冯进平，刘洪光，曹明海，白振涛，李智杰
(石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000)
新疆属于典型干旱区，水资源匮乏，气候干旱，土壤中原生盐碱多[1]，新疆独特的气候条件和丰富的天然盐源，使得新疆盐碱土面积分布广，盐碱化强度高[2]。新疆盐碱土总面积847万hm2，盐碱化耕地面积30%以上[3],水资源短缺和土壤盐碱化始终是新疆绿洲灌溉农业和生态可持续发展的重大威胁[2]。针对以上气候特点，新疆发明了膜下滴灌技术[4],膜下滴灌种植面积最初为1.67 hm2，截至2019年已超过333.5万hm2，并取得了显著的节水和经济效益[5]。滴灌可为作物创造良好的水盐环境，但膜下滴灌仅调节土壤盐分，生育期频繁灌水会使盐分累积到根系层[6];另外，灌溉管理粗放和夏季蒸发强烈等综合因素致使土壤盐渍化加剧[7]。
新疆干旱少雨，土壤蒸发强烈，易造成土壤盐分表聚[6]和盐渍化的威胁[8]。滴灌产生巨大经济效益的同时，棉田盐分始终是值得探讨的问题[9]。滴灌的特点如下：高频率(2～3 d灌水1次)的滴灌可抑制作物根区盐分[10]；
加大灌水量可抑制土壤反盐[11]。长期膜下滴灌棉田盐分随着滴灌年限增加而累积[12]，但李明思等[1]、王振华等[2]通过研究认为膜下滴灌技术不会导致积盐问题，另外，孙贵芳等[8]研究表明地膜覆盖可避免棉田盐分聚集。
生育期使用膜下滴灌结合非生育期冬灌，淋洗盐分效果明显，同时也显著改善土壤水热状况，抑制冻融过程中盐分累积[13]；
还有以地下滴灌[14]和滴灌[15]分别进行冬灌，并取得较好的效果。盐碱化受多重因素的综合影响[13]，盐碱化规律复杂。但生产实践中，为提高棉田产量和解决土壤原生盐渍化[16]，冬灌洗盐在实操和推广中无疑是最好的选择。为认清冬灌洗盐对不同土质的长期影响、盐分演变及脱盐效果、棉苗成活率与产量的变化规律，本文以三种不同土质长期使用膜下滴灌技术12a的棉田为例，定期冬灌洗盐1次，旨在为土壤盐渍化治理提供科学手段及增产指导。
1.1 试验区概况
试验区位于新疆玛纳斯河流域莫索湾灌区一四七团十五连、一四七团十七连、一四七团二十二连的3块农田，其土质分别为壤质黏土、壤土、砂质壤土，将其作为研究试验地。试验区属中温带干旱半荒漠和荒漠气候，区域蒸降比大，日照充沛，昼夜温差大，地下水埋深在2.9 m左右。研究试验地基本情况见表1至表4。
表1 研究区季节平均降雨量
表2 研究区年际气候
表3 不同土壤物理性质
表4 试验区灌溉制度
研究区灌溉水源为井渠混灌：渠水来自玛纳斯河，灌溉季节河水矿化度为0.502～0.673 g/L；
井水矿化度0.8～1.0 g/L，灌溉水源矿化度均小于2 g/L，灌溉水源水质符合要求。一四七团开垦种植棉田之前为盐碱荒地，2008年开始覆膜滴灌，至2019年已使用膜下滴灌12a。施肥方式为滴灌系统滴施，肥随水入。根据棉花生长发育和气温影响，灌水时肥的配比不同，主要以尿素和磷酸二氢钾为主，年施入量分别约为1 142.35 kg/hm2、729.33 kg/hm2。冬灌水源为玛纳斯河，根据群众生产丰收经验，定期在2010、2014、2018年11月中旬深松、犁地后进行大水漫灌，灌溉水量为2 800 m3/hm2。
1.2 实验设计及分析方法
通过研究不同土质棉田非生育期连续水盐变化，认识冬灌对非生育期水盐的时空、脱盐率及棉花成活率和产量的影响。不同土质盐分和含水量的采样层为0～30、30～60、60～100 cm，重复取样3次后计算平均值。这样分层是由于新疆棉花根系主要分布在30～60 cm土层内，占总量90%以上，同时该区域水盐变化及冬灌后淋洗效果也为重点研究内容。土样定点通过土钻采集，取样深度为1 m，采样时间为每年春播前(旋地整平后)和秋收后取样。试验地棉田采样方式、数量、时间均相同。
1.2.1 土壤水分
取来土样，采用烘干法测定其土壤含水量，实验测定取3次平行测定的平均值。
1.2.2 土壤含盐量
先对土样使用电导率仪(上海雷磁 DDS-11 A型)测土壤电导率值，再采用烘干残渣法标定土壤含盐量。本研究采用烘干残渣法确定土壤含盐量与电导率之间的标定如下：
y=3.47×10-2×EC+0.892 69(R2=0.997)，
(1)
式(1)中y为土壤含盐量，g/kg；
EC为电导值，us/cm。
1.2.3 土壤脱盐率
11例术后切口愈合良好，术后2周伤口拆线。治疗后疼痛均消失，足弓恢复，无跛行，术后随访3～18个月，未出现疼痛及其他并发症，恢复正常的生活及工作。末次随访时，AOFAS评分为平均（83.00±2.03）分（77～90分），优 4例，良5例，可2例。典型病例见图1。
土壤脱盐率是判断冬灌时脱盐效果的重要指标，变化量与原有量之比即为土壤脱盐率。
1.2.4 田间持水量
取土样时，在现场用环刀采集原状土，田间持水量采用环刀法测定。
1.2.5 棉花成活率和产量
棉花成活率为棉花成熟时所存留实际株数除以理论株数。棉花成熟时每块棉田随机选取不连续5段5 m长整膜，统计所选范围内棉花的实际株数；
理论株数一膜两管四行为1 000株，一膜两管六行为1 500株。试验地农户最终实际产量为棉田产量。
2.1 土壤脱盐效果及盐分变化
2008—2019年分别对壤质黏土、壤土、砂质壤土的0～30、30～60、60～100 cm的盐分进行连续监测，春播前、秋收后盐分变化见图1和图2。
图1 不同年份春播前壤质黏土(a)、壤土(b)、砂质壤土(c)棉田的盐分
图2 不同年份秋收后壤质黏土(a)、壤土(b)、砂质壤土(c)棉田的盐分
未冬灌时盐分逐年降低，2010年第1次冬灌后盐分大幅下降，之后盐分随耕作年限逐年上升；
2014年第2次冬灌后盐分再次减少，随后盐分又逐年累积；
2018年第3次冬灌后则使盐分达到观测年限中最低。上述结果表明冬灌可有效地降低土壤0～100 cm盐分的非生育期累积。
第1次冬灌时壤质黏土、壤土、砂质壤土盐分分别最多下降4.82、5.47、9.37 g/kg，而且冬灌后继续耕作，不同土质盐分积累速率为砂质壤土>壤质黏土>壤土，这主要是土壤质地和结构不同所导致的差异性。不同土壤含盐量中，30～60 cm>60～100 cm>0～30 cm，这是由于滴灌时采取浅灌、勤灌的方式所导致，0～30 cm盐分随水到达根区湿润锋附近，盐分逐渐累积与水分淋洗到达平衡，土壤湿润锋周边附近盐分出现累积。
2010年第1次冬灌后，次年春播前壤质黏土、壤土、砂质壤土0～30 cm盐分脱盐率分别为69.83%、83.69%、87.24%，30～60 cm盐分脱盐率分别为59.07%、84.94%、90.62%，60～100 cm盐分脱盐率分别为61.24%、88.81%、90.60%，可见对不同土质棉田淋洗脱盐率>59.07%。2014年第2次冬灌后，次年春播前壤质黏土、壤土、砂质壤土0～30 cm盐分脱盐率分别为82.49%、76.61%、91.11%，30～60 cm盐分脱盐率分别为56.66%、81.93%、89.64%，60～100 cm盐分脱盐率分别为63.54%、78.33%、91.42%，可见再次冬灌时脱盐率>56.66%。2018年第3次冬灌后，次年春播前壤质黏土、壤土、砂质壤土0～30 cm盐分脱盐率分别为83.47%、84.95%、93.43%，30～60 cm盐分脱盐率分别为63.11%、91.75%、94.31%，60～100 cm盐分脱盐率分别为77.63%、94.06%、94.54%，可见对不同土质棉田淋洗脱盐率>63.11%。这说明在盐碱地长期使用膜下滴灌、定期冬灌是很有必要的。
不同土质、不同深度春播前和秋收后的盐分随年限变化规律基本一致。棉田经历了一个生育期后，不同土质、不同深度的盐分均有所降低；
冬灌时再次淋洗盐分；
继续耕作时不同土质、不同深度的盐分则再次增加。这表明在盐碱地上非生育期的冬灌和生育期的膜下滴灌可为棉田土壤创造适宜的水盐环境。在冬灌土壤继续耕作中发现，仅壤土不同深度盐分变化(<6 g/kg)符合棉花生长要求；
壤质黏土、砂质壤土不同深度盐分变化会胁迫棉花生长，甚至导致棉田大幅减产。因此，应对壤质黏土适当增加冬灌水量，提高淋洗年限，而砂质壤土则应减少冬灌水量，减少淋洗年限。
2.2 土壤水分变化
冬灌经过冻融期后，在土壤中余留的水分对春播前棉花苗期生长至关重要，而且会直接影响棉花产量，因此，研究冬灌对春播前土壤水分的影响具有重要意义。为保证研究土壤水分变化的连续性，在每年不同土质0～30、30～60、60～100 cm取样后，采用烘干法测其土壤含水量。春播前田间水分见图3。
图3 不同年份春播前壤质黏土(a)、壤土(b)、砂质壤土(c)的田间水分
由图3可知：冬灌灌水显著影响了次年春播前土壤含水量的大小，其中不同土质棉田含水率60～100 cm>30～60 cm>0～30 cm；
冬灌时壤质黏土含水率>65%的田持，最高可达田持的78%，壤土含水量>68%的田持，最高可达田持的71.5%，砂质壤土含水率>61.65%的田持，最高可达田持的75.5%。这说明冬灌灌溉水量并没有造成过多的深层渗漏以及水资源的浪费，不同土质水分含量均在适宜范围内。棉花苗期根系活动范围在0～30 cm土层，但除2011、2015、2019年外，其余年份春播前不同土质0～30 cm含水率未达到田持的60%，因此，当地生产春播后，立即开始小定额的滴灌(1 125 m3/hm2)，从而确保棉苗的出苗需水(干播湿出)和减轻表层盐分对棉花出苗和幼苗期间的迫害。
2.3 棉花成活率和产量变化
对于不同土质棉田来讲，棉花成活率和产量变化是衡量非生育期定期冬灌和生育期使用膜下滴灌这种灌溉模式是否有效的最终指标，也是评价这种灌溉模式对土壤的适耕性的重要指标。本研究不同土质棉花成活率和产量变化见图4、图5。
图4 不同年份不同土质棉花的成活率
图5 不同年份不同土质棉田的产量
由图4、图5可知：不同土质棉花成活率和产量成正比。在生育期膜下滴灌下，2010年第1次冬灌前不同土质棉花成活率<48%，产量<3 265 kg/hm2；
2010年第1次冬灌后棉花成活率和产量都显著增加，成活率和产量分别≥60.3%和4 501.3 kg/hm2，分别较上一年增加≥20%和1 499.5 kg/hm2；
2014年第2次冬灌后棉花成活率和产量分别≥70.2%和4 876.3 kg/hm2；
2018年第3次冬灌后棉花成活率和产量分别≥80%和5 460.7 kg/hm2，成活率和产量最高分别可达94%和7 100.2 kg/hm2。这说明该地区采用生育期膜下滴灌和非生育期定期冬灌的灌溉模式是合理的。
不同土质棉田棉花成活率和产量中壤土>壤质黏土>砂质壤土。这是由于土壤质地与土壤肥力的关系和调节有关，主要是砂质壤土通透性好，易于耕作但对水分和养分的保蓄能力差；
壤质黏土对水分和养分的保蓄能力强但通透性和耕作性差，施肥后作物见效迟缓但棉花后期生长良好；
壤土是农业上较为理想的土壤质地。
(1)在已有的研究工作基础上，本研究根据对新疆典型绿洲农田长达12a的连续监测，采用当地生育期膜下滴灌和非生育期执行每隔3年冬灌灌溉2 800 m3/hm2的灌溉制度，结合理论分析得出了冬灌灌水显著影响了次年播前0～100 cm土壤水盐含量的分布。西北五省对盐碱地的治理时间都各有不同，内蒙古河套地区一般采用秋浇[8]；
新疆地区压盐时间分为春灌[17]和冬灌[15]甚至在南疆地区会两者结合，而有些采用干播湿出的地区会提高出苗水的滴灌灌溉定额[18]。本文的研究区采用冬灌的原因有：新疆棉田一般在秋季收获故压盐时间相互冲突；
该地区冬季漫长而又严寒，非生育期冬灌对减少病虫害和储水性好[15]都较好于春灌；
干播湿出提高滴灌灌水定额不仅影响该地区幼苗发芽，而且压盐深度远远大于幼苗生长范围，这将提高棉田亩成本还会造成水资源浪费。在冬灌制度上，赵波[15]认为滴灌条件下灌水定额3 000 m3/hm2的冬灌较适宜，既可淋洗盐分至耕层以下300 cm处,亦可获得6 107.75 kg/hm2的较高产量，这与本研究结果基本一致。孙贯芳[8]认为秋浇灌黄河水1 800 m3/hm2后，次年春播前0～100 cm土壤盐分平均下降10.86%～26.14%，洗盐灌溉效果显著，这与本文研究结果不一致，这是因为地区、灌溉方式、灌溉时间不同所导致。上述不一致的研究中，没有加入膜下滴灌不同土质棉田定期冬灌洗盐长期影响的研究，本文增加了这部分内容，并取得了相对较好的结果；
根据不同质地的土壤提出不同的具有控制上限目标的控盐洗盐年限和水量控制策略，但不足之处在于没有得出不同质地土壤既增产又提高水资源利用效率明确的冬灌定额与灌溉模式。
(2)长期膜下滴灌棉田的盐分时空分布问题倍受关注。滴灌是局部灌溉，没有排水条件，也不会产生深层渗漏，而且盐渍化初始值较高、气候干旱和盐随水走会导致长期使用膜下滴灌存在积盐的问题，所以实际中常常采用非生育期冬灌来解决农田积盐问题。本文以一四七团采用膜下滴灌技术12a的不同土质棉田为例，每隔3年进行一次定期洗盐，结果表明生育期膜下滴灌结合非生育期冬灌的灌溉制度在该地区是合理、可行的。对膜下滴灌是否积盐问题一直倍受争议,其中，李明思等[1]、王振华等[2]通过研究认为膜下滴灌技术不会导致积盐，使用初期会先减小然后稳定在某个范围，而张伟等[12]、孙贯芳等[8]通过研究认为地膜覆盖抑制了土壤蒸发和避免膜下土壤盐分的表面聚集，但没有覆膜的膜间裸地表层强烈积盐，长期使用会引起土壤积盐。本文通过春播前和秋收后的盐分变化发现：未冬灌前生育期使用膜下滴灌春播前盐分是下降的，冬灌后其盐分又增加，而且每年秋收后较春播前盐分有所下降，每次冬灌时又有所增加；
另外，学者使用微咸水灌溉试验也没有发现盐分有明显的增加[19-20]。因此，长期使用膜下滴灌或膜下滴灌技术不是土壤积盐的根本原因，同样也不会导致积盐。但一些学者研究长期膜下滴灌的试验地确实存在盐分超标甚至危害棉花生长的现象，当然如果与本文研究的灌溉模式、灌溉制度、水源矿化度的不同，其水盐分布状况可能也不同。
(3)气候变化是新疆灌溉农业发展和土壤原生盐碱形成的影响因素，对地下水位、土壤、地貌、作物产量影响明显[13]。“盐随水走，水走盐留”常常在灌溉农业中造成次生盐渍化，地下水临界水深对其影响明显[6]；
试验地地下水埋深随季节变化，春冬浅、夏秋深。地下水埋深和气候变化对新疆绿洲农田生态系统中长期膜下滴灌农田水盐、棉花成活率、产量的影响显著，甚至对这些研究因素会是另一种结果[1-2]。这说明盐分多年动态问题的复杂性，需开展更多系统的观测和研究[13]。本文研究着重于土质和冬灌对土壤水盐、棉花成活率、产量的影响，未着重考虑地下水和气候变化对试验的影响，今后可进行考虑地下水位和气候变化对生育期和非生育期农田水盐、棉花成活率、产量的相关研究。
经过本文研究连续观测发现：生育期膜下滴灌结合非生育期冬灌的灌溉模式，田间盐分由高盐碱土逐步改良为盐分较低的状态；
但冬灌后继续耕作盐分仍会有所增加，除冬灌年份，秋收后盐分又有所下降。这是因为土壤盐分含量是由蒸发、地下水及降雨等多重因素联合作用的一种动态平衡，一旦有人为灌溉存在，便趋向一种新的平衡，加之灌溉水质本身有微量盐分和强烈蒸发存在，盐分不会消失，所以在本文的灌溉模式下，继续耕作后不同土质盐分终将小幅波动在一个较低的水平内。
(1)第1次冬灌后盐分大幅下降且脱盐率>59.07%，壤质黏土、壤土、砂质壤土盐分分别最多下降4.82、5.47、9.37 g/kg；
第2次冬灌后脱盐率>56.66%；
第3次冬灌脱盐率>63.11%，且盐分达到观测年限中最低。因此，冬灌可有效降低土壤0～100 cm盐分的非生育期累积。
(2)不同土质含盐量中30～60 cm>60～100 cm>0～30 cm，仅壤土不同深度盐分变化(<6 g/kg)符合棉花生长要求，壤质黏土、砂质壤土不同深度盐分变化会胁迫棉花生长，甚至导致棉田大幅减产；
根据壤质黏土不同深度春播前与秋收后盐分随年限的变化，应对壤质黏土适当增加冬灌水量，提高淋洗年限，而砂质壤土应减少冬灌水量和淋洗年限。
(3)不同土质棉花成活率和产量成正比。在生育期膜下滴灌的前提下，冬灌会使棉花成活率和产量增加；
2018年第3次冬灌后棉花成活率和产量分别≥80%和5 460.7 kg/hm2，成活率和产量最高分别可达94%和7 100.2 kg/hm2。不同土质棉田棉花成活率和产量表明：该地区采用生育期膜下滴灌和非生育期定期冬灌的灌溉模式是合理、可行的且应用前景及意义重大。