灌水量和水的鹽度對(duì)玉米蒸散量及土壤含水量的影響

葛 鵬，劉 凱

（遼寧省蘇家屯區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與行政執(zhí)法中心，沈陽(yáng)110101）

水是人類社會(huì)成長(zhǎng)和發(fā)展最重要的資源之一［1］。世界范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)用水需求量正在增加， 以滿足快速增長(zhǎng)的人口對(duì)糧食的日益增長(zhǎng)的需求［2］。對(duì)于旱地的作物生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，主要的水源是降雨，降雨往往是有限和不穩(wěn)定的，特別是在半干旱和干旱地區(qū)［3］。當(dāng)使用劣質(zhì)水，特別是高鹽度水進(jìn)行灌溉時(shí)， 將導(dǎo)致作物的產(chǎn)量下降及土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化［4］。一般來(lái)說(shuō)，超過(guò)耐受限度后，產(chǎn)量會(huì)隨著土壤鹽分的增加而近似線性下降。 在干旱和半干旱地區(qū)， 缺水和水質(zhì)惡化經(jīng)常同時(shí)發(fā)生并相互影響［5］。 關(guān)于咸水灌溉或虧缺灌溉對(duì)玉米的影響，已進(jìn)行了許多研究。 但關(guān)于咸水灌溉和虧缺灌溉對(duì)玉米土壤含水量和蒸散發(fā)量的交互作用的影響仍然較少。 本文研究目的為：量化不同灌水量和不同水鹽條件下玉米蒸發(fā)量和土壤含水量的變化，并分析其對(duì)玉米生長(zhǎng)產(chǎn)生的影響。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)于2017～2019在農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)區(qū)年日照時(shí)數(shù)超過(guò)2800h， 年平均降水量約510mm，地表水蒸發(fā)量約1600mm。 土壤剖面中各層的理化性質(zhì)如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)前土壤的理化性質(zhì)

2017，2018，2019 年 的 蒸 散 量 分 別 為412，383，318mm。 本文采用365mm的灌水量作為控制灌溉水平的參考值。 采用3種水平的水鹽度進(jìn)行灌溉：0.65dS·m-1（Z1）、3.2 dS·m-1（Z2）和6.1 dS·m-1（Z3），以及3 種 水平的 灌 水 量：100% ETc365mm（O1）、80%ETc295mm（O2）和60% ETc225mm（O3）。 試驗(yàn)共進(jìn)行9個(gè)灌溉處理。 根據(jù)研究區(qū)耕作習(xí)慣， 灌溉分4次進(jìn)行，分別為分蘗～拔節(jié)、拔節(jié)～抽穗、抽穗～灌漿和灌漿～成熟期。 詳細(xì)的灌溉處理如表2。

表2 不同處理的灌溉方式 單位：mm

每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)，設(shè)置27個(gè)小型地塊。 地塊尺寸為3m×3m。 在地塊周?chē)胖?.3m高的圍板，以盡量減少水量的水平運(yùn)動(dòng)。 鹽度為0.65 dS·m-1、3.2 dS·m-1和6.1 dS·m-1的水通過(guò)將氯化鈉、 硫酸鎂和硫酸鈣（質(zhì)量比2∶2∶1）溶解在淡水中人工制備而成。 作物行距為15cm。 作物種植前的施肥量為461.2kg·ha-1NH4h H2PO4、295kg·ha-1CO（NH2）2、65 kg·ha-1K和34 kg·ha-1Zn。

1.2 天氣記錄和取樣方法

研究區(qū)設(shè)置一個(gè)自動(dòng)氣象站， 每小時(shí)測(cè)量并存儲(chǔ)降雨量、相對(duì)濕度、風(fēng)速、最高和最低氣溫及太陽(yáng)輻射。在整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)中，每隔10～15d對(duì)每種處理的土壤樣品進(jìn)行取樣，取樣間隔為10～20cm，土壤測(cè)量深度為20～120cm，同時(shí)每個(gè)土壤樣本被分為兩部分，一部分用于測(cè)量土壤含水量， 另一部分用于測(cè)量土壤鹽分。 使用便攜式土壤濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每隔3～7d測(cè)量土壤深度為110～120cm和120～130cm的土壤體積含水量，以估算土壤深層滲漏。

1.3 計(jì)算方法

1.3.1 蒸散發(fā)計(jì)算

實(shí)際蒸散發(fā)ETa采用如下水量平衡方程計(jì)算：

式中 ETa為作物蒸散發(fā)量 （mm）；SWD為玉米生育期土壤深度內(nèi)的實(shí)測(cè)土壤耗水量（mm）；R為地表徑流量（mm）；D為地下水流量（mm）；P0為玉米生育期的總有效降雨量（≥2.5mm），2017，2018，2019年分別為27.8，25.4，50mm；i為灌水量 （mm）。 土壤耗水量SWD是指0～120cm土壤剖面從播種到成熟期土壤含水量的變化， 土壤水分消耗時(shí)為正值， 補(bǔ)給時(shí)為負(fù)值。 地表徑流R假定為零，灌溉水由30cm高的圍欄保護(hù)。

根據(jù)達(dá)西定律， 根帶底部的土壤水分交換采用如式（2）計(jì)算：

式中 q為垂直水通量 （mm·d-1）；t為計(jì)算周期；θ為120cm深度處的土壤體積含水量（cm3·cm-3）；gradH為110～130cm間的水頭坡度；K（θ）為水力傳導(dǎo)函數(shù)。

本文日蒸散量ETd是在連續(xù)灌溉之間計(jì)算的，等于累計(jì)蒸散量與一定時(shí)期內(nèi)的天數(shù)之比。

1.3.2 統(tǒng)計(jì)

本文采用雙因素方差分析評(píng)價(jià)水的鹽度、 水量及其交互作用對(duì)耗水量的影響。 在P=0.05顯著性水平下采用T檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)各灌溉處理間的差異。 用SPSS17.0軟件包對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果分析

2.1 玉米實(shí)際蒸散量ETa變化

玉米的耗水量隨年份、 灌水量和水的含鹽量而變化。 實(shí)際蒸散量ETa在2017年為425.9～598.2mm，2018年為397.0～567.0mm，2019年為407.1～571.9mm。ETa的方差分析結(jié)果如表3。

表3 水的鹽度、灌水量、水的鹽度×灌水量對(duì)玉米ETa、SWD和SWD/ETa的影響

由表3可看出： 灌水量和水的鹽度對(duì)ETa的交互作用在統(tǒng)計(jì)學(xué)上并不顯著。 在0.05顯著性水平下2017年灌溉水的鹽度對(duì)ETa的影響并不顯著，2018年和2019年表現(xiàn)出顯著性變化。 2017年3個(gè)鹽度之間的差異并不明顯。 水位O1，O2，O3處的最高ETa值分別為598.2，545.1，445.5mm， 分別通過(guò)O1Z2、O2Z3和O3Z2處理獲得。 與O1，O2，O3的最高ETa值相比，其他處理的ETa減少量分別為6.3%，2.8%，4.4%。 在2018，2019年，ETa值隨著水的鹽度的增加而減少。與Z1相比，Z2的ETa值減少并不顯著， 但Z3顯著，Z2和Z3之間的差異在2018年不顯著， 但在2019年顯著。 2018年，O1Z2、O2Z2和O3Z2的排放量分別減少了6.6%，4.3%，8.7%，2019年分別減少了2.2%，2.2%，3.6%； 而在2018年，O1Z3、O2Z3和O3Z3的排放量分別減少了8.5%，7.8%，8.1%，2019 年分別減少了6.2%，4.3%，7.7%。 在所有3種水的鹽度水平下，玉米的ETa值大小關(guān)系為O1>O2>O3，3種水處理間的ETa差異顯著。 與O1相比，O2和O3的灌水量分別減少了20%和40%。 然而，與O1Z1、O1Z2和O1Z3相比，2017年O2Z1、O2Z2和O2Z3的ETa分別減少了8.7%，9.8%，2.7%，2018 年 分 別 減 少 了16.9%，14.9%，16.3%，2019年分別減少了14.2%，14.2%，12.5%。 在2017，2018，2019年的生長(zhǎng)季，O1處理的ETa水的鹽度最高，分別為3.2，6.1 dS·m-1。

2.2 日蒸散量ETd

水的含鹽量對(duì)ETd各階段的影響在研究的3年內(nèi)無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p>0.05）。 2019年水的鹽度對(duì)灌漿期的影響顯著（p<0.05）。 在大多數(shù)階段，鹽度的影響并不顯著。 在大部分生育期，灌水量對(duì)ETd的影響顯著。2017年，從抽穗期開(kāi)始，充分灌溉和虧缺灌溉之間的差異顯著（p<0.05）。與O1相比，O3灌漿期和成熟期的ETd顯著降低， 但O2和O1的ETd差異并不顯著。 2018年，從拔節(jié)期到灌漿期，三種水分處理間差異顯著。此外，在O1和O3之間的ETd差異顯著，而在O1和O2之間的差異不顯著。 2019年，O3在拔節(jié)期、灌漿期和成熟期的ETd顯著降低，而O2的ETd僅在灌漿期降低。 研究結(jié)果表明：295mm水量用于淡水和咸水灌溉是可行的，大多數(shù)階段的ETd沒(méi)有顯著下降。 此外，從抽穗到灌漿期是玉米對(duì)水分最敏感的時(shí)期。因此，在這一階段，應(yīng)適當(dāng)增加灌溉水量，降低灌溉水含鹽量，或用淡水替代灌溉。

2.3 土壤含水量變化

研究區(qū)每年11月進(jìn)行180mm左右的冬季灌溉，用于蓄水和鹽分淋溶。2017，2018，2019年，土壤含水量分別為0.23～0.29、0.23～0.30和0.25～0.32cm3， 土壤含鹽量分別為0.6～0.9、0.7～0.9和0.6～0.8g/kg。 各處理之間初始土壤含水量和含鹽量的差異并不顯著。 土壤含水量和含鹽量的初始含量與前一年的灌水量和水的含鹽量有關(guān)。 因此，在連續(xù)田間試驗(yàn)中，灌水量和水的含鹽量是影響耗水量和水分生產(chǎn)率的主要因素。 2017，2018，2019年土壤含水量的變化范圍分別為162.0～219.5mm，109.0～184.6mm，115.0～169.9mm。SWD/ETa的變化范圍分別為28.9%～43.9%，23.4%～42.5%，21.4%～38.5%。 在研究的3年中，水的鹽度和灌水量對(duì)SWD和SWD/ETa的影響并不顯著， 如表3。2017年， 水的鹽度對(duì)SWD和SWD/ETa的影響并不顯著，但在2018年和2019年影響較為顯著。 在3個(gè)灌水量下， 與Z1相比，Z3的SWD和SWD/ETa顯著降低，而Z2則不顯著。 在2018年和2019年， 土壤水分消耗占ETa的比列分別為30.0～42.5%和26.3%～38.5%， 在Z1處理中， 其比例僅為23.4%～38.2%， 在Z3處理中為21.4%～33.4%。鹽度通過(guò)降低土壤中的總水勢(shì)來(lái)限制植物對(duì)水的利用。 因此，在水的含鹽量較高的灌溉處理中，土壤水分消耗較少。灌水量對(duì)SWD的影響在2017年并不顯著，在3年中SWD/ETa值的變化總是遵循O3>O2>O1的順序。在相同的鹽度水平下，O1的ETa顯著高于O2，但O1和O2之間的SWD差異不顯著。 因此，O2的SWD/ETa值高于O1。研究結(jié)果表明在咸水灌溉條件下， 減少灌水量可更充分地利用土壤儲(chǔ)存水分。 試驗(yàn)中SWD/ETa值大小為O3>O2>O1，表明當(dāng)灌溉水鹽度低于6.1dS·m-1時(shí)，225，295mm的水量均有利于土壤貯水水分的利用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)置了3種灌水量和3種鹽度水平的田間試驗(yàn)，研究了玉米的蒸散量和土壤含水量的變化。研究結(jié)果表明：與充分灌溉相比，當(dāng)灌水量為295mm時(shí)，蒸散量顯著降低， 但蒸散量的降低在大多數(shù)階段都不顯著。隨著灌水量的減少，土壤含水量與土壤含水量之比（SWD/ETa）增加，表明灌水量的減少有利于土壤蓄水量的充分利用。咸水灌溉阻礙了水分的吸收，從而降低了土壤含水量、土壤含水量/實(shí)際蒸散量和實(shí)際蒸散量。 ETa的減少在較低水量時(shí)較為顯著。