宋恩泽,张 颖,徐 丹,邵光成,孙智博
(1.河海大学农业科学与工程学院,南京 210098;2.南京市江宁区水务局,南京 211100;3.浙江省水利河口研究院(浙江省海洋规划设计研究院),杭州 310020)
盐碱地是在干旱气候、强蒸发环境或地下水位含盐量较高等情况下地表溶盐累积量较大形成的一类土地[1]。我国盐碱地总面积9 913万hm2,约占全国土地面积的10%,分布在全国23个省、市、区[2],其中新疆地区因降雨稀少、蒸发强度大而形成了典型的内陆盐渍区,江苏滨海地区因地下水受海水补充水位较高,形成了典型的海渍盐渍区[3]。一般植物在盐碱地中土壤高含盐量的盐分胁迫作用下很难存活,目前已成为制约我国农业生态健康发展的主要障碍[4]。因此,在对上述地区进行农业开发和利用时,考虑到盐碱地的特性,因地制宜进行灌溉制度设计是十分重要的。
棉花是盐碱地种植的先锋作物,由于土壤盐碱化和次生盐碱化加快,粮棉争地矛盾逐渐凸显,棉花种植也逐渐向盐碱地转移,目前在内陆和滨海都已形成盐碱地棉田[5]。但是,盐碱地土壤中的水盐动态变化状况可通过离子渗透等方式使植株营养供应失衡,干扰正常生理代谢规律,最终影响棉花的纤维品质和产量[6]。而滴灌技术兼具灌溉和淋洗压盐的双重优势,能够有效促进盐碱地改良,成为盐碱地农业生产的主要灌溉方式[7]。研究表明在滴灌条件下,水流浸润根层速度较慢,有利于植株主要根区土壤保持在最优含水量范围内,并促进盐分向下运移,积累在湿润区边缘,进而使滴头下面保持较高的含水率及较低的盐分浓度,为作物生长创造良好的水盐环境[8]。目前关于滴灌棉花盐碱地种植研究,主要集中在盐分胁迫或土壤盐分离子运移的影响,但对于不同质地盐碱土下适宜棉花品质最适滴灌流量的遴选研究较少。祁通[9]等通过分析滴灌棉田盐分的运移规律和影响机制,发现棉花种植过程显著影响土壤10~20 cm土层盐分含量;朱延凯[10]等发现随着盐胁迫程度的增加及胁迫时间延长,棉花光合生理指标均呈下降趋势;李万精[11]等认为棉花根区由于盐分胁迫作用,制约了棉花生长,但适宜土壤含盐量可为棉花提供营养元素,促进棉花生长;冯棣[12]等在河北灌区发现土壤含盐量的增加会使棉花生长受到胁迫,导致株高、茎粗、叶面积和叶绿素含量等降低。同时,由于棉花品质及产量指标较多,无法单一评估,而数据包络分析可对多个投入与产出变量数据进行效率测度,该方法已被广泛应用于统计学及管理科学等领域[13],但针对棉花滴灌方面研究较少。
鉴于此,本论文以棉花为试验对象,采用新疆砂质壤土和东台粉砂质壤土两种盐碱土,分析不同滴灌流量对盐碱土种植下棉花纤维品质与产量的影响,借助数据包络分析对两种盐碱土和4种滴灌流量进行优选评价,研究结果可为新疆地区和江苏滨海地区的盐碱地灌溉制度设计提供理论参考和技术支持。
本文试验地点位于江苏省南京市江宁区河海大学农业科学与工程学院节水园(118°47′E,31°54′N),试验区属亚热带季风气候区,年均气温17.2℃,最高气温38.3℃,最低气温-3.1℃,年平均湿度74%,最低湿度11%,无霜期为259 d,年均日照时间为1 917.3 h,雨热同期,年降水量1 106.5 mm,且多集中在汛期(5-9月)。
试验供试土壤有两种,分别取自新疆且末垦区(S1)与江苏东台滨海地区(S2)。新疆且末垦区(83°25′E,40°10′N)属暖温带干旱大陆性气候,年均气温11.7℃,春夏季降水异常偏少,干旱情况明显。江苏东台滨海地区(120°07′E,32°33′N)属亚热带季风海洋性气候,年均气温15.0℃,四季分明,雨热同季。
根据土壤粒度分析仪测定结果和国际制土壤质地分组法,得到两地土壤分别属于砂质壤土和粉砂质壤土,具体土壤基本物理及化学性质见表1和表2。
表1 土壤物理性质Tab.1 Physical properties of soil
表2 土壤化学性质Tab.2 Soil chemistry
根据蔡阿兴[14]等的研究,针对且末土和东台土,分别利用公式(1)和公式(2)将土水比1∶5的土壤浸提液电导率值换算成土壤含盐量,计算结果分别为3.89、2.33 g/kg。
式中:y为土壤含盐量,g/kg;EC1∶5为土水比1∶5的土壤浸提液电导率值,μS/cm。
本试验采用马氏瓶为供水装置、医用输液器(去针头)为滴灌器。测筒为30 cm×30 cm×95 cm(内径)的长方体,筒顶无封盖,筒底安装有排水阀门。填筑土柱时,下部依次铺设5 cm厚的石子、粗砂、细砂形成反滤层,细砂与土体之间利用土工布隔离,防止土柱入渗时下端土壤进入沙粒中。土样风干、碾磨、过2 mm筛后,按测定的干容重(砂质壤土1.48 g/cm3,粉砂质壤土1.37 g/cm3)填入土柱中。测筒外部采用隔热膜包裹,避免阳光直射造成筒体温度升高而对棉花生长产生影响。
相邻测筒之间相距50 cm,马氏瓶内径10 cm,高50 cm,瓶身外部标有刻度。用内径80 mm透明软管连接马氏瓶和医用输液器,在接口处用塑料带密封。用塑料扎带和园艺夹将输液器滴头固定在棉花底部,每次灌水前均需校正滴头流量,以保障试验精确性。试验布置如图1所示。
图1 试验布置图Fig.1 Test layout drawings
棉花移栽前对每个土柱各灌2 L水浸湿土壤用于缓苗。根据棉花生长情况划分生育期,将棉花整个生育期划分苗期(7月6日-7月30日)、蕾期(7月30日-8月20日)、花铃期(8月20日-10月17日)和吐絮期(10月16日-12月20日)。
试验设2种土壤质地(用字母S表示)×4种滴灌流量(用字母F表示)共计8个处理,滴灌流量的设置根据土壤入渗率及前人研究成果综合确定,试验方案如表3所示。按照棉花各生育阶段需水量的不同,结合农作经验和相关资料文献,确定苗期、蕾期、花铃期、吐絮期的每次灌水量分别为1、2、3、0 L,每个处理控制相同的灌水量,并设3个重复,每次的灌水量一次性装进马氏瓶连续灌完。灌溉制度如表4所示。
表3 棉花试验方案设计Tab.3 Cotton test protocol design
表4 棉花试验灌溉制度Tab.4 Experimental irrigation system for cotton
在棉花蕾期、花铃期内,每隔5 d(每次灌水后取土,故与灌水周期相同)取一次土样,用以测量土壤水分和盐分指标,每个测筒均取0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm 3个土层深处土样,分别进行土壤水分及盐分指标的测定。土壤含水率采用烘干法测定,电导率采用DDS-307电导率仪对土水比1∶5的土壤浸提液测定。
试验样委托棉花品质监督检验测试中心,按照GB/T 20392-2006《HVI棉纤维物理性能试验方法》,对每个处理的棉花进行HVI五项指标检测(包括上半部平均长度、整齐度指数、断裂比强度、马克隆值、伸长率)。根据棉花新国标,马克隆值分为A、B、C三级(A级:3.7-4.2;B级:3.5-3.6、4.3-4.9;C级:<3.5、>5.0),A级品质最好,C级最差[15]。
从吐絮期开始,对每株棉花的每个棉铃进行观察,在棉铃吐絮成熟且较干燥的情况下,及时收取,并用塑料自封袋保存,在塑料自封袋上做好标记。待吐絮期结束,整理并测定单株铃数、单铃质量、籽棉产量;轧花后测定皮棉产量,并按式(3)计算衣分率。
运用Excel 2016对试验所得数据进行汇总整理,运用SPSS 19.0对数据进行单因素方差分析,运用Deap-xp进行数据包络分析,运用Origin 2018进行绘图。
在蕾期和花铃期两个生育阶段,对不同滴灌流量处理下的棉花,监测土体表面以下0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm深处的土壤含水率,结果如图2所示。
图2 不同深度土层处土壤含水率变化图Fig.2 Graph of soil moisture content change at different depths of soil layer
对于砂质壤土,4种处理在上述3种土层中均是处理S1F3的含水率较高,其中10~20 cm、20~30 cm深度土层中明显较高,表明处理S1F3的流量大小达到的垂直入渗及水平扩散效果均较好;流量较小时,如处理S1F1和处理S1F2,入渗较缓慢,水量在各层分布较为均匀;流量较大时,如处理S1F4,表层易形成积水,水分水平扩散速度与范围大于垂直方向,导致蒸发消耗较大。
对于粉砂质壤土,4种处理在上述3种土层中均是处理S2F2的含水率较高,说明处理S2F2的流量大小达到的垂直入渗及水平扩散效果均较好,且总体保有水量最多。
本文采用电导法测定土壤盐分,在蕾期和花铃期两个生育阶段,对不同滴灌流量处理下的棉花,测定土体表面以下0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm深处的土壤浸提液电导率,结果如图3所示。
对于砂质壤土,4种处理在上述3种土层中(0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm)电导率表现为S1F1<S1F4<S1F3<S1F2、S1F4<S1F3<S1F1<S1F2、S1F4<S1F3<S1F1<S1F2,表明当中滴灌流量为F4(1.6 L/h)时,0~30 cm土层含盐量较少。
对于粉砂质壤土,4种处理在上述3种土层中电导率表现为S2F3<S2F1<S2F2<S2F4、S2F3<S2F1<S2F4<S2F2、S2F3<S2F2<S2F4<S2F1,表明滴灌流量为F3(1.2 L/h)时,0~30 cm土层含盐量较少。
棉花纤维品质是影响棉花经济价值的重要指标。待所有棉花收获完毕后,将其按处理整理好,轧花后进行五项纤维品质指标(上半部平均长度、整齐度指数、断裂比强度、马克隆值、伸长率)检测,结果如图4所示。
图4 不同处理下棉花纤维品质影响Fig.4 The quality of cotton fiber under different treatments is affected
对于砂质壤土种植下五项纤维品质指标,棉花上半部平均长度范围是30.60~32.00 mm,平均值为31.28 mm;4组处理间大小表现为S1F3>S1F4>S1F2>S1F1,相比处理S1F3,其余处理的上半部平均长度分别降低了1.15%、3.44%、4.38%,且各处理间差异显著(P<0.05);棉花整齐度指数范围是86.87%~87.65%,平均值为87.17%;4组处理间大小表现为S1F1>S1F4>S1F3>S1F2,相比处理S1F1,其余处理的整齐度范围指数分别降低了0.55%、0.72%、0.89%;棉花断裂强度范围是29.67~31.00 cN/tex,平均值为30.49 cN/tex;4组处理间大小表现为S1F4>S1F1>S1F3>S1F2,相比处理S1F4,其余处理的断裂比强度分别降低了0.32%、1.94%、4.30%,且各处理之间差异显著(P<0.05);棉花马克隆值分级情况为S1F3(B级)>S1F4(C级)>S1F2(C级)>S1F1(C级),且各处理之间差异显著(P<0.05);棉花伸长率范围是6.90%~7.00%,平均值为6.96%;4组处理间大小表现为S1F1>S1F4>S1F3>S1F2,相比处理S1F1,其余处理的棉花伸长率分别降低了0.00%、0.95%、1.43%。
对于粉砂质壤土种植下五项指标,棉花上半部平均长度范围是28.47~31.70 mm,平均值为29.86 mm;4组处理间大小表现为S2F2>S2F3>S2F4>S2F1,相比处理S2F2,其余处理的上半部平均长度分别降低了5.68%、7.36%、10.20%,且各处理间差异显著(P<0.05);棉花整齐度指数范围是85.07%~87.80%,平均值为86.58%;4组处理间大小表现为S2F2>S2F3>S2F4>S2F1,相比处理S2F2,其余处理的整齐度指数分别降低了1.03%、1.40%、3.11%,且各处理之间棉花整齐度指数差异显著(P<0.05);棉花断裂比强度范围是28.73~31.43 cN/tex,平均值为30.07 cN/tex;四组处理间大小表现为S2F3>S2F2>S2F4>S2F1,相比处理S2F3,其余处理的断裂比强度分别降低了2.65%、6.15%、8.59%;棉花马克隆值分级情况为S2F1(C级)>S2F4(C级)>S2F3(C级)>S2F2(C级);棉花伸长率范围是6.93%~7.03%,平均值为6.97%;4组处理间大小表现为S2F4>S2F3>S2F2>S2F1,相比处理S2F4,其余处理的棉花伸长率分别降低了0.95%、1.18%、1.42%。
根据结果来看,砂质壤土及粉砂质壤土种植棉花的5个纤维品质随滴灌流量的变化规律并非完全一致,无法直接判断滴灌流量的提质效果,需要对各纤维品质和指标进行综合评价。
选取单株铃数、单铃质量、籽棉产量、皮棉产量、衣分率5个指标作为棉花的产量构成因子,综合分析滴灌条件下不同流量对棉花产量的影响。结果如图5所示。
图5 不同处理下棉花产量影响Fig.5 Influence of cotton yield under different treatments
对于砂质壤土种植下五项产量指标,棉花单株铃数范围是8~10,平均值为9.6;4组处理间大小表现为S1F4>S1F3>S1F1>S1F2,相比处理S1F4,其余处理的单株铃数分别降低了0.00%、9.68%、19.35%,各处理间差异不显著(P>0.05);棉花单铃质量范围是2.98~3.96 g,平均值为3.42 g;4组处理间大小表现为S1F2>S1F1>S1F3>S1F4,相比处理S1F2,其余处理的单铃质量分别降低了14.39%、14.98%、24.75%,各处理间差异不显著(P>0.05);棉花籽棉产量范围是3 385.35~3 808.23 kg/hm2,平均值为3 606.52 kg/hm2;4组处理间大小表现为S1F3>S1F2>S1F1>S1F4,相比处理S1F3,其余处理的籽棉产量分别降低了3.21%、6.87%、11.10%,各处理间差异不显著(P>0.05);棉花皮棉产量范围是1 346.23~1 585.36 kg/hm2,平均值为1 480.68 kg/hm2;4组处理间大小表现为S1F4>S1F3>S1F2>S1F1,相比处理S1F4,其余处理的皮棉产量分别降低了4.68%、6.65%、15.08%,各处理间差异不显著(P>0.05);棉花衣分率范围是0.38~0.51,平均值为0.42;4组处理间大小表现为S1F4>S1F3>S1F2>S1F1,相比处理S1F4,其余处理的衣分率分别降低了22.30%、23.59%、26.01%,各处理间差异不显著(P>0.05)。
对于粉砂质壤土种植下五项产量指标,棉花单株铃数范围是6~9,平均值为7.5;4组处理间大小表现为S2F4>S2F1>S2F2>S2F3,相比处理S2F4,其余处理的单株铃数分别降低了10.71%、32.14%、35.71%,各处理间差异不显著(P>0.05);棉花单铃质量范围是2.92~3.31 g,平均值为3.13 g;4组处理间大小表现为S2F3>S2F1>S2F2>S2F4,相比处理S2F3,其余处理的单铃质量分别降低了0.91%、8.37%、11.69%,各处理间差异不显著(P>0.05);棉花籽棉产量范围是2 127.14~3 048.08 kg/hm2,平均值为2 604.72 kg/hm2;4组处理间大小表现为S2F4>S2F1>S2F3>S2F2,相比处理S2F4,其余处理的籽棉产量分别降低了了0.84%、27.13%、30.21%,各处理间差异不显著(P>0.05);棉花皮棉产量范围是896.10~1 346.62 kg/hm2,平均值为1 109.32 kg/hm2;4组处理间大小表现为S2F1>S2F4>S2F3>S2F2,相比处理S2F1,其余处理的皮棉产量分别降低了3.78%、33.25%、33.46%,各处理间差异不显著(P>0.05);棉花衣分率范围是0.40~0.44,平均值为0.42;4组处理间大小表现为S2F1>S2F4>S2F2>S2F3,相比处理S2F1,其余处理的衣分率分别降低了3.96%、5.26%、8.78%,各处理间差异不显著(P>0.05)。
根据结果来看,由于5种产量构成因子随滴灌流量的变化规律并非完全一致,因此不能直接判断滴灌流量效果,需要根据实际用途和要求,对其进行综合评价。
棉花优质高产,对农业生产效益具有重要意义,从前两节得知,不同滴灌流量对棉花纤维品质,产量各指标的影响规律不一致,对单一指标进行评价容易造成较大误差。本研究选取数据包络分析分析法作为评价方法综合筛选出最优滴灌流量。
2.5.1指标选取与处理
选取上半部平均长度(T1)、整齐度指数(T2)、断裂比强度(T3)、伸长率(T4)、单株铃数(T5)、单铃质量(T6)、籽棉产量(T7)、皮棉产量(T8)、衣分率(T9)共9项指标对棉花进行综合效率评价,综合效率越高,表明滴灌流量效果最好;因马克隆值分级标准与上述9项指标不同,故不将其进行数据包络分析。
2.5.2 数据包络分析
数据包络分析(Data envelopment analysis,简称DEA)是一种由多学科交叉的非参数评估方法,被应用于计算多维投入、产出的相对效率[16]。DEA模型的优点在于不需要设定具体生产函数,不受投入产出量纲的影响,同时能对多产出指标的效率进行测量[17]。
DEA的基本模型包括其理论假设有n个决策单元(DMU),每个决策单元设定有m种投入与s种产出,令(i=1,2,…,m,j=1,2,…,n)表示第j个决策单元的第r种投入,(r=1,2,…,s,j=1,2,…,n)表示第j个决策单元的第r种产出,(i=1,2,…,m)表示第i种投入的权重值,(r=1,2,…,s)表示第r种产出的权重值。
向量Xj,Yj(j=1,2,…,n)分别表示决策单元j的输入和输出变量,v和u分别表示输入、输出权值向量,则Xj=(x1j,x2j,…,xmj)T,Yj=(y1j,y2j,…,ysj)T,u=(u1,u2,…,um)T,v=(v1,v2,…,vs)T。
定义决策单元的j的效率评价指数hj如式(4)所示。
评价决策单元j0效率E的数学模型如公式(5)、(6)所示。
运用DEA对试验产出的截面数据进行评价,评价指标包括综合技术效率值(crste)、规模效率值(scɑle)及纯技术效率值(vrste),三者关系如式(6)所示。
当scɑle等于1时,表明规模效率有效,即在当前规模水平下,投入与产出达到最优状态;当crste等于1时,表明该决策单元综合技术效率达到DEA有效状态;当vrste等于1时,表明纯技术有效,即能够充分利用现有技术实现投入到产出的转化[18]。
DEA分析结果如表5所示。
2.5.3 评价结果
根据表5,在数据包络分析的8项处理中,纯技术效率均大于1,证明上述决策单元均处于DEA弱有效,可以进行综合效率分析。其中,砂质壤土各处理综合技术效率大小表现为:S1F2>S1F1>S1F3>S1F4,处 理S1F2的 综 合 技 术 效 率 最 高(0.584);粉砂质壤土各处理分值大小表现:S2F2>S2F1>S2F3>S2F4,处理S2F2的分值最高(0.529)。两种土壤中,均是当滴灌流量为F2时综合得分最高,表明综合考虑品质和产量的10项指标,4种滴灌流量中适中的流量设置(即0.8 L/h),更有利于棉花品质产量综合效益的提升。
表5 DEA分析结果Tab.5 DEA analysis results
同一滴灌流量下,砂质壤土得分高于粉砂质壤土。因为砂质壤土的稳定入渗率要高于粉砂质壤土,水分更容易下渗到根系分布较少的下层土体,最终影响棉花的品质产量综合效益。
将砂质壤土和粉砂质壤土的8个处理进行得分排名:S1F2>S2F2>S1F1>S2F1>S1F3>S2F3>S1F4>S2F4,砂质壤土的整体得分高于粉砂质壤土,表明在本研究所设计的滴灌流量范围内,砂质壤土的棉花品质产量综合效益比粉砂质壤土更高。
随着棉花生育期的推进,土壤含水率总体呈先下降后上升趋势,其原因是前期植株的营养生长(株高、茎粗、叶片等)需耗水,且随植株的生长耗水量逐渐增大,含水率呈下降趋势。移栽后60~70 d左右,因棉花属盛花期阶段,植株的消耗水量最大,土壤含水率达最低点;棉花生长后期土壤含水率曲线回升,对于此类情况,刘锦涛[19]等认为开花~吐絮期等后,植株由营养生长变为生殖生长,耗水量逐渐减小。
在试验观测期内,各处理在各土层电导率值呈波动状态。观测初期,滴灌后0~10 cm深处土层的电导率呈下降趋势,说明滴灌初期减少了浅层土壤盐分含量,使盐分向下迁移;10~20 cm和20~30 cm深处土层在第一次灌水后电导率变大,之后由于土壤内部水分的运动(包括渗漏导致的向下运动和蒸发导致的向上运动),导致土壤内部各土层的盐分迁移,使得电导率值呈波动状态。
棉花作为一种重要的经济作物,其纤维物理性能、产量是反映棉花长势的重要指标。滴灌作为一种局部灌水技术,滴头流量会影响棉花作物生长,从而影响作物产量。试验研究表明不同滴灌流量对棉花生长发育影响显著,水分条件变化常常是导致作物生长的主要原因[20]。本研究试验结果表明在粉砂土及砂质土条件下,随着滴灌流量增加,棉花上半部平均长度、整体度指数、断裂比强度及马克隆值均先增大后降低,对于此类情况,丁浩等[21-23]认为,在滴灌作用于普通土壤下,作物根系吸收的水分主要来自滴头所湿润的小范围土壤内,而随着滴水流量逐渐增大,滴管土壤湿润区由窄深变为宽浅,宽浅型土壤湿润区能在保持水分利用效率不降低的情况下,显著提高棉花品质。研究表明,在滴灌流量F2(0.8 L/h)时,土壤含水率最大,棉花上半部平均长度、整齐度指数等均最优,与前人研究相符;当滴灌流量F4(1.6 L/h)时,表层积水情况明显,因蒸发造成的水分消耗较大。
棉花产量指标在不同滴灌流量变化的原因可能是因为滴灌同时兼具灌溉与洗盐的作用,在滴灌条件下,土壤会在垂直方向形成盐分淡化区,其中,上层土淋洗效果最好,下层为盐分聚集区[24-27]。苏里坦[28]等发现在粉砂质壤土中,供水量一定流量较小时,灌水历时越长盐分淋洗越充分,本研究表明,在0~30 cm土层中,砂质壤土及粉砂质壤土分别在流量1.6、1.2 L/h时淋洗效果更好,此时,棉花单株铃数、单铃质量、皮棉产量、衣分率等均最优,表明在该流量下,滴灌对盐分的淋洗效果正向促进了棉花产量的增长。
无论是砂质壤土还是粉砂质壤土,单株铃数的规律都是先减小后增大,这是因为适中流量的处理棉花生长情况较好,棉花将过早封行,田间透光透气性变差,脱蕾、脱铃率变大,最终反而单株铃数下降。
本研究通过引入DEA模型,建立了涵盖滴灌流量投入、棉花纤维品质、产量等2类10项指标的棉花综合效能评估模型,以相对效率概念为基础,根据投入指标和产出指标对相对有效性进行评价,避免了不同指标之间相互影响造成评价失准,较为准确的提出了针对盐碱地棉花种植的灌溉制度。
(1)针对棉花5种纤维品质指标,砂质壤土种植下最佳滴头流量分别为1.2、0.4、1.6、0.4、0.4 L/h;粉砂质壤土种植下则为0.8、0.8、1.2、0.4、1.6 L/h。
(2)针对棉花5种产量指标,砂质壤土种植下最佳滴头流量分别为1.6、0.8、1.2、1.6、1.6 L/h;粉砂质壤土种植下则为1.6、1.2、1.6、0.4、1.6 L/h。
(3)在本研究所设计的滴灌流量范围内,砂质壤土的棉花品质综合效益比粉砂质壤土更高。
(4)运用数据包络分析法计算不同滴灌流量下棉花品质产量综合效率,砂质土与粉砂质土中均是0.8 L/h效率最高,分别为0.584、0.529,表明综合品质和产量的10项指标,滴灌流量(即0.8 L/h),更有利于棉花品质和产量的综合效益提升。