咸水溝灌對土壤水鹽變化與棉花生長及產量的影響

鄭春蓮，馮 棣，李科江，馬俊永，黨紅凱，曹彩云，孫景生，張俊鵬

咸水溝灌對土壤水鹽變化與棉花生長及產量的影響

鄭春蓮1，馮 棣2,3，李科江1，馬俊永1，黨紅凱1，曹彩云1，孫景生2，張俊鵬4※

（1. 河北省農林科學院旱作農業(yè)研究所/河北省農作物抗旱研究重點實驗室，衡水 053000；2. 中國農業(yè)科學院農田灌溉研究所，新鄉(xiāng) 453002； 3. 濰坊科技學院賈思勰農學院，濰坊 262700；4. 山東農業(yè)大學水利土木工程學院，泰安 271018）

為持續(xù)高效利用咸水資源，在棉花長期定位咸水溝灌試驗（始于2006年）的基礎上，研究了不同礦化度（1、2、4、6、8、10 g/L）咸水連續(xù)灌溉第10年土壤水鹽分布與棉花生長響應以及歷年土壤鹽分和籽棉產量的變化特征。結果表明：1）年際間，各處理0～100 cm土層土壤鹽分受灌溉和降水影響而波動，但未隨灌溉年限的增加而逐漸累積，灌溉水礦化度≤4 g/L處理可基本維持土壤鹽分周年補排平衡。單個棉花生長季（2015年），各處理溝底部位的土壤含水率大于壟上，灌溉水礦化度≥6 g/L時主根層土壤含水率高于1 g/L處理；土壤鹽分隨灌溉水礦化度增加而增大，隨棉花生育期的推進先增大后降低，灌水溝剖面土壤鹽分呈向壟上和深層運移的趨勢；與播種時比，棉花收獲后各處理主根層土壤鹽分均未出現累積。2）低礦化度咸水溝灌對棉花成苗率、株高和葉面積指數影響不明顯，超過一定限值后3項指標顯著下降，與1 g/L處理相比，當灌溉水礦化度達到6 g/L時棉花成苗率和葉面積指數顯著降低，當灌溉水礦化度達到8 g/L時株高顯著降低；咸水溝灌對棉花纖維品質影響較小，5項品質指標在處理間差異均不顯著。3）適量濃度的咸水灌溉對籽棉產量影響較小，與1 g/L灌水處理相比，2和4 g/L處理對歷年籽棉產量（2006－2015年）無顯著影響，大于6 g/L時歷年籽棉產量顯著降低。在該研究灌溉制度下，推薦試驗區(qū)咸水溝灌棉花的灌溉水礦化度閾值為4 g/L。

土壤；灌溉；咸水；棉花；水鹽運移；產量

0 引 言

華北平原是中國重要的糧棉油生產基地，該區(qū)地面淡水資源匱乏，很多地區(qū)農業(yè)灌溉主要靠抽取深層地下淡水，由此導致地下水漏斗區(qū)不斷擴大，引發(fā)了非常嚴重的地質環(huán)境問題[1-2]。為緩解區(qū)域水資源危機、保證農業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，亟需尋求淡水資源的替代資源。許多學者指出[3-5]，若灌溉管理得當，咸水可以代替淡水用于農業(yè)生產。華北平原淺層地下咸水儲量豐富，以位于該區(qū)的河北低平原為例，咸水分布面積占總面積的91.8%，總儲量為1.5×1010m3，利用潛力巨大[6]。棉花耐鹽抗旱能力較強，常被用作鹽堿地改良和咸水灌溉的先鋒作物。河北省棉花種植面積約90%分布在低平原區(qū)，制約該區(qū)棉花生產的瓶頸是春旱導致出苗和成苗困難[7]。已有研究表明[8]，在棉花播種時和生長前期采用適量濃度的咸水補灌，可以提高棉花成苗率和籽棉產量。

咸水灌溉具有兩面性，在增加土壤濕度的同時也帶入鹽分，適量鹽分對土壤環(huán)境和作物生長影響不大，超過一定限度便產生危害[9]。國內外有關棉花咸水灌溉方面的研究已有很多，內容涉及灌水技術[10-11]、水鹽運移規(guī)律及耦合模擬[12-13]、棉花生長響應[14-15]等方面。一般認為，實現棉花咸水安全利用的關鍵在于調控根區(qū)土壤水鹽分布，為根系生長創(chuàng)造良好環(huán)境。灌水方式是調控土壤水鹽分布的一項重要措施[16]，很多學者認為膜下滴灌是較適宜的棉花咸水利用方式，并在中國干旱地區(qū)得到廣泛應用[17-18]。但在降雨較為充沛，且以分散種植模式為主的河北低平原區(qū)，棉花耗水來源以降雨為主、補灌為輔，故灌水方式仍以地面畦灌和溝灌為主。Zhang等[14]和馮棣[19]在該區(qū)的研究表明，采用適量礦化度的咸水畦灌和溝灌進行棉花播前造墑和生長前期補灌，能有效緩解干旱脅迫，帶入土壤的鹽分可通過棉花生長中期（雨季）降雨淋洗至根系層以下，實現根區(qū)土壤鹽分補排平衡。其中，咸水溝灌可促使土壤水鹽呈現不均勻分布，棉花生長季的降雨和地膜覆蓋將進一步加劇其分布的差異性。探明棉花生育期間不同位置處土壤剖面水鹽分布特征有助于加深對咸水溝灌的認知。此外，土壤鹽分的適量無害、過量危害性以及降雨、光照等氣候因素年際年內的差異性，導致咸水灌溉對土壤水鹽變化和棉花生長的影響具有持續(xù)性，某一灌溉水礦化度短期利用可行，長期使用可能存在風險。鑒此，本文在不同礦化度咸水長期定位溝灌試驗的基礎上，研究分析連續(xù)咸水溝灌第10年棉田土壤水鹽分布與棉花生長響應特征以及連續(xù)多年咸水灌溉下歷年土壤鹽分和籽棉產量的變化規(guī)律，探討適宜的灌溉水礦化度指標，以期為豐富棉花咸水灌溉技術體系提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2006－2015年在河北省農林科學院旱作節(jié)水農業(yè)試驗站（河北省衡水市）進行，地理位置為37°44′N，115°47′E，海拔21 m。該站地處河北低平原區(qū)，屬溫帶季風氣候，多年平均氣溫12.8 ℃，年均降水量500 mm，年均蒸發(fā)量1785 mm，年日照時數2509 h。試驗區(qū)土壤質地為壤土，地下水埋深大于5 m。2006年開始定位試驗時，0～100 cm土層初始土壤鹽度為0.25 dS/m，土壤粒徑分布、容重、田間持水量等物理特性如表1所示。多點取樣0～20 cm耕層有機質質量分數11.5 g/kg，速效氮質量分數76 mg/kg，速效鉀質量分數112 mg/kg，速效磷質量分數15 mg/kg。

表1 2006年試驗初始0～100 cm土層土壤基本情況

1.2 試驗設計

棉花咸水定位試驗始于2006年，共設置5個咸水濃度水平，即2、4、6、8和10 g/L，分別記作T1、T2、T3、T4、T5，以當地深井淡水（1 g/L）灌溉處理為對照CK。2、4、6、8和10 g/L咸水采用當地深層地下水摻兌海鹽配制而成，不同處理灌溉水的離子組成見表2所示。采用隨機區(qū)組試驗設計，每個處理3次重復，共18個小區(qū)，試驗小區(qū)面積為37.62 m2（6.6 m×5.7 m）。

2006－2007年種植模式為棉花單作，為了探索棉花－飼用黑麥連作模式的可行性，2008－2011年棉花收獲后種植飼用黑麥，2012年飼用黑麥收獲后停止連作模式，恢復棉花單作。2006－2011年和2013－2015年4月下旬采用溝灌方式造墑，灌水定額37.5 mm，晾墑后人工植棉；2015年7月5日棉花花鈴期采用溝灌方式補灌，灌水定額37.5 mm。2008－2010年于棉花收獲后采用溝灌方式造墑，灌水定額37.5 mm，之后填平灌水溝機械種植飼用黑麥；2009－2012年4月初黑麥草拔節(jié)期采用畦灌方式進行補灌，灌水定額75 mm。2011年飼用黑麥和2012年棉花播種期土壤含水率均超過了田間持水率的80%，未進行播前造墑。棉花生育期間，土壤計劃濕潤層灌水控制下限為田持的65%，灌水定額37.5 mm。2006－2015年，以各年棉花收獲時為計算節(jié)點的周年灌水量分別為37.5、37.5、37.5、150、150、150、75、37.5、37.5、75 mm，降水量依次為392、453、482、478、479、438、536、549、334、434 mm。每年棉花均采用起壟溝播（人工點播）方式播種，壟溝尺寸為溝底寬50 cm、溝深20 cm、壟頂寬60 cm、邊坡系數為0.5。每溝播種兩行棉花，株距30 cm，行距為窄行50 cm、寬行80 cm，播后溝底覆膜。播種后第20 天用移栽法補齊棉苗，每株移栽棉苗澆灌約300 mL深層地下水用以密實根區(qū)土壤。

表2 灌溉水離子組成

1.3 測定項目與方法

1）土壤水分與鹽分。2006－2014年棉花收獲后以及2015年棉花播前造墑時（2015-04-21）、播種時（2015-04-27）、苗期（2015-05-21）、蕾期（2015-06-17）、花鈴期（2015-07-27）、吐絮期（2015-08-26）和收獲后（2015-10-28），采用土鉆分別在每個小區(qū)的溝底和壟上各取1個樣點，取土深度為100 cm，其中，0～60 cm每10 cm分為1層，60～100 cm每20 cm分為1層。每層土樣分別放入鋁盒（烘干法測定土壤含水率）和塑料袋（風干、磨碎、過篩，使用DDS-307A電導率儀測定土水比1:5懸濁液電導率）測定水分和鹽分。

2）棉花成苗率。2015年棉花播種后20 d調查成苗情況，每穴成活1株棉花即認為成苗，據此計算成苗率，之后采用移栽法補齊棉苗。

3）棉花形態(tài)指標。2015年棉花定苗后，每個小區(qū)選取3株具有代表性的棉株，每隔10～15 d使用直尺測量一次株高、葉片長和寬，并通過公式（1）計算葉面積指數（LAI）；自蕾期開始調查棉花果枝數。

式中LAI為葉面積指數；為棉花密度，株/m2；為測定的株數，為單株葉片總數；和分別為葉片長和寬，cm。

4）產量構成與纖維品質。2015年棉花吐絮期，測定百鈴質量、單株成鈴數和籽棉產量，并委托農業(yè)農村部棉花品質監(jiān)督檢驗測試中心測定上半部平均長度、整齊度指數、馬克隆值、伸長率和斷裂比強度等5項纖維品質指標。

5）歷年籽棉產量。每年棉花吐絮期分3次采摘除邊行外的籽棉，折算籽棉產量。

2 結果與分析

2.1 咸水溝灌對棉田土壤鹽分變化的影響

2.1.1 歷年0～100 cm土層土壤鹽分動態(tài)變化

圖1顯示了2006－2015年棉花收獲后各處理棉田0～100 cm土層平均土壤鹽分變化過程。由圖1可以看出，同一年份，土壤鹽分呈現隨灌溉水礦化度增加而上升的趨勢；年際間，前3年各處理土壤鹽分變化較小，之后呈現較大的波動幅度；鹽分含量未隨灌溉年限的增加而逐漸累積，其變異系數隨著灌溉水礦化度的增加而增大。2006－2008年各處理棉花的灌溉定額僅為37.5 mm，土壤鹽分變化幅度較??；2008－2011年，由于黑麥草的引入，各處理灌水次數和灌溉水量增加，致使土壤鹽分出現較大幅度的上升；2012－2015年，恢復棉花單作，灌水量減少，各處理土壤鹽分較2011年和2012年有所降低。與試驗初始土壤鹽分（0.25 dS/m）相比，2015年棉花收獲時，CK、T1、T2處理僅略有增加，增量分別為0.02、0.07、0.07 dS/m；T3、T4、T5處理增幅較大，增量依次為0.12、0.25、0.33 dS/m。

圖1 2006－2015年棉田0～100 cm土層土壤電導率周年變化

2.1.2 棉花生育期間主根層土壤鹽分動態(tài)變化

表3顯示了2015年不同處理棉花生育期間溝底部位主根層（0～40 cm）土壤鹽分變化特征。由表3可以看出，棉花主根層土壤鹽分呈現了隨灌溉水礦化度增加而增大的趨勢。以蕾期為例，與CK處理相比，T1、T2、T3、T4和T5處理溝底0～40 cm土層鹽分含量分別增加了24.39%、63.41%、85.37%、107.32%和117.07%。受灌溉、降雨和蒸發(fā)蒸騰的影響，隨著棉花生長進程的推進，各處理棉花主根區(qū)土壤含鹽量呈現了先增大后減小的趨勢。整體來看，棉花播種時、苗期和蕾期各處理主根區(qū)的土壤鹽分含量較高，蕾期之后逐漸降低。經過雨季（7－8月）降雨的淋洗，棉花收獲后CK、T1、T2、T3、T4和T5處理的土壤鹽分比造墑前分別降低52.50%、56.52%、55.32%、56.00%、19.23%和26.67%，比播種時依次降低63.46%、61.54%、66.13%、68.57%、48.15%和48.84%。這說明，降雨可對咸水溝灌帶入棉花主根層土壤的鹽分進行有效淋洗，試驗結束時，T1、T2和T3處理的土壤鹽分與CK處理間的差異均不顯著。

表3 2015年棉花生育期間主根層（0～40 cm）土壤鹽分

注：同列不同小寫字母表示處理間差異達顯著水平（<0.05），下同。

Note: Different letters in the same column mean significant difference at the 0.05 level. The same as below.

2.1.3 咸水溝灌棉田土壤剖面鹽分分布特征

圖2顯示了2015年CK、T2和T4處理棉田土壤剖面鹽分分布特征，其中，坐標原點為壟上中心（本小節(jié)中土層深度均以壟上為起點），水平方向為壟上中心至溝底中心，垂直方向為0～100 cm土層。整體來看，棉田溝底和壟上的土壤鹽分分布存在較大差異。水平方向上，受土壤蒸發(fā)、降雨入滲和地膜覆蓋的影響，隨著棉花生育進程的推進，土壤鹽分呈現了由溝底部位向壟上移動的趨勢。以T4處理0～60 cm土層為例，苗期、蕾期和花鈴期，溝底部位的鹽分含量比壟上分別增加97.92%、64.52%和40.09%；吐絮期，溝底部位的鹽分比壟上降低了7.90%。垂直方向上，受蒸發(fā)返鹽、根系吸水聚鹽和降雨淋鹽的影響，隨著棉花生育進程的推進，土壤鹽分呈現先上升后下降的趨勢。以T4處理溝底0～60 cm土層為例，與苗期相比，蕾期和花鈴期土壤鹽分含量分別增加14.72%和2.96%，吐絮期降低43.03%。不同灌水處理之間，棉田土壤鹽分剖面分布呈現了相似的變化特征，隨著灌溉水礦化度的增加，剖面土壤鹽分含量逐漸增大。

2.2 咸水溝灌對棉田土壤水分變化的影響

2.2.1 棉花生育期間主根層土壤水分動態(tài)變化

表4顯示了2015年各處理棉花生育期間溝底部位主根層（0～40 cm）土壤水分變化特征。由表4可以看出，棉花生長期間（苗期至吐絮），高礦化度（≥6 g/L）灌水處理棉田主根層的土壤含水率整體大于低礦化度灌水處理，這種變化趨勢在蕾期和花鈴期尤為明顯。以花鈴期為例，T3、T4、T5處理土壤含水率分別比CK處理增加了6.75%、7.08%和15.88%。從棉花整個生長階段來看，各處理主根層土壤含水率均是在播種時和苗期較高，蕾期和花鈴期居中，吐絮期和收獲后最低。與播種時相比，CK、T1、T2、T3、T4和T5處理棉花收獲后溝底0～40 cm土層含水率分別降低27.57%、29.31%、27.57%、26.11%、26.79%和23.27%。

注：坐標原點為壟上中心，水平方向為壟上中心至溝底中心。下同。

表4 2015年棉花生育期間主根層（0～40 cm）土壤含水率

2.2.2 咸水溝灌棉田土壤剖面水分分布特征

圖3顯示了2015年CK、T2和T4處理棉田土壤剖面水分分布特征。從圖3中可以清晰的看出，溝灌導致土壤水分呈現了較大的空間差異。就同一處理而言，棉花不同生長時期溝底部位0～60 cm土層的平均含水率均明顯大于壟上，隨著棉花生育進程的推進，其差異呈減小的趨勢，這為棉花根系生長創(chuàng)造了較好的土壤水分環(huán)境。苗期溝底部位60 cm以下土層的平均含水率明顯大于壟上，蕾期二者間的差異減小，花鈴期和吐絮期壟上部位的含水率大于溝底。以CK處理為例，苗期和蕾期，溝底部位60～100 cm土層的平均土壤含水率比壟上分別增大20.43%和11.98%；花鈴期和吐絮期，溝底部位60～100 cm土層的含水率比壟上依次減小1.98%和3.24%。不同處理之間，棉田剖面土壤水分分布特征相似，總體來看，T4處理棉田剖面0～60 cm土層的平均含水率大于CK處理，T2與CK處理間無明顯差異。

圖3 2015年咸水溝灌棉田土壤剖面水分分布特征

2.3 咸水溝灌對棉花成苗率及形態(tài)生長指標的影響

表5顯示了2015年各灌水處理棉花成苗率及最大株高、葉面積指數（LAI）和果枝數。

表5 2015年不同灌水處理棉花的成苗率及形態(tài)指標

由表5可以看出，低礦化度咸水溝灌對棉花成苗率、株高和葉面積指數無明顯影響，但當灌溉水礦化度超過一定閾值時3項指標顯著降低。與CK相比，T3、T4、T5處理的成苗率分別顯著降低了13.44%、34.39%和35.18%；T4和T5處理的株高顯著減小11.32%和13.31%；T3、T4和T5處理的葉面積指數依次顯著下降11.54%、12.56%和20.00%。果枝數受灌溉水礦化度影響較小，T1-T5處理與CK處理間的差異均不顯著。

2.4 咸水溝灌對棉花產量構成和纖維品質的影響

在收獲密度一致的情況下，籽棉產量由單株成鈴數和單鈴質量共同決定。表6顯示了2015年各處理棉花的產量構成和纖維品質?？梢钥闯觯叩V化度咸水溝灌（T3、T4、T5）處理降低了棉花單鈴質量和單株成鈴數，但低礦化度（T1和T2）處理未對2項指標產生負面影響。與CK相比，僅T5處理的單鈴質量顯著降低。各處理籽棉產量由大到小依次為T1、T2、CK、T3、T4和T5，與CK處理相比，T4和T5處理分別減產7.26%和10.45%，差異達到顯著水平。

表6 2015年不同灌水處理棉花的產量構成與纖維品質

棉花纖維品質關乎成紗質量，是制約棉花經濟價值高低的重要指標之一。由表6還可以看出，咸水溝灌對棉花纖維品質影響不大，T1、T2、T3、T4和T5處理的5項纖維品質指標與CK處理間的差異均不顯著。

2.5 咸水溝灌對棉花歷年籽棉產量的影響

表7為咸水定位溝灌試驗的歷年籽棉產量（2006年棉花絕收），由表7可以看出，隨著灌溉年限的增加，各處理的籽棉產量并未逐年降低，而是呈現了較大的年際波動。適量濃度的咸水溝灌對歷年籽棉產量影響不顯著，但超過閾值后籽棉產量顯著降低。與CK處理的籽棉產量相比，所有年份T1和T2處理均無顯著差異，T4和T5處理均呈現顯著降低，而T3處理在2007、2009、2010和2014年出現顯著降低。

表7 2007－2015年不同灌水處理的籽棉產量

3 討 論

咸水灌溉為作物根區(qū)土壤帶入鹽分，但連續(xù)多年定位灌溉咸水條件下，棉田0～100 cm土層土壤鹽分并未隨灌溉年限的增加而逐漸增大，因為降雨可以淋溶土壤鹽分。Feng等[20]研究指出，不同礦化度咸水灌溉棉田土壤鹽分周年變化與灌溉降雨比（/）密切相關，當/較小時，土壤鹽分呈現淋洗；反之，土壤鹽分累積。鹽分淋洗深度受土壤質地的影響，以本試驗2013年棉花收獲時為例，棉田0～1.0 m土層被淋洗出的鹽分主要聚集在1.0～2.8 m土層，隨著灌溉水礦化度的增加，土壤剖面內鹽峰值深度呈現上移趨勢[19]。與2006年初始土壤鹽分相比，2015年棉花收獲后≤4 g/L灌水處理棉田0～100 cm土層土壤鹽分沒有明顯變化，可基本維持土壤鹽分補排平衡。

單個棉花生長季（2015年），高礦化度（≥6 g/L）咸水溝灌棉田主要根系層土壤含水率大于低礦化度灌水處理，蕾期和花鈴期尤為明顯。因為高礦化度咸水處理帶入棉田的鹽分較多，在一定程度上抑制了棉花植株生長，降低了蒸散量。張俊鵬等[21]在咸水畦灌研究中得出了與之相似的結論。溝底部位的土壤含水率大于壟上，原因是補灌和降雨為溝底補充了更多的水源，但由于棉花種植在溝底，根系吸水量多，導致溝底與壟上的水分差異隨著棉花生長進程的推進而減小。棉花生育期間根系層土壤鹽分隨時間推移整體呈先升高后降低的趨勢，究其原因是棉花生長前期降雨較少，播前造墑和補灌帶入土壤的鹽分聚集在棉花根系層，但經過雨季（7－8月）降雨淋洗，各處理棉花收獲后主根層的含鹽量均明顯降低。棉花收獲后，與1 g/L溝灌處理主根層土壤含鹽量相比，2、4、6 g/L灌水處理的差異均不顯著，說明采用礦化度低于6 g/L的咸水溝灌不會造成主根區(qū)明顯積鹽。隨著棉花生育進程的推進，咸水溝灌棉田土壤剖面上鹽分峰值有自溝底向壟上部位擴散以及向深層土壤運動的趨勢，原因是溝底覆膜、壟上裸露，土壤蒸發(fā)過程會帶動鹽分向壟上運移，而降雨時雨水匯聚到溝底沿出苗孔入滲，將鹽分淋洗至深層土壤。Sun等[22]在濱海鹽堿地的溝播植棉試驗得到了相似的結論。

棉花萌發(fā)出苗期和幼苗階段耐鹽能力較弱[23]，出苗率低是制約棉花咸水安全利用的難題。本試驗結果顯示，適量濃度的咸水溝灌對棉花成苗率影響不大，但>4 g/L時成苗率顯著降低。這與馮棣等[24]基于本定位試驗前6 a（2006－2011年）得到的結論相同，說明咸水溝灌棉花的礦化度閾值未隨灌溉年限的增加而改變。同時，馮棣等[24]研究指出，咸水溝灌棉花的成苗率低于畦灌處理，原因是棉花萌發(fā)出苗期溝底0～20 cm土層土壤溫度較低。張安琪等[25]在該區(qū)域研究表明，咸水膜下滴灌方式下，≤7 g/L處理未對棉花成苗率產生明顯影響，膜下滴灌提高了基于棉花成苗率的灌溉水礦化度閾值。此外，咸淡水輪灌（棉花耐鹽性較弱的階段采用淡水或低礦化度咸水灌溉）、育苗移栽技術等也可有效提高棉花成苗率[26]。本研究中，低礦化度咸水溝灌（2、4 g/L）對棉花株高、LAI和果枝數幾乎未產生負面影響，甚至有促進作用，但高礦化度咸水溝灌（8、10 g/L）對株高和LAI產生了顯著的抑制效應。原因是棉花自身具有一定的耐鹽性，并且不同器官或組織對鹽分的敏感性存在差異[14]。

適量濃度的鹽分有助于控制棉花營養(yǎng)生長而促進生殖生長[27]。Pasternak等[28]報道指出，采用濃度為4.4 dS/m微咸水（約2.5 g/L）灌溉的棉花單株成鈴數和單鈴質量分別增加了20%和15%。本研究2015年試驗結果與之相似，即與1 g/L灌水處理相比，2和4 g/L灌水處理的單株成鈴數有所增加，但灌溉水礦化度大于4 g/L時單株成鈴數和單鈴質量均逐漸減低，由此導致8 g/L和10 g/L灌水處理的籽棉產量比CK處理顯著降低7.26%和10.45%。年際間，各處理的籽棉產量變幅較大，原因是棉花產量形成過程除了受土壤水鹽因子影響外，還易受到空氣溫濕度、太陽輻射、日照時數等氣象因素的影響[29-30]，年際之間氣候因素對籽棉產量的影響效應有時會大于土壤水鹽因素[31]。這可能是2010年和2011年10 g/L溝灌處理土壤鹽分較高，而產量卻不比往年低的主要原因。本文連續(xù)10年咸水定位溝灌試驗結果表明，≤4 g/L灌水處理不會對籽棉產量產生顯著影響。而馮棣等[19]通過連續(xù)7年咸水畦灌研究發(fā)現，確保籽棉產量不顯著降低時對應的灌溉水礦化度臨界值為6 g/L?？梢姡趟疁瞎嗟墓喔人V化度閾值低于畦灌，原因可能是當灌溉水礦化度≤6 g/L時，畦灌棉田耕作層土壤有機質、酶活性等理化指標優(yōu)于溝灌處理[32]。然而，當灌溉水礦化度超過閾值之后，溝灌處理棉花產量的降幅小于畦灌處理[32]，因為溝灌的灌水定額和灌溉定額較小、帶入土壤的鹽分少于畦灌，產生的鹽分脅迫相對較小。綜合考慮歷年籽棉產量及土壤鹽分變化特征，在現有灌溉制度下推薦試驗區(qū)咸水溝灌棉花的礦化度閾值為4 g/L。

土壤鹽分的存在降低土壤水分有效性，當鹽分達到一定程度將產生滲透脅迫而影響根系吸水，這是鹽脅迫影響棉花生長的原因之一。此外，鹽分還會對棉花造成離子毒害，引起植物體營養(yǎng)元素缺乏，進而導致生長異常。K+是作物生長必須的營養(yǎng)元素，然而在鹽堿環(huán)境中，較高濃度的Na+會降低細胞對K+的吸收，而維持較高的K+/Na+比值可增強植物適應鹽堿逆境的能力[33]。本研究灌溉水中含有少量的K+，K+/Na+比值僅為0.19%～1.40%，且呈現了隨灌溉水礦化度的增加而減小的趨勢，故灌溉水中K+可能不會對試驗結果產生明顯影響。然而，棉花生產過程中施用鉀肥、秸稈還田等措施均增加了K+的投入，有關土壤鹽離子平衡分析及其對棉花生長的影響效應有待進一步深入研究。

4 結 論

1）棉花生長初期，咸水溝灌棉田溝底部位土壤水分和鹽分含量均大于壟上，隨著生育進程的推進，溝底與壟上的水鹽差異減小，溝底土壤鹽分呈現了向壟上部位和深層土壤運動的趨勢。在連續(xù)咸水灌溉第10年，棉花收獲后1、2、4、6、8和10 g/L處理溝底部位主根層（0～40 cm）鹽分含量比播種時分別降低63.46%、61.54%、66.13%、68.57%、48.15%和48.84%。

2）適量濃度的咸水溝灌對棉花成苗率、株高和葉面積指數影響不大，但超過閾值后顯著下降。與1 g/L灌水處理相比，灌溉水礦化度≥6 g/L時成苗率和葉面積指數顯著降低，≥8 g/L時株高顯著降低。灌溉水礦化度對棉花纖維品質影響較小，處理間上半部平均長度、整齊度指數、馬克隆值、伸長率和斷裂比強度等5項纖維品質指標的差異均不顯著。

3）連續(xù)多年（2006－2015年）咸水溝灌條件下，棉田0～100 cm土層土壤鹽分受灌溉和降水的影響呈現波動，但并未隨灌溉年限的增加而逐漸累積，≤4 g/L灌水處理基本能實現土壤鹽分周年補排平衡。籽棉產量年際差異較大但未隨灌溉年限延長而降低，適量濃度（≤4 g/L）咸水灌溉對歷年籽棉產量無顯著影響，超過6 g/L時歷年籽棉產量顯著降低。綜合考慮土壤鹽分與棉花產量，推薦試驗區(qū)咸水溝灌棉花的灌溉水礦化度閾值為4 g/L。

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Effects of furrow irrigation with saline water on variation of soil water-salt, cotton growth and yield

Zheng Chunlian1, Feng Di2,3, Li Kejiang1, Ma Junyong1, Dang Hongkai1, Cao Caiyun1, Sun Jingsheng2, Zhang Junpeng4※

(1.,,053000,; 2.,,453002,; 3.262700,; 4.,,271018,)

Shallow saline groundwater is expected to alleviate the shortage of freshwater resources in the Hebei Low Plain, China. However, using saline water for irrigation can increase soil salinity, thereby to pose some negative impacts on soil environment and crop growth. It is necessary to understand how salinity affects a crop, to find an acceptable range of salinity level for plants. In this study, a long-term furrow irrigation experiment with saline water for cotton (since 2006) was conducted to investigate the distribution of soil water-salt and response of cotton growth in the 10th year (in 2015), as well the variation of soil salt and yield of seed cotton over the years (2006 to 2015) at the Hengshui Experimental Station, China, in order to ensure sustainable and efficient use of saline water resources. Five salinity levels of irrigation water were tested: 2 (T1), 4 (T2), 6 (T3), 8 (T4), and 10 g/L (T5), and fresh groundwater (1 g/L) was used as control treatment (CK). The salinity level from T1 to T5 was formed by mixing sea salt into the freshwater. Irrigation water was supplied when the moisture content of soil was lower than 65% of the field capacity at each irrigation quota of 37.5 mm during cotton growing period. The results showed that the salt content in the soil layer of 0-100 cm increased with increasing salinity of irrigation water from 2006 to 2015, indicating a fluctuation with the precipitation and irrigation amount during the interannual period. In the treatment with the salinity of irrigation water, ≤4 g/L, there was no much increase in the soil salt content after cotton harvest in 2015, compared with the initial value in 2006. During the cotton growing period in 2015, the soil moisture in the furrow was higher than that in the ridge, while the soil moisture in the main root layer (0-40 cm) was higher in the treatment with the salinity of irrigation water, ≥6 g/L than that in CK. The soil salt content increased as the increase in the salinity of irrigation water, whereas increased first and then decreased with the advance of cotton growth. There was a trend of moving to the ridge and deep layer in the furrow of cotton field during furrow irrigation. There was no soil salt that accumulated in the main root layer after harvest, compared with that before cotton sowing. Saline water irrigation had a certain inhibitory effect on cotton growth. Lower salinity levels of irrigation water generally had few negative effects on cotton seedling rate, plant height and leaf area index (LAI), but the growth indicators of cotton were inhibited significantly when water salinity reached a certain limit. Compared with CK, the seedling rate and LAI significantly decreased when the salinity of irrigation water reached 6 g/L, where the threshold for the plant height was 8 g/L. There was no significant difference in the five quality indexes (upper half mean length, fiber uniformity, micronaire value, fiber strength and fiber elongation) among treatments, indicating furrow irrigation with saline water has little effect on the fiber quality of cotton. The yield of seed cotton in saline water treatments from 2006 to 2015 did not decrease gradually, but showing a large year-to-year fluctuation as the increased in irrigation over the years. There was an inconsistent state in the annual variation between cotton yield and soil salinity. Compared with CK, the cotton yield in the treatments of 2 g/L and 4 g/L showed no significant difference, but a significant decrease when the salinity of irrigation water beyond 6 g/L. The finding demonstrated that the critical salinity threshold of irrigation water can be set as 4 g/L for furrow-irrigated cotton.

soils; irrigation; saline water; cotton; water and salt transport; yield

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2020-03-04

2020-05-19

國家自然科學基金項目（51609248）；國家現代農業(yè)棉花產業(yè)技術體系建設專項（CARS-15-13）；國家科技支撐計劃項目（2013BAD05B05）

鄭春蓮，副研究員，主要從事微咸水安全利用技術研究。Email：nkzheng@126.com

張俊鵬，博士，副教授，主要從事節(jié)水灌溉理論與新技術研究。Email：jpengzhang@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.011

S562; S273.4

A

1002-6819(2020)-13-0092-10