多年膜下滴灌对土壤水盐及棉花产量的影响

杨宏伟，李思恩

（1.甘肃省水利厅石羊河流域水资源利用中心，甘肃武威 733000；2.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083）

膜下滴灌是将地膜与滴灌技术有效的结合起来[1,2]，充分利用了地膜减少蒸发、增温保墒作用和滴灌定时定量供水、减少渗漏和蒸发作用，为作物生长提供良好的生长环境。膜下滴灌条件下灌水入渗能力和土壤毛细管作用较强，有助于土壤盐分向作物行间运移转换[3]；刘建国等对膜下滴灌毛管配置对水分运移及棉花增产效应的影响研究表明，与常规沟畦灌相比，膜下滴灌节水35%～63%，增产籽棉1 200～1 500 kg∕hm2，增产18%～44%[4]；J.E[5]等在美国水管理研究所进行的番茄、棉花和甜玉米等作物为期15 年的膜下滴灌的研究结果表明，膜下滴灌可以显著提高作物的产量和水分利用效率，高频度的灌溉还可以减少深层渗漏量。Ayars[6]等研究了滴灌条件下，灌水间隔对棉花根区湿润体含盐量及作物产量的影响。结果表明，每天灌水土壤剖面含盐量要比每隔一天灌水的低得多，但对棉花产量无明显的影响。膜下滴灌灌溉条件下，棉花生育期灌水6 次，灌水定额为250 m3∕hm2的灌溉制度最优[7]，刘洪亮等对北疆棉区长期膜下滴灌棉田土壤盐分时空变化与次生盐渍化趋势分析表明，长期膜下滴灌棉田，0～40 cm土壤盐分年均积盐达到0.36 g∕kg，盐分表聚现象明显[8]。李明思等对长期膜下滴灌农田土壤盐分时空变化研究表明，经过13年的膜下滴灌，地头裸表层土壤盐分质量分数大于20 g∕kg，存在盐分表聚现象[9]。李文昊研究表明新疆长期膜下滴灌棉田生育期开始前和结束后土壤中盐分呈现显著的浅集表聚分布特征[10]。

甘肃河西内陆河流域气候干旱，戈壁和沙漠是主体地貌类型，地下水位较高并矿化度较大，土壤盐渍化问题十分严重[11]。棉花作为河西走廊主要经济作物，近年来当地大力发展高效节水灌溉技术，特别是采用膜下滴灌水肥一体化方式进行棉花灌溉，极大的提高了作物水分生产效率，但多年采用膜下滴灌水肥一体化灌溉，当地出现了棉花产量下降的情况。在当地常规棉花种植实践经验的基础上，本文采用4年棉花种植大田定位试验，分析研究膜下滴灌条件下多年棉花种植土壤水盐动态变化特征及产量，提出适时调整种植结构和灌溉方式的科学对策，对防止土壤盐碱化，提高作物产量及种植经济效益，增加农民收入，促进当地实现乡村振兴有着重要现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及试验设计

试验在民勤县灌溉试验站进行，试验站海拔1 351 m，东经103°05'，北纬38°37'。地处民勤绿洲和腾格里沙漠交界处，为典型的沙漠绿洲气候。多年平均气温为7.8 ℃，多年平均降水量110 mm，多年平均蒸发量2644 mm，无霜期150 d。平均土壤密度1.54 g∕cm3，田间持水量21.72%，土壤质地为沙壤土，灌溉水矿化度1.20 g∕L，地下水埋深30 m 以下。风大沙多，春季最大风速38 m∕s，多为西北风。

试验于2015 年开始，按照当地常规棉花和葵花交替进行分年度种植，棉花种植年份为2015 年、2017 年、2019 年、2021 年，其余年份为葵花种植，棉花采用膜下滴灌的方式灌溉，设置一个畦灌灌溉作为对照，分年度对棉花种植下土壤水盐数据及产量数据定位采集。供试棉花品种为新陆早7 号，棉花膜下滴灌采用一膜两管四行方式，膜宽120 cm，株距18 cm，行距30 cm。试验设置6 个小区，每小区10 m×50 m，棉花播前进行一次春季储水灌溉，灌水量为1 400 m3∕hm2，灌水设置如表1所示，施肥及农艺措施参照当地。

表1 各处理灌水定额及日期设置表 m3/hm2 Tab.1 Irrigation quota and date setting of treatment

1.2 测定项目和方法

（1）土壤水盐含量测定。棉花各生育期灌水前第5天分层（0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）取样一次，每小区设置3 个重复取样点，每个点用土钻采集6 个样，即滴头下0 处、以滴灌带铺设方向水平距滴头水平距离15、30 cm 处（计作-15 cm，-30 cm），垂直滴灌带铺设方向水平距滴头水平距离10、20、30 cm 处(计作+10 cm，+20 cm，+30 cm)。采用烘干法测定土壤水分，利用ST1-3 型电导率仪测定电导率EC1:5（土水质量比为1:5），根据以下公式计算土壤全盐量：

式中：C为土壤全盐量，g∕kg；EC1:5为土水比为1:5的土壤饱和浸提液的电导率，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。

（2）作物耗水量测定。采用农田土壤水量平衡公式进行耗水量计算。灌水量采用水表进行计量。由于该试验田地下水埋深在30 m以下，可视地下水补给量为0，灌水入渗深度不超过1 m，可视深层渗漏为0。作物生长所需水分主要由灌溉水和降雨供应。因此，水量平衡方程可简化为：

式中：ET为作物生育期耗水量，mm；P为生育期降水量，mm；I为生育期内灌溉量，mm；ΔW为作物生育期土壤蓄水变化量，mm。

土壤蓄水量按照下列公式计算：

式中：W为土壤蓄水量，mm；H为土层深度，cm；D为土壤体积质量，g∕cm3；B为土壤质量含水率，%。

（3）棉花产量及特征值测定。收获时测定果枝数、铃数、单铃重、衣分、绒长、籽棉产量，测产采取小区单打单收方法测定。

（4）降雨量测定。由试验站内自动气象站测定。

（5）数据处理与分析方法。利用SPSS16.0 对试验数据进行方差分析和显著性检验，采用Excel 软件对土壤水分分布制图。

2 结果与分析

2.1 膜下滴灌灌溉处理农田土壤水分动态变化特征

当地常规膜下滴灌灌溉处理下，各年度棉花生育期土壤含水率动态变化如图1 所示。由图1 可知，各年度棉花生育期土壤含水率动态变化基本一致，土壤含水量介于7.89%～25.35%之间。2015 年，各生育期滴头间土壤水分含量变化较滴灌带间显著，滴头间土壤含水量介于7.89%～21.01%之间，滴灌带间土壤含水量介于8.02%～20%之间。苗期滴头间和滴灌带间土壤水分含量较其他生育期低，各年度0～60 cm 土层滴头间和滴灌带间土壤水分含量变化较60～100 cm 土层显著，说明膜下滴灌主要影响棉花耕作层土壤水分，灌水不会产生深层渗漏。0～100 cm 土层滴头间及滴灌带间土壤水分含量变化显著性依次为：2021 年＞2019年＞2017 年＞2015 年，各年份不同生育期滴头间和滴灌带间土壤水分含量随土壤深度的增加呈现“先增-后降-再增”的变化趋势，100 cm 土层处土壤水分含量最大为25.16%，40 cm 土层土壤水分含量变化显著，土壤水分含量介于9.32%～23.05%。每年的棉花生育期灌水定额相同的条件下，随着多年同一耕地种植同一作物，能增加土壤水分，特别是能增加耕作层以下土壤水分含量，改变土壤质地组成。

图1 膜下滴灌各年度棉花生育期土壤水分含量动态变化Fig.1 Dynamic changes of soil moisture content during cotton growth period under drip irrigation under plastic film

2015年，滴头间和滴灌带间随着生育增加，0～60 cm 土层土壤水分含量呈增加趋势，滴头间开花期达到顶峰，滴灌带间蕾期达到顶峰。80～100 cm 土壤水分稳定在14.98%左右。2017 年滴头间和滴灌带间0～60 cm 土层土壤水分差异不显著，数值在15.12%左右变化，60～100 cm 土层随着生育期增加土壤水分含量呈增加趋势，苗期最低，吐絮期最高。2019 年苗期0～60 cm 土层滴头间和滴灌带间土壤水分含量均低于其他生育期，苗期滴头间土壤水分含量较蕾期、开花期、吐絮期分别低32%、26%、11%，苗期滴灌带间土壤水分含量较蕾期、开花期、吐絮期分别低29%、15%、36%。60～100 cm 土层滴头间和滴灌带间土壤水分含量变化基本一致。2021年0～60 cm土层滴头间较滴灌带间土壤水分含量差异不显著，滴灌带间土壤水分含量表现为吐絮期＞蕾期＞开花期＞苗期，滴头间土壤水分含量表现为蕾期、开花期、吐絮期基本一致，均高于苗期。

2.2 膜下滴灌灌溉处理农田土壤盐分年际变化

棉花苗期滴灌带带间和滴头间各年度土壤不同深度盐分含量如表2所示，播前春季储水灌溉后，各年度土壤表层盐分含量较棉花收获后低，各年度0～40 cm 土层土壤盐分在0.56～1.03 g∕kg 区间变化，随着耕种年份增加，棉花根层0～40 cm 土壤盐分呈显著增加趋势，最大增加率81%，出现在20～40 cm土层，而80～100 cm 土层土壤盐分含量年际变化不显著，年际增加率在-4%至2%之间（负值表示减少）。棉花苗期滴头间各年度0～40 cm 土层土壤盐分在0.57～1.02 g∕kg 区间变化，随着耕种年份增加，棉花根层0～40 cm 土壤盐分呈显著增加趋势，最大增加率73%，出现在10～20 cm土层，而80～100 cm土层土壤盐分含量年际变化不显著，年际增加率在-2%～5%之间（负值表示减少）。苗期0～100 cm 土壤剖面滴灌带带间盐分含量2021 年、2019 年、2017 年分别较2015 年增加38%、29%、23%，滴头间盐分含量2021 年、2019 年、2017 年分别较2015年增加35%、22%、9%，表明滴灌带带间盐分含量增加较滴头间显著，分别高出3%、7%、14%。2015 年至2021 年苗期0～100 cm 土层滴灌带带间土壤盐分含量均高于滴头间，分别高1%、14%、12%、4%，说明随着耕种年份增加，苗期土壤0～100 cm 剖面土层含盐量呈增加趋势，滴灌带带间盐分含量累积较滴头间显著，20～40 cm土层尤为显著。

表2 苗期0～100 cm土层土壤盐分年际变化Tab.2 interannual variation of soil salinity in 0～100 cm soil layer at seedling stage

棉花蕾期滴灌带带间和滴头间各年度土壤不同深度盐分含量如表3 所示，各年度0～40 cm 土层土壤盐分在0.52～0.95 g∕kg 区间变化，随着耕种年份增加，棉花根层0～40 cm土壤盐分呈显著增加趋势，最大增加率38%，出现在10～20 cm 土层，而80～100 cm 土层土壤盐分含量年际变化不显著，年际增加率在-2%～5%之间（负值表示减少）。棉花苗期滴头间各年度0～40 cm 土层土壤盐分在0.51～0.91 g∕kg 区间变化，随着耕种年份增加，棉花根层0～40 cm 土壤盐分呈显著增加趋势，最大增加率35%，出现在0～10 cm 土层，而80～100 cm 土层土壤盐分含量年际变化不显著，年际增加率在3%～6%之间。蕾期0～100 cm 土壤剖面滴灌带带间盐分含量2021 年、2019 年、2017 年分别较2015 年增加25%、15%、7%，滴头间盐分含量2021 年、2019 年、2017 年分别较2015 年增加21%、10%、7%，表明滴灌带带间盐分含量增加较滴头间显著，分别高出4%、5%、0。2015 年至2021年苗期0～100 cm 土层滴灌带带间土壤盐分含量均高于滴头间，分别对应高4%、5%、9%、8%，说明随着耕种年份增加，蕾期土壤0～100 cm 剖面土层含盐量呈增加趋势，滴灌带带间盐分含量累积较滴头间显著，20～40 cm 土层尤为显著。

表3 蕾期0～100 cm土层土壤盐分年际变化Tab.3 Interannual variation of soil salinity in 0～100 cm soil layer at bud stage

棉花开花期滴灌带带间和滴头间各年度土壤不同深度盐分含量如表4 所示，各年度0～40 cm 土层土壤盐分在0.52～1.18 g∕kg 区间变化，随着耕种年份增加，0～60 cm 土层土壤盐分呈显著增加趋势，最大增加率74%，出现在20～40 cm 土层，而80～100 cm 土层土壤盐分含量年际变化不显著，年际增加率在-4%～4%之间（负值表示减少）。棉花开花期滴头间各年度0～40 cm 土层土壤盐分在0.52～0.83g∕kg 区间变化，随着耕种年份增加，0～60 cm 土层土壤盐分呈显著增加趋势，最大增加率59%，出现在40～60 cm 土层，而80～100 cm 土层土壤盐分含量年际变化不显著，年际增加率在-4%～3%之间（负值表示减少）。开花期0～100 cm 土壤剖面滴灌带带间盐分含量2021 年、2019 年、2017 年分别较2015 年增加41%、27%、13%，滴头间盐分含量2021 年、2019 年、2017 年分别较2015 年增加26%、15%、3%，表明滴灌带带间盐分含量增加较滴头间显著，分别高出15%、12%、10%。2015-2021年开花期0～100 cm 土层滴灌带带间土壤盐分含量均高于滴头间，分别对应高6%、16%、17%、18%，说明随着耕种年份增加，开花期土壤0～100 cm 剖面土层含盐量呈增加趋势，滴灌带带间盐分含量累积较滴头间显著，40～60 cm 土层尤为显著。

表4 开花期0～100 cm土层土壤盐分年际变化Tab.4 Interannual variation of soil salinity in 0～100 cm soil layer at flowering stage

棉花吐絮期滴灌带带间和滴头间各年度土壤不同深度盐分含量如表5 所示，各年度0～40 cm 土层土壤盐分在0.49～0.95 g∕kg 区间变化，随着耕种年份增加，0～60 cm 土层土壤盐分呈显著增加趋势，最大增加率67%，出现在40～60 cm 土层，而80～100 cm 土层土壤盐分含量年际变化不显著，年际增加率在-3%～7%之间（负值表示减少）。棉花吐絮期滴头间各年度0～40 cm 土层土壤盐分在0.52～0.83 g∕kg 区间变化，随着耕种年份增加，0～60 cm 土层土壤盐分呈显著增加趋势，最大增加率41%，出现在40～60 cm 土层，而80～100 cm 土层土壤盐分含量年际变化不显著，年际增加率在-2%～5%之间（负值表示减少）。吐絮期0～100 cm 土壤剖面滴灌带带间盐分含量2021 年、2019 年、2017 年分别较2015 年增加31%、20%、18%，滴头间盐分含量2021 年、2019 年、2017 年分别较2015 年增加25%、11%、3%，表明滴灌带带间盐分含量增加较滴头间显著，分别高出6%、9%、15%。2015 年至2021年吐絮期0～100 cm 土层滴灌带带间土壤盐分含量均高于滴头间，分别对应高-5%、16%、9%、5%，说明随着耕种年份增加，开花期土壤0～100 cm 剖面土层含盐量呈增加趋势，滴灌带带间盐分含量累积较滴头间显著，40～60 cm 土层尤为显著。

表5 吐絮期0～100 cm土层土壤盐分年际变化Tab.5 Interannual variation of soil salinity in 0～100 cm soil layer at boll opening stage

棉花收获后滴灌带带间和滴头间各年度土壤不同深度盐分含量如表6 所示，各年度0～40 cm 土层土壤盐分在0.88～1.63 g∕kg 区间变化，随着耕种年份增加，0～60 cm 土层土壤盐分呈显著增加趋势，最大增加率66%，出现在10～20 cm 土层，而60～100 cm 土层土壤盐分含量年际变化不显著，年际增加率在-1%～9%之间（负值表示减少）。棉花收获后滴头间各年度0～40 cm土层土壤盐分在0.88～1.46 g∕kg区间变化，随着耕种年份增加，0～60 cm 土层土壤盐分呈显著增加趋势，最大增加率65%，出现在10～20 cm 土层，而80～100 cm 土层土壤盐分含量年际变化不显著，年际增加率在-3%～4%之间（负值表示减少）。收获后0～100 cm 土壤剖面滴灌带带间盐分含量2021 年、2019 年、2017 年分别较2015 年增加43%、19%、9%，滴头间盐分含量2021 年、2019 年、2017 年分别较2015 年增加43%、18%、9%，此时滴灌带带间盐分含量增加率与滴头间相当，盐分主要累积在0～60 cm 土层。2015 年至2021 年吐絮期0～100 cm 土层滴灌带带间土壤盐分含量均高于滴头间，分别对应高9%、10%、11%、10%，说明随着耕种年份增加，收获后土壤0～100 cm 剖面土层含盐量呈增加趋势，滴灌带带间盐分含量累积较滴头间显著，10～20 cm土层尤为显著。

表6 棉花收获后0～100 cm土层土壤盐分年际变化Tab.6 Interannual variation of soil salinity in 0～100 cm soil layer after cotton harvest

2.3 膜下滴灌灌溉处理各年度棉花产量和水分利用效率

各年度常规膜下滴灌灌溉处理下棉花产量及产量特征值如表7所示。随耕种年份增加棉花的株高、铃数、铃重、衣分呈现减小的变化趋势，2021 年的株高、铃数、铃重、衣分较2015年分别减小16%、21%、14%、7%，2015年株高、铃数、铃重、衣分与2021 年其对应值达显著性差异水平（p＜0.05），说明连续常规膜下滴灌灌溉耕种下棉花的株高、铃数、铃重、衣分值减小较大。各年度对应籽棉产量结果表明，随着耕种年份增加产量呈下降趋势，表现为2015 年＞2017 年＞2019 年＞2021 年，2015 年产量较2017 年、2019 年、2021 年分别高2.1%、2.3%、8.1%，2015 年与2021 年的产量值达显著性差异水平（p＜0.05）。各年度棉花水分利用效率（WUE） 介于1.28～1.42 kg∕m3之间，在同一尺度膜下滴灌灌溉定额下水分利用效率（WUE）表现为：2015 年＞2017 年＞2019 年＞2021年，2015 年较2017 年、2019 年、2021 年分别高2.1%、2.2%、6.3%，2015 年与2021 年的水分利用效率（WUE）值达显著性差异水平（p＜0.05）。

表7 棉花产量特征值及水分利用效率分析Tab.7 Analysis of cotton yield characteristics and water use efficiency

3 讨 论

本试验是按照当地常规倒茬种植作物进行，定位监测膜下滴灌条件下，棉花农田土壤水盐动态变化特征、棉花产量及水分利用效率，而对葵花连续3 年的种植（2016 年、2018年、2020 年）土壤水盐特征及葵花产量、水分利用效率尚未监测，在今后的试验研究中结合葵花种植，在更长系列膜下滴灌条件下，还需进一步研究土壤水盐动态变化特征、作物产量及水分利用效率。

4 结 论

（1）棉花苗期滴头间和滴灌带间土壤水分含量较其他生育期低，各年度0～60 cm 土层滴头间和滴灌带间土壤水分含量变化较60～100 cm 土层显著，膜下滴灌主要影响棉花耕作层土壤水分，灌水不会产生深层渗漏。滴头间土壤水分含量表现为蕾期、开花期、吐絮期基本一致，均高于苗期。

（2）棉花各生育期滴灌带带间盐分和滴头间盐分含量随着耕种年份增加而增加，生育期20～60 cm 土层内滴灌带带间盐分含量增加较滴头间显著，最大增加幅度出现在收获后。2021 年0～100 cm 土层滴灌带带间盐分含量较2015 年增加44%、滴头间盐分含量较2015 年增加42%。2021 年收获后滴灌带间0～100 cm 土层盐分含量较2015 年增加82%，2021 年收获后滴头间0～40 cm土层盐分含量较2015年增加117%。

（3）2021 年棉花产量及水分利用效率较2015 年降低均接近10%，同一农田按照当地常规种植模式连续在膜下滴灌灌溉处理下种植棉花，从第四茬种植棉花开始，棉花的籽棉产量及其水分利用效率（WUE）明显降低，从土壤水盐环境、经济及高效利用水资源的角度出发，建议同一耕地连续在膜下滴灌灌溉处理下，种植棉花从第四茬起进行种植结构调整，或进行灌溉方式调整，采用畦灌、沟灌、管灌等，或同时进行种植结构和灌溉方式调整，达到降低耕作层土壤盐分含量，进而为作物生长创造良好水盐环境，提高作物产量。