春灌對綠洲區(qū)棉田水鹽分布及產(chǎn)量的影響

朱延凱，王振華，李文昊

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點實驗室，新疆 石河子 832000)

新疆位于歐亞大陸中部，蒸發(fā)劇烈、降水稀少，屬于典型的沙漠綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)[1]。由于新疆的特殊自然環(huán)境，土壤母質(zhì)含有大量鹽分，鹽堿地面積達(dá)0.218 億hm2[2]。農(nóng)業(yè)用水占總用水量的95%以上，而棉花生產(chǎn)用水在新疆農(nóng)業(yè)用水中占有很大比例[3]。為達(dá)到節(jié)水、抑鹽的目的，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)自1996年開始進(jìn)行膜下滴灌試驗并得到廣泛應(yīng)用，目前膜下滴灌面積已超過200 萬hm2[4]。實踐表明該技術(shù)不僅具有節(jié)水、節(jié)肥、抑鹽的特點，還具有增溫、保墑的作用[5]。在短時間內(nèi)，膜下滴灌技術(shù)顯著提高了棉花的經(jīng)濟(jì)效益。

由于膜下節(jié)水滴灌技術(shù)的廣泛應(yīng)用，大量排堿渠系統(tǒng)被廢棄，而小定額的節(jié)水滴灌不能把土壤鹽分淋洗到地下水中，導(dǎo)致土壤中的鹽分在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下聚集到表層，形成了由節(jié)水滴灌引起的次生鹽堿化問題。為保持節(jié)水、抑鹽的平衡性，需要在非生育期進(jìn)行灌溉達(dá)到淋洗鹽分的目的[6]。在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，播種前的非生育期春灌灌水成為抑制土壤鹽堿化的有效方法[7]。前人研究表明：進(jìn)行灌水量為0.15 萬m3/hm2的春灌可以壓鹽提墑、促進(jìn)棉花的生殖生長[8]；合理的春灌處理，可以對鹽堿地進(jìn)行有效的改良[9]；0.135 萬m3/hm2的春灌定額適合輕度鹽漬化土壤，可將表層鹽分淋洗至10～50 cm[10]。雖然有關(guān)學(xué)者對非生育期春灌定額進(jìn)行了研究，但試驗地域均在南疆，且得出的結(jié)果也不盡相同。此外，不同的土壤鹽堿化程度、灌水方式及土壤類型也是導(dǎo)致所得結(jié)果有所差異的原因。關(guān)于北疆地區(qū)春灌定額還沒有明確的研究。因此，本文基于小區(qū)試驗，采用滴灌灌水方式，研究不同春灌定額對北疆棉田水鹽分布及棉花產(chǎn)量的影響，以期為北疆綠洲區(qū)棉田春灌提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2016年4-10月在現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點實驗室試驗基地暨石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗站進(jìn)行。試驗站位于石河子市西郊石河子大學(xué)農(nóng)試驗場二連，85°59′47″E，44°19′28″N，海拔412 m，平均地面坡度為0.6%。年均日照時間為2 865 h，多年平均降雨量為198 mm，平均蒸發(fā)量為1 340 mm，大于10 ℃積溫為3 463.5 ℃，大于15 ℃積溫為2 960.0 ℃，無霜期170 d。年平均風(fēng)速為1.5 m/s，靜風(fēng)占32%，偏東風(fēng)、偏西風(fēng)、偏南風(fēng)、偏北風(fēng)分別占14%、17%、22%和15%。土壤質(zhì)地為中壤土，試驗期間地下水埋深大于5 m，0～200 cm土層土壤平均干容重為1.52 g/cm3，田間持水率為23.64%，春灌前平均土壤含鹽量0.28%、平均土壤含水率14.65%。試驗期間降雨量及蒸散量見圖1。

圖1 2016年試驗地降雨量及蒸散量Fig.1 Precipitation and evapotranspiration of experimental field in 2016

1.2 試驗方法

選取當(dāng)?shù)孛藁ㄆ贩N“農(nóng)豐133”，采用一膜兩管四行的種植模式，行距(30+60+30) cm，株距10 cm，滴頭間距30 cm。采取大田小區(qū)試驗，試驗小區(qū)南北走向，參照楊鵬年等[10]的研究結(jié)論及當(dāng)?shù)氐某Ｒ?guī)春灌水量，春灌定額設(shè)為T1:800 m3/hm2、T2:1 300 m3/hm2、T3:1 800 m3/hm2及T4:2 300 m3/hm24個不同處理，每個處理重復(fù)2次，劃分8個試驗小區(qū)，各小區(qū)面積均為5 m×8 m，相鄰小區(qū)之間設(shè)置過渡帶，避免相鄰小區(qū)間的水分相互滲透影響試驗結(jié)果，春灌灌水方式為滴灌。各處理采用相同的水、肥管理，灌溉定額385 mm，灌水11次，灌溉用水礦化度為0.87 g/L。施肥量為尿素(N：46.4%)600 kg/hm2，磷酸二氫鉀(P2O5：51.5%)300 kg/hm2，其他農(nóng)藝措施與普通棉田相同。各生育期具體灌水、施肥處理詳見表1，棉花種植模式見圖2。

表1 棉花各生育期灌水及施肥處理Tab.1 Irrigation and fertilization treatments ofcotton at different growth stages

圖2 膜下滴灌棉花種植模式(單位：m)Fig.2 Planting layout of cotton with mulched drip irrigation

1.3 測定項目及方法

(1)土壤水分測定。各處理分別在棉田灌前、灌后7 d及灌后15 d用土鉆取土，取樣深度為200 cm，從地表開始取樣，每20 cm鉆取一個土樣，土壤含水率采用烘干法測定。

(2)土壤鹽分測定。將土樣在室內(nèi)自然風(fēng)干，磨碎過1 mm篩，取100 mL蒸餾水和20 g土放入三角瓶中，配制土水質(zhì)量比為1∶5的澄清液[11]，采用DDS11-A型數(shù)顯電導(dǎo)率儀測定電導(dǎo)率，水溶性鹽總量采用烘干-殘渣法測定，擬合出電導(dǎo)率與含鹽量的方程式為：

S=2.749 4EC-0.004 7 (R2=0.962 3)

(1)

式中：S為土壤含鹽量，g/kg；EC為電導(dǎo)率值，mS/cm。

(3)棉花產(chǎn)量指標(biāo)測定。于收獲期對每個小區(qū)實行單打單收，然后折算棉花籽棉產(chǎn)量。

(4)數(shù)據(jù)處理。采用Excel 2013對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，使用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析，利用Origin 8.5繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 春灌對土壤水分分布的影響

(1)相同春灌定額對不同時期的土壤水分分布的影響。不同春灌定額灌前、灌后7 d及灌后15 d的土壤水分分布情況見圖3。整體上,通過對不同春灌處理 [圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)]灌后與灌前土壤含水量對比得出:灌后土壤含水率較灌前有明顯的增加,特別是在0～100 cm范圍內(nèi)增加程度較明顯，而T1[圖3(a)]處理下含水率灌前與灌后變化不明顯。隨著時間的延長，氣溫升高，春季的蒸發(fā)增大，導(dǎo)致表層的含水率逐漸減小。然而，在不同的春灌處理下又各自呈現(xiàn)出不同的特點。

由[圖3(a)]可以看出: 當(dāng)春灌定額為800 m3/hm2時,灌前與灌后的土壤含水率在100 cm土層以下差別很小,原因是春灌定額小,向深層入滲的水量少，且春季蒸發(fā)大，導(dǎo)致0～20 cm內(nèi)的土層水分含量也在減小。由[圖3(b)]得出: 當(dāng)春灌定額為1 300 m3/hm2時,灌水后7 d,土層0～20、20～140、140～200 cm內(nèi)的土壤含水率平均值分別是17.23%、16.57%、17.87%,平均含水率分別增加了4.19%、2.05%、1.16%。隨著土壤深度增加，平均含水率減小。說明灌水量少，對深層土壤含水率的影響不大。由[圖3(c)]得出:當(dāng)春灌定額達(dá)到1 800 m3/hm2時,0～200 cm處的土層含水率較灌前顯著增加,且隨著深度增加,差異越來越小,土壤含水量的平均值為19.89%，較灌前平均含水率增加了5.20%。由圖3(d)得出:與小定額[圖3(a)、圖3(b)]相比,春灌定額越大,在垂直方向?qū)ν寥赖乃趾坑绊懺矫黠@,灌后7 d水分可以運(yùn)移至200 cm處，且灌后25 d的土壤水分仍可以保持較高的水平。綜上，春灌定額的大小顯著影響著剖面土壤含水量大小及其分布，當(dāng)春灌定額達(dá)到1 800 m3/hm2時對土壤含水量影響顯著，但過大會使土壤儲存較多水量，造成水分的深層滲漏。

圖3 相同春灌定額下不同時期的土壤剖面含水率對比分析Fig.3 Comparison of soil moisture content in different periods under the same irrigation quota

(2)不同春灌定額對相同時期土壤水分分布的影響。春灌后不同時間對T1～T4處理土壤水分分布的影響見圖4。整體上，在春灌處理后的不同時期，T3及T4處理下土壤含水量較高。不同春灌處理在灌后7 d土壤含水量較大，相比灌前，灌后15 d不同處理土壤水分保持在一個較高的水平。從圖4可以看出，在相同春灌定額下，不同時期的土壤剖面含水率對比分析得出：對于不同春灌定額的滴灌處理而言,在春灌前，土層的最初含水率基本保持一致，隨著土壤深度的加深，土壤的含水率不斷增大，即越深的土層含水率越高。春灌之后，通過灌后7 d的含水率對比發(fā)現(xiàn)：隨著春灌定額的增大，相同深度土層的含水率有不同程度的增大；在垂直方向上，隨著春灌定額的增大，0～200 cm以內(nèi)的土壤水分不斷增大，其中T2處理增加得相對均勻。較T1處理來說，T2、T3及T4處理土壤含水量均有一定程度的增加，其中T4處理增加的幅度最大。通過對比灌后25 d的不同春灌定額下的含水率，發(fā)現(xiàn)小的春灌定額(800、1 300 m3/hm2)在100 cm以下的土層幾乎趨于穩(wěn)定，對于大定額(1 800、2 300 m3/hm2)的灌水，在80 cm以下的土層變化幅度大，并且在19%上下浮動。以上表明，在一定的時間范圍內(nèi)，不同春灌處理下土壤水分能保持很好的墑情，T3處理時土壤水分達(dá)到較高水平，這為確定春灌后播種時間提供了理論基礎(chǔ)。

圖4 不同春灌定額下相同時期的土壤剖面含水率對比分析Fig.4 Comparison of soil moisture content in the same period under different irrigation quota

2.2 春灌對土壤鹽分分布的影響

(1)相同春灌定額對不同時期的土壤鹽分分布的影響。不同春灌定額灌前、灌后7 d及灌后15 d的土壤鹽分分布情況見圖5。由圖5可知，不同春灌處理后7、15 d土壤含鹽量均出現(xiàn)不同程度的下降趨勢。其中，不同灌水處理對土壤鹽分的淋洗效果不同，表現(xiàn)出與春灌處理具有密切關(guān)系。從圖5中可以看出, 受不同春灌處理的影響，不同深度土層的含鹽量呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。隨著春灌定額的增大,灌后的棉田土壤在0～100 cm土層內(nèi)的鹽分含量呈現(xiàn)出減小的趨勢,說明灌水對表層的土壤鹽分洗鹽效果顯著。在0～200 cm土層中,隨著春灌定額的不斷增大,鹽分被淋洗得越深。小春灌定額[圖5(a)]處理時,表層土壤含鹽量降低,對深層土壤含鹽量影響不顯著,大體呈現(xiàn)出土壤表層與底層鹽分差別不大的分布特點。隨著春灌定額的不斷增大[圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)],表層土壤的洗鹽效果越來越明顯,同時也加劇了鹽分向更深的土壤累積的過 程。其中，從圖5(c)得出:當(dāng)春灌定額達(dá)到1 800 m3/hm2時,200 cm處的土層鹽分含量高于灌前,且隨著春灌定額的增大向下層遷移的鹽分越多。由以上分析可知，不同春灌處理對土壤鹽分淋洗效果不同，T3及T4處理對鹽分的淋洗效果較好，0～40 cm土層鹽分含量為2.07～2.27 g/kg，對棉花出苗基本無影響。

圖5 相同春灌定額下不同時期的土壤剖面含鹽量對比分析Fig.5 Comparison of salt content of soil profiles in different periods under the same irrigation quota

(2)不同春灌定額對相同時期土壤鹽分分布的影響。圖6為不同時期各春灌處理對土壤鹽分分布的影響。從圖6中可以看出，相同時期，不同春灌定額的土壤剖面含鹽量對比分析得出：對于不同春灌處理而言,在春灌前，土層的最初含鹽量基本是保持一種態(tài)勢，春灌后7 d土壤的含鹽量大幅度減小。而春灌15 d后均出現(xiàn)鹽分小幅度增加的情況，這可能是由于春季地表蒸發(fā)造成的；通過灌后7 d的不同土層含鹽量對比發(fā)現(xiàn)：隨著春灌定額的增大，相同深度的土層的含鹽量呈現(xiàn)出不同程度的降低趨勢。與T1相比，T2、T3及T4處理0～200 cm土層平均含鹽量分別降低了14.1%、20.8%及19.0%；而在灌后15 d，與T1相比，T2、T3、T4處理土壤平均含鹽量分別降低了9.3%、17.7%及18.10%。在土壤的垂直方向上，隨著春灌定額的增大，0～100 cm以內(nèi)的土壤含鹽量變化幅度較大，其中T3、T4處理在灌后7 d的不同土層深度的含鹽量變化幅度最大。通過對比灌后15 d的不同春灌定額下的含鹽量，T3與T4 2個處理在0～100 cm土層鹽分淋洗效果較好。綜上，春灌后不同時期鹽分變化呈現(xiàn)出一些其他特點：灌后7 d及灌后15 d土壤鹽分均得到了充分淋洗。與灌后7 d相比，灌后15 d土壤鹽分有所升高，但是與灌前相比，各處理土壤含鹽量分別降低了5.9%、13.3%、14.8%、15.1%，可為棉花出苗提供適宜的鹽分環(huán)境。

圖6 不同灌水定額下相同時期的土壤剖面含鹽量對比分析Fig.6 Comparison of salt content of soil profile in the same period under different irrigation quota

2.3 不同春灌處理棉花產(chǎn)量比較

棉花產(chǎn)量可以作為衡量不同春灌處理對棉花是否有影響的指標(biāo)之一，由不同處理引起的土壤水鹽再分布對棉花產(chǎn)量有著不同程度的影響，圖7為不同春灌處理下棉花產(chǎn)量的變化規(guī)律。

由圖7可知，整體上，隨著春灌定額的增加棉花產(chǎn)量呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。但各處理之間又有不同的特點：T1與T2之間差異不具有顯著性(P>0.05)，然而T1、T2均與T3、T4之間存在顯著性差異(P<0.05)。在各春灌處理中，春灌處理T4時的產(chǎn)量最高，達(dá)到了6 347.681 kg/hm2。T1處理時的產(chǎn)量最低，為4 996.783 kg/hm2。相比T1處理時的棉花產(chǎn)量，T2、T3及T4處理下的產(chǎn)量分別增加了9.6%、25.4%及27.0%。由此可見，小的春灌定額對棉花產(chǎn)量影響不大，當(dāng)春灌定額達(dá)到T3處理時棉花增產(chǎn)明顯。表明，春灌處理可以提高棉花產(chǎn)量，且大春灌定額增產(chǎn)效果明顯。

圖7 不同春灌處理棉花產(chǎn)量變化Fig.7 Variation of cotton yield in different spring treatments

3 討 論

研究區(qū)屬于典型的干旱區(qū)，對作物進(jìn)行合理的灌溉是保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提，春灌定額直接影響著土壤水、鹽的再分布情況[12]。由于北疆的特殊氣候條件及長期膜下滴灌造成鹽分在土壤下層累積問題，對干旱區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了不利影響[13]。有學(xué)者指出，如果棉田非生育期不進(jìn)行灌水淋洗，膜下滴灌鹽分全年累積速率達(dá)14%左右，存在次生鹽堿化風(fēng)險[7]。對非生育期的灌水淋洗，有關(guān)學(xué)者作了相關(guān)研究：趙波等[14]確定了北疆棉田冬灌定額，結(jié)果表明，滴灌條件下3 000 m3/hm2的冬灌可淋洗鹽分至耕層300 cm以下，同時獲得較高的產(chǎn)量；陳小芹等[15]認(rèn)為：以3 000 m3/hm2的滴灌方式進(jìn)行冬灌更為適宜，起到較好的保水壓鹽效果；現(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)于冬灌灌水制度的研究成果已經(jīng)很豐富，但是對于北疆棉田春灌對鹽分的影響研究較少。本文通過春灌試驗表明，春灌定額1 800 m3/hm2淋洗效果較好，可將表層鹽分淋洗至30～60 cm以下，獲得6 264.583 kg/hm2的棉花產(chǎn)量。本試驗得出的春灌定額與李文娟等[16]認(rèn)為春灌水量為3 000 m3/hm2時能滿足壓鹽及保證出苗率的結(jié)果差別很大，但與李寧等[8]在南疆進(jìn)行春灌試驗得出的灌水量為1 500 m3/hm2可提高棉花產(chǎn)量的試驗結(jié)果基本一致，可能與土壤初始含鹽量及土壤理化性質(zhì)等因素有關(guān)。因此，對適宜北疆綠洲區(qū)滴灌方式下的春灌定額還應(yīng)進(jìn)行更深入的研究。

4 結(jié) 論

(1)不同春灌定額均影響了土壤剖面含水量，整體上，隨著灌水定額的增加土壤含水量隨之增大。不同春灌水量對土層含水率的影響深度不同，T1處理僅對0～30 cm土層含水率影響顯著，而T3、T4處理可以影響0～100 cm土層含水率，當(dāng)灌水量達(dá)到T3時，0～200 cm土層平均含水率高達(dá)19.89%；通過比較春灌后不同時間各處理土壤含水率，發(fā)現(xiàn)灌后15 d較灌后7 d土壤含水率有所下降，但T3、T4處理土壤水分仍能保持較高水平，表明大的春灌定額保持土壤水分的能力較強(qiáng)。

(2)不同春灌處理均使土壤鹽分呈現(xiàn)出下降趨勢，但不同灌水定額對鹽分淋洗的程度不同。在本試驗中，小定額春灌(T1)處理可使表層鹽分淋洗至30 cm以下。當(dāng)春灌水量達(dá)到T3、T4處理時，可使土壤表層鹽分淋洗至80 cm以下，0～40 cm土層鹽分含量降至2.07～2.27 g/kg，有利于棉花的出苗；對于不同春灌處理，春灌前土層的初始含鹽量基本保持一種，春灌后7 d土壤的含鹽量大幅度減小，而春灌15 d后均出現(xiàn)鹽分小幅度增加的情況，這可能是由于春季地表蒸發(fā)造成的。但與灌前相比，各處理土壤含鹽量分別降低了5.9%、13.3%、14.8%、15.1%，可為棉花出苗提供適宜的鹽分環(huán)境。

(3)各春灌處理改善了棉田水鹽環(huán)境，棉花產(chǎn)量均出現(xiàn)增大的趨勢，T3、T4處理下棉花產(chǎn)量分別達(dá)到了6 264.583、6 347.681 kg/hm2。與T1處理相比，T2、T3及T4處理的產(chǎn)量分別增加了9.6%、25.4%及27.0%。

(4)從水資源高效利用及經(jīng)濟(jì)效益考慮，滴灌條件下，春灌定額1 800 m3/hm2可使棉田土壤達(dá)到適宜的水鹽環(huán)境，也可達(dá)到6 264.583 kg/hm2的較高產(chǎn)量。

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