收稿日期： 2023-08-23； 修回日期： 2023-11-24； 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間： 2023-12-01

網(wǎng)絡(luò)出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20231201.1044.002

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52209064）；水利部重大科技項(xiàng)目（SKR-2022020）；石河子大學(xué)創(chuàng)新發(fā)展專項(xiàng)項(xiàng)目（CXFZ202201）

第一作者簡介： 高雙龍（1999—），男，甘肅平?jīng)鋈?，碩士研究生（3243256501@qq.com），主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究.

通信作者簡介： 李文昊（1988—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，副教授（lwh8510012@163.com），主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究.

摘要： 為探索棉田長期采用覆膜滴灌技術(shù)是否存在土壤積鹽的問題，2009—2013年對(duì)新疆瑪納斯河灌區(qū)5塊不同膜下滴灌年限鹽堿地棉田土壤可溶性總鹽和離子進(jìn)行了連續(xù)定點(diǎn)監(jiān)測.分析并呈現(xiàn)了現(xiàn)行灌溉制度下應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)1—16 a鹽堿地棉田可溶性總鹽和離子時(shí)空演變規(guī)律及鹽分組成變化.結(jié)果表明：滴灌4 a內(nèi)棉田屬于鹽土，可溶性總鹽由最初的20.44 g/kg快速下降至7.98 g/kg，棉花產(chǎn)量及成活率快速增加.滴灌12 a以后，棉田可溶性總鹽小于2.57 g/kg，棉田屬于非鹽化土，棉花成活率基本穩(wěn)定在84.53%以上，單產(chǎn)超過5 100 kg/hm2.隨著滴灌年限的延長，棉田土壤中的鈉吸附比（SAR）和w（Cl-/SO2-4）（Cl-與SO2-4質(zhì)量比的比值）逐年降低，說明現(xiàn)行灌溉制度下土壤堿化度逐年降低，陰、陽離子的組成也逐年發(fā)生變化， Cl-的淋洗效果優(yōu)于SO2-4.

關(guān)鍵詞： 膜下滴灌；種植年限；鹽堿地；鹽分；離子；棉花產(chǎn)量

中圖分類號(hào)： S275.6" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A" 文章編號(hào)： 1674-8530（2024）07-0736-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0162

高雙龍，李文昊，王振華，等.長期膜下滴灌棉田土壤鹽分演變規(guī)律［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2024，42（7）：736-742.

GAO Shuanglong， LI Wenhao， WANG Zhenhua， et al. Evolution law of soil salinity in cotton fields with long-term drip irrigation under membrane［J］. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2024，42（7）：736-742.（in Chinese）

Evolution law of soil salinity in cotton fields with long-term

drip irrigation under membrane

GAO Shuanglong1，2， LI Wenhao1，2*， WANG Zhenhua1，2， LI Haiqiang1，2

（1. College of Water Conservancy amp; Architectural Engineering， Shihezi University， Shihezi， Xinjiang 832003， China; 2. Key Laboratory of Modern Water-saving Irrigation of Xinjiang Production amp; Construction Crop， Shihezi， Xinjiang 832003， China）

Abstract： In order to explore whether there is a problem of soil salt accumulation in cotton fields with long-term application of membrane drip irrigation technology， continuous fixed-spot monitoring of total soluble salts and ions in soils of five saline cotton fields with different years of under-membrane drip irrigation was carried out in Manas River Irrigation District， Xinjiang， from 2009 to 2013. The spatial and temporal evolution patterns of total soluble salts and ions and changes in salt composition in saline cotton fields under the current irrigation system with the application of drip irrigation under membrane for 1—16 years were analyzed and presented. The results show that within 4 years of drip irrigation， the cotton field is saline， and the total soluble salt decreases rapidly from the initial 20.44 g/kg to 7.98 g/kg， and the cotton yield and survival rate increased rapidly. After 12 years of drip irrigation， the total soluble salt of cotton field is less than 2.57 g/kg， the cotton field belongs to non-salinized soil， and the cotton survival rate is basically stable at more than 84.53%， and with a yield are more than 5 100 kg/hm2. With the extension of drip irrigation， the sodium adsorption ratio （SAR） and w（Cl-/SO2-4） （the ratio of the mass ratio of Cl- and SO2-4） of the soil of cotton field are decreasing， indicating that the alkalinity of the soil under the current irrigation system has been reduced yearly. Under the current irrigation system， the soil alkalinity decreases year by year， and the composition of anions and cations has also changed year by year， and the leaching effect of Cl- is better than that of SO2-4.

Key words： mulched drip irrigation;planting years;saline-alkali soil;salts;ions;cotton yield

膜下滴灌技術(shù)具有節(jié)水、節(jié)肥、抑制膜內(nèi)土壤返鹽的作用［1］.由于滴灌“少灌勤灌”的特性，加上新疆氣候干燥，蒸發(fā)強(qiáng)烈，鹽分易在土壤表層積聚，長期利用膜下滴灌技術(shù)（以下簡稱“長期滴灌”）將造成淺層土壤鹽分積累，若不采取合適的調(diào)控措施，易出現(xiàn)次生鹽漬化等問題［2］.國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)長期滴灌下土壤鹽分演變規(guī)律進(jìn)行了探究.MORA等［3］認(rèn)為使用毛管滴灌后，鹽漬化最終逐漸減少.AYARS［4］研究了滴灌條件下不同灌水間隔對(duì)棉花產(chǎn)量的影響.HE等［5］研究認(rèn)為，膜下滴灌作為一種局部灌溉方式，使傳統(tǒng)排灌體系難以維持.楊宏偉等［6］對(duì)多年膜下滴灌對(duì)土壤水鹽及棉花產(chǎn)量的影響研究表明，隨著耕種年限增加，0～100 cm土層的鹽分含量逐漸增加，同時(shí)發(fā)現(xiàn)滴灌帶之間的鹽分積累顯著高于滴頭附近.但劉函如等［7］研究認(rèn)為，在特定的灌溉條件下，隨著灌溉年限增加，各觀測層脫鹽率總體呈下降趨勢.

這些研究為改進(jìn)現(xiàn)有的滴灌系統(tǒng)提供了參考，為優(yōu)化灌溉方案、減少土壤鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)、提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量具有積極指導(dǎo)作用.然而，在長期膜下滴灌棉田土壤鹽分變化特征方面，學(xué)者們存在較多爭議，多數(shù)人僅關(guān)注土壤鹽分含量的變遷，而對(duì)離子遷移規(guī)律及鹽分組成變化的研究尚不夠充分.因此，于2009—2013年對(duì)5塊不同膜下滴灌年限鹽堿地棉田進(jìn)行了定位監(jiān)測，以獲取并分析現(xiàn)行灌溉制度下應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)1—16 a鹽堿地棉田可溶性總鹽和離子時(shí)空演變規(guī)律及鹽分組成變化，通過比較鈉離子吸附比（SAR）以及w（Cl-/SO2-4）（Cl-與SO2-4質(zhì)量比的比值），探索棉田鹽分組成變化及離子淋洗狀況，為膜下滴灌技術(shù)在綠洲鹽堿區(qū)的可持續(xù)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和理論支撐.

1" 材料與方法

1.1" 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)域位于瑪納斯河灌區(qū)內(nèi)的石河子市炮臺(tái)鎮(zhèn)121團(tuán)6連.該地區(qū)干旱缺水，年平均降水量為164.3 mm，地下水埋深為3～5 m（見表1，表中hgw，K分別為地下水埋深、礦化度），年平均日照時(shí)長為2 864 h，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年平均蒸發(fā)量為2 036.2 mm，最高氣溫達(dá)43.1 ℃，最低氣溫達(dá)-42.3 ℃［8］.

1.2" 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2009年4月在121團(tuán)6連選定5塊不同年份開始應(yīng)用膜下滴灌的棉田，棉田開墾時(shí)間分別為1998年、2002年、2004年、2006年、2008年，5個(gè)地塊集中在2 km2范圍內(nèi)，土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)基本一致.各地塊屬同一支渠輸水灌溉，采用相同的棉花品種，在基本一致的灌水和施肥制度下，先后使用了膜下滴灌技術(shù)種植棉花.棉花采用“一膜兩管六行”的種植模式（窄行和寬行間距分別為11和66 cm，而膜間距為60 cm，如圖1所示）.從2009—2013年，棉田的灌水制度見表2，表中m為灌水定額.研究區(qū)的灌溉水來源于瑪納斯河，經(jīng)測定，在灌溉季節(jié)，瑪納斯河水的礦化度為0.502～0.973 g/L，小于2 g/L，水質(zhì)符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn).

2009—2013年對(duì)5塊棉田進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)取樣，取樣時(shí)應(yīng)保證前2 d未進(jìn)行灌溉且4—5 d沒有降雨.采用對(duì)角線法取樣：在每塊棉田中，選取3個(gè)采樣區(qū)域.這些區(qū)域分別位于棉田一角作為起點(diǎn)，對(duì)角線的1/4，1/2和3/4處.首次采樣后，用彩旗對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行了標(biāo)記和定位.在各采樣區(qū)域，設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，包括膜內(nèi)毛管處、棉花窄行中點(diǎn)以及兩膜中點(diǎn)，如圖1所示.采樣深度分別為0～5，20±5，40±5，60±5，80±5，100±5，120±5，140±5 cm，每次采集72個(gè)土壤樣品，5 a共取土樣3 600個(gè).采樣時(shí)間規(guī)定為每年2個(gè)階段：一是棉花播種后尚未開始滴灌的4月中旬；二是棉花生長周期結(jié)束、土地開始進(jìn)入凍期前的10月中旬（下文簡稱4月、10月）.結(jié)合時(shí)空變異法形成連續(xù)應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)1—16 a土樣，即2008年開墾的地塊在2009年4月記為應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)第1年，在2009年10月記為應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)第2年；依此類推，1998年開墾的地塊在2013年4月記為應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)第15年，在2013年10月記為應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)第16年.

1.3" 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1" 土壤鹽分及離子的測定

將采集的土壤自然風(fēng)干，隨后進(jìn)行磨碎并過1 mm土工篩，按照土水比1∶5混合后震蕩、過濾.使用DDS-11A數(shù)顯電導(dǎo)率儀測定每個(gè)樣本浸出液的電導(dǎo)率（EC）.最后，采用殘?jiān)娓煞▽?duì)電導(dǎo)率進(jìn)行標(biāo)定，將其換算為鹽分質(zhì)量比（g/kg）.參見鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》［9］，對(duì)土壤中Na+采用火焰光度計(jì)進(jìn)行測定，Mg2+和Ca2+采用絡(luò)合滴定法、Cl-用AgNO3滴定法、SO2-4用EDTA 間接滴定法測定.

1.3.2" 土壤物理及化學(xué)性質(zhì)分析

采用比重計(jì)法測定不同土層土壤顆粒含量，依據(jù)《土壤物理學(xué)》［10］對(duì)土壤質(zhì)地進(jìn)行分類（見表3，表中h為土壤深度；γ為土壤干容重，環(huán)刀法測定）.0～100 cm土層的平均含鹽質(zhì)量比為24.84 g/kg，依據(jù)《新疆墾區(qū)鹽堿地改良》［11］，棉田鹽化程度屬于鹽土.

將相同膜下滴灌年限同土層的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理.滴灌1—16 a棉田鹽分、離子的變化用單位面積儲(chǔ)量的變化表述.單位面積（1 m2）一定深度土體的儲(chǔ)鹽（離子）量為

S=10hsγc，（1）

式中：S為單位面積（1 m2）h（cm）深度的儲(chǔ)鹽（離子）量，g；hs為土體的厚度，cm；γ為土壤干容重，g/cm3；c為h（cm）土層的鹽分（離子）質(zhì)量比，g/kg.

在0～100 cm的深度范圍內(nèi)（即棉花根層），鹽分和離子的變化對(duì)于生產(chǎn)指導(dǎo)具有更大的實(shí)際價(jià)值.0～100 cm土體土壤容重?cái)?shù)據(jù)見表3；100 cm以下土體土壤容重取表3中耕層以下的均值，為1.49 g/cm3.

1.4" 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)采用 Excel 2010 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和預(yù)處理，用 Origin 2021 軟件進(jìn)行圖形的繪制.

2" 試驗(yàn)結(jié)果與分析

應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)1—16 a鹽堿地棉田中可溶性總鹽和離子的遷移規(guī)律，以及棉花產(chǎn)量及成活率分析如下.

2.1" 可溶性總鹽遷移規(guī)律

圖2為長期膜下滴灌棉田土壤含鹽量變化趨勢，圖中c，Pd分別為鹽分質(zhì)量比、滴灌年限.

由圖2可知，隨著滴灌年限增加，0～140 cm土體中可溶性總鹽逐年降低并逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài).滴灌第1 a，0～140 cm土體中可溶性總鹽質(zhì)量比均值為20.44 g/kg，根據(jù)《新疆墾區(qū)鹽堿地改良》［11］，棉田鹽化程度屬于鹽土.60 cm以下土層鹽分質(zhì)量比＜16.00 g/kg；滴灌4 a后，0～140 cm可溶性總鹽在整個(gè)土層中分布相對(duì)均勻，質(zhì)量比為7.98 g/kg，屬于中度鹽化土；滴灌12 a后，總鹽質(zhì)量比為2.57 g/kg，屬于非鹽化土.

經(jīng)過分析探索，采用負(fù)指數(shù)冪函數(shù)對(duì)棉田0～140 cm土體可溶性鹽分均值隨滴灌年限的變化趨勢進(jìn)行回歸，即

y=24.43e-x/3.7+1.8，R2=0.93，（2）

式中：x表示滴灌年限，a；y表示可溶性總鹽質(zhì)量比，g/kg.

研究區(qū)年際間的脫鹽量也在逐年減小.0～60和0～140 cm土層脫鹽量D變化如圖3所示，由圖可知，滴灌1—4 a為“迅速脫鹽階段”，3 a平均脫鹽量為8 665.10 g/a.滴灌4—12 a，8 a平均脫鹽量為1 412.02 g/a，為“穩(wěn)定脫鹽階段”.滴灌12 a以后0～140 cm土層平均含鹽質(zhì)量比為2.20～2.90 g/kg＜3 g/kg，屬于非鹽化土，土壤含鹽量穩(wěn)定，為“鹽分穩(wěn)定階段”.

2.2" 陽離子遷移規(guī)律

長期膜下滴灌棉田土壤中Ca2+，Mg2+以及Na+均呈現(xiàn)逐年降低的變化趨勢，如圖4所示（圖中cion為離子質(zhì)量比），但年際間變化量存在一定差異.

由圖4a可知，滴灌1—4 a，0～140 cm土層累積脫Ca2+量為2 179.44 g，脫Ca2+率達(dá)62.42%.滴灌4—12 a，8 a平均脫Ca2+量為74.37 g/a，平均脫Ca2+率為1.88%/a.滴灌12 a以后，鹽堿地棉田0～140 cm土層Ca2+平均質(zhì)量比為＜0.35 g/kg.由圖4b可知，滴灌1—4 a，3 a平均脫Mg2+量為265.10 g/a，平均脫Mg2+率為11.30%/a.滴灌4—16 a，棉田累積脫Mg2+量逐年穩(wěn)定增加，12 a平均脫Mg2+量為67.36 g/a，平均脫Mg2+率為2.88%/a.由圖4c可知，滴灌1—4 a，3 a 0～140 cm土層平均脫Na+量為3 172.86 g/a，平均脫Na+率為18.48%/a.滴灌4—10 a，6 a平均脫Na+量為695.13 g/a，平均脫Na+率為4.05%/a.滴灌10 a以后，鹽堿地棉田0～140 cm土層Na+平均質(zhì)量比為0.7～1.1 g/kg.

鈉吸附比SAR（sodium absorption ratio）與堿化度ESP（exchange sodium percentage）存在正比例線性相關(guān).計(jì)算式為

SAR=ρ（Na+）/{［ρ（Ca2+）+ρ（Mg2+）］/2}1/2，（3）

式中： ρ為離子濃度，cmol/kg.

表4為滴灌1—16 a棉田不同土層SAR.由表可知，滴灌1—16 a棉田中各土層SAR逐年降低，且由于鹽分表聚現(xiàn)象，淺層土壤SAR降低速率最快.滴灌第8 a，0～60和0～140 cm土層SAR較滴灌第1年分別降低66.50%和60.98%；滴灌第16年土層SAR較滴灌第1年分別降低83.74%和81.71%.表明隨著滴灌年限的延長，土壤中Na+和土壤交換反應(yīng)的相對(duì)活度在逐年降低，棉田的堿化程度也在逐步減輕.

2.3" 陰離子遷移規(guī)律

圖5為棉田土壤中陰離子變化趨勢.由圖5a知，滴灌1—4 a，棉田累積脫Cl-量為516.57 g，脫Cl-率達(dá)53.78%.4—10 a，6 a平均脫Cl-量為33.12 g/a，平均脫Cl-率為3.45%.滴灌10 a以后，鹽堿地棉田0～140 cm土層Cl-平均質(zhì)量比＜0.12 g/kg.由圖5b知，滴灌1—4 a，棉田累積脫SO2-4量為457.77g，脫SO2-4率達(dá)30.66%.4—10 a，6 a間棉田累積脫SO2-4量為324.58 g，脫SO2-4率達(dá)21.74%，滴灌10 a以后，鹽堿地棉田0～140 cm土層SO2-4平均質(zhì)量比＜0.34 g/kg.

利用長期膜下滴灌棉田土壤cion（Cl-）/cion（SO2-4）［即w（Cl-/SO2-4）］變化趨勢，可以表征現(xiàn)行灌溉制度下膜下滴灌技術(shù)對(duì)Cl-和SO2-4的淋洗狀況.表5為應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)1—16 a棉田0～60 cm和0～140 cm土層Cl-/SO2-4質(zhì)量比變化.由表可知， 0～60 cm土層的Cl-/SO2-4質(zhì)量比由滴灌第1 a的0.66降低到滴灌第16 a的0.39，在進(jìn)行為期16 a的滴灌處理后，0～140 cm土層中Cl-/SO2-4質(zhì)量比從第1 a的0.64降至第16 a的0.34.總體而言，在現(xiàn)行灌溉制度下，棉田0～60 cm和0～140 cm土層Cl-的淋洗效果優(yōu)于SO2-4.

2.4" 棉花成活率及產(chǎn)量

現(xiàn)行灌溉制度下，于2009—2013年分別對(duì)棉花的實(shí)際產(chǎn)量和成活率和進(jìn)行了測算.圖6為應(yīng)用膜下滴灌2—16 a鹽堿地棉花產(chǎn)量Y及成活率RS.結(jié)果表明：滴灌1—4 a，棉花成活率從7.91%提升到42.27%，產(chǎn)量則從789.42 kg/hm2逐年升高到3 028.74 kg/hm2，鹽堿地連續(xù)應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)12 a以上棉花成活率基本穩(wěn)定在84.53%以上，單產(chǎn)超過5 100 kg/hm2.

3" 討" 論

有學(xué)者［12-13］認(rèn)為增加灌水量或者滴頭流量會(huì)導(dǎo)致土壤鹽分峰值位置下移，從而擴(kuò)大達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)范圍.膜下滴灌是一種局部灌溉，長期的膜下滴灌會(huì)造成土壤鹽分積累.造成這種差異的原因主要是由于試驗(yàn)站的灌溉水質(zhì)、土壤質(zhì)地差異造成的［14］.MMOLAWA等［15］證實(shí)了使用劣質(zhì)水進(jìn)行滴灌種植玉米會(huì)導(dǎo)致根區(qū)鹽分積累.合理礦化度的微咸水不會(huì)對(duì)棉花的生長造成影響，并且低礦化度的微咸水具有一定的洗鹽作用［16-17］.因此，采用較高的灌溉定額和優(yōu)質(zhì)的灌溉水質(zhì)是不同滴灌年限下棉田土壤鹽分和離子逐年降低的關(guān)鍵原因.研究發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)行灌溉制度下，隨著滴灌年限增加，棉田0～140 cm土層中的各種陰、陽離子濃度逐步減少.可溶性總鹽及離子變化趨勢經(jīng)歷迅速降低、穩(wěn)定降低、含量相對(duì)穩(wěn)定3個(gè)階段.表6為研究區(qū)2009—2013年4月及10月中旬棉田土壤含鹽量.由表可以看出，監(jiān)測年份4至10月棉田土壤含鹽量明顯減小，表明現(xiàn)行灌溉制度下應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)棉田土壤可溶性總鹽含量隨滴灌年限延長而逐漸降低.表1顯示研究區(qū)2009—2013年4月及10月中旬地下水位和礦化度，研究區(qū)深層土壤并未出現(xiàn)積鹽現(xiàn)象；監(jiān)測年份4—10月地下水位明顯提升，地下水礦化度明顯增加，表明土壤鹽分隨灌溉水滲漏入地下水.

文中研究只針對(duì)瑪納斯河灌區(qū)內(nèi)的石河子市炮臺(tái)鎮(zhèn)121團(tuán)6連棉田膜下滴灌長期監(jiān)測，結(jié)果表明現(xiàn)行灌溉制度下應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)棉田土壤可溶性總鹽含量隨滴灌年限延長而逐漸降低，合理利用現(xiàn)行灌溉制度能抑制土壤鹽分增加，減少對(duì)棉花生長產(chǎn)生的不利影響，降低棉花減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn).研究區(qū)的灌溉水質(zhì)、土壤質(zhì)地和灌溉制度在北疆具有代表性，對(duì)其他綠洲灌區(qū)的鹽堿地改良具有一定的借鑒意義.截至目前，研究團(tuán)隊(duì)依舊在該研究區(qū)開展相關(guān)研究.

4" 結(jié)" 論

1） 現(xiàn)行灌溉制度下鹽堿地膜下滴灌棉田土壤中可溶性總鹽及離子變化趨勢為1—4 a迅速降低、4—12 a穩(wěn)定降低、最終到含量相對(duì)穩(wěn)定3個(gè)階段，呈負(fù)指數(shù)冪函數(shù)變化.

2） 現(xiàn)行灌溉制度下，受長期覆膜滴灌及離子化學(xué)特性的影響，陰陽離子的構(gòu)成逐年變化.

3） 現(xiàn)行灌溉制度下，鹽堿地連續(xù)應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)12 a以上棉花成活率基本穩(wěn)定在84.53%以上，單產(chǎn)超過5 100 kg/hm2.

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（責(zé)任編輯" 張文濤）