咸水滴灌對(duì)土壤水鹽平衡和棉花生長(zhǎng)的影響

周 文，郭慧楠，閔 偉

（1新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師石河子市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，新疆 石河子 832003；2石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)系，新疆 石河子 832003）

0 引言

淡水資源不足是全球性問題，對(duì)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都是一個(gè)威脅，尤其是干旱地區(qū)。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展，對(duì)水資源尤其是淡水資源的需求量日益增加。同時(shí)，干旱地區(qū)地表水和地下水也普遍存在水質(zhì)鹽化趨勢(shì)[1]。世界上許多國(guó)家為解決淡水資源供需矛盾，已經(jīng)把地下水、灌區(qū)回歸水、劣質(zhì)水的開發(fā)利用作為彌補(bǔ)淡水資源短缺的一個(gè)重要途徑。許多地區(qū)為確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，常常被迫利用咸水進(jìn)行灌溉[2]。干旱地區(qū)應(yīng)用咸水或微咸水灌溉是無法回避的現(xiàn)實(shí)問題[3]。

我國(guó)是一個(gè)水資源相對(duì)匱乏的國(guó)家，并且新疆干旱區(qū)淡水資源極為短缺，但新疆干旱區(qū)地下咸水資源十分豐富，合理開發(fā)利用咸水、微咸水資源將成為解決淡水資源短缺的有效途徑之一[4，5]。棉花是新疆主要經(jīng)濟(jì)作物，在全國(guó)的種植面積、產(chǎn)量、單產(chǎn)均居首位，作為耐鹽作物，其耐鹽閾值為7.7dS·m-1，土壤鹽分超過這一閾值就會(huì)對(duì)棉花生長(zhǎng)和產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響。咸水灌溉會(huì)給土壤帶來大量的鹽分，影響土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而影響棉花的生長(zhǎng)和產(chǎn)量。此外，氮肥的合理施用會(huì)促進(jìn)棉花生長(zhǎng)和提高產(chǎn)量。目前關(guān)于咸水灌溉對(duì)土壤水鹽平衡的影響研究較少，因此，本研究針對(duì)新疆干旱區(qū)咸水資源利用的必然趨勢(shì)，探究咸水灌溉對(duì)棉田土壤水分和鹽分動(dòng)態(tài)變化，土壤貯水量、滲漏量和棉花蒸散量，鹽分平衡及棉花生物量和產(chǎn)量的影響，為膜下滴灌棉田水肥鹽協(xié)同管理提供依據(jù)，對(duì)干旱地區(qū)咸水資源的合理利用有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

本試驗(yàn)在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)站開展。試驗(yàn)區(qū)土壤類型為灌溉灰漠土，土壤耕層基礎(chǔ)理化性狀為：有機(jī)質(zhì)含量16.84g·kg-1，全氮1.08g·kg-1，速效磷25.86mg·kg-1，速效鉀253mg·kg-1，pH7.48，容重1.33g·cm-3，鹽度0.13dS·m-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參試棉花品種為新陸早33 號(hào)。設(shè)置三個(gè)灌溉水鹽度，每個(gè)灌溉水鹽度處理下設(shè)置兩個(gè)氮肥用量水平，其中三個(gè)灌溉水鹽度（ECw）分別為0.35dS·m-1（淡水）、4.61dS·m-1（微咸水）和8.04dS·m-1（咸水），分別用FW、BW 和SW 表示。試驗(yàn)中微咸水和咸水處理通過在淡水中加入等量的NaCl 和CaCl2（1:1 重量比）混合鹽獲得。兩個(gè)氮肥施用量（純N）分別為240 kg·hm-2和360kg·hm-2（分別用N240 和N360 表示），其中N360 為當(dāng)?shù)氐释扑]用量。各處理采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3 次重復(fù)，共18 個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積57.6m2（16m×3.6m）。采用30cm＋60cm＋30cm行距配制，株距10cm，滴頭間距30cm。

為監(jiān)測(cè)水分滲漏量和鹽分淋洗量，特設(shè)置微區(qū)試驗(yàn)。具體如下：在試驗(yàn)開始前（2009 年），每個(gè)處理內(nèi)埋設(shè)三個(gè)高100cm，直徑40cm的土柱。每個(gè)土柱內(nèi)種植4株棉花，由一個(gè)滴頭供水，土柱底部接排水管用于采集滲漏液。

試驗(yàn)于2009—2010年進(jìn)行，兩年的灌水量和施肥量相同。灌水從6 月上旬開始至8 月中旬結(jié)束，棉花全生育期共灌水9 次，全生育期灌水量為450mm。磷肥和鉀肥全部做基肥，在棉花播種前施入，用量分別為磷肥（P2O5）：105kg·hm-2，鉀肥（K2O）：60kg·hm-2。氮肥（尿素）全部用作追肥，在棉花生長(zhǎng)期間分5次隨水滴施。其它管理措施同當(dāng)?shù)厣a(chǎn)管理保持一致。

1.3 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定

土壤樣品的采集與測(cè)定：每個(gè)試驗(yàn)處理隨機(jī)選擇3個(gè)樣點(diǎn)，分別在棉花播種前、每次灌水前及棉花收獲后采集土壤樣品，采集深度為0～100cm，每20cm 一層，共5 層，分別測(cè)定土壤水分和鹽分。水分采用傳統(tǒng)烘干法測(cè)定，鹽分采用電導(dǎo)率儀測(cè)定（水土比為5:1）。

滲漏液的采集與測(cè)定：每次灌溉24h后，收集微區(qū)土壤的滲漏液，用量筒測(cè)定滲漏液體積，用來計(jì)算水分滲漏量；采用電導(dǎo)率儀測(cè)定滲漏液電導(dǎo)率，用來計(jì)算鹽分淋洗量。

棉花生物量和籽棉產(chǎn)量的測(cè)定：在吐絮期采集樣品，每個(gè)處理采集3株棉花，分為莖、葉、鈴三個(gè)部分，105℃殺青半小時(shí)，80℃烘干至恒重后稱重。棉花籽棉產(chǎn)量采用實(shí)收計(jì)產(chǎn)的方式測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與制圖

數(shù)據(jù)采用Excel 進(jìn)行制圖，數(shù)據(jù)分析采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件Tukey's法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量

通過兩年的試驗(yàn)可知（見圖1）：處理BW 和SW土壤含水量均高于FW。2010 年試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理FW土壤含水量最低，SW最高，BW次之，處理SW和BW土壤含水量分別較FW高20.00%和26.20%。結(jié)果表明處理BW 和SW 均會(huì)增加棉田土壤根區(qū)含水量，主要是由于高鹽度灌溉水降低了土壤水分的蒸散損失[6，7]。

圖1 不同處理0～1m土壤平均含水量的動(dòng)態(tài)變化Figure 1 Dynamics of the average soil water contents in 0～1m soil profile under different treatments

圖2 不同處理土壤0～1.0m平均鹽度的動(dòng)態(tài)變化Figure 2 Dynamics of the average soil salinity（EC1:5）in 0～1.0m under different treatments

土壤含水量也受到施氮量的影響。不同施氮量處理土壤含水量的分布趨勢(shì)相似（文中僅給出N360處理土壤水分的動(dòng)態(tài)變化）。隨著施氮量的增加，土壤含水量降低。2010 年試驗(yàn)結(jié)束后，處理N240 土壤含水量較N360 高2.43%。說明適當(dāng)增加氮肥用量可增加棉花對(duì)水分的吸收，提高棉田蒸散量，并能適當(dāng)促進(jìn)棉花生長(zhǎng)。

2.2 土壤鹽分

試驗(yàn)期間，處理BW和SW棉田土壤鹽度逐漸增加，但是處理FW土壤鹽度的變化幅度較小，始終維持在較低水平（見圖2）。第一年（2009年）試驗(yàn)結(jié)束后，處理BW 和SW 0～1m 土壤平均鹽度分別較FW增加112%和209%，2010 年，處理BW 和SW 土壤鹽度進(jìn)一步增加，分別較FW 增加157%和284%。這與Chen等[8]和Kang等[9]的研究結(jié)果一致。

施氮量對(duì)土壤鹽度的影響較小，處理N360土壤0～100cm平均鹽度兩年平均較N240增加3%（文中僅給出N360處理土壤電導(dǎo)率的動(dòng)態(tài)變化）。原因可能是由于適當(dāng)增加氮肥用量對(duì)棉花生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用，導(dǎo)致水分的蒸散損失增加，從而降低了水分對(duì)棉花根區(qū)鹽分向下層淋洗的比例。已有研究報(bào)道過量施用氮肥會(huì)導(dǎo)致土壤鹽度增加。Villa-Castorena 等[10]發(fā)現(xiàn)施氮量200kg·ha-1會(huì)導(dǎo)致作物生長(zhǎng)季末的土壤鹽分積累。

2.3 土壤貯水量、滲漏量和棉花蒸散量

由表1 可知：土壤凈貯水量隨灌溉水鹽度的增加而顯著提高，處理FW土壤凈貯水量最小，分別較BW和SW低59.31%和100.01%（兩年平均）；土壤凈貯水量隨施氮量的增加而顯著降低，具體表現(xiàn)為處理N240土壤凈貯水量最高，平均為-19.26mm，其次是N360，平均為-22.86mm。土壤水分滲漏量也隨灌溉水鹽度的增加而顯著增加，處理BW和SW水分滲漏量較FW 分別增加28.19%和78.84%（兩年平均）。施氮量對(duì)土壤水分滲漏量的影響具體表現(xiàn)為，處理N360 較N240 棉田土壤水分滲漏量降低6.51%（兩年平均）。棉花蒸散量隨灌溉水鹽度的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但隨施氮量的增加呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中處理FW 蒸散量最高，分別較BW 和SW 高2.87%和9.83%（兩年平均）。2009年處理N360蒸散量較N240 增加2.63%，2010 年為1.67%。Jiang 等[1]也認(rèn)為作物蒸散量隨著灌溉水鹽度的增加而降低。

2.4 鹽分平衡分析

由表2 可知：土壤初試含鹽量為6.12t·hm-2，兩年時(shí)間內(nèi)，各灌溉處理的鹽分投入量分別為，F(xiàn)W 2.02t·hm-2，BW 26.56t·hm-2，SW 46.3t·hm-2。增加灌溉水鹽度顯著增加棉花生育期內(nèi)土壤鹽分淋洗總量，具體表現(xiàn)為：處理FW 土壤鹽分淋洗總量最低，BW 和SW 分別較FW 高14 倍和32 倍。施氮量也顯著影響棉花生育期鹽分淋洗總量，具體表現(xiàn)為：棉花生育期內(nèi)鹽分淋洗總量隨氮肥施用量的增加呈降低趨勢(shì)，處理N240 鹽分淋洗總量較N360 高16.68%；交互作用的影響表現(xiàn)為：在處理SW 和BW中增加施氮量顯著降低棉花生育期內(nèi)土壤鹽分淋洗總量，但處理FW 中兩個(gè)施肥量之間無明顯差異?？傮w上，氮肥施用兩對(duì)棉花生育期內(nèi)鹽分淋洗總量的影響小于灌溉水鹽度。兩年試驗(yàn)結(jié)束后，灌溉水鹽度和施氮量對(duì)棉田土壤鹽分總殘留量和凈積累量受影響較為一致。具體表現(xiàn)為：土壤鹽分總殘留量和凈積累量隨灌溉水鹽度的增加顯著提高，但施氮量對(duì)其影響不顯著，處理BW和SW土壤鹽分總殘留量和凈積累量分別較FW 高2.35 倍和4.95倍、11.27 倍和19.96 倍。棉花非生育期內(nèi)同樣發(fā)生鹽分淋洗，鹽分淋洗總量?jī)H和灌溉水鹽度相關(guān)。原因是在棉花非生育期內(nèi)有降雨發(fā)生，同時(shí)冬季有大量降雪，降雪春季融化后會(huì)導(dǎo)致鹽分淋洗的發(fā)生。灌溉水鹽度越大，帶入土壤中的鹽分就越多，在棉花非生育期內(nèi)受降雨和降雪影響，處理SW和BW鹽分淋洗總量顯著高于FW，分別較FW 高21 倍和47倍。也有研究表明長(zhǎng)期咸水灌溉可能會(huì)出現(xiàn)積鹽的情況，對(duì)作物和土壤均存在潛在的威脅[11]。在本研究中，土壤鹽分積累起主導(dǎo)作用，因此，咸水不適宜作為本地區(qū)單一的灌溉水源，可以考慮作為補(bǔ)充替代水源，在一定范圍內(nèi)替代淡水資源。只有當(dāng)鹽分淋洗起主導(dǎo)作用時(shí)，才有利于咸水和微咸水的應(yīng)用。

表1 灌溉水鹽度和施氮量處理對(duì)棉田土壤貯水量、滲漏量和蒸散量的影響Table 1 Soil water storage，water drainage and evapotranspiration as affected by irrigation water salinity and N rate

表2 灌溉水鹽度和施氮量處理對(duì)根區(qū)土壤（0～1m）鹽分平衡的影響Table 2 Salt balance in the root zone（0～1m）as affected by irrigation water salinity and N rate

2.5 棉花生物量和產(chǎn)量

由表3 可知：2009 年（咸水灌溉第一年），處理BW 棉花生物量和產(chǎn)量最高，但和FW 間差異不顯著，處理SW 棉花生物量和產(chǎn)量最低；處理BW 和FW 棉花生物量和產(chǎn)量分別較SW 高25.72%、28.57%和19.56%、21.25%。2010 年（咸水灌溉第二年），處理FW棉花生物量和產(chǎn)量最高，但和BW間差異不顯著，SW 最低；處理FW 和BW 棉花生物量和產(chǎn)量分別較SW 高21.47%、21.02%和14.83%、16.65%。增加施氮量會(huì)顯著提高棉花生物量和產(chǎn)量，處理N360 棉花生物量和產(chǎn)量分別較N240 高17.55%和11.09%（兩年平均）。研究表明適度的微咸水灌溉對(duì)棉花生長(zhǎng)和籽棉產(chǎn)量無顯著影響，但是采用咸水灌溉會(huì)顯著抑制棉花生長(zhǎng)，降低籽棉產(chǎn)量。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)灌溉水鹽度對(duì)作物產(chǎn)量的影響效應(yīng)也開展了諸多研究，大量研究結(jié)果均表明增加灌溉水鹽度會(huì)降低作物產(chǎn)量[12，13]。但是也有研究發(fā)現(xiàn)并不是所有鹽度都對(duì)作物有害，因?yàn)樽魑锊煌望}性也不同，適當(dāng)?shù)柠}分還會(huì)促進(jìn)作物生長(zhǎng)[14]，但是超過作物的耐鹽閾值以后，作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量會(huì)明顯受到抑制。本研究中微咸水處理第一年棉花生物量和產(chǎn)量最高，試驗(yàn)第二年微咸水處理棉花生物量和產(chǎn)量雖與淡水處理差異不顯著，但呈降低趨勢(shì)。淡水和微咸水處理棉花生物量和籽棉產(chǎn)量均顯著高于咸水灌溉處理。說明微咸水灌溉土壤鹽分尚未達(dá)到棉花的耐鹽閾值，但是咸水灌溉下土壤鹽分超過棉花的耐鹽閾值，導(dǎo)致棉花生長(zhǎng)受抑制，產(chǎn)量降低。

表3 灌溉水鹽度和施氮量處理對(duì)棉花生物量和籽棉產(chǎn)量的影響Table 3 Effect of irrigation water salinity and N rate on biomass，N uptake and yield

3 小結(jié)

（1）微咸水和咸水灌溉顯著降低棉花蒸散量，增加根區(qū)土壤含水量和凈貯水量，導(dǎo)致水分滲漏量增加，這將會(huì)降低水肥利用率，增加地下水污染風(fēng)險(xiǎn)。微咸水和咸水灌溉造成根區(qū)土壤鹽分積累，隨著灌溉水鹽度和灌溉年份的增加，土壤鹽度也相應(yīng)增加，咸水灌溉土壤鹽分的積累尤為強(qiáng)烈；微咸水和咸水灌溉土壤鹽分總殘留量和凈積累量也較淡水灌溉顯著增加，所以持續(xù)進(jìn)行微咸水和咸水灌溉，鹽分的累積效應(yīng)明顯；微咸水和咸水灌溉土壤鹽分淋洗總量相對(duì)于淡水灌溉處理均顯著增加，在棉花生育期內(nèi)氮肥的施用顯著降低土壤鹽分淋洗量，但在棉花非生育期內(nèi)氮肥的施用對(duì)土壤鹽分淋洗量的影響不顯著。

（2）短期微咸水灌溉會(huì)促進(jìn)棉花生長(zhǎng)，棉花生物量和產(chǎn)量均較淡水有所提高，但差異不顯著；在本試驗(yàn)中，微咸水灌溉第二年籽棉產(chǎn)量與淡水灌溉相比差異雖不顯著，但卻呈下降趨勢(shì)，所以持續(xù)進(jìn)行微咸水灌溉會(huì)對(duì)棉花生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響。無論施氮量高低，咸水灌溉顯著降低棉花生物量和產(chǎn)量，因此，高鹽度咸水（ECw＞8dS·m-1）不適宜作為棉田的單一灌溉水源，但是可以作為補(bǔ)充水源來替代部分淡水，也可以采取咸水淡水輪灌的方式。