微咸水膜下滴灌對土壤水鹽分布及加工番茄產(chǎn)量的影響

楊文杰,王振華,2，任作利,2，蔣宇新,2,賈哲誠,2，陳瀟潔,2

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2. 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點實驗室，新疆 石河子 832000)

隨著我國人口的增加和國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水資源短缺已成為制約我國經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸[1]。據(jù)統(tǒng)計，中國地下微咸水分布區(qū)的面積約53.92萬km2，這些區(qū)域地下微咸水資源總量約為200億m3·a-1，其中可開采量為130億m3·a-1[2]；西北地區(qū)地下微咸水資源為88.6億m3·a-1，可開采量為42.390億m3·a-1，其中新疆最高，為17.24億m3·a-1，占西北內(nèi)陸區(qū)微咸水開采量的40.7%[3]。新疆地處我國西北，屬于典型的干旱缺水地區(qū)，其水資源供需矛盾突出，農(nóng)業(yè)用水量占水資源使用總量的比例達(dá)到90%[4]，使用微咸水進(jìn)行灌溉已成為彌補淡水資源短缺的一個重要途徑[5]。目前，膜下滴灌是一種可充分開發(fā)利用微咸水的方式，其采用少量多次原則(灌水頻率高、灌水流量少)，不僅可以大大減少棵間蒸發(fā)，而且在高頻少量的淋洗作用下，可以為作物主根區(qū)提供一個良好的水鹽環(huán)境，促進(jìn)作物良好生長[6]；另一方面，滴灌可以使作物根區(qū)土壤保持較優(yōu)的水分條件，土壤基質(zhì)勢很高，彌補了鹽漬土中因鹽分存在而降低的土壤溶質(zhì)勢，使得土壤總水勢維持在較高的水平，有利于作物根系對水分的吸收。但微咸水灌溉會增加土壤的鹽分，使耕層的土壤含鹽量超過作物的耐鹽度，進(jìn)而影響作物的生長[7-9]。

加工番茄種植主要集中在新疆，逐漸發(fā)展到內(nèi)蒙、甘肅、寧夏等地，特點是矮化自封頂，對鹽分較敏感。Pasternak[10]研究發(fā)現(xiàn)使用微咸水灌溉玉米，經(jīng)過兩年灌溉之后土壤鹽分主要集中分布在0～30 cm土壤中。Eggleton M[11]認(rèn)為鹽分累積多少與灌溉水的含鹽量和灌水量有關(guān)，鹽分累積深度與灌水制度、灌水方式等密切相關(guān)。在以色列進(jìn)行的咸水滴灌番茄的試驗表明，咸水滴灌產(chǎn)量與優(yōu)質(zhì)水滴灌的產(chǎn)量相近[12]。喬冬梅等[13]利用大型蒸滲儀研究表明：采用礦化度小于4 g·L-1的微咸水進(jìn)行灌溉，在作物整個生長周期內(nèi)，沙壤土100 cm 以內(nèi)土體不會形成鹽分積累現(xiàn)象。萬書勤等[14]在華北半濕潤地區(qū)對番茄進(jìn)行微咸水滴灌試驗，結(jié)果表明：番茄緩苗階段后用EC<5 dS·m-1的微咸水灌溉對番茄的生長和產(chǎn)量是安全的。此外，雷霆武[15]、李金剛[16]、 陶君[17]等對微咸水灌溉蜜瓜、玉米、辣椒都有研究。這些研究主要集中在棉花、玉米等大田作物和蜜瓜、辣椒等溫室栽培作物，而對大田種植番茄的研究較少，且一些研究主要局限于單因素灌水定額、礦化度對番茄各項指標(biāo)的影響。本文通過微咸水膜下滴灌加工番茄試驗，研究不同灌水定額和不同礦化度水平對土壤水鹽的分布及加工番茄生長、產(chǎn)量的影響，以期將膜下滴灌與微咸水灌溉更好地結(jié)合，為膜下滴灌經(jīng)濟(jì)作物合理利用微咸水提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年4—10月在新疆烏魯木齊市頭屯河區(qū)第十二師兵團(tuán)中心灌溉試驗基地(87°22′E，43°59′N)進(jìn)行。該地區(qū)位于新疆準(zhǔn)格爾盆地南緣天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的中心，屬于中溫帶干旱區(qū)氣候，年均氣溫8.1℃，無霜期167 d；年降水量為225 mm，年日照時數(shù)為2 680 h，年蒸發(fā)量1 437 mm。試驗地土壤質(zhì)地屬中壤土，0～100 cm土層平均容重及田間持水率分別為1.62 kg·m-3和24.8%，土壤有機質(zhì)平均含量為26.8 g·kg-1，土壤初始鹽分平均含量為1.0 g·kg-1，土壤溶液(水土比為5∶1)電導(dǎo)率為0.3 dS·m-1。

1.2 試驗處理及設(shè)計

加工番茄品種選用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)品種“屯河9號”，種植方式為當(dāng)?shù)氐湫偷钠饓鸥材ぴ耘嗄Ｊ剑荒晒軆尚?，膜?0 cm，毛管間距40 cm，番茄幼苗按單穴單株定植在壟的兩側(cè)，行距40 cm，株距40 cm。選用新疆天業(yè)有限公司生產(chǎn)的單翼迷宮式滴灌帶，外徑16 mm，壁厚0.30 mm，滴頭間距30 cm，滴頭流量1.8 L·h-1。將塑料地膜埋入地下60 cm深，以降低相鄰試驗處理之間水肥相互滲透對試驗研究的影響。

本試驗根據(jù)北疆地區(qū)不同含水層微咸水離子成分，在第十二師農(nóng)場淺井淡水(EC=1.1 dS·m-1)的基礎(chǔ)上，灌溉水由試驗基地井水和化學(xué)藥品NaHCO3、Na2SO4、NaCl、CaCl2、MgCl2按質(zhì)量比例為1∶8∶8∶1∶1配制而成，對加工番茄進(jìn)行灌溉。根據(jù)文獻(xiàn)和當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝管理，設(shè)定灌水定額和礦化度兩個因素，采用二因素三水平完全處理。灌水定額設(shè)高水611 m3·hm-2(W1)，中水458 m3·hm-2(W2)，低水305 m3·hm-2(W3)三個灌水水平，加工番茄生育期灌水次數(shù)為8次；灌溉水礦化度設(shè)1、3 g·L-1和5 g·L-1三個水平，共9個處理，每個處理設(shè)定三次重復(fù)。小區(qū)總面積500 m2，每個小區(qū)長20 m，寬2.5 m，試驗處理見表1。

表1 試驗不同處理設(shè)計方案

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤含水率的測定 土壤含水率采用益墑GPRS型無線傳輸土壤水分傳感器(益盟電子有限公司，邯鄲)監(jiān)測0～100 cm的土壤水分動態(tài)，每10 cm為一層，數(shù)據(jù)采集間隔時間為1 h；在作物每個生育期末取土，采用烘干法對土壤水分傳感器進(jìn)行標(biāo)定，取土深度分別為0、10、20、30、40、60、80 cm和100 cm。土壤水分傳感器分別布置在各小區(qū)膜下(水平方向距離滴灌帶15 cm處)、滴灌帶下和裸地，每個小區(qū)布置三組傳感器。

1.3.2 土壤鹽分的測定 播前、灌水前后及加工番茄收獲后，運用土鉆采取土樣，將采集的土壤樣品帶回實驗室烘干后，利用水∶土為5∶1配置浸提液，震蕩30 min后靜置24 h，用上海雷磁DDS-11A數(shù)顯式電導(dǎo)率儀測定浸提液電導(dǎo)率，換算成含鹽量[18]。

1.3.3 生長指標(biāo)測定 加工番茄共分為5個生育期：苗期、開花期、坐果期、紅熟期、拉秧期。在每個生育期末，每小區(qū)隨機選擇9株，從植株基部用卷尺測量株高，莖粗用電子游標(biāo)卡尺測量并采用十字交叉法讀數(shù)，并取其平均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

基于Excel 2016進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)處理與計算分析，采用Origin 9.0進(jìn)行作圖，應(yīng)用Spss20.0-Duncan’s法檢驗處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 微咸水膜下滴灌加工番茄土壤水分變化規(guī)律

膜下滴灌是以點水源擴(kuò)散的形式由地面向作物根系分布范圍的土壤中頻繁灌水，滴灌條件下土壤水鹽遷移過程所形成的濕潤體，是以點水源為中心的一個半橢球體或半球體[19]。本文以加工番茄坐果前期2018年7月9日灌水48 h后測得的土壤各層重量含水率為例，來說明微咸水膜下滴灌加工番茄土壤水分水平和垂直分布狀況，如圖1所示。

從圖1可以看出，灌水礦化度為1 g·L-1時，三個處理(S1W1、S1W2、S1W3)垂直方向的變化趨勢基本相同，均隨著土壤深度(0～100 cm)的增加，土壤含水量逐漸增大。其中，0～30 cm深度范圍內(nèi)，S1W3處理土壤含水量最大，S1W2處理次之，S1W1處理最低；30～80 cm深度范圍內(nèi)，S1W2處理滴頭處以及距離滴頭15 cm處土壤含水量最大，S1W3處理次之，S1W1處理最低；80～100 cm深度范圍內(nèi)，S1W2處理與S1W3處理土壤含水量相差較小，而與S1W1處理相差較大。三個處理的土壤含水量在水平方向的分布差異較大，但水平方向總體表現(xiàn)為距離滴灌帶越近，土壤含水量越大，其中S1W1處理距離滴灌帶20 cm、土壤深度70～90 cm處土壤含水量最大。

從圖1可知，灌水礦化度為3 g·L-1時，三個處理(S2W1、S2W2、S2W3)垂直方向的變化趨勢存在差異。0～20 cm深度范圍內(nèi)土壤含水量表現(xiàn)為S2W3最大，S2W2處理滴頭處土壤含水量低于S2W1處理，遠(yuǎn)離滴灌帶15 cm處則高于S2W1處理；20～60 cm深度范圍內(nèi)，S2W3處理土壤含水量最大，S2W2處理次之，S2W1處理最低；60～100 cm深度范圍內(nèi)，近滴灌帶處土壤含水量表現(xiàn)與20～60 cm深度含水量大致相同。水平方向則表現(xiàn)為距離滴灌帶越遠(yuǎn)土壤含水量越小，其中S2W2處理距離滴灌帶15 cm、土壤深度30～40 cm處土壤含水量最大。

從圖1可知，灌水礦化度為5 g·L-1時，三個處理(S3W1、S3W2、S3W3)垂直方向的變化趨勢有所不同但差別不大。0～20 cm深度范圍，處理S3W2、處理S3W3都隨深度增加含水量逐漸降低，20～100 cm深度內(nèi)隨深度增加含水量逐漸增大；0～50 cm深度范圍內(nèi)土壤含水量表現(xiàn)為S3W3處理土壤含水量最大，S3W2處理次之，S3W1處理最低；50～80 cm深度范圍內(nèi)，S3W1含水量最大，S3W2處理次之，S3W3處理最低；80～100 cm深度范圍內(nèi)，S3W2含水量最大，S3W1處理次之，S3W3處理最低；土壤含水量在水平方向的分布存在差異，其中S3W1處理垂直滴灌帶下方，土壤深度50～70 cm處土壤含水量最大。

綜合對比9個處理土壤含水率變化情況，不論是淡水灌溉還是微咸水灌溉，各處理土壤水分在水平和垂直方向上的分布特征基本相同，即水平方向上滴灌帶處土壤含水量最大，距滴灌帶15 cm處含水量次之，距滴灌帶35 cm處含水量最小，這說明滴灌后滴頭附近形成飽和區(qū)，重力作用大于毛細(xì)管作用，水分由滴頭向四周擴(kuò)散。表層5 cm處各處理間含水量差距較小，但100 cm處各處理間含水量差距較大；9個處理垂直方向的變化趨勢表現(xiàn)為0～20 cm隨深度增加含水量逐漸降低，20～100 cm隨深度增加含水量逐漸增大，這是因為灌水后在蒸發(fā)作用下各土層土壤含水量整體減小，且土層深度越淺蒸發(fā)作用越強烈。

2.2 微咸水膜下滴灌加工番茄土壤鹽分變化規(guī)律

土壤中的水分是鹽分的載體，用微咸水進(jìn)行膜下滴灌后，鹽分被灌溉水帶到土壤濕潤體邊緣，灌溉水對表層土壤有淋洗作用，土壤含鹽量在滴頭處最低，向周圍逐漸升高，在重力勢的作用下，鹽分最終在濕潤鋒處累積，使?jié)駶欎h邊緣的土壤含鹽量最高[20]。

從圖2可以看出，在滴頭正下方和距離滴頭水平10 cm的徑向位置處，距離地表0～10 cm土層范圍內(nèi)，處理S1W1、S1W2、S1W3、S2W1、S2W2和S3W3的含鹽量均較低，鹽分在表層0～20 cm累積嚴(yán)重，并且隨著灌水量的增加，鹽分從滴灌帶處逐漸向遠(yuǎn)離滴灌帶處聚集。而當(dāng)灌水礦化度達(dá)到5 g·L-1時，其中灌水最小的S3W1處理在距滴灌帶20 cm處、土層深度0～30 cm范圍內(nèi)含鹽量最大，灌水量居中的S3W2處理在距滴灌帶15 cm處、土層深度30～60 cm范圍內(nèi)含鹽量最大，而灌水最大的S3W3處理在距滴灌帶20 cm處、土層深度0～30 cm范圍內(nèi)含鹽量最大，灌水量居中的S3W2處理在在距滴灌帶15 cm處、土層深度60～100 cm范圍內(nèi)含鹽量最大，說明隨著灌水量的增加鹽分逐漸下移并且鹽分累積增加，這是由于滴灌的壓鹽作用，灌水量越大壓鹽效果越明顯。

圖1 不同處理膜下滴灌加工番茄土壤水分剖面分布Fig.1 Distribution of soil moisture profile of tomato under drip irrigation with different treatments

微咸水灌溉后，各處理均表現(xiàn)出不同程度的鹽分累積，S1處理除了在土壤表面有少量的鹽分積累外，整個土體10～100 cm的平均含鹽量較低；S2處理0～30 cm土壤表層平均含鹽量較高，這可能是由于地膜中生長的雜草經(jīng)常會頂破地膜，從而降低覆膜保溫、保水效果，土面蒸發(fā)使得鹽分在表層聚集；S3處理整個土體的平均含鹽量相對較高，鹽隨水移，即用5 g·L-1微咸水灌溉后會留有少量的鹽分在土體中。從9個處理土壤鹽分分布情況來看，滴頭正下方含鹽量均很小，且在灌水量相同的情況下，隨著灌溉水礦化度的增加，20～100 cm土層土壤含鹽量均逐漸增大，這是因為不斷滴入土體的水分對土壤中的鹽分有淋洗作用，可將土體中過多的鹽分帶出主根區(qū)范圍，在重力勢的作用下鹽分逐漸向濕潤鋒處累積。

圖2 不同處理膜下滴灌加工番茄土壤鹽分剖面分布Fig.2 Distribution of soil salinity profile of tomato under drip irrigation with different treatments

2.3 灌溉水礦化度對株高、莖粗的影響

株高和徑粗是植物的形態(tài)指標(biāo)，在植物特定的生長期，可以直觀反映植物的長勢和營養(yǎng)吸收狀況。不同處理下加工番茄株高與徑粗隨生育期變化過程見圖3。

從圖3可以看出，株高和莖粗在整個生育期內(nèi)的變化都是前期緩慢增長，開花坐果期快速增長，坐果后期之后基本趨于穩(wěn)定；同時也可以看出，加工番茄在整個營養(yǎng)生長階段，株高和莖粗均隨著種植時間的增長而呈升高趨勢，但隨著灌溉水中含鹽量的增大，鹽分脅迫對株高的抑制作用逐漸顯示出來。當(dāng)灌溉1 g·L-1微咸水和3 g·L-1微咸水時，株高生長趨勢基本相同，移栽45 d左右植株生長迅速，在坐果盛期和坐果后期，主要以生殖生長為主，株高變化較小，之后停止生長；當(dāng)灌溉水為5 g·L-1時，加工番茄從苗期開始株高明顯低于礦化度1g·L-1和3 g·L-1的處理，且生長緩慢。加工番茄全生育期徑粗隨礦化度的變化趨勢和株高的變化基本一致。在苗期，灌水礦化度對徑粗的影響并不明顯，而在移栽后45 d左右，在同一灌水條件下，不同處理徑粗均隨著礦化度的增大而減小，在同一時間測量，徑粗的表現(xiàn)均為：S1>S2>S3。

圖3 同一灌水量不同礦化度對株高和莖粗的影響Fig.3 Effect of different salinity of the same irrigation water on plant height and stem diameter

2.4 不同灌水處理對加工番茄產(chǎn)量的影響

表2為不同灌水處理加工番茄產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素。產(chǎn)量方差分析表明(表2)，各處理產(chǎn)量均有差異性，S1W3處理下的產(chǎn)量最高，達(dá)到127 613.2 kg·hm-2，在灌水礦化度平均的條件下，產(chǎn)量隨著灌水量的增加而升高，產(chǎn)量Y表現(xiàn)為W3的產(chǎn)量分別比W2、W1的產(chǎn)量平均增加6.62%、15.18%。在灌水量平均的條件下，產(chǎn)量在水平W1、W2、W3下呈遞減規(guī)律，水平S3的產(chǎn)量比S2平均減少1.21%，比S1平均減少17.54%。雙因素方差分析結(jié)果顯示，不同鹽分對加工番茄的產(chǎn)量沒有顯著影響，各因素對加工番茄產(chǎn)量影響效應(yīng)按因素由小到大表現(xiàn)為水分因素、鹽分因素、交互因素。

表2 加工番茄產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

3 討 論

膜下滴灌可以使作物根區(qū)土壤保持較優(yōu)的水分條件，且土壤總水勢較高有利于作物根系對水分的吸收，但使用微咸水灌溉容易引起作物根區(qū)土壤溶液滲透勢下降，發(fā)生水分脅迫，從而影響作物生長并導(dǎo)致其減產(chǎn)[21]。本文通過田間試驗研究了不同水鹽處理對膜下滴灌加工番茄土壤水鹽分布及加工番茄生長和產(chǎn)量的影響，以期更好地將膜下滴灌與微咸水灌溉相結(jié)合，為新疆地區(qū)微咸水可持續(xù)膜下滴灌提供理論與技術(shù)支撐。

田間土壤水鹽分布及貯存范圍、位置以及濕潤體形狀是設(shè)計灌溉制度的重要因素，為了高效安全利用微咸水資源，有必要掌握微咸水入滲下的土壤水鹽分布規(guī)律。本試驗條件下，0～60 cm土壤含水率受蒸發(fā)蒸騰及灌水的影響顯著，且采用不同礦化度微咸水進(jìn)行灌溉時，土壤含水量在水平方向的分布有著明顯的差異，而垂直方向土壤含水量變化不大。這與吳軍虎等[22]研究結(jié)果一致。此外本試驗結(jié)果還表明，用1～5 g·L-1的微咸水灌溉加工番茄后，濕潤區(qū)0～100 cm土體內(nèi)總鹽在不斷的增加，增加鹽分的多少和灌溉水的礦化度大小呈正比，這與黃丹[23]等研究結(jié)果相似；番茄主根系分布范圍內(nèi)土壤的鹽分含量較低，但各處理土壤含鹽量總體均有提高。覆膜滴灌條件下，微咸水灌溉會給根層土壤帶入鹽分，使土壤根層含鹽量增加，本試驗各處理土壤剖面鹽分遷移轉(zhuǎn)化受初始含鹽量、灌水量和灌水水質(zhì)的顯著影響，因此，不同的初始條件需要配置不同的灌水量和水質(zhì)，以保證加工番茄不受鹽分脅迫。合理控制微咸水膜下滴灌的礦化度，使用一定礦化度閾值以下的微咸水進(jìn)行膜下滴灌，對作物生長和產(chǎn)量不會產(chǎn)生很大的影響[24]。本文研究結(jié)果表明，當(dāng)?shù)V化度為5 g·L-1時，番茄植株生長受到抑制，植株生長緩慢，但對產(chǎn)量影響不大，結(jié)果與前人[25-27]分別在番茄、苜蓿、西葫蘆上的研究成果一致，說明礦化度過高導(dǎo)致土壤含鹽量升高，使得番茄根系周圍的土壤溶液濃度過高，抑制根系對水分的吸收，從而影響作物生長。張艷紅等[28]認(rèn)為，作物產(chǎn)量隨灌水礦化度的增大而降低，且用2 g·L-1的微咸水進(jìn)行短期灌溉蘋果是安全可行的。本試驗結(jié)果表明，采用高水低鹽進(jìn)行微咸水灌溉時加工番茄產(chǎn)量最高，且用1～5 g·L-1的微咸水灌溉加工番茄，其生長和產(chǎn)量是安全的。水鹽交互作用下，鹽分因素對加工番茄產(chǎn)量影響不顯著，水分因素對產(chǎn)量影響顯著，且當(dāng)水分虧缺時，適當(dāng)增加灌水有利于加工番茄根系鹽分的淋洗，從而提高番茄產(chǎn)量。

試驗在微咸水膜下滴灌研究中以灌水定額與礦化度為主要因素，忽略了土壤、濕度溫度、光照強度、其他微量元素以及試驗配套等其他因素對試驗的影響，得出的結(jié)論缺乏一定的共性。因而，考慮到環(huán)境、氣候、作物以及土壤的復(fù)雜性，不同參數(shù)情況下，微咸水膜下滴灌對作物生長和產(chǎn)量的影響，還全面深入的研究。

4 結(jié) 論

1)覆膜微咸水滴灌條件下，不同處理土壤含水量在垂直方向隨灌水量和礦化度的波動變化較小，且不同處理水平方向距滴頭35 cm處土壤含水量最小。同一灌溉水質(zhì)條件下，膜下滴灌隨著灌水量的增加鹽分逐漸向水平距滴頭35 cm處聚集，且灌水量越大壓鹽效果越明顯。礦化度達(dá)到5 g·L-1時，灌水對土壤鹽分的淋洗能力小于灌水帶入土壤中的鹽分，灌溉對土壤鹽分的淋洗作用隨著灌水量降低而減弱，土壤積鹽量最大。

2)通過一年的試驗研究，本試驗在全面考慮水鹽分布規(guī)律、加工番茄生長及產(chǎn)量等各項指標(biāo)后，認(rèn)為覆膜滴灌條件下，利用灌水定額458 m3·hm-2和灌水礦化度3～5 g·L-1的微咸水對加工番茄進(jìn)行灌溉對其產(chǎn)量影響不大，且節(jié)約了灌溉水資源；同時認(rèn)為在在淡水資源比較缺乏而微咸水資源比較豐富的新疆地區(qū)，采用3～5 g·L-1微咸水對加工番茄進(jìn)行膜下滴灌是安全可行的。