不同灌溉模式對土壤水鹽分布及棉花產(chǎn)量的影響

韓萬海，王增麗

(1.武威市中心灌溉試驗站，甘肅 武威 733000；2.武威市水利技術(shù)綜合服務(wù)中心，甘肅 武威 733000)

0 引 言

膜下滴灌技術(shù)具有保墑、增溫、增產(chǎn)等特點，可減少深層滲漏、具有節(jié)水、增產(chǎn)、節(jié)肥作用。自1996年新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)開始試驗應(yīng)用和推廣棉花膜下滴灌技術(shù)以來，中國農(nóng)田滴灌面積發(fā)展迅猛。然而膜下滴灌技術(shù)也面臨著許多問題,如多年采用滴灌方式的農(nóng)田土壤鹽分含量呈逐年增加的趨勢，導(dǎo)致作物產(chǎn)量逐年降低。張偉[1]、弋鵬飛[2]等研究結(jié)果表明，隨著滴灌使用年限的增加，在連續(xù)采用滴灌方式的棉田里農(nóng)田土壤鹽分積累明顯增大，作物產(chǎn)量降幅也隨之增大。然而楊鵬年[3]研究結(jié)果表明，在滴灌過程中，土壤內(nèi)的鹽分發(fā)生定向重分布，形成脫鹽區(qū)、穩(wěn)定區(qū)和積鹽區(qū)，且脫鹽區(qū)的面積大于積鹽區(qū)。李文昊等[4]研究結(jié)果表明，新疆綠洲地區(qū)推廣滴灌技術(shù)后，耕地內(nèi)土壤鹽分降低，但區(qū)域內(nèi)的荒地成為農(nóng)田排出鹽分重要的聚集場所。呂桂軍[5]鹽漬土盆栽試驗研究結(jié)果表明，不同的灌溉處理對玉米生長發(fā)育及水分、鹽分、溫度變化的影響較大，其中玉米株高和葉面積的長勢是常規(guī)灌溉>交替灌溉>固定灌溉。趙志才[6]研究結(jié)果表明，水分在農(nóng)田土壤中的分布主要受灌水量和土壤質(zhì)地的影響，充分灌溉使水分存貯在較深土層中，而非充分灌溉則使水分存貯在表層。在相同灌水量的條件下，土體內(nèi)的鹽分積累程度隨著灌溉水礦化度的增大而加劇。在相同礦化度條件下，土體內(nèi)的鹽分含量及積鹽深度隨著灌水量的增加而增大。在作物整個生育期內(nèi)，連續(xù)使用咸水灌溉將導(dǎo)致土壤積鹽，且非充分灌溉較充分灌溉更易使土壤表層積鹽。

甘肅省石羊河流域民勤縣屬內(nèi)陸干旱地區(qū)，地表水資源嚴(yán)重短缺，農(nóng)業(yè)灌溉主要靠地下水超采維持，然而高礦化度的地下水灌溉和強烈的蒸發(fā)蒸騰作用使該區(qū)耕地大面積存在土壤鹽漬化風(fēng)險。因此，為達(dá)到高效利用苦咸水、保證土壤鹽分入出平衡和作物產(chǎn)量、實現(xiàn)干旱缺水區(qū)水資源高效利用的目的，特制定了本研究內(nèi)容，針對民勤湖區(qū)灌區(qū)膜下滴灌條件下不同灌溉定額對土壤水鹽分布及棉花產(chǎn)量的影響進(jìn)行研究，探討土壤水鹽運移變化規(guī)律，旨在為合理利用鹽堿地、發(fā)展高礦化水灌溉農(nóng)業(yè)供技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

1.2 試驗材料及測定方法

供試品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N新陸早7號，各處理采用膜下滴灌方法灌溉，栽培方式采用一膜兩管四行方式，膜寬幅120 cm。采用點播器條播法種植，播種量為115 kg/hm2。于2016年4月25日播種，10月15日收獲，生育期173 d。株距18 cm，行距30 cm，結(jié)合春耕施入基肥，基肥采用一次性緩釋專用肥(其中純N為375 kg/hm2，P2O5為180 kg/hm2)。在棉花初花期各處理隨灌水措施追施尿素200 kg/hm2。由于該區(qū)處于苦咸水區(qū)，當(dāng)?shù)夭デ斑M(jìn)行河水泡地措施以降低土壤中的鹽分累積，保證作物可以正常生長，灌溉量一般為1200 m3/hm2。各次灌水定額以滴灌的常用定額300 m3/hm2設(shè)置，灌溉定額以當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)灌水量1 200 m3/hm2為基礎(chǔ)，分設(shè)虧缺、常規(guī)、盈余3個梯度。小區(qū)面積為(50 m×15 m)750 m2，試驗處理設(shè)置如表1所示。

表1 不同處理灌溉定額設(shè)置表 m3/hm2

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水鹽含量測定

在棉花各生育期土壤水分采用土鉆取土烘干法測定，測點在作物兩行中間、滴灌帶正下方的兩滴頭中間位置，每7～10 d測定一次，灌水前后及降雨后加測，每個處理重復(fù)2次，每個重復(fù)打1鉆測定土壤水分，利用SG-3型電導(dǎo)率儀測定電導(dǎo)率EC1∶5(土水質(zhì)量比為1∶5)，根據(jù)文獻(xiàn)[6,7]計算土壤含鹽量。

C=0.027 5EC1∶5+0.136 6

(1)

S=10CθH

(2)

式中：C為土壤溶液中含鹽量，kg/m3；EC1∶5為電導(dǎo)率測定值，μS/cm；S為某一深度內(nèi)土壤含鹽量，t/hm2；θ為體積含水率，%；H為土層深度，m，取0.8 m。

根據(jù)鹽分平衡原理，已知研究時段開始和結(jié)束時土壤含鹽量，則土壤鹽分盈虧量為：

ΔS=Sb-Sa

(3)

式中：ΔS為土壤鹽分盈虧量，t/hm2；Sa為開始時土壤含鹽量，t/hm2；Sb為結(jié)束時土壤含鹽量，t/hm2；當(dāng)ΔS為正值表示積鹽，負(fù)值表示脫鹽。

1.3.2 作物產(chǎn)量和耗水量測定

棉花收獲后考察各處理棉花的株高、果枝數(shù)、鈴數(shù)、鈴重、絨長和衣分，各小區(qū)實行單打單收，3期收花后的產(chǎn)量為該小區(qū)籽棉的總產(chǎn)量。

采用水量平衡法計算不同生育期棉花的蒸發(fā)蒸騰量，測定深度80 cm。水量平衡方程為：

ETc=P+I-ΔW

(4)

式中：ETc為棉花生育期耗水量，mm；P為降水量，mm；I為灌水量，mm；ΔW為棉花生育期土壤蓄水增減量，mm。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel及SPSS16.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分變化分析

各處理棉花生育期土壤含鹽量分布見圖1，由圖1可知，在播前，各處理0～80 cm土層土壤含鹽量在0.60～0.84 g/kg，處理間鹽分變化規(guī)律基本一致，這與播前進(jìn)行春灌措施有關(guān)。進(jìn)入苗期，各處理土壤含鹽量較播前增加。其中，T1、T2、T3、T4處理0～80 cm土壤含鹽量均值分別為1.10、1.09、1.09和1.10 g/kg，較播前分別增加42.26%、42.44%、42.71%和45.00%，各處理0～80 cm土層內(nèi)，土壤鹽分隨土壤深度的增加呈降低趨勢。分析原因可能為滴灌屬于局部灌溉方式，較低的灌溉量不足以將灌溉水中的鹽分淋洗到作物耕層以外。

進(jìn)入蕾期，各處理0～80 cm土壤含鹽量變化曲線呈明顯“S”型：T1、T2、T3、T4處理10～20 cm土層含鹽量最低，成為曲線的拐點，土壤含鹽量分別為1.00、1.02、1.01和1.01 g/kg；40～60 cm土層含鹽量最高，分別為1.28、1.24、1.35和1.28 g/kg，表明在灌水作用下，各處理在10～20 cm土層發(fā)生脫鹽現(xiàn)象，在40～60 cm土層內(nèi)發(fā)生脫鹽現(xiàn)象。進(jìn)入花鈴前期，灌前1 d(7月8日)各處理土壤含鹽量變化曲線表明，各處理均表現(xiàn)表層土壤含鹽量逐漸增加，深層土壤含鹽量逐漸降低趨勢，且處理間0～80 cm土壤含鹽量差異較蕾期明顯。在吐絮期，各處理淺層土壤含鹽量在有效灌水的作用下，較前期有所降低，土壤含鹽量有所增加。其中在0～10 cm土層發(fā)生脫鹽現(xiàn)象，T1、T2、T3、T4處理土壤含鹽量分別為1.08、1.10、1.05、1.05 g/kg，T1、T2、T3處理在40～60 cm土層發(fā)生積鹽現(xiàn)象，分別為1.23、1.19、1.20 g/kg，T4處理在60～80 cm發(fā)生積鹽現(xiàn)象，含量為1.21 g/kg。

研究結(jié)果表明，在民勤縣湖區(qū)灌區(qū)，強烈的蒸發(fā)蒸騰作用和咸水灌溉作用下，0～80 cm土壤處于積鹽狀態(tài)，只有經(jīng)過雨季降雨和春季河水大定額灌溉淋洗后，才可使棉花根區(qū)土壤的鹽分保持在安全限度內(nèi)。

2.2 土壤含鹽量盈虧分析

為進(jìn)一步了解棉花生育期土壤鹽分變化規(guī)律，對0～80 cm土層含鹽量進(jìn)行盈虧分析，結(jié)果見表2。由表可知，收獲后，T1、T2、T3、T4處理0～80 cm土壤含鹽量分別為0.56、0.56、0.51和0.52 t/hm2。結(jié)合播前各處理土壤含鹽量數(shù)據(jù)，T1、T2、T3、T4處理在棉花全生育期土壤含鹽量均表現(xiàn)為盈余(即積鹽)，積鹽量為0.42、0.28、0.04、0.01 t/hm2。結(jié)果表明，灌溉額對棉花生育期土壤0～80 cm土壤含鹽量盈虧變化具有影響：重度水分虧缺(T4處理)土壤積鹽量最低，中度水分虧缺(T2、T3處理)次之，充分灌水(T1處理)土壤積鹽量最高。

圖1 棉花不同生育期土壤含鹽量變化Fig.1 Changes of soil salinity at different stages of cotton

將0～80 cm土壤含鹽量分為4層分析，結(jié)果表明，T1、T2處理在0～20、20～40、40～60、60～80 cm土層內(nèi)均表現(xiàn)為積鹽現(xiàn)象，且隨土層的增加，積鹽量呈增加趨勢。T3、T4處理有部分土層有脫鹽現(xiàn)象，但脫鹽量不大。

研究結(jié)果表明，土壤含鹽量空間分布特征受灌水定額、蒸發(fā)蒸騰、根系吸水等因素影響。滴灌條件下，湖區(qū)灌區(qū)棉花采用苦咸水灌溉時，0～80 cm土層內(nèi)易發(fā)生積鹽現(xiàn)象。生育期有限的灌水量、降雨不足以將土壤鹽分淋洗到80 cm土體以下，隨灌溉定額增加，0～80 cm土壤含鹽量介于1.17～1.23 g/kg。根據(jù)土壤鹽漬化等級標(biāo)準(zhǔn)，該灌區(qū)屬于中度鹽漬化土，該等級對鹽分敏感作物產(chǎn)量受到影響，但對耐鹽作物(苜蓿、棉花、甜菜、高粱、谷子等)無多大影響，可保證棉花正常生長。

2.3 土壤水分動態(tài)變化

各處理棉花生育期0～80 cm土壤含水率變化如圖2所示。由圖可知，各處理0～80 cm土壤含水率變化基本一致，均隨作物生育進(jìn)程的延長呈降低趨勢。其中，各處理土壤含水率變化曲線從棉花苗期(4月24日)至蕾期(7月8日)出現(xiàn)重疊、交叉，表明灌溉定額對0～80 cm土壤水分變化的影響基本一致。

到花鈴期(7月25日)時，灌溉定額明顯影響土壤水分在0～80 cm土層的分布特征。其中，T1、T2、T3、T4處理土壤含水率介于10.88%～13.43%。其中，T3處理土壤含水率最高，T4處理土壤含水率最低。分析原因為花鈴前期棉花的營養(yǎng)生長和生殖生長處于旺盛階段，作物處于需水高峰期，處理之間的耗水量差別不大。之后，棉花在花鈴后期進(jìn)行打頂整枝，生殖生長受到抑制，老化葉片開始脫落，葉面積指數(shù)開始下降，耗水量降低，各處理土壤0～80 cm土壤含水率差異較前期明顯降低。到收獲前期(10月15日)，T1、T2、T3、T4各處理土壤含水率降到生育期最低值，分別為10.22%、9.14%、8.02%和7.01%，處理間差異基本減弱，土壤含水量降幅明顯減小。

表2 不同處理0～80 cm土壤含鹽量盈虧量 t/hm2

圖2 不同處理棉花生育期土壤含水率變化 Fig.2 Changes of soil water indifferent treatments

為進(jìn)一步研究棉花不同生育期0～80 cm土壤含水率，將棉花典型生育階段土壤含水量列于圖3。由圖3可知，由于經(jīng)過統(tǒng)一春灌措施，苗期各處理的土壤含水率變化規(guī)律基本一致，均為隨土壤深度的增加呈土壤含水量呈增加趨勢。其中T1、T2、T3、T4處理0～80 cm土壤含水率均值分別為14.83%、14.95%、15.06%和15.83%。

到花鈴初期(7月8日)，各處理土壤含水量變化曲線呈“S”變化，且各處理土壤含水量曲線多次出現(xiàn)重疊和交叉現(xiàn)象，處理間土壤含水率差異較前期明顯降低。其中，T1、T2、T3、T4處理0～80 cm土壤含水率均值為13.58%、13.57%、13.49%和12.92%。進(jìn)入吐絮期(9月15日)后，在蒸騰和棵間蒸發(fā)作用下，各處理0～80 cm土層土壤含水量差異進(jìn)一步增大，T1、T2、T3、T4處理土壤含水量分別為11.45%、10.85%、9.27%和7.77%，結(jié)果表明灌水定額的累積效應(yīng)在棉花吐絮期時進(jìn)一步增大。其中T3、T4處理土壤含水率曲線位于T1、T2處理的左邊，兩條曲線沒有明顯的重疊、相交現(xiàn)象。

研究結(jié)果表明，在棉花生育前期土壤含水量變化規(guī)律基本一致，在中期，棵間蒸發(fā)、作物蒸騰作用下，灌溉定額能明顯影響0～80 cm土壤含水量的分布特征。到吐絮期，灌溉定額對土壤水分分布特征的累積效應(yīng)明顯。當(dāng)灌溉定額為1 500 m3/hm2時，土壤水分的垂直運動明顯增強，土壤水分向深層運移。花鈴期為棉花的需水高峰期，灌溉定額對土壤水分垂向運動的影響差異減弱。

圖3 不同處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 不同處理棉花產(chǎn)量、耗水量及WUE分析

將不同處理的棉花產(chǎn)量構(gòu)成因素及產(chǎn)量結(jié)果列于表3。由表3可知，灌溉定額對棉花收獲后的株高影響顯著。其中，T1、T2處理棉花株高顯著高于T3、T4處理，差異達(dá)顯著性水平。棉花的鈴數(shù)依次為T2>T1>T3>T4。其中，T2處理與T3、T4處理差異顯著。T1、T2、T3、T4各處理單鈴重均值分別為9.76、9.65、8.70和8.07 g，其中，T1、T2處理分別與T3、T4處理差異顯著。各處理籽棉產(chǎn)量分別為4 938.9、4 969.9、3 946.0、3 031.0 kg/hm2，其中T1、T2處理與T3、T4處理差異顯著。此外，T1、T2、T3、T4處理WUE分別為1.33、1.47、1.38和1.23 kg/m3，其中，T1、T2處理與T3、T4處理差異顯著。

表3 不同處理棉花產(chǎn)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：不同字母表示不同處理差異顯著。

不同處理棉花生育期耗水量及耗水強度見表4。由表4可知，T1、T2、T3、T4處理生育期耗水量分別為310.4、289.8、260.5和227.4 mm，處理間耗水量差異顯著，表明棉花生育期耗水量隨灌溉定額的增加呈增加趨勢。各處理棉花的耗水強度為1.31～1.79 mm/d，大小依次為T1>T2>T3>T4，且兩兩處理間耗水強度差異均達(dá)顯著性水平。結(jié)合棉花階段耗水量分析結(jié)果可知，各處理棉花耗水量差異主要反映在棉花花鈴期～吐絮期間，T1、T2、T3、T4處理在該階段耗水量依次為187.05、165.48、142.455和127.29 mm，分析原因與該時期棉花處于耗水高峰和處理間灌水定額不同有關(guān)。

表4 不同處理棉花生育期階段耗水量及耗水強度分析Tab.4 Evaluation indexes of stages water consumption for different treatments

注：同列有相同字母表示差異不顯著(P<0.05)。

3 結(jié) 語

在民勤盆地利用地下苦咸水進(jìn)行膜下滴灌時，隨灌溉定額的增加，棉花生育期0～80 cm土壤含鹽量呈增加趨勢，但積鹽量介于1.17～1.23 g/kg。根據(jù)土壤鹽漬化等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，該土質(zhì)屬輕度鹽漬化土壤，對鹽分敏感的作物，其產(chǎn)量會受到影響，但對耐鹽作物，如棉花、甜菜、高粱、谷子等作物無明顯影響，表明在該區(qū)域適度利用苦咸水進(jìn)行棉花灌溉，80 cm土體內(nèi)的鹽分累積效應(yīng)明顯，而有限的降雨量又不足以將土壤鹽分淋洗到棉花根層以下。但在棉花播種前，春季利用河水進(jìn)行淋洗可保證棉花生育期0～80 cm土壤含鹽量不超過作物耐鹽度的臨界值，可保證棉花的正常生長發(fā)育，土壤也不會長期處于積鹽狀態(tài)。

在武威市民勤沙漠綠洲灌區(qū)可適度的合理利用當(dāng)?shù)氐目嘞趟Y源，膜下滴灌條件下，棉花蕾期灌水2次，初花期、盛花期和鈴期各灌水1次，全生育期灌水5次，灌水定額為300 m3/hm2，灌溉定額為1 500 m3/hm2的灌溉制度能達(dá)到節(jié)水、控鹽、保產(chǎn)目的，為最優(yōu)的灌溉模式。

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