旱地棉田灌溉的土壤鹽度控制指標

旱地棉田灌溉的土壤鹽度控制指標

馮耀，張俊鵬，孫赤濤等。《農業(yè)工程》報告，2014年30月（24）：87-94。FengDi,ZhangJunpeng,SunChitao,etal.Indexcontrollingsoilsalinityforcottonfieldwithsaltirrigationsubjecttohighqualityandyield[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2014,30(24):87-94.(inChinesewithEnglishabstract)0土壤鹽度控制水資源匱乏迫使河北平原區(qū)積極開發(fā)利用淺層地下咸水(含微咸水)用于農田灌溉。經多年實踐,目前已經得出了一些咸水灌溉對土壤鹽分變化和作物產量影響的結論,并制定了一些咸水灌溉技術規(guī)范。相關研究結果顯示,只要灌溉水礦化度和土壤鹽度控制在一定范圍內就不會抑制作物產量,有時還會表現出促進作用。然而,咸水灌溉因帶入鹽分而可能導致鹽分在根層土壤累積,造成農田土壤出現次生鹽漬化現象。為了探索咸水灌溉或次生鹽漬化棉田適宜的土壤鹽度控制指標,眾多學者采用產量作為管理目標,通過建立棉花耐鹽函數,計算得出土壤鹽度控制指標[6,8,9,10,11,12,13]。然而,鹽分脅迫也會影響到棉花的纖維品質,而纖維品質的評級又會影響到棉花的價格和農民的收入,因此有必要綜合考慮棉花的產量和纖維品質指標提出適宜的土壤鹽度控制指標。1材料和方法1.1不同類型地下水水化學類型及采樣時間對土壤質地的影響試驗在位于衡水市的河北省農林科學院旱作農業(yè)研究所節(jié)水農業(yè)實驗站(37°44′N,115°47′E)進行,該站處河北平原中部,地勢平坦,年均氣溫12.8℃,年日照時數為2509h,無霜期188d,蒸發(fā)量1785mm,降水量500mm。2012年降水量為501.9mm,逐月分布情況如圖1所示,棉花生育期內(4月29日-11月7日)降雨量為450.3mm。該區(qū)土壤質地為壤土,試驗初始土壤資料參考文獻。淺層地下水埋深在7m左右,礦化度在2g/L左右。河北平原區(qū)具有冬、春季干旱缺水,夏季降雨集中的氣候特點。冬、春兩季降水稀少使得春棉在種植之前必須進行造墑灌溉。因為夏季降雨集中,所以在棉花生長季內一般不需要進行補灌。在這種氣候特點下,開展棉花播前咸水造墑灌溉不僅可以減少對淡水的依賴程度,還可以充分利用夏季降雨淋洗土壤中的鹽分。鑒于此,試驗自2006年始于每年4月底或5月初依照當地習慣采用畦灌方式造墑植棉,灌水量為75mm。從2008年10月起利用冬閑時段連作飼用黑麥,播種前造墑,并于翌年4月初灌溉拔節(jié)水,灌水量都是75mm,水質不變。2011年黑麥草播種時土壤含水率較高,故沒有造墑。2006年4月至2012年4月歷年灌水量分別為75、75、150、225、225、150、75mm。試驗設計1、2、4、6、8g/L共5個灌溉水礦化度的咸水處理,雖然該區(qū)淺層地下水水化學類型復雜,但整體以Na+和Cl-含量最高,所以灌溉水采用當地深層地下淡水(1g/L)摻兌海鹽配制成。棉花的種植密度為4.8×104株/hm2,飼用黑麥的播種量為300kg/hm2。1.2不同播種方法對耕地生長的影響經過連續(xù)7a定位灌溉,截止2012年棉花播種時,0~60cm深土層的土壤電導率(electricalconductivity,EC)EC0(dS/m)分別達到了0.29、0.32、0.55、0.79、0.99dS/m,依次記作處理B1~B5。采用大田隨機區(qū)組試驗設計,3次重復,每個試驗小區(qū)長6.6m,寬5.7m。由于4月24日降了40mm的雨,使得試驗小區(qū)土壤含水率處于較高水平,經過4d晾墑后,于4月29日采用寬窄行方式人工播種,寬行距分別為80cm,窄行距為50cm,每個小區(qū)10行,每行18株,株距30cm,播后于窄行覆蓋地膜,供試品種為“冀棉616”。由于萌發(fā)和出苗是棉花耐鹽能力最弱的階段,同時低溫和耕地質量等都易對其產生較大影響,為了保證充足的種植密度、力爭增產,試驗采用人工點播結合育苗補栽技術的方式。播種前按750kg/hm2標準一次性基施復合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)。其他管理措施按棉花高產栽培進行。1.3觀測指標和測定1.3.1土壤鹽分運動情況2012年自棉花播種后每隔10d分別在每個處理小區(qū)相對中間部位于膜上和膜外取土樣直到收獲,取樣深度分為0~10、10~20、20~30、30~40、40~50、50~60、60~80和80~100cm共8層。土樣在采集現場被一分為二,一部分采用烘干法測定含水率;另一部分土樣風干、碾磨后過2mm篩,按土水質量比1∶5混合,并迅速攪拌3min,采用DDS-307A電導率儀(上海雷磁)速測電導率,表示土壤鹽度。每個處理水鹽值為4組數據的平均值。棉花生育期內平均土壤電導率(meansoilelectricalconductivity,MSEC)(dS/m)可以體現棉花在生育期內整體所處的土壤鹽度環(huán)境,計算方法如下:式中:ECi代表棉花播后每次調查的土壤電導率,dS/m;n代表調查次數。式中:土壤鹽分變化率為正號代表積鹽;為負號代表脫鹽,此時可稱為土壤脫鹽率。1.3.2伏前桃的產量根據當地無霜期的時間分布特點,分別于7月15日、8月16日和9月15日在每個小區(qū)隨機調查10株棉花的伏前桃數、伏桃數和秋桃數。伏前桃是指7月15日之前形成的棉鈴(直徑大于2cm),在“三桃”中所占比例較小,其數量可作為植株早發(fā)穩(wěn)長的標志。伏桃為7月16日至8月16日所形成的棉鈴,占“三桃”中比例最大,其數量的多少直接影響到棉花產量。秋桃為8月16日至9月15日形成的棉鈴,處于群體空間的外圍,受光條件最好,是產量構成的一部分,該期棉鈴成熟主要受氣候條件的限制(特別是溫度的下降和無霜期的結束)。1.3.3棉纖維的品質測定棉花產量數據為小區(qū)去邊行分批采摘獲取,于10月24日拾最后一次霜前花,于11月7日最后一次拾棉花,之后摘掉未吐絮棉鈴,待吐絮后采集稱質量。于9月9日、9月24日和10月14日分3次采集棉花樣本,每個處理3次重復,在測定衣分率后,委托農業(yè)部棉花品質監(jiān)督檢驗測試中心測定棉纖維的上半部平均長度、整齊度指數、伸長率、斷裂比強度和馬克隆值5項指標。纖維品質與皮棉價格之間的關系參考中國棉花協(xié)會2013年9月1日發(fā)布的鋸齒棉質量差價表制作,作為小區(qū)試驗不存在軋工質量和異性纖維含量問題,且顏色潔白不存在顏色級分差,因此沒有體現,具體如表1所示?？梢钥闯?除市場因素外,棉花纖維質量是制定價格重要基礎,反映出調查纖維品質指標的必要性。1.3.4改變作物產量及對作物鹽度閾值的認識式中:Yr為相對產量;Ym為正常區(qū)作物產量,kg/hm2,文中采用B1處理產量;Y為鹽分抑制區(qū)作物產量,kg/hm2;C為作物根區(qū)土壤鹽度,dS/m;S為增加單位鹽度產量下降系數;Ct為開始抑制作物產量的根區(qū)土壤鹽度閾值,dS/m;C0為作物絕收的根區(qū)土壤鹽度最小值。1.4數據分析采用MS-Excel2003和DPS數據處理系統(tǒng)進行數據處理和分析。多重比較采用LSD法,顯著水平為0.05。2結果與分析2.1不同鹽分對0100cm深土層土壤含水率的影響由圖2可以明顯看出,任何時期0~60cm深土層的土壤含水率都低于對應的60~100cm深土層的土壤含水率,并且波動幅度更大。0~60cm深土層土壤含水率在7月19日出現1次明顯的下降(各處理土壤含水率為17.9%~20.5%),經計算0~100cm深土層的土壤含水率也有下降趨勢,但是處理平均土壤含水率仍達到23.0%,由根系的向水性可以推測這一現象將利于棉花根系下扎。此外,綜合考慮棉花生育進程以及根系的生長,花鈴期開始(7月4日至9日)之前0~60cm深土層的處理平均土壤含水率最低為田持的71.3%,之后0~100cm深土層的處理平均土壤含水率最低為田持的78.2%,土壤水分滿足棉花的生長要求。棉花收獲后各處理0~100cm深土層土壤含水率與第一次調查相比降幅在2.7%和6.7%之間,也就是說當季降雨基本滿足棉花需水要求。結合降雨情況由圖3可見,經過一次強降雨過程(7月26日至27日降雨91.1mm),0~60cm深土層的土壤電導率在7月28日前后有大幅的降低,之后由于土壤含水率一直處于較高水平,土壤中鹽分繼續(xù)下移,到9月24日前后達到最低值,在棉花生育期即將結束時,隨著土壤含水率的下降,土壤電導率又有小幅提升。而60~100cm深土層的土壤電導率在降雨前后的變化幅度較小,整體處于較高水平。這說明經過雨季淋洗,土壤中很大一部分鹽分被降雨淋洗出0~60cm深土層,并被控制在100cm以下的土層中,從而有利于棉花生長。與試驗初始土壤電導率相比,B1、B2、B3、B4、B5處理的0~60cm深土層最大脫鹽率分別為9.6%、19.8%、36.4%、42.4%、45.7%,最終脫鹽率分別為9.4%、1.8%、21.0%、24.5%、31.7%。低鹽度處理(B1和B2處理)的脫鹽率之所以低于較高鹽度處理(B3、B4和B5處理),主要是因為低鹽度處理的棉花長勢更好,耗水更多,相同降雨條件下形成的滲流較少,這與筆者2010年的研究結果一致。經計算,B1、B2、B3、B4、B5處理的0~60cm深土層棉花生育期內平均土壤電導率分別為0.35、0.39、0.57、0.71、0.85dS/m,說明高低鹽度處理間棉花在生育期內整體所處的土壤鹽度環(huán)境存在明顯差異。2.2對秋桃數b的影響從表2可以看出,B1~B4處理間成鈴數無顯著差異,B5處理的成鈴數顯著降低,較B1處理低28.9%?！叭摇敝蟹疤覕惦S著鹽分脅迫程度的增加而減小,并且B4和B5處理顯著降低,由此可見,鹽分脅迫抑制伏前桃的形成。由伏桃可以看出,處理間伏桃數無顯著差異,而B5處理的伏桃比例顯著高于其他處理,這是因為B5處理受鹽分抑制程度最大,伏前桃和秋桃數最少。由秋桃可以看出,B3和B4處理的秋桃數及其比例顯著高于其他處理,B1和B2處理的秋桃數高于B5處理,但是比例基本一致。與最低鹽度處理(B1)相比,B2、B3和B4處理分別增產3.6%、3.6%和0.4%,而B5處理減產6.5%。使用分段式作物耐鹽函數式(4),以籽棉相對產量(Yr)為目標項,通過擬合籽棉相對產量與0~60cm土層初始土壤電導率(EC0)和生育期平均土壤電導率(MSEC)的關系分別得到式(5)和式(6):由上可見,通過結合育苗移栽措施,當0~60cm土層初始土壤電導率(EC0)低于0.79dS/m且生育期平均土壤電導率(MSEC)低于0.72dS/m時沒有抑制籽棉產量。2.3對不同立地條件下纖維生長特性的調查由表3可以看出,第1批次的棉花衣分率隨土壤鹽度增加有降低趨勢,但無顯著差異。第2批次的棉花衣分率在高鹽度處理中較低,其中B5處理顯著低于其他處理,這可能是因為鹽分脅迫程度較高時顯著降低了纖維上半部平均長度,導致纖維質量占比下降。而第3批次的棉花衣分率在低鹽度處理中較低,B4處理最大,并且有隨土壤鹽度增加先升后降的趨勢,這可能是因為較高鹽度處理后期收獲的棉籽成熟度較低,降低了棉籽質量的占比(田間采樣中確發(fā)現該問題)。衣分率隨著采摘次數的增加而明顯降低,尤其是鹽度較低的處理,這是由棉花自身特性所決定的。綜合3個批次纖維品質調查可以發(fā)現,纖維上半部平均長度、整齊度指數、伸長率和斷裂比強度整體上都表現出了隨采摘次數增加而增大,而馬克隆值表現為第2批次>第3批次>第1批次。就土壤鹽度差異而言,整齊度指數在處理間不存在顯著差異;伸長率僅在第1批次時B5處理顯著大于其余處理;馬克隆值整體上表現出隨脅迫程度增加而增大的趨勢;前2個批次高鹽度處理的纖維上半部平均長度均受到影響而減小,第3批次調查結果無此趨勢;斷裂比強度僅在第2批次調查中表現出隨脅迫程度增加而增大的趨勢,其余2個批次調查時處理間無顯著差異。2.4棉籽收入分析綜合考慮分批次采摘棉花的纖維品質及相應價格,在扣除投入后,得到了各處理的收益。因為棉花價格差異是按照皮棉質量進行劃分的,所以綜合考慮棉花的纖維品質,建立棉花價格模型如下:式中:Pt代表某處理單位面積總收入,元/hm2;Yfi代表單位面積第i次采摘皮棉產量,kg/hm2;ai代表第i次采摘皮棉價格系數(0≤ai≤1),M代表優(yōu)質棉單價,元/kg;Ysi代表單位面積第i次采摘棉籽產量,kg/hm2;Ni代表第i次采摘棉籽單價,元/kg;Pr代表單位面積相對總收入;Pck代表B1處理單位面積總收入,元/hm2。其中ai取值主要受到棉纖維顏色、長度、馬克隆值、整齊度、斷裂比強和異性纖維含量等的影響,因為試驗棉花分批采摘,減小了棉纖維變色幾率,棉纖維顏色潔白,且無異性纖維,因此認為皮棉價格僅受到馬克隆值、長度整齊度、斷裂比強度和上半部纖維長度的影響。對分批采摘的棉花纖維品質(表3)進行定價之后,按照式(7)計算得到棉花的收入如表4所示。由表4中可以看出,與B1處理相比,B2和B3處理的凈收益分別增加7.9%和4.9%,B4處理基本持平,而B5處理降低11.3%。由于2012年籽棉產量和齊苗率整體較低,導致凈收益整體較低。參考分段式作物耐鹽函數式(4),以相對凈收益(Rr)作為目標項,通過擬合Rr與0~60cm土層初始土壤電導率(EC0)和生育期平均土壤電導率(MSEC)的關系分別得到式(9)和式(10):可見,通過結合育苗移栽措施,當0~60cm土層初始土壤電導率(EC0)低于0.71dS/m且生育期平均土壤電導率(MSEC)低于0.67dS/m時沒有降低凈收益。相比之下,由籽棉產量決定的土壤電導率閾值高于由凈收益決定的土壤電導率閾值。3降低土壤鹽分累積速度河北平原區(qū)棉花需水量中降雨所占比例最大,因此降雨是影響棉花生長和產量的一項關鍵因子。由于該區(qū)初始土壤含鹽量較低,灌溉水量少,且降水量在500mm左右,導致鹽分累積速度較慢。2012年恰逢平水年,所有處理0~60cm深土層的土壤鹽度在降雨的淋洗下出現大幅降低,并將大部分鹽分控制在100cm