新疆绿洲棉田盐分及作物生长对灌溉方式的响应
胡宏昌1, 张治1, 田富强1, 杨鹏举1, 倪广恒1, 姚新华2    
1. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 100084;
2. 新疆塔里木河流域管理局, 库尔勒 841000
摘要:干旱地区的水资源短缺使得膜下滴灌逐渐取代大水漫灌,在新疆及中国北方地区得到大面积推广应用。为研究灌溉方式转变后的土壤盐分动态及对作物生长和产量的影响,于2011年和2012年开展了棉田膜下滴灌和漫灌对比实验。基于6900个土壤样本的水、盐结果及相关的作物观测数据,结果表明:膜下滴灌下,50 cm土壤深度内盐分在出苗期和灌溉期升高约25%,呈现出累积趋势;而漫灌条件下,灌溉期盐分得到充分淋洗,降低明显;滴灌盐分的入渗深度约为50 cm,而漫灌则达到150 cm以上。作为对土壤水盐分布改变的响应,膜下滴灌根系更为发达,滴灌条件下棉花根系总量是漫灌条件下的1.6倍;膜下滴灌和漫灌的水分利用效率(WUE)分别是0.68 kg/m3和0.22 kg/m3。膜下滴灌实现了良好的经济和环境效益,但在长期应用条件下需注意防治淋洗水量不足引发的盐碱化风险。
关键词干旱区    盐碱化    灌溉方式    盐分动态    作物响应    
Response of soil salinity and crop growth to irrigation methods in Xinjiang
HU Hongchang1, ZHANG Zhi1, TIAN Fuqiang1, YANG Pengju1, NI Guangheng1, YAO Xinhua2    
1. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2. Xinjiang Tarim River Basin Management Bureau, Korla 841000, China
Abstract: Mulched drip irrigation has gradually replaced flood irrigation and is now widely used in Xinjiang. This study explores the effects of the irrigation methods on the soil salt dynamics and the crop growth using experiments conducted from 2011 to 2012 in a cotton field with mulched drip and flood irrigation systems. The 6 900 samples was observed. The results show that the salinity increased during the growth period by 25% within the top 50 cm of the soil depth with mulched drip irrigation. With flood irrigation, the soil salinity markably decreased due to the large amount of irrigation water. The salt leaching depth was 50 cm for drip irrigation, but more than 150 cm for flood irrigation. The root density with drip irrigation was 1.6 times that of flood irrigation. The water use efficiency was 0.68 kg/m3 with mulched drip irrigation and 0.22 kg/m3 with flood irrigation. Thus, the mulched drip irrigation significantly enhances the water use efficiency; however, the salinization risk induced by the lack of leaching water must also be addressed.
Key words: arid area    salinization    irrigation method    salt dynamic    crop response    

新疆地处中国西北内陆,降水稀少,蒸发强烈,水资源严重紧缺,农业生产完全依赖于灌溉[1]。长期漫灌抬高了灌区地下水位,引发土壤次生盐碱化问题,制约着农业和区域的可持续发展[2]。为了进一步提高农业用水效率,防治土壤盐碱化,自上世纪90年代开始,膜下滴灌作为综合了覆膜和滴灌的高效节水灌溉方式,在新疆开始逐渐取代大水漫灌,并在中国西北和东北地区得到大面积推广应用[3]。至2009年,新疆膜下滴灌面积已经达到了1.20×106 ha,仍在不断扩大[4]。灌溉方式转变后,土壤水盐动态随之变化,水盐的累积和分布出现了新的特点和趋势[5, 6, 7]; 同时,土壤水盐状况通过根系影响作物生长和产量形成,带来不同灌溉方式下作物的生长状况和水分利用效率差异[8]。研究不同灌溉方式下的土壤水盐动态及作物响应,可以加深对灌溉方式转变影响的科学认识,从而更好地指导农业水管理生产实践,实现区域的可持续发展。

学者们对不同灌溉方式的对比,已经开展了不少研究。Ibragimov等[9]认为滴灌相比漫灌可节水18%~42%,实现提高水分利用效率和增加棉花产量的目标; Rajak等[10]通过不同水质的灌溉实验,认为相比于漫灌,滴灌可以带来更高的产量,特别是在土壤盐碱化严重、灌溉水矿化度较高的干旱半干旱区域; Cetin等[11]对比了棉花滴灌、沟灌和喷灌的用水效率,认为滴灌是其中最优的节水高产灌溉方式; 余根坚等[12]采用Hydrus模拟研究了畦灌和沟灌下的土壤水盐变化规律。膜下滴灌等节水方式在新疆得到大规模的推广应用,但针对新疆及中亚地区的不同灌溉方式对比研究仍比较有限。

近些年,由于膜下滴灌淋洗水量不足而引发的新的土壤次生盐碱化问题,引起了人们的关注[7]。膜下滴灌不同于大水漫灌,其灌溉水量少,水分入渗深度有限,盐分得不到充分淋洗,在土壤表层可能出现累积[13, 14]。Wang等[15]和Zheng等[16]认为,膜下淡水滴灌生育期土壤盐分处于淋洗状态; Kang等[17]在天津的实验结果表明,微咸水膜下滴灌会造成盐分的累积; 刘新永等[18]和杨鹏年等[19]认为膜下滴灌下生育期内土壤根区存在积盐现象。上述结论上存在差异和矛盾,表明土壤盐分变化趋势复杂,需要对比研究滴灌与漫灌等传统灌溉方式下盐分动态差异,进而指导节水灌溉下的农业生产。

棉花是一种耐盐喜光的经济作物,在世界范围内,特别是在干旱半干旱地区广泛种植。新疆是中国棉花的主产区[20],棉花产量占全国总产量的50%,棉田大多采用膜下滴灌的灌溉方式。本文基于2011—2012年在新疆南疆库尔勒绿洲开展的棉田实验,对比膜下滴灌和漫灌土壤盐分生育期变化,定量化灌溉盐分淋洗深度,以分析不同灌溉方式的棉花生长状况和水分利用效率。

1 材料和方法 1.1 研究区域概况及实验设置

田间实验分别于2011年和2012年生育期(播种至收获结束)在新疆清华大学-库尔勒生态水文实验基地开展(86°12′E,41°36′N,图 1)。实验区域多年平均降水量为58.6 mm,20 cm蒸发皿蒸发量为 2 788.2 mm,日照时数为3 036 h,年平均气温为 11.48 ℃[21]。2011年生育期为5月2日至10月31日共计183 d,2012年生育期为4月23日至10月31日共计192 d。2011年和2012年的平均气温分别为为22.4 ℃和21.2 ℃,降水累计总量分别为39.3 mm和43.1 mm,通过FAO Penman-Moteith 公式计算的年参考作物蒸散发量[22]分别为 854.4 mm 和805.9 mm。

图 1 研究区域位置  

实验地的观测期地下水埋深为1.4~4.9 m,生育期平均埋深约为2.4 m,地下水的电导率(EC)约为3.9~6.0 dS/m。灌溉用水引自孔雀河,通过库塔干渠送至田间,电导率约为0.9 dS/m。试验区土壤以壤土、粉壤土和砂壤土为主,土壤干容重为 1.58~1.74 g/cm3[6]。实验地块的粒径分布剖面如图 2所示,每个地块的数据来自9个剖面重复的测量结果,上下截止横线表示标准差。2012年滴灌处理土壤粘性最强,2011年滴灌处理土壤砂性最强,3个实验地块都表现出了上层较粘、底层偏砂的土壤质地分布特征。

图 2 土壤深度S和粉、粘粒体积百分比θ的关系  
1.2 棉花种植和田间管理

棉花一般于4月下旬播种,于9月—10月完成收获; 主要采用2种滴灌布设模式,即“一膜一管四行”和“一膜两管四行”(如图 3)[7]。“一膜一管四行” 表示4行棉花由一条滴灌管供水,并覆盖一张地膜; “一膜两管四行”则表示4行棉花由2条滴灌管供水,并覆盖1张地膜。2011年分别进行了膜下滴灌(“一膜两管四行”)和大水漫灌实验; 2012年,采用膜下滴灌(“一膜一管四行”)实验。

图 3 滴灌布设模式  

棉花以0.1 m的间距进行行播,预期植株密度为2.6×105株/ha,但由于漏播、未出苗及苗期风冻灾害死亡等影响,最终实际植株密度一般为 1.0×105 株/ha。灌溉从6月中旬开始,至8月下旬结束,实验地采用的灌溉制度如表 1所示。所有的实验地块在上一年冬季都进行了冬灌。漫灌处理的灌溉水量通过渠口流速断面法估算。

表 1 实验地灌溉记录  
2011年滴灌 2011年漫灌 2012年滴灌
日期 灌水量 日期 灌水量 日期 灌水量
mm mm mm
05-09 35.60 06-16 390.00 06-10 65.17
06-16 29.26 07-07 280.00 06-21 34.35
06-25 41.85 07-24 325.00 06-28 35.32
07-05 45.83 08-11 325.00 07-06 36.77
07-10 56.08 10-08 110.00 07-15 33.26
07-17 46.81 07-26 44.10
07-22 77.70 08-04 40.01
08-01 61.19 08-08 59.28
08-08 75.70 08-12 46.73
08-14 42.99 08-17 42.19
08-22 28.06 08-22 50.84
08-28 14.32 08-27 52.22
总计 555.40 总计 1 430.00 总计 540.23
1.3 数据测量及分析方法

土壤样本通过土钻取土获得,在2011和2012年生育期,每月采样一次(表 2),每次采样设置了10个重复,在宽行、窄行和膜间分别取样,采样深度为0~10 cm、 10~20 cm、 20~30 cm、 30~40 cm、 40~50 cm、 50~60 cm、 60~80 cm、 80~100 cm、 100~120 cm、 120~150 cm,宽行、窄行和膜间3个位置的平均值即为该土壤层的代表值。土壤样本在105 ℃烘干8 h,计算含水率。烘干土样磨细后通过2 mm筛子,配置成土水质量比为1∶5的混合液,振荡30 min、 静置30 min后取出上清液,以 3 000 r/min的转速离心30 min,通过电导率仪测量其电导率,采用电导率表征土壤盐分质量百分比[23]

表 2 土壤采样日期  
年份 灌溉方式 日期
2011年 滴灌 05-03
05-10
06-02
07-02
08-01
09-01
漫灌 05-14
06-02
07-02
08-01
08-31
10-02
2012年 滴灌 04-24
05-21
06-10
07-09
08-10
09-18

土壤剖面的水盐平均值通过加权平均法求得,计算公式如下[24]

$ {\rm{EC}} = \frac{{\sum\limits_{j = 0 \sim 10,\ldots ,120 \sim 150}^{k = 0,30,65} {{\rm{EC}}\left( {j,k} \right) \cdot S\left( {j,k} \right)} }}{{\sum\limits_{j = 0 \sim 10,\ldots ,120 \sim 150}^{k = 0,30,65} {S\left( {j,k} \right)} }}. $
其中: EC(j,k)是在j cm土层、距离膜中间位置k cm处取得的土壤样本电导率值,dS/m; k为土壤样本距滴灌带距离,在土壤深度分别为0、 30、 65 cm处分别代表宽行、窄行、膜间; S(j,k)为EC(j,k)土壤深度范围。连续的土壤水分数据采用土壤水分探头Hydra(Hydra Probe,Stevens Water Monitoring System,Inc.,Beaverton,OR,USA)及TDT测量(Digital TDT,Acclima Inc.,Meridian,ID,USA),探头埋设位置为膜下和膜间,土壤深度分别为10、20、30、 50、 80 cm,采集间隔为60 min。气象数据采用Vantage Pro2TM 自动气象观测站监测,记录时间间隔为60 min,记录数据为降水、气温、空气湿度、辐射、日照时数、 2 m高处风速等。以15 d为间隔,在漫灌和滴灌处理分别选择8棵固定植株进行株高测量,选择8棵代表性的棉花植株取回,105 ℃ 杀青45 min,75 ℃烘干36 h至恒重,测量其干物质。2011年9月15日,在漫灌和滴灌处理分别选择3个典型位置进行根系测量,在沿滴管带 10 cm 的横断面上,以10 cm×10 cm×10 cm立方体为单元取出完整土块,冲洗得到棉花根系,自然风干后测量根重; 取根深度至无根系存在为止。棉花收获期,在滴灌和漫灌处理分别选择5个代表样方(样方面积为 2.6 m×2.6 m),进行棉花产量测定,并记录其棉铃数。

2 结果与分析 2.1 滴灌土壤盐分动态

棉花根系主要分布在50 cm深度范围内,土壤盐分动态以50 cm深度为分析范围。图 4a反映了2011年滴灌处理的土壤盐分变化情况,盒子中的实线表示10个重复的中值,虚线表示均值,盒子的边缘分别表示25%和75%的分位数,上截止横线表示变量值本体最大值,下截止横线表示变量值本体最小值,黑色原点表示奇异值。5月9日进行了约36 mm的灌水,盐分得到淋洗,出现了一定程度的降低。随后近一个月的时间里,由于当地蒸发作用强烈,且棉花处于苗期,尚未形成较完整的作物覆盖,土壤直接暴露于日照之下,膜间裸土蒸发明显,深层水分向上运移,造成了土壤返盐,至6月2日,盐分有了一定幅度的升高,平均值为2.17 dS/m,达到了播种初期(5月3日)土壤盐分的106%。灌溉期从6月16日开始,至8月28日结束,共灌水11次。由于灌溉水量较少,淋洗水量不足; 同时作物生长旺盛,蒸腾作用强烈,盐分在50 cm根区有了一定程度的累积,9月1日盐分平均值为5月3日的121%,绝对值为2.49 dS/m。

图 4 不同灌溉方式50 cm深度范围内盐分动态  

2012年膜下滴灌处理的盐分动态与2011年结论一致(图 4b)。4月24日至5月21日盐分轻微累积,5月21日至6月10日盐分累积明显,由于更强的潜在蒸发能力导致土壤蒸发加大,返盐作用加强所致。5月21日的土壤盐分为播种初期(4月24日)的103%,6月10日达到了播种初期的128%,积盐作用非常明显。滴灌开始后,由于表层盐分含量高,灌溉对盐分的淋洗作用明显,形成脱盐区; 随着灌溉的进行,盐分又逐渐升高,生育期末达到最大值,平均值为2.77 dS/m,是4月24日的134%。

2011和2012年的实验结果表明,膜下滴灌的灌溉方式下,土壤盐分在出苗期和灌溉期内发生了一定程度的累积,膜下滴灌有限的灌溉水量和湿润面积,不能完全淋洗土壤表层的盐分[14],造成了根区盐分的增加,灌溉期结束时升高幅度在25%左右。

由于当地降雨稀少,灌溉对土壤水分影响显著,灌溉之后立即取土测量得到的土壤体积含水率都较高。土壤水分探头连续的观测结果很好地反映了这种灌溉与土壤水分的相关关系(图 5a)。从总量上看,灌溉期内土壤水分高于生育期的其他月份,有效的满足了作物生长旺季的水分需求。停灌之后,2011年10月3日和2012年9月18日的土壤平均体积含水率分别为灌溉期的74%和75%,土壤水分下降明显。

图 5 不同灌溉方式50 cm深度范围内水分连续动态变化  
2.2 传统漫灌土壤盐分动态

传统漫灌棉田灌水次数少,灌溉水量大,盐分得到了充分淋洗[25],水盐年内变化规律完全不同于膜下滴灌棉田。由图 4c可以看出,在灌溉开始前,5月14日至6月2日之间,盐分有较为明显的上升,这一时期盐分变化规律与滴灌棉田相同。随着灌水的进行,表层盐分大多被淋洗到了深层,在棉花生长旺盛的7月和8月,盐分平均值仅为播种初期的65%,土壤环境得到了显著改善。8月中旬停灌后,盐分淋洗停止,而地下水和深层土壤水作为作物生长的水分来源,不断向上补给,带来了盐分累积; 到10月2日,盐分平均值已经较8月31日高出了123%,累积明显,但由于灌水期间较强的淋洗作用,10月2日盐分平均值低于播种初期,为5月14日的79%。较高的地下水位带来强烈的潜水蒸发,盐分将在秋冬季节继续累积,并将超过播种初期,最终引发盐碱化问题。与滴灌情况相同,灌溉显著影响着漫灌处理的土壤水分状况(图 5b)。

2.3 盐分淋洗深度对比

灌溉水量不同,水分下渗的深度和下渗量也不相同,从而带来不同的盐分淋洗效果。在土壤盐分平衡中,除了作物生长过程吸收少量的离子并随作物带走外,大部分盐分只能通过淋洗至地下水的方式离开所在的土壤层[13]。因此,淋洗深度是灌溉过程中需要考虑的重要问题。

为了探讨淋洗深度,本文选择连续灌溉的7月至8月时段进行分析。结果见表 3。2011年滴灌处理7月2日至8月1日间灌溉量为226.42 mm,30 cm 深度范围内盐分出现了淋洗,淋洗比例(前后电导率值之差与平均值的比值)大致为3.5%; 但在50 cm剖面内,盐分却出现了累积,分析剖面扩大至150 cm,累积现象更为显著。2012年滴灌处理的结果与2011年基本相同,30 cm深度范围内淋洗比例为5.4%,50 cm深度范围内基本保持平衡,而150 cm深度剖面范围内出现了轻微的盐分累积。

表 3 不同灌溉方式的生育期盐分淋洗比例  
年份 灌溉方式 灌水量 剖面 EC 淋洗比例
mm cm 7月 8月 %
2011 滴灌 226.42 30 2.525 2.439 3.5
50 2.254 2.505 -10.5
150 1.551 1.779 -13.7
漫灌 605.00 30 1.981 1.453 30.8
50 1.824 1.198 41.4
150 1.307 0.859 41.4
2012 滴灌 176.65 30 2.480 2.350 5.4
50 2.074 2.068 0.3
150 1.417 1.422 -0.4

由此可判定,滴灌处理的盐分淋洗深度大致在50 cm左右,2011年较浅的淋洗深度,可能与50~60 cm处的粘土夹层有关(图 2)。对比2011年的漫灌处理,3个深度剖面都出现了较大程度的盐分淋洗,说明灌溉水量较大,水分入渗较深,淋洗深度已经到达了150 cm以下。

2.4 作物响应及水分利用效率

漫灌和膜下滴灌处理具有不同的水盐变化规律,土壤水盐通过根系影响作物的生长发育,导致了不同的棉花生长状况。对比漫灌和滴灌的根系剖面见图 6。从图 6可以看到,2行棉花的下方,出现了2个根系集中区域,代表着棉花的主根区,根系密度最高可达到3 kg/m3; 随着土壤深度的增加,根系密度逐渐降低。由于滴灌水量较少,水分入渗深度较浅,根系主要分布在浅层,45 cm以下根系基本可以忽略[26]; 而漫灌水分入渗较深,根系主要分布在55 cm以上区域。滴灌处理膜间水分少,根系向膜间延伸弱于漫灌处理。从总量上来看,由于滴灌处理水分条件更差一些,其根系更为发达[27],滴灌根系总量是漫灌的1.6倍。根系的生长体现了作物对周围环境的反馈响应机制,正是由于健壮的根系,滴灌棉花可以更好地吸收土壤中的水分和养分,实现作物的良好生长。

图 6 2011年不同灌溉方式棉花根系分布  

作物性状方面,漫灌棉田土壤水分相对充足,棉花易出现枝干疯长。由图 7可知,6月份和7月份漫灌棉花株高高于滴灌,而进入8月份后,滴灌棉花株高超过了漫灌植株,表现出更好的长势; 干物质方面,虽然滴灌植株在株高上低于漫灌处理,营养生殖方面较为落后,但在生殖生长方面却优于漫灌,棉铃多且较大(图 8),因此在干物质对比上,滴灌处理高于漫灌处理。最终的籽棉产量上,滴灌处理为4 069 kg/ha,漫灌处理为3 175 kg/ha,滴灌产量为漫灌产量的128%。从水分利用效率的角度来说,2011年生育期降雨为39.3 mm,滴灌和漫灌灌水量分别为555.4 mm和1 430.0 mm,滴灌和漫灌的水分利用效率(WUE)分别为0.68 kg/m3和 0.22 kg/m3,滴灌实现了节水增产的良好效益[10, 28]

图 7 2011年不同灌溉方式棉花干物质及株高  
图 8 不同灌溉方式棉花产量(2011年)  
3 讨 论

土壤盐分淋洗与累积的动态平衡,直接导致土壤盐分总量的变化,并表现为盐碱化的趋势。因此,不能简单断定灌溉洗盐或者灌溉积盐,盐分平衡是唯一判断的指标。长期耕作的土壤,粒径体积百分比和性质相对比较稳定,因此耕作层盐分主要有2个外部的来源,分别是地下水中所含盐分和灌溉水中所含盐分(包括化肥等),2个来源在不同灌溉方式下的贡献存在差别。膜下滴灌时,地下水位较深,潜水蒸发较弱,地下水对土壤表层盐分贡献较少; 但是,灌溉水量少,淋洗水量不足,导致了灌溉水带来的盐分在表层累积,引发盐碱化。传统漫灌时,灌溉水量大,生育期盐分淋洗充分; 但由于地下水位较高,潜水蒸发使地下水中的盐分大量积累于地表,导致灌溉停止后返盐剧烈。深入理解盐分来源及盐碱化机理,对于不同灌溉方式下的盐碱化防治至关重要。

由于漫灌灌溉水量是膜下滴灌的2.6倍,因此在生育期内漫灌的土壤水盐整体情况其实优于滴灌。但从作物生长的角度看,滴灌却让作物生长状况变好,产量提高,这主要源于少量多次的灌水,为作物提供了较为稳定的水分环境[29]。滴灌处理不会出现大水漫灌过程中连续2~3 d的积水情况,积水使根区缺乏空气,影响根系呼吸,从而对作物生长不利[30]; 同时,由于作物对周围环境的响应,滴灌棉花拥有更强的根系系统,保障了水分和养分的吸收。因此,膜下滴灌和漫灌的水分利用效率(WUE)分别是0.68 kg/m3和0.22 kg/m3,水分利用效率提高了3倍,膜下滴灌达到了节水高产的预期目标[28]。本文研究结果说明,土壤盐分并不是作物生长的绝对限制因素,在土壤盐分较高的情况下,合适的灌溉制度,适宜的土壤水分,可以最大限度的降低盐碱化对作物的危害,保障作物的正常生长。

4 结 论

基于2011年和2012年的实验观测数据,分析了漫灌与膜下滴灌这2种灌溉方式下棉花生育期土壤水盐动态变化规律,并对比了不同灌溉方式下棉花生长状况和作物响应。本文结论基于10个重复的观测处理,用于分析的土壤样本总数超过6 900个,通过大量取样的方法,从统计意义上降低了数据的不确定性,提高了结果的可靠度。结果表明: 漫灌和膜下滴灌这2种不同的灌溉方式下,土壤水盐动态规律有较大差别。膜下滴灌下,在50 cm深度范围内,土壤盐分在灌溉开始前上升明显,灌溉开始后先出现淋洗,后逐渐累积; 至灌溉期结束时,盐分相比于播种初期,升高幅度大致在25%左右; 在漫灌条件下,盐分在播种后至灌溉开始前累积,进入灌溉期后,由于灌水量大,盐分充分淋洗并不断降低,灌溉期结束时50 cm深度范围内盐分大致为播种初期的64%。膜下滴灌的盐分淋洗深度大致为50 cm,而漫灌的淋洗深度为150 cm以上。

总体来说,膜下滴灌实现了良好的经济和环境效益,达到了节水高产的目标。然而也应注意,膜下滴灌淋洗水量不足引发的盐碱化风险,在未来可能制约干旱区农业的进一步发展。因此,制定合理可行的膜下滴灌土壤盐碱化防治方案,例如采用非生育期大水漫灌洗盐,将促进膜下滴灌在干旱区农业生产中的科学应用,最终实现区域的可持续发展。

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