膜下滴灌對土壤水鹽分布和春玉米產量的影響

楊宏偉，楊正華，張富倉，李思恩

(1.甘肅省水利廳石羊河流域管理局，甘肅 武威 733000； 2.西北農林科技大學旱區(qū)農業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3.中國農業(yè)水問題研究中心，北京100083)

滴灌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)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(tǒng)。它可以直接向土壤供應已經過濾過得水分、肥料及其他的化學劑。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(xiàn)象。滴入作物根部附近的水分是作物根區(qū)的土壤經常保持最優(yōu)的含水狀況[1]。田間作物采用膜下滴灌技術是將地膜與滴灌技術有效地結合起來[2,3]，充分利用了地膜減少蒸發(fā)、增溫保墑作用和滴灌的定時定量供水、減少滲漏和蒸發(fā)作用，為作物生長提供良好的生長環(huán)境。Ayars[4]等通過對美國水管理研究所進行的番茄、棉花和甜玉米等作物為期15年的地下滴灌的研究結果表明，地下滴灌可以顯著提高作物的產量和水分利用效率，高頻度的灌溉還可以減少深層滲漏量。Yohannes和Tadesse[5]的研究結果表明，滴灌番茄的產量和水分利用效率較溝灌高，果實的大小和植株高度也存在相同的趨勢。相對于傳統(tǒng)的灌溉形式，膜下滴灌方式由于具有提高玉米等寬行作物產量和水分利用效率的作用在實際生產中廣泛應用[6-9]。張偉、弋鵬飛、王振華、劉磊等[10-13]在連續(xù)采用滴灌方式的棉田研究結果表明，隨著滴灌使用年限的增長，棉田中鹽分積累越多，棉花產量下降幅度越大。因地制宜的制度合理灌溉定額，進而達到土壤鹽分累積量最低且作物水分利用效率和產量最優(yōu)是節(jié)水灌溉及合理利用咸水進行灌溉亟待解決的問題。Tedeschi和Menenti[14]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；低頻灌水由于較高的次灌水量使得較多的鹽分被淋洗出作物的根區(qū)。一般情況下，在外界大氣蒸發(fā)能力的影響下，土壤鹽分多呈現(xiàn)出向表層運動，但覆膜種植改變了土壤水分蒸發(fā)的上邊界條件，而且膜下滴灌的灌水器(滴頭)位于膜下，在作物的主根區(qū)附近，水滴所形成的濕潤區(qū)在地膜下方，使水分循環(huán)僅限于膜下，鹽分上行受到抑制，土壤返鹽率也隨之大大降低。

本文通過兩年田間定位試驗，研究不同膜下滴灌灌溉定額下春玉米農田水分及鹽分變化特征及作物產量，為探索有利于作物生長，防止土壤鹽堿化和次生鹽漬化，制定合理膜下滴灌灌溉制度提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況及試驗設計

試驗在中國農業(yè)大學石羊河流域農業(yè)與生態(tài)節(jié)水試驗站進行，該站位于甘肅省武威市涼州區(qū),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(qū)年平均氣溫8 ℃，>0 ℃積溫3 550 ℃以上，干旱指數(shù)15～25。年均日照時數(shù)3 000 h以上，年均降水量160 mm，年均水面蒸發(fā)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，多為西北風。土壤為灰鈣質輕砂土。

膜下滴灌設置方法采用一膜兩管四行栽培方式，膜寬幅140 cm。供試春玉米品種為先玉335，于2015、2016年進行2 a連續(xù)定位試驗。2015年于4月21日播種，9月26日收獲，全生育期158 d；2016年于4月21日播種，9月21日收獲，全生育期152 d。采用玉米穴播機進行播種，株距35 cm，行距40 cm，基肥量尿素262.5 kg/hm2，磷酸二氫銨525 kg/hm2。玉米生育期追肥措施隨拔節(jié)期灌水進行，追肥量200 kg/hm2。各種農藝措施參照當?shù)亟涷灐Ｔ囼灢捎秒S機區(qū)組排列，重復3次，小區(qū)面積30 m2(3 m×10 m)，周圍布置保護區(qū)(見表1)。

表1 各處理灌水定額及日期設置表 m3/hm2

注：CK為本地區(qū)的畦灌灌溉制度，其余處理均參照CK制定。

1.2 測定項目和方法

(1)土壤水鹽含量測定。不同處理春玉米各生育期分層(0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm)取樣，每個點采集6個樣，即滴頭下、以滴灌帶鋪設方向水平距滴頭水平距離15、30 cm處(計作-15 cm，-30 cm)，垂直滴灌帶鋪設方向水平距滴頭水平距離10、20、30 cm處(計作+10 cm，+20 cm，+30 cm)。采用烘干法測定土壤水分，利用ST1-3型電導率儀測定電導率EC1∶5(土水質量比為1∶5)，根據文獻[6]計算土壤全鹽量。

(2)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。

土壤蓄水量按照下列公式計算：

W=10HDB

(2)

式中：W為土壤蓄水量，mm；H為土層深度，cm；D為土壤體積質量，g/cm3；B為土壤質量含水率，%。

(3)春玉米產量及特征值測定。作物成熟后，各小區(qū)取10株進行考種。考種指標包括穗長、禿尖長、穗粗、百粒質量。測產采取小區(qū)單打單收方法測定。

(4)降雨量測定。由試驗站內自動氣象站測定。

(5)數(shù)據處理與分析方法。利用SPSS16.0對試驗數(shù)據進行方差分析和顯著性檢驗，采用Surfer8.0軟件對各處理土壤鹽分分布制圖，用Excel軟件對各處理土壤水分制圖。

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(tài)變化特征

2.1.1 不同灌水處理農田土壤水分的動態(tài)

2015、2016年不同處理春玉米生育期土壤含水率動態(tài)變化如圖1和圖2所示。由圖1可知，在苗期，不同灌水定額對0～100 cm土層內的水分含量影響基本一致，均隨土壤深度的增加土壤含水量呈降低的趨勢。0～10 cm土層內，土壤含水量介于19.69%～22.67%之間，其中，T1處理土壤水分含量最高，CK處理土壤水分含量最低。之后隨土層深度的增加土壤含水量逐漸降低。到80～100 cm土層時，各處理土壤含水量介于11.64%～15.67%之間，其中T1處理土壤水分含量最高，T2處理土壤水分含量最低。進入拔節(jié)期，在棵間蒸發(fā)和作物蒸騰的雙重作用下，灌水定額對各處理0～100 cm土壤水分分布差異較苗期明顯。T1、T2、T3各處理0～100 cm土壤水分含量曲線均位于CK左邊。其中，T1、T2、T3各處理0～10 cm土壤含水量介于11.43%～12.97%之間，分別較CK低6.61%、8.08%和8.14%。在20～40 cm土層內，各處理土壤水分含量介于9.03%～12.03%之間，之后土壤含水量隨土層深度的增加呈逐漸增加的趨勢。表明春玉米蒸發(fā)蒸騰量在拔節(jié)期主要發(fā)生在0～40 cm土層內，常規(guī)的地面灌溉能顯著提高土壤表層含水量。

在吐絲揚花期，各處理不同土層水分含量差異主要表現(xiàn)在深層土壤中，0～60 cm土層內各處理土壤含水量分布特征基本一致，T1、T3、T2處理土壤含水量介于17%左右；60～100 cm土層內T1、T2、T3處理土壤含水量曲線位于CK的左邊，含水率介于9.68%～19.96%之間。結果表明，常規(guī)畦灌條件下，灌水定額在975 m3/hm2左右時，土壤水分垂向運動加快，水分主要貯存于80～100 cm土層內。進入灌漿期后，作物水分大量往籽粒轉移，表現(xiàn)為0～100 cm土層水分含量降低，T1、T2、T3處理0～100 cm土層內土壤含水率曲線出現(xiàn)多次重合，處理間土壤水分差異不大。CK土壤水分含量較吐絲灌漿期明顯降低，但土壤水分變化曲線仍位于膜下滴灌各處理的右邊，且隨著土層深度的增加呈增加的趨勢。對收獲期土壤含水量進行的測定結果表明，T1、T2、CK各處理0～40 cm土壤含水量在17.00%左右，而T3處理0～100 cm土壤含水量介于7.85%～13.10%之間，表明T3處理較低的灌水定額引起深層土壤水分向表層運移，T1處理明顯增加了40～80 cm土層內的水分含量。主要是較低的滴灌灌水量不能滿足作物生長，加之這一時期土壤水分顆間蒸發(fā)量增加，故較低的滴灌灌水定額下，土壤水分向表層運移顯著，較高滴灌灌溉定額處理能顯著增加土壤深層含水量。

圖1 不同處理2015年春玉米不同生育期土壤水分含量動態(tài)變化 Fig.1 Dynamic changes of soil moisture content in different growth stages of Spring Maize in different growth stages in 2015

由圖2可知，在春玉米播前，各處理0～100 cm土層內的水分含量垂直分布特征基本一致，土壤含水量主要介于8.63%～15.36%之間。在苗期，不同灌水定額對土壤含水量的影響主要表現(xiàn)在淺層土壤中，且隨灌水定額的增加，表層土壤水分含量呈增加的趨勢。深層土壤水分含量主要介于15%左右。其中80～100 cm土層內，T1、T2、T3、CK處理土壤水分含量分別16.67%、13.64%、13.74%、16.70%，CK處理土壤水分含量最高。進入拔節(jié)期，各處理0～100 cm土層內土壤水分含量分布特征與2015年對應生育期基本一致。表明不同灌水定額對0～100 cm土壤水分變化影響較為穩(wěn)定。T1、T2、T3各處理0～100 cm土壤水分含量曲線均隨土壤深度的增加向右方略微傾斜，表明深層土壤水分含量略高于表層土壤。T1、T2、T3各處理0～10 cm土壤含水量介于11.43%～12.97%之間，分別較CK低6.61%、8.08%和8.14%。在20～40 cm土層內，各處理土壤水分含量介于9.03%～12.03%之間，之后土壤含水量隨土層深度的增加呈逐漸增加的趨勢。結果表明春玉米蒸發(fā)蒸騰量在拔節(jié)期主要發(fā)生在0～40 cm土層內。

吐絲揚花期，各處理不同土層水分含量較2015年對應生育期略有降低，但處理間的差異仍然主要表現(xiàn)在深層土壤中。其中，0～60 cm土層內各處理土壤含水量介于15%左右。60～100 cm土層內T1、T2、T3處理土壤含水量差異較大，到80～100 cm土層內，T1、T2、T3、CK處理土壤含水率依次為19.52%、16.08%、10.55%、23.79%。其中，灌水定額為975 m3/hm2的常規(guī)畦灌土壤水分垂向運動明顯高于其他處理，土壤水分含量隨土層深度的增加呈明顯增加的趨勢，由土壤物理性質可知，深層土壤為壤土，田間持水率較土壤表層高，在土壤水勢的作用下，水分有利于向土壤深層運移儲存。

灌漿期，作物水分大量往籽粒轉移，各處理表現(xiàn)為0～100 cm土層水分含量較前期降低。其中T1、T2、CK各處理0～100 cm土層內土壤含水率曲線位于CK的右邊，且灌水定額對深度土壤水分含量的影響較淺層土壤低。收獲期土壤含水量結果表明，T1、T2、CK各處理0～80 cm土壤水分變化曲線變化規(guī)律基本一致，各處理含水量在15.00%左右變化，且深層土壤水分含量略低于淺層土壤。

2015和2016年土壤水分含量研究結果表明，兩年的土壤水分分布基本一致，均表現(xiàn)為，灌水定額大于480 m3/hm2時能顯著促進土壤水分的垂直運動，進而促進土壤水分在深層土壤儲存，產生了深層滲漏。當作物進入需水高峰階段時，灌水定額對土壤水分的垂向分布的影響差異減弱。在作物拔節(jié)期、灌漿期等作物需水關鍵期，不同灌水定額對土壤水分垂向運動影響顯著，改變了土壤水分分布特征。在灌溉定額不能滿足作物生長需要時，0～100 cm深層土壤水分被充分利用。由于滴灌為局部灌溉方式，在土壤水勢作用下，各處理滴頭處的土壤水分垂向運動在作物前期基本一致，各處理間土壤水分分布差異不顯著。拔節(jié)期至灌漿期，灌水定額對土壤水分分布影響顯著。

圖2 不同處理2016年春玉米不同生育期土壤水分含量動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of soil moisture content in different growth stages of Spring Maize in different growth stages in 2016

2.1.2 不同灌水處理農田土壤鹽分的動態(tài)

滴灌對土壤中的鹽分有淋洗作用，可把原耕作層的部分鹽分遷移到濕潤鋒外緣，是一種驅鹽和抑鹽的過程。

2015、2016年春玉米不同生育期土壤剖面全鹽含量動態(tài)變化如圖3和圖4所示。2015年試驗數(shù)據表明，在苗期，各處理0～100 cm土壤剖面土壤鹽分含量分布規(guī)律基本一致，灌水定額對土壤鹽分量含量影響基本一致，均表現(xiàn)為隨土層深度的增加呈增加的趨勢。到作物拔節(jié)期，灌水定額對各處理脫鹽、積鹽土層深度影響逐漸明顯。灌后4 d 的測定數(shù)據表明，當灌水定額為480 m3/hm2(T1處理)時，對0～80 cm土層的脫鹽過程影響明顯，土壤含鹽量介于0.848 g/kg左右。當灌水定額為420 m3/hm2(T2處理)時，對0～40 cm土層的脫鹽過程影響明顯，土壤含鹽量介于0.691 g/kg左右。T3處理0～40 cm土層土壤鹽分含量分布規(guī)律與T2處理基本一致。此外，T2、T3處理較低的灌水定額對0～10 cm土層積鹽效果明顯。其中T2處理鹽分含量為0.753 g/kg，T3處理鹽分含量為0.849 g/kg。灌漿期，各處理0～60 cm土層土壤發(fā)生脫鹽現(xiàn)象，60～100 cm土層發(fā)生積鹽現(xiàn)象。其中，滴頭間T1、T2、T3處理0～60 cm土層含鹽量分別為0.774、0.800、0.667 g/kg；60～100 cm土層含鹽量分別為0.872、0.838、0.685 g/kg。各處理(T1、T2、T3)深層(60～100 cm)土壤鹽分含量較淺層(0～60 cm)分別高12.66%、4.75%和2.65%。

2015、2016年吐絲揚花期表明，在作物蒸發(fā)蒸騰作用下，灌水定額對土壤鹽分含量分布規(guī)律的累積效應呈顯著。2015年0～100 cm土層土壤鹽分含量在垂直方向上隨土層深度的增加呈降低的趨勢，2016年0～100 cm土層土壤鹽分含量表現(xiàn)為在垂直方向上隨土層深度的增加呈增加的趨勢。原因為2016年在拔節(jié)期—吐絲揚花期連續(xù)的降雨量(7月8日-7月22日降雨3次，降雨量為52.6 mm)和灌水量使各處理土壤發(fā)生淋洗，由于鹽隨水動，土壤水分將鹽分帶入土壤深層。2015年土壤鹽分含量在0～20 cm土層內發(fā)生積鹽效益，且在水平方向上，兩年的土壤鹽分含量在滴灌帶間累積效應均高于滴頭間。

圖3 不同處理2015年膜下滴灌玉米不同生育期土壤含鹽量動態(tài)變化Fig.3 dynamic changes of soil salinity in different growth stages of Maize under different treatments in 2015

圖4 不同處理2016年大田膜下滴灌玉米不同生育期土壤含鹽量動態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of soil salinity in different growth stages of Maize under different treatments in 2016

2.1.3 不同灌水處理農田土壤鹽分年際變化

2015、2016年播種后0～100 cm土層土壤鹽分年際變化如表2所示。2015年土壤鹽分累積主要發(fā)生在60～100 cm土層內，而2016年研究結果表明，土壤鹽分累積主要發(fā)生在40～100 cm土層內，說明鹽分累積區(qū)域有向土壤表層擴展的趨勢。兩年作物播種后，均表現(xiàn)為，垂直方向上，各處理均呈波動增加的趨勢，淺層土壤鹽分含量下降，深層土壤鹽分含量增加。各處理(T1、T2、T3)0～40 cm土層2016年播種后的土壤含鹽量較2015年播種后的土壤含鹽量低，說明連續(xù)兩年的膜下滴灌能保證土壤耕作層處于良好的水鹽環(huán)境，不會引起土壤鹽分表層累積。

膜下滴灌條件下，降低灌水定額可穩(wěn)定降低土壤耕層的土壤鹽分濃度。傳統(tǒng)的常規(guī)畦灌灌溉方式由于較大的灌水定額促進了土壤水分的垂向運動，在土壤水分蒸發(fā)蒸騰過程中，由于鹽隨水動，土壤深層的水分向土壤表層運動，將深層土壤鹽分同時帶到土壤表層，使土壤耕作層存在發(fā)生鹽漬化的風險。兩年的定位試驗結果表明，在播后，膜下滴灌條件下，不同灌溉定額處理耕作層0～40 cm土層的鹽分含量均較前一年含量低，而在40～100 cm土層均表現(xiàn)為較前一年高。

表2 不同處理0～100 cm土層土壤鹽分2015-2016年際變化Tab.2 Annual variation of soil salinity 2015-2016 in different treatments of 0～100 cm soil layer

2015、2016年鹽分測定研究結果表明，由于滴灌屬于不飽和灌溉，灌溉水的作用范圍主要在縱向0～60 cm，橫向30 cm左右。在垂直方向上，在土壤水分蒸發(fā)過程中，土壤鹽分隨著水分逐漸上升，土壤表層發(fā)生積鹽現(xiàn)象，土壤中層發(fā)生脫鹽現(xiàn)象，土壤深層土壤鹽分變化基本穩(wěn)定。在水平方向上，土壤鹽分以滴頭為中心向兩側運移，且隨灌水定額的增加，棵間土壤鹽分累積效應越明顯。

膜下滴灌灌溉方式可穩(wěn)定降低土壤耕作層的土壤鹽分濃度，傳統(tǒng)常規(guī)畦灌灌溉方式有利于深層土壤鹽分向淺層土壤運移，使耕層土壤存在發(fā)生土壤鹽漬化的風險。

2.2 不同灌水處理對春玉米產量和水分利用效率的影響

2015、2016年不同處理春玉米產量特征值及水分利用效率見表3。由表3可知，不同灌溉定額對春玉米的穗長、穗行數(shù)、行粒數(shù)等產量及產量特征值的影響不同。其中，對穗行數(shù)、行粒數(shù)的影響差異不顯著，對百粒重的影響差異達顯著性水平。

2015年的研究結果表明，T1、T2、T3處理理論產量依次為18 165.15、17 869.80、14 407.50 kg/hm2，其中T1、T2處理產量與T3處理差異顯著(p<0.05)。水分利用效率WUE介于2.31～3.04 kg/m3之間，大小依次為T2>T3>T1>CK，其中T1、T2處理與T3處理差異達顯著性水平(p<0.05)。2016年的研究結果表明，T1、T2、T3處理理論產量依次為18 873.30、17 500.20、14 855.40 kg/hm2，其中T1、T2處理產量與T3處理差異顯著(p<0.05)。水分利用效率WUE介于2.82～3.28 kg/m3之間，大小依次為T2>T3>T1>CK，其中T1、T2處理與T3處理差異達顯著性水平(p<0.05)。2 a的定位田間試驗研究結果表明，傳統(tǒng)畦灌(CK)條件下，春玉米單位面積平均經濟產量在1 200 kg左右，且與T1處理的經濟產量無顯著性差異，但結合WUE分析結果可知，CK是以較大的耗水量為代價換來的，WUE為2.31～2.82 kg/m3。2016年春玉米實際產量和WUE與2015年差異不顯著。由2 a的總體變化趨勢來看，從土壤水鹽環(huán)境、經濟及高效利用水資源的角度出發(fā)，T2處理為最優(yōu)的灌溉制度。

表3 膜下滴灌春玉米產量特征值及水分利用效率Tab.3 Yield characteristic value and water use efficiency of spring maize under film drip irrigation

3 結 語

本文試驗研究表明，膜下滴灌灌水定額大于500 m3/hm2時能顯著促進土壤水分的垂直運動，進而促進土壤水分在深層土壤儲存，產生了深層滲漏，灌水定額為430 m3/hm2時，土壤水分在0～60 cm土層分布均勻，不會產生深層滲漏。當作物進入需水高峰階段時，灌水定額對土壤水分的垂向分布的影響差異減弱。在灌溉定額不能滿足作物生長需要時，0～100 cm深層土壤水分被充分利用。各處理(T1、T2、T3)0～40 cm土層2016年播種后的土壤含鹽量較2015年播種后的土壤含鹽量低。2015年土壤鹽分累積主要發(fā)生在60～100 cm土層內，2016年土壤鹽分累積主要發(fā)生在40～100 cm土層內，鹽分累積區(qū)域有向土壤表層擴展的趨勢。兩年的土壤鹽分含量在滴灌帶間累積效應均高于滴頭間。連續(xù)兩年的膜下滴灌能保證土壤耕作層處于良好的水鹽環(huán)境，不會引起土壤鹽分表層累積。兩年定位種植春玉米，春玉米產量及水分利用效率差異不顯著。

從春玉米農田水鹽動態(tài)變化、作物產量和水分利用效率綜合分析，T2處理是膜下滴灌灌溉條件下最優(yōu)的玉米灌溉制度。同一耕地多年采用膜下滴灌方式種植是否會引起表層土壤鹽漬化，還需在今后進一步研究。

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