咸水滴灌对土壤水盐平衡和棉花生长的影响

周 文，郭慧楠，闵 伟

（1新疆生产建设兵团第八师石河子市农业技术推广总站，新疆 石河子 832003；2石河子大学农学院资源与环境科学系，新疆 石河子 832003）

0 引言

淡水资源不足是全球性问题，对生态环境和农业生产都是一个威胁，尤其是干旱地区。随着工农业生产快速发展，对水资源尤其是淡水资源的需求量日益增加。同时，干旱地区地表水和地下水也普遍存在水质盐化趋势[1]。世界上许多国家为解决淡水资源供需矛盾，已经把地下水、灌区回归水、劣质水的开发利用作为弥补淡水资源短缺的一个重要途径。许多地区为确保农业生产，常常被迫利用咸水进行灌溉[2]。干旱地区应用咸水或微咸水灌溉是无法回避的现实问题[3]。

我国是一个水资源相对匮乏的国家，并且新疆干旱区淡水资源极为短缺，但新疆干旱区地下咸水资源十分丰富，合理开发利用咸水、微咸水资源将成为解决淡水资源短缺的有效途径之一[4，5]。棉花是新疆主要经济作物，在全国的种植面积、产量、单产均居首位，作为耐盐作物，其耐盐阈值为7.7dS·m-1，土壤盐分超过这一阈值就会对棉花生长和产量产生负面影响。咸水灌溉会给土壤带来大量的盐分，影响土壤的物理化学性质，进而影响棉花的生长和产量。此外，氮肥的合理施用会促进棉花生长和提高产量。目前关于咸水灌溉对土壤水盐平衡的影响研究较少，因此，本研究针对新疆干旱区咸水资源利用的必然趋势，探究咸水灌溉对棉田土壤水分和盐分动态变化，土壤贮水量、渗漏量和棉花蒸散量，盐分平衡及棉花生物量和产量的影响，为膜下滴灌棉田水肥盐协同管理提供依据，对干旱地区咸水资源的合理利用有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

本试验在石河子大学农学院实验站开展。试验区土壤类型为灌溉灰漠土，土壤耕层基础理化性状为：有机质含量16.84g·kg-1，全氮1.08g·kg-1，速效磷25.86mg·kg-1，速效钾253mg·kg-1，pH7.48，容重1.33g·cm-3，盐度0.13dS·m-1。

1.2 试验设计

参试棉花品种为新陆早33 号。设置三个灌溉水盐度，每个灌溉水盐度处理下设置两个氮肥用量水平，其中三个灌溉水盐度（ECw）分别为0.35dS·m-1（淡水）、4.61dS·m-1（微咸水）和8.04dS·m-1（咸水），分别用FW、BW 和SW 表示。试验中微咸水和咸水处理通过在淡水中加入等量的NaCl 和CaCl2（1:1 重量比）混合盐获得。两个氮肥施用量（纯N）分别为240 kg·hm-2和360kg·hm-2（分别用N240 和N360 表示），其中N360 为当地氮肥推荐用量。各处理采用完全随机区组设计，每个处理3 次重复，共18 个小区，小区面积57.6m2（16m×3.6m）。采用30cm＋60cm＋30cm行距配制，株距10cm，滴头间距30cm。

为监测水分渗漏量和盐分淋洗量，特设置微区试验。具体如下：在试验开始前（2009 年），每个处理内埋设三个高100cm，直径40cm的土柱。每个土柱内种植4株棉花，由一个滴头供水，土柱底部接排水管用于采集渗漏液。

试验于2009—2010年进行，两年的灌水量和施肥量相同。灌水从6 月上旬开始至8 月中旬结束，棉花全生育期共灌水9 次，全生育期灌水量为450mm。磷肥和钾肥全部做基肥，在棉花播种前施入，用量分别为磷肥（P2O5）：105kg·hm-2，钾肥（K2O）：60kg·hm-2。氮肥（尿素）全部用作追肥，在棉花生长期间分5次随水滴施。其它管理措施同当地生产管理保持一致。

1.3 样品采集与指标测定

土壤样品的采集与测定：每个试验处理随机选择3个样点，分别在棉花播种前、每次灌水前及棉花收获后采集土壤样品，采集深度为0～100cm，每20cm 一层，共5 层，分别测定土壤水分和盐分。水分采用传统烘干法测定，盐分采用电导率仪测定（水土比为5:1）。

渗漏液的采集与测定：每次灌溉24h后，收集微区土壤的渗漏液，用量筒测定渗漏液体积，用来计算水分渗漏量；采用电导率仪测定渗漏液电导率，用来计算盐分淋洗量。

棉花生物量和籽棉产量的测定：在吐絮期采集样品，每个处理采集3株棉花，分为茎、叶、铃三个部分，105℃杀青半小时，80℃烘干至恒重后称重。棉花籽棉产量采用实收计产的方式测定。

1.4 数据处理与制图

数据采用Excel 进行制图，数据分析采用SPSS19.0统计软件Tukey's法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 土壤含水量

通过两年的试验可知（见图1）：处理BW 和SW土壤含水量均高于FW。2010 年试验结束时，处理FW土壤含水量最低，SW最高，BW次之，处理SW和BW土壤含水量分别较FW高20.00%和26.20%。结果表明处理BW 和SW 均会增加棉田土壤根区含水量，主要是由于高盐度灌溉水降低了土壤水分的蒸散损失[6，7]。

图1 不同处理0～1m土壤平均含水量的动态变化Figure 1 Dynamics of the average soil water contents in 0～1m soil profile under different treatments

图2 不同处理土壤0～1.0m平均盐度的动态变化Figure 2 Dynamics of the average soil salinity（EC1:5）in 0～1.0m under different treatments

土壤含水量也受到施氮量的影响。不同施氮量处理土壤含水量的分布趋势相似（文中仅给出N360处理土壤水分的动态变化）。随着施氮量的增加，土壤含水量降低。2010 年试验结束后，处理N240 土壤含水量较N360 高2.43%。说明适当增加氮肥用量可增加棉花对水分的吸收，提高棉田蒸散量，并能适当促进棉花生长。

2.2 土壤盐分

试验期间，处理BW和SW棉田土壤盐度逐渐增加，但是处理FW土壤盐度的变化幅度较小，始终维持在较低水平（见图2）。第一年（2009年）试验结束后，处理BW 和SW 0～1m 土壤平均盐度分别较FW增加112%和209%，2010 年，处理BW 和SW 土壤盐度进一步增加，分别较FW 增加157%和284%。这与Chen等[8]和Kang等[9]的研究结果一致。

施氮量对土壤盐度的影响较小，处理N360土壤0～100cm平均盐度两年平均较N240增加3%（文中仅给出N360处理土壤电导率的动态变化）。原因可能是由于适当增加氮肥用量对棉花生长有一定的促进作用，导致水分的蒸散损失增加，从而降低了水分对棉花根区盐分向下层淋洗的比例。已有研究报道过量施用氮肥会导致土壤盐度增加。Villa-Castorena 等[10]发现施氮量200kg·ha-1会导致作物生长季末的土壤盐分积累。

2.3 土壤贮水量、渗漏量和棉花蒸散量

由表1 可知：土壤净贮水量随灌溉水盐度的增加而显著提高，处理FW土壤净贮水量最小，分别较BW和SW低59.31%和100.01%（两年平均）；土壤净贮水量随施氮量的增加而显著降低，具体表现为处理N240土壤净贮水量最高，平均为-19.26mm，其次是N360，平均为-22.86mm。土壤水分渗漏量也随灌溉水盐度的增加而显著增加，处理BW和SW水分渗漏量较FW 分别增加28.19%和78.84%（两年平均）。施氮量对土壤水分渗漏量的影响具体表现为，处理N360 较N240 棉田土壤水分渗漏量降低6.51%（两年平均）。棉花蒸散量随灌溉水盐度的增加呈现降低趋势，但随施氮量的增加呈现增加趋势，其中处理FW 蒸散量最高，分别较BW 和SW 高2.87%和9.83%（两年平均）。2009年处理N360蒸散量较N240 增加2.63%，2010 年为1.67%。Jiang 等[1]也认为作物蒸散量随着灌溉水盐度的增加而降低。

2.4 盐分平衡分析

由表2 可知：土壤初试含盐量为6.12t·hm-2，两年时间内，各灌溉处理的盐分投入量分别为，FW 2.02t·hm-2，BW 26.56t·hm-2，SW 46.3t·hm-2。增加灌溉水盐度显著增加棉花生育期内土壤盐分淋洗总量，具体表现为：处理FW 土壤盐分淋洗总量最低，BW 和SW 分别较FW 高14 倍和32 倍。施氮量也显著影响棉花生育期盐分淋洗总量，具体表现为：棉花生育期内盐分淋洗总量随氮肥施用量的增加呈降低趋势，处理N240 盐分淋洗总量较N360 高16.68%；交互作用的影响表现为：在处理SW 和BW中增加施氮量显著降低棉花生育期内土壤盐分淋洗总量，但处理FW 中两个施肥量之间无明显差异。总体上，氮肥施用两对棉花生育期内盐分淋洗总量的影响小于灌溉水盐度。两年试验结束后，灌溉水盐度和施氮量对棉田土壤盐分总残留量和净积累量受影响较为一致。具体表现为：土壤盐分总残留量和净积累量随灌溉水盐度的增加显著提高，但施氮量对其影响不显著，处理BW和SW土壤盐分总残留量和净积累量分别较FW 高2.35 倍和4.95倍、11.27 倍和19.96 倍。棉花非生育期内同样发生盐分淋洗，盐分淋洗总量仅和灌溉水盐度相关。原因是在棉花非生育期内有降雨发生，同时冬季有大量降雪，降雪春季融化后会导致盐分淋洗的发生。灌溉水盐度越大，带入土壤中的盐分就越多，在棉花非生育期内受降雨和降雪影响，处理SW和BW盐分淋洗总量显著高于FW，分别较FW 高21 倍和47倍。也有研究表明长期咸水灌溉可能会出现积盐的情况，对作物和土壤均存在潜在的威胁[11]。在本研究中，土壤盐分积累起主导作用，因此，咸水不适宜作为本地区单一的灌溉水源，可以考虑作为补充替代水源，在一定范围内替代淡水资源。只有当盐分淋洗起主导作用时，才有利于咸水和微咸水的应用。

表1 灌溉水盐度和施氮量处理对棉田土壤贮水量、渗漏量和蒸散量的影响Table 1 Soil water storage，water drainage and evapotranspiration as affected by irrigation water salinity and N rate

表2 灌溉水盐度和施氮量处理对根区土壤（0～1m）盐分平衡的影响Table 2 Salt balance in the root zone（0～1m）as affected by irrigation water salinity and N rate

2.5 棉花生物量和产量

由表3 可知：2009 年（咸水灌溉第一年），处理BW 棉花生物量和产量最高，但和FW 间差异不显著，处理SW 棉花生物量和产量最低；处理BW 和FW 棉花生物量和产量分别较SW 高25.72%、28.57%和19.56%、21.25%。2010 年（咸水灌溉第二年），处理FW棉花生物量和产量最高，但和BW间差异不显著，SW 最低；处理FW 和BW 棉花生物量和产量分别较SW 高21.47%、21.02%和14.83%、16.65%。增加施氮量会显著提高棉花生物量和产量，处理N360 棉花生物量和产量分别较N240 高17.55%和11.09%（两年平均）。研究表明适度的微咸水灌溉对棉花生长和籽棉产量无显著影响，但是采用咸水灌溉会显著抑制棉花生长，降低籽棉产量。国内外学者针对灌溉水盐度对作物产量的影响效应也开展了诸多研究，大量研究结果均表明增加灌溉水盐度会降低作物产量[12，13]。但是也有研究发现并不是所有盐度都对作物有害，因为作物不同，耐盐性也不同，适当的盐分还会促进作物生长[14]，但是超过作物的耐盐阈值以后，作物生长和产量会明显受到抑制。本研究中微咸水处理第一年棉花生物量和产量最高，试验第二年微咸水处理棉花生物量和产量虽与淡水处理差异不显著，但呈降低趋势。淡水和微咸水处理棉花生物量和籽棉产量均显著高于咸水灌溉处理。说明微咸水灌溉土壤盐分尚未达到棉花的耐盐阈值，但是咸水灌溉下土壤盐分超过棉花的耐盐阈值，导致棉花生长受抑制，产量降低。

表3 灌溉水盐度和施氮量处理对棉花生物量和籽棉产量的影响Table 3 Effect of irrigation water salinity and N rate on biomass，N uptake and yield

3 小结

（1）微咸水和咸水灌溉显著降低棉花蒸散量，增加根区土壤含水量和净贮水量，导致水分渗漏量增加，这将会降低水肥利用率，增加地下水污染风险。微咸水和咸水灌溉造成根区土壤盐分积累，随着灌溉水盐度和灌溉年份的增加，土壤盐度也相应增加，咸水灌溉土壤盐分的积累尤为强烈；微咸水和咸水灌溉土壤盐分总残留量和净积累量也较淡水灌溉显著增加，所以持续进行微咸水和咸水灌溉，盐分的累积效应明显；微咸水和咸水灌溉土壤盐分淋洗总量相对于淡水灌溉处理均显著增加，在棉花生育期内氮肥的施用显著降低土壤盐分淋洗量，但在棉花非生育期内氮肥的施用对土壤盐分淋洗量的影响不显著。

（2）短期微咸水灌溉会促进棉花生长，棉花生物量和产量均较淡水有所提高，但差异不显著；在本试验中，微咸水灌溉第二年籽棉产量与淡水灌溉相比差异虽不显著，但却呈下降趋势，所以持续进行微咸水灌溉会对棉花生长产生负面影响。无论施氮量高低，咸水灌溉显著降低棉花生物量和产量，因此，高盐度咸水（ECw＞8dS·m-1）不适宜作为棉田的单一灌溉水源，但是可以作为补充水源来替代部分淡水，也可以采取咸水淡水轮灌的方式。