不同灌溉制度下河套灌區(qū)玉米膜下滴灌水熱鹽運(yùn)移規(guī)律

孫貫芳，屈忠義，杜 斌，任中生，劉安琪

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不同灌溉制度下河套灌區(qū)玉米膜下滴灌水熱鹽運(yùn)移規(guī)律

孫貫芳1,2，屈忠義1※，杜 斌3，任中生1，劉安琪1

（1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特010018；2. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；3. 寧夏水利科學(xué)研究院，銀川750000）

為探明干旱地區(qū)膜下滴灌玉米土壤水熱鹽效應(yīng)及秋澆洗鹽灌溉的效果，該文根據(jù)2014—2015年進(jìn)行的田間試驗(yàn)，分析膜下滴灌不同灌溉制度下生育期土壤水分鹽分剖面分布特性、土壤溫度變化及對(duì)玉米產(chǎn)量品質(zhì)的影響和非生育期洗鹽灌溉（秋澆）效果。結(jié)果表明，不同滴灌制度下土壤剖面水分、鹽分剖面分布極不均勻，鹽分均由膜內(nèi)向膜外地表裸露區(qū)定向遷移，趨于膜外地表積累。膜下滴灌土壤溫度受氣溫、玉米葉面積指數(shù)、灌水及土壤含水率共同作用。灌水后各處理土壤溫度均劇烈下降，2～3 d后恢復(fù)，玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段控制灌水下限為-30 kPa最有利于土壤溫度積累。玉米生育期各處理膜內(nèi)0～40 cm不積鹽，控制灌水下限為-10 kPa可有效淋濾0～100 cm土壤鹽分，而其他處理對(duì)0～100 cm土層鹽分的影響差異性短期內(nèi)不明顯，需對(duì)不同處理長(zhǎng)期膜下滴灌的鹽分進(jìn)一步觀測(cè)。非生育期洗鹽灌溉效果顯著，秋澆灌黃河水180 mm后，次年春播前0～100 cm土壤鹽分平均下降10.86%～26.14%，剖面分布較均勻。河套灌區(qū)膜下滴灌土壤鹽分調(diào)控建議為生育期滴灌灌溉制度和非生育期洗鹽灌溉雙重調(diào)控。玉米生育期灌水下限建議控制為-30 kPa，非生育期洗鹽灌溉由于河套灌區(qū)凍融影響及特殊的水文地質(zhì)條件，膜下滴灌鹽分累積到何種程度洗鹽灌溉及具體合理的洗鹽灌溉制度還需進(jìn)一步深入研究。

土壤水分；溫度；含鹽量；河套灌區(qū); 膜下滴灌; 水熱鹽; 洗鹽; 秋澆

0 引 言

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地處干旱地區(qū)，目前農(nóng)業(yè)灌溉引水量約43億m3～48億m3，農(nóng)田灌溉平均凈引水量45億m3[1]，灌區(qū)內(nèi)灌水方式基本為地面灌溉，田間灌溉水利用效率低，灌溉水大量回補(bǔ)地下水[2]，造成土壤次生鹽漬化。滴灌在提高灌溉水利用效率的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效，且適宜的滴灌制度已被證明是在干旱區(qū)緩解土壤鹽漬化的有效辦法[3-5]。受不同地區(qū)氣候、土壤特性、作物品種、農(nóng)藝措施及作物栽培模式的影響[6-8]，膜下滴灌技術(shù)具有很強(qiáng)的地域性，在河套灌區(qū)膜下滴灌關(guān)注最多的是經(jīng)濟(jì)效益較高的加工番茄[9-10]。玉米作為灌區(qū)內(nèi)最主要的糧食作物，近2 a剛引起人們的關(guān)注，且成果集中在膜下滴灌玉米耗水規(guī)律及水分生產(chǎn)率[11-12]、作物系數(shù)[13]、根系分布[14]等方面。河套灌區(qū)干旱少雨，土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，易造成土壤鹽分表聚和次生鹽漬化[15]，在發(fā)展滴灌的過(guò)程中，土壤鹽分的問(wèn)題必須足夠關(guān)注。

已有研究表明，土壤鹽分運(yùn)動(dòng)受制于土壤水分和溫度[16]，干旱區(qū)膜下滴灌的微區(qū)環(huán)境是水鹽定向遷移的內(nèi)在機(jī)制，氣溫與蒸發(fā)的交互作用則進(jìn)一步增強(qiáng)了鹽分的定向遷移[17]。因此，周和平等[18]提出地表排鹽模式，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)采用田間兩膜之間的裸露地表排鹽溝會(huì)使鹽分下降36.7%～63.3%，效果良好，但其必須要求鹽分向農(nóng)田下游末端排泄有出路，在河套灌區(qū)真正實(shí)施有一定困難。Liu等[19]研究發(fā)現(xiàn)，用電導(dǎo)率達(dá)到7.42 dS/m的微咸水進(jìn)行膜下滴灌，用150 mm秋澆定額淋洗后，土壤鹽分淋洗到60 cm以下土層，作物根區(qū)土壤電導(dǎo)率在下一年僅為0.2 dS/m，說(shuō)明秋澆能很好地控制滴灌土壤鹽分。同時(shí)，Phocaides[20]也認(rèn)為在年降水量小于250 mm的區(qū)域采用微灌不推薦在每次灌水時(shí)加大灌水量進(jìn)行洗鹽，而是建議在生育期結(jié)束后對(duì)鹽分集中淋洗。非生育期洗鹽灌溉可能是控制膜下滴灌土壤鹽分的較佳途徑。課題組李金剛等[21]在河套灌區(qū)下游的長(zhǎng)勝試驗(yàn)站開(kāi)展了微咸水膜下滴灌鹽堿地玉米的大田試驗(yàn)，詳細(xì)分析了生育期膜下滴灌膜內(nèi)膜外水鹽運(yùn)移過(guò)程，發(fā)現(xiàn)0～100 cm土層生育期鹽分不斷累積，春匯225 mm黃河水后各土層鹽分降低21.46%以上，對(duì)鹽堿地微咸水膜下滴灌的實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義，但未深入探討膜下滴灌膜內(nèi)膜外土壤鹽分分布不均的機(jī)制及鹽分在各土層的平衡規(guī)律。另外，河套灌區(qū)屬于典型的寒旱灌區(qū)，晝夜溫差大，土壤積溫對(duì)作物生長(zhǎng)至關(guān)重要，膜下滴灌不同灌水下限對(duì)土壤溫度的影響尚不清楚。因此，河套灌區(qū)膜下滴灌作物生育期灌水下限的選擇需綜合考慮土壤水熱鹽狀況及作物產(chǎn)量品質(zhì)等因素，所積累的土壤鹽分在非生育期通過(guò)地面灌溉集中淋洗可能是未來(lái)灌區(qū)控制膜下滴灌土壤鹽分的關(guān)鍵措施。本文通過(guò)田間試驗(yàn)，研究河套灌區(qū)膜下滴灌生育期不同灌水下限（分別為-10、-20、-30、-40 kPa）下的土壤水熱鹽效應(yīng)及對(duì)玉米產(chǎn)量品質(zhì)的影響，探索不同灌水下限及非生育期秋澆洗鹽對(duì)土壤鹽分平衡的影響，以期確定河套灌區(qū)玉米膜下滴灌合理的生育期灌溉制度和適宜的鹽分調(diào)控模式，為膜下滴灌土壤水熱鹽的調(diào)控提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2014年5月—2015年5月在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)臨河區(qū)雙河鎮(zhèn)進(jìn)步村九莊農(nóng)業(yè)合作社試驗(yàn)基地（107°18′E，40°41￠N）進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)布置如圖1所示。

該地深處內(nèi)陸，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，多年平均降水量140 mm，平均氣溫6.8 ℃，晝夜溫差大，日照時(shí)間長(zhǎng)，多年日照時(shí)間平均值為3 229.9 h，是中國(guó)日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng)的地區(qū)之一。光、熱、水同期，無(wú)霜期為130 d左右，適宜于農(nóng)作物生長(zhǎng)。該地一般每年11月中旬土壤開(kāi)始封凍，次年5月上旬融通。試驗(yàn)區(qū)以粉砂壤土為主，0～100 cm土壤容重為1.38 g/cm3（表1），平均田間持水率為28.5%，土壤全氮量、全磷量、全鉀量（質(zhì)量比）分別為0.093%、0.07%、1.60%、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比為1.2%，pH值為7.6。玉米生育期地下水埋深范圍為1.89～3.08 m，平均埋深2.84 m，非生育期受秋澆及凍融的影響，地下水埋深變化較為劇烈，平均為2.36 m（見(jiàn)圖2）。膜下滴灌所用的地下水含鹽量為1.07 g/L，pH值為8.0，Ca2+、Mg2+、Na++K+、Cl-、SO42-、CO32-、HCO4-質(zhì)量濃度分別為70.1、72.9、150、159.5、216.1、0、396.6 mg/L。玉米生育期（2014年5月1日—9月30日）降水量為104.6 mm，非生育期（2014年10月1日—2015年4月30日）降水量為62.8 mm（見(jiàn)圖3）。試驗(yàn)期間參考作物蒸散量（reference crop evapotranspiration，ET0）根據(jù)氣象數(shù)據(jù)用FAO-56 Penman- Monteith公式[22]計(jì)算，玉米生育期ET0為765.84 mm，非生育期為383.26 mm。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤物理及水力參數(shù)

圖3 試驗(yàn)期間降水量及參考作物蒸散量ET0

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

膜下滴灌玉米品種為內(nèi)單314，采用1膜1管（滴灌帶）2行種植方式（見(jiàn)圖4），滴灌帶鋪設(shè)間距120 cm，地膜寬70 cm，玉米寬窄行種植，寬行70 cm，窄行50 cm，株距22 cm，密度75 000株/hm2。采用耐特菲姆內(nèi)鑲貼片式滴灌帶，管內(nèi)徑16 mm，流量1.60 L/h，滴頭間距30 cm。膜下滴灌玉米5月1日播種后統(tǒng)一灌出苗水30 mm，之后采用北京奧特思達(dá)科技有限公司生產(chǎn)的張力計(jì)控制灌溉，參考Kang等[23]研究成果，張力計(jì)埋設(shè)在膜內(nèi)滴頭下20 cm處（圖4），分別設(shè)置基質(zhì)勢(shì)為-10、-20、-30、-40 kPa 4個(gè)灌水下限處理，簡(jiǎn)記為D1、D2、D3、D4，每個(gè)處理為一個(gè)灌水單元（長(zhǎng)25 m，寬7.2 m，面積180 m3），當(dāng)張力計(jì)讀數(shù)達(dá)到相應(yīng)值時(shí)開(kāi)始灌水，灌溉水采用當(dāng)?shù)氐叵滤?，灌溉水的水溫一般?～12 ℃，設(shè)計(jì)灌水定額為30 mm，D1處理5、6、7、8、9月灌水次數(shù)分別為2、4、8、3、0次，D2處理6月、7月較D1各少灌1次水，D3處理7月、8月較D2少灌2次、1次水，D4處理5—7月較D3各少灌1次水，4個(gè)處理總灌水次數(shù)分別為17、15、12和9次，實(shí)際灌溉定額分別為518.0、444.7、368.3、268.3 mm。各處理的施肥制度為播種時(shí)統(tǒng)一施入底肥磷酸二銨600 kg/hm2，后期隨滴灌追尿素600 kg/hm2，鉀肥（硝酸鉀）90 kg/ hm2。其他的田間管理措施（除草，打藥等）各試驗(yàn)處理均相同，同當(dāng)?shù)亓?xí)慣。

圖4 張力計(jì)、溫度傳感器埋設(shè)位置及土壤水鹽取樣位置示意圖

參考李瑞平等[24]研究成果，2014年秋澆期不同滴灌制度試驗(yàn)小區(qū)于10月12日均灌水180 mm。具體過(guò)程為：各處理間用圍堰隔開(kāi)，每個(gè)小區(qū)灌黃河水32.4 m3。于2015年5月6日播前取土測(cè)試土壤鹽分。

1.3 觀測(cè)項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤水分

7月下旬玉米抽雄期灌水頻繁，有利于分析土壤剖面水分狀況。各處理于灌水前分別在垂直滴灌帶距滴頭水平距離0、17.5、35、60 cm位置取土，垂直取樣深度為0～60 cm每10 cm一層，>60～100 cm每20 cm一層，取樣點(diǎn)設(shè)置如圖4所示。各3次重復(fù)，用烘箱105℃烘干測(cè)定含水率。

1.3.2 土壤及大氣溫度

土壤溫度采用邯鄲市益盟電子有限公司生產(chǎn)的地埋式8通路溫度記錄儀（YM-04）實(shí)時(shí)觀測(cè)，溫度計(jì)埋設(shè)位置分別為膜內(nèi)滴頭正下方5、15、25、40 cm，膜外（即指兩地膜之間裸地正中間位置）5、15、25、40 cm處（見(jiàn)圖4）。土壤溫度記錄儀精度±0.02 ℃，溫度分辨率0.05 ℃。6月1日20:00點(diǎn)開(kāi)始自動(dòng)記錄，每1 h記錄1次溫度，9月24日結(jié)束。土壤溫度不設(shè)重復(fù)。大氣溫度采用試驗(yàn)區(qū)內(nèi)HOBO小型氣象站（美國(guó)Onset公司產(chǎn)品）溫度，每6 min記錄1次數(shù)據(jù)。

1.3.3 土壤鹽分

分別在播前、生育期末收獲后、次年播前取土測(cè)試土壤鹽分。播前鹽分取土方法為：土層深度0～60 cm每10 cm一層，>60～100 cm每20 cm一層，后2次取土方法同上述水分測(cè)試取土方法。風(fēng)干土經(jīng)碾磨、過(guò)2 mm篩后，用電導(dǎo)率儀（上海雷磁電導(dǎo)率儀DDSJ-308A）測(cè)試水土比為5∶1的土壤浸提液的電導(dǎo)率，后經(jīng)該試驗(yàn)區(qū)土壤含鹽率（%）與電導(dǎo)率（electrical conductivity，EC，dS/m）經(jīng)驗(yàn)公式=0.349EC計(jì)算土壤全鹽含量[25]。土壤鹽分取3次重復(fù)。

1.3.4 玉米產(chǎn)量與品質(zhì)

玉米成熟后，于2014年9月24日分別沿試驗(yàn)小區(qū)上段、中段、下段隨機(jī)選擇3個(gè)位置作為取樣點(diǎn)，在中間3膜（試驗(yàn)小區(qū)共6膜）上連續(xù)每行取5株玉米共30株作為1個(gè)重復(fù)，取回其玉米棒。先用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量30個(gè)玉米棒的禿尖長(zhǎng)度，之后人工脫粒風(fēng)干稱量產(chǎn)量，并換算成單位面積的產(chǎn)量。從每個(gè)重復(fù)中隨機(jī)取100粒玉米籽粒稱量質(zhì)量即為百粒質(zhì)量。玉米產(chǎn)量、禿尖長(zhǎng)度及百粒質(zhì)量均是3個(gè)重復(fù)。玉米品質(zhì)是3個(gè)重復(fù)經(jīng)充分混合為一個(gè)樣后委托內(nèi)蒙古博測(cè)質(zhì)檢科技有限責(zé)任公司檢測(cè)粗脂肪、粗蛋白、粗淀粉，依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)分別是GB/T 6433-2006[26]、GB/T 6432-1994[27]、NY/T 11-1985[28]。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

1.4.1 土壤溫度的滑動(dòng)平均

土壤溫度的滑動(dòng)平均有利于消除土壤溫度的不穩(wěn)定波動(dòng)，把握溫度變化的趨勢(shì)，是從一個(gè)有項(xiàng)的時(shí)間序列中來(lái)計(jì)算多個(gè)連續(xù)項(xiàng)序列的平均值。土壤溫度15 d滑動(dòng)平均是在長(zhǎng)序列的逐日土壤溫度資料中從第1天到第15天，第2天到第16天，第3天到第17天……，每相應(yīng)15 d的資料計(jì)算其平均值，具體如公式（1）所示：

式中T為第1 d～第15 d共15 d的土壤溫度滑動(dòng)平均值，℃，文中的取值為0，1，2……，100；T為計(jì)算的15 d里每天的土壤溫度，℃。

1.4.2 土壤鹽分平衡分析

對(duì)1 m土層土壤鹽分進(jìn)行平衡分析是評(píng)價(jià)鹽分累積狀況的重要方法。土壤含鹽總量根據(jù)不同取樣點(diǎn)控制質(zhì)量加權(quán)計(jì)算[29]，計(jì)算公式如（2）：

式中為鹽分總量，kg/ hm2；S為取樣點(diǎn)含鹽量，g/kg；L為取樣孔控制土層寬度，m；h為取樣點(diǎn)控制土層厚度，m；γ為相應(yīng)土層土壤容重，g/cm3；為計(jì)算深度內(nèi)取樣層數(shù)，0～100、0～60、0～40 cm取樣層數(shù)分別為8、6、4；為整個(gè)剖面、膜內(nèi)、膜外土壤取樣孔數(shù)，分別為4、2、2。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，播前收后土層鹽分總量變化的方程為公式（3）：

式中D為播前收后土層鹽分的改變量，kg/hm2，D>0說(shuō)明土層鹽分增加；△≤0說(shuō)明生育期土層鹽分不增加。2為收獲后土層鹽分總量，kg/hm2；1為播種前土層鹽分總量，kg/hm2。

秋澆前后土壤鹽分的變化直接用土壤電導(dǎo)率的均值來(lái)評(píng)價(jià)。

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

利用Excel數(shù)據(jù)分析功能進(jìn)行成對(duì)檢驗(yàn)，采用SPSS13.0軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌制度對(duì)土壤水分鹽分分布的影響

抽雄期玉米需水量大[13]，根系活動(dòng)范圍最大[14]，吸水旺盛，頻繁的灌水會(huì)使滴灌濕潤(rùn)體的影響半徑達(dá)到生育期最大值，對(duì)此時(shí)期灌前土壤剖面水分狀況的分析有利于進(jìn)一步明確土壤水分的散失過(guò)程及下一時(shí)刻灌水后土壤水分的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。圖5為玉米抽雄期各處理達(dá)到灌水下限時(shí)的土壤含水率剖面分布圖，圖中“白色短劃線”是土壤水分等值線從低處向高處凸出部分的連線，即集水線，眾多的集水線構(gòu)成了如河網(wǎng)狀的水分路線，筆者定義為土壤水分集水線。在微觀尺度下土壤水分集水線是所有水分的低值點(diǎn)，理論上也是土水勢(shì)最低的點(diǎn)，周?chē)耐寥浪钊菀紫虼诉\(yùn)動(dòng)，所以其可以表示土壤水分運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。由圖5可知，D1、D2、D3、D4土壤剖面質(zhì)量含水率均值分別為25.16%、22.72%、22.36%、21.44%，越靠近地表遠(yuǎn)離滴頭，水分含量越低。D1、D2、D3、D4土壤水分垂直方向急劇變化的土層深度范圍（白色框線內(nèi)部分）分別是25～40、33～48、37～52、30～ 52 cm，D1、D2、D3深度隨基質(zhì)勢(shì)減小而增加，范圍大小基本一致，而D4范圍增大?？拷乇硗翆蛹窗咨蛞陨喜糠植煌幚砟?nèi)（距滴頭距離0～30 cm）土壤水分以水平變化為主，膜邊緣及膜外（黑框內(nèi)部分）土壤水分由下層向上層、由膜內(nèi)向膜外依次遞減。由土壤水分集水線可知，D1、D2以剖面水分最大值為界上層土壤水分有由深層向地表，由膜內(nèi)向膜外運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，下層土壤水分將向下運(yùn)動(dòng)。D3、D4整個(gè)剖面土壤水分由下層向上層依次遞減，灌水前土壤水分在蒸發(fā)蒸騰作用下經(jīng)由地表散失。

玉米生育期末即秋澆前對(duì)應(yīng)的土壤鹽分剖面分布狀況是整個(gè)生育期內(nèi)土壤鹽分隨水分遷移運(yùn)動(dòng)積累的結(jié)果如圖6。D1土壤鹽分在距滴頭0～20 cm正下方范圍內(nèi)鹽分基本低于0.3 dS/m，在距滴頭水平距離20～60 cm范圍內(nèi)，鹽分自深層至表層依次增加，在地表0～20 cm從膜內(nèi)至膜外鹽分逐漸積累。D2土壤鹽分剖面分布與D1類似，但膜內(nèi)滴頭下方鹽分低值區(qū)和膜外鹽分高值區(qū)范圍相對(duì)較小。D3在距滴頭0～40 cm正下方0～40 cm范圍內(nèi)形成一個(gè)鹽分低于0.3 dS/m的環(huán)狀范圍，在深度40～80 cm及0～20 cm膜外位置處鹽分積累。D4在距滴頭水平距離0～30 cm地表下50～80 cm及距滴頭20～60 cm地表下0～30 cm位置處鹽分明顯高于其他位置。將圖5黑框平移至圖6，此范圍內(nèi)土壤鹽分變化與土壤水分變化規(guī)律近乎相反，即膜下滴灌土壤鹽分在地表淺層膜邊緣及膜外范圍內(nèi)由下層向上層、由膜內(nèi)向膜外依次遞增，這可能是滴灌膜內(nèi)及深層土壤水分經(jīng)膜邊緣及膜外散失，鹽分遷移運(yùn)動(dòng)趨于地表積累的結(jié)果。

2.2 滴灌制度對(duì)土壤溫度的影響

不同灌溉制度下土壤溫度剖面變化總體規(guī)律基本是一致的，以灌水下限為-30 kPa即D3處理的土壤溫度剖面分布為例（圖7），膜內(nèi)土壤溫度受灌溉的影響較大，灌水后越接近地表土壤溫度下降幅度越大，地表5 cm土壤溫度需2～3 d后恢復(fù)至灌前水平，而膜外基本不受灌溉的影響。受溫度較低的灌溉水的影響，膜內(nèi)土壤溫度總體較膜外低0.08～0.45 ℃，隨著時(shí)間的推移，膜內(nèi)外溫度差異越來(lái)越小。從時(shí)間上來(lái)看，各個(gè)剖面土壤溫度變化規(guī)律是相似的，呈持續(xù)下降的趨勢(shì)，這主要是氣溫作用的結(jié)果[30]。

注：D1～D4表示膜下滴灌灌水下限分別為10、-20、-30、-40 kPa，下同。白色短劃線為土壤集水線，黑色框是土壤水分由下層向上層、由膜內(nèi)向膜外依次遞減的區(qū)域；白色框是土壤水分垂直方向急劇變化的區(qū)域；圖e為各處理水平方向距滴頭不同距離位置處土壤水分含量的均值。

注：黑色框是土壤鹽分由下層向上層、由膜內(nèi)向膜外依次遞減的區(qū)域。圖e為各處理水平方向距滴頭不同距離位置處土壤電導(dǎo)率的均值，S0是土壤初始電導(dǎo)率。

圖7 膜下滴灌土壤溫度剖面分布特征（D3）

不同滴灌制度下土壤溫度的差異以膜內(nèi)5 cm土壤溫度為例進(jìn)行分析。如圖8a所示，6月上旬至中旬玉米苗期地表裸露，膜內(nèi)土壤溫度在氣溫作用下持續(xù)升至最高。6月中旬以后，土壤溫度整體持續(xù)下降一方面是灌溉水水溫低（8～12 ℃）導(dǎo)致土壤溫度降低，另一方面是玉米葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）增大，逐漸覆蓋地面，地表陽(yáng)光輻射作用減弱[30]。土壤溫度15日滑動(dòng)平均結(jié)果表明：7月下旬前，D3處理表層5 cm土壤溫度最高，D4次之，D2土壤平均溫度在D3和D1之間波動(dòng)，D1土壤溫度最低（見(jiàn)圖8b）。這主要是由于6月上旬—7月下旬間D1、D2較D3灌水次數(shù)分別多了4次、2次，頻繁的灌溉導(dǎo)致土壤溫度降低，雖D3、D4灌水次數(shù)相同，但D3土壤平均含水率高于D4，土壤比熱容大有利于熱量的吸收和保持。因?yàn)?月上旬—8月上旬氣溫達(dá)到同期最高值，土壤較高的含水率有利于土壤白天吸熱、晚上保持土壤溫度，所以7月下旬—8月上旬土壤平均溫度D2最高，同時(shí)D4>D3>D1主要是受灌水影響的結(jié)果。8月中旬至9月下旬氣溫持續(xù)降低，土壤熱量散失，各處理土壤溫度趨于一致。因此，滴灌不同灌溉制度下土壤溫度的變化是氣溫、玉米LAI、灌水及土壤含水率共同作用的結(jié)果。劉洋等[31]研究發(fā)現(xiàn)玉米田有效積溫與玉米LAI關(guān)系密切，呈開(kāi)口向下的2次拋物線關(guān)系，在玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，有效積溫對(duì)促進(jìn)玉米生長(zhǎng)作用顯著。河套灌區(qū)屬于典型的寒旱灌區(qū)，玉米生育期前期面臨土壤積溫不足的問(wèn)題，所以，單就土壤溫度而言，河套灌區(qū)膜下滴灌玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段（即7月下旬前）應(yīng)控制灌水下限為-30 kPa。

2.3 滴灌制度-秋澆對(duì)土壤鹽分平衡的影響

膜下滴灌不同灌溉制度下0～100、0～60、0～40 cm土層總鹽分、膜內(nèi)、膜外生育期鹽分改變量，如圖9所示。由圖9可知，土層總鹽分及膜外鹽分生育期內(nèi)0～100、0～60、0～40 cm均是增加的。D1、D2、D3、D4處理總鹽量分別增加2 011.57、3 751.42、5 377.69、4 427.89 kg/hm2，鹽分增加總量分別占到了灌溉水引入土壤鹽分總量（D1、D2、D3、D4引入的鹽量分別為5 542.6、4 758.3、3 940.8、2 870.8 kg/hm2）的36.29%、78.84%、136.46%、154.24%，說(shuō)明控制膜下滴灌灌水下限為-10和-20 kPa，可有效淋濾0～100 cm土層的鹽分，而D3、D4土層鹽分增加量高于灌溉水引入土壤鹽分的原因可能是河套灌區(qū)5月末6月初在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下深層鹽分向上運(yùn)動(dòng)[32-33]，而灌溉水量較少未能有效淋濾的結(jié)果。D1、D2、D3、D4各處理0～100 cm膜外土壤鹽分增加量占鹽分總增加量的百分比分別為97.25%、78.30%、70.69%、57.34%，說(shuō)明在滴灌局部濕潤(rùn)和強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下，膜外土壤成為鹽分的“承泄區(qū)”，土壤基質(zhì)勢(shì)越高（D1最高），灌水越頻繁，灌溉水向膜外濕潤(rùn)范圍越大，越多的鹽分遷移到膜外。D1、D2、D3、D4處理0～60 cm土層鹽分分別增加1 718.18、2 461.88、2 339.47、2 909.59 kg/hm2，分別占0～100 cm土層鹽分總增加量的85.42%、65.63%、43.50%、65.71%，0～60 cm積鹽率最低的為D3。0～60 cm土層膜內(nèi)和膜外土壤鹽分都較播前增加，但膜外增加更加明顯，其鹽量增加量占總增加量的106.38%、78.50%、71.85%、81.19%。0～40 cm各處理土壤總鹽分分別增加821.76、1 095.48、489.85、1 898.88 kg/hm2，分別占0～100 cm土層鹽分總增加量的47.83%、44.50%、20.94%、65.27%，D3處理0～40 cm積鹽率最低，膜外增加量占0～40 cm總增加量的145.84%、93.46%、144.12%、102.53%。各處理0～40 cm膜內(nèi)土壤沒(méi)有明顯積鹽。不同灌溉制度下各土層鹽分平衡及膜內(nèi)膜外鹽分分配結(jié)果表明，膜下滴灌土壤鹽分水平方向由膜內(nèi)向膜外地表裸露區(qū)遷移，趨于膜外積累。

不同滴灌灌水下限及秋澆對(duì)整個(gè)土壤剖面及膜內(nèi)、膜外0～100 cm土層鹽分的影響見(jiàn)表2。秋澆前D1處理0～100 cm土壤鹽分不論整個(gè)剖面還是膜外均顯著小于其余3個(gè)處理（<0.05），說(shuō)明控制灌水下限為-10 kPa可有效淋濾0～100 cm 土層鹽分。秋澆前0～100 cm膜內(nèi)土壤鹽分D1、D2明顯低于D3、D4（<0.05），且D1、D2處理差異不顯著（>0.05），說(shuō)明生育期內(nèi)控制灌水下限為-10、-20 kPa可有效地淋濾0～100 cm膜內(nèi)土壤鹽分。但總體而言，生育期內(nèi)D1處理對(duì)鹽分淋洗效果最明顯，而D2、D3、D4處理對(duì)0～100 cm土層鹽分的影響差異性短期內(nèi)不明顯。秋澆后各處理間土壤電導(dǎo)率差異不顯著（>0.05），且土壤電導(dǎo)率變異系數(shù)較秋澆前均明顯降低，表明秋澆后鹽分分布更加均勻，這與土壤含鹽量越高淋濾效果越好有關(guān)[34]，各土層鹽分均降至非鹽漬化水平[35]。秋澆前后D1、D2、D3、D4處理0～100 cm的土壤電導(dǎo)率均值經(jīng)成對(duì)檢驗(yàn)，值均小于0.05，均值差異性顯著，秋澆后較秋澆前分別降低22.77%、10.86%、26.14%、12.59%。可見(jiàn)，D3處理下滴灌-秋澆洗鹽效果最佳。然而，河套灌區(qū)地下水埋深淺，凍融影響使鹽分的問(wèn)題更加復(fù)雜，如何合理有效地淋洗鹽分使次年不影響苗期作物且使長(zhǎng)年滴灌條件下土壤不至發(fā)生鹽漬化是河套灌區(qū)發(fā)展膜下滴灌面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，河套灌區(qū)膜下滴灌鹽分累積到何種程度秋澆及具體合理的秋澆制度有重要的研究?jī)r(jià)值，還需進(jìn)一步深入研究。

表2 滴灌灌水下限及秋澆對(duì)0～100 cm土層土壤鹽分的影響

2.4 滴灌制度對(duì)玉米產(chǎn)量品質(zhì)的影響

不同滴灌制度對(duì)玉米百粒質(zhì)量、禿尖、產(chǎn)量、品質(zhì)的影響如表3所示。D2處理禿尖最小，D2和D3處理百粒質(zhì)量最大，產(chǎn)量最高（分別為16 511.0和14 964.4 kg/hm2），與D1、D4產(chǎn)量差異性顯著，分別高16.03%、19.61%（<0.05）。由于品質(zhì)檢測(cè)使用各處理重復(fù)的混合樣，故未做顯著性分析?？傮w來(lái)看，D1、D2、D3、D4處理粗脂肪、粗淀粉、粗蛋白的總量分別占總產(chǎn)量的81.79%、75.82%、80.51%、88.69%，為11 638.7、12 518.3、12 047.4、12 243.3 kg/hm2，差別不大。

表3 不同滴灌制度下玉米產(chǎn)量品質(zhì)

3 討 論

秋澆洗鹽是為了滿足次年作物生長(zhǎng)的要求，因此，次年播種前后的土壤鹽分狀況是評(píng)價(jià)秋澆灌水制度優(yōu)劣的主要依據(jù)[24]。本研究以次年春播前土壤鹽分含量與秋澆前鹽分含量的差值來(lái)近似評(píng)估秋澆洗鹽的效果。秋澆鹽分的淋洗效果一是受秋澆定額的影響，秋澆定額越大，洗鹽效果越好[24]；二是受秋澆前地下水位埋深的影響，埋深愈大，秋澆愈能將鹽分淋洗至土壤深層，淋洗效果也愈好[36]。另外，凍融作用對(duì)秋澆土壤鹽分淋洗過(guò)程也有復(fù)雜的影響。在凍結(jié)期，由于凍結(jié)是一個(gè)自上而下逐漸進(jìn)行的過(guò)程，其間非飽和土壤的內(nèi)排水過(guò)程，會(huì)使得鹽分隨水分向下遷移，這在一定程度上抑制了凍結(jié)期地下水及其下層土壤中鹽分的上移。彭振陽(yáng)等[37]的研究表明，在土壤凍結(jié)期間，在凍結(jié)和排水的共同作用下凍結(jié)層儲(chǔ)鹽總量變化不大，凍結(jié)層返鹽率與地下水的排水排鹽條件是密切相關(guān)的，排水排鹽條件越好，田間儲(chǔ)鹽量減少越多，會(huì)使得凍結(jié)層返鹽率越低，甚至?xí)霈F(xiàn)脫鹽現(xiàn)象。在消融期，一般認(rèn)為在凍結(jié)層以下部分土壤水轉(zhuǎn)化為地下水，土壤處于排水過(guò)程，鹽分也會(huì)隨之淋洗，凍結(jié)層以上由于蒸發(fā)作用，表層會(huì)積鹽。因此，秋澆前至次年春播前土壤鹽分的變化是秋澆和凍融共同作用的結(jié)果。秋澆前至次年春播前，土壤水鹽的變化及運(yùn)動(dòng)規(guī)律受到多方面因素的影響，是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，還需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)河套灌區(qū)膜下滴灌不同灌溉制度生育期土壤水熱鹽效應(yīng)及非生育期洗鹽灌溉研究，有如下結(jié)論：

1）膜下滴灌鹽分隨水分定向遷移運(yùn)動(dòng)，不同滴灌制度下土壤鹽分剖面分布極不均勻，各處理鹽分均由膜內(nèi)向膜外地表裸露區(qū)定向遷移，趨于膜外地表積累?？刂乒嗨孪逓?10 kPa（D1處理）可有效淋濾0～100 cm土壤鹽分，而其他處理對(duì)0～100 cm土層鹽分的影響差異性短期內(nèi)不明顯，需要對(duì)不同處理長(zhǎng)期膜下滴灌的鹽分進(jìn)一步觀測(cè)研究。

2）膜下滴灌土壤溫度受氣溫、玉米葉面積指數(shù)、灌水及土壤含水率共同作用，膜內(nèi)表層土壤溫度在玉米需水旺季劇烈波動(dòng)，灌水后會(huì)劇烈下降，2～3 d后恢復(fù)。就土壤積溫而言，建議河套灌區(qū)膜下滴灌玉米抽雄期以前（即7月下旬前）控制灌水下限為-30 kPa。

3）非生育期洗鹽灌溉（秋澆）效果顯著，秋澆灌黃河水180 mm后，次年春播前0～100 cm土壤鹽分下降10.86%～26.14%，剖面分布較均勻，是干旱半干旱地區(qū)控制膜下滴灌土壤鹽分的有效途徑。

4）D2和D3處理百粒質(zhì)量最大，產(chǎn)量最高（分別為16 511.0和14 964.4 kg/hm2），與D1、D4產(chǎn)量差異性顯著（<0.05）。各處理粗脂肪、粗淀粉、粗蛋白含量差別不大。

5）河套灌區(qū)膜下滴灌土壤鹽分調(diào)控建議為生育期滴灌灌溉制度和非生育期洗鹽灌溉雙重調(diào)控，在一年一秋澆的條件下，玉米生育期膜下滴灌灌水下限宜以作物高產(chǎn)為目標(biāo)，玉米灌水下限可為-30 kPa。在多年秋澆的條件下，膜下滴灌鹽分累積到何種程度洗鹽灌溉及具體合理的膜下滴灌-秋澆洗鹽灌溉制度還需進(jìn)一步深入研究。

致謝：感謝武漢大學(xué)楊金忠教授、查元源副研究員及內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)李仙岳教授對(duì)論文初稿所提的寶貴修改意見(jiàn)。

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Water-heat-salt effects of mulched drip irrigation maize with different irrigation scheduling in Hetao Irrigation District

Sun Guanfang1,2, Qu Zhongyi1※, Du Bin3, Ren Zhongsheng1, Liu Anqi1

(1.010018,; 2.430072,; 3.750000,)

Along with the development of Northwest Water-saving and Benefit-increasing strategy in China, mulched drip irrigation is booming in Hetao Irrigation District because of its advantage in water saving and high production. However, soil salinization has been a potential risk factor in arid area, thus enough attention should be drawn in the management of soil salt. This research studied the influence of different mulched drip irrigation schedules (lower irrigation limits were-10,-20,-30 and-40 kPa, respectively) on water and salt profile distribution characteristics, soil temperature, maize production and quality. Moreover, the salt-leaching irrigation in non-crop growth period (i.e., autumn irrigation, which is a traditional irrigation custom in Hetao Irrigation District after crop was harvested in autumn to leach salt and store the water in soil for the next year) had also been investigated. The experiment was carried out in the year of 2014-2015. The irrigation quota for each treatment was 518.0, 444.7, 368.3 and 268.3 mm, respectively. The leaching irrigation amount was 180 mm. The soil samples were collected for moisture, salinity measurements. Soil temperature was also sequentially measured during the experiment. After harvest, the maize yield and quality were determined. The results showed that the distributions of soil water and salt profiles were uneven under different mulched drip irrigation schedules. Soil salt migrated from the central mulching soil to the bare field, tending to accumulate in surface soil layer outside the film during the mulched drip irrigation. Soil temperature was influenced by air temperature, leaf area index, irrigation practice and soil moisture comprehensively. Soil temperature dropped sharply after irrigation practice, and recovered 2-3 days later. The optimum accumulated soil temperature for the nutritive growth period of maize was-30 kPa. Salt accumulation at the depth of 0-40 cm inside the film in maize growth period was little for almost all the treatments. The treatment of-10 kPa could leach 0-100 cm soil salinity effectively, while influence of the other treatments on the 0-100 cm soil salt was not obvious in the short term, and long-term observation to study impact of different drip irrigation lower limit on soil salt is needed. The effect of salt-leaching irrigation with 180 mm Yellow River water in non-crop growth period was remarkable, and the soil salinity decreased by 10.86%-26.14% on average, resulting in a relatively uniform salt profile at 0-100 cm. A combination of irrigation schedule for water-saving and leaching irrigation in the non-crop growth period for salt-controlling was helpful to control the salt accumulation. The maize yield was highest in the treatment of-20 and-30 kPa. The yield was 16 511 and 14 964.4 kg/hm2, respectively. The quality of maize was similar for all the treatments. Considering soil moisture, temperature, salinity and maize yield, we suggested that the limit of soil suction to trigger irrigation was-30 kPa. However, due to the impacts of the frost-freeze phenomenon and particular hydrogeological condition in Hetao Irrigation District, the detailed leaching irrigation schedule to control soil salt induced by mulched drip irrigation need further investigation in the future.

soil moisture; temperature; salinity; Hetao Irrigation District; mulched drip irrigation; water-heat-salt; salt leaching; autumn irrigation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.019

S278

A

1002-6819(2017)-12-0144-9

2016-10-25

2017-04-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（51469020）；內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科技重大專項(xiàng)（[2014] 117）。

孫貫芳，男，河南三門(mén)峽人，博士生，主要研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉原理與新技術(shù)。呼和浩特 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，010018。Email：gfsun1990@126.com

屈忠義，男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉原理與技術(shù)方面的研究。呼和浩特 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，010018。Email：quzhongyi@imau.edu.cn

孫貫芳，屈忠義，杜 斌，任中生，劉安琪. 不同灌溉制度下河套灌區(qū)玉米膜下滴灌水熱鹽運(yùn)移規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(12)：144－152. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.019 http://www.tcsae.org

Sun Guanfang, Qu Zhongyi, Du Bin, Ren Zhongsheng, Liu Anqi. Water-heat-salt effects of mulched drip irrigation maize with different irrigation scheduling in Hetao Irrigation District[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 144－152. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.019 http://www.tcsae.org