不同矿化度水源膜下滴灌对棉花土壤盐分分布及生长的影响

雷杰 张硕 刘承岳 孔春贤 杨广 李小龙 李鹏飞 何新林 李毅

摘 要 利用微咸水膜下灌溉是缓解干旱区农业灌溉资源短缺的有效途径之一，分析不同矿化度水源膜下滴灌对土壤盐分分布及作物生长的影响对于确定灌溉水源矿化度阈值具有重要意义。开展4 a不同梯度矿化度水源膜下滴灌棉花测坑试验，设置 6个处理矿化度分别为1 g/L（CK）、2 g/L（A）、3 g/L（B）、4 g/L（C）、  5 g/L（D）和6 g/L（E），分析不同梯度矿化度水源膜下滴灌土壤盐分累积及棉花生长特征，确定微咸水膜下滴灌棉花灌溉矿化度阈值。结果表明：2019-2022年，0～100 cm平均土壤电导率以每年0.920   dS/m、0.995 dS/m、1.196 dS/m和1.188 dS/m的速率呈线性增长的趋势。随着灌溉年限增加，不同梯度微咸水膜下滴灌下土壤电导率呈现增加趋势。5 g/L和6 g/L处理土壤盐分累积最大，分别为38.70%和  39.19%；灌水12 h后，宽行表层20～40 cm土壤盐分累积最为明显，土壤电导率为0.30～2.1 dS/m；窄行土壤盐分在40～60 cm土层处出现累积，土壤电导率为1.26～1.93 dS/m。矿化度为3 g/L水源膜下滴灌棉花土壤盐分累积量较小，对棉花叶片光合作用指数影响最小，生长指标和产量达到最大，微咸水膜下滴灌棉花适宜的灌溉水源阈值为3 g/L。

关键词 矿化度；膜下滴灌；盐分累积；棉花生长

新疆属于温带大陆性气候，干旱少雨，蒸发量大，是中国主要的棉花种植区[1]。由于特殊的气候和地理特征，区域淡水资源短缺，膜下滴灌技术应运而生并在农业生产中应用广泛。据调查，新疆每年可利用的地下微咸水为17.24×108 m3，微咸水膜下滴灌技术的发展为缓解区域农业用水短缺提供了新的途径[2-3]。膜下滴灌可以将盐分随水分迁移到根区以下，为作物根区提供适宜养分吸收环境；并且覆膜可以抑制因土壤表层强烈蒸发，达到节水、抑盐和增产的效果[4]。

国内外许多学者开展了微咸水灌溉下土壤水盐运移相关研究，为微咸水科学使用提供了基础依据[5-7]。研究表明，随着灌溉水矿化度的增加，棉花出苗率降低，叶面积指数、株高、茎粗减小，叶绿素含量、光合速率和蒸腾速率降低，产量减少[8-10]。Wang等[11]研究发现利用低于3.0 g/L微咸水膜下滴灌对棉花产量没有造成影响，而且不会造成盐分在土壤中累积。Zartman等[12]在佛罗里达州开展了4 a碱性土壤咸水灌溉作物研究，研究表明灌水浓度从0.4 dS/m增加到6.0 dS/m，显著降低了土壤电导率。Symbol`@@郭太龙等[13]研究了矿化度1～5 g/L微（咸）水在土壤中入渗能力，发现35～45 cm土层出现积盐，湿润锋边界处盐分达到最大，土壤表层0～30 cm水分都达到饱和。刘雪艳等[8]认为当灌溉水的矿化度为 2.36～3.39 g/L时对棉花的生理生长影响较小，产量减少11.85%。徐鑫等[14]利用3个梯度微咸水滴灌棉花幼苗，5 mS/cm处理下土壤在40～  60 cm土壤含盐量最高，且土壤电导率受水分影响先增加后减少。虎胆·吐马尔白等[15]在新疆121团对棉花开展了研究，发现土壤盐分在土层深度  60～80 cm积累，灌后地表0～5 cm土壤表面容易返盐。由于不同地区气候条件特征、土壤条件以及种植棉花品种不同，适宜的灌溉水矿化度阈值存在明显不同。为探究不同矿化度水源膜下滴灌棉花对土壤盐分和作物生理生长影响机制，本文通过4 a不同矿化度水源膜下滴灌棉花测坑试验，分析不同矿化度水源膜下滴灌土壤盐分分布以及累积规律，基于盐胁迫下棉花产量和灌溉水利用效率提出合理的棉花膜下滴灌水源矿化度阈值，以期为微（咸）水膜下滴灌技术利用提供支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验在现代节水灌溉兵团重点实验室  （85°59′47″E， 44°19′26″N）进行，温带大陆性气候。土壤为沙壤土，平均气温为7.9～8.7 ℃，最高气温为43.8 ℃，最低气温为-39.2 ℃。年降水量  125～208 mm，年蒸散量为1 660～2 000 mm，地下水潜水埋深7～9 m。研究区地理位置见图1。

1.2 试验设计

试验在测坑种植棉花（‘农丰No.133），测坑规格2 m×2 m×2 m，设3个重复，坑底设30 cm沙砾石反滤层，四周用防渗墙隔开，滴灌带滴头流量为2 L/h。灌溉水设6个不同梯度：CK、A、B、C、D、E，分别为1 g /L、2 g/L、3 g/L、4 g/L、  5 g/L、6 g/L。棉花种植密度25万株/hm2，株距10 cm，行距 60 cm，棉花种植方式为“一膜两管四行”，滴灌带铺设与两个窄行之间，灌溉定额为  4 800 m3/hm2，主要依据目前研究区大田生产中膜下滴灌棉花灌溉定额，出苗水为淡水。棉花布置方式如图2，土壤基本信息如表1。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤电导率 在每次灌水后12 h及生育期开始和结束时，对0～100 cm土层土壤进行取样。利用土钻分别在棉花宽行和窄行处采样，将土壤装入铝盒封装，进行称量、烘干、研磨，土水比按1∶5混合振荡静置过滤纸形成溶液，采用雷磁电导率仪（DDS-11A，上海雷磁仪器有限公司，中国）测定土壤电导率[16]。

1.3.2 生理指標 采用手持光合测量仪（LI-6800，LI-COR，美国）测定棉花上、中、下3片叶子的净光合速率（Pn，Photosynthetic rate）、蒸腾速率（Tr，Transpiration rate）、气孔导度 （Gs，Stomatal conductance）和细胞间CO2浓度（Ci，Intercellular CO2 concentration）[17]。不同矿化度水源膜下滴灌棉花灌溉制度见表2。

1.3.3 株高、茎粗 在棉花苗期、蕾期、花铃期和吐絮期各取样1次，取样时选取1株长势均匀棉花。棉花株高用钢尺测定从土壤表面到棉花的顶部距离；棉花茎粗利用游标卡尺在茎基部测定。

1.3.4 灌溉水利用效率 灌溉水利用效率（IWUE）为产量和灌溉水量之间比值，计算公式[18]为：

式中IWUE为灌溉水利用效率（kg/m3）；Y为籽棉产量（kg/hm2）；I为灌溉定额  （m3/hm2）。

1.3.5 土壤积盐率计算 土壤积盐率为0～100 cm土壤剖面某一时期与其前一时期相比土壤含盐量的增加率，其计算公式为：

式中t为土壤积盐率（%）；Wi为第i时期土壤含盐量（kg/hm2）；Wi-1为第i-1时期土壤含盐量（kg/hm2）。

1.4 数据处理

不同矿化度处理之间用SPSS软件进行方差分析和（Least significant difference method，LSD）差异显著性多重比较（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同矿化度水源膜下滴灌棉花年际土壤盐分累积

如图3所示，2019-2022年间0～100 cm平均土壤电导率以每年0.920 dS/m 、0.995 dS/m、1.196 dS/m和1.188 dS/m的速率呈线性增长趋势。以2022年为例，随着灌溉水矿化度升高，土壤电导率6 g/L处理下最高，其次为5   g/L、  4 g/L、3 g/L、2 g/L和1 g/L。6月份（苗期）平均土壤电导率为2.051 dS/m，与初始土壤含盐量相比，增加20.15%，盐分上升速率最快；7月份（蕾期）土壤电导率为2.346 dS/m，与6月份（苗期）土壤含盐量相比，增加12.57%；8月份（花铃期）土壤电导率为2.707 dS/m，与7月份（蕾期）土壤含盐量相比，增加13.34%；9月份（吐絮期）土壤电导率为2.826 dS/m，与8月份（花铃期）初始土壤含盐量相比，增加4.40%。生育期结束后，5   g/L和6 g/L处理与播种前相比土壤盐分累积最多分别为38.70%和39.19%，当灌溉水矿化度小于3 g/L时，4 a微（咸）水膜下灌溉未引起明显累积。

2.2 不同矿化度水源膜下滴灌棉花对土壤电导率的影响

图4为2022年灌水12 h后窄行和宽行各处理土壤剖面盐分分布情况。土壤电导率横向上表现为滴头（0～40 cm）处最低，沿着滴头方向向两侧扩散含盐量逐渐增高，运移至宽行（0～40 cm）处土壤含盐量达到最大值，20～40 cm土层含盐率增大幅度明显大于40～60 cm土壤，土壤在  40～80 cm深度出现稳定积盐层；且在土壤深度  60 cm处土壤电导率都最高。因为“盐随水来，盐随水去”灌溉后盐分随着水分下渗到土壤40～60 cm根系形成“半椭圆”形状，盐分分布其湿润体边沿，造成积盐。微（咸）水灌溉会导致宽行土壤盐分积累，由于水分扩散影响宽行处在湿润体左右侧边缘处，因此表层20～40 cm土壤最为明显，土壤电导率为0.30～2.1 dS/m。宽行处土壤电导率>窄行处土壤电导率。窄行盐分在40～60 cm土层出现明显积累，其中1  g/L、2 g/L、3 g/L、  4 g/L、5 g/L、6 g/L处理下盐分积累试验结束时电导率分别为1.52 dS/m、1.26 dS/m、1.56   dS/m、1.67 dS/m、1.78 dS/m和1.93 dS/m，积盐率分别为62.5%、46.03%、35.26%、56.29%、  57.87%和55.44%。

2.3 不同矿化度水源膜下滴灌对棉花生理指标的影响

图5显示，2021-2022年随着灌溉水源矿化度的升高，棉花净光合速率（Pn）和蒸腾速率（Tr）明显降低。气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci）对棉花叶片的光合作用影响较大。棉花Gs随着矿化度的增加而降低。Ci随着矿化度的增加而增加。

棉花全生育期，3 g/L处理与2 g/L处理相比，Pn升高11.26%，Tr升高8.05%，Gs升高11.2%，Ci降低25.4%；4 g/L处理、5 g/L处理、6 g/L处理与3 g/L处理相比，Pn分别降低了16.99%、31.05%和42.75%，Pn分别降低  14.65%、22.68%和29.59%，Tr随着生育期推移，太阳光照越来越强，棉花片叶气孔关闭，Gs减小，导致Tr逐渐下降，最后趋于稳定，说明低矿化度情况下，有利于提高棉花叶片Tr，而矿化度过高Tr显著下降；Gs降低23.03%、32.6%和32.93%，说明矿化度较低的微咸水滴灌不仅不会降低Gs，在一定时期提高了Gs，矿化度过高则Gs显著下降。不同处理Gs峰值均出现在盛铃期；Ci升高28.59%、27.80%和44.91%。棉花Ci的变化规律刚好和Pn、Tr及Gs相反。棉花Ci随着生育期的推进，变化趋势为先减小后增大再较小，整体上呈现增加趋势。[FL）]

2.4 不同矿化度水源膜下滴灌对棉花生长的  影响

如表3所示，2022年不同矿化度水源膜下滴灌对棉花株高、茎粗生长影响差异显著（P<  0.05）。苗期灌溉淡水，生长缓慢，各矿化度水源膜下滴灌对棉花株高和茎粗差异性不明显（P>  0.05）。蕾期，棉花株高和茎粗明显升高，由苗期时的17.35～22.93 cm，增长到35.02～46.25 cm，增长速率为0.442～0.583 cm/d；茎粗由  4.028～4.603 mm增长到4.396～6.163 mm，增长速率为0.010～0.039 mm/d；因为前期主要为营养生长（根、茎、叶的生长）加快，生殖生长（蕾、花、铃、絮生长）减慢；花铃期株高生长缓慢，由蕾期时的35.02～46.25 cm，增长到37.63～53 cm，增长速率为0.087～0.225 cm/d，茎粗由4.396～  6.163 mm增长到5.133～7.583 mm，增长速率为0.025～0.047 mm/d；此时，生长后期主要为生殖生长（蕾、花、鈴、絮生长），营养生长（根、茎、叶的生长）减慢，打顶后基本不再生长；到吐絮期植株由花铃期时37.63～53 cm，增长到43.70～58.36 cm，增长速率为0.179～0.202 cm/d，茎粗由5.133～7.583 mm增长到5.727～8.777 mm，增长速率为0.020～0.040 mm/d，此时，棉花株高、茎粗达到最大值。低浓度的盐分能够促进棉花地上部分的生长发育，但是浓度过高的盐分会显著地抑制棉花的生长发育，造成出叶变慢，花铃脱落加快，茎部变细等。

2.5 不同矿化度水源膜下滴灌对棉花灌溉水利用效率的影响

如图6所示，2020-2022年随着灌溉水源矿化度的升高，棉花产量呈现先增加后降低趋势，产量降低的主要因素是咸水灌溉使得棉花根层的盐分含量过高，造成棉花根系不能充分吸收水分，从而导致花铃期缩短，单株铃数明显减少，而棉花的单铃质量对产量的影响较小。当灌溉水为全淡水时棉花产量最高为5 049.25 kg/hm2，3 g/L处理下产量最高為5 279.44 kg/hm2，4 g/L处理产量为5 296.67 kg/hm2，与对照相比没有明显减产。5 g/L、6 g/L处理下产量为4 478.45 kg/hm2、  4 125.69 kg/hm2，相比淡水灌溉下棉花产量减小11.29%和18.27%。从产量构成因子来看，单铃质量与棉花产量呈正比，随矿化度的升高，单铃质量先增加后减小，3 g/L处理单铃质量为最大值5.73 g和6.17 g。同时，随着灌溉水源矿化度的升高，相同灌溉定额下灌溉水利用效率逐渐降低，其中4 g/L处理灌溉水分利用效率最高为1.12 kg/m3。

3 讨论与结论

土壤盐分运动受到地膜覆盖、微（咸）水灌溉、降雨、蒸发蒸腾、根系吸水等因素影响，棉花生育期土壤盐分运移及累积是一个复杂物理变化过程[19-20]。微（咸）水膜下滴灌“驱盐”作用有一定的局限性，只能将土壤盐分驱于湿润体外，为作物在生育期内提供相对低盐环境，而未能将土壤盐分淋洗出整个根层。这与郭仁松等[21]、孙三民等[22]研究结论一致。张前兵等[23]认为苜蓿生育期土壤盐分随土壤深度增大而增大，垂直方向上土壤含盐量高低关系0～30 cm<30～60 cm<60 cm，60 cm 土层含盐量最大，水平方向土壤盐分变化不大。与本文研究结果一致。本研究发现膜下滴灌4 a棉田，冬季融雪压盐后土壤盐分随灌溉年限的推移而减小，在土壤深层20 cm以下脱盐率最明显，在深度大约60～70 cm形成稳定积盐层。这与赵永成等[24]、杨广等[25]、刘建军等[26]研究结果一致。本研究发现滴头0～40 cm处土壤电导率最低，滴水后表层含盐率逐渐减小，水的淋洗作用使得表面0～40 cm土层形成淡化区；宽行处20～40 cm土层含盐率增大幅度明显大于40～60 cm土壤，土壤在40～80 cm深度出现稳定积盐层；窄行盐分在40～60 cm土层出现明显积累，其中膜间处累积盐分最多，这与牟洪臣等[27]、王莉婷等[28]研究结果一致。

适宜的灌溉水矿化度对棉花的株高、茎粗和产量有促进作用，因为适宜矿化度水源可为棉花生长提供K+和Na+，促进植物生长；灌溉水源矿化度过高会引起棉花Pn、Gs、Tr降低，这与马君等[29]研究结果一致。土壤盐分胁迫增大了土壤溶液的渗透势，导致棉花根系的细胞质膜受损，增大棉花叶片的水势梯度，使棉花对养分和水分吸收受阻，棉花叶片表面的气孔开度降低，CO2进入叶肉细胞速率下降，从而导致光合作用减弱，与王庆惠等[30]研究一致。本研究发现矿化度小于  3 g/L灌溉对棉花株高、茎粗影响不明显，但超过  3 g/L对棉花株高、茎粗抑制作用很明显，这与Ahmad等[31]的研究结果一致。

土壤含盐量随灌溉水矿化度升高而增大，2019-2022年间土壤盐分以每年0.920 dS/m、0.995 dS/m、1.196 dS/m和1.188 dS/m的速率呈线性增长趋势。

微（咸）水膜下滴灌棉花宽行土壤盐分积累在20～40 cm土层明显，窄行处土壤盐分在40～  60 cm土层累积。

灌溉水矿化度小于3 g/L时，棉花株高、茎粗和净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度受到抑制程度较小，是较适宜的膜下滴灌棉花灌溉水源。

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Effect of  Drip Irrigation with Film Mulching on Soil Salinity Distribution and

Cotton Growth under Different Water Source Salinity Levels

Abstract Drip irrigation  with film mulching by using brackish water is one of the effective ways to alleviate the shortage of agricultural irrigation resources in arid areas.It is important to analyze the effect of this method on soil salinity distribution and crop growth to determine the salinity threshold of irrigation water.In this four-year study，a pit test of drip was conducted  for drip-irrigated cotton using water sources with different salinity gradients，including six treatments with salinity levels of 1 g/L （CK），2 g/L （A），3 g/L （B），4 g/L （C），5 g/L （D），and 6 g/L （E）.We analyzed soil salinity accumulation and cotton growth characteristics under drip irrigation at different salinity levels，ultimately，we determined the salinity threshold for cotton when using drip irrigation with slightly salty water with film mulching.The results showed that during 2019-2022，the average soil conductivity of 0-10 cm exhibited a linear increase trend，with the annual rates of 0.920 dS/m，0.995 dS/m，1.196 dS/m and 1.188 dS/m.With the increase of irrigation years，soil conductivity under drip irrigation using water with different salinity gradients demonstrated a rising trend.Soil salt accumulation was highest in the 5 g/L and 6 g/L treatments，at 38.70% and 39.19%，respectively;after 12 h irrigation，the soil salt accumulation was the most obvious in the 20-40 cm wide surface layer，and the soil conductivity was   0.30-2.1 dS/m.The soil salinity accumulated in the 40-60 cm soil layer，with soil conductivity between 1.26-1.93 dS/m; the soil salt accumulation of cotton under drip irrigation of film mulcing with salinity of 3 g/L water source showed minimal effect on the photosynthetic index of cotton leaves.The optimal irrigation water source threshold for cotton under drip irrigation with brackish water was determined to be 3 g/L.

Key words Salinity;Drip irrigation with film mulching; Accumulation of salt; Cotton growth