開溝覆膜滴灌條件下土壤水、溫變化規(guī)律研究

葉建威，劉洪光，何新林，龔 萍，阿爾娜古麗·艾買提，陸華天

(石河子大學水利建筑工程學院，現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000)

0 引 言

鹽堿土是全球廣泛分布的一種土壤類型，由于其土地質(zhì)量差、生產(chǎn)水平低，依然是我國最主要的典型中低產(chǎn)土地類型之一。為了適應我國人口增長和社會經(jīng)濟日益發(fā)展的需要，針對鹽堿地的類型特點進行合理有效的改良治理調(diào)控成為科研工作者重要課題。據(jù)資料顯示，中國約有鹽堿土地9 910 萬hm2，占世界鹽堿地面積10.38%，近1 730 萬hm2土壤有潛在鹽漬化威脅[1]，其中干旱-半干旱西北地區(qū)是鹽漬土主要地帶，總面積約1 300 萬hm2，大面積耕地需要重點治理[2]。新疆地處西北干旱區(qū)，全疆耕地面積411.354 萬hm2，因鹽漬化影響作物生長面積約100 萬hm2[3]，而治理鹽堿地重點是要以排鹽、隔鹽、防鹽為主，同時需要積極培肥土壤[4]。膜下滴灌技術將滴灌技術與覆膜技術相結合，發(fā)揮各自優(yōu)點，對干旱區(qū)節(jié)水和防止次生鹽漬化的進一步發(fā)展具有雙重作用。許多研究表明[5,6]，膜下滴灌技術節(jié)水同時能使作物在鹽漬化土壤上獲得高產(chǎn)，但面對一些土壤表層含鹽量大于2%以上的重鹽堿地，膜下滴灌技術在解決出苗問題和后續(xù)生長問題出現(xiàn)了困難[7,8]，鹽分會積累在濕潤區(qū)邊緣，若遇小雨，鹽分極有可能會被沖回到作物根部區(qū)而引起鹽害[9]，為了使之繼續(xù)有效運行，在膜下滴灌技術上增加開溝技術，形成開溝覆膜滴灌技術。由于覆膜抑制蒸發(fā)，裸地蒸發(fā)較強烈，開溝形成土埂為鹽堿創(chuàng)建一個存在空間, 將鹽堿更有效的調(diào)節(jié)到作物根系區(qū)以外, 從而達到鹽堿在土壤的局部分離, 滿足作物生長需要目的(如圖1所示)。

圖中：①-滴灌帶；②-地膜；③-作物；④-土壤濕潤區(qū)；⑤-土壤脫鹽通道；⑥-土壤鹽分累積區(qū)；⑦-土壤水分蒸發(fā)圖1 開溝覆膜滴灌技術示意圖

新疆葡萄種植面積和產(chǎn)量均占全國的50%以上，是中國最重要葡萄生產(chǎn)和供應基地，但每年因缺水和鹽堿導致葡萄減產(chǎn)超過20%，接近40 萬t，損失巨大，而國內(nèi)外針對鹽堿土滴灌水鹽分運移過程的研究主要集中在棉花、小麥、番茄等作物上，對葡萄地的水鹽養(yǎng)分運移規(guī)律與調(diào)控系統(tǒng)研究較少。本文在開溝覆膜滴灌技術上，對田間桁架葡萄下水分及溫度變化規(guī)律進行了基礎性研究，為系統(tǒng)制定鹽堿地上灌溉制度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)選擇在新疆生產(chǎn)建設兵團第八師147團6連，該區(qū)位于瑪納斯河下游，天山北麓中段，準噶爾盆地南緣，年降雨量106.1～178.3 mm，年蒸發(fā)量1 722.5～2 260.5 mm，地理坐標位置86°00′～86°15′E，44°22′～44°50′N，日照長，霜期短，熱量豐富，晝夜溫差大，春季風多。試驗區(qū)整體地形東南高，西北低，南北海拔387.3～350 m，地面坡降1/500～1/700，由東南-西北向瑪納斯河呈帶狀分布，灌溉采用渠系引水方式，水源礦化度低，灌溉用水礦化度為39 mg/L，對土壤鹽分影響較小，種植作物主要為棉花、葡萄等。

1.2 試驗區(qū)土壤理化性質(zhì)

試驗地為當年開墾的生荒鹽堿地，取試驗地0～60 cm深度內(nèi)土壤進行分析，每層30 cm；將土樣風干碾碎，過2 mm篩，采用Beckman Coulter公司生產(chǎn)的LS13320-全新納微米激光粒度分析儀測定砂粒、粉粒和黏粒含量，并且按照國際制土壤質(zhì)地分類，同時用環(huán)刀法測定各層土壤干容重，田間持水率，飽和含水率，經(jīng)換算，得體積含水率。結果如表1所示。試驗用水為當?shù)厍邓Ｄ昶骄V化度在1 g/L以下。

表1 供試土壤主要理化性質(zhì)表

1.3 試驗設計

種植葡萄品種為無核紫葡萄品種，灌溉時間每年4-9月，種植間(行)距3.5 m，株距2 m，行長90 m。滴灌帶鋪設采用新疆天業(yè)公司生產(chǎn)單翼迷宮式滴灌帶，規(guī)格為φ16，滴頭間距0.3 m，流量為3.2 L/h，每行鋪設2條毛管帶，對壟溝進行覆膜。試驗共設6個處理，其中開溝模式設計2個，灌水定額3種，設置1組重復。各處理方案見表2。

表2 試驗方案設計

1.4 測定項目與方法

在葡萄果粒膨大期(6月23日)，每個處理安裝兩套美國Decagon公司生產(chǎn)的EM50數(shù)據(jù)采集器，設置EM50測量間隔6 h，5個傳感器安裝深度分別為10、20、30、40、60 cm共5層，安裝位置如圖2所示，一套EM50安裝在兩顆葡萄樹間距中點位置，另一套EM50安裝在開溝覆膜邊，兩套儀器水平間距60 cm。在監(jiān)測結束時(葡萄收獲期9月23日)，對EM50儀器連續(xù)自動采集的土壤含水率、溫度數(shù)據(jù)進行分析。

圖2 EM50安裝示意圖(單位：cm)

2 結果與分析

2.1 葡萄生育期內(nèi)土壤含水率分布

經(jīng)種植葡萄果粒膨大期、果粒成熟期、枝條成熟期(6-9月)田間試區(qū)連續(xù)監(jiān)測，在各自試驗處理下，將0～60 cm深度內(nèi)監(jiān)測土壤含水量做均值處理，得覆膜中與膜外邊下方土壤體積含水量隨監(jiān)測日期變化規(guī)律如圖3所示。從圖3可以看出，在監(jiān)測時段期間，田間灌水共進行5次，每次灌水后，無論是覆膜中還是覆膜外土壤含水量均增幅明顯，在強烈蒸發(fā)外界條件下，覆膜邊由于沒有覆膜遮蓋，水分降低幅度較覆膜中稍快，但隨著灌水定額的增加，覆膜中與覆膜邊含水量差異在逐漸減小，這是因為灌水定額增加，灌溉水受到重力勢和基質(zhì)勢雙重作用下，水分入滲加快，水分向四周擴散速度加快，使得覆膜邊下方土壤含水量逐漸增大。當開溝模式為20 cm×100 cm，灌水定額為300 m3/hm2，覆膜中灌水前與灌水后土壤體積含水量0.24～0.38，覆膜邊灌水前后土壤體積含水量0.22～0.36，均接近土壤田間持水量，基本滿足作物根系吸水要求。灌水定額為375、450 m3/hm2時，灌水后覆膜中土壤含水量最大增加至0.41、0.42，覆膜邊土壤含水量最大增加至0.36、0.37，說明加大灌水定額有利于滴灌帶表面積水區(qū)面積增大，使得鹽堿土壤在滴頭下方形成飽和區(qū)增大，入滲速率加快。

圖3(d)～(f)顯示了種植葡萄開溝模式為20 cm×120 cm時，各生育期間土壤含水量在不同灌水處理下的變化規(guī)律。由圖3可知，在開溝寬度不變，開溝寬度由100 cm增加至120 cm，灌水定額為300 m3/hm2，覆膜中灌水前與灌水后土壤體積含水量0.21～0.41，覆膜邊灌水前后土壤體積含水量0.22～0.26，由此可見，隨著開溝寬度的增大，覆膜中土壤含水量變化不明顯，但對于覆膜邊土壤含水量影響明顯，呈下降趨勢，這是因為開溝寬度增加，表面覆膜面積也增加，使得土壤蒸發(fā)面遠離滴灌帶，水分向外擴散緩慢。灌水定額為375 、450 m3/hm2時，灌水后覆膜中土壤含水量最大增加至0.42、0.43，覆膜邊土壤含水量最大增加至0.35、0.37，說明在開溝寬度增大情形下，加大灌溉定額同樣有利于水分向未覆膜區(qū)域運移。

圖3 葡萄生育期內(nèi)土壤體積含水量隨時間變化圖

2.2 葡萄生育期內(nèi)土壤溫度變化

研究表明，覆膜技術具有可明顯改善土壤水分狀況，增溫保墑的功能，同時還能抑制雜草生長，減少不必要水分消耗[10,11]。葡萄屬于喜溫植物，根據(jù)葡萄根系生物學特性顯示，土壤水分與土溫維持在14-35℃適宜條件下，有利于葡萄根系生長與漿果糖分積累和有機酸分解。將0～60 cm土層溫度做均值處理，選取每日12時與24時土壤溫度，作各處理土壤溫度逐日變化圖，如圖4、圖5所示。從圖4可以看出，12時正處于地溫上升階段，溫度變化幅度在16～28 ℃，開溝模式為20 cm×100 cm時，監(jiān)測范圍內(nèi)土層溫度在夏季(6-7月)天氣炎熱時表現(xiàn)為較高，最高達到29 ℃；在葡萄生育期結束時(秋季9月)表現(xiàn)為較低，最低為15 ℃。隨著灌水定額增加，覆膜中與覆膜邊土溫差異逐漸減小，尤其是當灌水定額為450 m3/hm2，兩種開溝模式下土壤溫度均值膜中與膜邊基本一致，這說明加大灌溉用水量，有利于擴大土壤溫度穩(wěn)定的范圍。

圖4 各處理下12時土溫逐日變化圖

圖5 各處理下24時土溫逐日變化圖

從圖5可以看出，兩種開溝模式下，24時土壤溫度變化幅度在18～31 ℃間，均大于12時土壤溫度，這是由于當夜間大地溫度開始向四周散熱時，覆膜給土體提供增溫保墑作用。在相同灌水定額下，隨著開溝寬度增加，膜邊溫度較膜中溫度變化差異大，這是由于水分入滲范圍增加，土壤熱擴散速度變慢。隨著灌水定額加大，水分擴散范圍也逐漸增加，土壤溫度受水分影響較大，膜中膜邊溫度差異小。

圖4、圖5顯示，葡萄生育期內(nèi)(果粒膨大期、果粒成熟期、枝條成熟期)，在覆膜與灌溉水的相互作用下，給葡萄生長提供了一個良好的溫度環(huán)境，從而有利于葡萄產(chǎn)量與品質(zhì)的提高。

3 結 論

(1)葡萄果粒膨大期、果粒成熟期、枝條成 熟期(6-9月)土壤水分連續(xù)監(jiān)測顯示，在開溝模式為20cm×100cm，灌水定額為300m3/hm2時，無論是膜中還是膜邊，灌水前后土壤含水量維持在0.22～0.38，大部分時間土壤含水量保持在田間持水量以上，滿足作物根系吸水。加大灌水定額后，在覆膜影響下，滴灌帶表面積水區(qū)面積增大，使得鹽堿土壤在滴頭下方形成飽和區(qū)增大，入滲速率加快；隨著開溝深度的增大，覆膜中土壤含水量變化不明顯，但對于覆膜邊土壤含水量影響明顯，呈下降趨勢。

(2)葡萄果粒膨大期、果粒成熟期、枝條成熟期(6-9月)土壤溫度連續(xù)監(jiān)測顯示，無論是溫度上升期(12時)，還是夜間下降期(24時)，土體溫度變化幅度均在15～31 ℃，給葡萄生長提供良好的溫度環(huán)境，利于葡萄產(chǎn)量與品質(zhì)的提高。

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