定期冬灌對北疆不同土質(zhì)棉田水鹽分布及產(chǎn)量的影響

馮進(jìn)平，劉洪光，曹明海，白振濤，李智杰

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院/現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000)

新疆屬于典型干旱區(qū)，水資源匱乏，氣候干旱，土壤中原生鹽堿多[1]，新疆獨(dú)特的氣候條件和豐富的天然鹽源，使得新疆鹽堿土面積分布廣，鹽堿化強(qiáng)度高[2]。新疆鹽堿土總面積847萬hm2，鹽堿化耕地面積30%以上[3],水資源短缺和土壤鹽堿化始終是新疆綠洲灌溉農(nóng)業(yè)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重大威脅[2]。針對以上氣候特點(diǎn)，新疆發(fā)明了膜下滴灌技術(shù)[4],膜下滴灌種植面積最初為1.67 hm2，截至2019年已超過333.5萬hm2，并取得了顯著的節(jié)水和經(jīng)濟(jì)效益[5]。滴灌可為作物創(chuàng)造良好的水鹽環(huán)境，但膜下滴灌僅調(diào)節(jié)土壤鹽分，生育期頻繁灌水會使鹽分累積到根系層[6];另外，灌溉管理粗放和夏季蒸發(fā)強(qiáng)烈等綜合因素致使土壤鹽漬化加劇[7]。

新疆干旱少雨，土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，易造成土壤鹽分表聚[6]和鹽漬化的威脅[8]。滴灌產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時，棉田鹽分始終是值得探討的問題[9]。滴灌的特點(diǎn)如下：高頻率(2～3 d灌水1次)的滴灌可抑制作物根區(qū)鹽分[10]；加大灌水量可抑制土壤反鹽[11]。長期膜下滴灌棉田鹽分隨著滴灌年限增加而累積[12]，但李明思等[1]、王振華等[2]通過研究認(rèn)為膜下滴灌技術(shù)不會導(dǎo)致積鹽問題，另外，孫貴芳等[8]研究表明地膜覆蓋可避免棉田鹽分聚集。

生育期使用膜下滴灌結(jié)合非生育期冬灌，淋洗鹽分效果明顯，同時也顯著改善土壤水熱狀況，抑制凍融過程中鹽分累積[13]；還有以地下滴灌[14]和滴灌[15]分別進(jìn)行冬灌，并取得較好的效果。鹽堿化受多重因素的綜合影響[13]，鹽堿化規(guī)律復(fù)雜。但生產(chǎn)實(shí)踐中，為提高棉田產(chǎn)量和解決土壤原生鹽漬化[16]，冬灌洗鹽在實(shí)操和推廣中無疑是最好的選擇。為認(rèn)清冬灌洗鹽對不同土質(zhì)的長期影響、鹽分演變及脫鹽效果、棉苗成活率與產(chǎn)量的變化規(guī)律，本文以三種不同土質(zhì)長期使用膜下滴灌技術(shù)12a的棉田為例，定期冬灌洗鹽1次，旨在為土壤鹽漬化治理提供科學(xué)手段及增產(chǎn)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于新疆瑪納斯河流域莫索灣灌區(qū)一四七團(tuán)十五連、一四七團(tuán)十七連、一四七團(tuán)二十二連的3塊農(nóng)田，其土質(zhì)分別為壤質(zhì)黏土、壤土、砂質(zhì)壤土，將其作為研究試驗(yàn)地。試驗(yàn)區(qū)屬中溫帶干旱半荒漠和荒漠氣候，區(qū)域蒸降比大，日照充沛，晝夜溫差大，地下水埋深在2.9 m左右。研究試驗(yàn)地基本情況見表1至表4。

表1 研究區(qū)季節(jié)平均降雨量

表2 研究區(qū)年際氣候

表3 不同土壤物理性質(zhì)

表4 試驗(yàn)區(qū)灌溉制度

研究區(qū)灌溉水源為井渠混灌：渠水來自瑪納斯河，灌溉季節(jié)河水礦化度為0.502～0.673 g/L；井水礦化度0.8～1.0 g/L，灌溉水源礦化度均小于2 g/L，灌溉水源水質(zhì)符合要求。一四七團(tuán)開墾種植棉田之前為鹽堿荒地，2008年開始覆膜滴灌，至2019年已使用膜下滴灌12a。施肥方式為滴灌系統(tǒng)滴施，肥隨水入。根據(jù)棉花生長發(fā)育和氣溫影響，灌水時肥的配比不同，主要以尿素和磷酸二氫鉀為主，年施入量分別約為1 142.35 kg/hm2、729.33 kg/hm2。冬灌水源為瑪納斯河，根據(jù)群眾生產(chǎn)豐收經(jīng)驗(yàn)，定期在2010、2014、2018年11月中旬深松、犁地后進(jìn)行大水漫灌，灌溉水量為2 800 m3/hm2。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計及分析方法

通過研究不同土質(zhì)棉田非生育期連續(xù)水鹽變化，認(rèn)識冬灌對非生育期水鹽的時空、脫鹽率及棉花成活率和產(chǎn)量的影響。不同土質(zhì)鹽分和含水量的采樣層為0～30、30～60、60～100 cm，重復(fù)取樣3次后計算平均值。這樣分層是由于新疆棉花根系主要分布在30～60 cm土層內(nèi)，占總量90%以上，同時該區(qū)域水鹽變化及冬灌后淋洗效果也為重點(diǎn)研究內(nèi)容。土樣定點(diǎn)通過土鉆采集，取樣深度為1 m，采樣時間為每年春播前(旋地整平后)和秋收后取樣。試驗(yàn)地棉田采樣方式、數(shù)量、時間均相同。

1.2.1 土壤水分

取來土樣，采用烘干法測定其土壤含水量，實(shí)驗(yàn)測定取3次平行測定的平均值。

1.2.2 土壤含鹽量

先對土樣使用電導(dǎo)率儀(上海雷磁 DDS-11 A型)測土壤電導(dǎo)率值，再采用烘干殘?jiān)?biāo)定土壤含鹽量。本研究采用烘干殘?jiān)ù_定土壤含鹽量與電導(dǎo)率之間的標(biāo)定如下：

y=3.47×10-2×EC+0.892 69(R2=0.997)，

(1)

式(1)中y為土壤含鹽量，g/kg；EC為電導(dǎo)值，us/cm。

1.2.3 土壤脫鹽率

11例術(shù)后切口愈合良好，術(shù)后2周傷口拆線。治療后疼痛均消失，足弓恢復(fù)，無跛行，術(shù)后隨訪3～18個月，未出現(xiàn)疼痛及其他并發(fā)癥，恢復(fù)正常的生活及工作。末次隨訪時，AOFAS評分為平均（83.00±2.03）分（77～90分），優(yōu) 4例，良5例，可2例。典型病例見圖1。

土壤脫鹽率是判斷冬灌時脫鹽效果的重要指標(biāo)，變化量與原有量之比即為土壤脫鹽率。

1.2.4 田間持水量

取土樣時，在現(xiàn)場用環(huán)刀采集原狀土，田間持水量采用環(huán)刀法測定。

1.2.5 棉花成活率和產(chǎn)量

棉花成活率為棉花成熟時所存留實(shí)際株數(shù)除以理論株數(shù)。棉花成熟時每塊棉田隨機(jī)選取不連續(xù)5段5 m長整膜，統(tǒng)計所選范圍內(nèi)棉花的實(shí)際株數(shù)；理論株數(shù)一膜兩管四行為1 000株，一膜兩管六行為1 500株。試驗(yàn)地農(nóng)戶最終實(shí)際產(chǎn)量為棉田產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤脫鹽效果及鹽分變化

2008—2019年分別對壤質(zhì)黏土、壤土、砂質(zhì)壤土的0～30、30～60、60～100 cm的鹽分進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，春播前、秋收后鹽分變化見圖1和圖2。

圖1 不同年份春播前壤質(zhì)黏土(a)、壤土(b)、砂質(zhì)壤土(c)棉田的鹽分

圖2 不同年份秋收后壤質(zhì)黏土(a)、壤土(b)、砂質(zhì)壤土(c)棉田的鹽分

未冬灌時鹽分逐年降低，2010年第1次冬灌后鹽分大幅下降，之后鹽分隨耕作年限逐年上升；2014年第2次冬灌后鹽分再次減少，隨后鹽分又逐年累積；2018年第3次冬灌后則使鹽分達(dá)到觀測年限中最低。上述結(jié)果表明冬灌可有效地降低土壤0～100 cm鹽分的非生育期累積。

第1次冬灌時壤質(zhì)黏土、壤土、砂質(zhì)壤土鹽分分別最多下降4.82、5.47、9.37 g/kg，而且冬灌后繼續(xù)耕作，不同土質(zhì)鹽分積累速率為砂質(zhì)壤土>壤質(zhì)黏土>壤土，這主要是土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)不同所導(dǎo)致的差異性。不同土壤含鹽量中，30～60 cm>60～100 cm>0～30 cm，這是由于滴灌時采取淺灌、勤灌的方式所導(dǎo)致，0～30 cm鹽分隨水到達(dá)根區(qū)濕潤鋒附近，鹽分逐漸累積與水分淋洗到達(dá)平衡，土壤濕潤鋒周邊附近鹽分出現(xiàn)累積。

2010年第1次冬灌后，次年春播前壤質(zhì)黏土、壤土、砂質(zhì)壤土0～30 cm鹽分脫鹽率分別為69.83%、83.69%、87.24%，30～60 cm鹽分脫鹽率分別為59.07%、84.94%、90.62%，60～100 cm鹽分脫鹽率分別為61.24%、88.81%、90.60%，可見對不同土質(zhì)棉田淋洗脫鹽率>59.07%。2014年第2次冬灌后，次年春播前壤質(zhì)黏土、壤土、砂質(zhì)壤土0～30 cm鹽分脫鹽率分別為82.49%、76.61%、91.11%，30～60 cm鹽分脫鹽率分別為56.66%、81.93%、89.64%，60～100 cm鹽分脫鹽率分別為63.54%、78.33%、91.42%，可見再次冬灌時脫鹽率>56.66%。2018年第3次冬灌后，次年春播前壤質(zhì)黏土、壤土、砂質(zhì)壤土0～30 cm鹽分脫鹽率分別為83.47%、84.95%、93.43%，30～60 cm鹽分脫鹽率分別為63.11%、91.75%、94.31%，60～100 cm鹽分脫鹽率分別為77.63%、94.06%、94.54%，可見對不同土質(zhì)棉田淋洗脫鹽率>63.11%。這說明在鹽堿地長期使用膜下滴灌、定期冬灌是很有必要的。

不同土質(zhì)、不同深度春播前和秋收后的鹽分隨年限變化規(guī)律基本一致。棉田經(jīng)歷了一個生育期后，不同土質(zhì)、不同深度的鹽分均有所降低；冬灌時再次淋洗鹽分；繼續(xù)耕作時不同土質(zhì)、不同深度的鹽分則再次增加。這表明在鹽堿地上非生育期的冬灌和生育期的膜下滴灌可為棉田土壤創(chuàng)造適宜的水鹽環(huán)境。在冬灌土壤繼續(xù)耕作中發(fā)現(xiàn)，僅壤土不同深度鹽分變化(<6 g/kg)符合棉花生長要求；壤質(zhì)黏土、砂質(zhì)壤土不同深度鹽分變化會脅迫棉花生長，甚至導(dǎo)致棉田大幅減產(chǎn)。因此，應(yīng)對壤質(zhì)黏土適當(dāng)增加冬灌水量，提高淋洗年限，而砂質(zhì)壤土則應(yīng)減少冬灌水量，減少淋洗年限。

2.2 土壤水分變化

冬灌經(jīng)過凍融期后，在土壤中余留的水分對春播前棉花苗期生長至關(guān)重要，而且會直接影響棉花產(chǎn)量，因此，研究冬灌對春播前土壤水分的影響具有重要意義。為保證研究土壤水分變化的連續(xù)性，在每年不同土質(zhì)0～30、30～60、60～100 cm取樣后，采用烘干法測其土壤含水量。春播前田間水分見圖3。

圖3 不同年份春播前壤質(zhì)黏土(a)、壤土(b)、砂質(zhì)壤土(c)的田間水分

由圖3可知：冬灌灌水顯著影響了次年春播前土壤含水量的大小，其中不同土質(zhì)棉田含水率60～100 cm>30～60 cm>0～30 cm；冬灌時壤質(zhì)黏土含水率>65%的田持，最高可達(dá)田持的78%，壤土含水量>68%的田持，最高可達(dá)田持的71.5%，砂質(zhì)壤土含水率>61.65%的田持，最高可達(dá)田持的75.5%。這說明冬灌灌溉水量并沒有造成過多的深層滲漏以及水資源的浪費(fèi)，不同土質(zhì)水分含量均在適宜范圍內(nèi)。棉花苗期根系活動范圍在0～30 cm土層，但除2011、2015、2019年外，其余年份春播前不同土質(zhì)0～30 cm含水率未達(dá)到田持的60%，因此，當(dāng)?shù)厣a(chǎn)春播后，立即開始小定額的滴灌(1 125 m3/hm2)，從而確保棉苗的出苗需水(干播濕出)和減輕表層鹽分對棉花出苗和幼苗期間的迫害。

2.3 棉花成活率和產(chǎn)量變化

對于不同土質(zhì)棉田來講，棉花成活率和產(chǎn)量變化是衡量非生育期定期冬灌和生育期使用膜下滴灌這種灌溉模式是否有效的最終指標(biāo)，也是評價這種灌溉模式對土壤的適耕性的重要指標(biāo)。本研究不同土質(zhì)棉花成活率和產(chǎn)量變化見圖4、圖5。

圖4 不同年份不同土質(zhì)棉花的成活率

圖5 不同年份不同土質(zhì)棉田的產(chǎn)量

由圖4、圖5可知：不同土質(zhì)棉花成活率和產(chǎn)量成正比。在生育期膜下滴灌下，2010年第1次冬灌前不同土質(zhì)棉花成活率<48%，產(chǎn)量<3 265 kg/hm2；2010年第1次冬灌后棉花成活率和產(chǎn)量都顯著增加，成活率和產(chǎn)量分別≥60.3%和4 501.3 kg/hm2，分別較上一年增加≥20%和1 499.5 kg/hm2；2014年第2次冬灌后棉花成活率和產(chǎn)量分別≥70.2%和4 876.3 kg/hm2；2018年第3次冬灌后棉花成活率和產(chǎn)量分別≥80%和5 460.7 kg/hm2，成活率和產(chǎn)量最高分別可達(dá)94%和7 100.2 kg/hm2。這說明該地區(qū)采用生育期膜下滴灌和非生育期定期冬灌的灌溉模式是合理的。

不同土質(zhì)棉田棉花成活率和產(chǎn)量中壤土>壤質(zhì)黏土>砂質(zhì)壤土。這是由于土壤質(zhì)地與土壤肥力的關(guān)系和調(diào)節(jié)有關(guān)，主要是砂質(zhì)壤土通透性好，易于耕作但對水分和養(yǎng)分的保蓄能力差；壤質(zhì)黏土對水分和養(yǎng)分的保蓄能力強(qiáng)但通透性和耕作性差，施肥后作物見效遲緩但棉花后期生長良好；壤土是農(nóng)業(yè)上較為理想的土壤質(zhì)地。

3 討論

(1)在已有的研究工作基礎(chǔ)上，本研究根據(jù)對新疆典型綠洲農(nóng)田長達(dá)12a的連續(xù)監(jiān)測，采用當(dāng)?shù)厣谀は碌喂嗪头巧趫?zhí)行每隔3年冬灌灌溉2 800 m3/hm2的灌溉制度，結(jié)合理論分析得出了冬灌灌水顯著影響了次年播前0～100 cm土壤水鹽含量的分布。西北五省對鹽堿地的治理時間都各有不同，內(nèi)蒙古河套地區(qū)一般采用秋澆[8]；新疆地區(qū)壓鹽時間分為春灌[17]和冬灌[15]甚至在南疆地區(qū)會兩者結(jié)合，而有些采用干播濕出的地區(qū)會提高出苗水的滴灌灌溉定額[18]。本文的研究區(qū)采用冬灌的原因有：新疆棉田一般在秋季收獲故壓鹽時間相互沖突；該地區(qū)冬季漫長而又嚴(yán)寒，非生育期冬灌對減少病蟲害和儲水性好[15]都較好于春灌；干播濕出提高滴灌灌水定額不僅影響該地區(qū)幼苗發(fā)芽，而且壓鹽深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于幼苗生長范圍，這將提高棉田畝成本還會造成水資源浪費(fèi)。在冬灌制度上，趙波[15]認(rèn)為滴灌條件下灌水定額3 000 m3/hm2的冬灌較適宜，既可淋洗鹽分至耕層以下300 cm處,亦可獲得6 107.75 kg/hm2的較高產(chǎn)量，這與本研究結(jié)果基本一致。孫貫芳[8]認(rèn)為秋澆灌黃河水1 800 m3/hm2后，次年春播前0～100 cm土壤鹽分平均下降10.86%～26.14%，洗鹽灌溉效果顯著，這與本文研究結(jié)果不一致，這是因?yàn)榈貐^(qū)、灌溉方式、灌溉時間不同所導(dǎo)致。上述不一致的研究中，沒有加入膜下滴灌不同土質(zhì)棉田定期冬灌洗鹽長期影響的研究，本文增加了這部分內(nèi)容，并取得了相對較好的結(jié)果；根據(jù)不同質(zhì)地的土壤提出不同的具有控制上限目標(biāo)的控鹽洗鹽年限和水量控制策略，但不足之處在于沒有得出不同質(zhì)地土壤既增產(chǎn)又提高水資源利用效率明確的冬灌定額與灌溉模式。

(2)長期膜下滴灌棉田的鹽分時空分布問題倍受關(guān)注。滴灌是局部灌溉，沒有排水條件，也不會產(chǎn)生深層滲漏，而且鹽漬化初始值較高、氣候干旱和鹽隨水走會導(dǎo)致長期使用膜下滴灌存在積鹽的問題，所以實(shí)際中常常采用非生育期冬灌來解決農(nóng)田積鹽問題。本文以一四七團(tuán)采用膜下滴灌技術(shù)12a的不同土質(zhì)棉田為例，每隔3年進(jìn)行一次定期洗鹽，結(jié)果表明生育期膜下滴灌結(jié)合非生育期冬灌的灌溉制度在該地區(qū)是合理、可行的。對膜下滴灌是否積鹽問題一直倍受爭議,其中，李明思等[1]、王振華等[2]通過研究認(rèn)為膜下滴灌技術(shù)不會導(dǎo)致積鹽，使用初期會先減小然后穩(wěn)定在某個范圍，而張偉等[12]、孫貫芳等[8]通過研究認(rèn)為地膜覆蓋抑制了土壤蒸發(fā)和避免膜下土壤鹽分的表面聚集，但沒有覆膜的膜間裸地表層強(qiáng)烈積鹽，長期使用會引起土壤積鹽。本文通過春播前和秋收后的鹽分變化發(fā)現(xiàn)：未冬灌前生育期使用膜下滴灌春播前鹽分是下降的，冬灌后其鹽分又增加，而且每年秋收后較春播前鹽分有所下降，每次冬灌時又有所增加；另外，學(xué)者使用微咸水灌溉試驗(yàn)也沒有發(fā)現(xiàn)鹽分有明顯的增加[19-20]。因此，長期使用膜下滴灌或膜下滴灌技術(shù)不是土壤積鹽的根本原因，同樣也不會導(dǎo)致積鹽。但一些學(xué)者研究長期膜下滴灌的試驗(yàn)地確實(shí)存在鹽分超標(biāo)甚至危害棉花生長的現(xiàn)象，當(dāng)然如果與本文研究的灌溉模式、灌溉制度、水源礦化度的不同，其水鹽分布狀況可能也不同。

(3)氣候變化是新疆灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展和土壤原生鹽堿形成的影響因素，對地下水位、土壤、地貌、作物產(chǎn)量影響明顯[13]。“鹽隨水走，水走鹽留”常常在灌溉農(nóng)業(yè)中造成次生鹽漬化，地下水臨界水深對其影響明顯[6]；試驗(yàn)地地下水埋深隨季節(jié)變化，春冬淺、夏秋深。地下水埋深和氣候變化對新疆綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中長期膜下滴灌農(nóng)田水鹽、棉花成活率、產(chǎn)量的影響顯著，甚至對這些研究因素會是另一種結(jié)果[1-2]。這說明鹽分多年動態(tài)問題的復(fù)雜性，需開展更多系統(tǒng)的觀測和研究[13]。本文研究著重于土質(zhì)和冬灌對土壤水鹽、棉花成活率、產(chǎn)量的影響，未著重考慮地下水和氣候變化對試驗(yàn)的影響，今后可進(jìn)行考慮地下水位和氣候變化對生育期和非生育期農(nóng)田水鹽、棉花成活率、產(chǎn)量的相關(guān)研究。

經(jīng)過本文研究連續(xù)觀測發(fā)現(xiàn)：生育期膜下滴灌結(jié)合非生育期冬灌的灌溉模式，田間鹽分由高鹽堿土逐步改良為鹽分較低的狀態(tài)；但冬灌后繼續(xù)耕作鹽分仍會有所增加，除冬灌年份，秋收后鹽分又有所下降。這是因?yàn)橥寥利}分含量是由蒸發(fā)、地下水及降雨等多重因素聯(lián)合作用的一種動態(tài)平衡，一旦有人為灌溉存在，便趨向一種新的平衡，加之灌溉水質(zhì)本身有微量鹽分和強(qiáng)烈蒸發(fā)存在，鹽分不會消失，所以在本文的灌溉模式下，繼續(xù)耕作后不同土質(zhì)鹽分終將小幅波動在一個較低的水平內(nèi)。

4 結(jié)論

(1)第1次冬灌后鹽分大幅下降且脫鹽率>59.07%，壤質(zhì)黏土、壤土、砂質(zhì)壤土鹽分分別最多下降4.82、5.47、9.37 g/kg；第2次冬灌后脫鹽率>56.66%；第3次冬灌脫鹽率>63.11%，且鹽分達(dá)到觀測年限中最低。因此，冬灌可有效降低土壤0～100 cm鹽分的非生育期累積。

(2)不同土質(zhì)含鹽量中30～60 cm>60～100 cm>0～30 cm，僅壤土不同深度鹽分變化(<6 g/kg)符合棉花生長要求，壤質(zhì)黏土、砂質(zhì)壤土不同深度鹽分變化會脅迫棉花生長，甚至導(dǎo)致棉田大幅減產(chǎn)；根據(jù)壤質(zhì)黏土不同深度春播前與秋收后鹽分隨年限的變化，應(yīng)對壤質(zhì)黏土適當(dāng)增加冬灌水量，提高淋洗年限，而砂質(zhì)壤土應(yīng)減少冬灌水量和淋洗年限。

(3)不同土質(zhì)棉花成活率和產(chǎn)量成正比。在生育期膜下滴灌的前提下，冬灌會使棉花成活率和產(chǎn)量增加；2018年第3次冬灌后棉花成活率和產(chǎn)量分別≥80%和5 460.7 kg/hm2，成活率和產(chǎn)量最高分別可達(dá)94%和7 100.2 kg/hm2。不同土質(zhì)棉田棉花成活率和產(chǎn)量表明：該地區(qū)采用生育期膜下滴灌和非生育期定期冬灌的灌溉模式是合理、可行的且應(yīng)用前景及意義重大。