土壤水分調控對棉花生長和土壤水鹽分布的影響

姬清元，張富倉，肖 超，劉小強，孫 鑫，楊 玲

(西北農林科技大學 旱區農業水土工程教育部重點實驗室/旱區節水農業研究院，陜西 楊凌712100)

土壤鹽堿化和水資源短缺是制約干旱地區農業發展的重要瓶頸[1-2]，特別是位于歐亞大陸腹地的新疆地區，干旱少雨，蒸發強烈，水資源短缺，不合理灌排引起的農田土壤次生鹽漬化嚴重制約著該地區的農業生產和可持續發展[3-5]。同時，新疆是我國最重要的棉花生產基地，2019年新疆棉花種植面積25 405 km2，棉花產量占全國總產量的80%，棉花收入占農民收入的30%以上[6]。近年來，廣泛實施膜下滴灌技術,對促進該地區的農業節水和作物高效生產具有很大作用。但對于鹽堿化農田，長期大規模的膜下滴灌達不到排鹽、洗鹽效果，耕層區土壤年均積鹽量達到0.36 g/kg[7-8]，加之灌溉制度不盡合理，地下水位上升、土壤次生鹽漬化嚴重，產生了新的水鹽平衡問題。作為重要的后備土地資源，其改造治理及合理開發利用顯得尤為必要[9]。因此，研究適合于該地區的農田節水控鹽高效灌溉技術，對于有限水資源條件下作物高效生產和農業可持續發展具有重要的理論與實際意義。

20世紀90年代以來，國內外諸多學者針對干旱區土壤水分調控灌溉對土壤水分有效性以及棉花生長的影響進行了大量的研究，提出了基于棉田土壤水分下限調控的測墑灌溉制度[9-10]、基于生育期農田蒸散量的灌溉制度[11-12]，更多學者研究調虧灌溉條件下棉田的節水灌溉制度[13-14]。這些灌溉調控方法能有效地調控棉田土壤水分狀況，達到節水高效生產的目的。但對于鹽堿化農田，僅從土壤水分含量調控來制定灌溉制度還不能完全反映根區土壤水分的有效性，用土壤水勢能更好地反映土壤中可供植物吸收的有效水分[12]。研究發現，在滴灌條件下，棉田控制滴頭正下方20 cm深度處的土壤基質勢，可反映作物根系分布范圍內的土壤水分狀況；在鹽堿土壤改良中，采用土壤基質勢調控灌溉能顯著影響水鹽分布，根區土壤含水量隨著基質勢的增加而增大，且脫鹽效果較好，當滴頭下基質勢為-5 kPa時土壤全剖面中脫鹽率為64.4%，對土壤結構改良效果較好，棉花產量可達到研究區非鹽漬土平均水平的84%[15-16]。

目前國內外學者對膜下滴灌土壤基質勢調控灌溉研究及棉田的節水灌溉制度取得了較多成果，但對于鹽堿化棉田，如何利用土壤基質勢調控灌溉對棉花生長、干物質累積、產量以及土壤水鹽運移的影響還鮮有報道，特別是土壤基質勢調控水平對不同生育期棉田水鹽分布及棉花生長的影響機制還不明確。為此，本研究通過大田棉花膜下滴灌試驗，研究不同生育期土壤基質勢調控水平對棉花生長指標、產量構成和土壤水鹽分布的影響，利用TOPSIS法進行綜合評價，明晰適宜棉花生育期土壤基質勢調控下限，為北疆棉田制定節水控鹽高效灌溉制度提供指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年4月中旬至9月下旬在石河子市146團新疆天業節水有限公司試驗基地進行，試驗田位于東經85°56′58″，北緯44°33′03″，海拔為150 m左右，屬于溫帶大陸性干旱氣候，無霜期約170 d，多年平均日照時數2 840 h，棉花生長季(4-9月)多年平均降水量207 mm，平均蒸發量1 660 mm，地下水位埋深在3 m以下，無地下水補給，土壤pH為8.2。棉花播種前土壤基本理化性質見表1。

表1 棉花播種前土壤的基本性質

1.2 試驗設計

試驗采用裂區設計，設土壤基質勢水平和不同生育期灌溉2個因素，以生育期調控為主區，土壤基質勢水平為副區，在未冬灌的棉田設置-10 kPa(W1)、-20 kPa(W2)和-30 kPa(W3)3個土壤基質勢水平，分別在棉花的苗期(A)、苗期+蕾期(B)和苗期+蕾期+花鈴期(C)進行W1、W2、W3基質勢水平的調控灌溉，各處理在非調控的生育期內以-40 kPa基質勢水平灌溉，并在未冬灌棉田生育期設置-40 kPa土壤基質勢水平(CK)，共計10個處理，每個處理重復3次，共計30個小區，試驗方案如表2所示。

表2 棉花生育期土壤基質勢灌溉調控方案

供試棉花品種為“新陸早42號”，其生育期121 d左右。2020年4月20日播種，9月15日收獲，采用“干播濕出”技術，采用當地傳統的1膜3管6行種植模式，其中寬行、窄行和膜間裸地間距分別為44，10和56 cm(圖1)，小區面積為7.02 m×10 m，各小區之間設置1 m的保護行防止側滲。將張力計埋設于滴灌帶下20 cm監測土壤基質勢進行實時灌溉，每天08:00和20:00進行讀數，到達所設定的土壤基質勢水平就進行灌溉，參考當地水面蒸發量設置灌水量為15 mm，記錄總灌水量(表3)。在棉花的蕾期、花鈴期進行施肥，總計施肥10次，每次的施肥量相同。棉花生育期平均總施肥量為：純N 250 kg/hm2，P2O5100 kg/hm2，K2O 50 kg/hm2，灌溉方式采用當地統一的膜下滴灌方式。其他農藝管理措施如打頂、打藥、中耕等均與當地高產棉田保持一致。

圖1 棉花田間種植模式

表3 不同處理棉田的灌水方案

1.3 測定項目與方法

1.3.1 株高、莖粗、干物質量和葉面積指數 棉花吐絮期(9月3日)，在每個小區隨機選取6株棉花植株，用米尺(精度1 mm)測定株高和莖粗。分別于苗期(5月23日)、蕾期(6月25日)、花鈴期(7月22日)、吐絮期(9月3日)在每個小區選取6株長勢一致的植株，將地上部分各器官(棉葉、株莖、棉鈴、棉鈴殼和籽棉)于105 ℃殺青30 min，然后在75 ℃下烘干至質量恒定，用電子天平測定其干物質量。

分別于棉花播后30，60，90，105及120 d，在每個小區隨機選取6株棉花植株，利用打孔法[17]測定植株的葉面積。根據葉面積計算葉面積指數(leaf area index,LAI)，葉面積指數為單位土地面積上棉花葉片總面積與土地面積的比值。

1.3.2 土壤含水率和農田耗水量 在棉花播種后各個生育時期內(5月17日、6月6日、7月9日、7月20日、8月8日、8月27日、9月8日)，分別于棉花寬行中間、滴灌帶正下方、窄行中間和膜間裸地4個位置，用土鉆采集0～100 cm土層土樣(20 cm為1層，共5層)，用烘干稱重法來測定其含水率。利用水量平衡法計算棉田生育期耗水量[18]：

ET=ΔW+I+P+K-R-D。

(1)

式中：ET為棉田生育期耗水量(mm)；ΔW為播前與收獲期土壤儲水量的差值(mm，計算時取0～100 cm土層)；I為灌水量(mm)；P為生育期有效降雨量(mm)，如果降雨量小于當日參考蒸發蒸散量的20%，可以視為無效降雨[19]；K為地下水補給量(mm)；R為地表徑流量(mm)；D為深層滲漏量(mm)。在膜下滴灌條件下，當地下水埋深大于3 m時，可忽略地下水補給量，基本不產生地表徑流和深層滲漏[20]，因此本研究中K、R、D取值0。

1.3.3 產量和水分利用效率 于棉花收獲期(9月15日)，在每小區內隨機選取3個1 m×1 m樣方，測定其中棉花的有效鈴數、烘干后單鈴質量、籽棉產量，最后換算為每公頃產量。水分利用效率(WUE)的計算公式為[21]：

WUE=Y/(10ET)。

(2)

式中:WUE為水分利用效率(kg/m3)，Y為籽棉產量(kg/hm2)，ET為棉花全生育期累積耗水量(mm)。

1.3.4 土壤鹽分 在棉花播種前及收獲之前(9月8日)，分別于寬行中間、滴灌帶正下方、窄行中間及膜間裸地中間4個位置，用土鉆采集0～100 cm土層土樣，將取回的土樣經自然風干后碾壓過孔徑2 mm標準篩，取10 g土樣與去離子水按1∶5質量體積比攪拌混合，靜置澄清后，用上海雷磁DDS-11A電導儀測定上清液電導率，根據電導率和土壤含鹽量的擬合關系式，計算土壤含鹽量：

SC=0.005 9EC。

(3)

式中:SC為土壤含鹽量(g/kg)，EC為電導率(μS/cm)。

脫鹽率及相對脫鹽率的計算公式[20]為：

D=(T-E)/T×100%，

(4)

Rr=(DCK-Dx)/DCK×100%。

(5)

式中:D為脫鹽率，T為土壤初始含鹽量；E為生育期末(9月8日)土壤含鹽量；Rr為相對脫鹽率，當Rr>0時為相對脫鹽，Rr<0時為相對積鹽，Rr越大，表明脫鹽效果越好；Dx為處理組的脫鹽率，DCK為對照組的脫鹽率。

1.3.5 TOPSIS綜合評價法 采用TOPSIS綜合評價法對10個處理進行評價，以確定當地未淋洗棉田灌水時期最合適的基質勢控制方案?？紤]棉花的高效生產以及節水控鹽效果，將株高(X1)、莖粗(X2)、葉面積指數(播后105 d，X3)、吐絮期干物質累積量(X4)、有效鈴數(X5)、單鈴質量(X6)、產量(X7)、耗水量(X8)、水分利用效率(X9)和相對脫鹽率(X10)作為評價指標。本試驗中TOPSIS綜合評價法參照Wang等[22]的方法進行構建與計算,具體步驟包括：

(1)計算各指標的最大值和最小值，分別組成最優解向量和最劣解向量；

(2)分別計算各處理到最優解的距離Si*和到最劣解的距離Si-；

(3)計算各處理對理想解的相對接近度Ci*，Ci*=Si-/(Si*+Si-)，Ci*∈[0，1]，Ci*越接近于1，評價水平越高，反之，則評價水平越低。

1.4 數據處理

試驗數據利用Excel 2010整理；使用SPSS 20.0 軟件對不同處理間各指標進行單因素方差分析和多重比較(Duncan法，α=0.05)，數據均用“平均值±標準誤差”表示。用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同生育期土壤基質勢調控對棉花株高和莖粗的影響

由圖2可以看出，棉花吐絮期株高和莖粗變化規律基本一致。不同土壤基質勢水平調控下，棉花的株高和莖粗存在差異。在同一生育期，土壤的基質勢越高，株高和莖粗越大，其中W1C處理株高最高，為60.4 cm，相較于W2、W3、CK處理，W1處理的平均株高分別增加了8.0%，18.2%，32.3%，W1C處理莖粗最大，為9.5 mm。在同一土壤基質勢水平下，株高和莖粗由大到小表現為WC>WB>WA>CK，相較于WB、WA、CK處理，WC的平均株高和莖粗分別增加了9.6%，20.2%，33.7%和26.2%，30.1%，40.2%?？芍S著基質勢水平的提高及生育期調控的延長，棉花的株高增加明顯，莖粗也有一定程度的增加。

圖2 不同生育期土壤基質勢調控對吐絮期棉花株高和莖粗的影響

2.2 不同生育期土壤基質勢調控對棉花葉面積指數的影響

由圖3可以看出，在3個生育期進行調控時，苗期-花鈴期(播種后30～105 d)內，W1、W2和W3處理葉面積指數不斷增加并于播種后105 d達到峰值，其中在苗期-蕾期階段(30～60 d)葉面積指數增速較大，且各處理增速基本相同；蕾期-花鈴期(60～90 d)葉面積指數持續增加；花鈴期后(播種后105～120 d)，棉花停止灌水，并開始吐絮，棉葉逐漸脫落，各處理葉面積指數均有不同程度的下降；在苗期-花鈴期(播種后30～90 d)，CK的葉面積指數呈增大趨勢，并于播種后90 d達到峰值，之后隨著生育期的延長，葉面積指數呈下降趨勢。在同一生育階段利用不同土壤基質勢控制灌溉時，各處理葉面積指數基本呈現W1>W2>W3>CK，可知土壤基質勢越高，葉面積指數越大。在同一土壤基質勢水平控制灌溉下，葉面積指數表現為WC>WB>WA，相較于WB、WA處理，WC處理的平均葉面積指數分別增加了10.9%，41.5%?？芍寥阑|勢越高，調控時期越長，葉面積指數越大。

圖3 不同生育期土壤基質勢調控對棉花葉面積指數的影響

2.3 不同生育期土壤基質勢調控對棉花地上干物質量的影響

表4顯示，不同處理棉花的地上部干物質量隨著生育期的推進不斷累積，在吐絮期達到峰值。在苗期，各處理地上部干物質量較小，處理之間差異不大。在蕾期，W1處理的地上干物質量顯著高于W2、W3處理，表現為W1>W2>W3>CK。在花鈴期，棉花生殖生長發育迅速，地上部干物質累積加快，同一基質勢水平下，不同生育期調控時地上部干物質量總體表現為WC>WB>WA>CK，其中WC處理的平均干物質量較WB、WA和CK分別增加了5.8%，24.8%和51.8%；在同一生育期調控時，地上部干物質量表現為W1>W2>W3。在吐絮期，棉花地上部干物質量較花鈴期有一定增加，各處理之間規律與花鈴期大致相同?？芍S著土壤基質勢的提高，棉花干物質累積量增加。

表4 不同生育期土壤基質勢調控對棉花地上干物質量的影響

2.4 不同生育期土壤基質勢調控對棉花產量和水分利用效率的影響

由表5可見，不同生育期土壤基質勢調控灌溉對棉花的產量和水分利用效率有明顯影響。在B和C處理下，棉花產量隨基質勢的提高而增加，較CK有大幅度的提升，表現為W1B>W2B>W3B>CK，W1C>W2C>W3C>CK，其中W1C處理產量最高，較W2C、W1B處理分別提高了5.6%，11.3%。同一基質勢水平調控灌溉下，耗水量表現為C>B>A>CK；在同一生育期，不同土壤基質勢處理的耗水量表現為W1>W2>W3>CK。不同生育期土壤基質勢調控時，W3B、W2C、W3C的水分利用效率均較高，而W1A、W1B、W1C的水分利用效率均較低，說明全生育期內將土壤基質勢控制在合適范圍內，可以在提高產量的同時保證一定的水分利用效率，避免水資源的浪費。

由表5還可知，從產量的構成要素來看，同一土壤基質勢水平下有效鈴數表現為C>B>A>CK，其中W1C處理顯著高于其他處理；在B和C處理下，不同土壤基質勢處理的有效鈴數表現為W1>W2>W3，可知土壤基質勢越高，有效鈴數越多。單鈴質量的變化規律與有效鈴數類似，其中W1C、W2C處理的單鈴質量均較高，CK最低；WC平均單鈴質量較WA、WB、CK處理分別增加9.5%，7.9%，14.8%。

表5 不同生育期土壤基質勢調控對棉花產量和水分利用效率的影響

2.5 不同生育期土壤基質勢調控下棉田0～40 cm土層土壤水分的變化

圖4主要反映不同生育期土壤基質勢調控下0～40 cm土層的水分變化情況。由圖4可知，在同一生育期，各處理土壤含水率總體呈先上升后下降趨勢。在同一基質勢調控水平下，不同生育期的平均土壤含水率基本表現為C>B>A；在同一生育期，基本呈現W1>W2>W3。收獲期之前(09-08)，與WA、WB相比，WC處理土壤含水率分別增加26.5%，24.6%。其中W1C、W2C和W3C處理土壤含水率均較高，明顯高于CK處理，說明隨著調控生育期的延長，灌水能滿足棉花生長所需水分。

圖4 不同生育期土壤基質勢調控下棉田0～40 cm土層土壤含水率的變化

2.6 不同生育期土壤基質勢調控對棉田土壤脫鹽的影響

由圖5和表6可知，無論是在地膜內還是地膜外，WA、W3B、W3C、CK處理的土壤鹽分呈累積狀態，其中CK和W1A處理鹽分累積最嚴重，其地膜內和地膜外的鹽分變化量分別為2.00，1.92 g/kg和2.46，2.51 g/kg；W1B、W2B、W1C、W2C處理土壤鹽分呈降低狀態，其中地膜內W1C、W1B處理的脫鹽效果較好，分別為2.30，1.50 g/kg，脫鹽率分別為22.07%，16.38%，地膜外W1C和W2C的脫鹽效果較好，鹽分變化量分別為1.76，1.17 g/kg，脫鹽率分別為17.35%，11.75%;各處理土壤鹽分變化量及脫鹽率平均值的表現趨勢與地膜外一致?？芍寥阑|勢調控生育期越長，脫鹽量越大，基質勢越高，脫鹽效果越好，地膜內的脫鹽效果優于地膜外，這是由于地膜內均有灌水淋洗作用，且離滴灌帶更近，故淋洗效果更為顯著。從相對脫鹽率平均值來看，脫鹽效果表現為W1C>W1B>W2C>W2B>W3B>W3C>W3A>W2A>W1A，其中W1C的脫鹽效果最好，相對脫鹽率為175.16%。因此，將土壤基質勢控制在-20～-10 kPa時，能夠較好地控制土壤鹽分積累，為作物生長發育提供適宜的土壤鹽分環境。

圖5 不同生育期土壤基質勢調控處理下棉花收獲期土壤脫鹽量

表6 不同生育期土壤基質勢調控處理下棉田0～100 cm土層的土壤脫鹽效果

2.7 基于TOPSIS綜合評價法的棉田土壤基質勢調控方案

表7顯示，各處理的總體評價由高到低依次為W2C>W1B>W2B>W1C>W3B>CK>W2A>W3C>W3A>W1A，其中W2C為最優處理。盡管高灌水量對作物的生長、干物質累積以及產量有一定促進，但由于耗水量過高導致水分利用效率較低，且其對生長、產量的促進效果有限，因而W2C處理更有利于促進多目標評價下棉花的生長發育。

表7 基于TOPSIS綜合評價法的不同生育期棉田土壤基質勢調控方案評價

3 討 論

研究表明，提高土壤基質勢下限可以顯著增加棉花株高、葉面積指數、地上干物質量和產量[23]，Wang等[24]研究表明，當馬鈴薯土壤基質勢控制在-25 kPa時各生長指標表現較好，而當土壤基質勢大于-15 kPa或者小于-45 kPa時不利于馬鈴薯的生長。本研究發現，土壤基質勢越高且調控生育期越長，棉花株高和莖粗越大，其中W1C處理的株高和莖粗優勢明顯，說明較高的基質勢和較長的調控期有利于棉花的生長。同時，結合其葉面積指數及地上部干物質量可以看出，隨著土壤基質勢的增加，苗期各處理的葉面積指數及地上干物質量的差異并不明顯，表明土壤基質勢水平較低時對苗期棉花的營養生長沒有較大影響，這與劉素華等[25]的研究結果相符。蕾期，W1處理干物質量顯著高于W2、W3處理，而W2與W3處理間棉花地上干物質量差異不顯著，可知在蕾期基質勢的差異已經開始對棉花的營養生長產生影響。在花鈴期，各處理間葉面積指數和干物質量的差異明顯增大，隨著土壤基質勢的提高以及調控期的延長，葉面積指數和地上干物質量也出現了不同程度的增加，其中W1C處理優勢明顯，這是由于從花鈴期開始棉花株高增加，葉片生長較快，從營養生長轉向生殖生長，干物質量迅速增加，需水較多，不同土壤基質勢水平的差異開始顯現，W1、W2處理更有利于棉花生長。此外，10個處理中，W1C、W2C、W1B處理的籽棉產量均較高；W1C處理的有效鈴數最多，顯著高于其他處理；W1C和W2C處理的單鈴質量均較高，但二者之間差異不顯著，可能是由于較高的基質勢水平下進行灌溉，棉花側重于營養生長，對產量貢獻不大，這與何平如等[26]的研究結果相似；從水分利用效率上看，W3C和W2C處理顯著高于W1C及W1B處理，說明土壤基質勢水平較高時對棉花生長有利，對增產有一定的促進作用，但同時過高的土壤基質勢水平使水分利用效率降低，造成了水資源的浪費。上述分析表明，在不同生育期將土壤基質勢水平控制在-20 kPa時，可促進棉花生長，為植株提供較為適宜的土壤水分環境，還可在保證產量的同時獲得較高的水分利用效率。

不同土壤基質勢下進行灌溉時，隨著灌溉水入滲，膜下滴灌的濕潤體形狀在垂直于滴灌帶的滴頭所在豎直剖面上近似為半橢圓形，張力計控制的灌水下限越高，灌水越頻繁，濕潤層的含水率越大[27]。本研究表明，從苗期開始土壤基質勢的調控，各處理土壤含水率均呈先增大后減小趨勢，且各處理之間差異不大，這與白蒙等[28]的研究結果類似。棉花植株從蕾期進入花鈴期后，隨著生育期調控的延長，基質勢水平的提高，0～40 cm土層的含水率增大，這與何平如等[29]的研究結果類似，可能是由于這一時期棉花生長較快，對土壤中的水分利用大于生育前期。研究表明，通常將棉花花鈴期田間持水率控制在60%～80%時可滿足其生長要求，石河子地區棉花種植推薦的花鈴期高效節水灌溉控制下限為75%左右[30-31]，本試驗W1C、W2C處理花鈴期平均土壤含水率對應的田間持水率為77.3%和68.1%，故將土壤基質勢控制在-20～-10 kPa可保證在滿足棉花生長需求下提供較為適宜的土壤水分環境，促進棉花高效生長發育。

研究表明，隨著灌溉時間的延長、棉花生育期的推進，膜下滴灌土壤鹽分含量均有不同程度的增加，但鹽分在土壤剖面中的分布不均勻，在相鄰地膜之間的土壤中有很強的積累[32-33]。本研究中，不同土壤基質勢調控下灌水對土壤鹽分有明顯影響。Zhang等[34]研究認為，膜下滴灌時，滴頭下方的區域獲得最低鹽度水平，在生長期結束時鹽在膜間區域積聚，滴頭下方區域形成脫鹽區，鹽遷移到地膜間帶并顯著累積，本研究結果與之類似。地膜內的脫鹽效果較好，是由于地膜內采樣點距滴灌帶較近，故其鹽分的淋洗效果更為明顯。從相對脫鹽率平均值來看，土壤基質勢越高，脫鹽效果越好，這是由于土壤鹽分運移主要受灌溉水分走向的影響，較高的基質勢灌溉水平增加了灌水頻率，高頻次的灌溉使土壤中水分帶動鹽分產生運移，壓鹽效果更加明顯，這與徐大為等[35]的研究一致。Liu等[36]研究認為，在新疆目前廣泛應用的灌溉制度下，滴灌不能有效地將根區的土壤鹽分濾出。因此，通過一定頻率的滴灌壓鹽防止土壤鹽分過度積累是必要且較有效的措施，本試驗結果表明，在棉花生育期內，土壤基質勢控制在-20～-10 kPa時，對土壤的鹽分控制效果較好。

4 結 論

不同生育期土壤基質勢調控措施對棉花的生長、水分利用效率和產量有明顯影響，較高的基質勢水平有利于棉花的生長發育，但同時會降低水分利用效率。隨著生育期調控的延長，土壤基質勢水平的提高，0～40 cm土層的土壤含水率有所增加，其中W1C和W2C處理土壤含水率高于其他處理。同一基質勢灌溉水平下，不同生育期調控灌溉收獲期0～100 cm土層膜內外鹽分變化呈現A>B>C；相同生育期調控下土壤基質勢水平越高，土壤脫鹽效果越好，相對脫鹽率均值越大(A處理除外)，且膜內脫鹽效果優于膜外。將土壤基質勢控制在-20～-10 kPa可保證在滿足棉花生長需求下提供較為適宜的土壤水分環境，控制土壤鹽分。

TOPSIS綜合分析表明，10個處理中W2C處理更有利于棉花的生長發育、產量形成和獲得較高的水分利用效率?？芍诒ＷC北疆棉田節水控鹽高效生產的情況下，在苗期、蕾期和花鈴期實施-20 kPa土壤基質勢調控灌溉為最佳的灌溉模式。但本研究僅考慮了1年生育期內棉花的生長及土壤水鹽情況，關于不同土層的水鹽分布及運移規律有待進一步研究。