水分调控对机采棉土壤水盐运移的影响

白 蒙，吕廷波*，徐 强，王东旺，王泽林，牛靖冉

(1.石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000)

【研究背景】新疆属于大陆干旱气候，适宜于农作物的生长，但该区降水稀少，蒸发强烈，境内土壤盐碱程度高且分布广泛，水资源极其短缺。棉花是新疆地区最主要的经济作物之一。随着新疆棉花生产机械化程度的不断提升，新型的机采棉种植模式在新疆范围内开始大面积推广。截止2018年，新疆地区棉花加工产量累计达到465万吨，其中，按照棉花采摘类型来区分，机械采摘占比为47.6 %，人工采摘占比52.4 %，与2017年相比，机采棉占比增加了11.9个百分点。随着植棉成本费用的不断升高，尤其是劳动力成本的大幅度上升，机采棉成为推进新疆棉花产业可持续发展、提高农业机械化水平的必然选择[1]。【前人研究进展】棉花属于耐旱植物，过多的土壤水分会导致土壤环境恶化，不利于土壤呼吸，从而棉花根系吸水吸肥，同时过多的灌溉会导致根层养分淋洗，过少的水分又无法满足作物的正常发育。因此，适宜的水分对棉花生长发育具有重要作用。针对新疆地区，既要很好的灌溉又要达到洗盐效果，实现高效用水，促进棉花节水增产，国内外学者进行了广泛研究。苏里坦等[2]对灌溉定额的研究表明，随着灌溉定额的增加，土壤盐分峰值呈现下移趋势。王峰等[3]发现，增大灌水定额有助于棉花根区盐分在水平方向的淋洗。王全九等[4]认为土壤水分是盐分运移的载体，即“盐随水动”，在重力势能作用下盐分由水分带动向土壤深处移动，最后积聚在湿润锋的边缘处形成高盐区。薛万来等[5]认为膜下滴灌作物种植模式和滴灌带布设的改变会使棉田土壤中水分和盐分的分布发生改变。新疆地区近年来机采棉在大面积推广，机采棉种植产业带来了很大的优势的同时，对于传统种植模式又是一次完全的颠覆，机采棉种植采用超宽间距种植模式。【拟解决的关键问题】众多学者对于棉田水盐问题的研究已经取得了丰硕的成果，但是种植模式及灌水方式直接决定湿润锋范围和形状[6]，从而影响到土壤水盐空间分布和作物的需水规律，而在机采棉新型种植模式下其相应的土壤水盐运移规律还未进行充分的研究。本研究拟通过田间小区试验，重点分析不同水分处理对机采棉种植模式下棉田根区土壤水盐分布、棉花产量和水分利用效率的影响，综合考虑产量和水分利用效率探索盐碱棉田机采棉适宜的灌溉制度。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

田间试验于2018年4-10月棉花生育期内在石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室试验基(E 85°59′47″，N 44°19′28″，海拔327 m)进行，试验区位于新疆石河子市郊区石河子大学农试场二连。 试验点区处天山北麓中段准噶尔盆地西南缘，属温带大陆性干旱气候。年平均日照时间达2865 h，大于10 ℃积温为3463.5 ℃，大于15 ℃积温为2960.0 ℃，无霜期达到170 d，年平均降雨量约为20 mm，平均蒸发量1660 mm，试验地地下水埋深大于8 m，试验田土壤基本理化性状如表1所示。

1.2 试验设计

试验将棉花生育期划分为苗期、蕾期、花铃期和吐絮期共4个生育阶段，参考文献[7]研究成果，膜下滴灌使土壤含水率保持到相对田间持水量水平的60 %～80 %就可满足棉花较理想的耗水需求。本试验在棉花蕾期和花铃期设置3个水分处理(表2)，苗期和吐絮期不灌水。

试验小区为规格2 m×2 m的测坑，小区各处埋设有防止水分养分侧移的防渗板。机采棉种植模式，行距配置为10 cm-66 cm-10 cm-66 cm-10 cm，2.05 m超宽膜覆盖，株距10 cm。采用膜下滴灌系统，滴灌带布设：1膜3管(滴灌带中管布设于两小行棉花中间，另外两边行均向中行偏移10 cm)，毛管为单翼迷宫式滴灌带，滴头间距30 cm，滴头设计流量2.6 L/h。 采用当地机采棉主栽品种，播种开始于2018年4月中旬，采用“干播湿出”方式，从10月中旬进行收获采摘。在棉花蕾期和花铃期分4次追施 400 kg·hm-2棉花专用肥(N∶P2O5∶K2O=15∶30∶6)。除灌水外，各处理农艺措施均参照当地实际进行。

表1 不同土层深度土壤容重及田间持水率

表2 实验灌水下限设计

图1 滴灌带布置形式及土壤水盐取样点Fig.1 Drip irrigation tape layout and soil water and salt sampling points

1.3 测定项目与方法

(1)土样测取点：灌水前后间隔1 d分别在棉行花窄行和宽行间各取一个位置点，分层(每10 cm一层)观测0～100 cm土层的土壤含水率和土壤盐分质量百分比，全生育期共取10次土样。

(2)土壤含水量: 采用烘干称重法。

(3)土壤含盐量: 将测取的土样进行风干磨碎过筛，按照水土比(5∶1)配成浸提液，震荡静置过滤，采用蒸干称重法得到土壤含盐量。

(4)棉花产量：共进行3次棉花采摘，并测定好试验小区及对应棉铃数、铃重和棉花产量。

1.4 数据处理

所得试验数据使用SPSS20.0和 Origin9.0来进行对比分析。

2 结果与分析

2.1 不同水分处理机采棉全生育期土壤水分动态变化

如图2所示，全生育期土壤含水率变化呈现出随着时间推移逐渐升高再下降的规律性，原因为：播种和苗期不做灌水计划，仅靠播前降水补充土壤水分，故初期含水量较低。进入蕾期和花铃期开始人为灌水补给，随着花铃期灌水周期缩短，灌溉水在保证作物根系吸水的同时，补充了根区土壤水贮水。在棉花生育前期，棉花生长发育缓慢，降雨相对较少，表层土壤蒸发量小，故不同水分处理下土壤质量含水率变化趋势基本一致，质量含水率差异不大。在生育中后期，棉花植株生长发育加快，灌溉水量不同，蒸散量加剧，故不同水分处理质量含水率存在明显不同。灌水定额为W3>W2>W1,灌水次数为W1>W2>W3,因为土层0～60 cm深度范围为棉花的主要根系生长区，故以0～60 cm深度范围的棉株根系区域内的数据进行分析。整体全生育期W1、W2、W3处理宽行土壤平均含水率分别为12.74 %、11.36 %和10.60 %，全生育期内最大值与最小值相差可达20.2 %。窄行土壤平均含水率分别为12.08 %、11.37 %和10.77 %，其中最小值与最大值相差12.2 %。不同变量灌溉处理下，整个生育期平均含水率对比明显，表明设置的3种水分下限调控试验差异显著，对作物生长情况和土壤水分吸收影响巨大。

W1处理的根系区域宽行土壤平均含水率为12.74 %，占据到田间持水量的71.4 %，窄行间平均值是12.08 %，田间持水量占比为67.3 %。W1处理次灌水定额较低，但灌水频率较高，在花铃期时达到约为3 d的灌溉频率，使得棉株根系区土层始终保持到了一种水分充盈的生长环境，出现了水分胁迫问题，不利于作物的长期生长。W2宽、窄行的相对田间持水量为53.8 %和53.9 %，湿润锋竖直范围比W1有所减小，但基本可以覆盖住10～50 cm主根范围内，可以有效地将盐分淋驱出该区域，也不会造成多余的水资源浪费。W1处理是低频高水的灌水制度，宽窄相对田间持水量为50.1 %和51.0 %。虽然每次灌水都会使得地表积水范围很大，在水平和竖直方向上都浸润距离范围广，但8 d的灌溉间隔，特别还是在花铃期温度炙热光照强烈时间段内，灌溉水补充不及时并会很快消耗殆尽，同时蒸腾蒸发作用强烈，随着时间推移会将当时大水量灌溉淋洗下移的盐分再次带回根系区。前文提到，花铃期土壤含水率能达到相对田间持水率的60 %～80 %可满足棉花生长需求[8-9]。对比图2发现，各处理下宽行0～60 cm根系层的土壤平均质量含水率分别为11.48 %、13.44 %、15.33 %；相对田间持水量分别为54.05 %、63.28 %、72.18 %；各处理下窄行0～60 cm根系层的土壤平均质量含水率分别为12.15 %、13.09 %、15.08 %；相对田间持水量分别为57.20 %、61.63 %、71.99 %。W2、W3处理可以使机采棉在花铃期保持较高含水率，可达到60 %～80 %的占比，可满足作物生长要求，W1处理的30～50 cm处相对田间持水量降到仅为39.4 %，主根区明显出现水分亏缺现象，W3出现了一定程度的水分胁迫现象，无论是棉花极度需水的花铃期内水分供给不充分还是水分胁迫均势必会抑制棉株生殖发育，从而造成最后的减产。

A.各处理0～60 cm宽行土壤含水率动态变化;B.各处理0～60 cm窄行土壤含水率动态变化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图2 各处理土壤含水率动态变化Fig.2 Dynamic change of soil moisture content in each treatment

2.2 不同水分处理全生育期土壤含盐量动态变化

由图3可知，不同水分处理土壤含盐量分布差异性明显，纵观整个生育期发现，根系区的土壤含盐量随着时间推移的动态变化趋势为含盐量先升高然后降低，最后再升高的特征。对生育期土壤含盐量分布变化进行分析可知：在种植初期，即到苗期没有灌溉的水分补充，而之前融化在浅层土壤中的雪雨水分又在地表蒸发作用下将土壤盐分返归到地表层，故起始阶段会出现一定程度的表层积盐情况；当生长到蕾期，随着灌溉水分的补充，并且随水滴肥，浅层土壤含盐量开始出现波动变化；进入花铃期，随着灌水次数的提高，灌溉定额的加大，发现盐分含量降低，这是因为土壤盐分尤其是是处于表层的得到充分的淋洗，将盐分驱赶到了深层土壤位置。值得一提，花铃前期比后期浅层土壤含盐量要略高于后期，可能由于花铃前期日照时长、强度大，致使土壤蒸发作用更加强烈；最后的吐絮期，灌水终止和降雨量稀少，在蒸发和蒸腾作用下盐分含量出现上涨。3种水分处理下，全生育期内宽行土壤平均含盐量为1.39 %、1.11 %和1.17 %，窄行数据为1.87 %、1.78 %和1.88 %。花铃期较初始盐分比较下，脱盐率效果为W3(40.2 %)>W2(29.4 %)>W1(27.1 %)。W3灌水定额大，对于土壤盐分淋洗充分，基本可将其驱逐至60 cm深度以下。W1灌水量偏小致使洗盐效果相比之下有所欠缺，主要因为低水量在土壤中下渗深度有限，在高温强光的自然环境条件下，水分多数被蒸发蒸腾作用下消耗掉，盐随水动而上移，致使脱盐效果最差。

使用滴灌系统，由于滴头范围处水流的水平扩散和不断的竖直下渗，土壤内盐分在水分带动下会出现定向分布[10]。不同灌溉制度对土壤盐分动态变化影响不同[11]。窄行与宽行吐絮期较播种时的棉花根层土壤平均盐分呈不同变化趋势[12]，宽行0～60 cm土层盐分含量相比开始时减小了9.98 %～37.19 %，窄行0～60 cm土层盐分含量却比初始值减小了15.24 %～48.27 %，首先薄膜覆盖有效抑制了地表蒸发，同时窄行处于滴头湿润体位置，使得土壤盐分直接被灌溉水驱动下移；宽行由于距离较远，直接受灌水影响相对较小，盐分驱迫效果有所欠缺。宽行棉花根系层土壤含盐率减少，主要是由于土壤湿润锋的推移，使得表层土壤盐分以滴头为中心以椭圆形向土壤深层和窄行淋洗[13]，而窄行含水率相对较低，由于新疆阳光蒸发强烈，盐随水动，从而使下层的盐分随水分的蒸发而上移，从而在上层土壤中出现了积盐问题。0～60 cm浅层土壤含盐率表现为减少。

2.3 不同水分处理对机采棉产量的影响

棉花的铃数，单铃重均为影响棉花产量的重要指标，对棉花单铃重、产量和水分利用效率等指标的分析结果表明，产量及产量构成指标均在灌水处理间的差异达到的显著水平，单株铃数与单铃重的影响程度体现出了一致性的变化规律：W2>W1>W3，W2处理单株棉铃数与W1、W3处理相比分别高出7.96 %和11.55 %；W2处理单铃重量与W1、W3处理相比分别高出1.97 %、3.28 %。

A.各处理0～60 cm宽行土壤含盐量动态变化;B.各处理0～60 cm窄行土壤含盐量动态变化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图3 各处理土壤含盐量动态变化Fig.3 Dynamic change of soil salinity in each treatment

W2处理产量与W1和W3处理相比分别提高12.07 %和23.31 %；水分利用效率取决于产量和耗水量，花铃期不同灌水下限处理表明W2处理具有最高的水分利用效率WUE=Y/ETc，达到1.30 kg·m-3，由于W2控制的灌溉定额与灌水频率能较好的淋洗根区盐分，并能与作物的耗水情况相较为一致，故利于棉花生长，产量达到最大值；W1处理仅为1.07 kg·m-3，W3处理为1.11 kg·m-3。

根据结果，W2处理的根区水盐情况较利于棉花生长，全生育期保墒、脱盐效果好，棉花长势理想，果节棉桃多，其棉花产量及水分利用效率均为最高。

3 讨 论

基于灌水下限目标指定的灌水制度，各处理间次灌水量和灌溉频率均有所不同，从而导致各处理不同生育期的土壤含水率和土壤含盐量不一致[14]，本试验中不同灌水下限处理在各生育期间的土壤水分分布特征和根系土层控盐效果均表现出较大的差异性。宽行棉花根系层土壤含盐率减少，主要是由于土壤湿润锋的推移，使得表层土壤盐分以滴头为中心以椭圆形向土壤深层和窄行淋洗[15]，而窄行含水率相对较低，由于新疆阳光蒸发强烈，盐随水动，从而使下层的盐分随水分的蒸发而上移，从而在上层土壤中出现了积盐问题。0～60 cm浅层土壤含盐率表现为减少，主根区土壤平均含盐量脱盐程度与灌溉定额呈显著正相关关系。各处理土壤脱盐程度均随着灌溉定额的增大而增加，这与王振华等[16]的研究相一致。

灌水量过多或过少均会造成棉花产量的降低[17-18]。这与周欢等[19]的研究结果相吻合。高灌溉定额引起产量降低的首要原因是由于过量的水分投入在淋洗大量盐分的同时，易造成土壤肥料的流失，引起土壤肥力的降低，使得棉花产量降低。通过对比产量和水分利用系数，得到由下限为70 %调控灌溉定额为30 mm的情况下为最适宜棉花的灌水方式，与申孝军等[20]得到试验结论完全一致。岳晶晶等[21]指出花铃前期为作物水分最敏感时期，如果棉田缺水则会最大程度影响到棉花产量，综合权衡下认为保持在田间持水率70 %～75 %为适宜的灌水下限，本试验中W2(70 %下限处理)相较缺水灌水处理，棉田产量大幅度提升，增幅可达30.39 %。

表3 产量及产量构成

4 结 论

(1)灌水下限决定着次灌水定额和灌水次数，不同水分下限调控对土壤含水量影响较大，与W3低水相比，W1高水和W2中水使棉花生长范围内的土壤含水率基本保持到相对田间持水量水平的60 %左右，未形成水分胁迫。

(2)灌溉策略的差异同样对土壤含盐量和洗盐效果影响明显。经过灌水前后的盐分比对，在倡导节水的前提下，W2可以满足根系土层区达到较为明显的淡化脱盐效果。

(3)不同水分调控下棉花产量和水分利用效率也出现了一定差异性。根据产量和水分利用效率数据结果，W2的产量和利用效率分别为5482.38和1.30 kg·m-3，均为最高值。

综上所述，W2(蕾期下限为60 %，花铃期下限为70 %)处理棉花生育期内水分生长环境理想，满足土壤盐分的淋洗及返盐维持动态平衡效果，实现了节水抑盐，同时也相应提高了水分利用效率与经济产量。