咸水灌溉對土壤理化性質(zhì)和棉花產(chǎn)量的影響

王澤林，楊廣*，王春霞，劉賽華，何新林，李發(fā)東，任富天，龍愛華

(1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; 2 中國科學院地理科學與資源研究所，北京，100101;3中國科學院大學，北京 100049)

目前，水資源已成為制約國民經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，國民經(jīng)濟的增長趨勢，直接依賴于水資源開發(fā)利用決策的優(yōu)劣，研究和采取有效措施解決日益短缺的水資源問題是水利可持續(xù)發(fā)展以及國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重大方略[1]。中國咸水資源儲量豐富，分布于地下的微咸水資源約200億m3/a，其中每年可供開采的為130億m3，且大部分分布在地下10～100 m范圍，宜于開采利用的潛力很大[2]。研究結(jié)果顯示，利用咸水、微咸水灌溉的關鍵是選擇恰當?shù)墓喔确绞絒3-4]；滴灌作為一種水分利用效率高的局部灌溉形式,大部分灌溉水通過植物的蒸騰作用而消耗[5]；在干旱高溫條件下土壤水分大量蒸散，引起土壤pH值升高，使土壤不斷堿化，棉花生長緩慢、生育期縮短，從而導致產(chǎn)量和品質(zhì)下降[6-7]。利用微咸水灌溉一方面增加了土壤濕度，降低土壤溶液的濃度及滲透壓，利于作物吸收水分，另一方面也增加了從灌溉水帶進土壤中的鹽分。吳忠東等研究結(jié)果表明，灌溉水的礦化度、灌溉次數(shù)及水量決定了土壤鹽分增加的多少[8]，另外，如果在當?shù)亻L期使用微咸水灌溉，應盡量采用3 g/L以下的微咸水，或采取措施調(diào)控土壤鹽分平衡狀況，避免因積鹽而影響作物的出苗率和正常生長[9];郭太龍等[10]對不同礦化度的微咸水垂直一維積水入滲的研究結(jié)果表明，在礦化度1～5 g/L范圍內(nèi)土壤積鹽量隨入滲水礦化度的增加而增大的幅度最大。

地下水和地表水中水化學組分的形成與其補給、徑流和排泄條件、賦存條件、周邊環(huán)境等多種因素有關，充分利用水化學資料可以揭示地下水和地表水的形成及循環(huán)規(guī)律[11]。利用Piper 三線圖、主要離子比值關系、同位素技術(shù)分析地下水水化學組成的時空分布特征及區(qū)域水化學類型及其形成的主要控制因素，有助于了解區(qū)域地下水循環(huán)過程[12]。長期灌溉微咸水會逐年降低土壤水初始入滲率，當灌溉水濃度達到某一臨界值時，鹽分在一定深度的土層內(nèi)聚集明顯增大，而且不同作物的灌溉水濃度臨界值不同[13]；另外，連續(xù)灌溉當?shù)販\層地下微咸水會使0～5 cm土層土壤質(zhì)量惡化程度較嚴重，需要采取土壤和生物措施、或通過灌溉技術(shù)控制其鹽及有害的鈉、氯等離子[14-15]。本文研究微咸水滴灌條件下不同礦化度水處理對棉花產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)的影響，從而為微咸水安全利用提供一定的科學依據(jù)。

1 實驗材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于新疆自治區(qū)瑪納斯河流域石河子大學節(jié)水灌溉試驗站,該試驗站地處新疆生產(chǎn)建設兵團第八師石河子市石河子大學農(nóng)試場二連。該地區(qū)平均海拔高度為400 m左右，屬于典型的干旱荒漠氣候；水資源匱乏，年降水量125.0～207.7 mm，且年內(nèi)分配不均，6—9月降水量占全年的55%～70%以上，年蒸發(fā)量1000～1500 mm，干旱指數(shù)為15～25；地下水位埋藏比較深，達9 m。該地區(qū)卻是典型的光熱資源優(yōu)越區(qū)，年均氣溫為7.9～8.7 ℃，大于0 ℃積溫為4023～4118 ℃，全年日照時數(shù)達2721～2818 h以上，無霜期168～171 d。

1.2 實驗方案

1.2.1 試驗設計及實施

試驗于2018年4月16日播種，采用測坑種植棉花進行試驗，棉花品種為農(nóng)豐133號，棉花測坑共15個測坑，采用2.05 m超寬膜機采棉配置，行距為40 cm+20 cm+80 cm+20 cm+40 cm，株距20 cm。棉花的測坑規(guī)格為2 m×2m×2 m，底部設30 cm反濾層，四周側(cè)壁進行防滲處理。供試土壤為中壤土，土壤平均容重為1.46 g/cm3，田間持水率為19.13%(質(zhì)量含水率)。灌水方式為滴灌，潛水泵加壓，滴頭流量為7.9～10.5 L/h，滴頭布置于距作物的基徑約5 cm處；灌溉水質(zhì)為微咸水與咸水，根據(jù)新疆準噶爾南緣莫索灣灌區(qū)地下水的主要組成成分，灌溉水溶液由人工配置而成，所配化學藥品NaHCO3、Na2SO4、NaCl、CaCl2、MgCl2的質(zhì)量比為1∶7∶8∶1∶1。對測坑棉花主要進行鹽分處理實驗，測坑棉花的灌溉水鹽分處理分別設5個處理，分別為1、3、6、9、12 g/L。棉花的灌水下限范圍為相對田間持水率的35%～45%，棉花的灌水上限為相對田間持水率80%。以上每個處理設3個重復。

棉花灌水設計如下：苗期到蕾期灌一次淡水；蕾期到花鈴期每8天灌一次微咸水或咸水，共灌3次水；花鈴期到吐絮期每7天灌一次微咸水或咸水，共灌7次水；吐絮期到收獲期停止灌水。每個測坑每次灌水量相同，每個測坑灌溉定額為320 m3/667 m2，灌溉棉花的肥料隨水滴施，打頂?shù)忍镩g管理措施隨試驗基地統(tǒng)一管理。試驗土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

1.2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測

(1)土壤含水率。灌水前一天取1 m深的土壤，從地表0 cm開始，每隔20 cm取一個，每個測坑取5個樣，全生育期共取12次樣，每次所取土樣采用烘干稱重法測得土壤含水率。

(2)土壤電導率(EC)。在灌水前一天取土樣，將土樣風干磨碎后用5 mm篩子篩，之后按照1∶5的水土比例配成懸濁液，震蕩均勻后過濾，靜置2 h后采用上海雷磁DDS-11 A電導率儀測土壤電導率(EC)。

(4)土壤pH。采用電位法利用酸度計、玻璃電極和pH復合電極測定土壤pH。以上測定均重復3次，取其平均值。

(5)棉花產(chǎn)量。在棉花采收前測定產(chǎn)量，統(tǒng)計各處理的棉花播種面積和收獲量，并計算單位面積產(chǎn)量。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel2018整理數(shù)據(jù)，應用Origin畫圖軟件并運用舒卡列夫分類和Piper三線圖等方法處理、分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率的變化及分析

土壤水分是影響棉花生理生長的重要因素，土壤水分的動態(tài)變化影響著棉花的正常生長，土壤的水分越充足，越有利于棉花的生理生長，同時，外在環(huán)境的日照輻射、水分蒸發(fā)、自然降雨和人為灌溉方式等都會對棉花的生理生長產(chǎn)生重要的影響。

由圖1可以看出：

(1)棉花0～100 cm土體含水率呈現(xiàn)不同程度的波動，0～20 cm土層水分波動主要是灌水后強烈的棵間蒸發(fā)導致，且棉花都是幼苗，冠層覆蓋度小，土面蒸發(fā)強度大，導致水分劇烈變化。在20～80 cm土層，棉花耗水劇烈，水分變化突出，說明棉花根系分布主要在這一土層，所以灌水濕潤層應該在土壤80 cm之內(nèi)，但是由于中壤土容易滲漏，考慮灌溉到100 cm左右的土層比較符合實際需要，這樣既可滿足棉花的正常需水，又能使水分充分合理利用。

(2)不同處理下棉花的土壤含水率隨時間變化過程基本一致，在棉花生長的中后期土壤含水率隨礦化度的增大呈增加趨勢，含水率大小順序為12 g/L處理>9 g/L處理>6 g/L處理>3 g/L和1 g/L處理?？梢?，在不同礦化度處理下，灌水礦化度12、9、6 g/L對棉花根系吸水的影響更嚴重，導致部分水留在土壤中不能被吸收利用，而灌水礦化度3 g/L有利于棉花吸收土壤水分。分析其原因主要是，微咸水和咸水灌溉帶入的鹽分使土壤水勢降低，對棉花造成鹽分脅迫，從而影響棉花對土壤水分的吸收。

(3)土壤剖面表層(0～20 cm含水率)低，中間層(20～80 cm)含水率較高，底層(80～100 cm)含水率較低。分析其原因主要是，由于日照強烈，蒸發(fā)強度大，土壤水分散失速度較快，表層土壤保水性差，水分易于蒸發(fā)和入滲，所以含水率低；中間土壤為壤土層，灌溉的水多存儲于中間層，保水性好；底層土壤為壤土層，在棉花生育期內(nèi)只有灌溉量較大時灌溉水才能補給到該層，該層土壤含水率略低于中間層。

(4)當?shù)V化度低于6 g/L時，土壤積累的鹽分不會對棉花吸收水分產(chǎn)生嚴重影響，同時適宜的含水率應在10%～20%。

圖1 不同礦化度處理下不同土層棉花土壤水分動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of soil moisture in cotton under different salinity treatments

2.2 土壤電導率(EC)的變化及分析

土壤電導率是土壤中水溶性鹽的指標，與土壤全鹽含量相比土壤電導率更準確。不同礦化度處理條件下棉花生育期內(nèi)土壤電導率值分布見圖2。

由圖2可知:灌溉微咸水和咸水會導致土壤鹽分的積累,特別是表層0～20 cm土壤最為明顯，其土壤的含鹽度較高，土壤電導率(EC)值范圍在0.30～2.1 ms/cm之間，接近或超過1.5 ms/cm的比較普遍。

在播前，各處理0～100 cm土層土壤電導率值在0.3～1.19 ms/cm，各處理間的電導率值變化規(guī)律基本一致。

進入苗期，各處理土壤電導率值較播前增加，其中，1、3、6、9、12 g/L處理0～20 cm土壤電導率分別為0.31、0.62、0.45、0.69、0.54 ms/cm，各處理0～100 cm土層內(nèi)，土壤電導率值隨土壤深度的增加呈增加趨勢。分析其原因主要是，棉花在苗期灌淡水，灌溉的水量將灌溉水中的鹽分淋洗到作物耕層以外。

進入蕾期，各處理0～100 cm土壤電導率變化曲線隨深度呈“單峰曲線”型，1、3、6、9、12 g/L處理0～20 cm土層電導率值最高，土壤電導率值分別為 0.91、1.52、1.68、1.75和1.93 ms/cm；60～80 cm土層電導率值最低，分別為 0.53、0.38、0.72、0.71和0.34 ms/cm，表明在微咸水灌水作用下，各處理在0～20 cm土層發(fā)生積鹽現(xiàn)象，在60～80 cm土層內(nèi)發(fā)生脫鹽現(xiàn)象。

進入花鈴期，各處理均呈現(xiàn)表層土壤電導率值逐漸增加、深層土壤電導率值逐漸降低趨勢，且處理間0～100 cm土壤電導率值差異較蕾期明顯。

在吐絮期，各處理土壤電導率在微咸水灌水的作用下，較前期土壤電導率值有所增加。其中在0～20 cm土層發(fā)生積鹽現(xiàn)象，1、3、6、9、12 g/L處理土壤電導率值分別為 1.3、1.72、2.01、2.1和2.38 ms/cm。

上述結(jié)果表明：在不同礦化度水灌溉條件下，0～20 cm土壤處于積鹽狀態(tài)，20～100 cm土層積鹽較小，通過降雨和淡水灌溉淋洗，可使棉花根區(qū)土壤的鹽分保持在安全限度內(nèi)。

2.3 土壤八大離子的變化及分析

各處理棉花生育期0～20 cm土壤八大離子變化如圖3所示。

由圖3可知：

2.4 不同礦化度處理下土壤溶液水化學特征的變化及分析

圖4 不同礦化度處理土壤溶液piper三線圖Fig.4 Piper plot of soil solution with different salinity

2.5 土壤pH的變化及分析

各處理棉花生育期土壤pH變化如圖5所示。由圖5可知：在棉花整個生育期內(nèi)，土壤pH值呈單峰曲線型變化，在蕾期達到最大值，在1、3、6、9、12 g/L處理下土壤pH值分別為8.435、8.57、8.85、8.93和8.95。分析其原因是，由于灌水的增加導致鹽分隨灌水移動，微咸水中的Na+主要富集在滴頭附近，而Mg2+和Ca2+被優(yōu)先淋洗到濕潤體邊緣，經(jīng)過一系列的化學反應改變了遠離滴頭邊緣土壤的堿性，使得堿度在花鈴期和吐絮期明顯降低。

圖5 棉花不同生育期土壤pH值Fig.5 Soil pH value at different growing stages of cotton

2.6 棉花產(chǎn)量的變化及分析

微咸水礦化度為或低于3 g/L，且在棉花盛花期前滴灌，棉田土壤含鹽量不會顯著增加，對棉花產(chǎn)量也無顯著影響[18]。當灌溉微咸水礦化度低于3 g/L時，作物產(chǎn)量無顯著變化，而大于3 g/L時，土壤的入滲能力減小，脫鹽效果降低，鹽分在土壤表層積累后，不利于土壤水分的蒸發(fā)，而鹽分在土壤不斷積累，抑制棉花根系對水分和養(yǎng)分的吸收，導致產(chǎn)量降低[19-21]。

圖6 棉花產(chǎn)量變化Fig.6 Changes in cotton yield

3 結(jié)論

(1)當?shù)V化度低于6 g/L時，土壤積累的鹽分不會對棉花吸收水分產(chǎn)生嚴重影響；適宜的土壤含水率為10%～20%；在不同礦化度水灌溉條件下，0～20 cm土壤處于積鹽狀態(tài)，20～100 cm土層積鹽較小，通過降雨和淡水灌洗可使棉花根區(qū)土壤的鹽分保持平衡。

(3)當離子含量積累到一定程度時將導致土壤的堿化，從而影響土壤的入滲和傳導能力，影響棉花的正常生長，最終導致棉花產(chǎn)量的下降。

(4)在棉花蕾期、花鈴期和吐絮期,土壤pH值隨礦化度的增大而增大。

(5)棉花產(chǎn)量隨灌水礦化度的增加而減??；用較低礦化度的微咸水灌溉棉花，對棉花的生長具有一定的促進作用，綜合各種因素0～6 g/L是微咸水灌溉棉花適宜的礦化度。