咸水沟灌对土壤水盐变化与棉花生长及产量的影响

郑春莲，冯 棣，李科江，马俊永，党红凯，曹彩云，孙景生，张俊鹏

咸水沟灌对土壤水盐变化与棉花生长及产量的影响

郑春莲1，冯 棣2,3，李科江1，马俊永1，党红凯1，曹彩云1，孙景生2，张俊鹏4※

（1. 河北省农林科学院旱作农业研究所/河北省农作物抗旱研究重点实验室，衡水 053000；2. 中国农业科学院农田灌溉研究所，新乡 453002； 3. 潍坊科技学院贾思勰农学院，潍坊 262700；4. 山东农业大学水利土木工程学院，泰安 271018）

为持续高效利用咸水资源，在棉花长期定位咸水沟灌试验（始于2006年）的基础上，研究了不同矿化度（1、2、4、6、8、10 g/L）咸水连续灌溉第10年土壤水盐分布与棉花生长响应以及历年土壤盐分和籽棉产量的变化特征。结果表明：1）年际间，各处理0～100 cm土层土壤盐分受灌溉和降水影响而波动，但未随灌溉年限的增加而逐渐累积，灌溉水矿化度≤4 g/L处理可基本维持土壤盐分周年补排平衡。单个棉花生长季（2015年），各处理沟底部位的土壤含水率大于垄上，灌溉水矿化度≥6 g/L时主根层土壤含水率高于1 g/L处理；土壤盐分随灌溉水矿化度增加而增大，随棉花生育期的推进先增大后降低，灌水沟剖面土壤盐分呈向垄上和深层运移的趋势；与播种时比，棉花收获后各处理主根层土壤盐分均未出现累积。2）低矿化度咸水沟灌对棉花成苗率、株高和叶面积指数影响不明显，超过一定限值后3项指标显著下降，与1 g/L处理相比，当灌溉水矿化度达到6 g/L时棉花成苗率和叶面积指数显著降低，当灌溉水矿化度达到8 g/L时株高显著降低；咸水沟灌对棉花纤维品质影响较小，5项品质指标在处理间差异均不显著。3）适量浓度的咸水灌溉对籽棉产量影响较小，与1 g/L灌水处理相比，2和4 g/L处理对历年籽棉产量（2006－2015年）无显著影响，大于6 g/L时历年籽棉产量显著降低。在该研究灌溉制度下，推荐试验区咸水沟灌棉花的灌溉水矿化度阈值为4 g/L。

土壤；灌溉；咸水；棉花；水盐运移；产量

0 引 言

华北平原是中国重要的粮棉油生产基地，该区地面淡水资源匮乏，很多地区农业灌溉主要靠抽取深层地下淡水，由此导致地下水漏斗区不断扩大，引发了非常严重的地质环境问题[1-2]。为缓解区域水资源危机、保证农业持续稳定发展，亟需寻求淡水资源的替代资源。许多学者指出[3-5]，若灌溉管理得当，咸水可以代替淡水用于农业生产。华北平原浅层地下咸水储量丰富，以位于该区的河北低平原为例，咸水分布面积占总面积的91.8%，总储量为1.5×1010m3，利用潜力巨大[6]。棉花耐盐抗旱能力较强，常被用作盐碱地改良和咸水灌溉的先锋作物。河北省棉花种植面积约90%分布在低平原区，制约该区棉花生产的瓶颈是春旱导致出苗和成苗困难[7]。已有研究表明[8]，在棉花播种时和生长前期采用适量浓度的咸水补灌，可以提高棉花成苗率和籽棉产量。

咸水灌溉具有两面性，在增加土壤湿度的同时也带入盐分，适量盐分对土壤环境和作物生长影响不大，超过一定限度便产生危害[9]。国内外有关棉花咸水灌溉方面的研究已有很多，内容涉及灌水技术[10-11]、水盐运移规律及耦合模拟[12-13]、棉花生长响应[14-15]等方面。一般认为，实现棉花咸水安全利用的关键在于调控根区土壤水盐分布，为根系生长创造良好环境。灌水方式是调控土壤水盐分布的一项重要措施[16]，很多学者认为膜下滴灌是较适宜的棉花咸水利用方式，并在中国干旱地区得到广泛应用[17-18]。但在降雨较为充沛，且以分散种植模式为主的河北低平原区，棉花耗水来源以降雨为主、补灌为辅，故灌水方式仍以地面畦灌和沟灌为主。Zhang等[14]和冯棣[19]在该区的研究表明，采用适量矿化度的咸水畦灌和沟灌进行棉花播前造墒和生长前期补灌，能有效缓解干旱胁迫，带入土壤的盐分可通过棉花生长中期（雨季）降雨淋洗至根系层以下，实现根区土壤盐分补排平衡。其中，咸水沟灌可促使土壤水盐呈现不均匀分布，棉花生长季的降雨和地膜覆盖将进一步加剧其分布的差异性。探明棉花生育期间不同位置处土壤剖面水盐分布特征有助于加深对咸水沟灌的认知。此外，土壤盐分的适量无害、过量危害性以及降雨、光照等气候因素年际年内的差异性，导致咸水灌溉对土壤水盐变化和棉花生长的影响具有持续性，某一灌溉水矿化度短期利用可行，长期使用可能存在风险。鉴此，本文在不同矿化度咸水长期定位沟灌试验的基础上，研究分析连续咸水沟灌第10年棉田土壤水盐分布与棉花生长响应特征以及连续多年咸水灌溉下历年土壤盐分和籽棉产量的变化规律，探讨适宜的灌溉水矿化度指标，以期为丰富棉花咸水灌溉技术体系提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2006－2015年在河北省农林科学院旱作节水农业试验站（河北省衡水市）进行，地理位置为37°44′N，115°47′E，海拔21 m。该站地处河北低平原区，属温带季风气候，多年平均气温12.8 ℃，年均降水量500 mm，年均蒸发量1785 mm，年日照时数2509 h。试验区土壤质地为壤土，地下水埋深大于5 m。2006年开始定位试验时，0～100 cm土层初始土壤盐度为0.25 dS/m，土壤粒径分布、容重、田间持水量等物理特性如表1所示。多点取样0～20 cm耕层有机质质量分数11.5 g/kg，速效氮质量分数76 mg/kg，速效钾质量分数112 mg/kg，速效磷质量分数15 mg/kg。

表1 2006年试验初始0～100 cm土层土壤基本情况

1.2 试验设计

棉花咸水定位试验始于2006年，共设置5个咸水浓度水平，即2、4、6、8和10 g/L，分别记作T1、T2、T3、T4、T5，以当地深井淡水（1 g/L）灌溉处理为对照CK。2、4、6、8和10 g/L咸水采用当地深层地下水掺兑海盐配制而成，不同处理灌溉水的离子组成见表2所示。采用随机区组试验设计，每个处理3次重复，共18个小区，试验小区面积为37.62 m2（6.6 m×5.7 m）。

2006－2007年种植模式为棉花单作，为了探索棉花－饲用黑麦连作模式的可行性，2008－2011年棉花收获后种植饲用黑麦，2012年饲用黑麦收获后停止连作模式，恢复棉花单作。2006－2011年和2013－2015年4月下旬采用沟灌方式造墒，灌水定额37.5 mm，晾墒后人工植棉；2015年7月5日棉花花铃期采用沟灌方式补灌，灌水定额37.5 mm。2008－2010年于棉花收获后采用沟灌方式造墒，灌水定额37.5 mm，之后填平灌水沟机械种植饲用黑麦；2009－2012年4月初黑麦草拔节期采用畦灌方式进行补灌，灌水定额75 mm。2011年饲用黑麦和2012年棉花播种期土壤含水率均超过了田间持水率的80%，未进行播前造墒。棉花生育期间，土壤计划湿润层灌水控制下限为田持的65%，灌水定额37.5 mm。2006－2015年，以各年棉花收获时为计算节点的周年灌水量分别为37.5、37.5、37.5、150、150、150、75、37.5、37.5、75 mm，降水量依次为392、453、482、478、479、438、536、549、334、434 mm。每年棉花均采用起垄沟播（人工点播）方式播种，垄沟尺寸为沟底宽50 cm、沟深20 cm、垄顶宽60 cm、边坡系数为0.5。每沟播种两行棉花，株距30 cm，行距为窄行50 cm、宽行80 cm，播后沟底覆膜。播种后第20 天用移栽法补齐棉苗，每株移栽棉苗浇灌约300 mL深层地下水用以密实根区土壤。

表2 灌溉水离子组成

1.3 测定项目与方法

1）土壤水分与盐分。2006－2014年棉花收获后以及2015年棉花播前造墒时（2015-04-21）、播种时（2015-04-27）、苗期（2015-05-21）、蕾期（2015-06-17）、花铃期（2015-07-27）、吐絮期（2015-08-26）和收获后（2015-10-28），采用土钻分别在每个小区的沟底和垄上各取1个样点，取土深度为100 cm，其中，0～60 cm每10 cm分为1层，60～100 cm每20 cm分为1层。每层土样分别放入铝盒（烘干法测定土壤含水率）和塑料袋（风干、磨碎、过筛，使用DDS-307A电导率仪测定土水比1:5悬浊液电导率）测定水分和盐分。

2）棉花成苗率。2015年棉花播种后20 d调查成苗情况，每穴成活1株棉花即认为成苗，据此计算成苗率，之后采用移栽法补齐棉苗。

3）棉花形态指标。2015年棉花定苗后，每个小区选取3株具有代表性的棉株，每隔10～15 d使用直尺测量一次株高、叶片长和宽，并通过公式（1）计算叶面积指数（LAI）；自蕾期开始调查棉花果枝数。

式中LAI为叶面积指数；为棉花密度，株/m2；为测定的株数，为单株叶片总数；和分别为叶片长和宽，cm。

4）产量构成与纤维品质。2015年棉花吐絮期，测定百铃质量、单株成铃数和籽棉产量，并委托农业农村部棉花品质监督检验测试中心测定上半部平均长度、整齐度指数、马克隆值、伸长率和断裂比强度等5项纤维品质指标。

5）历年籽棉产量。每年棉花吐絮期分3次采摘除边行外的籽棉，折算籽棉产量。

2 结果与分析

2.1 咸水沟灌对棉田土壤盐分变化的影响

2.1.1 历年0～100 cm土层土壤盐分动态变化

图1显示了2006－2015年棉花收获后各处理棉田0～100 cm土层平均土壤盐分变化过程。由图1可以看出，同一年份，土壤盐分呈现随灌溉水矿化度增加而上升的趋势；年际间，前3年各处理土壤盐分变化较小，之后呈现较大的波动幅度；盐分含量未随灌溉年限的增加而逐渐累积，其变异系数随着灌溉水矿化度的增加而增大。2006－2008年各处理棉花的灌溉定额仅为37.5 mm，土壤盐分变化幅度较小；2008－2011年，由于黑麦草的引入，各处理灌水次数和灌溉水量增加，致使土壤盐分出现较大幅度的上升；2012－2015年，恢复棉花单作，灌水量减少，各处理土壤盐分较2011年和2012年有所降低。与试验初始土壤盐分（0.25 dS/m）相比，2015年棉花收获时，CK、T1、T2处理仅略有增加，增量分别为0.02、0.07、0.07 dS/m；T3、T4、T5处理增幅较大，增量依次为0.12、0.25、0.33 dS/m。

图1 2006－2015年棉田0～100 cm土层土壤电导率周年变化

2.1.2 棉花生育期间主根层土壤盐分动态变化

表3显示了2015年不同处理棉花生育期间沟底部位主根层（0～40 cm）土壤盐分变化特征。由表3可以看出，棉花主根层土壤盐分呈现了随灌溉水矿化度增加而增大的趋势。以蕾期为例，与CK处理相比，T1、T2、T3、T4和T5处理沟底0～40 cm土层盐分含量分别增加了24.39%、63.41%、85.37%、107.32%和117.07%。受灌溉、降雨和蒸发蒸腾的影响，随着棉花生长进程的推进，各处理棉花主根区土壤含盐量呈现了先增大后减小的趋势。整体来看，棉花播种时、苗期和蕾期各处理主根区的土壤盐分含量较高，蕾期之后逐渐降低。经过雨季（7－8月）降雨的淋洗，棉花收获后CK、T1、T2、T3、T4和T5处理的土壤盐分比造墒前分别降低52.50%、56.52%、55.32%、56.00%、19.23%和26.67%，比播种时依次降低63.46%、61.54%、66.13%、68.57%、48.15%和48.84%。这说明，降雨可对咸水沟灌带入棉花主根层土壤的盐分进行有效淋洗，试验结束时，T1、T2和T3处理的土壤盐分与CK处理间的差异均不显著。

表3 2015年棉花生育期间主根层（0～40 cm）土壤盐分

注：同列不同小写字母表示处理间差异达显著水平（<0.05），下同。

Note: Different letters in the same column mean significant difference at the 0.05 level. The same as below.

2.1.3 咸水沟灌棉田土壤剖面盐分分布特征

图2显示了2015年CK、T2和T4处理棉田土壤剖面盐分分布特征，其中，坐标原点为垄上中心（本小节中土层深度均以垄上为起点），水平方向为垄上中心至沟底中心，垂直方向为0～100 cm土层。整体来看，棉田沟底和垄上的土壤盐分分布存在较大差异。水平方向上，受土壤蒸发、降雨入渗和地膜覆盖的影响，随着棉花生育进程的推进，土壤盐分呈现了由沟底部位向垄上移动的趋势。以T4处理0～60 cm土层为例，苗期、蕾期和花铃期，沟底部位的盐分含量比垄上分别增加97.92%、64.52%和40.09%；吐絮期，沟底部位的盐分比垄上降低了7.90%。垂直方向上，受蒸发返盐、根系吸水聚盐和降雨淋盐的影响，随着棉花生育进程的推进，土壤盐分呈现先上升后下降的趋势。以T4处理沟底0～60 cm土层为例，与苗期相比，蕾期和花铃期土壤盐分含量分别增加14.72%和2.96%，吐絮期降低43.03%。不同灌水处理之间，棉田土壤盐分剖面分布呈现了相似的变化特征，随着灌溉水矿化度的增加，剖面土壤盐分含量逐渐增大。

2.2 咸水沟灌对棉田土壤水分变化的影响

2.2.1 棉花生育期间主根层土壤水分动态变化

表4显示了2015年各处理棉花生育期间沟底部位主根层（0～40 cm）土壤水分变化特征。由表4可以看出，棉花生长期间（苗期至吐絮），高矿化度（≥6 g/L）灌水处理棉田主根层的土壤含水率整体大于低矿化度灌水处理，这种变化趋势在蕾期和花铃期尤为明显。以花铃期为例，T3、T4、T5处理土壤含水率分别比CK处理增加了6.75%、7.08%和15.88%。从棉花整个生长阶段来看，各处理主根层土壤含水率均是在播种时和苗期较高，蕾期和花铃期居中，吐絮期和收获后最低。与播种时相比，CK、T1、T2、T3、T4和T5处理棉花收获后沟底0～40 cm土层含水率分别降低27.57%、29.31%、27.57%、26.11%、26.79%和23.27%。

注：坐标原点为垄上中心，水平方向为垄上中心至沟底中心。下同。

表4 2015年棉花生育期间主根层（0～40 cm）土壤含水率

2.2.2 咸水沟灌棉田土壤剖面水分分布特征

图3显示了2015年CK、T2和T4处理棉田土壤剖面水分分布特征。从图3中可以清晰的看出，沟灌导致土壤水分呈现了较大的空间差异。就同一处理而言，棉花不同生长时期沟底部位0～60 cm土层的平均含水率均明显大于垄上，随着棉花生育进程的推进，其差异呈减小的趋势，这为棉花根系生长创造了较好的土壤水分环境。苗期沟底部位60 cm以下土层的平均含水率明显大于垄上，蕾期二者间的差异减小，花铃期和吐絮期垄上部位的含水率大于沟底。以CK处理为例，苗期和蕾期，沟底部位60～100 cm土层的平均土壤含水率比垄上分别增大20.43%和11.98%；花铃期和吐絮期，沟底部位60～100 cm土层的含水率比垄上依次减小1.98%和3.24%。不同处理之间，棉田剖面土壤水分分布特征相似，总体来看，T4处理棉田剖面0～60 cm土层的平均含水率大于CK处理，T2与CK处理间无明显差异。

图3 2015年咸水沟灌棉田土壤剖面水分分布特征

2.3 咸水沟灌对棉花成苗率及形态生长指标的影响

表5显示了2015年各灌水处理棉花成苗率及最大株高、叶面积指数（LAI）和果枝数。

表5 2015年不同灌水处理棉花的成苗率及形态指标

由表5可以看出，低矿化度咸水沟灌对棉花成苗率、株高和叶面积指数无明显影响，但当灌溉水矿化度超过一定阈值时3项指标显著降低。与CK相比，T3、T4、T5处理的成苗率分别显著降低了13.44%、34.39%和35.18%；T4和T5处理的株高显著减小11.32%和13.31%；T3、T4和T5处理的叶面积指数依次显著下降11.54%、12.56%和20.00%。果枝数受灌溉水矿化度影响较小，T1-T5处理与CK处理间的差异均不显著。

2.4 咸水沟灌对棉花产量构成和纤维品质的影响

在收获密度一致的情况下，籽棉产量由单株成铃数和单铃质量共同决定。表6显示了2015年各处理棉花的产量构成和纤维品质。可以看出，高矿化度咸水沟灌（T3、T4、T5）处理降低了棉花单铃质量和单株成铃数，但低矿化度（T1和T2）处理未对2项指标产生负面影响。与CK相比，仅T5处理的单铃质量显著降低。各处理籽棉产量由大到小依次为T1、T2、CK、T3、T4和T5，与CK处理相比，T4和T5处理分别减产7.26%和10.45%，差异达到显著水平。

表6 2015年不同灌水处理棉花的产量构成与纤维品质

棉花纤维品质关乎成纱质量，是制约棉花经济价值高低的重要指标之一。由表6还可以看出，咸水沟灌对棉花纤维品质影响不大，T1、T2、T3、T4和T5处理的5项纤维品质指标与CK处理间的差异均不显著。

2.5 咸水沟灌对棉花历年籽棉产量的影响

表7为咸水定位沟灌试验的历年籽棉产量（2006年棉花绝收），由表7可以看出，随着灌溉年限的增加，各处理的籽棉产量并未逐年降低，而是呈现了较大的年际波动。适量浓度的咸水沟灌对历年籽棉产量影响不显著，但超过阈值后籽棉产量显著降低。与CK处理的籽棉产量相比，所有年份T1和T2处理均无显著差异，T4和T5处理均呈现显著降低，而T3处理在2007、2009、2010和2014年出现显著降低。

表7 2007－2015年不同灌水处理的籽棉产量

3 讨 论

咸水灌溉为作物根区土壤带入盐分，但连续多年定位灌溉咸水条件下，棉田0～100 cm土层土壤盐分并未随灌溉年限的增加而逐渐增大，因为降雨可以淋溶土壤盐分。Feng等[20]研究指出，不同矿化度咸水灌溉棉田土壤盐分周年变化与灌溉降雨比（/）密切相关，当/较小时，土壤盐分呈现淋洗；反之，土壤盐分累积。盐分淋洗深度受土壤质地的影响，以本试验2013年棉花收获时为例，棉田0～1.0 m土层被淋洗出的盐分主要聚集在1.0～2.8 m土层，随着灌溉水矿化度的增加，土壤剖面内盐峰值深度呈现上移趋势[19]。与2006年初始土壤盐分相比，2015年棉花收获后≤4 g/L灌水处理棉田0～100 cm土层土壤盐分没有明显变化，可基本维持土壤盐分补排平衡。

单个棉花生长季（2015年），高矿化度（≥6 g/L）咸水沟灌棉田主要根系层土壤含水率大于低矿化度灌水处理，蕾期和花铃期尤为明显。因为高矿化度咸水处理带入棉田的盐分较多，在一定程度上抑制了棉花植株生长，降低了蒸散量。张俊鹏等[21]在咸水畦灌研究中得出了与之相似的结论。沟底部位的土壤含水率大于垄上，原因是补灌和降雨为沟底补充了更多的水源，但由于棉花种植在沟底，根系吸水量多，导致沟底与垄上的水分差异随着棉花生长进程的推进而减小。棉花生育期间根系层土壤盐分随时间推移整体呈先升高后降低的趋势，究其原因是棉花生长前期降雨较少，播前造墒和补灌带入土壤的盐分聚集在棉花根系层，但经过雨季（7－8月）降雨淋洗，各处理棉花收获后主根层的含盐量均明显降低。棉花收获后，与1 g/L沟灌处理主根层土壤含盐量相比，2、4、6 g/L灌水处理的差异均不显著，说明采用矿化度低于6 g/L的咸水沟灌不会造成主根区明显积盐。随着棉花生育进程的推进，咸水沟灌棉田土壤剖面上盐分峰值有自沟底向垄上部位扩散以及向深层土壤运动的趋势，原因是沟底覆膜、垄上裸露，土壤蒸发过程会带动盐分向垄上运移，而降雨时雨水汇聚到沟底沿出苗孔入渗，将盐分淋洗至深层土壤。Sun等[22]在滨海盐碱地的沟播植棉试验得到了相似的结论。

棉花萌发出苗期和幼苗阶段耐盐能力较弱[23]，出苗率低是制约棉花咸水安全利用的难题。本试验结果显示，适量浓度的咸水沟灌对棉花成苗率影响不大，但>4 g/L时成苗率显著降低。这与冯棣等[24]基于本定位试验前6 a（2006－2011年）得到的结论相同，说明咸水沟灌棉花的矿化度阈值未随灌溉年限的增加而改变。同时，冯棣等[24]研究指出，咸水沟灌棉花的成苗率低于畦灌处理，原因是棉花萌发出苗期沟底0～20 cm土层土壤温度较低。张安琪等[25]在该区域研究表明，咸水膜下滴灌方式下，≤7 g/L处理未对棉花成苗率产生明显影响，膜下滴灌提高了基于棉花成苗率的灌溉水矿化度阈值。此外，咸淡水轮灌（棉花耐盐性较弱的阶段采用淡水或低矿化度咸水灌溉）、育苗移栽技术等也可有效提高棉花成苗率[26]。本研究中，低矿化度咸水沟灌（2、4 g/L）对棉花株高、LAI和果枝数几乎未产生负面影响，甚至有促进作用，但高矿化度咸水沟灌（8、10 g/L）对株高和LAI产生了显著的抑制效应。原因是棉花自身具有一定的耐盐性，并且不同器官或组织对盐分的敏感性存在差异[14]。

适量浓度的盐分有助于控制棉花营养生长而促进生殖生长[27]。Pasternak等[28]报道指出，采用浓度为4.4 dS/m微咸水（约2.5 g/L）灌溉的棉花单株成铃数和单铃质量分别增加了20%和15%。本研究2015年试验结果与之相似，即与1 g/L灌水处理相比，2和4 g/L灌水处理的单株成铃数有所增加，但灌溉水矿化度大于4 g/L时单株成铃数和单铃质量均逐渐减低，由此导致8 g/L和10 g/L灌水处理的籽棉产量比CK处理显著降低7.26%和10.45%。年际间，各处理的籽棉产量变幅较大，原因是棉花产量形成过程除了受土壤水盐因子影响外，还易受到空气温湿度、太阳辐射、日照时数等气象因素的影响[29-30]，年际之间气候因素对籽棉产量的影响效应有时会大于土壤水盐因素[31]。这可能是2010年和2011年10 g/L沟灌处理土壤盐分较高，而产量却不比往年低的主要原因。本文连续10年咸水定位沟灌试验结果表明，≤4 g/L灌水处理不会对籽棉产量产生显著影响。而冯棣等[19]通过连续7年咸水畦灌研究发现，确保籽棉产量不显著降低时对应的灌溉水矿化度临界值为6 g/L。可见，咸水沟灌的灌溉水矿化度阈值低于畦灌，原因可能是当灌溉水矿化度≤6 g/L时，畦灌棉田耕作层土壤有机质、酶活性等理化指标优于沟灌处理[32]。然而，当灌溉水矿化度超过阈值之后，沟灌处理棉花产量的降幅小于畦灌处理[32]，因为沟灌的灌水定额和灌溉定额较小、带入土壤的盐分少于畦灌，产生的盐分胁迫相对较小。综合考虑历年籽棉产量及土壤盐分变化特征，在现有灌溉制度下推荐试验区咸水沟灌棉花的矿化度阈值为4 g/L。

土壤盐分的存在降低土壤水分有效性，当盐分达到一定程度将产生渗透胁迫而影响根系吸水，这是盐胁迫影响棉花生长的原因之一。此外，盐分还会对棉花造成离子毒害，引起植物体营养元素缺乏，进而导致生长异常。K+是作物生长必须的营养元素，然而在盐碱环境中，较高浓度的Na+会降低细胞对K+的吸收，而维持较高的K+/Na+比值可增强植物适应盐碱逆境的能力[33]。本研究灌溉水中含有少量的K+，K+/Na+比值仅为0.19%～1.40%，且呈现了随灌溉水矿化度的增加而减小的趋势，故灌溉水中K+可能不会对试验结果产生明显影响。然而，棉花生产过程中施用钾肥、秸秆还田等措施均增加了K+的投入，有关土壤盐离子平衡分析及其对棉花生长的影响效应有待进一步深入研究。

4 结 论

1）棉花生长初期，咸水沟灌棉田沟底部位土壤水分和盐分含量均大于垄上，随着生育进程的推进，沟底与垄上的水盐差异减小，沟底土壤盐分呈现了向垄上部位和深层土壤运动的趋势。在连续咸水灌溉第10年，棉花收获后1、2、4、6、8和10 g/L处理沟底部位主根层（0～40 cm）盐分含量比播种时分别降低63.46%、61.54%、66.13%、68.57%、48.15%和48.84%。

2）适量浓度的咸水沟灌对棉花成苗率、株高和叶面积指数影响不大，但超过阈值后显著下降。与1 g/L灌水处理相比，灌溉水矿化度≥6 g/L时成苗率和叶面积指数显著降低，≥8 g/L时株高显著降低。灌溉水矿化度对棉花纤维品质影响较小，处理间上半部平均长度、整齐度指数、马克隆值、伸长率和断裂比强度等5项纤维品质指标的差异均不显著。

3）连续多年（2006－2015年）咸水沟灌条件下，棉田0～100 cm土层土壤盐分受灌溉和降水的影响呈现波动，但并未随灌溉年限的增加而逐渐累积，≤4 g/L灌水处理基本能实现土壤盐分周年补排平衡。籽棉产量年际差异较大但未随灌溉年限延长而降低，适量浓度（≤4 g/L）咸水灌溉对历年籽棉产量无显著影响，超过6 g/L时历年籽棉产量显著降低。综合考虑土壤盐分与棉花产量，推荐试验区咸水沟灌棉花的灌溉水矿化度阈值为4 g/L。

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Effects of furrow irrigation with saline water on variation of soil water-salt, cotton growth and yield

Zheng Chunlian1, Feng Di2,3, Li Kejiang1, Ma Junyong1, Dang Hongkai1, Cao Caiyun1, Sun Jingsheng2, Zhang Junpeng4※

(1.,,053000,; 2.,,453002,; 3.262700,; 4.,,271018,)

Shallow saline groundwater is expected to alleviate the shortage of freshwater resources in the Hebei Low Plain, China. However, using saline water for irrigation can increase soil salinity, thereby to pose some negative impacts on soil environment and crop growth. It is necessary to understand how salinity affects a crop, to find an acceptable range of salinity level for plants. In this study, a long-term furrow irrigation experiment with saline water for cotton (since 2006) was conducted to investigate the distribution of soil water-salt and response of cotton growth in the 10th year (in 2015), as well the variation of soil salt and yield of seed cotton over the years (2006 to 2015) at the Hengshui Experimental Station, China, in order to ensure sustainable and efficient use of saline water resources. Five salinity levels of irrigation water were tested: 2 (T1), 4 (T2), 6 (T3), 8 (T4), and 10 g/L (T5), and fresh groundwater (1 g/L) was used as control treatment (CK). The salinity level from T1 to T5 was formed by mixing sea salt into the freshwater. Irrigation water was supplied when the moisture content of soil was lower than 65% of the field capacity at each irrigation quota of 37.5 mm during cotton growing period. The results showed that the salt content in the soil layer of 0-100 cm increased with increasing salinity of irrigation water from 2006 to 2015, indicating a fluctuation with the precipitation and irrigation amount during the interannual period. In the treatment with the salinity of irrigation water, ≤4 g/L, there was no much increase in the soil salt content after cotton harvest in 2015, compared with the initial value in 2006. During the cotton growing period in 2015, the soil moisture in the furrow was higher than that in the ridge, while the soil moisture in the main root layer (0-40 cm) was higher in the treatment with the salinity of irrigation water, ≥6 g/L than that in CK. The soil salt content increased as the increase in the salinity of irrigation water, whereas increased first and then decreased with the advance of cotton growth. There was a trend of moving to the ridge and deep layer in the furrow of cotton field during furrow irrigation. There was no soil salt that accumulated in the main root layer after harvest, compared with that before cotton sowing. Saline water irrigation had a certain inhibitory effect on cotton growth. Lower salinity levels of irrigation water generally had few negative effects on cotton seedling rate, plant height and leaf area index (LAI), but the growth indicators of cotton were inhibited significantly when water salinity reached a certain limit. Compared with CK, the seedling rate and LAI significantly decreased when the salinity of irrigation water reached 6 g/L, where the threshold for the plant height was 8 g/L. There was no significant difference in the five quality indexes (upper half mean length, fiber uniformity, micronaire value, fiber strength and fiber elongation) among treatments, indicating furrow irrigation with saline water has little effect on the fiber quality of cotton. The yield of seed cotton in saline water treatments from 2006 to 2015 did not decrease gradually, but showing a large year-to-year fluctuation as the increased in irrigation over the years. There was an inconsistent state in the annual variation between cotton yield and soil salinity. Compared with CK, the cotton yield in the treatments of 2 g/L and 4 g/L showed no significant difference, but a significant decrease when the salinity of irrigation water beyond 6 g/L. The finding demonstrated that the critical salinity threshold of irrigation water can be set as 4 g/L for furrow-irrigated cotton.

soils; irrigation; saline water; cotton; water and salt transport; yield

郑春莲，冯棣，李科江，等. 咸水沟灌对土壤水盐变化与棉花生长及产量的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(13)：92-101.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.011 http://www.tcsae.org

Zheng Chunlian, Feng Di, Li Kejiang, et al. Effects of furrow irrigation with saline water on variation of soil water-salt, cotton growth and yield[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 92-101. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.011 http://www.tcsae.org

2020-03-04

2020-05-19

国家自然科学基金项目（51609248）；国家现代农业棉花产业技术体系建设专项（CARS-15-13）；国家科技支撑计划项目（2013BAD05B05）

郑春莲，副研究员，主要从事微咸水安全利用技术研究。Email：nkzheng@126.com

张俊鹏，博士，副教授，主要从事节水灌溉理论与新技术研究。Email：jpengzhang@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.011

S562; S273.4

A

1002-6819(2020)-13-0092-10