長(zhǎng)期膜下滴灌棉田土壤水鹽分布變化及其對(duì)棉花生長(zhǎng)影響

于曉瑞，虎膽·吐馬爾白，楊鵬年，朱海清，李 萌

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯術(shù)齊 830052)

膜下滴灌是利用覆膜的抗蒸發(fā)技術(shù)和滴灌的節(jié)水技術(shù)結(jié)合水資源短缺、氣候干燥、蒸發(fā)強(qiáng)烈的特點(diǎn)，而研制出的新型、可靠的灌溉技術(shù)[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，新疆鹽漬土面積105萬(wàn)hm2，占耕地面積的33.4%，且土壤鹽漬化有繼續(xù)惡化的趨勢(shì)，鹽漬化成為危害農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的一個(gè)突出問(wèn)題[2]。伴隨膜下滴灌技術(shù)應(yīng)用范圍和時(shí)間的增加，眾多學(xué)者[3-7]對(duì)鹽堿地應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)后土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律及作物生長(zhǎng)情況做了大量研究。周宏飛[8]等對(duì)不同改良措施條件下土壤水鹽動(dòng)態(tài)、水鹽平衡進(jìn)行了研究，王全九[9]等確定了鹽堿地膜下滴灌的技術(shù)參數(shù)。寧松瑞[10]等認(rèn)為短期內(nèi)膜下滴灌可以將淺層土壤鹽分淋洗至深層，但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，卻無(wú)法將鹽分從根區(qū)土壤層中排出，土壤鹽堿化程度并不能降低。本文主要根據(jù)南疆長(zhǎng)期滴灌棉田連續(xù)3年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析不同年份不同深度土層土壤水鹽分布變化以及其對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響，為更好地利用膜下滴灌技術(shù)提供合理的依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于庫(kù)爾勒市包頭湖農(nóng)場(chǎng)，地處孔雀河三角洲沖積扇下部，海拔在885 m，地下水位較高，東鄰永豐渠、西鄰孔雀河、北倚天山支脈霍拉山南麓、南靠孔雀河濕地保護(hù)區(qū)。氣候?qū)儆谂瘻氐貛?，無(wú)霜期達(dá)180～220 d，日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射能量多熱量大，早晚溫差大，適宜棉花的生長(zhǎng)。試驗(yàn)區(qū)種植金花9號(hào)棉花，土壤在0～100 cm內(nèi)為粉土(土壤顆粒分析見(jiàn)表1)，土壤密度為1.40 g/cm3，土壤田間持水量為24%。采取等行距條播，種植模式為一膜一管四行(種植模式見(jiàn)圖1)，覆膜寬度為1.2 m，滴頭設(shè)計(jì)流量為2.6 L/h，滴頭間距為30 cm。灌溉定額均為4 500 m3/hm2,以100 kg/hm2尿素和120 kg/hm2滴灌肥的標(biāo)準(zhǔn)施肥,同時(shí)進(jìn)行灌水與施肥。

表1 土壤顆粒分析及其化學(xué)類型

圖1 棉花種植模式(單位：cm)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)區(qū)直接選擇在大田中進(jìn)行田間取樣，使用土鉆法分別在滴頭(寬行)、膜間(膜間裸地)、行間(窄行)三處垂直取0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm深度土壤，分別在棉花播種期、苗期、盛齡期、收獲期進(jìn)行土壤樣品采集。用烘干稱重法測(cè)定其質(zhì)量含水率。(將野外所取土壤及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室并稱取其濕重，然后將樣品放置在烘箱中，在105 ℃的溫度下烘烤10 h后稱取土壤干重。)土壤質(zhì)量含水率的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Wm為土壤質(zhì)量含水率，%；W0為土壤鮮重，kg；Wt為土壤干重，kg。

烘干研磨取10 g土與50 g蒸餾水按土水比1∶5制成土壤浸提液，攪拌均勻后靜置沉淀一段時(shí)間用DDS-307型電導(dǎo)率儀測(cè)取浸提液的電導(dǎo)率，根據(jù)測(cè)定得出的電導(dǎo)率與含鹽量換算公式求得每層土壤的含鹽量。

電導(dǎo)率與含鹽量關(guān)系的確定：試驗(yàn)選取37個(gè)樣品，分別測(cè)出電導(dǎo)率和含鹽量(見(jiàn)圖2)。用SPSS軟件分析兩者發(fā)現(xiàn)具有顯著的線性關(guān)系，擬合得出方程相關(guān)參數(shù)從而得出含鹽量與電導(dǎo)率之間關(guān)系：

Y=0.005X-0.026 (R2=0.998，n=37)

(2)

式中：Y為土壤含鹽量，%；X為電導(dǎo)率，μS/cm。

圖2 電導(dǎo)率與含鹽量關(guān)系

2 結(jié)果分析

2.1 不同滴灌年份生育期土壤水鹽分布

由于棉花根系層深度較淺且膜下滴灌土壤濕潤(rùn)深度不深，在研究生育期棉花根系層土壤平均含水率與含鹽量時(shí)采取0～60 cm深度土層作為研究對(duì)象。圖3為不同滴灌年份各生育時(shí)期0～60 cm土層平均含水率與含鹽量。由圖3可以看出，播種期到苗期各年份土壤平均含水率均降低，主要是由于播種期前土壤經(jīng)過(guò)春灌使土壤含水率升高，播種之后到苗期土壤不在灌水分蒸發(fā)強(qiáng)烈使土壤含水率降低；苗期到盛齡期各年份土壤平均含水率增加，是由于該時(shí)期棉田灌水次數(shù)較多，但是由于該時(shí)期土壤蒸發(fā)與植物蒸騰作用都較為強(qiáng)烈使得含水率增加的趨勢(shì)較為平緩；在棉花盛齡期后，隨著灌溉次數(shù)的減少，土壤平均含水率降低。

土壤鹽分在年內(nèi)棉花生長(zhǎng)期整體呈降低趨勢(shì)。在播種期到苗期土壤含鹽量隨含水率的降低而增加，且隨著灌溉年限的增加，土壤含鹽量在該時(shí)期有增加的趨勢(shì)；苗期到盛齡期土壤含鹽量降低有利于棉花生長(zhǎng)；盛齡期到收獲期土壤含鹽量增加。對(duì)于整個(gè)生育期，可以看出隨著灌溉年份的增加，土壤作物根系層的平均含鹽量有增加的趨勢(shì)。

圖3 生育期不同年份土壤水鹽分布

圖4 收獲期各土層不同年份土壤水鹽分布

2.2 不同滴灌年份生育期各時(shí)期各土層鹽分分布

由圖4可以看出，滴灌棉田在棉花生育初期(播種期)土壤水分分布呈現(xiàn)表層含水率較低，向深處土壤水分先升高再降低的分布特點(diǎn)，其中在40 cm深處附近含水率最高，是由于播種期氣溫逐漸升高，表層土壤水分蒸發(fā)加劇，而40 cm土層由于前期春灌補(bǔ)給水分以及受到蒸發(fā)程度較小而含水量較高。在棉花生長(zhǎng)期內(nèi)(苗期、盛齡期)土壤水分整體含量較高，垂直方向總體呈中間(20～50 cm)高兩頭低的分布特點(diǎn)，是此時(shí)氣溫普遍較高，棉花枝繁葉茂正處于耗水旺盛的時(shí)期，由于作物根系主要分布在20～60 cm范圍，此時(shí)蒸騰拉力較大，使得根系層對(duì)于土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響比較顯著，根系層含水率普遍偏高，而表層土壤水分在地表蒸發(fā)、根系耗水及向下遷移的多種因素下消耗顯著，含量較低。膜下滴灌棉花生育期末(收獲期)土壤水分分布在0～60 cm深度范圍內(nèi)從上向下總體呈現(xiàn)低高低的分布特征，是由于進(jìn)入棉花生育末期，棉葉大量脫落，灌水停止,此期氣溫日夜溫差較大，白天氣溫仍然較高，陽(yáng)光可透射到地表，因此，表層土壤水分蒸發(fā)散失嚴(yán)重，使得表層水分含量較低，在20～50 cm 土層由于生育期內(nèi)灌水較多，且處于棉花根系主要分布層，土壤水分仍有較高的存量。

各滴灌年份棉田土壤含鹽量在40～50 cm聚積。不同年份各土層含鹽量變化總趨勢(shì)為下一年比上一年略微增加，上層土壤含鹽量變化較大，下層土壤含鹽量趨于穩(wěn)定。不同年份各生育時(shí)期幾乎各土層土壤含鹽量均隨著滴灌年限的增加而增大，在盛齡期和收獲期較為明顯。土壤鹽分基本呈現(xiàn)表層鹽分含量高，向土壤深處鹽分逐漸降低的分布特點(diǎn)。同一年份在垂直方向土壤含鹽量先增加后降低，主要是由于滴灌是滴頭下土壤水分逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)后向西周擴(kuò)散，形成一個(gè)濕潤(rùn)鋒，土壤鹽分隨水分移動(dòng)而被淋洗到濕潤(rùn)體的外面，從而達(dá)到“洗鹽”的目的使作物根系層形成個(gè)鹽分淡化區(qū)，為作物的根系生長(zhǎng)創(chuàng)造一個(gè)優(yōu)良的水鹽環(huán)境。

2.3 不同年份棉花生長(zhǎng)情況

(1)分段式函數(shù)。目前應(yīng)用較為廣泛的作物耐鹽函數(shù)為分段式函數(shù)，具體方程為：

(3)

式中：Yr為相對(duì)產(chǎn)量(無(wú)量綱)；Y為抑制區(qū)作物產(chǎn)量，kg/hm2；Ym為正常區(qū)作物產(chǎn)量，kg/hm2；S為每增加單位含鹽量，相對(duì)產(chǎn)量降低系數(shù);C為作物根層土壤含鹽量，%；Ct為土壤含鹽量臨界值，即對(duì)產(chǎn)量不產(chǎn)生影響時(shí)的最大土壤含鹽量，%；C0為棉花產(chǎn)量為零時(shí)的土壤含鹽量，%，超過(guò)C0后棉花產(chǎn)量為零。

C0、Ct、S為相對(duì)產(chǎn)量對(duì)土壤含鹽量的響應(yīng)指標(biāo)，當(dāng)C≤Ct時(shí)，土壤含鹽量對(duì)作物產(chǎn)量無(wú)影響；當(dāng)C>C0鹽害使作物基本不能生長(zhǎng)；當(dāng)Ct≤C≤C0時(shí)，土壤含鹽量對(duì)作物產(chǎn)量有不同程度的影響，C值愈大，影響愈大。

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)棉花產(chǎn)量實(shí)測(cè)得出的數(shù)據(jù)，由SPSS線性回歸分析得出棉花耐鹽方程式(4)及函數(shù)曲線(見(jiàn)圖5)。

(4)

R2=0.992,說(shuō)明實(shí)測(cè)值與回歸方程擬合程度較好，棉花在土壤含鹽量高于0.51%時(shí)產(chǎn)量開始受到抑制，在土壤含鹽量高于1.79%時(shí)棉花產(chǎn)量將降低為零。

圖5 棉花相對(duì)產(chǎn)量與土壤含鹽量的關(guān)系

(2)S型函數(shù)。另一種應(yīng)用較多的作物耐鹽函數(shù)為S型函數(shù)，具體函數(shù)為：

(5)

式中：C50為作物產(chǎn)量降低50%時(shí)的土壤含鹽量，%；P為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

主要參數(shù)C50和P值為作物相對(duì)產(chǎn)量對(duì)土壤含鹽量的響應(yīng)指標(biāo)。C50值越大，作物相對(duì)產(chǎn)量受到影響的土壤含鹽量值越大。P值表示了減產(chǎn)效應(yīng)。

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)棉花產(chǎn)量實(shí)測(cè)得出的數(shù)據(jù)，由SPSS非線性回歸分析得出棉花耐鹽方程式(6)及函數(shù)曲線(見(jiàn)圖5)。

(6)

R2=0.994，高于分段式函數(shù)的0.992，因此，S型函數(shù)與實(shí)測(cè)值的擬合程度高于分段式函數(shù)，棉花在土壤含鹽量高于1.135%時(shí)產(chǎn)量降低50%。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)在棉花根系層(0～60 cm)各年份土壤平均含水率在整個(gè)生育期均呈先降低后增加再降低的趨勢(shì)，平均含鹽量呈先增加后降低再增加的趨勢(shì)，隨著滴灌年限的增加，土壤平均含鹽量有增加的趨勢(shì)。由作物耐鹽函數(shù)可以看出，2014年份作物根系層土壤含鹽量已經(jīng)對(duì)棉花的產(chǎn)量起到抑制作用，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整棉田的灌溉制度。

(2)各滴灌年限不同土層土壤含水率分布特點(diǎn)為表層含水率較低，20～50 cm土層含水率較高，50 cm以下含水率較低。各滴灌年限土壤鹽分均在30～50 cm土層聚積 ，隨著滴灌年限的增長(zhǎng)各土層含鹽量有增加的趨勢(shì)。

(3)根據(jù)田間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及作物耐鹽函數(shù)擬合出試驗(yàn)區(qū)棉花的耐鹽函數(shù)，在土壤含鹽量高于0.51%時(shí)產(chǎn)量開始受到抑制，土壤含鹽量高于1.135%時(shí)產(chǎn)量降低50%，在土壤含鹽量高于1.79%時(shí)棉花產(chǎn)量將降低為零。

[1] 馬富裕,嚴(yán)以綏.棉花膜下滴灌技術(shù)理論與實(shí)踐[M].烏魯木齊:新疆大學(xué)出版社,2002.

[2] 王少麗, 楊繼富, 李 杰, 等. 新疆鹽漬化灌區(qū)水鹽平衡現(xiàn)狀及對(duì)策[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2006,(4):12-15.

[3] 虎膽·吐馬爾白,弋鵬飛,王一民,等. 干旱區(qū)膜下滴灌棉田土壤鹽分運(yùn)移及累積特征研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2011,(5):144-150.

[4] 谷新保. 棉田膜下滴灌土壤水鹽運(yùn)移試驗(yàn)研究[D]. 烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2009.

[5] 張 豫,王立洪,孫三民,等. 阿克蘇河灌區(qū)棉花耐鹽指標(biāo)的確定[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011,(10):2 051-2 059.

[6] 胡曉棠. 滴灌棉田根區(qū)土壤水熱氣環(huán)境及對(duì)根系生長(zhǎng)的影響[D]. 新疆石河子：石河子大學(xué), 2007.

[7] 侯振安,王艷娜,龔 江,等. 干旱區(qū)咸水滴灌土壤鹽分的分布與積累特征[J]. 土壤通報(bào), 2008,(1):16-24.

[8] 周宏飛,馬金玲.塔里木灌區(qū)棉田的水鹽動(dòng)態(tài)和水鹽平衡問(wèn)題探討[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2005,24(6):10-14.

[9] 王全九,王文焰,王志榮,等.鹽堿地膜下滴灌技術(shù)參數(shù)的確定[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2001,17(2):47-50.

[10] 寧松瑞,左 強(qiáng),石建初. 新疆膜下滴灌棉田水鹽運(yùn)移特征研究進(jìn)展[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2014,33(2):121-125.