覆膜溝灌下施氮量對(duì)土壤水鹽分布和向日葵產(chǎn)量的影響

白宇龍，蔣 靜，翟登攀，張 鵬，郭軍玲

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，太原 030031；3.土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030031)

土地鹽堿化是阻礙我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素，大同盆地鹽堿地面積20.4 萬hm2，占山西總鹽堿地面積的2/3以上，且堿化度較高，一般為10%～30%。加之降雨量少，蒸發(fā)量大，徑流少，使得該地區(qū)鹽堿、干旱現(xiàn)象嚴(yán)重，作物生長環(huán)境十分惡劣。向日葵是我國主要油料作物之一，種植面積居第2[1]，且耐鹽堿、耐干旱。因此，開展壟膜溝灌，并合理調(diào)控施氮量，對(duì)合理利用該地區(qū)水土資源，提高作物產(chǎn)量具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。鹽漬化農(nóng)田傳統(tǒng)的灌溉方法以地面漫灌為主，然而這種方法的灌溉生產(chǎn)效率會(huì)大幅度降低[2]。溝灌由于開溝培土及生育前期不灌溉，使得作物根系更發(fā)達(dá)，且灌水量相對(duì)較少，入滲效果好，基本無深層滲漏現(xiàn)象，肥料不易流失，有利于作物吸收利用，產(chǎn)量較高[3]。Cook和Valdes Gerardo等通過試驗(yàn)得出地膜覆蓋具有提高土壤溫度，降低田間水分蒸發(fā)，促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)，提高肥料利用效率和作物產(chǎn)量等作用[4]。Baht和Shari指出，N是影響油葵產(chǎn)量的重要因素，適當(dāng)增加氮肥施用量可促進(jìn)油葵地上部的吸收[5]。覆膜溝灌是一種近年來在我國西北地區(qū)發(fā)展的地面節(jié)水灌溉的技術(shù)，具有減少土壤蒸發(fā)量，增加土壤儲(chǔ)水量等特點(diǎn)[6]。溝灌+覆膜+優(yōu)化施肥技術(shù)集成在節(jié)水40%的前提下，水分利用率提高1.5倍，土壤鹽分下降12.3%～15.8%，土壤有機(jī)質(zhì)增加17.5%、速效氮增加70.7%、速效磷增加30%以上，土壤微生物活性增強(qiáng)[7]。本試驗(yàn)通過對(duì)施氮量的控制，研究向日葵生育期內(nèi)畦灌及覆膜溝灌下鹽漬化土壤的電導(dǎo)率、含水量、pH及產(chǎn)量變化規(guī)律，為合理利用水土資源、防治土壤鹽堿化以及提高鹽堿地向日葵產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年5-9月在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院鹽堿地改良試驗(yàn)基地進(jìn)行，該基地地處山西省朔州市懷仁縣毛皂鎮(zhèn)(N 39°54′，E 113°15′)，海拔1 015 m。該基地位于大同盆地中部，屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季屬于寒冷半干旱氣候[8]，季節(jié)分布明確，為典型的鹽堿地分布地區(qū)，年均氣溫7.3 ℃，高于10 ℃的有效積溫為3 047 ℃，平均無霜期150 d左右，平均年降水量為315～459 mm，降水主要分布在夏季的7-9月，雨熱同季，蒸發(fā)量約為1 500 mm。年均日照時(shí)數(shù)2 800 h，試驗(yàn)區(qū)主要是砂壤質(zhì)土，鹽堿土是蘇打型鹽堿土，含有較多的鈉離子和碳酸氫根離子。容重1.65 g/cm3，田間持水率32%(體積含水率)，0～100 cm土體各土層土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 0～100 cm土層土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試向日葵品種“RH3708”，采用水平畦灌(Q，長10 m寬3 m)和寬壟覆膜溝灌(G)的耕作灌溉方式。播種日期為2017年5月26日，收獲日期9月21日，全生育期為118 d。田間的壟溝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：壟高度15 cm左右，壟頂寬度為70 cm左右，溝深15 cm左右，溝寬約為30 cm，壟臺(tái)與溝底高度差30 cm。向日葵的播種方式采用人工穴播，每條壟上播種2行，向日葵行距60 cm，株距35 cm。播種前采用旋土機(jī)進(jìn)行松土并相應(yīng)地撒施基肥，氮肥為尿素。P2O5用量45.7 kg/km2，K2O用量54.84 kg/km2。施氮量：156、260和364 kg/hm2(N1、N2和N3)，對(duì)照組不施氮(N0)[9]。肥料基肥與補(bǔ)肥的比例為7∶3。該試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理，3個(gè)平作，3個(gè)壟作，試驗(yàn)小區(qū)面積為35 m2(長7 m，寬5 m)，采用土埂分開，每個(gè)小區(qū)周圍均設(shè)寬1.0 m的緩沖區(qū)，種植保護(hù)行。灌水量根據(jù)當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)在生育期內(nèi)的作物的各個(gè)時(shí)期灌溉(幼苗期6月27日灌水110 mm、現(xiàn)蕾期7月21日灌水130 mm、開花期8月21日灌水100 mm)，各處理及設(shè)置如表2所示。

1.3 測定指標(biāo)及測定方法

1.3.1 土壤含水率

在向日葵全生育期內(nèi)對(duì)各個(gè)生育階段土壤進(jìn)行取樣，取3個(gè)點(diǎn)作為重復(fù)，深度0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm共采取6層。采用烘干法測量并計(jì)算土壤含水率。

1.3.2 土壤電導(dǎo)率及pH的測量

取樣深度和時(shí)間和含水率一致，將土樣風(fēng)干，粉碎，過2mm 篩孔，制備土壤飽和浸提液(土水比為1∶5)，利用SG-3型電導(dǎo)率儀測定電導(dǎo)率(EC1∶5)[10]。稱取通過2 mm篩孔的風(fēng)干土10 g兩份，各放在50 mL的燒杯中，一份加無二氧化碳蒸餾水，另一份放置30 min后份加1 mol/L KCl溶液各25 mL(此時(shí)土水比為1∶2.5，含有機(jī)質(zhì)的土壤改為1∶5)間歇攪拌或搖動(dòng)30 min用酸度計(jì)測定。

表2 向日葵灌溉施肥方案

1.3.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

作物收獲后對(duì)盤徑，千粒質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量進(jìn)行考種。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

使用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和規(guī)律分析，利用SPSS 20軟件進(jìn)行方差統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，當(dāng)p<0.05時(shí)認(rèn)為差異達(dá)到顯著水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式下施氮量對(duì)土壤鹽分分布的影響

由圖1可知，EC1∶5沿土層垂直方向變化明顯分為兩個(gè)部分：0～40 cm土壤層和40～100 cm土壤層。

圖1 不同時(shí)期土壤0～100 cm鹽分剖面分布(Q為畦灌、G為溝灌、R為壟、F為溝)Fig.1 Soil salt distribution of 0～100 cm in different periods

在水平畦灌(Q)處理下，0～40 cm土層EC1∶5變化不太明顯，在覆膜溝灌壟上(GR)土，除不施氮(N0)的0～10 cm表層EC1∶5在1 700 μS/cm左右，其他施氮處理的表層EC1∶5均在2 100 μS/cm左右。在5月26日(播種前)隨著施氮量的增加，覆膜溝灌壟上(GR)10～20 cm土層的電導(dǎo)率逐漸增加，其中N0、N1、N2和N3分別約為1 146、1 342、1 628和1 647 μS/cm。在覆膜溝灌溝中土(GF)，除5月26日(播種前)EC1∶5較大，其他生育期0～10 cm土層EC1∶5均在1 000 μS/cm左右，10～20 cm土層EC1∶5在900 μS/cm左右。這是由于作物蒸騰作用，使得深層土壤中水分向上運(yùn)移，鹽分隨著水分一起被帶入表層土壤中[11]，導(dǎo)致該表層EC1∶5增大。40～100 cm各個(gè)處理土層EC1∶5的差異性不大，其數(shù)值均在1 000 μS/cm以下。

在不施氮的條件(N0)下，溝灌壟上(GR)土EC1∶5為1 600 μS/cm左右，比水平畦灌(Q)的0～40 cm表層EC1∶5要低15%～30%，溝中(GF)表層EC1∶51 000 μS/cm比水平畦灌(Q)低40%～50%。40 cm以下深層EC1∶5溝灌(300 μS/cm左右)比水平畦灌(420 μS/cm)低20%～40%。而在施氮條件下，溝灌壟上(GR)表層EC1∶5和水平畦灌(Q)差異不顯著(p>0.05)，但隨著施氮量增加二者表層EC1∶5都略微增加，溝灌溝中(GF)土0～40 cm表層EC1∶5較水平畦灌(Q)低40%～60%。40 cm以下土壤層多屬于生土層，電導(dǎo)率較低，其基本分布于200～1 000 μS/cm之間。但是溝(GF)中土各個(gè)時(shí)期的電導(dǎo)率較壟上土(GR)和畦灌(Q)低40%左右。

2.2 不同施氮量對(duì)播種前后土壤鹽分變化的影響

對(duì)各個(gè)處理下作物播種前后耕作層鹽分變化，發(fā)現(xiàn)大部分小區(qū)的含鹽量都有小幅降低(見表3)。原因是播種前施有機(jī)肥和氮磷鉀肥，在作物生長過程中對(duì)其鹽分的吸收使EC1∶5出現(xiàn)降低。經(jīng)過對(duì)比可以得出，在一定范圍內(nèi)，隨著施氮量的增加，EC1∶5的降低幅度越小。而在不同的灌溉方式下，溝灌與畦灌相對(duì)比，EC1∶5降低幅度更大，一定程度上說明溝灌有利于改善土壤鹽分。但是當(dāng)施氮量比較大時(shí)，溝灌與畦灌的差異性會(huì)減少，這是因?yàn)榻涤?，灌水和作物生長等不確定因素的影響。

表3 各個(gè)處理下作物播種前后耕作層(0～40 cm)鹽分變化表

2.3 不同施氮處理對(duì)各耕作方式下作物生育期土壤含水率的影響

0～100 cm土壤是作物根系分布的主要區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)灌溉、降雨、蒸發(fā)等因素均會(huì)引起土壤水分變動(dòng)。各處理土壤水分變化[12]如圖2所示。由圖2可知，剖面土壤水分含量具有明顯分層現(xiàn)象，即淺層土壤含水量低，深層土壤含水量高。

由圖2得出，覆膜溝灌下壟上(GR)土0～40 cm土層變化幅度較溝中(GF)土和畦灌(Q)土略有減少，這是因?yàn)闇瞎鄩派细材ぞ哂斜Ｋ饔?。溝?G)下40～100 cm土層含水率均在15%～20%之間，而畦灌(Q)含水率則在13%～21%之間。從整個(gè)生育期看水平畦灌(Q)含水率變化幅范圍0%～13%，覆膜溝灌壟上(GR)含水率變化范圍0%～10%?？梢缘贸龈材瞎喔欣谥参锷L。土壤含水率空間分布特征及土壤儲(chǔ)水量受灌水、施肥、植物吸收和蒸騰，土壤蒸發(fā)等影響。本研究發(fā)現(xiàn)，合理增施氮肥，可以促進(jìn)土壤保水性，有助于作物成長，但過量施肥，會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)板，抑制作物生長。

2.4 不同灌溉下施氮量對(duì)pH的影響

圖3得出各處理收獲期土壤的pH與播種期相比均顯著(p<0.05)降低。0～40 cm表層土壤水平畦灌(Q)下，N0的pH比播種前降低10.3%，QN1、QN2和QN3分別降低15.2%、15.9%和15.3%，覆膜溝灌(G)下，N0的pH比播種前降低10.3%，GN1、GN2和GN3分別降低15.4%、15.7%和15.6%。其中N2降低最明顯。40～100 cm表層土壤土壤水平畦灌(Q)下，N0的pH比播種前降低10.3%，QN1、QN2和QN3分別降低12.9%、13.1%和12.9%，覆膜溝灌(G)下，N0的pH比播種前降低9.8%，GN1、GN2和GN3分別降低13.4%、14.8%和14.3%。其中N2降低最明顯。0～40 cm表層土pH收獲時(shí)均在7.0～7.5之間。40～100 cm表層土pH收獲時(shí)均在7.5～8.0之間。說明合適的耕作方式可以改善鹽堿地，降低土壤的pH。

圖2 向日葵全生育期內(nèi)個(gè)處理下不同土層的含水率變化圖(Q為畦灌、G為溝灌、R為壟、F為溝)Fig.2 Variation of water content in different soil layers under the whole growth period of sunflower

圖3 向日葵播種收獲時(shí)期各個(gè)處理下土壤pH變化(Q為畦灌、G為溝灌、R為壟、F為溝)Fig.3 PH change under different treatments before and after sowing of sunflower

2.5 不同灌溉下施氮量對(duì)向日葵產(chǎn)量的影響

表4為向日葵在不同處理下成熟期各個(gè)生長指標(biāo)及產(chǎn)量的數(shù)值。水平畦灌和覆膜溝灌下，在一定范圍內(nèi)隨著施氮量增加，向日葵的盤徑、千粒重、籽粒產(chǎn)量均會(huì)增加，但是當(dāng)施氮量過高時(shí)又會(huì)降低。對(duì)比各個(gè)處理發(fā)現(xiàn)在覆膜溝灌情況下，采用260 kg/hm2的施氮時(shí)，向日葵生長最優(yōu)，盤徑22.5 cm、千粒重192.30 g、籽粒產(chǎn)量4 893.8 kg/hm2。溝灌下作物EC1∶5比畦灌平均大0.02%，結(jié)合數(shù)據(jù)得出溝灌有利于作物對(duì)養(yǎng)分的吸收，使作物的產(chǎn)量獲得大幅增加。

表4 向日葵不同處理下產(chǎn)量及性狀

注:同列不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。

3 討 論

鹽分和水分是影響作物生長發(fā)育的關(guān)鍵指標(biāo)。在研究中發(fā)現(xiàn)覆膜溝灌壟上表層EC1∶5在2 100 μS/cm左右，溝中在1 000 μS/cm左右，得出壟有聚鹽作用。這與王增麗[13]的研究結(jié)論一致。在不同施氮量下隨著施氮量的增加覆膜溝灌壟上(GR)10～20 cm土層的EC1∶5逐漸增加，其中N0、N1、N2和N3分別約為1 146、1 342、1 628和1 647 μS/cm，土壤的EC1∶5在與施氮量呈正相關(guān)，促進(jìn)作物生長，植物根系吸收更多鹽離子。但是過量施氮會(huì)抑制作物生長，減少鹽分吸收，可能產(chǎn)生鹽漬化現(xiàn)象，這與閆建文和史海濱[2]的結(jié)果一致。除6月份外，其他各個(gè)生育期施肥量越大，作物對(duì)土壤水分的吸收利用就越多，剖面土壤含水量就越低這與魏孝榮,郝明德的研究結(jié)論一致[14]。從整個(gè)生育期看水平畦灌(Q)含水率變化幅度0%～13%，覆膜溝灌壟上(GR)含水率變化范圍0%～10%。根據(jù)畦灌和溝灌對(duì)比，可得出溝灌保水性更好。這驗(yàn)證了李永平的起壟覆蓋集水效應(yīng)[15]。

在同一灌溉方式下，在一定范圍內(nèi)播種前后土壤0～40 cm土層pH降低幅度高于40～100 cm土層，這是由于在收獲期土壤表層的鹽分在降水及灌溉的作用下向下移動(dòng)，表層鈉鹽被作物部分吸收。因此表層土的pH會(huì)比播種前有加大幅度的降低。隨著施氮量的增加，土壤表層pH會(huì)略有增加。這與張鵬[16]的結(jié)論相同。施氮量與灌水方式對(duì)作物產(chǎn)量均會(huì)造成影響。在施氮量相同時(shí)，覆膜溝灌對(duì)產(chǎn)量變化影響更顯著。當(dāng)施氮量在260 kg/hm2左右時(shí)，向日葵成熟時(shí)的生長狀況最好，水平畦灌增產(chǎn)在25%以上，覆膜溝灌產(chǎn)量增加在30%以上。而過量施氮又會(huì)抑制作物生長，降低產(chǎn)量。

4 結(jié) 論

在干旱鹽堿地地區(qū)，覆膜溝灌能改善當(dāng)?shù)赝寥赖乃}狀況。在不施氮的條件下，壟上土比水平畦灌的0～40 cm表層EC1∶5低15%～30%，溝中表層EC1∶5比水平畦灌低40%～50%。40～100 cm以下深層EC1∶5，溝灌比水平畦灌低20%～40%。在施氮條件下，溝灌溝中土0～40 cm表層EC1∶5較水平畦灌低40%～60%。覆膜溝灌整個(gè)生育期土壤含水率均在10%～23%內(nèi)，覆膜溝灌下農(nóng)田在向日葵播種前及收獲后pH降低比水平畦灌效果更好。在各個(gè)施氮水平下土壤表層EC1∶5N0N1>N2>N3。在一定范圍內(nèi)，而隨著施氮量的增加，作物對(duì)水分的吸收越多，土壤剖面的含水量越低[17]。當(dāng)施氮量在260 kg/hm2時(shí)，向日葵成熟時(shí)的生長狀況最好，水平畦灌增產(chǎn)在25%以上，而覆膜溝灌產(chǎn)量增加在30%以上。因此可以說明覆膜溝灌可以在一定程度上加快土壤鹽分的向下運(yùn)移，減少土壤表層水分的蒸發(fā)[18]，為當(dāng)?shù)刈魑锾峁┝己玫纳L環(huán)境，提高作物產(chǎn)量，對(duì)大同盆地鹽堿地農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。