膜下滴灌条件下土壤水盐动态变化特征研究

杨 宏 伟(甘肃省水利厅石羊河流域管理局，甘肃 武威 733000)

石羊河流域是甘肃省河西走廊三大内陆河流域之一，属大陆性温带干旱气候。由于地表水资源严重短缺，地下水是该流域农业灌溉的重要水源。高矿化度的地下水灌溉和强烈的蒸发蒸腾作用使该区耕地存在次生盐渍化风险，灌溉农业的可持续发展面临着巨大的挑战[1-3]。膜下滴灌技术是将地膜与滴灌技术有效地结合起来[4,5]，充分利用了地膜减少蒸发、增温保墒作用和滴灌、定时定量供水、减少渗漏和蒸发作用，为作物生长提供良好的生长环境。由于膜下滴灌彻底改变了田间灌溉水的移动路径，水滴入土层表面，只在滴头下方形成很小的饱和区，水分通过分子力向四周及向下扩散，土壤湿润半径离开滴头距离横向一般为35～40 cm，纵向重叠；在水分扩散的同时，土壤盐分也沿着湿润峰球体的半径方向扩散，不断滴入土体的水分对土壤中的盐分有淋洗作用，被淋溶的土壤盐分在入渗水流携带下，向滴头四周迁移，积累在湿润区边缘，作物根区就形成了一个有利于作物生长的淡化脱盐区。李朝刚[6]、吕殿青等[7]认为，在干旱、半干旱地区，强烈蒸发条件下，土壤盐分或地下水可溶性盐类通过水的垂直或侧向运动向地表累积，这是土壤积盐过程最为普遍的形式，也是发生盐渍化的主要原因。Ayars[8]等在美国水管理研究所进行的番茄、棉花和甜玉米等作物为期15年的膜下滴灌的研究结果表明，膜下滴灌可以显著提高作物的产量和水分利用效率，高频度的灌溉还可以减少深层渗漏量。Ayars[9]等研究了滴灌条件下，灌水间隔对棉花根区湿润体含盐量及作物产量的影响。结果表明，每天灌水土壤剖面含盐量要比每隔一天灌水的低得多，但对棉花产量无明显的影响。我国大田膜下滴灌取得了良好的经济效益，尤其在玉米、棉花等宽行作物生产中得到广泛应用[10,11-13]。张伟、弋鹏飞、王振华、刘磊等[14-17]在连续采用滴灌方式的棉田研究结果表明，随着滴灌使用年限的增长，棉田中盐分积累越多，棉花产量下降幅度越大。塔克拉玛干沙漠腹地滴灌条件下，在表层随着距滴头距离的增加，土壤中盐分的含量呈直线增加。滴灌连续滴水，可以形成无数次小水量洗盐，脉冲式逐渐向外推进，致使盐分集中到湿润峰边沿，在多滴头情况下，湿润峰相互重叠，使盐分的侧向移动变成向下移动，形成一个平面整体，向下洗盐使上部土层变成“淡化脱盐土层”[18,19]。因地制宜地制定合理灌溉定额，达到土壤盐分累积量最低，作物水分利用效率和产量最优是节水灌溉亟待解决的问题。

棉花作为石羊河流域主要经济作物，研究膜下滴灌条件下棉花农田水盐动态变化规律，制定合理的灌溉制度，对防止土壤盐碱化和次生盐渍化的发生，具有十分重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及试验设计

试验在甘肃省水利科学研究院民勤灌溉试验站进行，试验站海拔1 351 m，东经103°05′，北纬38°37′。地处民勤绿洲和腾格里沙漠交界处，为典型的沙漠绿洲气候。多年平均气温为7.8 ℃，多年平均降水量110 mm，多年平均蒸发量2 644 mm，无霜期150 d。平均土壤密度1.54 g/cm3，田间持水量21.72%，土壤质地为沙壤土，灌溉水矿化度1.20 g/L，地下水埋深30 m以下。风大沙多，春季最大风速38 m/s，多为西北风。甘肃省水利科学研究院民勤试验站试验田土壤物理性质见表1。

表1 甘肃省水利科学研究院民勤试验站试验田土壤物理性质Tab.1 Soil physical properties of test field in Minqin experimental station of Gansu water conservancy research institute

本研究于2016年4月25日播种，10月5日收获，生育期163 d。供试棉花品种为新陆早7号，采用点播器条播，播种量120 kg/hm2。株距18 cm，行距30 cm，棉花膜下滴灌采用一膜两管四行方式，膜宽幅120 cm。结合春耕施入基肥，尿素、磷酸二氢铵施肥量均为375 kg/hm2。在棉花生育期6月18日和7月26日随灌水措施分别追施尿素150 kg/hm2。播前进行一次春季储水灌溉，灌水量为1 200 m3/hm2，各种农艺措施参照当地经验。试验设置4个处理，其中T1、T2、T3为膜下滴灌，CK为当地常规灌溉畦灌。生育期灌水定额设置如表2所示。

表2 各处理灌水定额及日期设置表 m3/hm2

注：CK为当地的常规畦灌灌溉制度，其余处理均参照CK制定。

1.2 测定项目和方法

(1)土壤水盐含量测定。不同处理棉花各生育期分层(0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm)取样，每个点采集6个样，即滴头下0处、以滴灌带铺设方向水平距滴头水平距离15、30 cm处(计作-15，-30 cm)，垂直滴灌带铺设方向水平距滴头水平距离10、20、30 cm处(计作+10 cm，+20 cm，+30 cm)。采用烘干法测定土壤水分，利用ST1-3型电导率仪测定电导率EC1∶5(土水质量比为1∶5)，根据以下公式计算土壤全盐量：

C=0.027 5EC1∶5+0.136 6

(1)

S=10CθH

(2)

式中：C为土壤全盐量，g/kg；EC1∶5为土水比为1∶5的土壤饱和浸提液的电导率，μS/cm；S为某一深度内土壤含盐量，t/hm2；θ为体积含水率，%；H为土层深度，m。

(2)作物耗水量测定。采用农田土壤水量平衡公式进行耗水量计算。灌水量采用水表进行计量。由于该试验田地下水埋深在40 m以下，可视地下水补给量为0，降水入渗深度不超过1 m，可视深层渗漏为0。作物生长所需水分主要由灌溉水和降雨供应。因此，水量平衡方程可简化为：

ET=P+I-ΔW

(3)

式中：ET为作物生育期耗水量，mm；P为生育期降水量，mm；I为生育期内灌溉量，mm； ΔW为作物生育期土壤蓄水变化量，mm。

土壤蓄水量按照下列公式计算：

W=10HDB

(4)

式中：W为土壤蓄水量，mm；H为土层深度，cm；D为土壤体积质量，g/cm3；B为土壤质量含水率，%。

(3)棉花产量及特征值测定。收获时测定果枝数、铃数、单铃重、衣分、绒长、籽棉产量，测产采取小区单打单收方法测定。

(4)降雨量测定。由试验站内自动气象站测定。

(5)数据处理与分析方法。利用SPSS16.0对试验数据进行方差分析和显著性检验，采用Surfer8.0软件对各处理土壤水分、盐分分布制图。

2 结果与分析

2.1 不同灌水处理农田土壤水分的动态变化特征

在干旱半干旱地区，由于降雨量较少，农田土壤水分状况主要受灌溉水和农田蒸发蒸腾的影响，其中灌溉水对土壤水分动态变化的影响较大。

图1为不同处理棉花生育期土壤含水率变化。由图1可知，各处理0～100 cm土壤含水率均随棉花生育进程的延长呈降低趋势。其中，4月24日(苗期)至7月8日(蕾期)，各处理土壤含水率变化曲线出现重叠，表明土壤含水率变化规律基本一致。在播前和苗期，由于经过统一春灌措施，各处理土壤含水率曲线变化规律基本一致，在苗期，各处理土壤水分均表现为随土壤深度的增加呈增加趋势。其中T1、T2、T3、CK处理0～10 cm土壤含水率分别为12.32%、11.86%、10.27%和11.82%，60～100 cm土壤含水率分别为18.94%、18.62%、19.96%和19.78%，膜下滴灌条件下，各处理深层土壤含水率明显高于表层土壤，这主要与前期进行的春灌措施增加了深层土壤的蓄水量及浅层土壤具有较高腾发量有关。

花铃初期(7月8日)，相同的灌水量使各处理0～100 cm土壤含水率较前期明显降低，各处理土壤含水率差异为3.42%～5.85%，土壤含水率差异较前期降低。其中，T1、T2、T3、CK处理0～20 cm土壤含水率为10.46%～11.94%，60～80 cm土壤含水率为14.29%～16.01%。其中，0～60 cm土层内各处理土壤含水量介于15%左右。60～100 cm土层内T1、T2、T3处理土壤含水量差异较大，80～100 cm土层内，T1、T2、T3、CK处理土壤含水率依次为19.52%、16.08%、10.55%、23.79%。其中，灌水定额为2 400 m3/hm2的常规畦灌土壤水分垂向运动明显高于其他处理，土壤水分含量随土层深度的增加呈明显增加的趋势，由土壤物理性质可知，深层土壤为壤土，田间持水率较土壤表层高，在土壤水势的作用下，水分有利于向土壤深层运移储存。

花铃期(7月25日)，灌水次数对土壤含水率逐渐产生影响。其中，T1、T2、T3、CK处理土壤含水率为10.88%～13.43%。其中，T1处理土壤含水率最高，CK处理土壤含水率最低。原因为CK处理一水灌后时间较长，而二水尚未灌溉，故CK处理土壤含水率最低。这时期膜下滴灌条件下，花铃前期营养生长和生殖生长均处于旺盛阶段，叶面积指数达到峰值，耗水量最高。之后，各处理土壤0～100 cm土壤含水率降低幅度较前期明显。这与花铃后期进行打顶整枝，生殖生长受到抑制，老化叶片开始脱落，叶面积指数开始下降，耗水量降低，土壤蓄水量逐渐增加，表现为各处理图中的颜色均较之前加深。

吐絮期(8月25日)，各处理间土壤含水率差异进一步增大，其中，T3、CK处理0～100 cm土壤含水率较T1、T2处理降幅较大，降幅分别为8.88%和7.64%，较8月8日测定结果分别降低2.63%和1.93%，表明，在苗期-盛花期，减少1水和2水土壤蓄水量明显降低，后期进行复水措施也不能明显提升土壤水分含量。在棉花铃期，吐絮期10月15日(收获期)，T1、T2、T3、CK处理土壤含水率分别为10.22%、9.14%、8.02%和7.01%，较前期略有降低，但降幅明显减小。在棉花生育期内，常规畦灌处理，100 cm土层处土壤水分达到10%～20%，产生明显的土壤水分渗漏，而膜下滴灌灌溉的T1、T2、T3处理在整个土壤剖面上土壤水分含量较CK处理高，且分布范围广。

吐絮期至收获期(9月15日-10月5日)，在蒸腾和棵间蒸发作用下，不同灌水定额对土壤含水率影响差异进一步明显，T3处理灌水定额分别较T1和T2处理降低600和300 m3/hm2，在0～100 cm土层内，T3处理土壤含水率颜色明显淡于T1、T2处理，而CK处理土壤含水率此时最高，原因为CK处理的土壤含水率为三水灌后测定值，故CK处理0～100 cm土壤含水率为该处理棉花全生育期最高值。收获期土壤含水量结果表明，T1、T2、CK各处理0～100 cm土壤水分变化规律基本一致，各处理含水量在15.00%左右变化，且深层土壤水分含量略低于浅层土壤，0～100 cm土层土壤水分CK处理较T1、T2、T3处理分别低19.02%、13.21%、8.01%，说明膜下滴灌能显著提高土壤含水率，有利于防止土壤水分蒸发和常规灌溉产生的渗漏水量损失。

研究结果表明，在作物生育前期，各处理土壤水分运动基本一致，在蒸发、灌水交替作用下，0～100 cm土壤水分含量随棉花生育进程的延长呈降低趋势，处理间土壤水分分布差异不显著。到吐絮期，不同的灌水定额改变了水分分布特征。当灌溉定额为1 500 m3/hm2时的膜下滴灌方式能明显提高土壤水分的垂直运动，土壤水分被储存在深层土壤中。在花铃期，棉花进入需水高峰阶段，灌水定额对土壤水分的垂向分布影响差异减弱。

2.2 不同灌水处理农田土壤盐分的动态变化特征

膜下滴灌改变了田间灌溉水的移动路径，水滴入土层表面，在水分扩散的同时，土壤盐分也沿着湿润峰球体的半径方向扩散，被淋溶的土壤盐分在入渗水流携带下，向滴头四周迁移，积累在湿润区边缘，就形成了一个有利于作物生长的淡化脱盐区。

2016年棉花不同生育期土壤剖面全盐含量动态变化如图2所示。试验数据表明，在播前，各处理0～100 cm土层土壤全盐量在0.508～0.514 g/kg之间，各处理间变化规律基本一致，主要由于各处理均在播前进行了春灌(春季泡地)。进入苗期，各处理0～100 cm土壤剖面土壤盐分含量分布规律基本一致，灌水定额对土壤盐分量含量影响基本一致，均表现为随土层深度的增加呈增加的趋势，各处理土壤全盐量较播前均增加。其中，T1、T2、T3、CK处理0～100 cm土壤全盐量分别为0.73、0.72、0.72和0.74 g/kg，较播前分别增加13.10%、13.75%、14.12%和16.01%，各处理均在40～60 cm土层内累积幅度最高，较播前对应土层分别增加20.4%、15.82%、20.78%和21.04%。主要由于苗期随着气温的逐渐升高，土壤蒸发和植株蒸腾作用的增强，土壤水分向表层运动，由于“盐随水动”，使得深层土壤中的盐分向土壤表层运移，使得各处理土壤全盐含量较播前均增加。

棉花蕾期，灌水定额对各处理脱盐、积盐土层深度影响逐渐明显。灌后3 d 的测定数据表明，当灌水定额为300 m3/hm2(T1处理)时，对0～60 cm土壤土层的脱盐过程影响明显，土壤含盐量介于0.58 g/kg左右。当灌水定额为250 m3/hm2(T2处理)时，对0～30 cm土层的脱盐过程影响明显，土壤含盐量介于0.52 g/kg左右。T3处理0～30 cm土层土壤盐分含量分布规律与T2处理基本一致。此外，T2、T3处理较低的灌水定额对0～20 cm土层积盐效果明显。其中T2处理盐分含量为0.69 g/kg，T3处理盐分含量为0.73 g/kg。蕾期，各处理0～30 cm土层土壤发生脱盐现象，60～100 cm土层发生积盐现象。其中，滴头下T1、T2、T3处理0～30 cm土层含盐量分别为0.51、0.58、0.61 g/kg；60～100 cm土层含盐量分别为0.71、0.73、0.80 g/kg。各处理(T1、T2、T3)深层(60～100 cm)土壤盐分含量较浅层(0～60 cm)分别高39.22%、25.86%和32.78%，滴灌带间T1、T2、T3处理0～30 cm土层含盐量分别为0.67、0.71、0.77 g/kg；60～100 cm土层含盐量分别为0.71、0.78、0.85 g/kg。各处理(T1、T2、T3)深层(60～100 cm)土壤盐分含量较浅层(0～60 cm)分别高5.97%、9.86%和10.39%，说明在棉花主要生育期，滴灌带间发生积盐现象，滴头下发生脱盐现象，滴灌带间发生积盐程度较滴头间显著。

图1 不同处理2016年棉花不同生育期土壤水分含量动态变化Fig.1 Dynamic changes of soil moisture content in different growth stages of Cotton in different growth stages in 2016

图2 不同处理2016年膜下滴灌棉花不同生育期土壤含盐量动态变化Fig.2 Dynamic changes of soil salinity in different growth stages of Cotton under different treatments in 2016

吐絮期至收获期，各处理浅层土壤全盐量在灌水、降雨作用下，均较前期有所降低，深层土壤全盐量有所增加。其中在0～10 cm土层发生脱盐现象，T1、T2、T3、CK处理土壤全盐量分别为0.65、0.66、0.63、0.62 g/kg，10～20 cm土层全盐量最低，分别为0.57、0.55、0.59和0.58 g/kg。T1、T2、T3处理在40～60 cm土层发生积盐现象，分别为0.85、0.82、0.83 g/kg，CK处理在60～80 cm发生脱盐现象，为0.63 g/kg，CK处理在80～100 cm土层发生积盐现象，为0.83 g/kg，说明畦灌条件下，盐分向土壤深层运移，100 cm土层处盐分变化显著，常规畦灌产生了深层水分渗漏。滴头下T1、T2、T3处理0～30 cm土层含盐量分别为0.56、0.61、0.65 g/kg；60～100 cm土层含盐量分别为0.68、0.66、0.69 g/kg。各处理(T1、T2、T3)浅层(0～30 cm)土壤盐分含量较蕾期分别高33.33%、13.79%和13.12%，各处理(T1、T2、T3)深层(60～100 cm)土壤盐分含量较蕾期分别低21.17%、11.21%和7.85%。 滴灌带间T1、T2、T3处理0～30 cm土层含盐量分别为0.77、0.81、0.87 g/kg；60～100 cm土层含盐量分别为0.61、0.68、0.75 g/kg。各处理(T1、T2、T3)浅层(0～30 cm)土壤盐分含量较蕾期分别高14.93%、14.09%和12.99%，各处理(T1、T2、T3)深层(60～100 cm)土壤盐分含量较蕾期分别低16.39%、14.71%和13.33%，且处理间0～100 cm土壤全盐量差异较蕾期明显。说明棉花生育后期滴头下及滴灌带间表层土壤盐分含量较生育前期高，深层土壤盐分含量较生育前期低。这是由于生育后期，灌水量减少，强烈的蒸发及作物的蒸腾作用下，在土壤表层发生积盐，深层发生脱盐，此时，作物已经停止生长，对产量影响不显著。

研究结果表明，随着灌水定额增加，土壤剖面盐分含量变化剧烈，在土壤水分蒸发及植株蒸腾过程中，土壤盐分随着水分逐渐上升，土壤表层发生积盐现象，土壤中层发生脱盐现象，土壤深层变化基本稳定。

2.3 不同灌水处理棉花产量及水分利用效率

不同处理棉花产量特征值如表3所示。由表3可知，各处理对株高影响差异显著，其中T1、T2、CK处理株高明显高于T3处理，T1、T2、CK处理株高差异不显著。不同处理棉花铃数大小依次为T2>T1>CK>T3。其中，T2处理棉花铃数与T3、CK处理分别达显著性水平(p<0.05)。T1、T2、T3、CK处理棉花单铃重分别为9.76、9.65、8.70和9.07 g，其中，T1、T2处理分别与T3处理差异显著(p<0.05)。各处理籽棉产量结果表明，T1、T2、T3、CK处理棉花产量分别达4 938.9、4 969.9、3 946.0、4 958.1 kg/hm2，且T1、T2、CK处理籽棉产量明显高于T3处理，各处理分别与T3处理差异显著(p<0.05)。水分利用效率(WUE)介于1.26～1.47 kg/m3之间，大小依次为T2>T3>T1>CK，其中T2处理与T1、CK处理差异达显著性水平(p<0.05)，常规灌溉畦灌CK处理水分利用效率最低。田间试验研究结果表明，传统灌溉畦灌(CK)条件下，棉花每公顷经济产量在4 958.1 kg左右，且与T1处理的经济产量无显著性差异，但结合WUE分析结果可知，CK是以较大的耗水量为代价换来的，从土壤水盐环境、经济及高效利用水资源的角度出发，T2处理为棉花种植条件下最优的灌溉制度。

表3 棉花产量特征值及水分利用效率分析Tab.3 Analysis of cotton yield characteristics and water use efficiency

注：同列不同小写字母表示不同处理间差异显著(p<0.05)。

3 结 语

研究结果表明，在西北干旱区的石羊河流域，膜下滴灌条件下，棉花生育期灌水阶段，随灌溉定额的增加，0～100 cm土壤全盐量呈增加趋势，但积盐量小于0.3 t/hm2。棉花生育期各处理土壤盐分含量均高于播前土壤盐分含量，滴灌带间发生积盐现象，滴头下发生脱盐现象，各处理土壤表层盐分累积效应和土壤剖面的脱盐深度随灌溉定额增加呈增加的趋势，盐分累积最高处全盐含量达0.87 g/kg。膜下滴灌条件下0～30 cm土层盐分含量不会对棉花生长产生影响，在棉花整个生育期内，有限的灌水量和降雨不足以将土壤盐分淋洗到100 cm土体以下，春季进行灌溉淋洗，可保证棉花生育期0～100 cm土壤全盐量基本持平，土壤不会长期处于积盐状态。当灌水定额为250 m3/hm2，土壤水分垂直运动增加，水分在深层土壤中储存，能保证土壤耕作层处于良好的水盐环境，不会引起土壤盐分表层累积。

本研究结合棉花种植条件下土壤水分、盐分动态变化和产量构成、水分利用效率，结果表明，膜下滴灌灌溉条件下，棉花生育期灌水6次，灌水定额为250 m3/hm2的灌溉制度最优。同一耕地多年采用膜下滴灌方式是否会引起土壤盐渍化和作物产量的减少，需进一步研究。

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