朱 珠，虎膽·吐馬爾白，朱擁軍

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；3.第八師炮臺(tái)土壤改良試驗(yàn)站，新疆 石河子 832066)

新疆以其特有的地質(zhì)及氣候條件，是我國鹽漬化分布最集中區(qū)域之一，高強(qiáng)度、大面積鹽堿危害是制約新疆綠洲灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，新疆鹽堿荒地面積達(dá)2 810 億hm2，新疆占國土面積1/6，而鹽堿荒地就占全國鹽堿地面積近1/3[2]。鹽堿荒地合理可持續(xù)利用為新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展提供新的思路[3]。王雅琴[4]認(rèn)為膜下滴灌技術(shù)對(duì)鹽堿地改良效果好，出苗率增加，產(chǎn)量相應(yīng)增加。張偉[5]以滴灌年限、不同生育階段、不同土壤質(zhì)地、不同土壤剖面方向?yàn)榍腥朦c(diǎn)對(duì)膜下滴灌鹽分運(yùn)移對(duì)比分析，認(rèn)為隨著生育期推后，各土層含鹽量存在不同程度增加；土壤垂向鹽分在0～60 cm土層積累，60～100 cm土層鹽分受膜下滴灌影響較小。李文昊[6]研究了長期膜下滴灌棉田鹽分分布與棉花生長規(guī)律，認(rèn)為滴灌7～9 a以上，棉花根層生境良好，成活率大于82 %，產(chǎn)量超過 5 200 kg/hm2。J L Mora[7]認(rèn)為使用毛管滴灌后，鹽漬化最終逐漸減少，灌區(qū)土壤鹽堿度狀況定期信息可以用于建議管理實(shí)踐和糾正農(nóng)作措施，以提高灌溉農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)力和土地可持續(xù)性[8]。諸多專家學(xué)者對(duì)膜下滴灌節(jié)水、抑鹽和增產(chǎn)方面展開了研究，但研究成果大多是依據(jù)棉花生長需水量、土壤質(zhì)地及氣候條件等制定灌水施肥方案，進(jìn)行室內(nèi)和大田試驗(yàn)，揭示膜下滴灌條件下水鹽運(yùn)移特征及對(duì)棉花生長的影響規(guī)律。由于各灌區(qū)總來水量與農(nóng)業(yè)區(qū)域用水調(diào)配的影響，諸多試驗(yàn)結(jié)果并不能直接應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，符合實(shí)際生產(chǎn)中的研究結(jié)果少見報(bào)道。本研究長期監(jiān)測實(shí)際生產(chǎn)中開荒地連作棉田，分析鹽荒地棉田在長期膜下滴灌條件下土壤剖面鹽分變化及對(duì)出苗率和產(chǎn)量的影響。以反映實(shí)際生產(chǎn)中的研究成果為新疆鹽堿地綜合開發(fā)利用和防治農(nóng)田土壤次生鹽漬化提供思路，以保證形成安全的膜下滴灌土壤生態(tài)環(huán)境，提高鹽荒地棉田產(chǎn)量。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于新疆建設(shè)兵團(tuán)第八師石河子墾區(qū)，墾區(qū)屬典型溫帶大陸性干旱荒漠氣候，常年干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈。選擇具有代表性石河子墾區(qū)中的下野地灌區(qū)121團(tuán)6連、安集海灌區(qū)142團(tuán)14連以及莫索灣灌區(qū)149團(tuán)9連鹽荒地，監(jiān)測開荒后棉花連作膜下滴灌對(duì)土壤鹽分、棉花出苗率和產(chǎn)量的影響。121團(tuán)與149團(tuán)靠近沙漠邊緣，142團(tuán)靠近天山北坡，遠(yuǎn)離沙漠，靠近水庫。各灌區(qū)地理位置[9]見圖1。2008年121團(tuán)6連灌區(qū)0～100 cm土層剖面初始平均含鹽量2.78%，屬鹽土；142團(tuán)14連灌區(qū)初始平均含鹽量1.58%，屬鹽土；149團(tuán)9連灌區(qū)初始平均含鹽量0.63%，屬重度鹽化土[10]。

圖1 灌區(qū)位置圖Fig.1 Location map of irrigation area

1.2 測定指標(biāo)和方法

每灌區(qū)確定地塊定點(diǎn)長期監(jiān)測土壤鹽分。2008年開荒，棉花種植模式與耕作管理措施為當(dāng)?shù)貦C(jī)采棉傳統(tǒng)措施。土壤采樣范圍為1 m2內(nèi)，每月測定一次土壤鹽分，梅花采樣法采集各灌區(qū)膜內(nèi)滴灌帶下和膜間裸露膜外側(cè)兩個(gè)采樣點(diǎn)，同層混合，研究土壤鹽分二維動(dòng)態(tài)變化，土壤剖面取土深度為 0～10、10～20、20～30、40～60、60～100 cm。土壤鹽分測定采用滴定法。出苗時(shí)調(diào)查田間各處理出苗時(shí)間，在子葉完全展開時(shí)測定出苗率，出苗率為苗數(shù)與播種的種子數(shù)的百分比。根據(jù)灌區(qū)棉田取樣點(diǎn)實(shí)際收獲的平均籽棉產(chǎn)量折合計(jì)算單位面積籽棉產(chǎn)量，kg/hm2。

Origin 2020作圖，SPASS20.0進(jìn)行方差分析(ANOVA)和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分生育期變化特征

各灌區(qū)棉花于4月中旬播種，至10月生育期結(jié)束。灌區(qū)棉花5月為苗期，6月為現(xiàn)蕾期，7月為花鈴前期，8月為花鈴后期，9月為吐絮期。分析各灌區(qū)從苗期至吐絮期在0～100 cm土壤剖面鹽分均值差異性，闡述開荒后第二年棉田土壤鹽分生育期內(nèi)變化規(guī)律(圖2)。經(jīng)兩年膜下滴灌，各灌區(qū)均有不同程度脫鹽。土壤脫鹽率為滴灌年限生育期末相同深度的平均土壤含鹽量減去鹽荒地初始土壤含鹽量(生育期初始土壤含鹽量)的差值占鹽荒地初始土壤含鹽量(生育期初始土壤含鹽量)的百分比，負(fù)值為脫鹽率，正值為積鹽率[11]。

圖2 各灌區(qū)土壤剖面含鹽量均值生育期變化Fig.2 The mean salt content in the soil profile of each irrigated area changed during the growth period

2008年開荒121團(tuán)6連灌區(qū)0～100 cm土層剖面初始平均含鹽量達(dá)2.78%，經(jīng)過一年棉花種植，測定2009年0～100 cm土層剖面初始平均含鹽量達(dá)2.06%，脫鹽率-25.9%。2009年生育期結(jié)束后，0～100 cm土層剖面平均含鹽量達(dá)1.29 %，較2009年初始脫鹽率-37.38%，較2008年初始脫鹽率-53.6%。2008年142團(tuán)14連灌區(qū)0～100 cm土層剖面初始平均含鹽量達(dá)1.58%，2009年0～100 cm土層剖面初始平均含鹽量達(dá)1.33%，脫鹽率-15.82%。2009年生育期結(jié)束后，0～100 cm土層剖面平均含鹽量達(dá)1.08%，較2009年初始脫鹽率-18.8 %，較2008年初始脫鹽率-31.65%。2008年149團(tuán)9連灌區(qū)0～100 cm土層剖面初始平均含鹽量達(dá)0.63%，2009年0～100 cm土層剖面初始平均含鹽量達(dá)0.32 %，脫鹽率-49.21%。2009年生育期結(jié)束后，0～100 cm土層剖面平均含鹽量達(dá)0.26%，較2009年初始脫鹽率-18.75%，較2008年初始脫鹽率-58.73%。

由圖2可知，各灌區(qū)生育期內(nèi)膜外土壤含鹽量顯著高于膜內(nèi)。121團(tuán)6連灌區(qū)土壤鹽分隨生育期變化，膜內(nèi)土壤含鹽量呈降低趨勢，膜外土壤含鹽量沒有顯著差異。這是由于灌水對(duì)膜內(nèi)土壤鹽分具有淋洗作用，膜內(nèi)土壤鹽分被移動(dòng)至濕潤峰外，而滴灌淋洗范圍有限，加之土壤蒸發(fā)使土壤鹽分在膜外累積[12]。142團(tuán)14連和149團(tuán)9連灌區(qū)膜外土壤鹽分在花鈴后期和吐絮期有增加趨勢，是由于吐絮期停止灌水，氣溫升高，土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，使土壤鹽分在膜外側(cè)積聚；142團(tuán)14連膜內(nèi)土壤鹽分在現(xiàn)蕾期與花鈴后期有少量增加，可能是由于棉花處于需水關(guān)鍵期，棉花耗水量大，增加膜內(nèi)土壤含鹽量；也可能由于安集海灌區(qū)水庫水相對(duì)滲漏導(dǎo)致地下水位抬升，致使土壤鹽分的分布格局變化[9]。149團(tuán)9連灌區(qū)膜內(nèi)土壤鹽分在生育期內(nèi)沒有顯著差異，在需水關(guān)鍵期有少量增加，后期灌水淋洗，土壤鹽分含量降低。

2.2 土壤鹽分空間變化特征

土壤鹽分在土壤剖面空間分布顯著影響作物根區(qū)生長與吸收水分。如圖3所示，分析各灌區(qū)不同生育期土壤含鹽量以滴頭處為坐標(biāo)原點(diǎn)在二維空間中的分布規(guī)律。

圖3表明，膜下滴灌將鹽荒地開荒第二年耕層的部分鹽分遷移至膜外，以滴頭為中心產(chǎn)生鹽分淡化區(qū)，灌溉水淋洗范圍主要在縱向0～60 cm土壤深度，橫向40 cm左右。在棉花主根區(qū)0～40 cm范圍存在驅(qū)鹽和抑鹽過程。各灌區(qū)在生育期內(nèi)土壤剖面中鹽分分層變化規(guī)律一致，0～40 cm土層土壤含鹽量變化較大，屬強(qiáng)變化層，40～60 cm土層土壤含鹽量變化較小，屬弱變化層，60 cm以下土層土壤含鹽量變化較穩(wěn)定，屬穩(wěn)定變化層。

圖3 各灌區(qū)土壤鹽分空間變化特征Fig.3 Spatial variation characteristics of soil salinity in each irrigated area

121團(tuán)6連灌區(qū)在各生育期內(nèi)土壤含鹽量均存在表層積聚現(xiàn)象。土壤剖面0～30 cm為壤土，30～100 cm為沙土，生育前期30 cm土層以上含鹽量較高，是由于壤土中所含黏粒與粉粒較多，入滲速度慢，鹽分含量大，而砂土入滲速度快，土壤含鹽量小。土壤鹽分表現(xiàn)出含量上高下低的規(guī)律，與初始鹽分含量分布一致。生育后期在棉花主根區(qū)產(chǎn)生相對(duì)低鹽區(qū)，鹽分含量在0.7 %左右，以利于棉花生長。142團(tuán)14連灌區(qū)0～30 cm土層為壤土，30～60 cm土層為沙土，60～100 cm土層為壤土，與121團(tuán)6連不同，土壤鹽分空間分布為上低下高特征，60 cm以下處于積鹽層，表征膜下滴灌淋洗深度。相同的是在棉花主根區(qū)產(chǎn)生鹽分淡化區(qū)，鹽分在膜外側(cè)表層積聚。149團(tuán)9連在整個(gè)土壤剖面土壤性質(zhì)都為沙土，且其初始開荒時(shí)只為重度鹽化土，土壤鹽分分布特征表現(xiàn)為上下較均一。在地膜的阻隔作用下膜內(nèi)淺層鹽分隨蒸散作用發(fā)生側(cè)向上移，膜外淺層鹽分在蒸散作用下直接上移至膜間地表，膜內(nèi)地表部分鹽分被淋洗到深層土壤，部分鹽分則運(yùn)移到膜外，因此在膜內(nèi)地表向下形成一定深度的脫鹽區(qū)[12]。

2.3 土壤含鹽量、脫鹽率、出苗率與產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系

鹽荒地在初開墾時(shí)土壤含鹽量較高，如表1所示。經(jīng)過兩年膜下滴灌明顯降低膜內(nèi)土壤鹽分，改善根系生長土壤環(huán)境(圖3)。經(jīng)過8年膜下滴灌土壤剖面平均含鹽量均降低、出苗率和產(chǎn)量增加。表1表明，8年膜下滴灌灌溉后，121團(tuán)6連0～100 cm土層土壤平均脫鹽率-84.89 %；142團(tuán)14連0～100 cm土層土壤平均脫鹽率-34.81 %；149團(tuán)9連0～100 cm土層土壤平均脫鹽率-69.84 %。通過8年膜下滴灌，121團(tuán)6連由鹽土改良為中度鹽化土，142團(tuán)14連由鹽土改良為強(qiáng)度鹽化土，149團(tuán)9連由強(qiáng)度鹽化土改良為輕度鹽化土。由于常年膜下滴灌在棉花根區(qū)產(chǎn)生鹽分淡化區(qū)，鹽荒地灌溉8年后出苗率與產(chǎn)量均增加。121團(tuán)6連出苗率提高了53 %，2015年產(chǎn)量達(dá)到6 390 kg/hm2；142團(tuán)14連出苗率提高了1.3 %，2015年產(chǎn)量達(dá)到5 456 kg/hm2；149團(tuán)9連出苗率提高了20.2 %，2015年產(chǎn)量達(dá)到3 763 kg/hm2。

表1 出苗率、土壤含鹽量與產(chǎn)量年際變化Tab.1 Annual change of seedling emergence rate, soil salt content and yield

統(tǒng)計(jì)分析各灌區(qū)出苗率、脫鹽率、土壤含鹽量與產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系。表2表明產(chǎn)量與出苗率、脫鹽率在0.01水平上正相關(guān)，與土壤含鹽量在0.01水平上負(fù)相關(guān)；脫鹽率與出苗率在0.05水平上正相關(guān)，與含鹽量在0.01水平上負(fù)相關(guān)。綜上所述，8年膜下滴灌能夠降低土壤含鹽量，增加脫鹽率、出苗率及產(chǎn)量。出苗率和產(chǎn)量隨脫鹽率增加而增加，隨土壤含鹽量增加而降低。

3 討 論

鹽荒地棉田在長期膜下滴灌條件下，土壤鹽分時(shí)空分布具有顯著干旱區(qū)鹽分分布特征。在棉花主根區(qū)產(chǎn)生鹽分淡化區(qū)，但受灌水濕潤范圍的影響使土壤鹽分不斷向遠(yuǎn)離滴灌濕潤體區(qū)域遷移[13]，水平方向逐漸在膜間裸地表層聚集，垂直方向累積深度與土壤初始鹽分、土壤性質(zhì)、灌區(qū)是否修建水庫相關(guān)。

表2 出苗率、脫鹽率、土壤含鹽量與產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系Tab.2 Correlation between the seedling emergence rate, desalination rate, soil salt content and yield

膜下滴灌8 a，3個(gè)灌區(qū)均有不同程度脫鹽。與121團(tuán)6連和149團(tuán)9連比較，142團(tuán)14連土壤剖面脫鹽率較低，可能由于安集海灌區(qū)水庫水相對(duì)滲漏，地下水位抬升，隨著地下水向上補(bǔ)給并產(chǎn)生潛水蒸發(fā)，增加土壤剖面鹽分含量[9]，降低了膜下滴灌對(duì)土壤鹽分的淋洗作用。開荒第二年隨生育期變化，各灌區(qū)變化規(guī)律既有相似又有不同。土壤溶液鹽組成影響土壤顆粒交換復(fù)合體陽離子組成，從而影響土壤的滲透性和耕性[14]。整個(gè)土壤剖面黏粒粉粒含量較高時(shí)，鹽分在水平向運(yùn)動(dòng)不活躍，再分布趨勢相對(duì)弱，鹽分總體含量較高；砂粒含量高土壤水分流動(dòng)容易，土壤剖面鹽分總體含量一般較低[15]。隨生育期變化，土壤剖面內(nèi)平均土壤鹽分逐漸減小，生育前期土壤剖面鹽分主要來源于表層土壤及灌溉水，生育后期出現(xiàn)土壤剖面鹽分再分布，直至收獲期，土壤剖面鹽分出現(xiàn)自調(diào)節(jié)[12]。膜下滴灌8 a后，基本達(dá)到棉花適宜耐鹽含量，出苗率提高，產(chǎn)量增加。本研究只針對(duì)石河子墾區(qū)鹽荒地膜下滴灌長期監(jiān)測，適應(yīng)于當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件和氣候條件，對(duì)于其他水文地質(zhì)條件和氣候的農(nóng)田，還需跟蹤研究，以及對(duì)本灌區(qū)的長期監(jiān)測還需持續(xù)進(jìn)行。土壤鹽分含量高是制約各灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素[16]。因此，還需深入研究膜下滴灌結(jié)合農(nóng)業(yè)措施[17]、化學(xué)措施[18]和工程措施[19]控鹽增產(chǎn)技術(shù)。

4 結(jié) 論

(1)開荒第二年土壤鹽分時(shí)空變化呈現(xiàn)出典型干旱區(qū)鹽分時(shí)空分布特征，在生育期內(nèi)棉花根區(qū)產(chǎn)生鹽分淡化區(qū)，鹽分在膜外表層積聚。需水關(guān)鍵期土壤剖面鹽分稍有增加，應(yīng)適當(dāng)增加棉花現(xiàn)蕾期與花鈴期的灌水量。開荒第二年生育期結(jié)束，較開荒初始時(shí)，121團(tuán)6連灌區(qū)0～100 cm土層剖面平均脫鹽率達(dá)-53.6%。142團(tuán)14連灌區(qū)平均脫鹽率達(dá)-31.65%。149團(tuán)9連灌區(qū)平均脫鹽率達(dá)-58.73 %。經(jīng)過8 a膜下滴灌，較開荒初始時(shí)，121團(tuán)6連平均脫鹽率達(dá)-84.89%；142團(tuán)14連平均脫鹽率達(dá)-34.81%；149團(tuán)9連平均脫鹽率達(dá)-69.84%。121團(tuán)6連由鹽土改良為中度鹽化土，142團(tuán)14連由鹽土改良為強(qiáng)度鹽化土，149團(tuán)9連由強(qiáng)度鹽化土改良為輕度鹽化土。

(2)鹽荒地連作棉田經(jīng)過8 a膜下滴灌，降低了土壤含鹽量，增加了脫鹽率、出苗率及產(chǎn)量。121團(tuán)6連出苗率提高了53 %，由2008年產(chǎn)量261 kg/hm2增加至2015年產(chǎn)量6 390 kg/hm2；142團(tuán)14連出苗率提高了1.3%，由2008年產(chǎn)量645 kg/hm2增加至2015年產(chǎn)量5 456 kg/hm2；149團(tuán)9連出苗率提高了20.2%，由2008年產(chǎn)量606 kg/hm2增加至2015年產(chǎn)量3 763 kg/hm2。