覆膜棉田水热盐耦合模拟与咸水安全灌溉指标

随着植棉区逐渐向淡水资源短缺的盐碱、滩涂旱地转移，干旱和盐分成为限制棉花生产的两个重要环境因子。本项目拟在课题组近几年棉花咸水灌溉试验研究基础上，进一步研究覆膜条件下不同矿化度咸水灌溉棉田土壤水、热、盐时空分布与变化规律，及其对棉花形态发育和生理生化特性的影响效应，探讨咸水灌溉对土壤积盐和棉花产量与品质的影响机理，揭示盐分运移的动力学机制，建立土壤水、热、盐耦合运移数学模型，进而对不同矿化度咸水灌溉的棉花经济效益和土壤水土环境效应进行综合评价，提出棉花耐盐与需水相耦合的评价指标体系，确定覆膜条件下棉花咸水安全高效灌溉指标与灌溉模式。达到充分利用地下咸水资源，缓解淡水资源紧缺矛盾，实现棉花稳产高产和改善皮棉品质的目的。提供可使盐碱、滩涂旱地土壤生态环境改善的棉花咸水灌溉水盐综合调控技术与方法。对指导盐碱旱地开发、稳定棉花种植面积、促进区域农业可持续发展具有重要的科学意义和广阔的应用前景。

本项目研究了咸水定位灌溉对土壤环境和棉花生长的影响效应，模拟了咸水灌溉覆膜棉田蒸发蒸腾量和水盐二维运移过程，探讨了适于该区咸水安全灌溉的评价方法，明确了棉花咸水灌溉的矿化度阈值，并提出了适宜灌溉制度。主要结果如下：（1）阐述了覆膜棉田水热盐时空变化规律。棉花生育期内，土壤水、盐、温随灌溉、降雨和棉田蒸发蒸腾而起伏变化，并有随灌溉水矿化度的增加而增大的趋势，盐分尤为明显。确定了土壤盐分变化率和随灌溉水带入盐分的脱盐率是咸水灌溉棉田盐分补排平衡分析的重要评价指标，分析发现棉田0～100 cm土层盐分并没有随咸水灌溉年限的增加而逐渐累积。（2）明确了土壤温度和盐度是制约棉花出苗的重要因子。提前造墒和采用非盐土覆盖棉籽是提高咸水灌溉棉花成苗率的有效方法。（3）揭示了咸水灌溉对棉花生长的影响效应。随灌溉水矿化度的增加，棉花生育进程有所推迟，各项生长指标因为耐盐能力的差异或是先增后降，或是直线降低，整体上较高矿化度咸水灌溉处理的棉花生长受到抑制。（4）提出了咸水灌溉覆膜棉田蒸发蒸腾量估算方法。咸水灌溉棉花土壤蒸发量有随灌溉所矿化度增加而增大的趋势，但处理间总耗水量差异不明显，引入盐分胁迫系数对基础作物系数进行修正，采用SIMDual_Kc双作物系数模型可以较好的估算覆膜棉田蒸发蒸腾量，估算精度达到了90%以上。（5）通过界定棉花耐盐性鉴定指标的判定原则，明确了株高、成铃数、果枝数、霜前花率等都可以作为表征棉花耐盐能力和预知籽棉产量趋势的鉴定指标。提出了适于当地咸水安全灌溉的原则与评价方法，证明连续多年咸水灌溉后，棉花经济效应和土壤质量均是随灌水矿化度增大先增加后降低，在确保土壤相对安全和较高收益的情况下，该区棉花咸水灌溉的矿化度指标最高为5.5 g/L。（6）对HYDRUS-2D模型参数进行了属地化修正，确定了适宜的模拟区域和边界条件，较好的实现了咸水灌溉覆膜棉田水盐运移二维模拟，剖面土壤水分和盐分浓度模拟的平均误差分别控制在了10%和20%以内。（7）预测了连续多年咸水灌溉下棉田水盐变化动态。连续灌溉20 a情景下，3 g/L和5 g/L微咸水没有导致根系层土壤明显积盐，7 g/L咸水引发了明显的次生盐渍化。综合考虑土壤盐分变化和棉花生长响应，5 g/L以下微咸水可直接用于棉花播前造墒和补灌。依据模拟结果，提出了河北低平原区棉花的咸水适宜灌溉制度。