李万精，杨 广，雷 杰，王春霞，何新林，李 毅，龚 萍，乔长录，蒲胜海

(1. 石河子大学水利建筑工程学院/寒旱区生态水利工程兵团重点实验室，新疆 石河子 832003；2. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；3. 新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所,新疆 乌鲁木齐 830000)

全球淡水资源匮乏已严重影响着作物生产安全和农业生态系统健康[1]。干旱半干旱地区淡水资源紧缺严重限制灌溉农业的发展，干旱区赋存丰富的(微)咸水资源已被用于农业灌溉，从而减轻了干旱区农业用水压力[2-3]。合理开发利用(微)咸水可有效增加农业供水量、提高水资源利用率，对缓解西北地区水资源危机、维持绿洲生态具有重要意义[4]。

众多国内外学者指出(微)咸水资源可用于干旱区农业灌溉。Iskenderov[5]在阿塞拜疆发现用含盐量为5～6 g·L-1的咸水灌溉会增加土壤溶液浓度和植物细胞液的渗透压，不影响棉株的生长发育；郑春莲等[6]在中国华北平原发现2～4 g·L-1矿化度微咸水灌溉对籽棉产量无显著影响，大于6 g·L-1时籽棉产量显著降低；李丹等[7]在滨海地区发现用电导率小于4.7 dS·m-1的微咸水灌溉番茄可节省灌溉水量并提高番茄的品质，但番茄的产量会有所降低；赵风华等[8]在华北平原研究发现3 g·L-1的微咸水灌溉可提高冬小麦叶片对干热风的生理适应能力；刘雪艳等[9]在南疆地区发现矿化度为2.36～3.39 g·L-1时，棉株体内盐分累积较低，对养分的吸收及棉花品质影响最小。

膜下滴灌技术已经在中国西北干旱区大面积推广应用[10]。将(微)咸水灌溉和覆膜技术相结合可为(微)咸水资源的开发利用提供有效途径[11-12]，但是(微)咸水灌溉会对作物生长产生不同程度的影响，甚至增加土壤潜在盐渍化风险[13]。为明确(微)咸水膜下滴灌下土壤水盐运移规律及棉花耐盐阈值，进而探明(微)咸水灌溉下棉花作物的生长机理，国内学者开展了相关研究。王久生等[14]在南疆研究发现灌水后土壤含盐量总体是随灌溉水矿化度的增大而增大，土壤盐分浓度较大则会抑制棉花株高和茎粗的生长，灌溉水电导率为2.22 dS·m-1时对棉花生长影响较小；郭仁松等[15]在南疆绿洲棉田发现咸水灌溉下随着土壤深度增加土壤含水率呈增大趋势，而土壤含盐量呈下降趋势，3 g·L-1矿化度处理下皮棉产量下降2.1%，棉花耐盐阈值为3 g·L-1；宋有玺等[16]在民勤绿洲区发现棉花的灌溉水矿化度阈值为3.51 g·L-1，矿化度小于该值时棉花产量与淡水灌溉产量差异不明显。以上研究为(微)咸水资源运用于农业灌溉提供了可靠依据，但由于各地区不同的气候及地形条件，研究结果也不尽相同。

基于准噶尔盆地南缘灌溉用水短缺、(微)咸水资源安全高效利用技术有待推广的现状，本文针对(微)咸水灌溉下棉花生长及其耐盐阈值问题，通过2018—2020连续3 a测坑试验，设置6个不同矿化度灌溉水源情景，分析了(微)咸水膜下滴灌下土壤水分、盐分含量及八大离子分布运移情况和棉花生长状况，明确适宜棉花生长的盐分阈值，为干旱半干旱地区(微)咸水灌溉提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室试验基地(85°59′47″ E, 44°19′26″ N)进行。该地区最高气温出现在7月，平均气温25.1℃～26.1℃；年降水量125.0～207.7 mm，6—9月份的降水量占全年的55%～70%。地下水离地表距离为7—9 m，供试土壤为砂壤土，土壤平均容重为1.49 g·cm-3，田间持水量为19.13%。

1.2 试验设计

本试验采用规格2 m×2 m×2 m的测坑种植棉花，测坑由混凝土砖石铺砌并进行防渗处理，底部设30 cm砂砾石反滤层，棉花宽行60 cm，窄行30 cm，试验布置方式如图1所示(见100页)。棉花品种为‘农丰133’，采用单翼迷宫式滴灌带，直径16 mm，滴头间距为30 cm，滴头流量为2 L·h-1。在本研究中，矿化度1～5 g·L-1为微咸水，6 g·L-1为咸水，灌溉水源设6个不同矿化度：1、2、3、4、5、6 g·L-1，分别为CK、A、B、C、D、E，根据研究区地下水主要化学组成人工配置灌溉水源，其中NaHCO3、Na2SO4、NaCl、CaCl2、MgCl2质量比为1∶7∶8∶1∶1。棉花灌溉制度见表1，棉花灌溉定额为4 800 m3·hm-2，出苗水为淡水，其余灌水日期灌溉(微)咸水，灌水上限控制在田间持水量的90%。肥料随灌溉水滴施，施肥量N：300 kg·hm-2,P：120 kg·hm-2,K：60 kg·hm-2。每个处理设3个重复。由于各测坑独立导致棉花膜间相互不连续，和大田实际情况有所差别，故本试验重点观测窄行、宽行处土壤水分、盐分含量及八大离子的分布运移情况。

表1 棉花生育期划分及灌溉制度

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤水分和盐分 土壤水分含量由便携式土壤水分测定仪(Trime-Pico IPH2；精度：±2%；IMKO公司，德国)测量，土壤水溶性盐分采用万分之一电子天平测定。

1.3.3 棉花生长指标 株高和叶面积指数采用卷尺测定，茎粗采用游标卡尺测定；叶绿素含量由叶绿素测定仪测定(TYS-4N；精度：±1SPAD；金科利达电子科技有限公司，中国)。棉花叶面积指数通过式(1)进行计算：

LAI=LA×D

(1)

式中，LAI为叶面积指数；LA为单株绿色叶片总叶面积(m2·株-1)，即为最大叶宽和叶脉长的乘积再乘以修正系数0.75；D为实际棉花种植密度(株·m-2)。

1.3.4 棉花产量及灌溉水分利用效率 在吐絮初期调查各处理测坑的单株铃数，各处理在棉花收获时采集100朵吐絮的棉花，采用万分之一电子天平称重后计算单铃重；棉花产量采用万分之一电子天平测定各处理棉花收获量，并计算单位面积棉花产量；灌溉水利用效率IWUE为棉花产量(kg·hm-2)与灌溉定额(mm)的比值。

2 结果与分析

2.1 不同矿化度水质灌溉下土壤水盐分布

2.1.1 土壤水分分布情况 图2为2018—2020年不同矿化度(微)咸水灌溉12 h后各生育期土壤平均含水率(AMC)的动态变化情况。土壤含水率分布主要受灌水量影响，在花铃期由于灌溉水量增加使得土壤含水率达到一个较高的水平，例如2020年(图2c)各处理的AMC在苗期、蕾期、花铃期和吐絮期分别为11.49%、15.08%、17.08%、14.84%；经分析，花铃期的AMC与其余生育期呈显著差异(P<0.05)，蕾期与吐絮期的AMC无显著差异。在年际尺度上，各种植年份相同生育期的AMC无显著差异(P>0.05)，说明年际间土壤平均含水率波动不大。为比较各处理之间AMC差异性，以2018年为例，6个处理全生育期AMC分别为13.55%、13.46%、13.83%、13.49%、15.31%、15.70%，经分析，D、E处理之间差异不显著，但与其余处理呈显著差异(P<0.05)，说明D、E处理下土壤含水率明显高于其他处理，这是由于高矿化度水灌溉下盐分累积造成棉花根区盐分胁迫，导致其吸收水分受到抑制。

图2 2018-2020年不同矿化度(微)咸水灌溉下各生育期土壤平均含水率

花铃期是棉花整个生育期水肥利用最多的阶段，是棉铃生长发育的关键时期，对棉花的产量和品质影响较大，故本研究重点分析2020年花铃期0～100 cm土层窄行与宽行处灌后12 h土壤水分分布情况，结果如图3所示。灌后12 h窄行处各处理的20、40、60、80、100 cm土层AMC分别为13.61%、18.52%、20.61%、18.26%、14.39%，经分析，40、60、80 cm土层之间无显著差异，与20、60 cm土层呈极显著差异(P<0.01)，说明窄行处灌后12 h各处理土壤含水率随土壤深度呈现出先增加后减少的趋势，在40～80 cm土层含水率高于土壤表层(0～20 cm)和深层(80～100 cm)含水率。灌后12 h宽行处土壤含水率随土层深度波动范围不大，滴灌水对宽行处土壤含水率量影响较小。

图3 不同矿化度(微)咸水灌溉12 h后0～100 cm土层土壤水分分布

2.1.2 土壤盐分分布情况 图4为2018—2020年不同矿化度灌溉12 h后各生育期平均土壤水溶性盐分(ASC)的动态变化情况。由图4可看出，在(微)咸水灌溉下ASC随棉花生育期逐渐累积，并在3 a逐年增加；ASC在下一年种植开始时较上一年吐絮期时有所减少，这是由于北疆冬季积雪化水和春季降雨对土层盐分产生淋洗以及来年试验开始时第一次灌溉淡水洗盐。为比较各处理之间盐分累积差异性，以2020年为例，各处理全生育期ASC分别为4.35、5.57、6.35、7.18、8.96、10.02 g·kg-1；经分析，C、D、E处理之间无显著差异，D、E处理与A、B处理呈显著差异(P<0.05)，与CK处理呈显著差异(P<0.05)，这说明随着灌溉水矿化度增加，盐分累积量加大，与淡水处理相比，D、E处理下高矿化度灌溉下土壤盐分累积明显。

图4 2018-2020年不同矿化度(微)咸水灌溉下各生育期平均土壤水溶性盐分含量

在此以2020年为例，重点分析窄行与宽行处花铃期0～100 cm土层土壤盐分分布情况，如图5所示。灌后12 h窄行处土壤水溶性盐分随土层深度的增加而逐渐累积，60、80、100 cm土层水溶性盐分含量无显著差异，80、100 cm土层与20、40 cm土层水溶性盐分呈极显著差异(P<0.01)，这说明(微)咸水灌溉下盐分在60～100 cm土层出现明显富集。灌后12 h宽行处土壤水溶性盐分随土层深度的增加而呈现先减少后增加的规律，这是由于水分运移到宽行表层处较窄行少，持续的蒸发与蒸腾作用导致表层盐分含量高。

图5 不同矿化度(微)咸水灌溉12 h后0～100 cm土层土壤平均水溶性盐分含量

2.2 不同矿化度水质灌溉下盐离子分布

图6 不同矿化度(微)咸水灌溉下土壤离子含量分布

图7 不同矿化度(微)咸水灌溉下土壤溶液水化学类型

2.3 不同矿化度水质灌溉对棉花生长的影响

2.3.1 棉花生长指标 在(微)咸水灌溉下，棉花根层的土壤水盐含量对棉花的生长状况具有较大影响，当棉花根层的土壤盐分含量超过其耐盐阈值时，盐分胁迫影响棉花根系吸水作用，导致棉花生长受到抑制。由表2可以看出，B、C处理下株高与其余处理呈显著差异，C处理棉花株高最高，为81.21 cm，D、E处理下棉花生长明显受到抑制，株高较低。A、B、C处理下棉花茎粗无显著差异，但与D、E处理呈极显著差异，D、E处理下棉花茎粗仅为8.79、8.12 mm。B、C处理下棉花叶面积指数与其余处理差异显著，C处理下棉花叶面积指数最高，为5.73。A、C处理下叶绿素含量与其余处理显著差异，分别为55.47、58.61 SPAD，D、E处理下叶绿素含量较低。

表2 不同矿化度(微)咸水灌溉对棉花生长的影响

2.3.2 棉花产量及灌溉水利用效率 由表3可知，CK、A、B、C处理下棉花单株铃数与单铃重无显著差异，但与D、E处理显著差异，单株铃数与单铃重决定了棉花的产量与品质，E处理下单株铃数仅为4个，单铃重仅为4.25 g，远低于CK处理。CK、B、C处理下产量与IWUE无显著差异，B处理下产量和IWUE最高，分别为5 355.62 kg·hm-2和11.16，C处理下产量高出CK处理0.02%，可见C处理下产量并未减少，这说明4 g·L-1的微咸水灌溉下并未造成棉花减产。

表3 不同矿化度(微)咸水灌溉对棉花产量及灌溉水利用效率的影响

3 讨 论

3.1 不同矿化度灌溉水源对土壤水分分布的影响

适宜的矿化度水质灌溉对耐盐作物棉花的生长及其产量不会产生很大的影响，说明微咸水可替代部分淡水资源应用于农业生产。3 a试验结果表明，土壤含水率分布主要受灌水量的影响，在花铃期时土壤含水率最高；灌后12 h后土壤水分随土壤深度增加呈现出先增后减的趋势，持续的蒸发作用导致表层土壤水分含量较低，这与吴军虎等[18]研究结果类似；中间层土壤水分在灌后12 h仍然处于较高水平，这说明滴灌水入渗土层后主要富集在40～80 cm土层。本研究发现5、6 g·L-1高矿化度处理土壤水分含量整体明显高于1～4 g·L-1处理，这是由于矿化度高于4 g·L-1的咸水会导致棉花根系盐分胁迫，抑制其对水分的吸收；1～4 g·L-1处理水分差异不明显但灌溉水矿化度越高，土壤水分含量越高，这是由于Na+增多会导致土壤颗粒的膨胀和透水性变差，使得水分能很好地入渗到中间层而不会很快蒸发散失[19]。吴忠东等[20]认为随着矿化度的升高，同一深度土层的含水率呈增大的趋势，这与本研究类似；同时也得出矿化度进一步增大到4.3 g·L-1时土壤含水率反而略有减小，这是因为其研究未考虑作物对水分的影响。郭仁松等[15]认为土壤含水率随着土壤深度增加而增大，且随着(微)咸水矿化度增加土壤含水率呈增大趋势，这与本研究结果类似。

3.2 不同矿化度灌溉水源对土壤盐离子分布的影响

采用(微)咸水灌溉会使土壤积盐加重，易对棉花产生盐分胁迫，不合理利用咸水灌溉会加大土壤盐渍化风险[21-22]。(微)咸水灌溉下土壤中盐分淋洗和累积作用同时发生，当淋洗过程占主导地位时，可以用(微)咸水进行灌溉，不会产生明显的负面影响；当盐分累积量过高，滴灌水淋滤效果不佳时则需采取增加灌溉量等措施，将盐分淋洗出根区。本研究发现，(微)咸水灌溉下土壤盐分随棉花生育期逐渐累积，并在3 a内逐年增加，但次年种植时盐分较上一年吐絮期时会有所减少；随着灌溉水矿化度增加，盐分累积量加大，D、E处理下高矿化度水质灌溉下土壤盐分累积十分明显。(微)咸水灌溉下土壤盐分主要累积在60～100 cm的深层土壤，并随着棉花生育期的推进及灌溉水矿化度的增加，土壤盐分累积量越大。张俊鹏等[23]认为棉花生育期内根系层土壤电导率随灌溉水矿化度的增加呈增大趋势，这与本研究结果一致。在本研究中，灌溉水矿化度在1～4 g·L-1范围内时，盐分的淋溶效果较佳，盐分累积并不明显。郑春莲等[6]认为灌溉水矿化度小于4 g·L-1可基本维持土壤盐分周年补排平衡，这与本研究结果类似。

3.3 不同矿化度灌溉水源对棉花生长的影响

咸水灌溉下土壤盐分累积过高势必导致棉花的生长状况及产量出现不同程度的变化。本研究发现在高矿化度水质(5、6 g·L-1)灌溉下，由于根区土壤盐分胁迫作用，棉花生长受到了极大的不利影响，但适宜矿化度水质灌溉可为棉花带来微量的营养元素，在棉花根区营造适宜棉花生长的水盐环境，在一定程度上促进棉花的生长。王久生等[14]利用微咸水灌溉棉花得出土壤中的盐分浓度较高时会抑制棉花株高和茎粗的生长，灌溉水电导率为2.22 mS·cm-1时对棉花生长有促进作用。宋有玺等[16]发现矿化度低于6 g·L-1的咸水膜下滴灌比淡水灌溉更有利于棉花叶面积的生长；微咸水矿化度在2 g·L-1时会促进棉花干物质的积累，得出民勤绿洲区种植棉花的灌溉水矿化度阈值为3.51 g·L-1。这与本研究结果类似。前人研究分析了总体盐分含量对棉花生长的影响，但由于地区差异导致研究结果不尽相同。在本研究中，灌溉水矿化度小于4 g·L-1时，随着灌溉水矿化度的增加，棉花的生长并未受到抑制，甚至对棉花的生长有一定的促进作用，这是由于随滴灌水带入到土壤的离子并未对棉花根系产生毒害作用及土壤盐分浓度并未造成棉花根系水盐胁迫，而棉花的生长发育也会吸收部分离子供其生长；但当矿化度大于4 g·L-1时，灌溉水矿化度的增加会使得棉花生长受到盐分胁迫，抑制其对水分的吸收，导致株高、茎粗、叶面积和叶绿素含量降低。冯棣等[28]在河北灌区得出灌溉水矿化度达到4 g·L-1后就会抑制棉花生长，这与本研究结果一致。棉花产量是反映咸水是否能用于棉田灌溉的直接指标，在本研究中棉花产量降低的主要因素是高矿化度水质灌溉使得棉花根层的盐分过量富集，造成棉花根系不能充分吸收水分，进而影响棉花生长，导致花铃期缩短，单株铃数明显减少，棉铃发育受到抑制。在淡水资源严重匮乏的干旱半干旱地区，适宜矿化度的(微)咸水可用于棉田灌溉，本研究表明1～4 g·L-1的微咸水可用于棉花灌溉而不会加重土壤盐渍化，故确定4 g·L-1矿化度水质为该研究区的棉花灌溉阈值。

4 结 论

1)(微)咸水灌溉下花铃期土壤含水率最高，5、6 g·L-1处理下土壤含水率明显高于其他处理。窄行处灌后12 h各处理土壤含水率随土壤深度呈现出先增加后减少的趋势，在40～80 cm土层含水率高于土壤表层(0～20 cm)含水率与土壤深层(80～100 cm)含水量。土壤盐分随棉花生育期逐渐累积，累积盐分在3 a逐年增加，灌溉水矿化度高于4 g·L-1时会导致棉花根系盐分胁迫，抑制其对水分的吸收。土壤盐分随着棉花生育期的推进及灌溉水矿化度的增加而增大。

3)灌溉水矿化度小于4 g·L-1时，棉花生长未受到抑制；矿化度大于4 g·L-1时，株高、茎粗、叶面积和叶绿素含量受到抑制；3 g·L-1处理下产量和IWUE最高，分别为5 355.62 kg·hm-2和11.16，4 g·L-1处理下产量高出淡水处理0.02%。矿化度小于4 g·L-1的灌溉水可视为棉花适宜的灌溉水源。