不同水分处理干播湿出水热盐效应对棉花出苗率的影响

丁 宇,张江辉,白云岗,赵经华,郑 明,刘洪波,肖 军,韩政宇

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院,乌鲁木齐 830052;2.新疆水利水电科学院,乌鲁木齐 830049)

0 引 言

【研究意义】新疆是我国重要的优质棉生产基地和典型纯灌溉农业类型区,农业用水占比高达90%左右[1],大部分棉区种植要在冬季灌水淋洗土壤盐分,在春季播种前灌水保持土壤墒情[2-3],发展节水型农业成为提高水资源利用率、保证农业经济可持续发展的重要途径之一。“干播湿出”与“常规冬灌、春灌”相比,播种前无冬灌、春灌,具备节约水资源,出苗率高等特点,在苗期能加速棉苗根系的发育。此外,能够降低抢墒播种的强度,等到适宜的天气和温度再播种。该技术在缓解区域水资源短缺、节约成本等方面都有促进作用[4-6]。双膜覆盖相比单膜覆盖技术能明显提高棉花对不良气候环境的抵御能力、充分发挥增温、保墒、抑制土壤板结、防止病虫害的作用[7-9]。新疆石河子、阿克苏等地区棉花双膜覆盖技术已大面积推广,相比于单膜覆盖处理病虫害发生率降低13.5%,出苗率高达84.2%[10]。【前人研究进展】近年来,围绕干播湿出棉田土壤水盐运移或者水热效应等已有相关研究。干播湿出相比冬灌棉田土壤表层温度明显较高,播前0～10 cm土壤日均温度较冬灌处理高1.86℃,播后0～10 cm土壤日均温度比冬灌处理高0.44℃,有利于棉花早播,促进棉种萌芽[11]。在缺乏淋洗水量的情况下将导致棉田的盐分积累,土壤盐分在水平方向上累积在湿润层外围,垂直方向盐分累计在作物根系底部[12-14]。【本研究切入点】目前大多数干播湿出相关文献主要以整个生育期土壤温度或者水盐运移研究为主,而出苗期作为决定棉花生长及形成最终产量的重要时期,关键影响因素不明确,主要影响机制不清楚,出苗期灌溉制度不完善,影响棉田的出苗率,推广大面积干播湿出膜下滴灌技术受阻。有关棉花干播湿出双膜覆盖技术相关研究较少,且双膜覆盖条件下干播湿出水盐运移及水热效应规律仍需进一步讨论研究。【拟解决的关键问题】以干播湿出双膜覆盖棉田出苗期土壤水热盐效应研究为主,分析土壤水、热、盐与棉花出苗率间相互关系及影响机制,完善适宜棉花出苗、生长的水分管理制度,为新疆阿克苏地区农业生产提供指导。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验田位于新疆阿克苏市沙雅县海楼镇海楼村(N 41.22°,E 82.78°,海拔986 m),为温带大陆性气候,气候温和,空气干燥,太阳辐射强。多年平均降水量不足50 mm,多年平均蒸发量高达2 000 mm以上。土壤质地以壤土为主,土壤含盐量介于0.58～2.18 g/kg,属于低盐碱土,试验田地下水位为3.8 m。棉花品种为源棉11号,播种时间为2021年4月18日,播前无冬灌、春灌,灌溉水为地表水,灌溉方式为滴灌,滴头流量为2.1 L/h,滴头间距30 cm。表1

表1 灌前土壤理化性质

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

棉花种植方式采用1膜3管6行的模式,采用机械进行双膜覆盖,覆膜宽度为2.05 m,宽窄行(66+10)cm,膜间距离46 cm,株距为10 cm,一个小区3膜宽为6 m,长度为10 m,每个小区之间设置有1 m的保护行。

试验设置干播湿出5个处理,1个对照处理,每个处理3个重复,共18个小区,小区面积为60 m2。对照处理为当地冬灌,灌水定额为2 700 m3/hm2,灌水时间为2020年11月15日。大多数处理出苗率达到50%左右将上层膜揭开。图1,表2

图1 种植方式和滴灌带布置

表2 试验设计

1.2.2 土壤样本采集与测定

采用直径为5 cm的土钻在同一剖面的宽行、窄行(滴头下方)及膜间中间位置取样,取样深度分别为0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm。

(1)土壤含水率:采用烘干法((105±2)℃,12 h)测定土壤质量含水率,通过土壤干容重乘以质量含水率换算成土壤体积含水率。

(2)土壤盐分和电导率:采用土水比为1∶5的土壤浸提液电导率(EC1∶5,ms/cm)与土壤含盐量(SC,g/kg)来表征土壤盐分。将烘干的土样碾磨,剔除植物残体、石块等侵入体,研磨成粉末状时取18g加入三角瓶中,加入90 ml纯净水,配置土水质量比为1∶5的混合液,使用震荡机震荡10 min,静止15 min后得到上清液,最后使用F3型电导率仪(梅特勒-托利多仪器)测定上清液的电导率。SC与EC1∶5可通过以下线性关系换算,其线性关系根据电导率与含盐量单位转化而来,计算溶液中盐分含量得出盐分在18 g土壤颗粒中占比。

SC=2.778EC1∶5.

(1)

1.2.3 土壤温度

采用地温计测定出苗期土壤温度,分别在08:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00、20:00、22:00测定5、10、15、20 cm共4个土层的地温变化,监测土壤日变化及日均变化趋势,计算土壤日均温度。

1.2.4 棉花出苗率

播种18 d后,对各处理棉苗进行出苗率测定,分别调查每个处理3个重复的出苗率、未发芽率、烂种率、空穴率,出苗率=出苗株数/总播种粒数×100%,出苗率+未发芽率+烂种率+空穴率=100%。

1.3 数据处理

采用Excel 2010和Origin 2016软件对试验数据进行统计、绘图;利用CAD2010软件绘制种植方式及滴灌带布置图;使用SPSS 25.0对试验数据进行双因素方差分析及线性回归分析。

2 结果与分析

2.1 出苗期土壤含水率变化

2.1.1 出苗期0～40 cm土层水分变化

研究表明,各灌水定额处理土壤平均含水率存在明显差异(P<0.001)。其中S3处理土壤含水率显著大于S1和S2处理,S2处理显著大于S1处理,CK处理土壤含水率最小。各处理灌水定额不同土壤表层平均含水率存在差异,灌水定额越大,土壤含水率越大。对照处理CK由于灌水时间较早,灌后土壤水分渗入至土壤深层导致一直减少,土壤含水率较小。各灌水定额处理0～40 cm土层土壤平均含水率整体表现为S3>S2>S1>CK。各滴水频次处理间,S5处理显著大于S4和S3处理,CK处理土壤含水率最小。由于使用双膜覆盖技术膜内土壤水分蒸发较小,大部分土壤水分下渗至土壤深层,且不同灌水量大小下渗程度不同。其中S3处理为1次滴水且单次滴水定额较S4和S5处理大,土壤水分下渗至深层,表层土壤水分较低;而S5处理滴水次数为3次且每次滴水定额较小,土壤水分下渗土层较浅,在3次滴水结束后表层土壤含水率较高。表3

表3 各处理出苗期0～40 cm土壤平均含水率

2.1.2 各处理土壤剖面平均含水率分布特征

研究表明,随土层深度增加各灌水定额处理土壤平均含水率呈现先增大后减小的趋势。其中20～30 cm土层土壤含水率最大,80～100 cm土层土壤含水率最小。由于各土层土壤质地不同,导致各土层平均含水率存在差异性。20～30 cm土层为黏土层,保水性较强,透水、透气性较差,因此该土层土壤含水率更高,而80～100 cm土层为沙土层,保水性较差,透水性较强,土壤含水率较低。随土层深度增加各干播湿出处理土壤平均含水率呈现先增大后减小的趋势。在20～30 cm土层土壤含水率最大,80～100 cm土层土壤含水率最小。与灌水定额处理相同,因为各土层土壤质地不同导致各土层土壤含水率的差异。随土层深度增加CK处理土壤平均含水率逐渐增大。因为冬灌处理灌水定额较大,且灌水时间较早,所以到出苗期时土壤表层水分已大量蒸发,含水率较小,而土壤深层不受日照影响,水分蒸发较少,土壤依然保持较大含水率。图2

图2 各处理土壤剖面平均含水率变化

2.2 出苗期土壤含盐量变化

2.2.1 出苗期土壤盐分动态

研究表明,CK处理因为较大的灌水量已经将表层盐分淋洗至较深土层,所以在播种后土壤表层盐分处于较低水平。干播湿出处理出苗期土壤盐分变化趋势为先降低后升高。其中,4月25日左右各处理土壤盐分下降到最低值,S3处理下降幅度最大,S1处理下降幅度最小。由于灌水量的不同,各处理的盐分变化呈现差异性,S3处理灌水定额较大,土壤表层的盐分淋洗更强,土壤含盐量降幅更大,相反S1处理对于盐分的影响相对较小。5月3日左右各处理土壤表层盐分积聚情况严重,其中S1处理土壤含盐量增幅较大,S3处理盐分回升较小。由于日照影响,深层土壤中水分蒸发将盐分再次带回土壤表层,出现盐分积聚情况,S3处理灌水量较大,将土壤盐分淋洗至更深层,土壤表层盐分积累情况不明显,而S1处理则相反,表层盐分积聚情况更严重。

由于灌水定额差距过大,对照处理相比干播湿出处理土壤含盐量同样更低。各滴水频次处理变化趋势为先降低后增高。其中在4月23日左右各处理土壤盐分有明显降低,S5处理下降幅度最小,S3处理下降幅度最大。由于S3处理滴水次数少,灌水量大,表层土壤盐分降低幅度更大,而S5处理为3次滴水且第1次灌水量小,故表层土壤盐分降低较少。在5月1日左右各处理同样出现盐分积聚情况,其中S3处理土壤表层盐分回升较少,S5处理土壤含盐量增幅较大。由于S3处理灌水量较大将盐分淋洗至土壤深层,盐分表聚情况不明显,而S5处理整个灌水周期较长,在日照强烈的新疆南疆地区,土壤表层反盐现象更加严重。图3

图3 出苗期0～40 cm土层土壤盐分动态变化

2.2.2 出苗期灌后0～40 cm土层各处理脱盐效果

研究表明,各处理出苗期灌水后土壤平均脱盐率存在显著差异(P<0.001)。CK处理由于较大的灌水量,盐分淋洗效果更好,脱盐率显著大于干播湿出处理。各灌水定额处理中,S3处理脱盐率显著大于S2处理,S2处理脱盐率显著大于S1处理,表现为CK>S3>S2>S1。由于灌水定额的不同土壤脱盐率呈显著差异,CK与S3处理因为灌水定额较大,土壤表层盐分淋洗情况更好,土壤表层脱盐率更高,S1处理因为较小灌水定额脱盐率较小。各滴水频次处理中,CK处理脱盐率依然显著大于各处理,干播湿出处理脱盐率由高到低依次为S3、S2、S4、S1和S5处理。因为S3处理灌水次数少、灌水量大,所以土壤表层盐分淋洗状况更好,而S5处理灌水次数多、灌水量小,土壤表层盐分淋洗效果较差,脱盐率较低。S3与对照处理相比在出苗期0～40 cm土壤脱盐率更大,盐分淋洗效果更好。表4

表4 灌后0～40 cm土层各处理土壤脱盐率

2.3 棉花出苗期土壤温度变化

2.3.1 土壤温度日变化趋势

研究表明,各处理土壤温度在一天内变化趋势大致相同,主要变化趋势为先降低后升高再降低。08:00～12:00左右S3处理温度较高,12:00～22:00左右,S1处理土壤温度更高。不同灌水量对与土壤温度的影响不同且与气温有关。S3处理的灌水定额大,土壤表层含水率相比其他处理更大,土壤热容量也相应较大,08:00～12:00气温较低时土壤热量散失较慢,土壤温度更高。而S1处理土壤含水率较小,土壤热容量也相应较小,故12:00～22:00气温较高时,土壤吸收热量的速度更快,温度更高。

各处理土壤温度日变化呈现先降低后增高再降低的趋势。其中,08:00～12:00左右S5处理土壤温度较高,12:00～22:00左右S3处理土壤温度较高。在灌水定额相同的情况下,由于S5处理滴水次数为3次且每次滴水定额相比S3和S4处理较小,下渗至深层的水分较少,土壤表层含水率较高,比热容也相应较大,土壤吸热散热更慢,故在08:00～12:00气温较低时土壤温度降低更慢,温度更高;而S3和S4处理滴水定额较大,水分下渗至土壤深层较多,土壤表层含水率较小,比热容也相应较小,在12:00～22:00左右气温较高时土壤温度升高更快,温度更高。图4

图4 灌后0～40 cm土层各处理土壤温度日变化

2.3.2 出苗期土壤日均温度变化

研究表明,对各处理土壤日均温度进行统计分析,各处理土壤日均温度存在显著差异(P<0.001)。在各灌水定额处理中,S1处理土壤日均温度与CK处理无明显差异且显著大于其他各处理,S3处理土壤日均温度明显低于其他各处理。由于土壤温度与土壤含水率间的重要影响,CK与S1处理土壤含水率小,热容量小,在白天气温较高时,土壤温度增长更快,土壤日均温度更高;而S3处理则恰好相反,因为较大土壤含水率,在气温较高时土壤升温较慢,日均温度较小。在各滴水频次处理中,随着滴水频次增加土壤日均温度逐渐降低,S3处理土壤温度最高,S5处理土壤温度较低。在双膜覆盖条件下,S5处理由于较高的土壤含水率,导致土壤温度变化幅度较小,且一直维持在较低水平,土壤日均温度较低;而S3处理土壤含水率较低,土壤温度变化幅度较大,在日照强烈的南疆地区双膜覆盖增温效果更强,因此土壤日均温度较高。CK与S1处理有着较高的土壤日均温度。表5

表5 各处理出苗期0～40 cm土壤日均温度

2.4 出苗期土壤平均含水率与土壤日均温度相关性

研究表明,自变量为土壤平均含水率,因变量为土壤日均温度。自变量土壤平均含水率能解释因变量土壤日均温度变化程度的71.8%,且模型拟合程度为71.8%>50%。土壤平均含水率显著影响土壤日均温度,P<0.05。影响系数为-0.387<0,意味着土壤平均含水率显著负向影响土壤日均温度。表6

表6 土壤水热变化线性回归

绘制土壤平均含水率和土壤日均温度的水热变化图,对自变量与因变量之间进行拟合,回归方程如下:

Y=34.537-0.387X.

(2)

式中,Y为土壤日均温度;X为土壤平均含水率。

土壤日均温度与土壤平均含水率有很强的负相关性,土壤平均含水率越大,土壤日均温度越小。图5

图5 出苗期0～40 cm土层土壤水热变化

2.5 不同水分处理对棉花出苗率的影响

研究表明,各处理出苗率差异显著(P<0.05)。在干播湿出不同灌水定额处理中,随着灌水定额增加出苗率逐渐降低。S1出苗率显著高于S2处理,S2处理出苗率显著高于S3处理。由于S3处理为1次灌水且灌水定额较大,棉苗上层覆土易发生板结现象,导致出苗率较低。且当灌水定额较大时,膜下易形成积水,导致棉苗死亡。而S1处理灌水定额较小,土壤含水率较为适宜,也不易出现土壤板结现象,所以出苗率较高。各干播湿出不同滴水频次处理中,随着滴水频次的增加出苗率逐渐升高。S5处理出苗率显著高于S4处理,S4处理出苗率显著高于S3处理。由于S5处理为3次滴水,且每次滴水量较少,既防止了膜下形成积水,导致土壤板结,也保证了苗期作物所需的水分,出苗率更高,而S3处理则相反。CK与S1处理土壤日均温度高且土壤水盐环境更为适宜,所以出苗率更高。各处理出苗率整体表现为CK≈S1>S2≈S5>S4>S3。图6

注:不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)

3 讨 论

3.1在滴灌模式下,出苗期灌水定额越大,土壤表层盐分淋洗效果越好,土壤脱盐率越高[15-16]。但是其研究仅仅是以压盐、脱盐为目的分析土壤水盐运移变化情况。在干播湿出灌溉模式下,出苗期棉苗除了受到盐分的影响,保持适宜的土壤温度对于种子发芽生长有着不可或缺的作用。棉花属于喜温作物,棉花种子发芽最适宜温度为20～30℃,且温度越高发芽越快,低温情况下会导致种子发芽出苗困难,对棉花生长发育有着极大影响[17]。试验研究结果表明,不同水分处理条件下干播湿出棉田土壤水分、温度、盐分情况都存在显著差异性,而适宜的土壤水热环境在出苗期起着主导作用,能够保证棉花拥有较高的出苗率。结果显示,在各干播湿出处理中,S1处理出苗率最高且于CK处理更为接近,且S1处理盐分含量最高,平均含水率最低,土壤日均温度最高,与CK处理相比土壤日均温度及平均含水率差异性最小,也证明了干播湿出棉田出苗期土壤水热环境的重要作用。

3.2土壤含水率与土壤温度呈现明显的负相关性,土壤水分高的土层区域土壤温度较低,灌溉定额越大,对根系土壤温度的影响区域就越大。与张永玲、王克全等[18-19]对于土壤温度研究相符,因为当土壤含水率较大,比热容也较大,土壤吸热和散热的速度会变慢,当外界气温较高时,土壤吸热较慢,温度相对较低,当外界气温较低时,土壤散热较慢,温度则相对较高,土壤含水率较低时则相反。何平如等[20]以不同百分比梯度的田间持水率为灌水控制下限,对棉花水盐分布及生长情况进行研究,结果表明75%的田间持水率为灌水量具有最适宜棉花生长的土壤水分环境。试验棉田0～40 cm土层75%的田间持水率为18.89%,干播湿出S1灌水定额处理最为接近,且土壤温度相对较大,与何平如等[20]对与土壤水分环境研究相符。在适宜的土壤含水率范围内,较小的灌水定额对于土壤温度环境有着促进作用。

3.3根据“盐随水动”水盐运移特点,灌水定额越大,水的淋洗作用更大,土壤表层盐分淋洗效果越好,土壤脱盐率越高。张伟等[21]试验结果也表明这一水盐运移特点,滴水开始,土壤含水率增加,由于水的淋洗作用表层含盐量逐渐降低,停止滴水后,土壤表层含水率因为蒸发作用降低,盐分随水分蒸发又带回到土壤表层,土壤含盐量升高。但是脱盐率高是因为灌水定额大,灌水定额越大会导致土壤含水率过大,土壤温度过低,抑制种子的发芽和生长。出苗期灌水定额宜小,较小的灌水定额不仅能够满足作物出苗期所需的土壤水盐条件,而且土壤温度高,能够促进种子发芽、生长。较大的灌水定额虽然土壤脱盐率高,但是土壤含水率过大,导致土壤温度过低了,影响棉花的发芽和生长。

4 结 论

4.1相同滴水频次下,随灌水定额增加土壤平均含水率逐渐增加,表现为S1

4.2在灌水定额处理中,灌水量越大土壤脱盐率越高,在各滴水频次处理中,滴水频次越少,土壤脱盐率越高,CK处理脱盐率显著大于各干播湿出处理。在土壤盐分较低情况下,盐分变化情况对出苗情况影响较小。

4.3相同滴水频次下,随灌水定额增加土壤日均温度逐渐减小,表现为S1>S2>S3;相同灌水定额下,随滴水频次增加土壤日均温度依次减小,表现为S3>S4>S5。土壤平均含水率与土壤日均温度有明显负相关性,随土壤平均含水率增大,土壤日均温度减小,CK与S1处理土壤日均温度显著大于其他处理。

4.4在干播湿出双膜覆盖条件,S1与CK处理出苗率较高,各处理出苗率整体表现为CK≈S1>S2≈S5>S4>S3。其中土壤水热环境因素在棉花出苗期起着主导作用,适宜的土壤水热环境能够保证较高的出苗率,达到节水保苗的目的。最佳出苗水处理为S1(675 m3/hm2)。