水分調(diào)控降低鹽分對夏玉米的影響*

梁碩碩, 房 琴, 閆宗正, 路 楊, 邵立威

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水分調(diào)控降低鹽分對夏玉米的影響*

梁碩碩1,2, 房 琴1,2, 閆宗正1,2, 路 楊1,2, 邵立威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/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室 石家莊 050022; 2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

環(huán)渤海低平原冬小麥夏玉米一年兩作種植系統(tǒng)中, 冬小麥季微咸水灌溉造成土壤含鹽量增加, 影響下茬玉米正常出苗。通過水分調(diào)控消減根層土壤鹽分是有效可行的途徑, 并利于冬小麥夏玉米一年兩作的微咸水安全利用。該研究通過盆栽與田間試驗相結(jié)合的方法, 研究玉米出苗對土壤水鹽閾值的響應(yīng)以及玉米播后灌水對出苗、生長、根層水鹽和產(chǎn)量的影響。盆栽試驗結(jié)果表明: 1)玉米在低土壤鹽分含量(全鹽含量0.8 g·kg–1)下, 60%田間持水量即可達到正常出苗; 2)在高土壤鹽分含量(全鹽含量3.5 g·kg–1)下, 出苗時間延長, 出苗率降低; 3)土壤鹽分對出苗的影響, 隨著土壤含水量降低而越趨嚴重。因此在較高的鹽分條件下, 維持出苗期間一定土壤含水量, 更利于緩解土壤鹽分對玉米出苗的影響。大田試驗中灌溉水鹽分梯度為淡水(對照)、3 g·L–1、4 g·L–1和5 g·L–1。田間試驗結(jié)果表明: 1)隨著灌溉水鹽分濃度增加冬小麥收獲時0~20 cm土壤鹽分含量明顯增加; 2)淡水、3 g·L–1、4 g·L–1和5 g·L–1灌溉冬小麥, 收獲期0~20 cm土壤鹽分含量分別為1.0 g·kg–1、1.3 g·kg–1、1.6 g·kg–1、2.0 g·kg–1; 3)夏玉米播種后立即灌溉一次75 mm淡水, 玉米出苗期耕層土壤含水量維持在田間持水量的70%以上, 土壤含鹽量下降到1.0 g·kg–1左右, 夏玉米生長進程和產(chǎn)量不受影響。2年(2015年和2016年)淡水、3 g·L–1、4 g·L–1和5 g·L–1微咸水拔節(jié)期灌溉冬小麥, 下茬夏玉米產(chǎn)量分別為9 510.4 kg·hm–2、9 913.6 kg·hm–2、9 910.6 kg·hm–2、9 986.0 kg·hm–2和9 621.8 kg·hm–2、9 455.3 kg·hm–2、9 460.2 kg·hm–2、9 221.4 kg·hm–2, 產(chǎn)量差異不顯著。考慮該地區(qū)降水的時間分布, 與玉米生長同期的充足夏季降水的淋洗作用, 微咸水灌溉小麥的積鹽可得到很好淋洗。因此, 該地區(qū)在冬小麥生長季實施不超過5 g·L–1微咸水灌溉, 利用冬小麥夏玉米關(guān)鍵生育期水分調(diào)控, 可消減微咸水灌溉土壤鹽分積累對玉米出苗影響, 結(jié)合夏玉米出苗水管理和雨季淋鹽, 實現(xiàn)周年穩(wěn)產(chǎn)和水鹽平衡, 根層土壤不積鹽。

冬小麥-夏玉米; 微咸水灌溉; 土壤鹽分積累; 玉米出苗率; 鹽分淋洗

環(huán)渤海低平原是我國具有重要的糧食增產(chǎn)潛力地區(qū)之一, 冬小麥(L.)-夏玉米(L.)一年兩熟制作為該區(qū)主要的種植制度, 在保障區(qū)域糧食安全方面發(fā)揮重要作用。由于大田灌溉長期過量使用深層地下水, 導(dǎo)致地下水嚴重超采[1]。位于該區(qū)的滄州一帶已經(jīng)形成了世界上最大的兩個地下水漏斗區(qū)[2], 隨著水環(huán)境的進一步惡化, 環(huán)渤海低平原面臨越來越嚴重的淡水資源短缺問題。同時, 該區(qū)廣泛分布2~5 g·L-1的淺層微咸水[3], 面對淡水資源的日益短缺, 合理利用該區(qū)豐富的微咸水資源對于維持糧食生產(chǎn)安全具有重要意義[4]。

在一定的閾值范圍內(nèi), 微咸水灌溉可以促進冬小麥的生長發(fā)育[5], 但是超過一定閾值則會抑制其生長發(fā)育。楊樹青等[6]在蒙古烏拉特旗設(shè)置了5種微咸水的礦化梯度試驗, 確定了小麥的耐鹽閾值為4.5 g·L-1。中國科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗站多年的微咸水灌溉結(jié)果顯示, 冬小麥拔節(jié)期灌溉不超過4 g·L-1的微咸水與使用淡水灌溉相比并不減產(chǎn), 與旱作相比增產(chǎn)12%~31%[7]。不同研究對于小麥耐鹽閾值的界定有所差異, 但均表明小麥屬于較為耐鹽的大田作物, 這種耐鹽性的差異性受品種特性、土壤條件和田間管理等影響。與小麥相比, 玉米的耐鹽閾值低于小麥, 微咸水灌溉對玉米的生長發(fā)育影響更大。兩種作物分別開始減產(chǎn)的土壤飽和溶液的電導(dǎo)率分別為4.0 dS·m-1和1.7 dS·m-1, 減產(chǎn)50%時分別為13.0 dS·m-1和5.9 dS·m-1[8]。陳素英等[9]的研究結(jié)果表明, 拔節(jié)期灌溉2 g·L-1和4 g·L-1微咸水比灌溉淡水產(chǎn)量增加16.7%和7.4%, 但是會使后茬玉米產(chǎn)量減少11.8%和18.8%。上述研究結(jié)果進一步表明, 華北低平原區(qū)冬小麥生長季灌溉微咸水后, 可以促進小麥生長發(fā)育, 不減產(chǎn)或利于增產(chǎn), 但是由于玉米耐鹽能力低, 會導(dǎo)致后茬作物玉米產(chǎn)量降低。小麥微咸水灌溉后上層土壤鹽分積累是影響玉米出苗和苗期生長的主要因素[10]。只要能保障正常的苗情, 隨著玉米生長季夏天多雨季節(jié)來臨, 降水迅速增多, 對累積在土壤的鹽分進行淋洗, 消減了鹽分對玉米后期生長的不利影響。

良好的出苗是玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的前提[11], 土壤水分是影響玉米苗情的重要因素。張麗華等[12]的研究表明, 隨著土壤含水量的提高, 玉米出苗率也顯著增高。每年6月中下旬冬小麥收獲—夏玉米播種的時節(jié), 冬小麥耗水已經(jīng)使土壤含水量達到一年中的低值, 經(jīng)常遇到無充足降水滿足夏玉米出苗的季節(jié)性干旱脅迫, 必須通過灌水才能確保正常出苗。然而, 在冬小麥生長季利用微咸水補充灌溉帶來的土壤鹽分積累, 成為影響夏玉米出苗的又一新因素。土壤水分與鹽分的疊加對夏玉米苗情的影響, 成為影響夏玉米出苗和苗情的更為不確定因素, 是該地區(qū)冬小麥夏玉米周年生產(chǎn)安全利用微咸水補灌急需解決的問題。該研究擬通過不同土壤含鹽量與水分條件的盆栽試驗, 明確根層土壤水鹽過程對玉米出苗和苗情的影響。并通過不同梯度微咸水灌溉冬小麥下茬種植玉米的大田試驗, 驗證苗期水分和鹽分對玉米出苗和苗情及最終產(chǎn)量的影響, 以及對根層土壤積鹽的消減, 為實現(xiàn)冬小麥夏玉米周年微咸水安全與高效利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本研究的盆栽試驗和大田試驗在位于環(huán)渤海低平原區(qū)的中國科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗站(116°40′E, 38°00′N)進行。該站海拔11 m。年平均氣溫為12.3 ℃, 多年平均降水量533 mm。試驗區(qū)土壤類型為輕壤質(zhì)脫鹽潮土, 耕層土壤(0~20 cm)有機質(zhì)15.8 g·kg-1、全氮1.1 g·kg-1、速效氮80.2 mg·kg-1、速效磷26.3 mg·kg-1、速效鉀124.0 mg·kg-1, 田間持水量24.1%, 土壤容重1.35 g·cm-3, 土壤含鹽量0.9 g·kg-1(0~20 cm土層)。

1.2 盆栽試驗

為研究在不同土壤鹽分條件下土壤水分含量對玉米出苗的影響, 本試驗設(shè)置了3個梯度的土壤鹽分含量, 以及各鹽分含量下不同梯度土壤含水量的盆栽試驗。盆栽試驗所用盆直徑32 cm, 高度26 cm。裝盆土壤容重與大田一致, 裝盆用土來自于田間耕層土壤。設(shè)置3個鹽分含量, 分別為0.8 g·kg-1(低鹽)、2.3 g·kg-1(中鹽)和3.5 g·kg-1(高鹽), 中鹽和高鹽土壤通過增加海水粗鹽得到。中鹽和高鹽處理設(shè)置了8個土壤含水量水平, 分別為占田間持水量的55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%和90%。低鹽處理設(shè)置4個水分水平, 分別為55%、65%、75%、85%。每個處理4次重復(fù), 共用盆栽80個。玉米選用‘鄭單958’, 每盆播種9棵, 播種后上面覆蓋小麥秸稈, 減少土壤蒸發(fā), 并盡量與大田情況一致。通過每天稱重加水, 維持所需要的土壤含水量水平。播種后每天記載出苗情況, 在播種后5 d和8 d測定不同土壤全鹽含量下不同土壤水分梯度的出苗率。每隔5 d在每盆中隨機取植株2棵, 用于測定生物量。用剪刀緊貼地表剪去植株, 在烘箱快速殺青, 烘干稱重, 共計取樣4次, 前3次每次取樣2株, 最后一次全部拔除。在第4次取樣時所有玉米植株都取樣測定生物量。

1.3 大田試驗

玉米大田試驗是在2014—2015年和2015—2016年的不同濃度微咸水灌溉上茬冬小麥試驗基礎(chǔ)上進行。冬小麥生長季設(shè)置4個礦化度的微咸水灌溉處理, 每個處理4次重復(fù), 采用隨機區(qū)組設(shè)計, 小區(qū)面積為5 m×4.5 m。相鄰兩個小區(qū)有2 m保護行隔開, 減少相互影響。冬小麥生長季采用春1水灌溉制度, 在拔節(jié)期分別灌溉含鹽量小于1 g·L-1的淡水、含鹽量為3 g·L-1、4 g·L-1和5 g·L-1礦化度的微咸水, 灌水量均為75 mm。淡水來自于深層地下水, 含鹽量0.9 g·L-1, 3 g·L-1、4 g·L-1和5 g·L-1微咸水利用深層淡水添加一定比例的粗海鹽, 在大型蓄水池中均勻混合配制而成。冬小麥收獲后, 取土測定不同處理的鹽分和水分含量。玉米人工播種, 選用‘鄭單958’, 行距60 cm、株距27 cm、密度6.2株·m-2。播種后立即灌溉, 利用深層淡水, 灌水量75 mm。田間75 mm灌水量和冬小麥夏玉米其他管理措施同當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的大田管理相一致。于玉米3葉期和5葉期, 在各處理選取5株長勢均勻, 有代表性的植株, 將其地上部分從莖基部砍下裝入網(wǎng)兜, 放入烘箱殺青(105 ℃)30 min, 然后恒溫(80 ℃)烘干至恒重后測定地上干物質(zhì)量。成熟期測定每個處理夏玉米的密度, 收獲時測產(chǎn), 并取土樣測定土壤鹽分含量。各處理小區(qū)安裝中子管, 利用中子儀測定各生育期土壤含水量, 關(guān)鍵時期輔以人工土鉆取土測定含水量并相互校正。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

試驗數(shù)據(jù)基于SPSS Ver 16.0軟件和Microsoft excel進行計算和作圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分和水分耦合對玉米出苗和生長的影響

盆栽試驗結(jié)果表明(圖1), 播種后5 d, 在低鹽土壤中, 玉米在55%的田間持水量下出苗率達到94%, 在65%、75%和85%田間持水量下出苗率均達到100%。在2.3 g·kg-1的土壤含鹽量下, 55%田間持水量下玉米沒有出苗, 隨著土壤含水量的增加, 出苗率逐漸提高, 在80%田間持水量下達到最大出苗率92%。在3.5 g·kg-1的土壤含鹽量下, 55%田間持水量下玉米沒有出苗, 隨著土壤含水量增加, 出苗率逐漸增加, 在90%田間持水量下, 玉米出苗率達到最大, 僅為50%。同一土壤水分條件下, 隨著土壤含鹽量的增加, 玉米出苗率逐漸降低。播種后8 d玉米的出苗率較播種后5 d都有所增加, 鹽分影響出苗時間。0.8 g·kg-1土壤含鹽量下, 不同土壤水分條件下玉米的出苗率均達到100%; 2.3 g·kg-1土壤含鹽量下, 各梯度含水量下的出苗率均達到90%以上; 3.5 g·kg-1土壤含鹽量下, 80%田間持水量下玉米出苗率達到96%。以上結(jié)果表明, 低含鹽量土壤中, 維持較低的土壤含水量就能保證玉米出苗。隨著土壤含鹽量增加, 不同土壤含水量下的玉米出苗均不同程度受到影響, 土壤含水量越低土壤鹽分對出苗率的影響越大。圖1結(jié)果也顯示, 隨著土壤鹽分的增加, 也降低了玉米出苗速率。對于環(huán)渤海低平原北部夏玉米, 由于生育期短, 鹽分引起的出苗推遲和生育期延遲將對作物生長和產(chǎn)量造成不利影響。

圖1 不同土壤含鹽量和土壤相對含水量對玉米播后5 d和8 d出苗率的影響

不同小寫字母表示不同處理間0.05水平差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences among treatments at 0.05 level.

不同土壤含鹽量和土壤水分明顯地影響玉米苗期生物量(圖2), 同一水分條件下, 不同土壤含鹽量對玉米苗期的生物量有較大影響[13]。3.5 g·kg-1處理的玉米生物量最低, 其次為2.3 g·kg-1處理, 0.8 g·kg-1處理的玉米生物量最高, 并且3.5 g·kg-1和2.3 g·kg-1處理下玉米生物量顯著低于0.8 g·kg-1處理。但隨著土壤水分增加, 不同鹽分處理的生物量差異有縮小趨勢。在低鹽條件下, 65%以上的田間持水量就能維持玉米穩(wěn)定生長; 而在中鹽和高鹽條件下, 高的土壤水分更利于玉米出苗和生育。在中鹽條件下, 土壤水分從70%增加到85%的田間持水量, 顯著促進了玉米生長, 到85%田間持水量達到最高水平。在高鹽條件下, 土壤水分從70%增加到80%的田間持水量顯著促進玉米生長, 而隨著土壤水分再增加, 玉米幼苗生長反而得到抑制。以上結(jié)果顯示, 當(dāng)玉米受一定的土壤鹽分積累脅迫, 維持適當(dāng)土壤水分條件, 可消減土壤鹽分對玉米出苗和生育的不利影響, 過低的土壤水分條件明顯抑制出苗, 土壤水分達到一定閾值后不再促進出苗率的提高。

圖2 玉米在不同土壤含鹽量和含水量條件下的苗期生物量差異

不同小寫字母表示不同處理間0.05水平差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences among treatments at 0.05 level.

2.2 冬小麥季微咸水灌溉對玉米播種期土壤鹽分的影響

如圖3所示, 冬小麥拔節(jié)期灌溉淡水、3 g·L-1、4 g·L-1和5 g·L-1微咸水后, 土壤表層(0~20 cm)的含鹽量隨著灌溉水礦化度的增加而增加。冬小麥灌溉淡水后的土壤含鹽量較低, 灌溉3 g·L-1、4 g·L-1和5 g·L-1的微咸水后, 土壤含鹽量逐步上升, 最高5 g·L-1微咸水灌溉后2年的土壤含鹽量分別為2.0 g×kg-1和1.7 g×kg-1。冬小麥拔節(jié)期灌溉微咸水后對夏玉米播種期的土壤鹽分影響明顯, 受地下水壓采限制, 冬小麥生育期實施限水灌溉(拔節(jié)期灌溉1水), 收獲時耕層土壤含水量接近凋萎濕度。在如此嚴重的土壤水分虧缺條件下播種下茬玉米, 播種后必須實施1次灌水, 才能夠保證玉米正常出苗和生長。當(dāng)土層超過40 cm時, 土壤鹽分呈現(xiàn)下降的趨勢。表明冬小麥收獲夏玉米播種時節(jié), 土壤鹽分主要積累在0~40 cm土層, 這一結(jié)論與陳素英等[14]的研究結(jié)論一致。從圖3中可以看出兩年試驗的最大土壤含鹽量均不超過2 g·kg-1中鹽水平, 根據(jù)盆栽試驗結(jié)果, 在中鹽水平下, 當(dāng)土壤含水量達到田間持水量85%水平時, 可以保證玉米的正常出苗和生長。圖4是2015年和2016年夏玉米播種后, 按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民灌水習(xí)慣, 灌溉1次75 mm出苗水后, 不同土層含鹽量的變化。與圖3結(jié)果相比, 玉米在灌溉出苗水以后，0~20 cm土層的含鹽量較冬小麥收獲后有了很大程度的降低, 淋鹽效果明顯, 為玉米出苗創(chuàng)造了更為適宜的出苗環(huán)境。

圖3 2015年和2016年冬小麥收獲后不同礦化度微咸水灌溉下不同深度土壤含鹽量

圖4 2015年和2016年冬小麥不同礦化度微咸水灌溉下夏玉米灌溉出苗水后不同深度土壤的含鹽量

2.3 夏玉米灌溉出苗水前后不同土層含水量的變化

圖5是小麥收獲后和玉米灌溉出苗水后, 不同土層土壤含水量的變化。從圖中可以得出, 在灌溉出苗水后不同微咸水灌溉處理后的土壤表層含水量均有了明顯的增加。可以為玉米出苗提供充足的水分, 確保玉米的出苗率, 對表層土壤鹽分的淋洗也起到了一定作用。

2.4 微咸水灌溉冬小麥對后茬夏玉米早期生長的影響

圖6是2015—2016年冬小麥灌溉淡水、3 g·L-1、 4 g·L-1和5 g·L-1微咸水后, 對后茬夏玉米早期生物量(分別于3葉期和5葉期取樣)的影響。3葉期玉米單株生物量的變化范圍為0.12~0.17 g, 處理間差異不顯著。5葉期玉米單株生物量變化范圍為1.34~1.76 g, 獲得最大生物量的為冬小麥生長季灌溉淡水的處理, 最小生物量的是冬小麥生長季灌溉5 g·L-1的處理, 統(tǒng)計處理間差異不顯著。由此可見, 小麥生長季拔節(jié)期灌溉一次淡水或者灌溉3 g·L-1、4 g·L-1、5 g·L-1的微咸水后對下茬作物玉米的早期生物量影響不顯著。

a: 2015年冬小麥收獲后土壤含水量; b: 2015年夏玉米灌溉出苗水后土壤含水量; c: 2016年冬小麥收獲后土壤含水量; d: 2016年夏玉米灌溉出苗水后土壤含水量。a: soil moisture content of winter wheat after harvest in 2015; b: soil moisture content after irrigating the emergence water of summer maize in 2015; c: soil moisture content after winter wheat harvest in 2016; d: soil moisture content after irrigating the emergence water of summer maize in 2016.

圖6 冬小麥拔節(jié)期不同礦化度微咸水灌溉對夏玉米苗期生物量的影響

不同小寫字母表示不同處理間0.05水平差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences among treatments at0.05 level.

2.5 微咸水灌溉冬小麥后對后茬玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響

圖7 a是2015年和2016年上茬冬小麥拔節(jié)期灌溉淡水、3 g·L-1、4 g·L-1、5 g·L-1微咸水后, 對夏玉米成熟期穗數(shù)的影響。由圖可見, 2015年冬小麥生長季灌溉微咸水后, 夏玉米穗數(shù)變化范圍為58 461~60 920穗·hm-2, 各處理之間差異不顯著, 并且4 g·L-1的微咸水灌溉后的夏玉米穗數(shù)達到最大, 為60 920穗·hm-2。2016年, 夏玉米穗數(shù)的變化范圍為55 667~58 417穗·hm-2, 處理之間差異也不顯著。研究結(jié)果顯示冬小麥微咸水灌溉后, 玉米出苗水的灌溉消減了鹽分對玉米出苗的影響, 對玉米最后成穗數(shù)不產(chǎn)生明顯影響。

圖7 b是冬小麥灌溉不同礦化度微咸水對后茬玉米產(chǎn)量的影響。2015年, 冬小麥生長季4個灌溉處理后的下茬玉米產(chǎn)量變化范圍為9 510~9 986 kg·hm-2, 其中小麥拔節(jié)期灌溉5 g·L-1微咸水后, 夏玉米獲得了最高產(chǎn)量, 為9 986 kg·hm-2, 各處理間產(chǎn)量差異未達到顯著水平。2016年, 4個處理對應(yīng)產(chǎn)量變化范圍為9 221~9 622 kg·hm-2, 冬小麥拔節(jié)期灌溉淡水后, 夏玉米獲得了最高產(chǎn)量9 622 kg·hm-2, 各處理間也未達到顯著水平。與淡水處理相比較, 最高礦化度5 g·L-1處理2015年玉米產(chǎn)量提高476 kg·hm-2, 2016年卻降低401 kg·hm-2。進一步說明微咸水灌溉冬小麥的積鹽沒有對玉米產(chǎn)量造成不利影響。

圖7 冬小麥不同礦化度微咸水灌溉對玉米穗數(shù)(a)、產(chǎn)量(b)的影響

不同小寫字母表示不同處理間0.05水平差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences among treatments at 0.05 level.

2.6 玉米生長季土壤水分和鹽分變化

2015年和2016年夏玉米播種前和收獲后的土壤含水量和鹽分含量發(fā)生明顯變化(圖8)。如圖所示, 兩年試驗, 玉米播種前的土壤含水量較低, 為了保證出苗, 玉米播種后需要進行一次灌溉。玉米收獲后土壤含水量高于播種前的土壤含水量, 且土壤的含水量隨著土壤深度的增加而呈增加趨勢。說明隨著夏季的集中降雨, 對冬小麥生長期間灌溉微咸水積累的土壤表層鹽分進行了充分淋洗, 達到了洗鹽的效果。從土壤的含鹽量變化也可以明顯得知, 玉米收獲時的含鹽量明顯低于小麥收獲時含鹽量, 說明玉米生長季雨熱同期氣候條件降水量的淋洗, 使得土壤鹽分含量未達到玉米生長耐鹽的閾值, 達到鹽分淋洗作用, 保持微咸水灌溉下土壤鹽分平衡。

圖9是試驗區(qū)60多年來的年降雨量和夏季降雨量的變化趨勢, 多年平均降雨量為504.8 mm, 其中夏季多年平均降雨量為373.6 mm, 夏季降雨量占全年降雨量的74%。根據(jù)陳秀玲等[15]的研究, 在河北省滄州地區(qū), 小麥季微咸水灌溉累積的鹽分主要靠夏季降雨的淋洗, 當(dāng)一次降雨量大于25 mm時可以達到淋洗的效果[13], 且夏季降雨大于300 mm時基本可以達到水鹽平衡。根據(jù)60多年的觀測數(shù)據(jù), 試驗區(qū)夏季多年平均降水量遠遠超出300 mm?？紤]降水的變率, 67%的年份夏季降雨量大于300 mm, 最大超過800 mm, 長期與短期綜合來看, 土壤基本可以達到脫鹽條件。

圖9 河北省南皮縣1954—2016年降雨量變化

3 討論和結(jié)論

本研究以盆栽試驗研究了不同土壤含鹽量和不同土壤含水量對玉米的出苗率和早期生物量的影響。在盆栽試驗基礎(chǔ)上, 大田試驗進一步證明冬小麥生長季灌溉微咸水后帶來土壤鹽分增加, 通過灌溉出苗水調(diào)控土壤水分和減輕鹽分脅迫對玉米生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響。盆栽試驗結(jié)果表明, 在土壤含鹽量增加到2.3 g·kg-1和3.5 g·kg-1水平時, 明顯地影響了玉米的出苗, 土壤鹽分越高, 影響越大。當(dāng)玉米出苗受較高土壤含鹽量抑制時, 土壤水分條件的改善, 不同程度地消減或消除鹽分增加對出苗的抑制。如試驗結(jié)果所示, 在中高土壤鹽分條件下, 玉米的出苗率隨著土壤含水量的增加逐漸提高, 一定的鹽分與水分閾值并不影響出苗率。當(dāng)土壤含鹽量為3.5 g·kg-1時, 即使土壤含水量再提高, 其出苗率最高不會超過80%。土壤的含鹽量越大, 鹽分對于玉米苗期的脅迫作用越強, 對玉米出苗的抑制作用也越明顯, 超過一定閾值時, 這種影響很難通過其他條件的改善而發(fā)生逆轉(zhuǎn)。鄭九華等[16]的研究結(jié)果也表明玉米出苗明顯受土壤鹽分制約。究其原因, 一方面土壤中積累的較多的鹽分對種子的滲透吸水造成不利影響, 并且含鹽量越高, 鹽分的脅迫作用就會越強; 另一方面是因為離子的毒害作用, 造成萌發(fā)中的種子膜細胞受損[17]。各種脅迫對玉米出苗的影響, 首先延緩了種子的萌芽與出苗, 進而直接損害出苗, 降低出苗率。研究結(jié)果也表明, 不同的脅迫梯度對玉米出苗影響最明顯的是播后5 d, 當(dāng)?shù)讲ズ? d已經(jīng)出苗, 這種差異逐步消失。但當(dāng)脅迫超出一定閾值時, 隨著脅迫的加重, 出苗率明顯降低。

進一步分析可知, 玉米的出苗明顯受土壤鹽分和水分的抑制, 這種影響可能延伸到生長發(fā)育進程中。隨著土壤含鹽量增加, 苗期玉米的生物量逐漸降低, 這是由于土壤含鹽量大, 對玉米的脅迫作用加強, 對玉米生長的抑制作用明顯。以往研究顯示, 土壤的含鹽量小于3.5 g·kg-1, 隨著礦化度增加影響根系吸水, 抑制地上生物量生長[17]。盆栽結(jié)果也表明, 鹽分對玉米出苗的抑制作用, 雖然在出苗率上沒有明顯差異, 但生物量差異更為顯著。在保證了完全出苗的情況下, 如果不能盡快消減這種不利影響, 隨生育期延伸, 必定會造成減產(chǎn)。在受鹽分脅迫的一定土壤鹽分含量, 土壤含水量越高則玉米生物量越大。這是因為含水量高的情況下會對土壤的鹽分具有一定稀釋和淋洗作用, 創(chuàng)造了更為適宜的根土環(huán)境, 利于對養(yǎng)分水分的利用。農(nóng)彥道“有錢買水, 沒錢買苗”, 在保證全苗的前提下, 更為重要的是壯苗和正常生育進程不再受鹽分抑制, 保證夏玉米生產(chǎn)。

在大田試驗中, 冬小麥拔節(jié)期分別灌溉淡水、 3 g·L-1、4 g·L-1和5 g·L-1微咸水, 冬小麥收獲后發(fā)生了明顯的鹽分積累, 同時也形成嚴重的土壤干旱。最高的5 g·L-1微咸水灌溉冬小麥, 收獲期土壤含鹽量均不超過2 g·kg-1的中鹽水平, 根層土壤含水量接近凋萎系數(shù), 在沒有及時降雨來臨情況下, 成為制約夏玉米播種與出苗的首要問題。按當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣, 為了解決這一問題, 夏玉米播種后應(yīng)及時灌溉75 mm左右的淡水。根據(jù)盆栽試驗結(jié)果, 在中鹽水平下, 當(dāng)土壤含水量達到田間持水量85%時, 可以保證玉米正常出苗和生長。夏玉米播后75 mm的灌水, 有效地降低因為冬小麥灌溉微咸水造成的土壤鹽分升高對玉米的不利影響。從玉米苗期生物量來看, 前茬冬小麥不同微咸水灌溉并沒有造成很大的差異?；谝陨系难芯靠梢缘贸? 在當(dāng)前河北低平原淡水資源缺乏、微咸水資源豐富的背景下, 利用小于5g·L-1的微咸水灌溉冬小麥, 不僅可以維持產(chǎn)量而且可以節(jié)約1次淡水灌溉, 這一研究結(jié)果與李佳等[18]、張喜英等[19]的研究結(jié)論相一致。在冬小麥的關(guān)鍵生育期——拔節(jié)期灌溉1次不超過5g·L-1的微咸水, 在夏玉米播種后灌溉1次75 mm的淡水, 可以將上層積累的鹽分淋洗到夏玉米的耐鹽閾值下, 不影響夏玉米的出苗和發(fā)育, 并為玉米出苗提供水分條件。

冬小麥夏玉米周年生產(chǎn)實施微咸水安全利用, 除了大田夏玉米安全出苗問題, 另一重要問題是鹽分在根層積累和淋失過程的根層土壤安全。夏玉米生長季處于雨熱同期的夏季, 是該地區(qū)降雨最為集中和豐富的季節(jié), 多年平均降水量超過500 mm, 其中玉米生長的夏季多年平均降雨量達到370 mm以上。以往研究表明, 當(dāng)一次降雨量大于25 mm時可以達到淋洗鹽分的效果[13], 且夏季降雨大于300 mm時基本可以達到水鹽平衡。該地區(qū)多年平均夏季降雨量遠遠超過300 mm, 同時夏季降雨量超過300 mm的降雨年份達到67%。即便不考慮經(jīng)常的淡水灌溉, 長期來看, 完全可以實現(xiàn)水鹽平衡過程的根層土壤安全。因此, 在嚴重淡水資源匱乏的低平原, 利用微咸水灌溉小麥, 夏玉米出苗的灌溉水可以消減冬小麥季微咸水灌溉后土壤積鹽對玉米的不利影響, 結(jié)合玉米季節(jié)夏季集中降水, 實現(xiàn)土壤鹽分淋洗, 使冬小麥夏玉米一年兩季微咸水安全利用成為可能。

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Moisture control reduces soil salt effect on summer maize*

LIANG Shuoshuo1,2, FANG Qin1,2, YAN Zongzheng1,2, LU Yang1,2, SHAO Liwei1**

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

Winter wheat-summer maize double cropping system is the main planting pattern in the Low Plain around Bohai Sea of China, where fresh water is in serious shortage but with sufficient brackish water resources. Rational utilization of salt water resources is great significance for food safety in the area. However, brackish water irrigation of winter wheat caused salt accumulation in the upper soil which affected summer maize seedling emergence. Regulated water management was an effective and feasible way of reducing the negative effects of salinity, which was also beneficial for salt water irrigation in the double cropping system. In this study, a combination of pot and field experiments was conducted. The pot experiment consisting of 3 soil salinities [0.8 g?kg-1(low salt content), 2.3 g?kg-1(medium salt content) and 3.5 g?kg-1(high salt content)] and 4 (for low salt content,) or 8 (for medium and high salt water content) water contents (55%-85% of field capacity) were used to test the response of maize seedling emergence to soil water and salt contents. In the field experiment, salt water with different salinities [0 (CK), 3 g?L-1(SWT1), 4 g?L-1(SWT2) and 5 g?L-1(SWT3)] was used to irrigate winter wheat at jointing stage to determine the effect of salt accumulation due to salt water irrigation and desalinization by irrigation / precipitation on maize growth and grain yield. The pot experiment results showed that 60% of field capacity supported normal seedling emergence under low soil salinity (0.8 g·kg-1). In high soil salinity (3.5 g·kg-1), seedling emergence was prolonged and the rate of emergence reduced. The effect of soil salinity on seedling emergence became serious with decreasing soil moisture content. Under high salinity conditions, high level of soil moisture alleviated the adverse effects of soil salinity on maize seedling emergence. Field experiment (in 2015 and 2016) results showed that with increasing salt concentration of irrigation water, soil salt content in the 0–20 cm soil layer increased significantly at winter wheat harvest period, with soil salt contents of 1.0 g·kg-1(CK), 1.3 g·kg-1(SWT1), 1.6 g·kg-1(SWT2) and 2.0 g·kg-1(SWT3). After summer maize sowing, an irrigation of 75 mm fresh water kept water content in the plough layer at 70% field capacity, and reduced soil salt content to 1.0 g·kg-1, which was not significantly affected the growth and yield of summer maize. Yields of summer maize were 9 510.4 kg·hm-2(CK), 9 913.6 kg·hm-2(SWT1), 9 910.6 kg·hm-2(SWT2) and 9 986.0 kg·hm-2(SWT3) in 2015, and 9 621.8 kg·hm-2(CK), 9 455.3 kg·hm-2(SWT1), 9 460.2 kg·hm-2(SWT2) and 9 221.4 kg·hm-2(SWT1) in 2016 under salt water irrigation of winter wheat at jointing stage. Considering the temporal distribution of precipitation and the salt leaching of sufficient summer rainfall in the same season of summer maize growth, the effect of soil salt accumulation in winter wheat season on summer maize growth was avoidable. Therefore, irrigation of salt water with less than 5 g·L-1salinity at winter wheat jointing stage was safe for the succeeding crop, summer maize. The resonable water managements at key growth stages of winter wheat and summer maize simultaneously stabilized crops annual yield and water-salt balance under brackish water irrigation.

Winter wheat-summer maize cropping system; Brackish water irrigation; Soil salt accumulation; Maize emergency rate; Salt leaching

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

Jan. 19, 2018;

May 15, 2018

10.13930/j.cnki.cjea.180095

S158.2

A

1671-3990(2018)09-1388-10

邵立威, 主要從事作物水分高效利用研究。E-mail: liweishao@sjziam.ac.cn 梁碩碩, 主要從事農(nóng)田節(jié)水機理與技術(shù)研究。E-mail: liangshuoshuo16@mails.ucas.ac.cn

2018-01-19

2018-05-15

* This research was supported by the Science and Technology Service Network Initiative of Chinese Academy of Sciences (KFJ-STS-ZDTP-001).

* 中國科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計劃(STS計劃)項目(KFJ-STS-ZDTP-001)資助

梁碩碩, 房琴, 閆宗正, 路楊, 邵立威. 水分調(diào)控降低鹽分對夏玉米的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 26(9): 1388-1397

LIANG S S, FANG Q, YAN Z Z, LU Y, SHAO L W. Moisture control reduces soil salt effect on summer maize[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(9): 1388-1397