小麥/玉米間作畦溝分灌土壤鹽分遷移特征

苗慶豐, 倪東寧, 李瑞平, 范雷雷, 史海濱

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 呼和浩特 010018)

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程的加快，傳統(tǒng)資源消耗型農(nóng)業(yè)已逐步向技術(shù)效益型轉(zhuǎn)化和邁進(jìn)，農(nóng)業(yè)資源的高效利用必然成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面臨的首要問題。地面灌溉是目前世界上被廣泛采用的灌水方式[1]，溝灌作為一種常用的地面灌水方式，是一種投入少產(chǎn)出高的節(jié)約型灌溉技術(shù)，大量的國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明，壟作溝灌較傳統(tǒng)畦灌能大幅提高作物的水分利用效率，節(jié)水效果顯著[2-6]。小麥/玉米間作是內(nèi)蒙古河套灌區(qū)主要的間作種植模式，該模式能有效提高作物對(duì)光、熱及土壤水分等資源的利用率，提高單位面積產(chǎn)量[7]。但灌區(qū)傳統(tǒng)的間作種植模式為同畦灌溉，而不同作物在需水規(guī)律上存在時(shí)間和空間上的差異，使得灌溉水浪費(fèi)問題突出，水分利用效率較低。因此，在灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水日趨緊缺的現(xiàn)狀下，實(shí)現(xiàn)間作種植與先進(jìn)節(jié)水地面灌溉技術(shù)相結(jié)合，是提高水資源利用效率的重要手段。河套灌區(qū)屬于典型的鹽漬化地區(qū)，土壤鹽堿化是制約作物生長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素之一，而作物根系區(qū)土壤鹽分在蒸發(fā)、降雨、灌水和礦質(zhì)化的地下水補(bǔ)給等多因素的影響下必然存在著頻繁的脫鹽、積鹽過程，使得土壤剖面鹽分在各生育期內(nèi)進(jìn)行重新分配，影響作物生長(zhǎng)發(fā)育。本研究在常規(guī)間作種植模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合溝灌的優(yōu)點(diǎn)在河套灌區(qū)提出小麥/玉米畦溝分灌的種植灌溉模式，并對(duì)畦灌、畦溝分灌兩種灌水模式下全生育期作物根系區(qū)土壤垂向剖面鹽分的動(dòng)態(tài)平衡進(jìn)行初步分析，以期有效發(fā)揮間作種植與畦溝分灌的優(yōu)勢(shì)，從而為畦溝分灌的灌溉模式在灌區(qū)應(yīng)用推廣提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，為灌區(qū)農(nóng)業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)磴口縣補(bǔ)隆淖爾鎮(zhèn)壩楞村節(jié)水試驗(yàn)基地，該地區(qū)多年平均降雨量142.1 mm，蒸發(fā)量2 346.4 mm；年均氣溫7.6℃，日照時(shí)數(shù)3 180 h，作物光合有效輻射1.68×105J/cm2；無霜期130 d左右，土壤凍融期160 d左右，屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候。試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地構(gòu)成以粉砂壤土和粉砂質(zhì)黏壤土為主，0—100 cm土壤平均容重1.48 g /cm3，土壤鹽分構(gòu)成主要為氯化物—硫酸鹽，年均地下水位在1.5～2 m左右。灌溉水源為黃河水，平均礦化度0.320 g/L，平均pH值8.1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 田間試驗(yàn)布置 如圖1—2所示，田間試驗(yàn)設(shè)置小麥/玉米間作常規(guī)畦灌和畦溝分灌兩種形式，小麥條帶寬2 600 mm，種植21行小麥，玉米條帶寬2 900 mm，種植7行玉米，壟長(zhǎng)為50 m。

1.2.2 灌溉制度 小麥/玉米間作常規(guī)畦灌按多年試驗(yàn)得出的優(yōu)化灌溉制度進(jìn)行設(shè)計(jì)[8]，畦溝分灌小麥和玉米的灌溉水量按兩種作物在間作群體中占比進(jìn)行優(yōu)化分配，具體灌水時(shí)間依照當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水管理部門實(shí)際配水時(shí)間進(jìn)行灌溉，兩種灌水方式的灌溉制度見表1。

注：圖中各尺寸單位均為mm。

圖1 小麥/玉米間作畦溝分灌田間布置形式

注：圖中各尺寸單位均為mm。

圖2 小麥/玉米間作常規(guī)畦灌田間布置形式

1.2.3 田間管理 玉米品種選用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)品種豫奧6號(hào)，小麥品種選用永良4號(hào)。玉米壟上覆膜，兩側(cè)兩行膜寬為70 cm，中間三行膜寬為110 cm。平耙地后小麥頂凌播種，播種時(shí)施足底肥450 kg/hm2(磷酸二銨)，灌第一水時(shí)追施尿素450 kg/hm2，灌第二水時(shí)施尿素225 kg/hm2，其他各次灌水不施肥。壟作溝灌玉米采用一體式開溝機(jī)進(jìn)行開溝起壟，玉米壟上人工覆膜。由于試驗(yàn)區(qū)春季多風(fēng)沙，覆膜后每隔250 cm進(jìn)行膜上壓土防風(fēng)。玉米種植行距40 cm，株距28 cm，種植深度2.5 cm。玉米播種時(shí)混施磷酸二銨300 kg/hm2，尿素150 kg/hm2。玉米灌第一水時(shí)施尿素450 kg/hm2，灌第二水時(shí)施尿素300 kg/hm2，其他各次灌水均不施肥。試驗(yàn)設(shè)計(jì)3次重復(fù)，試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)排列。

1.3 測(cè)定內(nèi)容及方法

速測(cè)土壤電導(dǎo)率EC值取樣深度為100 cm，每20 cm一層。小麥田每隔10 d分別于畦首、畦中和畦尾中間處及距兩側(cè)玉米邊行30 cm處取樣，灌水前后加測(cè)；畦灌玉米在畦首、畦中和畦尾于玉米壟上取土，溝灌玉米于玉米壟上及溝底取土，灌水前后加測(cè)。土壤電導(dǎo)率EC值測(cè)定方法為：將風(fēng)干土樣過1 mm篩后，按1∶5的土水比混合震蕩、離心，用DDS-308A電導(dǎo)率儀速測(cè)EC值。于試驗(yàn)小區(qū)附近打一眼地下水位觀測(cè)井，采用皮尺每5 d觀測(cè)一次，灌水及降雨前后加側(cè)。

1.4 計(jì)算方法

1.4.1 土壤儲(chǔ)鹽量及變化率計(jì)算 土壤質(zhì)量含鹽量采用實(shí)測(cè)土壤電導(dǎo)率EC值，根據(jù)適宜當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行換算[9]，公式為：

C=3.471EC+0.015

(1)

式中：C為土壤全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g/kg)；EC為土壤1∶5浸提液在25℃時(shí)的電導(dǎo)率值(mS/cm)。

通過換算得出第m次取樣時(shí)第n層土壤單位面積(1 m2)中儲(chǔ)鹽量為：

單位面積上各土層前后兩次取樣土壤儲(chǔ)鹽量變化率公式為：

(3)

1.4.2 不同土層邊界鹽分通量計(jì)算 本研究中除溝灌表層土體灌溉過程中的土壤鹽分運(yùn)移屬于二維過程外，其他均屬于一維問題。為便于對(duì)比，本研究只針對(duì)一維條件下的各土層鹽分平衡進(jìn)行探討。對(duì)于各土層儲(chǔ)鹽量在一維條件下的變化，其變化量應(yīng)為各土層邊界輸入和輸出鹽分通量之差，即：

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 作物各生育期土壤儲(chǔ)鹽量變化對(duì)比

由圖3可知，灌水前兩種灌水方式下玉米各土層儲(chǔ)鹽量呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)，且以表層土壤儲(chǔ)鹽量最大。這主要是在蒸發(fā)作用下，土壤鹽分隨水分向表層土壤積聚的結(jié)果[10]。此階段畦灌和溝灌玉米0—20 cm平均土壤儲(chǔ)鹽量達(dá)到589.41 g/m2，648.21 g/m2。畦灌玉米灌第一水后，在灌溉水的淋洗作用下，上層0—60 cm土壤儲(chǔ)鹽量減小顯著，平均降幅為13.31%，灌溉達(dá)到了淋洗作物根系層土壤鹽分的目的。但由于灌溉水中含一定的鹽分，同時(shí)土壤鹽分并沒有被完全排除農(nóng)田，在上層土壤鹽分向下遷移及礦質(zhì)化地下水補(bǔ)給的雙重作用下[11]，使得下層土體內(nèi)土壤儲(chǔ)鹽量不減反增，灌第二水前60 cm以下土壤儲(chǔ)鹽量平均增加8.38%。之后每次灌水前后，各土層土壤儲(chǔ)鹽量都呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。溝灌玉米由于開溝起壟，加劇了土壤水分向上層土壤遷移過程，鹽隨水走，不斷向上層土壤積聚，灌第一水前，各土層儲(chǔ)鹽量在呈現(xiàn)不同程度的增加[10]。灌水后在濕潤(rùn)峰作用下0—20 cm土層儲(chǔ)鹽量平均增加8.98%，而20—60 cm土層儲(chǔ)鹽量在排水作用下減小顯著，平均降幅為13.92%，其他土層儲(chǔ)鹽量基本保持穩(wěn)定。之后每次灌水前后，各土層儲(chǔ)鹽量都存在增加或減小趨勢(shì)，且以20—60 cm處儲(chǔ)鹽量變化更為活躍，其他土層相對(duì)平緩，這也說明溝灌條件下20—60 cm土層為土壤鹽分易變層。

小麥播種后至灌水前在土壤蒸發(fā)及根系吸水等作用下各土層儲(chǔ)鹽量增加顯著，常規(guī)畦灌和畦溝分灌小麥0—100 cm土層平均增加109.34%和102.28%。而在小麥拔節(jié)至抽穗期的關(guān)鍵生育期內(nèi)，經(jīng)歷兩輪灌溉后，兩種灌水方式表層0—40 cm土壤儲(chǔ)鹽量平均減少46.69%和45.93%，該土層為根系主要分布層，為小麥的正常生長(zhǎng)提供了良好的土壤環(huán)境，而在灌溉水的淋洗作用下40—60 cm均有不同程度的增加；下層60—100 cm鹽分儲(chǔ)量較穩(wěn)定，這主要是由于地下水位較淺，使得地下水中可溶性鹽與其存在一定的交換。之后在灌溉水淋洗及騰發(fā)作用下各土層儲(chǔ)鹽量呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，計(jì)算播種和收獲期各處理不同土層土壤儲(chǔ)鹽量發(fā)現(xiàn)，畦灌和溝灌玉米田單位面積1 m深土體內(nèi)儲(chǔ)鹽量平均較播種期增加211.08 g和300.34 g，溝灌玉米田積鹽相對(duì)比較嚴(yán)重。常規(guī)畦灌小麥田和畦溝分灌小麥田儲(chǔ)鹽量分別增加202.91 g/m2，200.43 g/m2，積鹽量差異不顯著。

2.2 作物各生育期土壤儲(chǔ)鹽量變化率對(duì)比

通過對(duì)兩種灌水方式下不同作物各土層儲(chǔ)鹽量的變化率分析發(fā)現(xiàn)(圖4)，受灌溉及蒸發(fā)作用影響，土壤儲(chǔ)鹽量變化率呈現(xiàn)增長(zhǎng)和負(fù)增長(zhǎng)值，具有明顯的波峰波谷，且通過分析發(fā)現(xiàn)，灌水前后，土壤儲(chǔ)鹽量越大則其變化率更大，也即土壤含鹽量越高，灌溉水淋洗效果更為顯著[12]。且通過分析發(fā)現(xiàn)，灌溉季節(jié)畦灌和溝灌玉米土壤儲(chǔ)鹽量變化率分別以0—60 cm和20—60 cm最大，小麥各土層儲(chǔ)鹽量變化率則以0—40 cm最大。

2.3 不同種植灌溉模式下作物各生育期不同土層深度鹽分通量分析

由上文可知，經(jīng)歷作物整個(gè)生育期的幾輪灌溉后，不同生育期各土層鹽分含量呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，且生育期結(jié)束各土層儲(chǔ)鹽量和農(nóng)田的總儲(chǔ)鹽量均有不同程度的增加趨勢(shì)。但這是由于灌溉水所帶來的鹽分造成，還是礦質(zhì)化的地下水補(bǔ)給導(dǎo)致，還需通過計(jì)算定量分析。

圖3 作物全生育期各土層土壤儲(chǔ)鹽量變化

采用式(4)對(duì)各土層鹽分通量進(jìn)行計(jì)算，其中T0為灌溉水源帶入土壤中鹽分；T5為100 cm下邊界處土壤或地下水間的鹽分交換通量。結(jié)果如圖5所示，由圖可知不同時(shí)段各處理不同土層深度含鹽量表現(xiàn)為灌水后土壤鹽分以向下運(yùn)動(dòng)為主，而其他時(shí)段以向上運(yùn)動(dòng)為主，這一方面與灌溉水的淋洗有關(guān)，另一方面也受礦質(zhì)化的地下水補(bǔ)給的影響。對(duì)畦灌和溝灌玉米各時(shí)段不同土層鹽分通量分析發(fā)現(xiàn)，除個(gè)別深層土壤鹽分受灌區(qū)來水后地下水位升高補(bǔ)給的影響以外，畦灌玉米整體表現(xiàn)為0—60 cm土層下邊界鹽分通量值最大，溝灌玉米20—60 cm土層下邊界鹽分通量值最大，且溝灌玉米土壤表層20 cm下邊界鹽分一直處于向上運(yùn)移狀態(tài)，這也加劇了農(nóng)田鹽分的累積。對(duì)于小麥而言，20—40 cm下邊界土層為土壤鹽分通量值最大，說明該土層邊界鹽分交換頻繁，這可能是由于該土層為小麥根系主要分布層[13]，在根系吸水作用下，鹽隨水走在該土層界面交換頻繁，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了上文的研究結(jié)論。

圖4 不同土層土壤儲(chǔ)鹽量變化率

注：圖中T0，T1，T2，T3，T4，T5分別代表土壤剖面0，20，40，60，80，100 cm處鹽分通量。

圖5 作物各生育期不同土層深度鹽分通量

3 討論與結(jié)論

土壤鹽堿化是制約和影響河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，針對(duì)灌區(qū)土壤鹽分的遷移機(jī)理及對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，大量學(xué)者進(jìn)行了不同程度的研究，并且取得了具有指導(dǎo)農(nóng)業(yè)實(shí)踐應(yīng)用的成果[9,14-17]，但對(duì)于作物溝灌土壤鹽分變化研究鮮有報(bào)道，同時(shí)對(duì)畦溝間作群體的鹽分變化情況研究更是未見報(bào)道。有研究表明[18-19]，土壤鹽分動(dòng)態(tài)不僅受到灌溉和降水的短期影響，同時(shí)受季節(jié)更替變化的長(zhǎng)期影響，且作物的產(chǎn)量與土壤鹽分的累積度緊密相關(guān)，本研究通過對(duì)兩種灌水方式下作物灌溉前后及不同生育期土壤鹽分變化分析發(fā)現(xiàn)，間作群體全生育期經(jīng)歷多次灌溉后，并未將農(nóng)田中土壤鹽分有效排除田間，在灌溉水及礦質(zhì)化地下水補(bǔ)給共同作用下，將灌溉水及地下水?dāng)y帶的鹽分聚集在根區(qū)土壤中，土體表現(xiàn)為積鹽趨勢(shì)，畦灌和溝灌玉米田1 m3土體儲(chǔ)鹽量平均增加211.08 g和300.34 g，這一結(jié)論與余根堅(jiān)等[20]通過HYDRUS模型模擬得出的在相同灌溉定額條件下，玉米常規(guī)溝灌較畦灌可有效抑制土壤鹽分積累的成果不同，這可能與作物種植灌溉模式及模型本身邊界條件的設(shè)定有關(guān)，而常規(guī)畦灌小麥田和畦溝分灌小麥田儲(chǔ)鹽量分別增加202.91 g/m3，200.43 g/m3。通過對(duì)灌溉季節(jié)土壤鹽分變化率及各土層邊界鹽分通量的計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，畦灌和溝灌玉米土壤儲(chǔ)鹽量變化分別以0—60 cm和20—60 cm最大，小麥各土層儲(chǔ)鹽量變化則以0—40 cm最大，這也說明該土層為各作物土壤鹽分的變化活躍層。同時(shí)溝灌土壤頂層0—20 cm積鹽效應(yīng)最為強(qiáng)烈，這也是導(dǎo)致溝灌玉米田積鹽嚴(yán)重的直接原因，此結(jié)論與王增麗[21]和袁成福[22]等的研究結(jié)果一致。