干播濕出灌水量和灌水頻率對棉田土壤板結、水鹽分布及出苗的影響

鄭 明，白云崗，張江輝，劉洪波,3，王 蓓，肖 軍，丁 宇，韓政宇

(1.新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049;2.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052;3.農業農村部鹽堿土改良與利用(干旱半干旱區鹽堿地)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

棉花作為新疆特色農作物之一，截止到 2017年棉花播種面積221.7萬hm2，其中阿克蘇地區棉花種植面積為31.5萬hm2，占全疆棉花種植面積13.87%，占阿克蘇地區農作物種植面積的35.63%[1],因此棉花在阿克蘇地區具有舉足輕重的地位。但隨著新疆水資源短缺問題不斷加劇，嚴重限制了新疆棉花種植業的發展，為此水管部門制定了棉花全生育期毛灌溉水量為6 555 m3·hm-2(包含冬灌或春灌水量2 700 m3·hm-2)[2]。除去冬春灌溉水量，剩余3 855 m3·hm-2水量并不能足量地保證棉花正常灌溉，但若不冬灌或者春灌可能會引起土壤鹽堿含量高而不利于棉花出苗，因此亟需尋求一種節水控鹽的灌溉模式。

近年來，新疆廣泛實施的膜下滴灌技術對該地區的農業節水和作物高效生產起著十分重要的作用。為此大量學者開展了膜下滴灌農田土壤水分分布和作物生長特性研究。當膜下滴灌技術隨著年限增加，無冬春灌水量淋洗土壤鹽分可能會造成土壤鹽分累積，對后續作物種植將產生不利影響，但有研究表明使用良好的水質與制定合理的灌溉制度灌溉，農田土壤鹽分含量不會隨滴灌技術使用年限而增加[3]，土壤中鹽分會隨滴灌水向水平方向推移，從而降低棉花根區含鹽量，膜間裸地鹽分增加[4]，從而降低土壤鹽堿含量[5]。另外一些研究認為膜下滴灌較不覆膜滴灌土壤蒸發量降低顯著降低，進而提高了根區土壤含水率和水分利用效率[6]，減少土壤滲漏，提高肥料利用效率，增加根區土壤溫度，促進作物生長與增產。綜上所述膜下滴灌具備抑制土壤深層滲漏、減少棵間蒸發、節水、節肥、淡化根區鹽分、增溫、保墑等優點[7-8]。

干播濕出是一種免冬春灌溉、在播種后灌溉適量出苗水的種植模式。相比冬灌與春灌具有明顯節約水資源的優勢，有研究證實對于中低鹽堿化土壤，干播濕出種植模式可以改善作物根系分布、出苗率以及產量[9]，但膜下滴灌技術與干播濕出種植模式相結合的研究鮮有報道，干播濕出技術應用在棉花的灌溉制度也未見報道，尤其灌溉出苗水后土壤水通過膜孔蒸發是否對表層土壤板結度、土壤水鹽運移、棉花出苗率以及生長指標的影響還有待進一步探究。由此可見開展膜下滴灌條件下的干播濕出灌溉技術研究對進一步提高水資源利用效率等問題具有指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗開展時間為2021年4月—5月，研究區位于新疆沙雅縣海樓鎮海樓村(41°17′19″N，82°42′44″E，海拔986 m)，東與努爾巴格鄉、沙雅鎮、托依堡勒迪鎮接壤，南與蓋孜庫木鄉相鄰，西與英買力鎮、央塔克協海爾鄉相鄰，北與紅旗鎮相連，距離沙雅縣城10 km。該區屬暖溫帶沙漠邊緣氣候，日照充足，年平均降雨量81.6 mm，年蒸發量2 000 mm以上，年平均日照長達3 000 h，年平均氣溫10.7℃。試驗田土壤類型為粉壤土，土壤容重1.58 g·cm-3，田間持水率為21.83%，土壤含鹽量小于1 g·kg-1，冬季地下水埋深約3.8 m，春季地下水埋深約2.9 m。

1.2 試驗設計

供試材料為棉花，品種為‘源棉11’。膜寬2.05 m，采用一膜三管六行種植模式(10 cm+66 cm+10 cm+66 cm+10 cm)，即寬行寬度66 cm，窄行寬度10 cm，膜間寬度66 cm，覆膜方式為單膜，具體種植模式見圖1。滴頭流量2.1 L·h-1，滴頭間距30 cm，鋪在寬行之間距棉行間距10 cm處。犁地前按900 kg·hm-2撒施復合肥作為底肥。4月16日播種，棉穴覆土模式為正封土，覆土厚度1～2 cm，播種深度3 cm，播種株距10 cm。首次灌水日期為4月20日，滴灌水為水庫水與井水的混合水(電導率為1.97 mS·cm-1)，灌溉水量采用水表計量。設計不同灌水量(675 m3·hm-2、900 m3·hm-2與1 125 m3·hm-2)與不同灌水頻次(灌水次數為1次、2次與3次)兩因素，對照處理為冬灌2 700 m3·hm-2，冬灌灌水日期為2020年11月3日。小區試驗面積為7 m×7 m，每個處理重復3次，具體試驗設計見表1。

1.3 指標測定

1.3.1 土壤板結度 于4月27日對棉花穴坑處的土壤板結程度進行測定，從每個處理中隨機選取20組棉穴，使用硬度計(TYD-2，艾測)測定其板結程度，硬度計插入土中深度為3 cm，取其平均值作為相應處理的土壤板結度。

圖1 干播濕出棉花種植模式/mmFig.1 Dry sowing and wet out cotton planting mode

表1 干播濕出棉花灌溉試驗設計Table 1 Experimental design of dry sowing and wet out cotton irrigation

1.3.2 土壤含水率與電導率 于4月19日(灌溉前)和4月27日(灌溉后)在各處理膜間、寬行、窄行處使用土鉆取土，取樣深度為100 cm，其中40 cm以上土層間隔10 cm，40 cm以下土層間隔20 cm。采用烘干法測定質量含水率，并轉換成體積含水率。采用電導率儀(DDS-307A，雷磁)測定土壤提取液(土水比1∶5)電導率。

1.3.3 出苗率 于5月5日對棉花出苗情況進行測定，在每個試驗小區內沿行向隨機量取長度為2 m的三膜棉花，對棉花的出苗數與空穴數進行統計，出苗率按下式計算：出苗率=出苗數/(總穴數-空穴數)×100%。

1.3.4 株高與莖粗 于5月12日從每個處理中隨機選取20組棉苗，分別使用電子游標卡尺(精度為0.01 mm)和直尺測定莖粗與株高，取其均值作為該處理平均莖粗與株高。

1.4 數據處理

采用Excel 2019對數據進行統計與計算，采用Origin 2018進行繪圖，采用SPSS 19.0的雙因素方差與多重比較對數據進行顯著性分析以及偏相關分析。

注：不同小寫字母表示處理間差異達顯著水平(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P<0.05).圖2 各處理表層土壤板結度Fig.2 Surface soil compaction degree of each treatment

2 結果與分析

2.1 不同處理表層土壤板結度分析

表層土壤板結度受出苗水總量和灌水頻次影響，雙因素方差分析表明，出苗水總量和灌水頻次對表層土壤板結度無交互作用(P>0.05)。由圖2可知，在單次灌溉條件下(WP1、WP2與WP3處理)，土壤表層板結度隨灌溉水量呈現增大趨勢，其中WP3處理板結度最大(238.1 kPa)，是CK處理的2.36倍；干播濕出處理中，受灌水量與灌水頻次共同影響，WP4處理板結度最小(99.87 kPa)，但與WP5、WP6及CK處理無顯著差異。在多次灌溉條件下，隨出苗水次數增加，土壤表層板結度呈現減小趨勢，且WP4、WP5與WP6處理無顯著差異。這說明高頻少量的灌溉制度會使表層土壤一直處于濕潤狀態，從而降低土壤板結度。

2.2 不同處理土壤水鹽分布

2.2.1 灌溉前不同處理土壤電導率和含水率分布特征 由圖3可知，CK處理不同土壤層電導率總體低于干播濕出處理，說明冬灌對土壤鹽分具有明顯的淋洗效果，在蒸發作用下地表出現鹽分表聚現象。覆膜阻礙了土壤蒸發作用，膜內水分只能通過膜間向大氣蒸發，導致膜間土壤電導率總體高于膜內土壤電導率。膜間與膜內土壤電導率均在0～10 cm土層最大，為典型的鹽分表聚型。30～100 cm土層土壤電導率較0～30 cm土層小，原因可能為機耕使0～30 cm土壤疏松，增大了土壤孔隙對鹽分運移具有阻礙作用。受冬灌影響，CK處理土壤含水率明顯高于干播濕出處理。覆膜可以減緩土壤蒸發，使得膜內含水率高于膜間。棉穴含水率(0～10 cm)約為14%，膜內與膜間30～40 cm土層土壤含水率均高于其它土層，這是由于機耕造成水分留存此處，但由于取樣時間僅在播種后兩天，所以鹽分還未大量聚集。

2.2.2 灌溉后不同處理對土壤電導率和含水率分布特征 由圖4可知，由于表層土壤受灌水和蒸發的影響，鹽分變化幅度大，洗鹽和積鹽現象都比較顯著[10]，因此各處理的膜間鹽分分布均呈現表聚型，窄行中鹽分表現為淺層與深層較中間層大，寬行土壤含鹽量介于窄行與膜間之間。在耕作層(0～40 cm)中窄行鹽分明顯低于寬行與膜間，而40 cm以下土層各位置鹽分含量基本一致。寬行與窄行主要受灌水影響，使鹽分向下運移，同時也發生水平運移至膜間，膜間土壤蒸發量較大，使鹽分留存地表。綜上各處理均表現為膜間土壤含鹽量總體大于窄行與寬行，說明干播濕出灌溉水可以起到壓鹽效果，使棉穴鹽分含量下降，并起到一定作用的水平排鹽效果。

對各處理不同位置0～100 cm土層的電導率求平均值，進行差異性分析(表2)。干播濕出處理電導率均大于CK處理，說明干播濕出水量不足以起到淋洗0～100 cm土壤鹽分的效果。各處理不同位置鹽分含量均表現為膜間>寬行>窄行。受覆膜影響，WP1～WP6處理膜間含鹽量相比窄行分別高12.50%、11.53%、14.81%、26.08%、15.38%與15.38%。對于寬行、窄行與膜間位置，干播濕出處理中，WP1處理鹽分含量基本為最小。

圖3 灌溉前不同處理的初始土壤電導率及含水率Fig. 3 The initial soil conductivity and water content of different treatments before irrigation

圖4 灌溉后不同處理土壤電導率分布特征Fig. 4 Characteristics of soil conductivity distribution of different treatments after irrigation

由圖5可知。隨著灌溉水量和灌水頻次的增加，各處理土壤含水率整體表現為WP6>WP5>WP3>WP4>WP2>WP1>CK，各處理寬行、窄行以及膜間的土壤含水率表現為寬行>窄行>膜間。WP1、WP2與WP4處理寬行與窄行0～30 cm土層土壤含水率基本介于20%～25%之間，利于棉花出苗。WP3、WP5與WP6處理寬行與窄行0～30 cm土層土壤含水率基本介于30%～35%之間，土壤含水率過高不利于棉花出苗。

表2 各處理0～100 cm土層土壤平均電導率Table 2 Average electrical conductivity of soil in 0～100 cm soil layer for each treatment

圖5 灌水后不同處理土壤含水率分布特征Fig.5 Distribution characteristics of soil water content of different treatments after irrigation

2.3 不同灌溉處理棉花出苗及生長指標分析

對各處理出苗率、株高及莖粗進行雙因素方差分析，結果顯示灌溉水總量與灌水頻次對出苗率、株高及莖粗均無交互作用(P>0.05)，出苗率與灌水總量關系顯著(P<0.05)，但與灌水頻次無相關性(P>0.05)；株高、莖粗均與出苗水總量、灌水頻次關系顯著(P<0.05)。

由表3可知，WP1、WP2、WP3、WP4、WP5、WP6處理棉花出苗率較CK處理分別降低18.52%、11.38%、32.65%、0.50%、26.34%、19.93%，WP4處理出苗率與CK處理無顯著性差異(P>0.05)。WP3處理相比CK處理出苗率明顯下降，原因是灌溉水量過大導致土壤含水率過高，延長了棉種萌發時間，同時造成部分棉種腐爛，最終影響出苗。WP5與WP6處理與WP3處理灌溉水總量相同，但灌水次數有所增加，屬于少量高頻灌溉模式，使得兩處理出苗率較WP3處理有所提高。WP1、WP2、WP4處理與CK處理之間的株高與莖粗均無顯著性差異，但顯著高于WP3、WP5與WP6處理，說明灌溉水量為675 m3·hm-2與900 m3·hm-2更有利棉花生長。

2.4 不同灌溉處理出苗率和生長指標的相關性分析

將表層土壤板結度、灌后不同位置土壤含水率和電導率與棉花出苗率和生長指標(株高和莖粗)進行偏相關分析，由表4可知，除膜間電導率之外，其他因素與出苗率均呈負相關關系。說明灌水后膜內土壤中可溶性鹽隨水分發生水平運移至膜間處，有利于棉花出苗。表層土壤板結度、窄行電導率及窄行含水率對出苗率具有極顯著影響，影響程度表現為窄行電導率>表層土壤板結度>窄行含水率。所有因素與株高和莖粗具有負相關關系，出苗后表層土壤板結度已不再是影響生長指標的關鍵因素，故對棉花生長具有極顯著影響的因素有窄行電導率和土壤不同位置含水率，影響程度表現為土壤各位置含水率>窄行電導率；此外土壤各位置含水率與生長指標均呈負相關關系，說明本試驗處理出苗水量偏大不利于棉花生長。

表3 各處理棉花出苗率及生長指標Table 3 Cotton seedling emergence and growth index of each treatment

3 討 論

有研究通過滴灌土壤濕潤體內含鹽率與土壤初始含鹽率以及作物耐鹽度的相對大小將土壤濕潤體劃分為脫鹽區、達標脫鹽區、未達標脫鹽區和積鹽區[11]。本研究中的干播濕出在棉花播種后灌溉出苗水，可以有效地對棉花根區進行脫鹽，尤其在水平方向，鹽分被淋洗至浸潤體外緣，使根區土壤形成低鹽區[12]。在干旱區強烈蒸發作用下，土壤覆膜削弱了土壤水分在垂直方向的蒸發，進而增強了土壤水分側向運移，最終向作物生長行間裸露區域遷移[13]，減小了鹽分隨地表蒸發和毛管水上升而表聚地表[14]。這使得膜間0～20 cm土層含鹽量顯著高于寬行與窄行，同時因膜間無覆膜，受土壤蒸發作用，出現鹽分表聚現象。寬行位于三條滴灌之間，是滴灌浸潤體的交叉位置，受出苗水水平推移鹽分影響，導致0～20 cm土壤層含鹽量高于窄行。本試驗使用的灌溉水為水庫水與地下水的混合水，具有一定的含鹽量(電導率為1.97 mS·cm-1)，因此對土壤脫鹽效果不顯著。棉花根區土壤含鹽量低于0.37%，對棉花出苗無影響[15]。本試驗田土壤質地為粉壤土，灌溉前與灌溉后含鹽量均低于0.3%，因此影響本試驗棉花出苗率的主要因素為土壤含水率與表層土壤板結度。

表4 不同因素對棉花出苗率及棉花生長的偏相關分析Table 4 Biased correlation analysis of different factors on cotton seedling emergence and cotton growth

棉花出苗率受出苗水量的影響最為顯著，隨灌水量的減少而降低[16]，但本試驗干播濕出技術中出苗水量過高造成了棉種腐爛，從而使出苗率降低。灌水頻次過高會造成土壤溫度持續較低，但可以濕潤棉穴表層土壤，破壞土壤板結結構。在同等出苗水量情況下，灌水頻次越高出苗率相對較高，但株高與莖粗隨灌水頻次的增加而較小，說明灌水頻次過高對棉花生長具有抑制作用，分析原因認為高頻次灌水使土壤中的鹽分濃度較高，抑制了棉花株高和莖粗的生長[17]，從本試驗結果來看，灌水頻次為兩次對棉花出苗率及生長指標最優。

土壤通氣性是反映土壤對外界氣體更新速率的重要物理參數[18]，而土壤板結度對棉花出苗的影響程度僅次于窄行土壤電導率，其從兩個方面對棉花出苗產生影響，一方面是改變土壤物理性質，造成土壤密實，減小土壤通氣性，降低出苗率；另一方面是造成棉穴表層覆土成塊與密實，棉芽無法沖破表層覆土，造成悶苗死苗現象。本試驗中出苗水分兩次到三次進行灌溉，可在棉種發芽時濕潤表層覆土，破壞板結土結構，利于棉芽沖破覆土，進而提高棉花出苗率，但過高的出苗水量會造成棉種腐爛，也會降低出苗率。因此從出苗率來看，出苗總水量為900 m3·hm-2且分兩次灌溉出苗水會顯著提升棉花出苗率。

4 結 論

表層土壤板結度受灌溉水總量與灌水頻次影響，高頻少量的灌溉出苗水會降低土壤板結度。灌溉前疏松土壤有利于隔斷鹽分表聚，膜內土壤含水率高于膜間；灌溉后各處理不同位置鹽分含量總體表現為膜間>寬行>窄行，膜間鹽分出現表聚現象。各處理不同位置的土壤含水率表現為寬行>窄行>膜間。WP1、WP2與WP4處理土壤含水率利于棉花出苗，出苗率與灌水總量關系顯著，株高和莖粗均與灌溉水總量和灌水頻次關系顯著。不同因素與出苗率程度為窄行電導率>表層土壤硬度>窄行含水率，對生長指標影響土壤各位置含水率>窄行電導率。綜合考慮棉花出苗率與生長情況，WP4處理為最優處理。