地膜覆蓋對春季咸水灌溉條件下濱海鹽漬土水鹽動態(tài)的影響*

劉海曼, 郭 凱, 李曉光, 劉小京**

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地膜覆蓋對春季咸水灌溉條件下濱海鹽漬土水鹽動態(tài)的影響*

劉海曼1,2, 郭 凱1, 李曉光1,2, 劉小京1**

(1. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室 石家莊 050022; 2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

在河北省滄州市海興縣選取耕層土壤初始含水量有較大差異的兩個地塊, 于春季利用當(dāng)?shù)馗叩V化度咸水(10~15 g?L-1)進(jìn)行灌溉和地膜覆蓋, 以探究地膜覆蓋對春季咸水灌溉條件下濱海鹽漬土水鹽動態(tài)的影響。設(shè)不灌咸水不覆膜(對照, CK)、不灌咸水覆膜(PM)及3月29日和4月13日灌咸水不覆膜(SE、SL)、灌咸水后覆膜(SE+PM、SL+PM)6個處理探討不同咸水灌溉和覆膜對土壤水鹽動態(tài)的影響; 另在耕層土壤含水量≥20%(海興縣小山鄉(xiāng))和<20%(海興縣農(nóng)場)兩個地點分別設(shè)灌咸水后覆膜(SE+PM)和不灌咸水不覆膜(CK)處理, 探討初始土壤含水量對咸水灌溉下土壤水鹽動態(tài)的影響。灌水量均為180 mm, 灌溉咸水來自排水渠, 礦化度分別為12.12 g?L-1和11.53 g?L-1, 咸水入滲后, 播種油葵。結(jié)果表明: 春季咸水灌溉后覆膜能有效降低耕層土壤鹽分, 并且該項措施實施的時間越早越好, 脫鹽深度和脫鹽率均較深和較高, 本研究中, 脫鹽效果最優(yōu)的為SE+PM處理, 該處理在油葵收獲后0~5 cm脫鹽率為58.93%, 土壤含鹽量由1.15%降至0.51%。此外, 脫鹽效果也受到土壤初始含水量的影響, 耕層土壤含水量<20%時, 春季咸水灌溉覆膜處理對土壤鹽分的淋洗效果較好, 平均脫鹽深度大于40 cm, 保證了油葵正常生長, 油葵出苗率和產(chǎn)量分別為73.9%和920 kg?hm-2, 至油葵收獲時, 0~20 cm土層土壤含鹽量由灌溉前的1.93%降低至0.32%, 脫鹽率達(dá)84.07%; 而當(dāng)耕層土壤含水量≥20%時, 脫鹽速度慢、深度淺, 至油葵播種時, 土壤鹽分依然較高, 導(dǎo)致油葵出苗率低, 最終絕收。本研究通過利用春季高礦化度咸水灌溉和地膜覆蓋措施, 在春季干旱和土壤嚴(yán)重積鹽條件下有效降低了耕層土壤鹽分, 為作物播種出苗提供適宜的土壤水分條件和低鹽環(huán)境。

濱海鹽漬土; 咸水灌溉; 地膜覆蓋; 土壤水鹽動態(tài)

淡水資源匱乏和土壤鹽堿是制約環(huán)渤海地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善的主要因素[1], 如何利用有限的水資源和合理開發(fā)現(xiàn)有的咸水資源是該地區(qū)鹽堿地改良中面臨的問題。王遵親等[1]、郭凱等[2]指出鹽分在土壤中的運(yùn)動具有明顯的季節(jié)性變化特征, 在環(huán)渤海地區(qū)土壤呈春、秋、冬3季積鹽, 夏季脫鹽的變化過程, 其中春季土壤積鹽最為嚴(yán)重。而春季又是作物出苗和生長的鹽敏感時期, 因此如何在春季創(chuàng)造耕層土壤低鹽條件是該地區(qū)鹽堿地改良的關(guān)鍵。

在淡水資源短缺的狀況下, 環(huán)渤海地區(qū)豐富的地下咸水成為潛在可利用的水資源。國內(nèi)外針對咸水灌溉技術(shù)開展了大量的研究工作[3-4], 王衛(wèi)光等[5]、吳忠東等[6]指出判斷咸水是否適宜農(nóng)業(yè)灌溉主要取決于咸水的鹽分含量及其組分, 此外, 灌溉方式和時間、作物耐鹽性、灌區(qū)氣候特征等也是影響咸水灌溉效果的重要因素。因此應(yīng)依據(jù)區(qū)域氣候特點、咸水資源現(xiàn)狀以及作物的生長發(fā)育規(guī)律, 選擇合理的灌溉方式、灌溉水量、灌溉時間等, 以確保在土壤水鹽平衡條件下, 實現(xiàn)作物不減產(chǎn)甚至增產(chǎn)的目標(biāo)[7-8]。合理的咸水灌溉可以在不增加土壤鹽分的條件下提高土壤濕度, 保證作物正常生長和提高產(chǎn)量[8]; 而如果利用不當(dāng), 會造成土壤結(jié)構(gòu)的破壞和次生鹽漬化問題[4]。陳秀玲等[9]在河北東部平原南皮縣進(jìn)行咸水灌溉試驗, 指出控制土壤鹽度不超過作物耐鹽限度是咸水灌溉技術(shù)的關(guān)鍵; 吳忠東等[10]在河北南皮進(jìn)行不同礦化度咸水灌溉試驗后提出3 g?L-1微咸水是適合當(dāng)?shù)赝寥啦⒈ＷC作物連續(xù)多年高產(chǎn)的灌溉水礦化度上限, 除咸水含鹽量外, 配套的排水措施也在咸水灌溉土壤水鹽調(diào)控中具有重要的作用; 趙耕毛等[11]在山東濱海灘涂連續(xù)3年海水灌溉后發(fā)現(xiàn)土壤未表現(xiàn)積鹽趨勢, 且在適宜灌排條件下可提高作物產(chǎn)量; Benyamini等[12]對Jezre平原利用土壤、地下水的鹽分動態(tài)開展了相關(guān)排水系統(tǒng)配置研究, 實現(xiàn)了土壤水鹽優(yōu)化調(diào)控; Kass等[13]在以色列沿海地區(qū)開展了地下咸水灌溉, 研究表明合理的咸水灌溉方式可實現(xiàn)農(nóng)田安全灌溉和作物增產(chǎn)。

然而對于環(huán)渤海低平原區(qū), 地下咸水礦化度普遍較高, 平均約7~22 g?L-1, 這對該地區(qū)咸水資源利用方式提過了新的挑戰(zhàn)和要求。近年來, 有研究針對高礦化度咸水資源的利用開展了深入和系統(tǒng)的工作, 咸水在相變過程中可實現(xiàn)咸水的淡化。史培軍等[14]在渤海灣利用海冰融化獲取淡水; 郭凱等[15-16]在冬季進(jìn)行咸水結(jié)冰灌溉凍融方式在地下咸水中獲取了微咸水和淡水, 獲取的微咸水和淡水可實現(xiàn)鹽堿土耕層脫鹽, 結(jié)合后續(xù)的覆蓋抑鹽措施可為作物提供適宜的土壤低鹽條件。以上方式是通過咸水在自然條件下固-液相轉(zhuǎn)化過程實現(xiàn)了咸水的淡化, 而咸水也可通過氣-液相轉(zhuǎn)化過程實現(xiàn)咸水的淡化。此外, 地膜覆蓋是鹽堿地改良中的重要措施, 具有阻礙水分垂直蒸發(fā)、減少土壤水分損失、提高土壤含水量、提高土壤水分利用率、減輕鹽分表聚等優(yōu)勢[17-18]; 相對于其他覆蓋措施, 也具有凝結(jié)土壤水汽回流入滲淋鹽的作用。

基于以上分析, 本研究擬通過春季直接利用高礦化度咸水進(jìn)行灌溉結(jié)合地膜覆蓋的方式實現(xiàn)以上過程, 通過咸水灌溉提高土壤含水量, 利用春季蒸發(fā)量大、晝夜溫差大等自然特點, 在灌溉咸水完全入滲后進(jìn)行地膜覆蓋, 土壤中水分氣化后在膜上凝結(jié)淡化, 凝結(jié)淡水回流入滲實現(xiàn)表層土壤鹽分的淋洗, 以達(dá)到為作物出苗提供適宜的土壤低鹽條件的目的?；诖? 本文設(shè)置了春季咸水灌溉和地膜覆蓋利用模式以及不同土壤含水量背景條件下春季咸水灌溉和地膜覆蓋試驗, 調(diào)查土壤鹽分淋洗效果, 以探究春季咸水灌溉和地膜覆蓋技術(shù)的效果和適用區(qū)域, 為環(huán)渤海低平原區(qū)高礦化度咸水的利用提供新的途徑和模式。

1 材料及方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點設(shè)在河北省海興縣濱海重鹽堿地(37°56￠102~8°17￠312N, 117°18￠332~17°50￠572E, 海拔1.3~3.6 m), 該區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候, 年平均氣溫12.1 ℃, 1月平均氣溫-4.5 ℃, 極端最低氣溫-19.9 ℃, 初霜凍多出現(xiàn)在10月下旬, 終霜凍多出現(xiàn)在4月中旬。平均年降水量為582.3 mm, 主要集中在7—8月, 占年降水量的74%, 冬季降水量極少, 僅占全年降水量的5%~7%。該地區(qū)土壤鹽分以NaCl為主, Cl-占陰離子總量的70%~80%, Na+占陽離子總量的90%以上, 而鹽分組成在剖面上垂直變異不明顯。地下水含鹽量以及地下水水位隨季節(jié)變化明顯, 7—9月由于雨水補(bǔ)給, 地下水位1 m左右。春秋雨量較少時, 蒸發(fā)量大, 地下水埋深較深, 春季干旱時期一般在2.2 m左右, 地下水含鹽量年際變化顯著, 在7~22 g?L-1之間。

圖1為海興縣2016年氣溫和降雨量的年度變化。試驗期間3—6月的月平均氣溫分別為8.50 ℃、14.06 ℃、20.86 ℃和25.40 ℃。試驗期間較為明顯的降雨日期及降雨量如圖1所示。3月份晝夜溫差10 ℃左右。

1.2 試驗設(shè)計

由于鹽分在土壤中的運(yùn)動受土壤水分驅(qū)動, 而土壤水分運(yùn)動與土壤含水量息息相關(guān), 因此選2016年春季選取初始土壤含水量差異較大的兩地塊(海興縣小山鄉(xiāng)和海興縣農(nóng)場)進(jìn)行春季咸水灌溉和地膜覆蓋下土壤鹽分淋洗效果試驗。其中河北省小山鄉(xiāng)地下水埋深較淺(1 m左右), 春季土壤含水量水平較高(20%以上); 而海興農(nóng)場地下水埋深在2.5 m以下, 春季土壤較干旱(20%以下)。兩個試驗地土壤初始水鹽含量(3月6日測定)見表1。

圖1 試驗地點年度氣溫及降雨量(2016年)

表1 兩個試驗點土壤初始水鹽含量

小山鄉(xiāng)的試驗設(shè)不灌咸水+不覆膜(對照, CK)、不灌咸水+覆膜(PM)、3月29日灌咸水+不覆膜(SE)、3月29日灌咸水+覆膜(SE+PM)、4月13日灌咸水+不覆膜(SL)和4月13日灌咸水+覆膜(SL+PM)共6個處理, 每個處理重復(fù)6次。灌水后對應(yīng)覆膜處理的地塊立即進(jìn)行地膜覆蓋, 小區(qū)面積4 m′5 m, 隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。為防側(cè)滲, 小區(qū)間1 m深的厚塑料膜隔開。

海興農(nóng)場的試驗設(shè)3月29日灌咸水+覆膜(SE+PMN)和不灌咸水不覆膜(對照, CKN)兩個處理。每個處理重復(fù)6次。灌水后對應(yīng)覆膜處理的地塊立即進(jìn)行地膜覆蓋, 小區(qū)面積4 m′5 m, 隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。為防側(cè)滲, 小區(qū)間1 m深的厚塑料膜隔開。

兩地灌溉水均來自試驗地的排水渠, 灌溉水量180 mm。灌溉用咸水鹽分狀況及離子組成如表2所示。兩地均在6月1—2日種植淺根系作物油葵()‘G101’, 行距0.5 m, 株距0.3 m, 密度3.9′104株×hm-2, 播種方式采用人工拉線定點播種, 整個生長期追肥及灌水(對照處理不灌水只追肥), 在出苗期和收獲期調(diào)查出苗率及產(chǎn)量。

表2 兩個試驗點灌溉用咸水含鹽量及離子組成

1.3 測定指標(biāo)及方法

1)灌水前(2016年3月28日)對兩試驗地各小區(qū)取土, 測定背景值, 按照0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm深度取土。灌后按照0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm深度取土, 5月4日前每7 d 取土一次, 插種時(6月1日)及播種后20 d各取土一次, 最后一次取土為6月22日,最后僅對成熟油葵進(jìn)行產(chǎn)量測定。

土壤含水量用烘干法測得。以1︰5的土水比用蒸餾水浸提土壤溶液, 對土壤浸提液測定鹽分離子組成, 用雙指示劑法滴定法測定HCO3-含量, 用AgNO3-滴定法測定Cl-含量, 用EDTA間接絡(luò)合滴定法測定SO42-含量, 用EDTA滴定法測定Ca2+、Mg2+含量; K+、Na+合量以陰陽離子含量之和為零的方法求得, 再以各個陰陽離子的濃度之和求得土樣的含鹽量。

2)作物的出苗和產(chǎn)量。油葵出苗期調(diào)查每個小區(qū)的全部出苗數(shù), 計算出苗率; 油葵成熟期每小區(qū)去除行首與行尾及邊行, 隨機(jī)收獲中間20株, 晾干清洗后計產(chǎn)。

3)降雨量和氣溫數(shù)據(jù)。取自海興小山鄉(xiāng)試驗基地自動監(jiān)測氣象站。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計方法

采用SPSS 16.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析, Sigmaplot12.0做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 咸水灌溉和地膜覆蓋對鹽堿地土壤水鹽動態(tài)的影響

2.1.1 不同土層土壤含鹽量的動態(tài)變化

從圖2可以看出, 0~5 cm土層, 至種植油葵前(6月1日), 不覆膜處理土壤含鹽量整體呈波動上升趨勢, 其中CK和SE處理在4月6日、4月20日形成兩個峰值: CK處理土壤含鹽量分別上升40.13%和113.70%、SE處理土壤含鹽量分別上升66.32%和65.70%。SL處理受4月18日的降雨影響, 0~5 cm土層土壤含鹽量受降雨淋洗一直呈下降趨勢, 6月1日時土壤含鹽量比初始值下降37.96%。覆膜處理土壤含鹽量整體呈下降狀態(tài), PM處理先上升后下降, SE+PM和SL+PM處理波動下降。至6月1日時PM和SE+PM處理土壤含鹽量分別下降21.26%和52.97%; SL+PM處理由于灌水覆膜時間較晚, 土壤含鹽量下降較少, 僅為10.30%。SE+PM處理脫鹽效果最高, 土壤含鹽量由1.10%降至0.52%, 脫鹽率達(dá)到53.6%。但此時, 各處理土壤含鹽量均未降到油葵出苗標(biāo)準(zhǔn), 也導(dǎo)致了該試驗區(qū)油葵出苗量極低。至油葵出苗后(6月22日), 降雨增多。相對于油葵種植時(6月1日), CK處理土壤含鹽量上升21.00%, SE和SL處理分別下降1.22%和1.86%, 說明大量咸水灌溉有一定的壓鹽效果, 但遠(yuǎn)達(dá)不到脫鹽需求。覆膜處理在后期無灌水補(bǔ)充情況下, 僅有SE+PM處理維持脫鹽效果, 相對于油葵種植時(6月1日)下降0.69%, PM和SL+PM處理土壤含鹽量分別上升12.90%和40.38%。在油葵出苗期, 由于降雨量增多且各處理無追加灌水, 在降雨的淋洗作用下不覆膜處理的脫鹽效果優(yōu)于覆膜處理。至實驗結(jié)束, SE+PM處理脫鹽效果最高, 土壤含鹽量由1.10%降至0.51%, 脫鹽率達(dá)到53.6%。

5~10 cm土層鹽分變化與0~5 cm基本一致。6月22日, CK處理土壤含鹽量較初始值升高42.66%, PM處理升高11.06%, SE、SL和SL+PM處理土壤含鹽量上升90.01%、12.08%和25.36%, SE+PM處理下降7.8%。

圖2 海興縣小山鄉(xiāng)不同咸水灌溉和覆膜處理下各層土壤含鹽量動態(tài)變化

CK: 不灌咸水不覆膜; PM: 不灌咸水覆膜; SE: 3月29日灌咸水不覆膜; SL: 4月13日灌咸水不覆膜; SE+PM: 3月29日灌咸水后覆膜; SL+PM: 4月13日灌咸水后覆膜。CK: no irrigation without plastic film mulching; PM: plastic film mulching without saline water irrigation; SE: saline water irrigation on March 29thwithout plastic film mulching; SL: saline water irrigation on April 13thwithout plastic film mulching; SE+PM: saline water irrigation on March 29thwith plastic film mulching; SL+PM: saline water irrigation on April 13thwith plastic film mulching.

10~40 cm土層含鹽量變化幅度較小, 到6月22日僅有SE+PM處理維持了脫鹽趨勢, 土壤含鹽量下降17.40%, 其余處理土壤含鹽量均呈小幅上升趨勢。

2.1.2 不同土層土壤含水量的動態(tài)變化

0~5 cm土層含水量變化幅度較明顯(圖3), 所有覆膜處理土壤含水量均呈先上升后緩慢下降趨勢; 不覆膜處理受氣溫及降雨影響, 均呈波動下降趨勢。6月1日, 由于降雨少、蒸發(fā)量大, 覆膜處理土壤水分蒸發(fā)膜上凝結(jié)回流入滲, 表層土壤含水量均呈上升趨勢, PM、SE+PM和SL+PM處理分別上升11.92%、7.41%和40.04%; 不覆膜處理土壤含水量此時均低于初始值, CK、SE、SL處理分別下降16.86%、12.60%、13.87%。由此可見在旱期, 地膜覆蓋起到了較好的保水作用, 尤其體現(xiàn)在咸水灌溉和地膜覆蓋處理中。此后, 由于降雨量增多, 覆膜處理受地膜覆蓋影響, 水分入滲較少, 6月22日相對于6月1日SE+PM、SL+PM處理土壤含水量則分別降低17.06%和8.71%。

5~10 cm土層含水量變化和0~5 cm基本一致, 除有明顯降雨前后, 其他時期變化幅度較小。灌咸水后, 覆膜處理的土壤含水量穩(wěn)定在22%~26%, 不覆膜處理則波動較大。

10~40 cm土層土壤初始含水量較高, 在22%~ 24%左右, 后期波動幅度在9%左右, 且各處理土壤含水量變化趨勢基本一致。各處理中, SE+PM處理的土壤含水量高于其他處理, 同時覆膜處理高于不覆膜處理。

2.2 不同土壤初始含水量下春季咸水灌溉和地膜覆蓋對土壤水鹽動態(tài)的影響

由小山鄉(xiāng)田間試驗可知, 當(dāng)土壤初始質(zhì)量含水量>20%時, 咸水灌溉+覆膜的脫鹽深度較淺僅為5 cm左右, 鹽分淋洗效果較差。因為土壤本身含水量較高, 土壤中的大孔隙被水分填滿, 上層水分多以飽和導(dǎo)水率的速度下滲,造成土壤鹽分淋洗緩慢, 脫鹽層淺。因此, 同期開展了土壤初始質(zhì)量含水量<20%時的咸水灌溉地膜覆蓋試驗。

圖3 海興縣小山鄉(xiāng)不同咸水灌溉和覆膜處理下各層土壤質(zhì)量含水量動態(tài)變化

CK: 不灌咸水不覆膜; PM: 不灌咸水覆膜; SE: 3月29日灌咸水不覆膜; SL: 4月13日灌咸水不覆膜; SE+PM: 3月29日灌咸水后覆膜; SL+PM: 4月13日灌咸水后覆膜。CK: no irrigation without plastic film mulching; PM: plastic film mulching without saline water irrigation; SE: saline water irrigation on March 29thwithout plastic film mulching; SL: saline water irrigation on April 13thwithout plastic film mulching; SE+PM: saline water irrigation on March 29thwith plastic film mulching; SL+PM: saline water irrigation on April 13thwith plastic film mulching.

如圖4所示, 灌咸水覆膜后(4月13日), 由于不再受淺層地下咸水影響, 該地區(qū)兩處理各土層含鹽量變化較為穩(wěn)定狀態(tài)。與灌水前(3月28日)相比, S+PMN處理全土層鹽分均有大幅下降, 0~10 cm和10~20 cm土層分別下降76.70%和74.45%, 0~60 cm土層平均下降75.06%; CKN處理全土層鹽分上升, 0~10 cm和10~20 cm土層分別上升22.56%和29.69%, 0~60 cm土層上升19.76%。此時, S+PMN處理全土層平均含鹽量為0.49%, 低于CKN處理71.91%。

種植油葵時(6月1—2日), S+PMN處理的土壤含鹽量依然保持這種較低水平。油葵出苗后(6月22日), CKN處理全土層平均土壤含鹽量1.05%, S+PMN處理為0.13%。S+PMN處理土壤含鹽量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CKN處理, 且已達(dá)到油葵出苗要求。

圖4 海興農(nóng)場咸水灌溉和地膜覆蓋下0~60 cm土層土壤含鹽量的變化

CKN: 不灌咸水不覆膜; S+PMN: 灌咸水后覆膜。CKN: no irrigation without plastic film mulching; SE+PMN: saline water irrigation with plastic film mulching.

從圖5可知, 灌溉前兩處理土壤含水量差異較小, 灌咸水后(4月13日), S+PMN處理的土壤含水量顯著高于CKN處理, 0~10 cm和10~20 cm土層分別提高20.93%和17.53%。20 cm土層以下土壤含水量兩處理差異不大。

圖5 海興農(nóng)場咸水灌溉和地膜覆蓋下0~60 cm土層土壤水分變化

CKN: 不灌咸水不覆膜; S+PMN: 灌咸水后覆膜。CKN: no irrigation with no plastic film mulching as control; S+PMN: saline water irrigation with plastic film mulching.

2.3 春季咸水灌溉和地膜覆蓋對油葵出苗和產(chǎn)量的影響

2016年6月1—2日, 在兩個試驗地點分別種植了淺根系作物油葵。油葵發(fā)芽和苗期生長的臨界鹽分為0.4%左右, 超過這一臨界值[17], 油葵不出苗和生長。由于小山鄉(xiāng)土壤鹽分背景值較高, 脫鹽層次較淺, 表層土壤鹽分超出了油葵的耐受范圍, 致使油葵出苗較少, 最終導(dǎo)致絕收。而在土壤含水量水平較低的海興農(nóng)場, 由于脫鹽深度深, 表層的脫鹽效果好, 在油葵播種期表層(0~20 cm)土壤含鹽量降低到0.32%, 土壤質(zhì)量含水量達(dá)到22.5%, 種植作物油葵后, 其出苗和產(chǎn)量分別達(dá)到73.9%和920 kg×hm-2(表3), 而對照處理由于播種時較高的土壤鹽分, 油葵出苗率極低, 最終導(dǎo)致絕收。

表3海興農(nóng)場咸水灌溉和地膜覆蓋下油葵的出苗率和產(chǎn)量

Table 3 Emergence ratio and yield of oil sunflower under saline water irrigation with plastic film mulching in Haixing Farm

CKN: 不灌咸水不覆膜; S+PMN: 灌咸水后覆膜。CKN: no irrigation with no plastic film mulching as control; S+PMN: saline water irrigation with plastic film mulching.

3 討論

油葵是相對比較耐鹽的淺根系油料作物, 但是出苗及苗期生長仍對鹽脅迫比較敏感。春季咸水灌溉和地膜覆蓋模式可創(chuàng)造春季淡化的土壤耕層, 為油葵播種出苗提供了適宜的土壤低鹽條件。本研究結(jié)果表明, 春季咸水灌溉和地膜覆蓋可以起到降低土體鹽分的作用, 有一定的表層鹽分淋洗的效果, 甚至可以達(dá)到滿足油葵出苗及苗期生長所要求的土壤條件。咸水灌溉和地膜覆蓋相結(jié)合在干旱、半干旱鹽漬區(qū)具有較為廣闊的應(yīng)用前景。然而, 春季咸水灌溉效果與初始土壤含水量有關(guān)。水分在土壤中的入滲剖面受土壤含水量的影響較大, 只有在初始含水量較低時, 水分入滲后在土壤中的分布才具有近似梯形的剖面, 且土壤鹽分大部分在濕潤峰位置積累, 隨著土壤初始含水量的升高, 水分主要通過土壤大孔隙下滲, 大部分集中于小孔隙中的鹽分很難被充分淋洗[19]。馬東豪等[20]研究表明: 土壤含水量越低, 咸水入滲后上層含鹽量越小, 下層含鹽量越大, 土壤鹽分的淋洗效率也就越高。這與本研究結(jié)果基本一致, 在初始土壤含水量較高的小山鄉(xiāng)鹽堿地進(jìn)行春季咸水灌溉和地膜覆蓋后, 僅0~5 cm土層實現(xiàn)了脫鹽, 且脫鹽效率較低; 而在初始土壤含水量較低的海興農(nóng)場, 通過春季咸水灌溉和地膜覆蓋可實現(xiàn)0~60 cm土層的鹽分淋洗, 且0~20 cm土層土壤含鹽量的脫鹽率達(dá)到70%以上, 土壤含鹽量降低至0.2%以下, 實現(xiàn)了作物(油葵)的正常種植。因此, 在春季進(jìn)行咸水灌溉覆膜措施時, 為達(dá)到較好脫鹽效果, 應(yīng)在土壤含水量較低的地點實施咸水灌溉和地膜覆蓋措施。此外, 春季咸水灌溉和地膜覆蓋是基于咸水灌溉水分入滲和地膜覆蓋后土壤水分蒸發(fā)凝結(jié)回流過程實現(xiàn)了, 其中咸水灌溉和地膜覆蓋分別對土壤鹽分淋洗的貢獻(xiàn)率方面仍需要進(jìn)一步定量化的研究。

許多研究結(jié)果均表明高礦化度咸水很難直接利用于農(nóng)業(yè)灌溉[3-5], 但在極端條件下也有與區(qū)域特點相適應(yīng)的高礦化度咸水灌溉的研究。馬學(xué)喜等[22]研究在塔克拉瑪干沙漠用礦化度28 g?L-1的咸水灌溉, 檉柳()依然達(dá)到了75%的成活率, 20 g?L-1的咸水灌溉下成活率則可達(dá)到80%以上; 史培軍等[14]利用海冰的收集、儲藏和融化等實現(xiàn)了海水資源的利用和鹽堿地改良; 郭凱等[15-16]通過冬季咸水結(jié)冰灌溉的方式, 實現(xiàn)了濱海區(qū)高礦化度地下咸水的利用。本研究中, 在濱海區(qū)春季干旱及土壤積鹽高峰期, 通過高礦化度咸水灌溉和地膜覆蓋的方式也可實現(xiàn)表層鹽分的淋洗。此外, 咸水灌溉時, 灌溉水的鹽分與土壤相互作用過程中, 可促進(jìn)土壤絮凝作用、改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤通氣透水性, 隨著灌溉水礦化度的升高, 咸水入滲速度加快[23]。這為地膜覆蓋后蒸發(fā)凝結(jié)在地膜上的淡水提供了良好的入滲條件, 這也是春季高礦化度咸水灌溉和地膜覆蓋對土壤鹽分具有較好淋洗效果的重要原因, 且這一措施實施越早, 越有利于鹽分淋洗。

4 結(jié)論

淡水資源極度匱乏和土壤鹽堿化嚴(yán)重制約了環(huán)渤海地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn), 依據(jù)區(qū)域水資源及氣候特點, 針對該地區(qū)春季季節(jié)性干旱和土壤爆發(fā)式積鹽, 本研究開展了春季咸水灌溉和地膜覆蓋的咸水利用方式的相關(guān)試驗, 試驗結(jié)果表明: 春季咸水灌溉和地膜覆蓋可以在春季有效提高土壤含水量, 降低表層土壤含鹽量。土壤初始含水量對咸水灌溉和地膜覆蓋下的鹽分淋洗效果影響明顯, 且低土壤含水量條件下的鹽分淋洗深度深、脫鹽率高, 同時也可實現(xiàn)淺根系耐鹽作物(油葵)的正常生長。因此, 春季咸水灌溉和地膜覆蓋是濱海區(qū)高礦化度咸水利用和耕層土壤鹽分淋鹽的有效方式, 這為濱海鹽漬區(qū)咸水資源利用提供了的新思路。

但是, 春季咸水灌溉結(jié)合地膜覆蓋是一個復(fù)雜的動態(tài)變化過程, 涉及了氣態(tài)淡水的凝結(jié)回流、水分和鹽分在土壤中的運(yùn)移, 在這個動態(tài)過程中收到諸多因素的影響, 如氣態(tài)淡水蒸發(fā)量、地下水埋深和水質(zhì)、灌溉時間和水量等, 針對以上問題的研究仍需進(jìn)一步完善。

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Effect of plastic film mulch on soil moisture and salt dynamics under saline water irrigation in coastal saline soils*

LIU Haiman1,2, GUO Kai1, LI Xiaoguang1,2, LIU Xiaojing1**

(1. Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Filed experiments were conducted to study the dynamics of soil moisture and salt under saline water irrigation and plastic film mulching in coastal saline soils in spring in Haixing County, Hebei Province. Two field sites were selected ― Xiaoshan Town with original soil moisture content ≥20% and Haixing Farm with original soil moisture content <20%. A total of 6 treatments were designed for Xiaoshan Town, involved saline water irrigation at March 29thand April 13thwith and without plastic film mulching, and plastic film mulching only, with no irrigation without plastic film mulching as the control. The treatments in Haixing Farm were CKN (no irrigation without plastic film mulching) and SE+PMN (saline water irrigation with plastic film mulching). The irrigation water was ponded from the drainage ditch along the field with salinity of 12.12g?L-1and 11.53 g?L-1for Xiaoshan Town and Haixing Farm, respectively. The irrigation amount was 180 mm in both sites. Oil sunflower was planted after irrigation. Results showed that soil salt content in plough layer significantly reduced under saline water irrigation and plastic film mulching. The earlier the application of the treatment, the better the salt leaching effect obtained. Moreover, salt leaching effect was affected by the original soil water content. A better salt leaching effect was observed in Haixing Farm, and the average salt leaching depth was 40 cm. This ensured the normal growth of oil sunflower, with germination rate and yield of 73.9% and 920 kg?hm-2, respectively. Soil salt content decreased from 1.93% before irrigation to 0.32% at harvest stage of oil sunflower, with mean salt leaching rate of 84.07%. For the Xiaoshan Town experimental site, however, water was infiltrated through soil macro-pores and it was difficult for salt to leach out from soil micro-pores. Thus water infiltration at the rate of saturated hydraulic conductivity, which led to slow leaching rate and shallower leaching depth of soil salt. High soil salinity was maintained at sowing of oil sunflower limited its’ normal growth and therefore no yield was obtained. In the research, soil salinity in plough layer reduced effectively through saline water irrigation and plastic film mulching in spring. This provided a suitable soil water and lower salinity for the normal germination of crops in coastal saline soils.

Coastalsaline soil; Saline water irrigation; Plastic film mulching; Dynamic of soil water and salt

, E-mail: xjliu@sjziam.ac.cn

Jan. 1, 2017;

May 14, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170037

S156.4+2

A

1671-3990(2017)12-1761-09

劉小京, 主要研究方向為鹽漬地區(qū)水土高效利用。E-mail: xjliu@sjziam.ac.cn

劉海曼, 主要研究方向為鹽漬地區(qū)水土高效利用。E-mail: 18633073945@163.com

2017-01-01

2017-05-14

* This research was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFC0501308) and the Science and Technology Service Network Initiative of Chinese Academy of Sciences (KFJ-SW-STS-141-04-1, KFJ-STS-ZDTP-001-03).

* 國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0501308)和中國科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計劃項目(KFJ-SW-STS-141-04-1, KFJ-STS-ZDTP-001-03)資助