柴達木地區(qū)滴灌水-鹽-肥綜合調(diào)控對枸杞生長和水肥利用的影響

萬書勤，康躍虎，劉士平，孫甲霞，盧 健

(1.中國科學院地理科學與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101；2.水利部科技推廣中心，北京 100101)

枸杞的果實和葉都有很高的營養(yǎng)和藥用價值[1,2]。柴達木盆地是枸杞最適宜生長的地區(qū)之一，不但產(chǎn)量高，而且品質(zhì)好[3]，近年來種植面積快速增加，截至2012年底，全州枸杞種植面積達1.93 萬hm2[4]。柴達木盆地水資源匱乏，滴灌由于具有明顯的增產(chǎn)、節(jié)水、省肥、省工、提高作物品質(zhì)等作用，已經(jīng)開始替代原來枸杞農(nóng)田的地面灌溉，目前新種植的枸杞農(nóng)田大部分已采用滴灌。

然而，正如干旱半干旱區(qū)滴灌農(nóng)田存在的普遍問題，即在灌水過程中，土壤中的鹽分和隨灌溉水進入的鹽分向濕潤峰外圍遷移，如果得不到有效淋洗則在土壤中積累，會造成土壤鹽堿化，這在柴達木盆地表現(xiàn)的尤為突出。目前幾乎所有的滴灌枸杞農(nóng)田，都存在積鹽的問題，水鹽調(diào)控滴灌技術(shù)成為迫切需求。另一方面，由于水鹽調(diào)控條件下在淋洗鹽分的同時，養(yǎng)分也會隨之流失，造成肥料浪費，或因養(yǎng)分不足而影響枸杞產(chǎn)量，因此與之相配套的水肥一體化技術(shù)至關(guān)重要。

該研究針對上述問題，在柴達木盆地開展滴灌水-鹽-肥綜合調(diào)控對枸杞生長、產(chǎn)量及水肥利用等影響的田間試驗研究，以期形成適合柴達木盆地枸杞種植的水鹽調(diào)控水肥一體化技術(shù)。

1 研究區(qū)及研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2015年在青海省海西州都蘭縣香日德鎮(zhèn)巴隆鄉(xiāng)芊芊農(nóng)場進行。該區(qū)海拔約3 041 m，屬高原干旱大陸性氣候，年均降雨量僅213.4 mm，年均蒸發(fā)量1 358～1 765 mm；年均溫5.1 ℃，極端高溫31.9 ℃，極端低溫-29.8 ℃。該區(qū)日照時間長，年日照時數(shù)3 020 h，光熱資源充足。灌溉水為地下水，水質(zhì)優(yōu)良。土壤類型為沙壤土，試驗區(qū)土壤的基本參數(shù)見表1。

表1 供試土壤0～40 cm基礎(chǔ)養(yǎng)分、鹽分狀況Tab.1 Basic soil nutrient and salinity properties of the soil in the 0～40 cm depths at the experiment site

1.2 試驗設(shè)計

賈俊姝在寧夏中寧干旱區(qū)的研究結(jié)果表明：當土壤基質(zhì)勢下限控制在-20 kPa以上時，整個土壤剖面(距離滴頭水平0～50 cm遠、0～120 cm深度)內(nèi)土壤鹽分含量顯著降低，鹽分淋洗效果好[5]?；谏鲜龅难芯拷Y(jié)果，本試驗采用負壓計來指導枸杞進行施肥灌溉，并且控制滴頭正下方20 cm深度土壤基質(zhì)勢下限在-20 kPa進行滴灌水鹽調(diào)控。

傳統(tǒng)地面灌溉和施肥方式下，肥料的利用率低，大部分養(yǎng)分隨深層滲漏、徑流進入水體，而滴灌是將水和液體肥料直接供應到作物根系分布范圍，肥料利用率高?；诖耍狙芯吭趨⒖籍?shù)罔坭绞┓柿恳约皩幭闹袑幫g枸杞施肥量的基礎(chǔ)上，確定對照施肥量(CK，100%)，并設(shè)計5個滴灌施肥灌溉處理，其施肥量分別為對照施肥量的10%、30%、50%，70%、90%。每個處理重復3次，共15個試驗小區(qū)。其中試驗區(qū)當?shù)罔坭降氖┓柿亢褪┓史椒?，每株枸杞每次在枸杞行間施尿素250 g，二銨250 g，一個生育期施肥2次，每次施完肥后大水漫灌1次。即當?shù)罔坭矫抗暿┤隢 2 054 kg、P2O51 152 kg；寧夏中寧同齡枸杞施肥量為每公頃施入N 450～860 kg、P2O5300～420 kg、K2O 200～270 kg[6]；在此基礎(chǔ)上，本研究確定的對照施肥量為每公頃施入N 690 kg、P2O5390 kg、K2O 255 kg。

不施基肥，所有肥料采用滴灌施肥灌溉施入。氮、磷、鉀肥分別選用尿素、可溶性二銨(N 18%、P2O546%)和可溶性鉀肥(K2O量≥55%)，不同滴灌施肥灌溉處理設(shè)計的施肥量見表2。每次灌溉施肥，灌溉前將計算好的肥料加入施肥灌中。在枸杞生長的前期和中期(5-9月)，施肥量占整個生育期的90%，生長后期(10月)的施肥量占整個生育期的10%。

1.3 灌溉與農(nóng)藝措施

枸杞(寧杞1 號，4 a生)單行種植，行距200 cm，株距100 cm。每個試驗小區(qū)有4行，每行13株，每個小區(qū)長13.3 m，寬8 m，小區(qū)面積106.4 m2。

每個處理(包括3個重復)由一個滴灌系統(tǒng)控制，包括球閥、水表、壓力表、閘閥、網(wǎng)式過濾器、壓差式施肥罐。滴灌帶滴頭間距30 cm，0.1 MPa工作壓力下滴頭流量為2.7 L/h。每個滴灌系統(tǒng)控制的灌溉面積為319.2 m2。

表2 枸杞不同滴灌施肥灌溉處理與當?shù)貙φ盏脑O(shè)計施肥量 kg/hm2

枸杞于5月底開始萌芽，萌芽期間根據(jù)枸杞周邊墑情，統(tǒng)一進行適時適量灌溉。從6月18日開始，當土壤基質(zhì)勢降低到-20 kPa時，開始施肥灌溉，每次灌水量在8 mm左右。9月26日冬灌，灌水量為平時灌溉量的4倍，大約為32 mm。

1.4 測定項目及方法

(1)降雨與蒸發(fā)。在試驗區(qū)中心位置安裝雨量桶和直徑為20 cm標準蒸發(fā)皿，測定降雨量和每天水面蒸發(fā)量。

(2)土壤基質(zhì)勢。在各小區(qū)的第2行中間滴頭的正下方20 cm深度處埋設(shè)1支負壓計，每天定時觀測負壓計讀數(shù)2次(北京時間8∶30，14∶30)，用以指導灌溉。

(3)土壤鹽分與養(yǎng)分。分別在施肥灌溉處理開始前(6月3日)、枸杞生長發(fā)育中期(7月28日)和施肥灌溉結(jié)束后(10月2日)用土鉆取樣，用于分析土壤中的鹽分狀況。取樣點垂直于滴灌帶，距滴頭的水平距離分別為0、10、20、30、40、60、80、100 cm，共8個點位；在0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm深度取樣，共8個深度。土樣經(jīng)風干、碾細、過篩(孔徑1 mm)后，裝入密閉自封袋備用。

用飽和泥漿法測定土樣的電導率(ECe)和pH[7]，測定儀器分別為土壤電導率儀(DDS-11A 中核儀表有限公司)和pH計(PHS-3C 上海雷磁儀器有限公司)。

植物吸收的養(yǎng)分主要是溶解在土壤溶液中的養(yǎng)分。當采用傳統(tǒng)化學提取方法提取土壤中養(yǎng)分時，會把土壤固相中固定的、對植物并非有效的養(yǎng)分提取出來。配制土壤飽和泥漿時，由于加入的水量與田間實際土壤水分狀況最為接近，因此測定土壤飽和泥漿提取液中的養(yǎng)分含量，更能夠反映土壤的真實養(yǎng)分狀況及植物能吸收利用的養(yǎng)分含量?；诖怂枷?已申請發(fā)明專利)，本研究測定土壤飽和泥漿提取液中的養(yǎng)分，其中硝態(tài)氮用紫外分光光度計(上海元析儀器有限公司)測定，銨態(tài)氮用紫外分光光度計(上海元析儀器有限公司)測定，速效磷和速效鉀用ICP-ASE法測定。

(4)生長指標。在每個試驗小區(qū)中間2行(第2，3行)，選定3株具有代表性的枸杞，定株掛牌編號，測量株高、莖粗、冠幅、產(chǎn)量等指標。其中株高、莖粗、冠幅的測量日期為6月20日、7月20日、8月15日和9月15日，共4次，測產(chǎn)時間為8月和9月中旬。

(5)灌溉水利用效率。

(6)肥料偏生產(chǎn)力。肥料偏生產(chǎn)力[8,9](Partial factor productivity from applied fertilizer，PFP)計算公式如下：

式中：Y為枸杞產(chǎn)量，kg/hm2；F為所施肥料的養(yǎng)分量，即N+ P2O5+K2O的養(yǎng)分量，kg/hm2。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Excel2010對數(shù)據(jù)進行處理和繪圖，用SAS9.2統(tǒng)計分析軟件進行差異顯著性檢驗(LSD法)。由于垂直方向上的取樣間隔不同，在分析數(shù)據(jù)時采用加權(quán)平均值法。加權(quán)平均值=Σ(樣品含量×取樣深度/分析深度)，文中平均值均指加權(quán)平均值。

2 結(jié)果分析

2.1 降雨量與蒸發(fā)量

枸杞生育期間的降雨量和蒸發(fā)量見圖1。枸杞生育期間(5月25日至9月25日)累計降雨量只有35.3 mm，其中79%的降雨(27.8 mm)分布在7月份之前。這段時期的日平均蒸發(fā)量為11.2 mm，累計蒸發(fā)量達到1 009 mm，為累計降雨量的29倍，因此枸杞生長發(fā)育所需的水量主要依賴于灌溉。

圖1 枸杞生育期間的降雨量和蒸發(fā)量Fig.1 Rainfall and evaporation for different treatments during Lycium chinensis growing period

2.2 土壤水分狀況

不同施肥處理枸杞土壤基質(zhì)勢變化規(guī)律如圖2所示。在枸杞生長旺盛階段，除因枸杞生長迅速、耗水量大、灌溉不及時等原因，導致個別處理在個別時間土壤基質(zhì)勢低于灌溉閾值外，其余所有處理在枸杞施肥灌溉階段土壤基質(zhì)勢都保持在-20 kPa之上，直至9月25日冬灌結(jié)束。

圖2 枸杞生育期滴灌不同施肥灌溉處理土壤基質(zhì)勢變化Fig.2 The changing of soil matric potential of different treatments

2.3 灌水量和施肥量

枸杞生育期內(nèi)各施肥比例處理的灌水量呈先升高后降低的趨勢[圖3(a)]，10%、30%、50%，70%、90%施肥比例處理在8月份的灌水量達到最大，分別占各處理總灌水量的55.1%、43.2%、53.0%、58.5%、53.4%，9月份灌水量又降低，這與枸杞生長需水相一致。70%處理的灌水量最小，這可能與埋設(shè)負壓計點的土壤空間變異等有關(guān)?？傮w上，不同施肥比例處理枸杞的灌水量無明顯差異，平均灌水量為212.8 mm，為試驗區(qū)對照地面灌溉(1 200 mm)的17.7%，節(jié)省灌溉水量82.3%(見表3)。

圖3 枸杞生長期滴灌灌水量及施肥量Fig.3 Ddirp irrigation and drip-fertigation amounts during the growth of Lycium chinensis

表3 枸杞不同滴灌施肥灌溉處理與當?shù)貙φ盏膶嶋H施肥量和灌水量Tab.3 The actual fertigation and irrigation amount for Lycium chinensis of different treatment and local

枸杞生長期內(nèi)滴灌施肥量也呈先升高后降低的趨勢[圖3(b)]，8月份的滴灌施肥量最大。10%、30%、50%，70%施肥比例處理8月份的施肥量占總施肥量的53.4%，90%施肥比例處理的為50%。李月梅等研究指出，在柴達木地區(qū)枸杞養(yǎng)分吸收高峰出現(xiàn)在8月下旬的盛果期[10]，本研究枸杞肥料施入的高峰期也正好在8月份，即說明采用控制土壤基質(zhì)勢閾值來進行枸杞滴灌水肥一體化管理的方法，能夠滿足枸杞生長發(fā)育對養(yǎng)分的需求。

由于采用控制土壤基質(zhì)勢閾值來進行枸杞的滴灌施肥，不同處理實際的施肥量僅達到了設(shè)計施肥量的85%(見表2、表3)，90%最大施肥比例處理尿素、二銨的施入量分別僅為試驗區(qū)對照傳統(tǒng)施肥方法的51%和66%(見表3)。柴達木地區(qū)在枸杞生產(chǎn)中，采用滴灌水肥一體化管理不但可以顯著減少肥料的施用量，同時減少了2次人工施肥的人工費，而且降低了過量施肥可能引起的環(huán)境污染的風險。

2.4 土壤鹽分狀況

由圖4枸杞生長期內(nèi)不同施肥灌溉處理土壤剖面上鹽分(土壤ECe)分布狀況可知：①試驗處理前(6月3日)0～120 cm土壤剖面ECe平均值為0.7 dS/m，其中0～10 cm深度土壤ECe為1.0 dS/m，20 cm以下范圍土壤ECe平均為0.6 dS/m，鹽分有明顯的表聚現(xiàn)象。②與6月3日0～120 cm土壤剖面ECe相比，7月28日各處理0～120 cm土壤鹽分都顯著增加了，其中10%、50%、90%施肥處理，土壤ECe值平均為1.9，2.3，3.4 dS/m，分別增加了180%、244%和409%，土壤鹽分隨著施肥比例的增加而增加，且0～10 cm表層土壤鹽分的增加要顯著高于40～120 cm深度。這主要是因為2014年冬季的大水漫灌(冬灌)，將土壤(沙壤土)中的鹽分淋洗到了120 cm深度以下，柴達木地區(qū)冬、春季氣溫低，土壤尤其是對于沙壤土而言，鹽分向上運動的量少，所以6月3日土壤鹽分的基礎(chǔ)值低；而滴灌施肥灌溉條件下，施入的養(yǎng)分(養(yǎng)分也是鹽分的一種)主要分布在0～40 cm深度，因此相對于6月3日的土壤鹽分而言，7月28日的土壤鹽分明顯增加了。③與7月28日的土壤ECe相比，10月2日試驗處理結(jié)束時，各處理土壤ECe明顯降低，10%～90%施肥處理0～120 cm深度土壤ECe值平均為1.5、1.1、1.2、0.8、1.0 dS/m，與試驗處理前6月3日的土壤鹽分值接近。說明滴灌條件下24 mm左右灌溉水量的鹽分淋洗效果，基本接近地面灌溉100～150 mm的淋洗效果，且灌溉水量僅為地面灌溉條件下的16%～24%。

總之在枸杞滴灌施肥灌溉階段，不同處理土壤剖面ECe值不高于4 dS/m，低耐鹽植物可以生長[11]，并且較大水量的冬灌、春灌(平常灌水量的4倍，)鹽分淋洗效果顯著，土壤鹽分基本可以維持平衡。

圖4 枸杞生長不同時期土壤剖面上鹽分分布Fig 4 The spatial distribution of soil salinity (ECe) for different treatments in different times

2.5 滴灌水鹽調(diào)控施肥對枸杞生長、產(chǎn)量及水肥利用的影響

不同施肥比例對枸杞的最大株高、最大莖粗和最大冠幅沒有顯著影響(見表4 )，但是枸杞的株高、莖粗、冠幅增長率隨施肥比例的增加呈升高的趨勢(見圖5)，當施肥比例為70%時，枸杞株高、莖粗、冠幅的增長率最大，分別為15.0%、13.5%、4.8%。

表4 不同施肥處理對枸杞生長指標和產(chǎn)量的影響Tab.4 The influence of treatment on the growth characteristics and yield of Lycium chinensis

圖5 不同施肥處理下枸杞株高、莖粗、冠幅的增長率Fig.5 The growth rate of Lycium chinensis plant height, stem diameter, and crown diameter under different drip-fertigation treatment

隨著施肥比例的增加，枸杞的鮮果產(chǎn)量先增加后降低(見圖6)，當施肥比例為50%時總鮮果產(chǎn)量最高，為9 334 kg/hm2，其次是70%處理，鮮果產(chǎn)量達到為9 229 kg/hm2，第1茬鮮重占總鮮重的70%左右。隨著施肥比例的增加，枸杞的干果產(chǎn)量也是先增加后降低，70%施肥比例處理的干果產(chǎn)量最大，為2 754.4 kg/hm2，其次是50%產(chǎn)量，干果產(chǎn)量達到2 701kg/hm2，第1茬干果重占總干果重的66%左右。柴達木地區(qū)4 a生枸杞干果平均產(chǎn)量可達到2 230 kg/hm2，約為70%施肥比例處理枸杞產(chǎn)量的80%。上述結(jié)果同王磊等在同一研究區(qū)的發(fā)現(xiàn)一致，即在同一灌水條件下，適當增加施肥量可以顯著提高枸杞株高、莖粗和產(chǎn)量，但過高的施肥量不利于枸杞生長和產(chǎn)量的提高[12]。

圖6 施肥比例與枸杞鮮果和干果產(chǎn)量的關(guān)系Fig.6 Effects of drip fertigation properation on the yield of Lycium chinensis

枸杞鮮果灌溉水利用效率為2.5～5.1 kg/m3，70%施肥處理的灌溉水利用效率最高，為5.1 kg/m3；隨著施肥比例的增加，枸杞鮮果的肥料偏生產(chǎn)力迅速降低，當施肥比例大于50%時，肥料偏生產(chǎn)力的降低率變緩(見圖7)。枸杞干果灌溉水利 用效率和偏肥料生產(chǎn)力隨施肥比例的變化規(guī)律與鮮果的基本一致，灌溉水利用效率為0.8～1.5kg/m3，當肥料比例為70%時灌溉水利用效率最高，為1.5kg/m3，當施肥比例大于50%時，肥料偏生產(chǎn)力的降低率變緩。

圖7 枸杞灌溉水利用效率及肥料偏生產(chǎn)力 Fig.7 IWUE and PFP of Lycium chinensis

王磊等在同一研究區(qū)最佳水肥條件下(灌溉下限70%田間持水量，施肥量70%傳統(tǒng)施肥量，)，枸杞的產(chǎn)量為1 240.6 kg/hm2，灌溉水利用效率為0.24 kg/m3[12]，產(chǎn)量和灌溉水利用效率都要小于本研究結(jié)果。除了2014年枸杞為3 a生，樹齡較小外，主要是因為本研究是按照負壓計指導枸杞進行施肥灌溉，每次的灌水量少，灌溉頻率高，枸杞整個生育期平均施肥灌溉25次。因此，少量高頻施肥灌溉能提高枸杞的產(chǎn)量、灌溉水利用效率和肥料偏生產(chǎn)力。

3 結(jié) 論

(1)隨著施肥比例的增加，枸杞的株高、莖粗、冠幅增長率先升高后降低，當施肥比例為70%時，各生長指標的增長率最大；枸杞的鮮果產(chǎn)量和干果產(chǎn)量也是隨著施肥比例先增加再降低，當施肥比例為70%時達到最大值；當施肥比例為70%時，灌溉水利用效率也最高。

(2)在柴達木高寒干旱地區(qū)，當?shù)晤^正下方20 cm深度土壤基質(zhì)勢控制在-20 kPa以上，滴灌施肥灌溉階段土壤鹽分會增加，但是土壤仍屬于非鹽漬土，低耐鹽植物可以生長。冬、春灌(平常灌水量的4倍，)鹽分淋洗效果顯著，經(jīng)過冬灌后土壤鹽分基本可以維持平衡。

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