土壤水分调控对棉花生长和土壤水盐分布的影响

姬清元，张富仓，肖 超，刘小强，孙 鑫，杨 玲

(西北农林科技大学 旱区农业水土工程教育部重点实验室/旱区节水农业研究院，陕西 杨凌712100)

土壤盐碱化和水资源短缺是制约干旱地区农业发展的重要瓶颈[1-2]，特别是位于欧亚大陆腹地的新疆地区，干旱少雨，蒸发强烈，水资源短缺，不合理灌排引起的农田土壤次生盐渍化严重制约着该地区的农业生产和可持续发展[3-5]。同时，新疆是我国最重要的棉花生产基地，2019年新疆棉花种植面积25 405 km2，棉花产量占全国总产量的80%，棉花收入占农民收入的30%以上[6]。近年来，广泛实施膜下滴灌技术,对促进该地区的农业节水和作物高效生产具有很大作用。但对于盐碱化农田，长期大规模的膜下滴灌达不到排盐、洗盐效果，耕层区土壤年均积盐量达到0.36 g/kg[7-8]，加之灌溉制度不尽合理，地下水位上升、土壤次生盐渍化严重，产生了新的水盐平衡问题。作为重要的后备土地资源，其改造治理及合理开发利用显得尤为必要[9]。因此，研究适合于该地区的农田节水控盐高效灌溉技术，对于有限水资源条件下作物高效生产和农业可持续发展具有重要的理论与实际意义。

20世纪90年代以来，国内外诸多学者针对干旱区土壤水分调控灌溉对土壤水分有效性以及棉花生长的影响进行了大量的研究，提出了基于棉田土壤水分下限调控的测墒灌溉制度[9-10]、基于生育期农田蒸散量的灌溉制度[11-12]，更多学者研究调亏灌溉条件下棉田的节水灌溉制度[13-14]。这些灌溉调控方法能有效地调控棉田土壤水分状况，达到节水高效生产的目的。但对于盐碱化农田，仅从土壤水分含量调控来制定灌溉制度还不能完全反映根区土壤水分的有效性，用土壤水势能更好地反映土壤中可供植物吸收的有效水分[12]。研究发现，在滴灌条件下，棉田控制滴头正下方20 cm深度处的土壤基质势，可反映作物根系分布范围内的土壤水分状况；在盐碱土壤改良中，采用土壤基质势调控灌溉能显著影响水盐分布，根区土壤含水量随着基质势的增加而增大，且脱盐效果较好，当滴头下基质势为-5 kPa时土壤全剖面中脱盐率为64.4%，对土壤结构改良效果较好，棉花产量可达到研究区非盐渍土平均水平的84%[15-16]。

目前国内外学者对膜下滴灌土壤基质势调控灌溉研究及棉田的节水灌溉制度取得了较多成果，但对于盐碱化棉田，如何利用土壤基质势调控灌溉对棉花生长、干物质累积、产量以及土壤水盐运移的影响还鲜有报道，特别是土壤基质势调控水平对不同生育期棉田水盐分布及棉花生长的影响机制还不明确。为此，本研究通过大田棉花膜下滴灌试验，研究不同生育期土壤基质势调控水平对棉花生长指标、产量构成和土壤水盐分布的影响，利用TOPSIS法进行综合评价，明晰适宜棉花生育期土壤基质势调控下限，为北疆棉田制定节水控盐高效灌溉制度提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年4月中旬至9月下旬在石河子市146团新疆天业节水有限公司试验基地进行，试验田位于东经85°56′58″，北纬44°33′03″，海拔为150 m左右，属于温带大陆性干旱气候，无霜期约170 d，多年平均日照时数2 840 h，棉花生长季(4-9月)多年平均降水量207 mm，平均蒸发量1 660 mm，地下水位埋深在3 m以下，无地下水补给，土壤pH为8.2。棉花播种前土壤基本理化性质见表1。

表1 棉花播种前土壤的基本性质

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，设土壤基质势水平和不同生育期灌溉2个因素，以生育期调控为主区，土壤基质势水平为副区，在未冬灌的棉田设置-10 kPa(W1)、-20 kPa(W2)和-30 kPa(W3)3个土壤基质势水平，分别在棉花的苗期(A)、苗期+蕾期(B)和苗期+蕾期+花铃期(C)进行W1、W2、W3基质势水平的调控灌溉，各处理在非调控的生育期内以-40 kPa基质势水平灌溉，并在未冬灌棉田生育期设置-40 kPa土壤基质势水平(CK)，共计10个处理，每个处理重复3次，共计30个小区，试验方案如表2所示。

表2 棉花生育期土壤基质势灌溉调控方案

供试棉花品种为“新陆早42号”，其生育期121 d左右。2020年4月20日播种，9月15日收获，采用“干播湿出”技术，采用当地传统的1膜3管6行种植模式，其中宽行、窄行和膜间裸地间距分别为44，10和56 cm(图1)，小区面积为7.02 m×10 m，各小区之间设置1 m的保护行防止侧渗。将张力计埋设于滴灌带下20 cm监测土壤基质势进行实时灌溉，每天08:00和20:00进行读数，到达所设定的土壤基质势水平就进行灌溉，参考当地水面蒸发量设置灌水量为15 mm，记录总灌水量(表3)。在棉花的蕾期、花铃期进行施肥，总计施肥10次，每次的施肥量相同。棉花生育期平均总施肥量为：纯N 250 kg/hm2，P2O5100 kg/hm2，K2O 50 kg/hm2，灌溉方式采用当地统一的膜下滴灌方式。其他农艺管理措施如打顶、打药、中耕等均与当地高产棉田保持一致。

图1 棉花田间种植模式

表3 不同处理棉田的灌水方案

1.3 测定项目与方法

1.3.1 株高、茎粗、干物质量和叶面积指数 棉花吐絮期(9月3日)，在每个小区随机选取6株棉花植株，用米尺(精度1 mm)测定株高和茎粗。分别于苗期(5月23日)、蕾期(6月25日)、花铃期(7月22日)、吐絮期(9月3日)在每个小区选取6株长势一致的植株，将地上部分各器官(棉叶、株茎、棉铃、棉铃壳和籽棉)于105 ℃杀青30 min，然后在75 ℃下烘干至质量恒定，用电子天平测定其干物质量。

分别于棉花播后30，60，90，105及120 d，在每个小区随机选取6株棉花植株，利用打孔法[17]测定植株的叶面积。根据叶面积计算叶面积指数(leaf area index,LAI)，叶面积指数为单位土地面积上棉花叶片总面积与土地面积的比值。

1.3.2 土壤含水率和农田耗水量 在棉花播种后各个生育时期内(5月17日、6月6日、7月9日、7月20日、8月8日、8月27日、9月8日)，分别于棉花宽行中间、滴灌带正下方、窄行中间和膜间裸地4个位置，用土钻采集0～100 cm土层土样(20 cm为1层，共5层)，用烘干称重法来测定其含水率。利用水量平衡法计算棉田生育期耗水量[18]：

ET=ΔW+I+P+K-R-D。

(1)

式中：ET为棉田生育期耗水量(mm)；ΔW为播前与收获期土壤储水量的差值(mm，计算时取0～100 cm土层)；I为灌水量(mm)；P为生育期有效降雨量(mm)，如果降雨量小于当日参考蒸发蒸散量的20%，可以视为无效降雨[19]；K为地下水补给量(mm)；R为地表径流量(mm)；D为深层渗漏量(mm)。在膜下滴灌条件下，当地下水埋深大于3 m时，可忽略地下水补给量，基本不产生地表径流和深层渗漏[20]，因此本研究中K、R、D取值0。

1.3.3 产量和水分利用效率 于棉花收获期(9月15日)，在每小区内随机选取3个1 m×1 m样方，测定其中棉花的有效铃数、烘干后单铃质量、籽棉产量，最后换算为每公顷产量。水分利用效率(WUE)的计算公式为[21]：

WUE=Y/(10ET)。

(2)

式中:WUE为水分利用效率(kg/m3)，Y为籽棉产量(kg/hm2)，ET为棉花全生育期累积耗水量(mm)。

1.3.4 土壤盐分 在棉花播种前及收获之前(9月8日)，分别于宽行中间、滴灌带正下方、窄行中间及膜间裸地中间4个位置，用土钻采集0～100 cm土层土样，将取回的土样经自然风干后碾压过孔径2 mm标准筛，取10 g土样与去离子水按1∶5质量体积比搅拌混合，静置澄清后，用上海雷磁DDS-11A电导仪测定上清液电导率，根据电导率和土壤含盐量的拟合关系式，计算土壤含盐量：

SC=0.005 9EC。

(3)

式中:SC为土壤含盐量(g/kg)，EC为电导率(μS/cm)。

脱盐率及相对脱盐率的计算公式[20]为：

D=(T-E)/T×100%，

(4)

Rr=(DCK-Dx)/DCK×100%。

(5)

式中:D为脱盐率，T为土壤初始含盐量；E为生育期末(9月8日)土壤含盐量；Rr为相对脱盐率，当Rr>0时为相对脱盐，Rr<0时为相对积盐，Rr越大，表明脱盐效果越好；Dx为处理组的脱盐率，DCK为对照组的脱盐率。

1.3.5 TOPSIS综合评价法 采用TOPSIS综合评价法对10个处理进行评价，以确定当地未淋洗棉田灌水时期最合适的基质势控制方案。考虑棉花的高效生产以及节水控盐效果，将株高(X1)、茎粗(X2)、叶面积指数(播后105 d，X3)、吐絮期干物质累积量(X4)、有效铃数(X5)、单铃质量(X6)、产量(X7)、耗水量(X8)、水分利用效率(X9)和相对脱盐率(X10)作为评价指标。本试验中TOPSIS综合评价法参照Wang等[22]的方法进行构建与计算,具体步骤包括：

(1)计算各指标的最大值和最小值，分别组成最优解向量和最劣解向量；

(2)分别计算各处理到最优解的距离Si*和到最劣解的距离Si-；

(3)计算各处理对理想解的相对接近度Ci*，Ci*=Si-/(Si*+Si-)，Ci*∈[0，1]，Ci*越接近于1，评价水平越高，反之，则评价水平越低。

1.4 数据处理

试验数据利用Excel 2010整理；使用SPSS 20.0 软件对不同处理间各指标进行单因素方差分析和多重比较(Duncan法，α=0.05)，数据均用“平均值±标准误差”表示。用Origin 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同生育期土壤基质势调控对棉花株高和茎粗的影响

由图2可以看出，棉花吐絮期株高和茎粗变化规律基本一致。不同土壤基质势水平调控下，棉花的株高和茎粗存在差异。在同一生育期，土壤的基质势越高，株高和茎粗越大，其中W1C处理株高最高，为60.4 cm，相较于W2、W3、CK处理，W1处理的平均株高分别增加了8.0%，18.2%，32.3%，W1C处理茎粗最大，为9.5 mm。在同一土壤基质势水平下，株高和茎粗由大到小表现为WC>WB>WA>CK，相较于WB、WA、CK处理，WC的平均株高和茎粗分别增加了9.6%，20.2%，33.7%和26.2%，30.1%，40.2%。可知随着基质势水平的提高及生育期调控的延长，棉花的株高增加明显，茎粗也有一定程度的增加。

图2 不同生育期土壤基质势调控对吐絮期棉花株高和茎粗的影响

2.2 不同生育期土壤基质势调控对棉花叶面积指数的影响

由图3可以看出，在3个生育期进行调控时，苗期-花铃期(播种后30～105 d)内，W1、W2和W3处理叶面积指数不断增加并于播种后105 d达到峰值，其中在苗期-蕾期阶段(30～60 d)叶面积指数增速较大，且各处理增速基本相同；蕾期-花铃期(60～90 d)叶面积指数持续增加；花铃期后(播种后105～120 d)，棉花停止灌水，并开始吐絮，棉叶逐渐脱落，各处理叶面积指数均有不同程度的下降；在苗期-花铃期(播种后30～90 d)，CK的叶面积指数呈增大趋势，并于播种后90 d达到峰值，之后随着生育期的延长，叶面积指数呈下降趋势。在同一生育阶段利用不同土壤基质势控制灌溉时，各处理叶面积指数基本呈现W1>W2>W3>CK，可知土壤基质势越高，叶面积指数越大。在同一土壤基质势水平控制灌溉下，叶面积指数表现为WC>WB>WA，相较于WB、WA处理，WC处理的平均叶面积指数分别增加了10.9%，41.5%。可知土壤基质势越高，调控时期越长，叶面积指数越大。

图3 不同生育期土壤基质势调控对棉花叶面积指数的影响

2.3 不同生育期土壤基质势调控对棉花地上干物质量的影响

表4显示，不同处理棉花的地上部干物质量随着生育期的推进不断累积，在吐絮期达到峰值。在苗期，各处理地上部干物质量较小，处理之间差异不大。在蕾期，W1处理的地上干物质量显著高于W2、W3处理，表现为W1>W2>W3>CK。在花铃期，棉花生殖生长发育迅速，地上部干物质累积加快，同一基质势水平下，不同生育期调控时地上部干物质量总体表现为WC>WB>WA>CK，其中WC处理的平均干物质量较WB、WA和CK分别增加了5.8%，24.8%和51.8%；在同一生育期调控时，地上部干物质量表现为W1>W2>W3。在吐絮期，棉花地上部干物质量较花铃期有一定增加，各处理之间规律与花铃期大致相同。可知随着土壤基质势的提高，棉花干物质累积量增加。

表4 不同生育期土壤基质势调控对棉花地上干物质量的影响

2.4 不同生育期土壤基质势调控对棉花产量和水分利用效率的影响

由表5可见，不同生育期土壤基质势调控灌溉对棉花的产量和水分利用效率有明显影响。在B和C处理下，棉花产量随基质势的提高而增加，较CK有大幅度的提升，表现为W1B>W2B>W3B>CK，W1C>W2C>W3C>CK，其中W1C处理产量最高，较W2C、W1B处理分别提高了5.6%，11.3%。同一基质势水平调控灌溉下，耗水量表现为C>B>A>CK；在同一生育期，不同土壤基质势处理的耗水量表现为W1>W2>W3>CK。不同生育期土壤基质势调控时，W3B、W2C、W3C的水分利用效率均较高，而W1A、W1B、W1C的水分利用效率均较低，说明全生育期内将土壤基质势控制在合适范围内，可以在提高产量的同时保证一定的水分利用效率，避免水资源的浪费。

由表5还可知，从产量的构成要素来看，同一土壤基质势水平下有效铃数表现为C>B>A>CK，其中W1C处理显著高于其他处理；在B和C处理下，不同土壤基质势处理的有效铃数表现为W1>W2>W3，可知土壤基质势越高，有效铃数越多。单铃质量的变化规律与有效铃数类似，其中W1C、W2C处理的单铃质量均较高，CK最低；WC平均单铃质量较WA、WB、CK处理分别增加9.5%，7.9%，14.8%。

表5 不同生育期土壤基质势调控对棉花产量和水分利用效率的影响

2.5 不同生育期土壤基质势调控下棉田0～40 cm土层土壤水分的变化

图4主要反映不同生育期土壤基质势调控下0～40 cm土层的水分变化情况。由图4可知，在同一生育期，各处理土壤含水率总体呈先上升后下降趋势。在同一基质势调控水平下，不同生育期的平均土壤含水率基本表现为C>B>A；在同一生育期，基本呈现W1>W2>W3。收获期之前(09-08)，与WA、WB相比，WC处理土壤含水率分别增加26.5%，24.6%。其中W1C、W2C和W3C处理土壤含水率均较高，明显高于CK处理，说明随着调控生育期的延长，灌水能满足棉花生长所需水分。

图4 不同生育期土壤基质势调控下棉田0～40 cm土层土壤含水率的变化

2.6 不同生育期土壤基质势调控对棉田土壤脱盐的影响

由图5和表6可知，无论是在地膜内还是地膜外，WA、W3B、W3C、CK处理的土壤盐分呈累积状态，其中CK和W1A处理盐分累积最严重，其地膜内和地膜外的盐分变化量分别为2.00，1.92 g/kg和2.46，2.51 g/kg；W1B、W2B、W1C、W2C处理土壤盐分呈降低状态，其中地膜内W1C、W1B处理的脱盐效果较好，分别为2.30，1.50 g/kg，脱盐率分别为22.07%，16.38%，地膜外W1C和W2C的脱盐效果较好，盐分变化量分别为1.76，1.17 g/kg，脱盐率分别为17.35%，11.75%;各处理土壤盐分变化量及脱盐率平均值的表现趋势与地膜外一致。可知土壤基质势调控生育期越长，脱盐量越大，基质势越高，脱盐效果越好，地膜内的脱盐效果优于地膜外，这是由于地膜内均有灌水淋洗作用，且离滴灌带更近，故淋洗效果更为显著。从相对脱盐率平均值来看，脱盐效果表现为W1C>W1B>W2C>W2B>W3B>W3C>W3A>W2A>W1A，其中W1C的脱盐效果最好，相对脱盐率为175.16%。因此，将土壤基质势控制在-20～-10 kPa时，能够较好地控制土壤盐分积累，为作物生长发育提供适宜的土壤盐分环境。

图5 不同生育期土壤基质势调控处理下棉花收获期土壤脱盐量

表6 不同生育期土壤基质势调控处理下棉田0～100 cm土层的土壤脱盐效果

2.7 基于TOPSIS综合评价法的棉田土壤基质势调控方案

表7显示，各处理的总体评价由高到低依次为W2C>W1B>W2B>W1C>W3B>CK>W2A>W3C>W3A>W1A，其中W2C为最优处理。尽管高灌水量对作物的生长、干物质累积以及产量有一定促进，但由于耗水量过高导致水分利用效率较低，且其对生长、产量的促进效果有限，因而W2C处理更有利于促进多目标评价下棉花的生长发育。

表7 基于TOPSIS综合评价法的不同生育期棉田土壤基质势调控方案评价

3 讨 论

研究表明，提高土壤基质势下限可以显著增加棉花株高、叶面积指数、地上干物质量和产量[23]，Wang等[24]研究表明，当马铃薯土壤基质势控制在-25 kPa时各生长指标表现较好，而当土壤基质势大于-15 kPa或者小于-45 kPa时不利于马铃薯的生长。本研究发现，土壤基质势越高且调控生育期越长，棉花株高和茎粗越大，其中W1C处理的株高和茎粗优势明显，说明较高的基质势和较长的调控期有利于棉花的生长。同时，结合其叶面积指数及地上部干物质量可以看出，随着土壤基质势的增加，苗期各处理的叶面积指数及地上干物质量的差异并不明显，表明土壤基质势水平较低时对苗期棉花的营养生长没有较大影响，这与刘素华等[25]的研究结果相符。蕾期，W1处理干物质量显著高于W2、W3处理，而W2与W3处理间棉花地上干物质量差异不显著，可知在蕾期基质势的差异已经开始对棉花的营养生长产生影响。在花铃期，各处理间叶面积指数和干物质量的差异明显增大，随着土壤基质势的提高以及调控期的延长，叶面积指数和地上干物质量也出现了不同程度的增加，其中W1C处理优势明显，这是由于从花铃期开始棉花株高增加，叶片生长较快，从营养生长转向生殖生长，干物质量迅速增加，需水较多，不同土壤基质势水平的差异开始显现，W1、W2处理更有利于棉花生长。此外，10个处理中，W1C、W2C、W1B处理的籽棉产量均较高；W1C处理的有效铃数最多，显著高于其他处理；W1C和W2C处理的单铃质量均较高，但二者之间差异不显著，可能是由于较高的基质势水平下进行灌溉，棉花侧重于营养生长，对产量贡献不大，这与何平如等[26]的研究结果相似；从水分利用效率上看，W3C和W2C处理显著高于W1C及W1B处理，说明土壤基质势水平较高时对棉花生长有利，对增产有一定的促进作用，但同时过高的土壤基质势水平使水分利用效率降低，造成了水资源的浪费。上述分析表明，在不同生育期将土壤基质势水平控制在-20 kPa时，可促进棉花生长，为植株提供较为适宜的土壤水分环境，还可在保证产量的同时获得较高的水分利用效率。

不同土壤基质势下进行灌溉时，随着灌溉水入渗，膜下滴灌的湿润体形状在垂直于滴灌带的滴头所在竖直剖面上近似为半椭圆形，张力计控制的灌水下限越高，灌水越频繁，湿润层的含水率越大[27]。本研究表明，从苗期开始土壤基质势的调控，各处理土壤含水率均呈先增大后减小趋势，且各处理之间差异不大，这与白蒙等[28]的研究结果类似。棉花植株从蕾期进入花铃期后，随着生育期调控的延长，基质势水平的提高，0～40 cm土层的含水率增大，这与何平如等[29]的研究结果类似，可能是由于这一时期棉花生长较快，对土壤中的水分利用大于生育前期。研究表明，通常将棉花花铃期田间持水率控制在60%～80%时可满足其生长要求，石河子地区棉花种植推荐的花铃期高效节水灌溉控制下限为75%左右[30-31]，本试验W1C、W2C处理花铃期平均土壤含水率对应的田间持水率为77.3%和68.1%，故将土壤基质势控制在-20～-10 kPa可保证在满足棉花生长需求下提供较为适宜的土壤水分环境，促进棉花高效生长发育。

研究表明，随着灌溉时间的延长、棉花生育期的推进，膜下滴灌土壤盐分含量均有不同程度的增加，但盐分在土壤剖面中的分布不均匀，在相邻地膜之间的土壤中有很强的积累[32-33]。本研究中，不同土壤基质势调控下灌水对土壤盐分有明显影响。Zhang等[34]研究认为，膜下滴灌时，滴头下方的区域获得最低盐度水平，在生长期结束时盐在膜间区域积聚，滴头下方区域形成脱盐区，盐迁移到地膜间带并显著累积，本研究结果与之类似。地膜内的脱盐效果较好，是由于地膜内采样点距滴灌带较近，故其盐分的淋洗效果更为明显。从相对脱盐率平均值来看，土壤基质势越高，脱盐效果越好，这是由于土壤盐分运移主要受灌溉水分走向的影响，较高的基质势灌溉水平增加了灌水频率，高频次的灌溉使土壤中水分带动盐分产生运移，压盐效果更加明显，这与徐大为等[35]的研究一致。Liu等[36]研究认为，在新疆目前广泛应用的灌溉制度下，滴灌不能有效地将根区的土壤盐分滤出。因此，通过一定频率的滴灌压盐防止土壤盐分过度积累是必要且较有效的措施，本试验结果表明，在棉花生育期内，土壤基质势控制在-20～-10 kPa时，对土壤的盐分控制效果较好。

4 结 论

不同生育期土壤基质势调控措施对棉花的生长、水分利用效率和产量有明显影响，较高的基质势水平有利于棉花的生长发育，但同时会降低水分利用效率。随着生育期调控的延长，土壤基质势水平的提高，0～40 cm土层的土壤含水率有所增加，其中W1C和W2C处理土壤含水率高于其他处理。同一基质势灌溉水平下，不同生育期调控灌溉收获期0～100 cm土层膜内外盐分变化呈现A>B>C；相同生育期调控下土壤基质势水平越高，土壤脱盐效果越好，相对脱盐率均值越大(A处理除外)，且膜内脱盐效果优于膜外。将土壤基质势控制在-20～-10 kPa可保证在满足棉花生长需求下提供较为适宜的土壤水分环境，控制土壤盐分。

TOPSIS综合分析表明，10个处理中W2C处理更有利于棉花的生长发育、产量形成和获得较高的水分利用效率。可知在保证北疆棉田节水控盐高效生产的情况下，在苗期、蕾期和花铃期实施-20 kPa土壤基质势调控灌溉为最佳的灌溉模式。但本研究仅考虑了1年生育期内棉花的生长及土壤水盐情况，关于不同土层的水盐分布及运移规律有待进一步研究。