程度时将导致土壤的碱化，从而影响土壤的入渗和传导能力，影响棉花的正常生长，最终导致棉花产量的下降。

(4)在棉花蕾期、花铃期和吐絮期,土壤pH值随矿化度的增大而增大。

(5)棉花产量随灌水矿化度的增加而减小；用较低矿化度的微咸水灌溉棉花，对棉花的生长具有一定的促进作用，综合各种因素0～6 g/L是微咸水灌溉棉花适宜的矿化度。