微咸水灌溉對(duì)鹽堿地土壤水鹽分布與冬小麥產(chǎn)量的影響

牟曉宇，龐桂斌，張立志，王天宇，徐征和

(1.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250022；2．山東省水利科學(xué)研究院，濟(jì)南 250013；3．石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子 832003.)

0 引 言

黃河三角洲位于山東省東部，由于自然環(huán)境制約，黃河三角洲地表水資源匱乏，地下水以咸水和微咸水為主，地下水埋深淺，黃河水為本區(qū)域最重要的淡水來源，區(qū)域供水壓力大[1]。若在該區(qū)域開發(fā)利用微咸水，不僅可以為作物的生長(zhǎng)提供所需要的水分，節(jié)約淡水資源，還可以降低地下水水位，緩解土壤鹽堿化問題[2]。雖然微咸水中含有一定鹽分，但短時(shí)間內(nèi)微咸水帶入土壤的鹽分含量較少。如果土壤初始含鹽量比較低，微咸水帶入的鹽分不足以對(duì)作物生長(zhǎng)和土地質(zhì)量造成明顯的影響[3]。但微咸水灌溉使用不當(dāng)會(huì)造成土壤持續(xù)積鹽，造成后續(xù)年份作物減產(chǎn)[4,5]。因此必須在掌握土壤水分、鹽分的時(shí)空變化規(guī)律的前提下，科學(xué)合理地利用咸水，依據(jù)作物需水及耐鹽情況制定灌溉方案[5]。本文根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓喔攘?xí)慣，設(shè)計(jì)不同的淡咸水灌溉組合，研究微咸水灌溉對(duì)土壤水鹽分布以及作物產(chǎn)量的影響，以便于尋求合理的微咸水灌溉方案，對(duì)于開發(fā)利用當(dāng)?shù)氐牡叵孪趟Y源，發(fā)展當(dāng)?shù)毓喔绒r(nóng)業(yè)有著重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試區(qū)位于山東省濱州市沾化區(qū)下洼鎮(zhèn)張王二村[如圖1(a)]，地理坐標(biāo)為117°45′E-118°21′E， 37°34′N-38°11′N。該區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同期。年平均氣溫12 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)約為2 690.3 h，雨季一般開始于6月下旬或7月上旬，在8月中、下旬結(jié)束，年均降水量約575 mm，年平均蒸發(fā)量約1 800 mm，年均蒸降比3.22。2015-2017年小麥生育期降雨量情況如表1所示。試驗(yàn)區(qū)地下水位埋深為2～3 m，淺層地下水為咸水，礦化度5～10 g/L，0～40 cm土壤平均含鹽量為2.11 g/kg，屬于中度鹽堿地，土壤理化性質(zhì)如表2。

表1 冬小麥生育期降雨 mm

圖1 試區(qū)地理位置概況圖Fig.1 Geographical location overview map of the test area

土層/cm容重/(g·cm-3)pHCl-/(g·kg-1)K+/(g·kg-1)Na+/(g·kg-1)總鹽/(g·kg-1)土壤性質(zhì)0～201.397.30.510.10.141.36壤土20～401.337.131.950.080.242.86砂質(zhì)壤土40～601.327.070.760.080.231.56砂質(zhì)壤土60～801.367.030.250.070.120.78壤質(zhì)沙土80～1001.467.030.270.060.140.85壤土

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)田設(shè)置4個(gè)試驗(yàn)處理[如圖1(b)和表3]，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)面積為3 m×6 m，隨機(jī)排列。為避免測(cè)滲干擾，各小區(qū)之間用薄膜做隔水處理，并且在試驗(yàn)田周圍設(shè)有保護(hù)區(qū)。

表3 大田冬小麥微咸水灌溉試驗(yàn)方案 mm

本次試驗(yàn)以冬小麥作為供試作物，播種時(shí)間分別為2015年10月8日和2016年10月2日，生育期分別為249 d和248 d。試驗(yàn)設(shè)置灌水水量與灌水水質(zhì)兩個(gè)因素。灌溉水量設(shè)置240和160 mm，灌溉水質(zhì)則設(shè)置微咸水與淡水。由于冬小麥在幼苗時(shí)期，扎根較淺，根系對(duì)鹽分比較敏感[1,6]，所以在返青-拔節(jié)期采用了淡水灌溉，在拔節(jié)-抽穗和抽穗-灌漿期采用微咸水和淡水的組合灌溉方案。灌溉水源來自試區(qū)淺層地下水，試驗(yàn)區(qū)安裝一套咸水淡化裝置，淡化處理后的水直接作為淡水水源，灌溉所用微咸水為淺層地下水與淡水水源充分混合，令其礦化度降至3 g/L后用于灌溉[1]。

1.2.2 觀測(cè)項(xiàng)目

在冬小麥的生長(zhǎng)過程中，利用土鉆在冬小麥的灌溉前后、種植前、收獲后分別取土樣進(jìn)行鹽分和水分測(cè)定。土壤采集的層次分別是0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm。觀測(cè)到的項(xiàng)目有土壤含水率、全鹽量和電導(dǎo)率。土壤含水率的測(cè)定采用烘干稱重的方法。土壤的全鹽量和電導(dǎo)率用水土比5∶1的土壤浸提液測(cè)定，具體操作參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[7]。

作標(biāo)記定點(diǎn)來觀測(cè)株高，在抽穗前測(cè)量土面至最高葉尖的長(zhǎng)度作為株高，在抽穗后測(cè)量土面至穗頂?shù)拈L(zhǎng)度作為株高。每個(gè)處理取三株有代表性的植株，分別將植株地上部分，在105 ℃烘箱中殺青30 min，然后降溫至70 ℃再烘48 h，稱地上干物質(zhì)重。各處理考察有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、實(shí)粒數(shù)和千粒重，并以此來計(jì)算理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量。理論產(chǎn)量(kg/hm2)=有效穗數(shù)(萬穗/hm2)×每穗實(shí)粒數(shù)(粒/穗)×千粒質(zhì)量(g)×10～2。實(shí)際產(chǎn)量按照各小區(qū)單打單收，分別裝袋，做好標(biāo)簽，曬干揚(yáng)凈后測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水鹽動(dòng)態(tài)變化

2.1.1 土壤含水率變化

從土壤垂向分析發(fā)現(xiàn)(圖2和圖3)，土壤表層(0～30 cm)的含水率變化更為明顯。例如在第一次灌溉(2016-03-11/2017-03-15)前后，T2處理土壤2016年0～20 cm土層的土壤含水率灌后增加6.24%，20～40 cm增加1.89%，40～60 cm增加0.04%，60～80 cm增加0.67%，80～100 cm增加0.61%。這主要是因?yàn)樯蠈油寥朗芄嗨?、降雨和蒸發(fā)影響較大的結(jié)果[8]。

第一次灌溉至第二次灌溉(2016-04-21/2017-04-23)之前，表層土壤含水率下降明顯，其原因是由于春季降雨較少，土壤水分蒸發(fā)損失量大。第二次灌溉后，T3雖然采用了微咸水灌溉，但土壤水分補(bǔ)充程度與淡水灌溉補(bǔ)充效果基本一致。例如，2016年，T1處理土壤0～20 cm土壤含水率增加2.76%，20～40 cm增加1.59%，T3處理土壤0～20 cm增加14.69%，20～40 cm增加2.71%。第三次灌溉(2016.5.15/2017.5.12)，T1、T3表層土壤含水率達(dá)到12.5%～19.9 %，而T2、T4由于未灌溉表層土壤含水率僅能達(dá)到10.78%～13.64%。在相同灌溉水量下，T3較T1既可以確保適宜的土壤水分維持作物生長(zhǎng)，又可以節(jié)約淡水資源。

圖2 2015-2016年土壤含水率 Fig.2 Soil moisture in 2015-2016

圖3 2016-2017年土壤含水率Fig.3 Soil moisture in 2016-2017

2.1.2 土壤鹽分變化

由圖4和圖5可知，表層土壤含鹽量由于受到灌溉、降雨和蒸發(fā)因素的影響較大，其變化較深層土壤更為明顯。試驗(yàn)開始前，第一年的表層土壤含鹽量大于底層，這是由于試驗(yàn)區(qū)一直處于干旱無雨和少灌溉狀態(tài)，地下水埋深較淺，強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用使得土壤鹽分呈現(xiàn)表聚趨勢(shì)[9]。而第二年的底層土壤含鹽量大于表層，是因?yàn)榈谝荒瓯韺油寥利}分經(jīng)淋洗向下運(yùn)移的結(jié)果。

圖4 2015-2016年土壤含鹽量Fig.4 Soil salt content in 2015-2016

圖5 2016-2017年土壤含鹽量Fig.5 Soil salt content in 2016-2017

第一次灌溉至第二次灌溉前，由于春季干燥少雨，蒸發(fā)量大，土壤表層出現(xiàn)明顯的返鹽現(xiàn)象。第二次灌溉，T3、T4由于采用了微咸水灌溉，土壤表層含鹽量增加。例如在2016年0～20 cm土壤含鹽量分別增加0.8、0.34 g/kg；20～40 cm土壤含鹽量分別增加0.39、1.22 g/kg。T1、T2因?yàn)椴捎玫喔?，土壤含鹽量明顯下降。第三次灌溉中，T1處理土壤受淡水淋洗作用，土壤含鹽量明顯下降，而T3由于采用微咸水進(jìn)行灌溉，表層土壤含鹽量增加。T2和T4由于未進(jìn)行灌溉，表層土壤返鹽現(xiàn)象明顯。例如2016年T2處理土壤0～20 cm土壤含鹽量增加1.54 g/kg，T4增加0.71 g/kg。小麥?zhǔn)崭詈?，該地區(qū)進(jìn)入雨季，降雨使得土壤表層含鹽量明顯下降。

2.1.3 土壤鹽分盈虧分析

由表4可知，在2015-2016生育期內(nèi)，由于T1三次灌水均采用了淡水，土壤鹽分下降0.053 g/kg，T2、T3、T4處理則表現(xiàn)出了不同程度鹽分的積累，積累程度表現(xiàn)為T3

2.2 冬小麥生長(zhǎng)狀況分析

2.2.1 微咸水灌溉對(duì)株高、干物質(zhì)的影響

從拔節(jié)期開始株高迅速增加，至抽穗期增加速率最高，此后至灌漿期緩慢增加并達(dá)到平衡[1]。通過兩年的數(shù)據(jù)比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)(圖6)，微咸水灌溉的小麥生長(zhǎng)高度和速率都要略低于淡水處理的小麥生長(zhǎng)高度和速率。例如，2016年T1、T2在拔節(jié)期灌水后測(cè)得生長(zhǎng)高度為65.07、63.33 cm；T3、T4的生長(zhǎng)高度為59.05、59.49 cm。

表4 2015-2016年的土壤鹽分盈虧情況 g/kg

圖6 冬小麥株高變化Fig.6 Changes in plant height of winter wheat

灌漿期是冬小麥干物質(zhì)積累最關(guān)鍵的時(shí)期[10]。如圖7所示，2016年灌漿期干物質(zhì)積累量T3>T1>T4>T2，2017年積累量T1>T3>T2>T4，三次灌水的干物質(zhì)積累量要大于兩次灌水。主要原因是在缺水的條件下，冬小麥的灌漿速率將會(huì)受到水分脅迫作用的影響，使得冬小麥的灌漿時(shí)間縮短，影響干物質(zhì)積累[10]。

圖7 冬小麥地上干物質(zhì)變化Fig.7 Changes of dry matter above ground in winter wheat

2.2.2 微咸水灌溉對(duì)產(chǎn)量的影響

不同處理的產(chǎn)量對(duì)比(表5)發(fā)現(xiàn)，2016年冬小麥產(chǎn)量：T1>T2>T3>T4，2017年冬小麥產(chǎn)量：T1>T3>T2>T4。在相同的灌水定額下，微咸水灌溉處理的產(chǎn)量明顯少于淡水灌溉處理，例如，2016年T3較T1減產(chǎn)7.82%，T4較T2減產(chǎn)2.6%。在相同灌水水質(zhì)下，兩水灌溉處理產(chǎn)量明顯少于三水灌溉處理，水分脅迫對(duì)產(chǎn)量抑制作用更加明顯，例如，2017年T2較T1減產(chǎn)12.91%，T4較T3減產(chǎn)24.98%。從產(chǎn)量構(gòu)成因素分析，T3、T4雖然較T1、T2穗粒數(shù)減少，但是千粒重卻相差不大，說明灌水促進(jìn)了籽粒的灌漿，提高了冬小麥的千粒質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)冬小麥增產(chǎn)的主要原因[11]。

3 討 論

吳忠東等在南皮生態(tài)試驗(yàn)站研究發(fā)現(xiàn)，灌前含水率主要決定于降水量的多少，而灌后含水率則表現(xiàn)為淡水灌溉高于微咸水灌溉的趨勢(shì)；灌溉2～3次微咸水的處理均發(fā)生了不同程度的積鹽現(xiàn)象，在使用2次微咸水進(jìn)行組合灌溉的時(shí)候宜采用咸淡交替灌溉的方式，以避免加重土壤的積鹽程度[4]。本文研究中，微咸水灌溉對(duì)土壤含水率的抑制作用不明顯，與前人的研究結(jié)果存在差異，這可能與兩試驗(yàn)區(qū)土壤理化性質(zhì)差異有關(guān)，本試驗(yàn)區(qū)土壤較南皮試驗(yàn)區(qū)土壤顆粒大，孔隙大，通氣透水性好，有利于鹽分的淋洗，所以受微咸水抑制作用減弱。本文試驗(yàn)中，T3和T4處理同樣也導(dǎo)致了一定的鹽分積累，雨季雨水的淋洗會(huì)減少鹽分積累，但是如果遇到枯水年，應(yīng)及時(shí)采用淡水淋洗排鹽，避免鹽分在土壤表層積累[12]。

表5 2016季與2017季冬小麥產(chǎn)量Tab.5 Winter wheat yield in 2016 and 2017

Singh 等發(fā)現(xiàn)冬小麥產(chǎn)量隨微咸水噴灌灌水量的增加而增加，灌溉水礦化度增加時(shí)，增加灌水頻率能減緩冬小麥產(chǎn)量的下降[13]。馬文軍等發(fā)現(xiàn)，微咸水灌溉雖然導(dǎo)致冬小麥和夏玉米產(chǎn)量降低10%～15%，但節(jié)約淡水資源60%～75%。如果降雨量達(dá)到多年平均水平以及微咸水灌溉制度制訂合理，微咸水用于冬小麥、玉米田間灌溉前景廣闊[14]。本文在試驗(yàn)分析中發(fā)現(xiàn)，水分脅迫對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響最為明顯，兩水灌溉相比于三水灌溉會(huì)減產(chǎn)10%～25%。微咸水灌溉產(chǎn)生的鹽分脅迫作用對(duì)冬小麥產(chǎn)量具有一定抑制作用。但相較于前人的研究結(jié)果，本文研究微咸水對(duì)產(chǎn)量的抑制不明顯，因?yàn)橐话悴捎梦⑾趟喔鹊那?～3 a，鹽分脅迫對(duì)產(chǎn)量的影響并不明顯，但是隨著微咸水灌溉年限延長(zhǎng)，土壤鹽分逐步增加，對(duì)作物生長(zhǎng)影響的負(fù)面作用逐步顯現(xiàn)[3]。因此，在采用咸淡水交替灌溉的基礎(chǔ)上，應(yīng)該采取合理的排鹽措施[15]。

4 結(jié) 論

(1)T3處理采用微咸水灌溉后，土壤表層的含水率可達(dá)到13.89%～19.9%；土壤鹽分最終盈虧情況為T1

(2)相較于淡水灌溉，微咸水灌溉所帶來鹽分脅迫會(huì)抑制株高生長(zhǎng)和干物質(zhì)的累積。相較T1處理，T3的株高降低2.2%～3.7%。灌漿期的水分脅迫才是致使干物質(zhì)積累減少的主要因素，在相同灌溉水質(zhì)下，相較于兩次灌溉，三次灌溉可以增產(chǎn)10%～25%。在相同灌溉水量下，T3比T1減產(chǎn)0.03%～7.83%，但可以節(jié)約淡水資源。

(3)從節(jié)水和產(chǎn)量?jī)煞矫鎭碚f，冬小麥采用淡水-微咸水-微咸水的灌水模式是該區(qū)域的較優(yōu)選擇，既能保證產(chǎn)量，又能節(jié)約淡水資源。

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