水分調(diào)控對機采棉土壤水鹽運移的影響

白 蒙，呂廷波*，徐 強，王東旺，王澤林，牛靖冉

(1.石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000)

【研究背景】新疆屬于大陸干旱氣候，適宜于農(nóng)作物的生長，但該區(qū)降水稀少，蒸發(fā)強烈，境內(nèi)土壤鹽堿程度高且分布廣泛，水資源極其短缺。棉花是新疆地區(qū)最主要的經(jīng)濟作物之一。隨著新疆棉花生產(chǎn)機械化程度的不斷提升，新型的機采棉種植模式在新疆范圍內(nèi)開始大面積推廣。截止2018年，新疆地區(qū)棉花加工產(chǎn)量累計達到465萬噸，其中，按照棉花采摘類型來區(qū)分，機械采摘占比為47.6 %，人工采摘占比52.4 %，與2017年相比，機采棉占比增加了11.9個百分點。隨著植棉成本費用的不斷升高，尤其是勞動力成本的大幅度上升，機采棉成為推進新疆棉花產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、提高農(nóng)業(yè)機械化水平的必然選擇[1]。【前人研究進展】棉花屬于耐旱植物，過多的土壤水分會導致土壤環(huán)境惡化，不利于土壤呼吸，從而棉花根系吸水吸肥，同時過多的灌溉會導致根層養(yǎng)分淋洗，過少的水分又無法滿足作物的正常發(fā)育。因此，適宜的水分對棉花生長發(fā)育具有重要作用。針對新疆地區(qū)，既要很好的灌溉又要達到洗鹽效果，實現(xiàn)高效用水，促進棉花節(jié)水增產(chǎn)，國內(nèi)外學者進行了廣泛研究。蘇里坦等[2]對灌溉定額的研究表明，隨著灌溉定額的增加，土壤鹽分峰值呈現(xiàn)下移趨勢。王峰等[3]發(fā)現(xiàn)，增大灌水定額有助于棉花根區(qū)鹽分在水平方向的淋洗。王全九等[4]認為土壤水分是鹽分運移的載體，即“鹽隨水動”，在重力勢能作用下鹽分由水分帶動向土壤深處移動，最后積聚在濕潤鋒的邊緣處形成高鹽區(qū)。薛萬來等[5]認為膜下滴灌作物種植模式和滴灌帶布設的改變會使棉田土壤中水分和鹽分的分布發(fā)生改變。新疆地區(qū)近年來機采棉在大面積推廣，機采棉種植產(chǎn)業(yè)帶來了很大的優(yōu)勢的同時，對于傳統(tǒng)種植模式又是一次完全的顛覆，機采棉種植采用超寬間距種植模式?！緮M解決的關鍵問題】眾多學者對于棉田水鹽問題的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，但是種植模式及灌水方式直接決定濕潤鋒范圍和形狀[6]，從而影響到土壤水鹽空間分布和作物的需水規(guī)律，而在機采棉新型種植模式下其相應的土壤水鹽運移規(guī)律還未進行充分的研究。本研究擬通過田間小區(qū)試驗，重點分析不同水分處理對機采棉種植模式下棉田根區(qū)土壤水鹽分布、棉花產(chǎn)量和水分利用效率的影響，綜合考慮產(chǎn)量和水分利用效率探索鹽堿棉田機采棉適宜的灌溉制度。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間試驗于2018年4-10月棉花生育期內(nèi)在石河子大學現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室試驗基(E 85°59′47″，N 44°19′28″，海拔327 m)進行，試驗區(qū)位于新疆石河子市郊區(qū)石河子大學農(nóng)試場二連。 試驗點區(qū)處天山北麓中段準噶爾盆地西南緣，屬溫帶大陸性干旱氣候。年平均日照時間達2865 h，大于10 ℃積溫為3463.5 ℃，大于15 ℃積溫為2960.0 ℃，無霜期達到170 d，年平均降雨量約為20 mm，平均蒸發(fā)量1660 mm，試驗地地下水埋深大于8 m，試驗田土壤基本理化性狀如表1所示。

1.2 試驗設計

試驗將棉花生育期劃分為苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期共4個生育階段，參考文獻[7]研究成果，膜下滴灌使土壤含水率保持到相對田間持水量水平的60 %～80 %就可滿足棉花較理想的耗水需求。本試驗在棉花蕾期和花鈴期設置3個水分處理(表2)，苗期和吐絮期不灌水。

試驗小區(qū)為規(guī)格2 m×2 m的測坑，小區(qū)各處埋設有防止水分養(yǎng)分側移的防滲板。機采棉種植模式，行距配置為10 cm-66 cm-10 cm-66 cm-10 cm，2.05 m超寬膜覆蓋，株距10 cm。采用膜下滴灌系統(tǒng)，滴灌帶布設：1膜3管(滴灌帶中管布設于兩小行棉花中間，另外兩邊行均向中行偏移10 cm)，毛管為單翼迷宮式滴灌帶，滴頭間距30 cm，滴頭設計流量2.6 L/h。 采用當?shù)貦C采棉主栽品種，播種開始于2018年4月中旬，采用“干播濕出”方式，從10月中旬進行收獲采摘。在棉花蕾期和花鈴期分4次追施 400 kg·hm-2棉花專用肥(N∶P2O5∶K2O=15∶30∶6)。除灌水外，各處理農(nóng)藝措施均參照當?shù)貙嶋H進行。

表1 不同土層深度土壤容重及田間持水率

表2 實驗灌水下限設計

圖1 滴灌帶布置形式及土壤水鹽取樣點Fig.1 Drip irrigation tape layout and soil water and salt sampling points

1.3 測定項目與方法

(1)土樣測取點：灌水前后間隔1 d分別在棉行花窄行和寬行間各取一個位置點，分層(每10 cm一層)觀測0～100 cm土層的土壤含水率和土壤鹽分質量百分比，全生育期共取10次土樣。

(2)土壤含水量: 采用烘干稱重法。

(3)土壤含鹽量: 將測取的土樣進行風干磨碎過篩，按照水土比(5∶1)配成浸提液，震蕩靜置過濾，采用蒸干稱重法得到土壤含鹽量。

(4)棉花產(chǎn)量：共進行3次棉花采摘，并測定好試驗小區(qū)及對應棉鈴數(shù)、鈴重和棉花產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所得試驗數(shù)據(jù)使用SPSS20.0和 Origin9.0來進行對比分析。

2 結果與分析

2.1 不同水分處理機采棉全生育期土壤水分動態(tài)變化

如圖2所示，全生育期土壤含水率變化呈現(xiàn)出隨著時間推移逐漸升高再下降的規(guī)律性，原因為：播種和苗期不做灌水計劃，僅靠播前降水補充土壤水分，故初期含水量較低。進入蕾期和花鈴期開始人為灌水補給，隨著花鈴期灌水周期縮短，灌溉水在保證作物根系吸水的同時，補充了根區(qū)土壤水貯水。在棉花生育前期，棉花生長發(fā)育緩慢，降雨相對較少，表層土壤蒸發(fā)量小，故不同水分處理下土壤質量含水率變化趨勢基本一致，質量含水率差異不大。在生育中后期，棉花植株生長發(fā)育加快，灌溉水量不同，蒸散量加劇，故不同水分處理質量含水率存在明顯不同。灌水定額為W3>W2>W1,灌水次數(shù)為W1>W2>W3,因為土層0～60 cm深度范圍為棉花的主要根系生長區(qū)，故以0～60 cm深度范圍的棉株根系區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進行分析。整體全生育期W1、W2、W3處理寬行土壤平均含水率分別為12.74 %、11.36 %和10.60 %，全生育期內(nèi)最大值與最小值相差可達20.2 %。窄行土壤平均含水率分別為12.08 %、11.37 %和10.77 %，其中最小值與最大值相差12.2 %。不同變量灌溉處理下，整個生育期平均含水率對比明顯，表明設置的3種水分下限調(diào)控試驗差異顯著，對作物生長情況和土壤水分吸收影響巨大。

W1處理的根系區(qū)域寬行土壤平均含水率為12.74 %，占據(jù)到田間持水量的71.4 %，窄行間平均值是12.08 %，田間持水量占比為67.3 %。W1處理次灌水定額較低，但灌水頻率較高，在花鈴期時達到約為3 d的灌溉頻率，使得棉株根系區(qū)土層始終保持到了一種水分充盈的生長環(huán)境，出現(xiàn)了水分脅迫問題，不利于作物的長期生長。W2寬、窄行的相對田間持水量為53.8 %和53.9 %，濕潤鋒豎直范圍比W1有所減小，但基本可以覆蓋住10～50 cm主根范圍內(nèi)，可以有效地將鹽分淋驅出該區(qū)域，也不會造成多余的水資源浪費。W1處理是低頻高水的灌水制度，寬窄相對田間持水量為50.1 %和51.0 %。雖然每次灌水都會使得地表積水范圍很大，在水平和豎直方向上都浸潤距離范圍廣，但8 d的灌溉間隔，特別還是在花鈴期溫度炙熱光照強烈時間段內(nèi)，灌溉水補充不及時并會很快消耗殆盡，同時蒸騰蒸發(fā)作用強烈，隨著時間推移會將當時大水量灌溉淋洗下移的鹽分再次帶回根系區(qū)。前文提到，花鈴期土壤含水率能達到相對田間持水率的60 %～80 %可滿足棉花生長需求[8-9]。對比圖2發(fā)現(xiàn)，各處理下寬行0～60 cm根系層的土壤平均質量含水率分別為11.48 %、13.44 %、15.33 %；相對田間持水量分別為54.05 %、63.28 %、72.18 %；各處理下窄行0～60 cm根系層的土壤平均質量含水率分別為12.15 %、13.09 %、15.08 %；相對田間持水量分別為57.20 %、61.63 %、71.99 %。W2、W3處理可以使機采棉在花鈴期保持較高含水率，可達到60 %～80 %的占比，可滿足作物生長要求，W1處理的30～50 cm處相對田間持水量降到僅為39.4 %，主根區(qū)明顯出現(xiàn)水分虧缺現(xiàn)象，W3出現(xiàn)了一定程度的水分脅迫現(xiàn)象，無論是棉花極度需水的花鈴期內(nèi)水分供給不充分還是水分脅迫均勢必會抑制棉株生殖發(fā)育，從而造成最后的減產(chǎn)。

A.各處理0～60 cm寬行土壤含水率動態(tài)變化;B.各處理0～60 cm窄行土壤含水率動態(tài)變化A.Dynamic change of soil moisture content in 0-60 cm wide rows;B.Dynamic change of soil moisture content in 0-60 cm narrow rows圖2 各處理土壤含水率動態(tài)變化Fig.2 Dynamic change of soil moisture content in each treatment

2.2 不同水分處理全生育期土壤含鹽量動態(tài)變化

由圖3可知，不同水分處理土壤含鹽量分布差異性明顯，縱觀整個生育期發(fā)現(xiàn)，根系區(qū)的土壤含鹽量隨著時間推移的動態(tài)變化趨勢為含鹽量先升高然后降低，最后再升高的特征。對生育期土壤含鹽量分布變化進行分析可知：在種植初期，即到苗期沒有灌溉的水分補充，而之前融化在淺層土壤中的雪雨水分又在地表蒸發(fā)作用下將土壤鹽分返歸到地表層，故起始階段會出現(xiàn)一定程度的表層積鹽情況；當生長到蕾期，隨著灌溉水分的補充，并且隨水滴肥，淺層土壤含鹽量開始出現(xiàn)波動變化；進入花鈴期，隨著灌水次數(shù)的提高，灌溉定額的加大，發(fā)現(xiàn)鹽分含量降低，這是因為土壤鹽分尤其是是處于表層的得到充分的淋洗，將鹽分驅趕到了深層土壤位置。值得一提，花鈴前期比后期淺層土壤含鹽量要略高于后期，可能由于花鈴前期日照時長、強度大，致使土壤蒸發(fā)作用更加強烈；最后的吐絮期，灌水終止和降雨量稀少，在蒸發(fā)和蒸騰作用下鹽分含量出現(xiàn)上漲。3種水分處理下，全生育期內(nèi)寬行土壤平均含鹽量為1.39 %、1.11 %和1.17 %，窄行數(shù)據(jù)為1.87 %、1.78 %和1.88 %?；ㄢ徠谳^初始鹽分比較下，脫鹽率效果為W3(40.2 %)>W2(29.4 %)>W1(27.1 %)。W3灌水定額大，對于土壤鹽分淋洗充分，基本可將其驅逐至60 cm深度以下。W1灌水量偏小致使洗鹽效果相比之下有所欠缺，主要因為低水量在土壤中下滲深度有限，在高溫強光的自然環(huán)境條件下，水分多數(shù)被蒸發(fā)蒸騰作用下消耗掉，鹽隨水動而上移，致使脫鹽效果最差。

使用滴灌系統(tǒng)，由于滴頭范圍處水流的水平擴散和不斷的豎直下滲，土壤內(nèi)鹽分在水分帶動下會出現(xiàn)定向分布[10]。不同灌溉制度對土壤鹽分動態(tài)變化影響不同[11]。窄行與寬行吐絮期較播種時的棉花根層土壤平均鹽分呈不同變化趨勢[12]，寬行0～60 cm土層鹽分含量相比開始時減小了9.98 %～37.19 %，窄行0～60 cm土層鹽分含量卻比初始值減小了15.24 %～48.27 %，首先薄膜覆蓋有效抑制了地表蒸發(fā)，同時窄行處于滴頭濕潤體位置，使得土壤鹽分直接被灌溉水驅動下移；寬行由于距離較遠，直接受灌水影響相對較小，鹽分驅迫效果有所欠缺。寬行棉花根系層土壤含鹽率減少，主要是由于土壤濕潤鋒的推移，使得表層土壤鹽分以滴頭為中心以橢圓形向土壤深層和窄行淋洗[13]，而窄行含水率相對較低，由于新疆陽光蒸發(fā)強烈，鹽隨水動，從而使下層的鹽分隨水分的蒸發(fā)而上移，從而在上層土壤中出現(xiàn)了積鹽問題。0～60 cm淺層土壤含鹽率表現(xiàn)為減少。

2.3 不同水分處理對機采棉產(chǎn)量的影響

棉花的鈴數(shù)，單鈴重均為影響棉花產(chǎn)量的重要指標，對棉花單鈴重、產(chǎn)量和水分利用效率等指標的分析結果表明，產(chǎn)量及產(chǎn)量構成指標均在灌水處理間的差異達到的顯著水平，單株鈴數(shù)與單鈴重的影響程度體現(xiàn)出了一致性的變化規(guī)律：W2>W1>W3，W2處理單株棉鈴數(shù)與W1、W3處理相比分別高出7.96 %和11.55 %；W2處理單鈴重量與W1、W3處理相比分別高出1.97 %、3.28 %。

A.各處理0～60 cm寬行土壤含鹽量動態(tài)變化;B.各處理0～60 cm窄行土壤含鹽量動態(tài)變化A.Dynamic variation of soil salinity in 0-60 cm of wide rows;B.Dynamic variation of soil salinity in 0-60 cm of narrow rows圖3 各處理土壤含鹽量動態(tài)變化Fig.3 Dynamic change of soil salinity in each treatment

W2處理產(chǎn)量與W1和W3處理相比分別提高12.07 %和23.31 %；水分利用效率取決于產(chǎn)量和耗水量，花鈴期不同灌水下限處理表明W2處理具有最高的水分利用效率WUE=Y/ETc，達到1.30 kg·m-3，由于W2控制的灌溉定額與灌水頻率能較好的淋洗根區(qū)鹽分，并能與作物的耗水情況相較為一致，故利于棉花生長，產(chǎn)量達到最大值；W1處理僅為1.07 kg·m-3，W3處理為1.11 kg·m-3。

根據(jù)結果，W2處理的根區(qū)水鹽情況較利于棉花生長，全生育期保墑、脫鹽效果好，棉花長勢理想，果節(jié)棉桃多，其棉花產(chǎn)量及水分利用效率均為最高。

3 討 論

基于灌水下限目標指定的灌水制度，各處理間次灌水量和灌溉頻率均有所不同，從而導致各處理不同生育期的土壤含水率和土壤含鹽量不一致[14]，本試驗中不同灌水下限處理在各生育期間的土壤水分分布特征和根系土層控鹽效果均表現(xiàn)出較大的差異性。寬行棉花根系層土壤含鹽率減少，主要是由于土壤濕潤鋒的推移，使得表層土壤鹽分以滴頭為中心以橢圓形向土壤深層和窄行淋洗[15]，而窄行含水率相對較低，由于新疆陽光蒸發(fā)強烈，鹽隨水動，從而使下層的鹽分隨水分的蒸發(fā)而上移，從而在上層土壤中出現(xiàn)了積鹽問題。0～60 cm淺層土壤含鹽率表現(xiàn)為減少，主根區(qū)土壤平均含鹽量脫鹽程度與灌溉定額呈顯著正相關關系。各處理土壤脫鹽程度均隨著灌溉定額的增大而增加，這與王振華等[16]的研究相一致。

灌水量過多或過少均會造成棉花產(chǎn)量的降低[17-18]。這與周歡等[19]的研究結果相吻合。高灌溉定額引起產(chǎn)量降低的首要原因是由于過量的水分投入在淋洗大量鹽分的同時，易造成土壤肥料的流失，引起土壤肥力的降低，使得棉花產(chǎn)量降低。通過對比產(chǎn)量和水分利用系數(shù)，得到由下限為70 %調(diào)控灌溉定額為30 mm的情況下為最適宜棉花的灌水方式，與申孝軍等[20]得到試驗結論完全一致。岳晶晶等[21]指出花鈴前期為作物水分最敏感時期，如果棉田缺水則會最大程度影響到棉花產(chǎn)量，綜合權衡下認為保持在田間持水率70 %～75 %為適宜的灌水下限，本試驗中W2(70 %下限處理)相較缺水灌水處理，棉田產(chǎn)量大幅度提升，增幅可達30.39 %。

表3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構成

4 結 論

(1)灌水下限決定著次灌水定額和灌水次數(shù)，不同水分下限調(diào)控對土壤含水量影響較大，與W3低水相比，W1高水和W2中水使棉花生長范圍內(nèi)的土壤含水率基本保持到相對田間持水量水平的60 %左右，未形成水分脅迫。

(2)灌溉策略的差異同樣對土壤含鹽量和洗鹽效果影響明顯。經(jīng)過灌水前后的鹽分比對，在倡導節(jié)水的前提下，W2可以滿足根系土層區(qū)達到較為明顯的淡化脫鹽效果。

(3)不同水分調(diào)控下棉花產(chǎn)量和水分利用效率也出現(xiàn)了一定差異性。根據(jù)產(chǎn)量和水分利用效率數(shù)據(jù)結果，W2的產(chǎn)量和利用效率分別為5482.38和1.30 kg·m-3，均為最高值。

綜上所述，W2(蕾期下限為60 %，花鈴期下限為70 %)處理棉花生育期內(nèi)水分生長環(huán)境理想，滿足土壤鹽分的淋洗及返鹽維持動態(tài)平衡效果，實現(xiàn)了節(jié)水抑鹽，同時也相應提高了水分利用效率與經(jīng)濟產(chǎn)量。