甘肅河西地區膜下滴灌條件下春玉米田水鹽特征分析

楊宏偉，楊正華，侯淑梅，王增麗，張富倉

(1.甘肅省水利廳石羊河流域管理局， 甘肅 武威 733000； 2.武威七中, 甘肅 武威 733000;3.武威市中心灌溉試驗站， 甘肅 武威 733000； 4.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室， 陜西 楊凌 712100)

甘肅河西地區膜下滴灌條件下春玉米田水鹽特征分析

楊宏偉1，楊正華1，侯淑梅2，王增麗3，張富倉4

(1.甘肅省水利廳石羊河流域管理局， 甘肅 武威 733000； 2.武威七中, 甘肅 武威 733000;3.武威市中心灌溉試驗站， 甘肅 武威 733000； 4.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室， 陜西 楊凌 712100)

通過對甘肅河西地區膜下滴灌春玉米種植條件下土壤水分、鹽分的觀測，分析了膜下滴灌春玉米生育期土壤水分、鹽分動態變化及其產量和水分利用效率。結果表明：不同生育期，同一土層深度，土壤水分含量高低分布與土壤鹽分含量高低分布相反，均表現出土壤不同深度鹽分含量高的區域相應水分含量低，滴灌帶之間土壤鹽分積累較滴頭之間顯著；灌水定額480 m3·hm-2處理，灌溉水分在土層縱向運移顯著，深層滲漏明顯，灌水定額420 m3·hm-2處理，灌溉水在土壤不同深度橫向層面運移顯著，有利于作物吸收利用；膜下滴灌能夠在滴水過程中明顯降低土壤表層0～40 cm鹽分含量，土壤下層40～100 cm為鹽分聚集區域；灌水定額420 m3·hm-2處理，春玉米產量構成和水分利用效率較高。從作物生長水鹽環境及高效節水的角度出發，灌水定額420 m3·hm-2處理的效益最優。

膜下滴灌；春玉米田；灌水定額；水鹽運移；產量

滴灌(drip irrigation)是通過放在地面或地下毛管的滴頭。在低壓(20～200 kPa)和較低流量(每個滴頭1～30 L·h-1)下向土壤緩慢的滴水，形成土壤表面部分濕潤的一種灌溉系統。它可以直接向土壤供應已經過濾過的水分、肥料及其它化學劑。通過重力和毛細管的作用進入土壤，而沒有噴水或溝渠流水現象。滴入作物根部附近的水分使作物根區的土壤經常保持最優的含水狀況[1]。膜下滴灌技術是覆膜和滴灌的完美結合，利用灌水濕潤部分土體，均勻度可達90%～95%，使水分集中分布在作物根層，滿足作物生長要求。同時滴灌條件下，土壤疏松不易板結，土壤團粒結構保持較好，土壤通氣性好，因此作物生長條件好，產量較高。滴灌較常規灌溉節水約50%，增產20%[2-3]。國內外研究者在水鹽運移規律方面做了大量工作[4-5]，Mass[6]通過對試驗資料對比分析，確定了大部分作物的臨界含鹽量，同時提出作物產量隨土壤含鹽量的增加呈線性下降曲線。Tedeschi[7]研究結果表明，高頻灌水決定了土壤剖面較高的水分含量和較低的鹽分積累，呂殿青[8-9]等研究了膜下滴灌土壤的鹽分分布特性，在滴灌條件下將鹽堿地的鹽分分布劃分為達標脫鹽區、未達標脫鹽區和積鹽區，從灌水量、滴頭流量、土壤初始含水量和初始含鹽量方面出發，進行了一系列室內試驗，對三個鹽分分布區的發展進行了研究。李毅[10-11]初步研究了膜下土體溫度場的變化及其對水鹽運動的影響和水鹽再分布的一般規律。水是鹽分運移的主要載體，在干旱地區，強烈的蒸發是造成土壤次生鹽堿化的重要因素，然而覆膜將土體與大氣有效的隔離，阻斷了水分的向上運動，有效降低了土壤表層鹽分含量[12-13]。

膜下滴灌是新疆在節水灌溉實踐中，把滴灌和地膜覆蓋栽培技術的各自優勢集成創新，為內陸干旱地區發展高效節水灌溉開辟了一條新途徑，是我國農業灌溉節水技術的重大發展[14]。甘肅省河西地區屬內陸干旱地區，由于地表水資源嚴重短缺，地下水是該區農業灌溉的重要水源。高礦化度的地下水灌溉和強烈的蒸發蒸騰作用使該區耕地大面積出現積鹽現象，灌溉農業的可持續發展面臨著巨大的挑戰。通過1年的田間試驗，對膜下滴灌條件下，不同灌溉定額對土壤水分、鹽分分布及春玉米產量和水分利用效率的影響進行了研究，得出膜下滴灌不同灌溉定額條件下，土壤水分、鹽分動態變化規律及適宜作物生長高效節水的最優灌溉制度。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況及試驗設計

試驗在中國農業大學石羊河流域農業與生態節水試驗站進行，該站位于甘肅省武威市涼州區,地處騰格里沙漠邊緣(37°50′49″N, 102°51′01″E)。海拔高度1 500 m，為大陸性溫帶干旱氣候，地下水埋深25～30 m，該地區年平均氣溫8℃，>0℃積溫3 550℃以上，干旱指數15～25。年均日照時數3 000 h以上，年均降水量160 mm，年均水面蒸發量2 000 mm以上，無霜期150 d以上，日照充足，熱量豐富，風大沙多，春季最大風速38 m·s-1，多為西北風。土壤為灰鈣質輕砂土。

試驗田周圍為玉米田地，播前耕地儲水灌溉按照當地常規進行，膜下滴灌采用一膜兩管四行栽培方式布置，地膜寬140 cm。供試春玉米品種為先玉335，2015年于4月25日播種，9月25日收獲，全生育期152 d。播種采用玉米點播機進行點播，株距35 cm，行距40 cm，施基肥尿素262.5 kg·hm-2，磷酸二氫銨525 kg·hm-2。春玉米生育期追肥隨苗期、拔節期灌水進行，苗期、拔節期各追肥量100 kg·hm-2。各種農藝措施參照當地常規。試驗采用隨機區組排列。設置不同水分處理T1、T2、T3,灌水方式為膜下滴灌，T4為當地常規灌溉種植方式，共四個處理，每個處理重復3次，小區面積24 m2(3 m×8 m)，周圍布置保護區。試驗處理設置如表1所示。

1.2 測定項目和方法

1) 土壤水分及含鹽量測定。

不同處理春玉米各生育期用土鉆分層(0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm)取樣，滴頭處作為一個點，沿滴灌帶鋪設方向距滴頭水平距離15、30 cm處(計作-15 cm，-30 cm)，作為兩個點，垂直滴灌帶鋪設方向距滴頭水平距離10、20、30 cm處(計作+10 cm，+20 cm，+30 cm)，作為三個點，共六個點，每個點采集6個樣。采用烘干法測定土壤水分含量，利用SG3型電導率儀測定電導率EC1∶5(土水質量比為1∶5)，根據文獻[10]計算土壤全鹽量。

2) 春玉米產量及特征值測定。

春玉米成熟收獲后，各小區取10株進行考種。考種指標包括穗長、禿尖長、穗粗、穗行數、行粒數、百粒重。測產采取小區單打單收方法測定。

表1 2015年春玉米不同灌溉灌水處理/(m3·hm-2)

注：T4為本地區的常規灌溉制度，其余處理均參照T4制定。

Note: T4 is the local conventional irrigation system, and the rest treatments are formulated with T4 as the reference.

3) 氣象因子測定。

2015年春玉米生育期內各氣象因子由試驗站內自動氣象站測定。2015年春玉米生育期總降雨量147.2 mm，有效降雨量112.6 mm。

4) 作物耗水量測定。

采用農田土壤水量平衡公式進行耗水量計算。灌水量采用水表進行計量。由于該試驗田地下水埋深在40 m以下，可視地下水補給量為0，降水入滲深度不超過1 m，可視深層滲漏為0。作物生長所需水分主要由灌溉水和降雨供應。因此，水量平衡方程可簡化為：

ET=P+I-ΔW

(1)

式中，ET為作物生育期耗水量(mm)；P為生育期降水量(mm)；I為生育期內灌溉量(mm)；ΔW為作物生育期土壤蓄水變化量(mm)。

1.3 數據處理與分析方法

利用SPSS16.0對試驗數據進行方差分析和顯著性檢驗，采用Surfer8.0軟件對土壤水分、鹽分分布進行制圖分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌水處理農田土壤水分鹽分的動態分布特征

膜下滴灌有利于土壤水分入滲，減少土壤水分棵間蒸發，抑制鹽分上移，利于鹽分淋洗和遷移，在作物耕作層易形成淡化脫鹽區，有利于作物的正常生長。

2.1.1 不同灌水處理農田土壤水分的動態 2015年春玉米生育期土壤剖面水分含量動態變化如圖1。苗期，各處理0～100cm剖面土壤水分含量分布規律基本一致，灌水定額對土壤水分含量影響基本一致，灌水定額越高，0～100cm剖面土壤水分含量越高。苗期灌水定額為480m3·hm-2(T1)處理，垂直剖面40～100cm區域土壤含水量均高于T2、T3處理的相應區域，說明苗期春玉米耗水量較低，較高的灌水定額480m3·hm-2(T1)處理下灌溉水量不能被春玉米有效吸收利用，產生了明顯滲漏，滲漏深度達100cm以下，對應最高含水量為23.38%。

拔節期，T1、T2、T3處理下，0～40cm土層土壤水分與苗期相比變化不顯著，0～100cm土層土壤水分含量分布圖顏色色度隨土壤深度的增加而增加，表明深層土壤水分含量高于表層土壤。T1、T2、T3處理0～10cm土壤含水量分別為14.94%、14.08%、9.67%，20～40cm土層，各處理土壤水分含量分別為15.48%、14.69%、9.93%，60～100cm土層，各處理土壤水分含量分別為15.85%、14.99%、11.5%，各處理20～40cm土層土壤水分含量較0～10cm土層高3.61%、4.33%、2.69%，各處理60～100cm土層土壤水分含量較0～10cm土層高6.09%、6.46%、18.92%。結果表明0～40cm土層內土壤水分被根系充分吸收利用，春玉米蒸發蒸騰量在拔節期主要發生在0～40cm土層內。

抽雄期，各處理之間土壤水分含量差異主要表現在0～60cm土層土壤中，T1、T2、T3處理，0～60cm土層土壤水分含量分別介于15.25%左右、17.19%左右、16.61%左右。80～100cm土層各處理土壤水分含量分別為19.57%、15.42%、9.62%，說明抽雄期灌水定額480m3·hm-2處理，灌溉水分在土層縱向運移顯著，深層滲漏明顯，適中的灌水定額420m3·hm-2處理，灌溉水在土壤不同深度橫向層面上運移顯著，有利于作物根系吸收，灌溉水既能滿足作物生長需要又不會產生明顯深層滲漏。

灌漿乳熟期，春玉米進入營養生長期，水分向營養生長的籽粒轉移，各處理灌溉水在土壤不同深度橫向層面上運移顯著，0～100cm土層土壤水分含量較前期均有降低。深層80～100cm內各處理土壤水分含量分別為13.21%、12.25%、9.36%，較抽雄期低48.15%、25.88%、2.78%，土壤含水量降低明顯，說明灌漿乳熟期春玉米根系發達，各處理深層80～100cm土層土壤水分均能被春玉米有效吸收利用，表現出灌水定額越高，水分被吸收利用越顯著。

2.1.2 不同灌水處理農田土壤鹽分的動態 2015年春玉米生育期土壤剖面鹽分含量動態變化如圖2。苗期，各處理0～100cm土層土壤鹽分含量分布規律基本一致，灌水定額對土壤鹽分含量影響基本一致。T1、T2、T3處理土壤鹽分含量在0～40cm土層內分別為0.825、0.678、0.710g·kg-1，40～100cm土壤鹽分含量分別為0.753、0.574、0.704g·kg-1，各處理深層(40～100cm)土壤鹽分含量較淺層(0～40cm)分別低9.56%、18.12%和0.85%，春玉米苗期根系主要分布在0～40cm土層內，T2處理0～40cm土層土壤鹽分含量較T1、T3處理低。表明灌水定額為420m3·hm-2的處理為春玉米苗期提供最優的生長環境。

拔節期，隨著春玉米生育期內灌水量增加，T1、T2、T3處理0～10cm土層內土壤鹽分含量分別為0.720、0.689、0.691g·kg-1，80～100cm土層內土壤鹽分含量分別為0.796、0.663、0.681g·kg-1，10～80cm土層內土壤鹽分含量分別為0.701、0.644、0.596g·kg-1，各處理0～10cm土層內土壤鹽分含量較10～80cm土層內高2.71%、6.99%和15.94%，各處理80～100cm土層內土壤鹽分含量較10～80cm土層內高13.55%、2.95%和14.26%。結果表明各處理0～10cm土層和80～100cm土層為積鹽區，10～80cm土層為脫鹽區，說明春玉米拔節期的主根區鹽分含量與灌水量呈正相關，灌水量越高脫鹽區鹽分含量越高。

春玉米由植株生長轉向營養生長期(抽雄期)，此時春玉米進入最旺盛的生長季節，各處理0～100cm土壤剖面鹽分含量分布規律基本一致，灌水定額對土壤鹽分含量影響基本一致。以滴頭為中心，表現為垂直方向上隨土層深度的增加鹽分含量呈增加的趨勢，脫鹽區深度隨灌水定額的增加而減小。抽雄期，春玉米根系達到了80cm土層深度，植株蒸騰量大，滲漏到40～100cm區域的灌水和土壤原有儲水量，被根系充分吸收利用，由于鹽隨水動，土壤深層的鹽分也向表層移動。T1、T2、T3處理滴灌帶之間垂直方向0～100cm剖面土壤鹽分含量分別為0.962、0.892、0.887g·kg-1，T1、T2、T3處理滴頭之間垂直方向0～100cm剖面土壤鹽分含量分別為0.859、0.804、0.838g·kg-1，T1、T2、T3處理滴頭下垂直方向0～100cm土壤剖面土壤鹽分含量分別為0.826、0.753、0.762g·kg-1，滴灌帶之間垂直方向0～100cm土壤剖面土壤鹽分含量較滴頭下相應區域高16.46%、18.46%和16.4%，滴頭之間垂直方向0～100cm土壤剖面土壤鹽分含量較滴頭下相應區域高4%、6.77%和9.97%，說明滴灌帶之間土壤鹽分積累較滴頭之間顯著，滴頭下土壤鹽分含量最低。

灌漿乳熟期，春玉米進入營養生長期，各處理0～100cm土層土壤鹽分含量較抽雄期均有下降，各處理之間0～100cm土層土壤鹽分含量差異不顯著。T1、T2、T3處理0～40cm土壤剖面土壤鹽分含量分別為0.61、0.638、0.655g·kg-1，60～100cm土壤剖面土壤鹽分含量分別為0.705、0.756、0.703g·kg-1，T1、T2、T3處理60～100cm土壤剖面土壤鹽分含量較0～40cm土壤剖面高15.57%、18.57%和7.4%，說明灌漿乳熟期由于春玉米耗水量降低，不能被作物吸收的水分將表層(0～40cm)的鹽分淋洗到深層(60～100cm)，灌水量越高，鹽分淋洗效果越顯著。

2.1.3 不同灌水定額對春玉米產量構成和水分利用效率的影響 由表2可看出，不同灌水定額下春玉米產量構成因素發生了較大變化。其中穗行數、行粒數各處理之間無明顯差異，其余產量構成因子在不同灌水處理下差異明顯。灌水定額適中的處理T2其穗粗、穗長、穗行數、行粒數、百粒重分別比當地常規灌溉(T4)處理高3.44%、0.6%、1.19%、2.46%、2.2%，灌水定額較大的處理(T1)穗粗、穗長、穗行數、行粒數、百粒重分別比當地常規灌溉(T4)處理高5.89%、1.5%、5.95%、1.23%、-2.25%(負數表示T4處理比T1處理高)。灌水定額較低的滴灌處理(T3)產量構成各因素較其余處理均低。

不同灌水定額T1、T2、T3和T4處理的春玉米產量依次為18 168.3、17 989.8、14 855.4、17 113.7kg·hm-2，水分利用效率依次為3.19、3.59、3.09、2.57kg·m-3。其中T1、T2和T4處理產量與T3處理差異顯著(P<0.05)，T1、T2和T4處理產量較T3處理高22.3%、21.1%和15.2%。各處理水分利用效率(WUE)介于2.57～3.59 kg·m-3之間，大小依次為T2>T1>T3>T4，T1、T2和T3處理水分利用效率較T4處理高24.12%、39.69%和20.23%。其中T1、T2和T3處理與T4處理差異達顯著性水平(P<0.05)。研究結果表明，傳統畦灌(T4)條件下，春玉米667 m2均產量在1 200 kg左右，且與滴灌條件下T1和T2處理的產量無顯著性差異，結合水分利用效率分析結果，T4處理下較高的產量是以較大耗水量為代價換來的。由總體變化趨勢來看，從經濟及高效利用水資源的角度出發，T2處理的節水效益最優。

圖1 不同灌溉處理農田土壤剖面的水分動態分布(橫坐標0點為滴頭位置)

Fig.1 Dynamic distribution of soil water in 0～1 m profile under different irrigation treatments (The 0 point in horizontal coordinate is the position of emitter)

圖2 不同灌溉處理農田0～1 m土壤剖面鹽分含量的變化(橫坐標0點為滴頭位置)/(g·kg-1)

Fig.2 Dynamic change of salt content in 0～1 m profile under different irrigation treatments (The 0 point in horizontal coordinate is the position of emitter)

表2 不同灌水處理對春玉米產量構成和水分利用效率的影響

注：同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different small letters in same columns indicate significant differences at 0.05 level.

3 結論和討論

1) 苗期，較高的灌水定額480 m3·hm-2處理產生了水分深層滲漏，滲漏深度達100 cm以下，對應最高含水量為23.38%。拔節期各處理深層土壤水分含量略高于表層土壤，0～40 cm土層內土壤水分被根系充分吸收利用。抽雄期灌水定額480 m3·hm-2處理，灌溉水分在土層縱向運移顯著，深層滲漏明顯，適中的灌水定額420 m3·hm-2處理，灌溉水在土壤不同深度橫向層面上運移顯著。灌漿乳熟期，各處理0～100 cm土層土壤水分含量較前期均有降低。各處理深層80～100 cm土層土壤水分均能被春玉米有效吸收，灌水定額越高，水分吸收越顯著。

2) 苗期，各處理深層(40～100 cm)土壤鹽分含量較淺層(0～40 cm)分別低9.56%、18.12%和0.85%。拔節期，各處理0～10 cm和80～100 cm為積鹽區，10～80 cm為脫鹽區，春玉米拔節期的主根區鹽分含量與灌水量呈正相關。抽雄期，各處理0～100 cm土壤剖面土壤鹽分含量分布規律基本一致，以滴頭為中心，表現為垂直方向上隨土層深度的增加鹽分含量呈增加的趨勢，脫鹽區深度隨灌水定額的增加而減小，滴灌帶之間土壤鹽分積累較滴頭之間顯著。灌漿乳熟期各處理0～100 cm土層土壤鹽分含量較抽雄期有所下降，表現為深層(60～100 cm)為積鹽區，表層(0～40 cm)為脫鹽區。

3) 灌水定額適中的處理T2其穗粗、穗長、穗行數、行粒數、百粒重分別比當地常規灌溉處理下T4高3.44%、0.6%、1.19%、2.46%、2.2%，灌水定額較低的滴灌處理T3其產量構成各因素較其余處理均低。T1、T2、T3和T4處理理論產量依次為1 211.22、1 199.32、990.36、1 140.91 kg·667m-2。T2處理的節水效益最優。

作物的生長除與土壤水分鹽分有關系外，還與土壤的通氣和熱狀況、土壤的養分等因素有關，不同定額的膜下滴灌，除了影響土壤的水分鹽分外，還可能影響土壤有機和養分的轉化，無機養分淋洗以及土壤的熱狀況，從而對作物的生長及土壤水分鹽分產生一定的影響，還需要今后進一步研究。

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Analysis of soil water and salt characteristics in farmland of spring maize under mulched drip irrigation in Hexi Region of Gansu Province

YANG Hong-wei1, YANG Zheng-hua1, HOU Shu-mei2, WANG Zeng-li3, ZHANG Fu-cang4

(1.BasinManagementBureauofShiyangRiver,TheWaterResourcesDepartmentofGansuProvince,Wuwei,Gansu733000,China； 2.SeventhMiddleSchoolofWuwei,Wuwei,Gansu733000,China; 3.CentralIrrigationExperimentStationofWuwei,Wuwei,Gansu733000,China; 4.KeyLaboratoryofAgriculturalSoilandWaterEngineeringinAridandSemiaridAreas,MinistryofEducation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Through the observation of soil water and salt in the farmland of spring maize under mulched drip irrigation in Hexi Region of Gansu Province, the characteristics of soil moisture and salt dynamic change, and the yield and water use efficiency of maize were analyzed. The results showed that the distribution of soil moisture content in different soil profiles at different growth stages was opposite to that of salt content, i.e., in the soil profiles where there was a high salt content, there was a low moisture content. The salt accumulation at the interval of drip pipes was significantly higher than that at the interval of emitters. Under the irrigation quota of 480 m3·hm-2, the irrigated water moved significantly along vertical direction and the deep leakage was remarkable; under the irrigation quota of 420 m3·hm-2, the irrigated water moved significantly along horizontal direction in different depth, being beneficial to the absorption and utilization of crop. Mulched drip irrigation could significantly reduce soil salt content in 0～40 cm profile, while the profile of 40～100 cm was the accumulating zone of salt during drip process. Under the irrigation quota of 420 m3·hm-2, the yield and water use efficiency of spring maize were relatively high. Therefore, from the viewpoint of water and salt environment as well as efficient water-saving, the benefit of the irrigation quota of 420 m3·hm-2was the best.

mulched drip irrigation; spring maize farmland; irrigation quota; water and salt movement; yield

1000-7601(2017)02-0213-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.35

2016-01-13基金項目：甘肅省水利技術推廣項目

楊宏偉(1981—)，男，甘肅秦安人，碩士研究生,水利工程師，主要從事水利工程建設管理與流域水資源管理工作。 E-mail: yanghonwei19810414@163.com。

張富倉(1962—)，男，陜西武功人，教授，博士生導師，主要從事節水灌溉理論與技術研究。 E-mail:zhangfc@nwsuaf.edu.cn。

S257.6

A