鄭 明，白云崗，張江輝，劉洪波,3，王 蓓，肖 軍，丁 宇，韓政宇

(1.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049;2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052;3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部鹽堿土改良與利用(干旱半干旱區(qū)鹽堿地)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

棉花作為新疆特色農(nóng)作物之一，截止到 2017年棉花播種面積221.7萬(wàn)hm2，其中阿克蘇地區(qū)棉花種植面積為31.5萬(wàn)hm2，占全疆棉花種植面積13.87%，占阿克蘇地區(qū)農(nóng)作物種植面積的35.63%[1],因此棉花在阿克蘇地區(qū)具有舉足輕重的地位。但隨著新疆水資源短缺問題不斷加劇，嚴(yán)重限制了新疆棉花種植業(yè)的發(fā)展，為此水管部門制定了棉花全生育期毛灌溉水量為6 555 m3·hm-2(包含冬灌或春灌水量2 700 m3·hm-2)[2]。除去冬春灌溉水量，剩余3 855 m3·hm-2水量并不能足量地保證棉花正常灌溉，但若不冬灌或者春灌可能會(huì)引起土壤鹽堿含量高而不利于棉花出苗，因此亟需尋求一種節(jié)水控鹽的灌溉模式。

近年來(lái)，新疆廣泛實(shí)施的膜下滴灌技術(shù)對(duì)該地區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水和作物高效生產(chǎn)起著十分重要的作用。為此大量學(xué)者開展了膜下滴灌農(nóng)田土壤水分分布和作物生長(zhǎng)特性研究。當(dāng)膜下滴灌技術(shù)隨著年限增加，無(wú)冬春灌水量淋洗土壤鹽分可能會(huì)造成土壤鹽分累積，對(duì)后續(xù)作物種植將產(chǎn)生不利影響，但有研究表明使用良好的水質(zhì)與制定合理的灌溉制度灌溉，農(nóng)田土壤鹽分含量不會(huì)隨滴灌技術(shù)使用年限而增加[3]，土壤中鹽分會(huì)隨滴灌水向水平方向推移，從而降低棉花根區(qū)含鹽量，膜間裸地鹽分增加[4]，從而降低土壤鹽堿含量[5]。另外一些研究認(rèn)為膜下滴灌較不覆膜滴灌土壤蒸發(fā)量降低顯著降低，進(jìn)而提高了根區(qū)土壤含水率和水分利用效率[6]，減少土壤滲漏，提高肥料利用效率，增加根區(qū)土壤溫度，促進(jìn)作物生長(zhǎng)與增產(chǎn)。綜上所述膜下滴灌具備抑制土壤深層滲漏、減少棵間蒸發(fā)、節(jié)水、節(jié)肥、淡化根區(qū)鹽分、增溫、保墑等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。

干播濕出是一種免冬春灌溉、在播種后灌溉適量出苗水的種植模式。相比冬灌與春灌具有明顯節(jié)約水資源的優(yōu)勢(shì)，有研究證實(shí)對(duì)于中低鹽堿化土壤，干播濕出種植模式可以改善作物根系分布、出苗率以及產(chǎn)量[9]，但膜下滴灌技術(shù)與干播濕出種植模式相結(jié)合的研究鮮有報(bào)道，干播濕出技術(shù)應(yīng)用在棉花的灌溉制度也未見報(bào)道，尤其灌溉出苗水后土壤水通過膜孔蒸發(fā)是否對(duì)表層土壤板結(jié)度、土壤水鹽運(yùn)移、棉花出苗率以及生長(zhǎng)指標(biāo)的影響還有待進(jìn)一步探究。由此可見開展膜下滴灌條件下的干播濕出灌溉技術(shù)研究對(duì)進(jìn)一步提高水資源利用效率等問題具有指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)開展時(shí)間為2021年4月—5月，研究區(qū)位于新疆沙雅縣海樓鎮(zhèn)海樓村(41°17′19″N，82°42′44″E，海拔986 m)，東與努爾巴格鄉(xiāng)、沙雅鎮(zhèn)、托依堡勒迪鎮(zhèn)接壤，南與蓋孜庫(kù)木鄉(xiāng)相鄰，西與英買力鎮(zhèn)、央塔克協(xié)海爾鄉(xiāng)相鄰，北與紅旗鎮(zhèn)相連，距離沙雅縣城10 km。該區(qū)屬暖溫帶沙漠邊緣氣候，日照充足，年平均降雨量81.6 mm，年蒸發(fā)量2 000 mm以上，年平均日照長(zhǎng)達(dá)3 000 h，年平均氣溫10.7℃。試驗(yàn)田土壤類型為粉壤土，土壤容重1.58 g·cm-3，田間持水率為21.83%，土壤含鹽量小于1 g·kg-1，冬季地下水埋深約3.8 m，春季地下水埋深約2.9 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試材料為棉花，品種為‘源棉11’。膜寬2.05 m，采用一膜三管六行種植模式(10 cm+66 cm+10 cm+66 cm+10 cm)，即寬行寬度66 cm，窄行寬度10 cm，膜間寬度66 cm，覆膜方式為單膜，具體種植模式見圖1。滴頭流量2.1 L·h-1，滴頭間距30 cm，鋪在寬行之間距棉行間距10 cm處。犁地前按900 kg·hm-2撒施復(fù)合肥作為底肥。4月16日播種，棉穴覆土模式為正封土，覆土厚度1～2 cm，播種深度3 cm，播種株距10 cm。首次灌水日期為4月20日，滴灌水為水庫(kù)水與井水的混合水(電導(dǎo)率為1.97 mS·cm-1)，灌溉水量采用水表計(jì)量。設(shè)計(jì)不同灌水量(675 m3·hm-2、900 m3·hm-2與1 125 m3·hm-2)與不同灌水頻次(灌水次數(shù)為1次、2次與3次)兩因素，對(duì)照處理為冬灌2 700 m3·hm-2，冬灌灌水日期為2020年11月3日。小區(qū)試驗(yàn)面積為7 m×7 m，每個(gè)處理重復(fù)3次，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.1 土壤板結(jié)度 于4月27日對(duì)棉花穴坑處的土壤板結(jié)程度進(jìn)行測(cè)定，從每個(gè)處理中隨機(jī)選取20組棉穴，使用硬度計(jì)(TYD-2，艾測(cè))測(cè)定其板結(jié)程度，硬度計(jì)插入土中深度為3 cm，取其平均值作為相應(yīng)處理的土壤板結(jié)度。

圖1 干播濕出棉花種植模式/mmFig.1 Dry sowing and wet out cotton planting mode

表1 干播濕出棉花灌溉試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental design of dry sowing and wet out cotton irrigation

1.3.2 土壤含水率與電導(dǎo)率 于4月19日(灌溉前)和4月27日(灌溉后)在各處理膜間、寬行、窄行處使用土鉆取土，取樣深度為100 cm，其中40 cm以上土層間隔10 cm，40 cm以下土層間隔20 cm。采用烘干法測(cè)定質(zhì)量含水率，并轉(zhuǎn)換成體積含水率。采用電導(dǎo)率儀(DDS-307A，雷磁)測(cè)定土壤提取液(土水比1∶5)電導(dǎo)率。

1.3.3 出苗率 于5月5日對(duì)棉花出苗情況進(jìn)行測(cè)定，在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)沿行向隨機(jī)量取長(zhǎng)度為2 m的三膜棉花，對(duì)棉花的出苗數(shù)與空穴數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，出苗率按下式計(jì)算：出苗率=出苗數(shù)/(總穴數(shù)-空穴數(shù))×100%。

1.3.4 株高與莖粗 于5月12日從每個(gè)處理中隨機(jī)選取20組棉苗，分別使用電子游標(biāo)卡尺(精度為0.01 mm)和直尺測(cè)定莖粗與株高，取其均值作為該處理平均莖粗與株高。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，采用Origin 2018進(jìn)行繪圖，采用SPSS 19.0的雙因素方差與多重比較對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析以及偏相關(guān)分析。

注：不同小寫字母表示處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P<0.05).圖2 各處理表層土壤板結(jié)度Fig.2 Surface soil compaction degree of each treatment

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理表層土壤板結(jié)度分析

表層土壤板結(jié)度受出苗水總量和灌水頻次影響，雙因素方差分析表明，出苗水總量和灌水頻次對(duì)表層土壤板結(jié)度無(wú)交互作用(P>0.05)。由圖2可知，在單次灌溉條件下(WP1、WP2與WP3處理)，土壤表層板結(jié)度隨灌溉水量呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，其中WP3處理板結(jié)度最大(238.1 kPa)，是CK處理的2.36倍；干播濕出處理中，受灌水量與灌水頻次共同影響，WP4處理板結(jié)度最小(99.87 kPa)，但與WP5、WP6及CK處理無(wú)顯著差異。在多次灌溉條件下，隨出苗水次數(shù)增加，土壤表層板結(jié)度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，且WP4、WP5與WP6處理無(wú)顯著差異。這說明高頻少量的灌溉制度會(huì)使表層土壤一直處于濕潤(rùn)狀態(tài)，從而降低土壤板結(jié)度。

2.2 不同處理土壤水鹽分布

2.2.1 灌溉前不同處理土壤電導(dǎo)率和含水率分布特征 由圖3可知，CK處理不同土壤層電導(dǎo)率總體低于干播濕出處理，說明冬灌對(duì)土壤鹽分具有明顯的淋洗效果，在蒸發(fā)作用下地表出現(xiàn)鹽分表聚現(xiàn)象。覆膜阻礙了土壤蒸發(fā)作用，膜內(nèi)水分只能通過膜間向大氣蒸發(fā)，導(dǎo)致膜間土壤電導(dǎo)率總體高于膜內(nèi)土壤電導(dǎo)率。膜間與膜內(nèi)土壤電導(dǎo)率均在0～10 cm土層最大，為典型的鹽分表聚型。30～100 cm土層土壤電導(dǎo)率較0～30 cm土層小，原因可能為機(jī)耕使0～30 cm土壤疏松，增大了土壤孔隙對(duì)鹽分運(yùn)移具有阻礙作用。受冬灌影響，CK處理土壤含水率明顯高于干播濕出處理。覆膜可以減緩?fù)寥勒舭l(fā)，使得膜內(nèi)含水率高于膜間。棉穴含水率(0～10 cm)約為14%，膜內(nèi)與膜間30～40 cm土層土壤含水率均高于其它土層，這是由于機(jī)耕造成水分留存此處，但由于取樣時(shí)間僅在播種后兩天，所以鹽分還未大量聚集。

2.2.2 灌溉后不同處理對(duì)土壤電導(dǎo)率和含水率分布特征 由圖4可知，由于表層土壤受灌水和蒸發(fā)的影響，鹽分變化幅度大，洗鹽和積鹽現(xiàn)象都比較顯著[10]，因此各處理的膜間鹽分分布均呈現(xiàn)表聚型，窄行中鹽分表現(xiàn)為淺層與深層較中間層大，寬行土壤含鹽量介于窄行與膜間之間。在耕作層(0～40 cm)中窄行鹽分明顯低于寬行與膜間，而40 cm以下土層各位置鹽分含量基本一致。寬行與窄行主要受灌水影響，使鹽分向下運(yùn)移，同時(shí)也發(fā)生水平運(yùn)移至膜間，膜間土壤蒸發(fā)量較大，使鹽分留存地表。綜上各處理均表現(xiàn)為膜間土壤含鹽量總體大于窄行與寬行，說明干播濕出灌溉水可以起到壓鹽效果，使棉穴鹽分含量下降，并起到一定作用的水平排鹽效果。

對(duì)各處理不同位置0～100 cm土層的電導(dǎo)率求平均值，進(jìn)行差異性分析(表2)。干播濕出處理電導(dǎo)率均大于CK處理，說明干播濕出水量不足以起到淋洗0～100 cm土壤鹽分的效果。各處理不同位置鹽分含量均表現(xiàn)為膜間>寬行>窄行。受覆膜影響，WP1～WP6處理膜間含鹽量相比窄行分別高12.50%、11.53%、14.81%、26.08%、15.38%與15.38%。對(duì)于寬行、窄行與膜間位置，干播濕出處理中，WP1處理鹽分含量基本為最小。

圖3 灌溉前不同處理的初始土壤電導(dǎo)率及含水率Fig. 3 The initial soil conductivity and water content of different treatments before irrigation

圖4 灌溉后不同處理土壤電導(dǎo)率分布特征Fig. 4 Characteristics of soil conductivity distribution of different treatments after irrigation

由圖5可知。隨著灌溉水量和灌水頻次的增加，各處理土壤含水率整體表現(xiàn)為WP6>WP5>WP3>WP4>WP2>WP1>CK，各處理寬行、窄行以及膜間的土壤含水率表現(xiàn)為寬行>窄行>膜間。WP1、WP2與WP4處理寬行與窄行0～30 cm土層土壤含水率基本介于20%～25%之間，利于棉花出苗。WP3、WP5與WP6處理寬行與窄行0～30 cm土層土壤含水率基本介于30%～35%之間，土壤含水率過高不利于棉花出苗。

表2 各處理0～100 cm土層土壤平均電導(dǎo)率Table 2 Average electrical conductivity of soil in 0～100 cm soil layer for each treatment

圖5 灌水后不同處理土壤含水率分布特征Fig.5 Distribution characteristics of soil water content of different treatments after irrigation

2.3 不同灌溉處理棉花出苗及生長(zhǎng)指標(biāo)分析

對(duì)各處理出苗率、株高及莖粗進(jìn)行雙因素方差分析，結(jié)果顯示灌溉水總量與灌水頻次對(duì)出苗率、株高及莖粗均無(wú)交互作用(P>0.05)，出苗率與灌水總量關(guān)系顯著(P<0.05)，但與灌水頻次無(wú)相關(guān)性(P>0.05)；株高、莖粗均與出苗水總量、灌水頻次關(guān)系顯著(P<0.05)。

由表3可知，WP1、WP2、WP3、WP4、WP5、WP6處理棉花出苗率較CK處理分別降低18.52%、11.38%、32.65%、0.50%、26.34%、19.93%，WP4處理出苗率與CK處理無(wú)顯著性差異(P>0.05)。WP3處理相比CK處理出苗率明顯下降，原因是灌溉水量過大導(dǎo)致土壤含水率過高，延長(zhǎng)了棉種萌發(fā)時(shí)間，同時(shí)造成部分棉種腐爛，最終影響出苗。WP5與WP6處理與WP3處理灌溉水總量相同，但灌水次數(shù)有所增加，屬于少量高頻灌溉模式，使得兩處理出苗率較WP3處理有所提高。WP1、WP2、WP4處理與CK處理之間的株高與莖粗均無(wú)顯著性差異，但顯著高于WP3、WP5與WP6處理，說明灌溉水量為675 m3·hm-2與900 m3·hm-2更有利棉花生長(zhǎng)。

2.4 不同灌溉處理出苗率和生長(zhǎng)指標(biāo)的相關(guān)性分析

將表層土壤板結(jié)度、灌后不同位置土壤含水率和電導(dǎo)率與棉花出苗率和生長(zhǎng)指標(biāo)(株高和莖粗)進(jìn)行偏相關(guān)分析，由表4可知，除膜間電導(dǎo)率之外，其他因素與出苗率均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。說明灌水后膜內(nèi)土壤中可溶性鹽隨水分發(fā)生水平運(yùn)移至膜間處，有利于棉花出苗。表層土壤板結(jié)度、窄行電導(dǎo)率及窄行含水率對(duì)出苗率具有極顯著影響，影響程度表現(xiàn)為窄行電導(dǎo)率>表層土壤板結(jié)度>窄行含水率。所有因素與株高和莖粗具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，出苗后表層土壤板結(jié)度已不再是影響生長(zhǎng)指標(biāo)的關(guān)鍵因素，故對(duì)棉花生長(zhǎng)具有極顯著影響的因素有窄行電導(dǎo)率和土壤不同位置含水率，影響程度表現(xiàn)為土壤各位置含水率>窄行電導(dǎo)率；此外土壤各位置含水率與生長(zhǎng)指標(biāo)均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明本試驗(yàn)處理出苗水量偏大不利于棉花生長(zhǎng)。

表3 各處理棉花出苗率及生長(zhǎng)指標(biāo)Table 3 Cotton seedling emergence and growth index of each treatment

3 討 論

有研究通過滴灌土壤濕潤(rùn)體內(nèi)含鹽率與土壤初始含鹽率以及作物耐鹽度的相對(duì)大小將土壤濕潤(rùn)體劃分為脫鹽區(qū)、達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)、未達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)和積鹽區(qū)[11]。本研究中的干播濕出在棉花播種后灌溉出苗水，可以有效地對(duì)棉花根區(qū)進(jìn)行脫鹽，尤其在水平方向，鹽分被淋洗至浸潤(rùn)體外緣，使根區(qū)土壤形成低鹽區(qū)[12]。在干旱區(qū)強(qiáng)烈蒸發(fā)作用下，土壤覆膜削弱了土壤水分在垂直方向的蒸發(fā)，進(jìn)而增強(qiáng)了土壤水分側(cè)向運(yùn)移，最終向作物生長(zhǎng)行間裸露區(qū)域遷移[13]，減小了鹽分隨地表蒸發(fā)和毛管水上升而表聚地表[14]。這使得膜間0～20 cm土層含鹽量顯著高于寬行與窄行，同時(shí)因膜間無(wú)覆膜，受土壤蒸發(fā)作用，出現(xiàn)鹽分表聚現(xiàn)象。寬行位于三條滴灌之間，是滴灌浸潤(rùn)體的交叉位置，受出苗水水平推移鹽分影響，導(dǎo)致0～20 cm土壤層含鹽量高于窄行。本試驗(yàn)使用的灌溉水為水庫(kù)水與地下水的混合水，具有一定的含鹽量(電導(dǎo)率為1.97 mS·cm-1)，因此對(duì)土壤脫鹽效果不顯著。棉花根區(qū)土壤含鹽量低于0.37%，對(duì)棉花出苗無(wú)影響[15]。本試驗(yàn)田土壤質(zhì)地為粉壤土，灌溉前與灌溉后含鹽量均低于0.3%，因此影響本試驗(yàn)棉花出苗率的主要因素為土壤含水率與表層土壤板結(jié)度。

表4 不同因素對(duì)棉花出苗率及棉花生長(zhǎng)的偏相關(guān)分析Table 4 Biased correlation analysis of different factors on cotton seedling emergence and cotton growth

棉花出苗率受出苗水量的影響最為顯著，隨灌水量的減少而降低[16]，但本試驗(yàn)干播濕出技術(shù)中出苗水量過高造成了棉種腐爛，從而使出苗率降低。灌水頻次過高會(huì)造成土壤溫度持續(xù)較低，但可以濕潤(rùn)棉穴表層土壤，破壞土壤板結(jié)結(jié)構(gòu)。在同等出苗水量情況下，灌水頻次越高出苗率相對(duì)較高，但株高與莖粗隨灌水頻次的增加而較小，說明灌水頻次過高對(duì)棉花生長(zhǎng)具有抑制作用，分析原因認(rèn)為高頻次灌水使土壤中的鹽分濃度較高，抑制了棉花株高和莖粗的生長(zhǎng)[17]，從本試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，灌水頻次為兩次對(duì)棉花出苗率及生長(zhǎng)指標(biāo)最優(yōu)。

土壤通氣性是反映土壤對(duì)外界氣體更新速率的重要物理參數(shù)[18]，而土壤板結(jié)度對(duì)棉花出苗的影響程度僅次于窄行土壤電導(dǎo)率，其從兩個(gè)方面對(duì)棉花出苗產(chǎn)生影響，一方面是改變土壤物理性質(zhì)，造成土壤密實(shí)，減小土壤通氣性，降低出苗率；另一方面是造成棉穴表層覆土成塊與密實(shí)，棉芽無(wú)法沖破表層覆土，造成悶苗死苗現(xiàn)象。本試驗(yàn)中出苗水分兩次到三次進(jìn)行灌溉，可在棉種發(fā)芽時(shí)濕潤(rùn)表層覆土，破壞板結(jié)土結(jié)構(gòu)，利于棉芽沖破覆土，進(jìn)而提高棉花出苗率，但過高的出苗水量會(huì)造成棉種腐爛，也會(huì)降低出苗率。因此從出苗率來(lái)看，出苗總水量為900 m3·hm-2且分兩次灌溉出苗水會(huì)顯著提升棉花出苗率。

4 結(jié) 論

表層土壤板結(jié)度受灌溉水總量與灌水頻次影響，高頻少量的灌溉出苗水會(huì)降低土壤板結(jié)度。灌溉前疏松土壤有利于隔斷鹽分表聚，膜內(nèi)土壤含水率高于膜間；灌溉后各處理不同位置鹽分含量總體表現(xiàn)為膜間>寬行>窄行，膜間鹽分出現(xiàn)表聚現(xiàn)象。各處理不同位置的土壤含水率表現(xiàn)為寬行>窄行>膜間。WP1、WP2與WP4處理土壤含水率利于棉花出苗，出苗率與灌水總量關(guān)系顯著，株高和莖粗均與灌溉水總量和灌水頻次關(guān)系顯著。不同因素與出苗率程度為窄行電導(dǎo)率>表層土壤硬度>窄行含水率，對(duì)生長(zhǎng)指標(biāo)影響土壤各位置含水率>窄行電導(dǎo)率。綜合考慮棉花出苗率與生長(zhǎng)情況，WP4處理為最優(yōu)處理。