旱地棉田灌溉的土壤盐度控制指标

旱地棉田灌溉的土壤盐度控制指标

冯耀，张俊鹏，孙赤涛等。《农业工程》报告，2014年30月（24）：87-94。FengDi,ZhangJunpeng,SunChitao,etal.Indexcontrollingsoilsalinityforcottonfieldwithsaltirrigationsubjecttohighqualityandyield[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2014,30(24):87-94.(inChinesewithEnglishabstract)0土壤盐度控制水资源匮乏迫使河北平原区积极开发利用浅层地下咸水(含微咸水)用于农田灌溉。经多年实践,目前已经得出了一些咸水灌溉对土壤盐分变化和作物产量影响的结论,并制定了一些咸水灌溉技术规范。相关研究结果显示,只要灌溉水矿化度和土壤盐度控制在一定范围内就不会抑制作物产量,有时还会表现出促进作用。然而,咸水灌溉因带入盐分而可能导致盐分在根层土壤累积,造成农田土壤出现次生盐渍化现象。为了探索咸水灌溉或次生盐渍化棉田适宜的土壤盐度控制指标,众多学者采用产量作为管理目标,通过建立棉花耐盐函数,计算得出土壤盐度控制指标[6,8,9,10,11,12,13]。然而,盐分胁迫也会影响到棉花的纤维品质,而纤维品质的评级又会影响到棉花的价格和农民的收入,因此有必要综合考虑棉花的产量和纤维品质指标提出适宜的土壤盐度控制指标。1材料和方法1.1不同类型地下水水化学类型及采样时间对土壤质地的影响试验在位于衡水市的河北省农林科学院旱作农业研究所节水农业实验站(37°44′N,115°47′E)进行,该站处河北平原中部,地势平坦,年均气温12.8℃,年日照时数为2509h,无霜期188d,蒸发量1785mm,降水量500mm。2012年降水量为501.9mm,逐月分布情况如图1所示,棉花生育期内(4月29日-11月7日)降雨量为450.3mm。该区土壤质地为壤土,试验初始土壤资料参考文献。浅层地下水埋深在7m左右,矿化度在2g/L左右。河北平原区具有冬、春季干旱缺水,夏季降雨集中的气候特点。冬、春两季降水稀少使得春棉在种植之前必须进行造墒灌溉。因为夏季降雨集中,所以在棉花生长季内一般不需要进行补灌。在这种气候特点下,开展棉花播前咸水造墒灌溉不仅可以减少对淡水的依赖程度,还可以充分利用夏季降雨淋洗土壤中的盐分。鉴于此,试验自2006年始于每年4月底或5月初依照当地习惯采用畦灌方式造墒植棉,灌水量为75mm。从2008年10月起利用冬闲时段连作饲用黑麦,播种前造墒,并于翌年4月初灌溉拔节水,灌水量都是75mm,水质不变。2011年黑麦草播种时土壤含水率较高,故没有造墒。2006年4月至2012年4月历年灌水量分别为75、75、150、225、225、150、75mm。试验设计1、2、4、6、8g/L共5个灌溉水矿化度的咸水处理,虽然该区浅层地下水水化学类型复杂,但整体以Na+和Cl-含量最高,所以灌溉水采用当地深层地下淡水(1g/L)掺兑海盐配制成。棉花的种植密度为4.8×104株/hm2,饲用黑麦的播种量为300kg/hm2。1.2不同播种方法对耕地生长的影响经过连续7a定位灌溉,截止2012年棉花播种时,0~60cm深土层的土壤电导率(electricalconductivity,EC)EC0(dS/m)分别达到了0.29、0.32、0.55、0.79、0.99dS/m,依次记作处理B1~B5。采用大田随机区组试验设计,3次重复,每个试验小区长6.6m,宽5.7m。由于4月24日降了40mm的雨,使得试验小区土壤含水率处于较高水平,经过4d晾墒后,于4月29日采用宽窄行方式人工播种,宽行距分别为80cm,窄行距为50cm,每个小区10行,每行18株,株距30cm,播后于窄行覆盖地膜,供试品种为“冀棉616”。由于萌发和出苗是棉花耐盐能力最弱的阶段,同时低温和耕地质量等都易对其产生较大影响,为了保证充足的种植密度、力争增产,试验采用人工点播结合育苗补栽技术的方式。播种前按750kg/hm2标准一次性基施复合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)。其他管理措施按棉花高产栽培进行。1.3观测指标和测定1.3.1土壤盐分运动情况2012年自棉花播种后每隔10d分别在每个处理小区相对中间部位于膜上和膜外取土样直到收获,取样深度分为0~10、10~20、20~30、30~40、40~50、50~60、60~80和80~100cm共8层。土样在采集现场被一分为二,一部分采用烘干法测定含水率;另一部分土样风干、碾磨后过2mm筛,按土水质量比1∶5混合,并迅速搅拌3min,采用DDS-307A电导率仪(上海雷磁)速测电导率,表示土壤盐度。每个处理水盐值为4组数据的平均值。棉花生育期内平均土壤电导率(meansoilelectricalconductivity,MSEC)(dS/m)可以体现棉花在生育期内整体所处的土壤盐度环境,计算方法如下:式中:ECi代表棉花播后每次调查的土壤电导率,dS/m;n代表调查次数。式中:土壤盐分变化率为正号代表积盐;为负号代表脱盐,此时可称为土壤脱盐率。1.3.2伏前桃的产量根据当地无霜期的时间分布特点,分别于7月15日、8月16日和9月15日在每个小区随机调查10株棉花的伏前桃数、伏桃数和秋桃数。伏前桃是指7月15日之前形成的棉铃(直径大于2cm),在“三桃”中所占比例较小,其数量可作为植株早发稳长的标志。伏桃为7月16日至8月16日所形成的棉铃,占“三桃”中比例最大,其数量的多少直接影响到棉花产量。秋桃为8月16日至9月15日形成的棉铃,处于群体空间的外围,受光条件最好,是产量构成的一部分,该期棉铃成熟主要受气候条件的限制(特别是温度的下降和无霜期的结束)。1.3.3棉纤维的品质测定棉花产量数据为小区去边行分批采摘获取,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,之后摘掉未吐絮棉铃,待吐絮后采集称质量。于9月9日、9月24日和10月14日分3次采集棉花样本,每个处理3次重复,在测定衣分率后,委托农业部棉花品质监督检验测试中心测定棉纤维的上半部平均长度、整齐度指数、伸长率、断裂比强度和马克隆值5项指标。纤维品质与皮棉价格之间的关系参考中国棉花协会2013年9月1日发布的锯齿棉质量差价表制作,作为小区试验不存在轧工质量和异性纤维含量问题,且颜色洁白不存在颜色级分差,因此没有体现,具体如表1所示。可以看出,除市场因素外,棉花纤维质量是制定价格重要基础,反映出调查纤维品质指标的必要性。1.3.4改变作物产量及对作物盐度阈值的认识式中:Yr为相对产量;Ym为正常区作物产量,kg/hm2,文中采用B1处理产量;Y为盐分抑制区作物产量,kg/hm2;C为作物根区土壤盐度,dS/m;S为增加单位盐度产量下降系数;Ct为开始抑制作物产量的根区土壤盐度阈值,dS/m;C0为作物绝收的根区土壤盐度最小值。1.4数据分析采用MS-Excel2003和DPS数据处理系统进行数据处理和分析。多重比较采用LSD法,显著水平为0.05。2结果与分析2.1不同盐分对0100cm深土层土壤含水率的影响由图2可以明显看出,任何时期0~60cm深土层的土壤含水率都低于对应的60~100cm深土层的土壤含水率,并且波动幅度更大。0~60cm深土层土壤含水率在7月19日出现1次明显的下降(各处理土壤含水率为17.9%~20.5%),经计算0~100cm深土层的土壤含水率也有下降趋势,但是处理平均土壤含水率仍达到23.0%,由根系的向水性可以推测这一现象将利于棉花根系下扎。此外,综合考虑棉花生育进程以及根系的生长,花铃期开始(7月4日至9日)之前0~60cm深土层的处理平均土壤含水率最低为田持的71.3%,之后0~100cm深土层的处理平均土壤含水率最低为田持的78.2%,土壤水分满足棉花的生长要求。棉花收获后各处理0~100cm深土层土壤含水率与第一次调查相比降幅在2.7%和6.7%之间,也就是说当季降雨基本满足棉花需水要求。结合降雨情况由图3可见,经过一次强降雨过程(7月26日至27日降雨91.1mm),0~60cm深土层的土壤电导率在7月28日前后有大幅的降低,之后由于土壤含水率一直处于较高水平,土壤中盐分继续下移,到9月24日前后达到最低值,在棉花生育期即将结束时,随着土壤含水率的下降,土壤电导率又有小幅提升。而60~100cm深土层的土壤电导率在降雨前后的变化幅度较小,整体处于较高水平。这说明经过雨季淋洗,土壤中很大一部分盐分被降雨淋洗出0~60cm深土层,并被控制在100cm以下的土层中,从而有利于棉花生长。与试验初始土壤电导率相比,B1、B2、B3、B4、B5处理的0~60cm深土层最大脱盐率分别为9.6%、19.8%、36.4%、42.4%、45.7%,最终脱盐率分别为9.4%、1.8%、21.0%、24.5%、31.7%。低盐度处理(B1和B2处理)的脱盐率之所以低于较高盐度处理(B3、B4和B5处理),主要是因为低盐度处理的棉花长势更好,耗水更多,相同降雨条件下形成的渗流较少,这与笔者2010年的研究结果一致。经计算,B1、B2、B3、B4、B5处理的0~60cm深土层棉花生育期内平均土壤电导率分别为0.35、0.39、0.57、0.71、0.85dS/m,说明高低盐度处理间棉花在生育期内整体所处的土壤盐度环境存在明显差异。2.2对秋桃数b的影响从表2可以看出,B1~B4处理间成铃数无显著差异,B5处理的成铃数显著降低,较B1处理低28.9%。“三桃”中伏前桃数随着盐分胁迫程度的增加而减小,并且B4和B5处理显著降低,由此可见,盐分胁迫抑制伏前桃的形成。由伏桃可以看出,处理间伏桃数无显著差异,而B5处理的伏桃比例显著高于其他处理,这是因为B5处理受盐分抑制程度最大,伏前桃和秋桃数最少。由秋桃可以看出,B3和B4处理的秋桃数及其比例显著高于其他处理,B1和B2处理的秋桃数高于B5处理,但是比例基本一致。与最低盐度处理(B1)相比,B2、B3和B4处理分别增产3.6%、3.6%和0.4%,而B5处理减产6.5%。使用分段式作物耐盐函数式(4),以籽棉相对产量(Yr)为目标项,通过拟合籽棉相对产量与0~60cm土层初始土壤电导率(EC0)和生育期平均土壤电导率(MSEC)的关系分别得到式(5)和式(6):由上可见,通过结合育苗移栽措施,当0~60cm土层初始土壤电导率(EC0)低于0.79dS/m且生育期平均土壤电导率(MSEC)低于0.72dS/m时没有抑制籽棉产量。2.3对不同立地条件下纤维生长特性的调查由表3可以看出,第1批次的棉花衣分率随土壤盐度增加有降低趋势,但无显著差异。第2批次的棉花衣分率在高盐度处理中较低,其中B5处理显著低于其他处理,这可能是因为盐分胁迫程度较高时显著降低了纤维上半部平均长度,导致纤维质量占比下降。而第3批次的棉花衣分率在低盐度处理中较低,B4处理最大,并且有随土壤盐度增加先升后降的趋势,这可能是因为较高盐度处理后期收获的棉籽成熟度较低,降低了棉籽质量的占比(田间采样中确发现该问题)。衣分率随着采摘次数的增加而明显降低,尤其是盐度较低的处理,这是由棉花自身特性所决定的。综合3个批次纤维品质调查可以发现,纤维上半部平均长度、整齐度指数、伸长率和断裂比强度整体上都表现出了随采摘次数增加而增大,而马克隆值表现为第2批次>第3批次>第1批次。就土壤盐度差异而言,整齐度指数在处理间不存在显著差异;伸长率仅在第1批次时B5处理显著大于其余处理;马克隆值整体上表现出随胁迫程度增加而增大的趋势;前2个批次高盐度处理的纤维上半部平均长度均受到影响而减小,第3批次调查结果无此趋势;断裂比强度仅在第2批次调查中表现出随胁迫程度增加而增大的趋势,其余2个批次调查时处理间无显著差异。2.4棉籽收入分析综合考虑分批次采摘棉花的纤维品质及相应价格,在扣除投入后,得到了各处理的收益。因为棉花价格差异是按照皮棉质量进行划分的,所以综合考虑棉花的纤维品质,建立棉花价格模型如下:式中:Pt代表某处理单位面积总收入,元/hm2;Yfi代表单位面积第i次采摘皮棉产量,kg/hm2;ai代表第i次采摘皮棉价格系数(0≤ai≤1),M代表优质棉单价,元/kg;Ysi代表单位面积第i次采摘棉籽产量,kg/hm2;Ni代表第i次采摘棉籽单价,元/kg;Pr代表单位面积相对总收入;Pck代表B1处理单位面积总收入,元/hm2。其中ai取值主要受到棉纤维颜色、长度、马克隆值、整齐度、断裂比强和异性纤维含量等的影响,因为试验棉花分批采摘,减小了棉纤维变色几率,棉纤维颜色洁白,且无异性纤维,因此认为皮棉价格仅受到马克隆值、长度整齐度、断裂比强度和上半部纤维长度的影响。对分批采摘的棉花纤维品质(表3)进行定价之后,按照式(7)计算得到棉花的收入如表4所示。由表4中可以看出,与B1处理相比,B2和B3处理的净收益分别增加7.9%和4.9%,B4处理基本持平,而B5处理降低11.3%。由于2012年籽棉产量和齐苗率整体较低,导致净收益整体较低。参考分段式作物耐盐函数式(4),以相对净收益(Rr)作为目标项,通过拟合Rr与0~60cm土层初始土壤电导率(EC0)和生育期平均土壤电导率(MSEC)的关系分别得到式(9)和式(10):可见,通过结合育苗移栽措施,当0~60cm土层初始土壤电导率(EC0)低于0.71dS/m且生育期平均土壤电导率(MSEC)低于0.67dS/m时没有降低净收益。相比之下,由籽棉产量决定的土壤电导率阈值高于由净收益决定的土壤电导率阈值。3降低土壤盐分累积速度河北平原区棉花需水量中降雨所占比例最大,因此降雨是影响棉花生长和产量的一项关键因子。由于该区初始土壤含盐量较低,灌溉水量少,且降水量在500mm左右,导致盐分累积速度较慢。2012年恰逢平水年,所有处理0~60cm深土层的土壤盐度在降雨的淋洗下出现大幅降低,并将大部分盐分控制在100cm