長期膜下滴灌棉田土壤水鹽分布變化及其對棉花生長影響

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hm2，占耕地面積的33.4%，且土壤鹽漬化有繼續(xù)惡化的趨勢，鹽漬化成為危害農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的一個突出問題[2]。伴隨膜下滴灌技術(shù)應(yīng)用范圍和時間的增加，眾多學(xué)者[3-7]對鹽堿地應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)后土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律及作物生長情況做了大量研究。周宏飛[8]等對不同改良措施條件下土壤水鹽動態(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，從長遠(yuǎn)來看，卻無法將鹽分從根區(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)南疆長期滴灌棉田連續(xù)3年的實(shí)測數(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棉花生長的影響，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)位于庫爾勒市包頭湖農(nóng)場，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?，無霜期達(dá)180～220 d，日照時間長，太陽輻射能量多熱量大，早晚溫差大，適宜棉花的生長。試驗(yàn)區(qū)種植金花9號棉花，土壤在0～100 cm內(nèi)為粉土(土壤顆粒分析見表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。用烘干稱重法測定其質(zhì)量含水率。(將野外所取土壤及時帶回實(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間用DDS-307型電導(dǎo)率儀測取浸提液的電導(dǎo)率，根據(jù)測定得出的電導(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個樣品，分別測出電導(dǎo)率和含鹽量(見圖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采取0～60 cm深度土層作為研究對象。圖3為不同滴灌年份各生育時期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，是由于該時期棉田灌水次數(shù)較多，但是由于該時期土壤蒸發(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)棉花生長期整體呈降低趨勢。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，土壤含鹽量在該時期有增加的趨勢；苗期到盛齡期土壤含鹽量降低有利于棉花生長；盛齡期到收獲期土壤含鹽量增加。對于整個生育期，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。

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)，是此時氣溫普遍較高，棉花枝繁葉茂正處于耗水旺盛的時期，由于作物根系主要分布在20～60 cm范圍，此時蒸騰拉力較大，使得根系層對于土壤水分運(yùn)動的影響比較顯著，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，形成一個濕潤鋒，土壤鹽分隨水分移動而被淋洗到濕潤體的外面，從而達(dá)到“洗鹽”的目的使作物根系層形成個鹽分淡化區(qū)，為作物的根系生長創(chuàng)造一個優(yōu)良的水鹽環(huán)境。

2.3 不同年份棉花生長情況

(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為相對產(chǎn)量(無量綱)；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，即對產(chǎn)量不產(chǎn)生影響時的最大土壤含鹽量，%；C0為棉花產(chǎn)量為零時的土壤含鹽量，%，超過C0后棉花產(chǎn)量為零。

C0、Ct、S為相對產(chǎn)量對土壤含鹽量的響應(yīng)指標(biāo)，當(dāng)C≤Ct時，土壤含鹽量對作物產(chǎn)量無影響；當(dāng)C>C0鹽害使作物基本不能生長；當(dāng)Ct≤C≤C0時，土壤含鹽量對作物產(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(見圖5)。

(4)

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

圖5 棉花相對產(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值為作物相對產(chǎn)量對土壤含鹽量的響應(yīng)指標(biāo)。C50值越大，作物相對產(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%時產(chǎn)量降低50%。

3 結(jié) 語

(1)在棉花根系層(0～60 cm)各年份土壤平均含水率在整個生育期均呈先降低后增加再降低的趨勢，平均含鹽量呈先增加后降低再增加的趨勢，隨著滴灌年限的增加，土壤平均含鹽量有增加的趨勢。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各土層含鹽量有增加的趨勢。

(3)根據(jù)田間實(shí)測數(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%時產(chǎn)量開始受到抑制，土壤含鹽量高于1.135%時產(chǎn)量降低50%，在土壤含鹽量高于1.79%時棉花產(chǎn)量將降低為零。

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