旱地棉田灌溉的土壤鹽度控制指標(biāo)

旱地棉田灌溉的土壤鹽度控制指標(biāo)

馮耀，張俊鵬，孫赤濤等?！掇r(nóng)業(yè)工程》報(bào)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(kāi)發(fā)利用淺層地下咸水(含微咸水)用于農(nóng)田灌溉。經(jīng)多年實(shí)踐,目前已經(jīng)得出了一些咸水灌溉對(duì)土壤鹽分變化和作物產(chǎn)量影響的結(jié)論,并制定了一些咸水灌溉技術(shù)規(guī)范。相關(guān)研究結(jié)果顯示,只要灌溉水礦化度和土壤鹽度控制在一定范圍內(nèi)就不會(huì)抑制作物產(chǎn)量,有時(shí)還會(huì)表現(xiàn)出促進(jìn)作用。然而,咸水灌溉因帶入鹽分而可能導(dǎo)致鹽分在根層土壤累積,造成農(nóng)田土壤出現(xiàn)次生鹽漬化現(xiàn)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(biāo),眾多學(xué)者采用產(chǎn)量作為管理目標(biāo),通過(guò)建立棉花耐鹽函數(shù),計(jì)算得出土壤鹽度控制指標(biāo)[6,8,9,10,11,12,13]。然而,鹽分脅迫也會(huì)影響到棉花的纖維品質(zhì),而纖維品質(zhì)的評(píng)級(jí)又會(huì)影響到棉花的價(jià)格和農(nóng)民的收入,因此有必要綜合考慮棉花的產(chǎn)量和纖維品質(zhì)指標(biāo)提出適宜的土壤鹽度控制指標(biāo)。1材料和方法1.1不同類(lèi)型地下水水化學(xué)類(lèi)型及采樣時(shí)間對(duì)土壤質(zhì)地的影響試驗(yàn)在位于衡水市的河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所節(jié)水農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)站(37°44′N(xiāo),115°47′E)進(jìn)行,該站處河北平原中部,地勢(shì)平坦,年均氣溫12.8℃,年日照時(shí)數(shù)為2509h,無(wú)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(nèi)(4月29日-11月7日)降雨量為450.3mm。該區(qū)土壤質(zhì)地為壤土,試驗(yàn)初始土壤資料參考文獻(xiàn)。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(diǎn)。冬、春兩季降水稀少使得春棉在種植之前必須進(jìn)行造墑灌溉。因?yàn)橄募窘涤昙?所以在棉花生長(zhǎng)季內(nèi)一般不需要進(jìn)行補(bǔ)灌。在這種氣候特點(diǎn)下,開(kāi)展棉花播前咸水造墑灌溉不僅可以減少對(duì)淡水的依賴(lài)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(yàn)自2006年始于每年4月底或5月初依照當(dāng)?shù)亓?xí)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(shí)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(zhì)不變。2011年黑麥草播種時(shí)土壤含水率較高,故沒(méi)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(yàn)設(shè)計(jì)1、2、4、6、8g/L共5個(gè)灌溉水礦化度的咸水處理,雖然該區(qū)淺層地下水水化學(xué)類(lèi)型復(fù)雜,但整體以Na+和Cl-含量最高,所以灌溉水采用當(dāng)?shù)厣顚拥叵碌?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(duì)耕地生長(zhǎng)的影響經(jīng)過(guò)連續(xù)7a定位灌溉,截止2012年棉花播種時(shí),0~60cm深土層的土壤電導(dǎo)率(electricalconductivity,EC)EC0(dS/m)分別達(dá)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(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),3次重復(fù),每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)6.6m,寬5.7m。由于4月24日降了40mm的雨,使得試驗(yàn)小區(qū)土壤含水率處于較高水平,經(jīng)過(guò)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(gè)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(shí)低溫和耕地質(zhì)量等都易對(duì)其產(chǎn)生較大影響,為了保證充足的種植密度、力爭(zhēng)增產(chǎn),試驗(yàn)采用人工點(diǎn)播結(jié)合育苗補(bǔ)栽技術(shù)的方式。播種前按750kg/hm2標(biāo)準(zhǔn)一次性基施復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)。其他管理措施按棉花高產(chǎn)栽培進(jìn)行。1.3觀測(cè)指標(biāo)和測(cè)定1.3.1土壤鹽分運(yùn)動(dòng)情況2012年自棉花播種后每隔10d分別在每個(gè)處理小區(qū)相對(duì)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(xiàn)場(chǎng)被一分為二,一部分采用烘干法測(cè)定含水率;另一部分土樣風(fēng)干、碾磨后過(guò)2mm篩,按土水質(zhì)量比1∶5混合,并迅速攪拌3min,采用DDS-307A電導(dǎo)率儀(上海雷磁)速測(cè)電導(dǎo)率,表示土壤鹽度。每個(gè)處理水鹽值為4組數(shù)據(jù)的平均值。棉花生育期內(nèi)平均土壤電導(dǎo)率(meansoilelectricalconductivity,MSEC)(dS/m)可以體現(xiàn)棉花在生育期內(nèi)整體所處的土壤鹽度環(huán)境,計(jì)算方法如下:式中:ECi代表棉花播后每次調(diào)查的土壤電導(dǎo)率,dS/m;n代表調(diào)查次數(shù)。式中:土壤鹽分變化率為正號(hào)代表積鹽;為負(fù)號(hào)代表脫鹽,此時(shí)可稱(chēng)為土壤脫鹽率。1.3.2伏前桃的產(chǎn)量根據(jù)當(dāng)?shù)責(zé)o霜期的時(shí)間分布特點(diǎn),分別于7月15日、8月16日和9月15日在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)調(diào)查10株棉花的伏前桃數(shù)、伏桃數(shù)和秋桃數(shù)。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(shù)量可作為植株早發(fā)穩(wěn)長(zhǎng)的標(biāo)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(shù)量的多少直接影響到棉花產(chǎn)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(chǎn)量構(gòu)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(wú)霜期的結(jié)束)。1.3.3棉纖維的品質(zhì)測(cè)定棉花產(chǎn)量數(shù)據(jù)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(chēng)質(zhì)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(gè)處理3次重復(fù),在測(cè)定衣分率后,委托農(nóng)業(yè)部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心測(cè)定棉纖維的上半部平均長(zhǎng)度、整齊度指數(shù)、伸長(zhǎng)率、斷裂比強(qiáng)度和馬克隆值5項(xiàng)指標(biāo)。纖維品質(zhì)與皮棉價(jià)格之間的關(guān)系參考中國(guó)棉花協(xié)會(huì)2013年9月1日發(fā)布的鋸齒棉質(zhì)量差價(jià)表制作,作為小區(qū)試驗(yàn)不存在軋工質(zhì)量和異性纖維含量問(wèn)題,且顏色潔白不存在顏色級(jí)分差,因此沒(méi)有體現(xiàn),具體如表1所示?？梢钥闯?除市場(chǎng)因素外,棉花纖維質(zhì)量是制定價(jià)格重要基礎(chǔ),反映出調(diào)查纖維品質(zhì)指標(biāo)的必要性。1.3.4改變作物產(chǎn)量及對(duì)作物鹽度閾值的認(rèn)識(shí)式中:Yr為相對(duì)產(chǎn)量;Ym為正常區(qū)作物產(chǎn)量,kg/hm2,文中采用B1處理產(chǎn)量;Y為鹽分抑制區(qū)作物產(chǎn)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(chǎn)量下降系數(shù);Ct為開(kāi)始抑制作物產(chǎn)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(shù)據(jù)分析采用MS-Excel2003和DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。多重比較采用LSD法,顯著水平為0.05。2結(jié)果與分析2.1不同鹽分對(duì)0100cm深土層土壤含水率的影響由圖2可以明顯看出,任何時(shí)期0~60cm深土層的土壤含水率都低于對(duì)應(yīng)的60~100cm深土層的土壤含水率,并且波動(dòng)幅度更大。0~60cm深土層土壤含水率在7月19日出現(xiàn)1次明顯的下降(各處理土壤含水率為17.9%~20.5%),經(jīng)計(jì)算0~100cm深土層的土壤含水率也有下降趨勢(shì),但是處理平均土壤含水率仍達(dá)到23.0%,由根系的向水性可以推測(cè)這一現(xiàn)象將利于棉花根系下扎。此外,綜合考慮棉花生育進(jìn)程以及根系的生長(zhǎng),花鈴期開(kāi)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(mǎn)足棉花的生長(zhǎng)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(diào)查相比降幅在2.7%和6.7%之間,也就是說(shuō)當(dāng)季降雨基本滿(mǎn)足棉花需水要求。結(jié)合降雨情況由圖3可見(jiàn),經(jīng)過(guò)一次強(qiáng)降雨過(guò)程(7月26日至27日降雨91.1mm),0~60cm深土層的土壤電導(dǎo)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(dá)到最低值,在棉花生育期即將結(jié)束時(shí),隨著土壤含水率的下降,土壤電導(dǎo)率又有小幅提升。而60~100cm深土層的土壤電導(dǎo)率在降雨前后的變化幅度較小,整體處于較高水平。這說(shuō)明經(jīng)過(guò)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(zhǎng)。與試驗(yàn)初始土壤電導(dǎo)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?yàn)榈望}度處理的棉花長(zhǎng)勢(shì)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(jié)果一致。經(jīng)計(jì)算,B1、B2、B3、B4、B5處理的0~60cm深土層棉花生育期內(nèi)平均土壤電導(dǎo)率分別為0.35、0.39、0.57、0.71、0.85dS/m,說(shuō)明高低鹽度處理間棉花在生育期內(nèi)整體所處的土壤鹽度環(huán)境存在明顯差異。2.2對(duì)秋桃數(shù)b的影響從表2可以看出,B1~B4處理間成鈴數(shù)無(wú)顯著差異,B5處理的成鈴數(shù)顯著降低,較B1處理低28.9%?！叭摇敝蟹疤覕?shù)隨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(jiàn),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(shù)無(wú)顯著差異,而B(niǎo)5處理的伏桃比例顯著高于其他處理,這是因?yàn)锽5處理受鹽分抑制程度最大,伏前桃和秋桃數(shù)最少。由秋桃可以看出,B3和B4處理的秋桃數(shù)及其比例顯著高于其他處理,B1和B2處理的秋桃數(shù)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(chǎn)3.6%、3.6%和0.4%,而B(niǎo)5處理減產(chǎn)6.5%。使用分段式作物耐鹽函數(shù)式(4),以籽棉相對(duì)產(chǎn)量(Yr)為目標(biāo)項(xiàng),通過(guò)擬合籽棉相對(duì)產(chǎn)量與0~60cm土層初始土壤電導(dǎo)率(EC0)和生育期平均土壤電導(dǎo)率(MSEC)的關(guān)系分別得到式(5)和式(6):由上可見(jiàn),通過(guò)結(jié)合育苗移栽措施,當(dāng)0~60cm土層初始土壤電導(dǎo)率(EC0)低于0.79dS/m且生育期平均土壤電導(dǎo)率(MSEC)低于0.72dS/m時(shí)沒(méi)有抑制籽棉產(chǎn)量。2.3對(duì)不同立地條件下纖維生長(zhǎng)特性的調(diào)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(shì),但無(wú)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?yàn)辂}分脅迫程度較高時(shí)顯著降低了纖維上半部平均長(zhǎng)度,導(dǎo)致纖維質(zhì)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(shì),這可能是因?yàn)檩^高鹽度處理后期收獲的棉籽成熟度較低,降低了棉籽質(zhì)量的占比(田間采樣中確發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題)。衣分率隨著采摘次數(shù)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(gè)批次纖維品質(zhì)調(diào)查可以發(fā)現(xiàn),纖維上半部平均長(zhǎng)度、整齊度指數(shù)、伸長(zhǎng)率和斷裂比強(qiáng)度整體上都表現(xiàn)出了隨采摘次數(shù)增加而增大,而馬克隆值表現(xiàn)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(shù)在處理間不存在顯著差異;伸長(zhǎng)率僅在第1批次時(shí)B5處理顯著大于其余處理;馬克隆值整體上表現(xiàn)出隨脅迫程度增加而增大的趨勢(shì);前2個(gè)批次高鹽度處理的纖維上半部平均長(zhǎng)度均受到影響而減小,第3批次調(diào)查結(jié)果無(wú)此趨勢(shì);斷裂比強(qiáng)度僅在第2批次調(diào)查中表現(xiàn)出隨脅迫程度增加而增大的趨勢(shì),其余2個(gè)批次調(diào)查時(shí)處理間無(wú)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(zhì)及相應(yīng)價(jià)格,在扣除投入后,得到了各處理的收益。因?yàn)槊藁▋r(jià)格差異是按照皮棉質(zhì)量進(jìn)行劃分的,所以綜合考慮棉花的纖維品質(zhì),建立棉花價(jià)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(chǎn)量,kg/hm2;ai代表第i次采摘皮棉價(jià)格系數(shù)(0≤ai≤1),M代表優(yōu)質(zhì)棉單價(jià),元/kg;Ysi代表單位面積第i次采摘棉籽產(chǎn)量,kg/hm2;Ni代表第i次采摘棉籽單價(jià),元/kg;Pr代表單位面積相對(duì)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(zhǎng)度、馬克隆值、整齊度、斷裂比強(qiáng)和異性纖維含量等的影響,因?yàn)樵囼?yàn)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(wú)異性纖維,因此認(rèn)為皮棉價(jià)格僅受到馬克隆值、長(zhǎng)度整齊度、斷裂比強(qiáng)度和上半部纖維長(zhǎng)度的影響。對(duì)分批采摘的棉花纖維品質(zhì)(表3)進(jìn)行定價(jià)之后,按照式(7)計(jì)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B(niǎo)5處理降低11.3%。由于2012年籽棉產(chǎn)量和齊苗率整體較低,導(dǎo)致凈收益整體較低。參考分段式作物耐鹽函數(shù)式(4),以相對(duì)凈收益(Rr)作為目標(biāo)項(xiàng),通過(guò)擬合Rr與0~60cm土層初始土壤電導(dǎo)率(EC0)和生育期平均土壤電導(dǎo)率(MSEC)的關(guān)系分別得到式(9)和式(10):可見(jiàn),通過(guò)結(jié)合育苗移栽措施,當(dāng)0~60cm土層初始土壤電導(dǎo)率(EC0)低于0.71dS/m且生育期平均土壤電導(dǎo)率(MSEC)低于0.67dS/m時(shí)沒(méi)有降低凈收益。相比之下,由籽棉產(chǎn)量決定的土壤電導(dǎo)率閾值高于由凈收益決定的土壤電導(dǎo)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(zhǎng)和產(chǎn)量的一項(xiàng)關(guān)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(dǎo)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(xiàn)大幅降低,并將大部分鹽分控制在100cm