微咸水膜下滴灌對土壤鹽分離子分布和番茄產(chǎn)量的影響

李金剛，屈忠義，孫貫芳,，高鴻永，蘇世雄

(1.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；2.鹽堿地改良研究院，內(nèi)蒙古 五原 015199)

0 引 言

淡水資源供需矛盾日益突出，開源節(jié)流是解決我國水資源危機的一項重要措施。雖然我國許多地區(qū)淡水資源貧乏，但微咸水資源豐富?？茖W(xué)合理地開發(fā)利用微咸水，可以緩解部分地區(qū)水資源短缺的矛盾。微咸水相比淡水含有較多的鹽分，若灌溉管理措施不當(dāng)，不但會阻礙作物的正常生長從而降低作物產(chǎn)量，還會造成鹽分在土壤中積累，使得土壤滲透性和可耕性降低，導(dǎo)致土壤次生鹽漬化[1]。滴灌具有高頻率、小流量的特點，是利用微咸水的最佳灌水方式，土壤鹽分在滴灌的淋洗作用下隨著水分運動到濕潤峰附近，可以緩解土壤環(huán)境的惡化，保證作物根系正常吸水和呼吸。利用微咸水膜下滴灌的關(guān)鍵在于根據(jù)微咸水覆膜滴灌條件下土壤水鹽運移規(guī)律制定合理的灌溉制度。近年來國內(nèi)外學(xué)者就微咸水灌溉技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作[2-7]，王丹等[8]研究了不同礦化度微咸水滴灌條件下不同土壤鹽分離子分布特征，結(jié)果表明，Ca2+、Mg2+與SO2-4易于被灌溉水分淋洗，主要分布在濕潤體外圍,而HCO-3、Na+與Cl-主要分布在濕潤體內(nèi)部；王若水等[9]在新疆利用土壤基質(zhì)勢控制灌溉，研究了滴灌不同灌溉制度對鹽堿地土壤鹽分離子分布的影響，結(jié)果表明，Na+與 Cl-容易被淋洗，SO2-4與HCO-3的淋洗效果主要受離子濃度影響，Mg2+與Ca2+不易隨水移動。目前，微咸水覆膜滴灌條件下土壤鹽分離子運移規(guī)律和作物生育期內(nèi)全鹽量變化規(guī)律的研究較少。本文著重探討微咸水覆膜滴灌條件下不同灌水定額對土壤鹽分離子分布的影響及生育期內(nèi)膜內(nèi)、膜外土壤全鹽量的變化。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

微咸水膜下滴灌番茄試驗在蒙草抗旱五原鹽堿地改良研究所內(nèi)進(jìn)行，具體位于內(nèi)蒙古西部五原縣隆興昌鎮(zhèn)八里橋，地處巴彥淖爾市東北部，河套平原東端，位于東經(jīng)108°18′，北緯40°46′。試驗區(qū)地形平緩屬于中溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大，日照充足，積溫較多，雨熱同期，雨水集中，多年平均日照時數(shù)3 205 h，平均氣溫6.1 ℃，無霜期平均125 d/a，年平均降水量170 mm，年最大蒸發(fā)量2 500 mm，主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)。土壤偏堿性，地下水位埋深在1.75～3.1 m，分布的地下水礦化度約為3.0 g/L，pH為8.03。地下微咸水鹽分離子成分見表1，試驗地鹽分離子成分本底值見表2。

表1 地下微咸水成分 mg/L

表2 試驗地鹽分離子成分Tab.2 Salt ions of the test field

1.2 試驗設(shè)計及布置

(1)試驗設(shè)計。試驗在未開墾過的鹽堿荒地上進(jìn)行，種植作物為番茄，品種為金野1號。試驗于2015年5月29日移栽番茄，設(shè)置3個灌水處理(FD、FX20和FX25)，當(dāng)膜內(nèi)滴頭下20 cm深處的土壤基質(zhì)勢下限達(dá)到-20 kPa時，分別灌淡水30 mm，微咸水30 mm和微咸水37.5 mm，每個處理重復(fù)3次，隨機布置。番茄移栽后的當(dāng)天進(jìn)行第一次灌溉，所有小區(qū)均使用淡水灌溉，灌水定額55 mm，用于淋洗鹽漬土中過多的鹽分并以提供良好的土壤底墑。番茄生育期內(nèi)各處理累積灌水量分別為：205、225和220 mm。試驗期間各處理施肥均相同。

(2)試驗布置。試驗為壟作覆膜滴灌，壟長30 m，每個小區(qū)8壟，小區(qū)面積293.48 m2，每壟種植2行番茄且居中布置1條滴灌帶，滴灌帶直徑16 mm，滴頭間距30 cm,出水量1.38 L/h，番茄行距0.5 m，株距0.3 m，種植示意圖見圖1。

圖1 番茄種植示意圖(單位：cm)Fig.1 Sketch map of tomato plant

1.3 試驗觀測項目與方法

在番茄生育期內(nèi)，間隔30 d左右用土鉆在各處理小區(qū)內(nèi)取土樣，取樣位置在距滴灌帶水平垂直距離分別為0、17.5、35和60 cm，深度分別為0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80和80～100cm。將從田間取回的土樣自然風(fēng)干后碾壓過2 mm孔徑標(biāo)準(zhǔn)篩，將過篩后的土樣與去離子水按1∶5的比例攪拌混合，用雷磁 DDSJ-308A電導(dǎo)率儀和酸度計分別測定上清液電導(dǎo)率和pH，取其土壤溶液浸提液測定HCO-3、Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、Na+和K+，具體測定方法見文獻(xiàn)[10]。對試驗數(shù)據(jù)分析后采用Origin軟件和Surfer軟件繪圖，對產(chǎn)量構(gòu)成采用Spss軟件進(jìn)行差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鹽分離子在土壤剖面上的分布特征

膜下滴灌土壤水分運動近似服從點源入滲特點，隨著灌水時間的延長，濕潤體形狀逐漸由單個的橢球體向平行于滴灌帶的帶狀過渡[11]。土壤中的鹽分隨水分一起運動，灌水定額對土壤中鹽分離子的分布產(chǎn)生影響。圖2分別為番茄收后9月20日不同處理土壤剖面HCO-3、Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、K+和Na+離子分布等值線圖。

(1)陰離子HCO-3分布。試驗各處理HCO-3主要分布在濕潤體內(nèi)，濕潤體外HCO-3含量較少，HCO-3峰值在濕潤體內(nèi)，靠近滴灌帶。相同灌水定額下，微咸水處理HCO-3在濕潤體內(nèi)含量高，礦化度相同灌溉定額越大，HCO-3在濕潤體內(nèi)含量越低。這可能是由于微咸水中HCO-3含量比淡水高，且HCO-3在土壤中含量較高，容易隨水分移動。

(2)陰離子Cl-分布。試驗各處理Cl-主要分布在濕潤體內(nèi)，濕潤體外Cl-含量相對較少，Cl-向壟邊表層聚集。相同灌水定額下，微咸水處理Cl-在濕潤體內(nèi)含量高，灌溉水質(zhì)相同灌溉定額越大，Cl-在濕潤體內(nèi)含量越低。這可能是由于土壤中Cl-含量較大，Cl-與土壤膠體的吸附力較弱，具備很強的隨水分遷移能力[12]，微咸水中Cl-含量比淡水大所致。

圖2 不同處理土壤剖面離子分布等值線圖Fig.2 Contour map salt ions distribution of soil profile in different treatments

(3)陰離子SO2-4分布。試驗各處理SO2-4主要分布在濕潤體外，濕潤體內(nèi)SO2-4含量較少，SO2-4峰值出現(xiàn)在地表距滴灌帶35 cm處。相同灌溉定額下，微咸水處理SO2-4含量的變化范圍越大，同種水質(zhì)的灌溉水灌溉，灌溉定額越大，SO2-4在濕潤體外含量變化不大。這是由于SO2-4水化半徑較大，與土壤膠體的吸附力較強，不易隨水分運動，但長時間的滴灌淋洗后，SO2-4也會緩慢隨水分移動。

(4)陽離子Ca2+與Mg2+分布。各處理的Ca2+與Mg2+主要分布在濕潤體內(nèi)，相比淡水處理微咸水處理濕潤體內(nèi)Ca2+與Mg2+含量略有增加，但變幅不大，隨著灌水定額的增大，濕潤體內(nèi)Ca2+與Mg2+含量增加，這是由于Ca2+與Mg2+與土壤膠體間的吸附能力較強，不容易隨水分移動，另外微咸水與淡水中Ca2+與Mg2+含量相差不大，灌水定額越大，帶入土壤中Ca2+越多。

(5)陽離子K+和Na+分布。K+和Na+與土壤膠體吸附能力均較弱，都容易隨水移動，主要分布在各處理的濕潤峰邊緣[13,14]，相同灌溉定額下，微咸水處理濕潤體內(nèi)Na+和K+含量高，相同礦化度的灌溉水灌溉，灌溉定額越大Na+和K+在濕潤體內(nèi)含量越高。

K+和Na+在土壤中含量較高，Ca2+和Mg2+在土壤中含量較低，在灌水淋洗過程中，Na+和K+容易被交換能力強的Ca2+和Mg2+所交換，所以Ca2+和Mg2+在土壤表層含量較高，底層含量較低。

2.2 番茄生育期內(nèi)土壤剖面全鹽量變化

番茄根系垂向主要集中在0～50 cm深度土層內(nèi)[15]，膜內(nèi)、膜外分0～50和50～100 cm上下兩層分析，圖3為番茄生育期不同處理膜內(nèi)上層、膜外上層、膜內(nèi)下層和膜外下層土壤剖面的全鹽量變化圖。

各處理膜內(nèi)上層和膜外上層土壤全鹽量變化基本一致。膜內(nèi)上層FD處理全鹽量最少，F(xiàn)X20處理全鹽量最大，F(xiàn)X25處理變化幅度最大。膜外上層FD處理全鹽量最少，F(xiàn)X25處理全鹽量最大，F(xiàn)X25處理變化幅度最大。各處理膜內(nèi)下層土壤全鹽量隨著生育期延長，均呈上升趨勢，F(xiàn)D處理全鹽量最少，F(xiàn)X25處理全鹽量最大，F(xiàn)X25處理變化幅度最大。各處理膜外下層土壤全鹽量隨著生育期延長，均呈下降趨勢，各處理全鹽量相差不大，F(xiàn)X25處理變化幅度最小。

這主要是由于相比淡水，微咸水中本身含有鹽分，在灌溉過程中鹽分隨水分進(jìn)入土壤，相同水質(zhì)灌溉定額越大，對土壤鹽分淋洗越充分，鹽分向濕潤體邊緣聚集，膜外上層土壤含鹽量越大。膜內(nèi)下層土壤受到上層淋洗作用的影響，全鹽量均略有增加，由于受表土蒸發(fā)的影響，膜外下層土壤中鹽分隨水分向上運動，造成膜外下層土壤全鹽量在生育期呈降低的趨勢。

2.3 不同灌水定額對番茄產(chǎn)量的影響

從表3可以看出，各處理對應(yīng)單果質(zhì)量、單株坐果數(shù)、單株果質(zhì)量、產(chǎn)量差異性均顯著。FX25處理的單果質(zhì)量最大，為50.3 g/個，比FX20處理單果質(zhì)量增加25.75%，F(xiàn)D處理的單果質(zhì)量最小，為38.09 g/個，比FX20處理單果質(zhì)量減少4.78%，單株坐果數(shù)方面，F(xiàn)X20處理最少，為16.8個，F(xiàn)X25處理和FD處理相差不大。每公頃產(chǎn)量上處理FX25最好，對比FX20處理增幅為39.92%，F(xiàn)X20處理產(chǎn)量與FD處理相比降低了6.95%。

圖3 土壤剖面全鹽量變化圖(2015年)Fig.3 Contour map salt ions distribution of soil profile in different treatments t

處理單果質(zhì)量/g單株坐果數(shù)/個單株果質(zhì)量/g產(chǎn)量/(kg·hm-2)FD38.09a18.4b702.86b27917.60aFX2040.0a16.8a674.4a25977.88aFX2550.3b18.6b934.88c36348b

3 結(jié) 語

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，微咸水覆膜滴灌條件下，不同灌水定額對土壤中鹽分離子的分布影響顯著。其中HCO-3、Cl-、Na+和K+容易隨水分移動，當(dāng)灌水定額為37.5 mm時，淋洗效果最好。SO2-4、Ca2+和Mg2+與土壤膠體吸附力較強，不易隨水分運動，淋洗效果并不明顯。受表土蒸發(fā)的影響，膜外上層土壤全鹽量變化幅度最大，在生育期內(nèi)隨時間延長而增加，膜外下層土壤全鹽量在生育期內(nèi)隨時間的延長而減小。膜內(nèi)上層和下層土壤全鹽量受灌溉水淋洗的影響，變化較大。為避免微咸水灌溉后引起的鹽堿危害，應(yīng)在生育期結(jié)束后秋季或來年春季匯水洗鹽。微咸水中含有鹽分，相同灌水定額下對鹽分的淋洗程度不如淡水，利用微咸水灌溉時需要考慮到淋濾洗鹽作用，相比淡水灌溉的灌水定額要大1/4左右。

本文的結(jié)論是依據(jù)一年的試驗結(jié)果得出的,灌水定額設(shè)置處理較少，帶有一定的局限性,還需要繼續(xù)試驗進(jìn)一步驗證和完善本文結(jié)論。

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