暗溝對低洼鹽堿地水鹽變化及向日葵生長的影響

曾玉霞，孫兆軍,，李興強，何 俊

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏大學環(huán)境工程研究院，銀川 750021；3.教育部中阿旱區(qū)特色資源與環(huán)境治理國際合作聯(lián)合實驗室，銀川 750021；4.寧夏(中阿)旱區(qū)資源評價與環(huán)境調(diào)控重點實驗室，銀川 750021)

0 引 言

土壤鹽堿化與農(nóng)業(yè)發(fā)展有密不可分的聯(lián)系[1]。鹽堿地廣泛分布于世界各個地區(qū)，面積達10 億hm2[2]。我國寧夏引黃灌區(qū)降水稀少，蒸發(fā)強烈，自然條件加不合理灌溉等人為因素，該區(qū)存在大面積次生鹽堿地，土壤堿化度和全鹽含量較高，生態(tài)環(huán)境脆弱，土地常因積鹽嚴重而棄荒[3]。

暗溝排鹽是改良鹽堿地的重要措施之一，其優(yōu)點有不占耕地、無污染、便于機械化操作[4]等，該技術不僅能控制地下水位，有效避免漬害和土壤返鹽，而且在暗溝底部填埋稻草、秸稈、礫石、粗砂混合物[5]、爐渣[6]等材料能促使土體重力水加速下滲進而排走土壤中水溶性鹽分，從而協(xié)調(diào)土壤水鹽環(huán)境，提高土地生產(chǎn)效率[7]。任玉民等[8]采用田菁草及稻草等作為溝底墊層，發(fā)現(xiàn)溝距愈窄，土壤脫鹽效果愈好；王旭等[9]針對甘肅靖遠堿化鹽土，采用礫石暗溝改良技術，研究不同暗溝間距及脫硫石膏用量對堿化鹽土理化性質(zhì)和枸杞產(chǎn)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)暗溝之間的距離設為6 m，脫硫石膏22 t/hm2處理下預期效果最好。近年來，暗溝排鹽改良鹽堿地在我國寧夏、江蘇濱海[10]、甘肅等多個地區(qū)運用，但不同埋深暗溝對鹽堿地一次灌水后水鹽變化影響的研究鮮有報道。

本研究選用礫石(厚度30 cm)、秸稈(厚度10 cm)為暗溝回填材料[11]，設置了暗溝埋深1.5、1.2、0.9、0.6 m及無暗溝(CK)共5個處理，通過觀測灌水后不同處理對土壤中水鹽含量變化和向日葵生長的影響，確定最佳暗溝埋深，為同類地區(qū)改良與利用鹽堿地提供理論性的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2019年在寧夏回族自治區(qū)青銅峽市樹新林場進行(38°1′44″N，105°56′36″E)。該地位于黃河上游，寧夏平原中部，海拔1 140 m，屬中溫帶干旱大陸性氣候，降水量少而蒸發(fā)強，晝夜溫差較大。試驗區(qū)地勢低平，0～100 cm土層為砂質(zhì)壤土且pH平均值大于9.0，鹽分含量0.4%～0.9%，土壤容重為1.41～1.56 g/cm3，有機質(zhì)0.5%左右，地下水的埋藏深度約1.5 m，地表有鹽霜或結皮。2019年試驗區(qū)向日葵全生育期內(nèi)降水量為113.3 mm，其中本試驗進行時段內(nèi)降水量為10.9 mm。

1.2 試驗設計與樣品采集

試驗共設置了5個處理，即暗溝埋深分別為1.5、1.2、0.9、0.6 m，無暗溝(對照，CK)，每個處理3個重復，分為5個試驗小區(qū)，暗溝間距為300 cm，溝寬均為100 cm，暗溝底部鋪厚30 cm的礫石層，其上再鋪厚10 cm的秸稈層，暗溝比降1%。不同埋深暗溝相鄰處豎直鋪設高1.5 m的雙層塑料布，使得各試驗小區(qū)互不影響。試驗區(qū)的南側布置了與暗溝方向垂直的明溝進行排水，明溝深2.0 m。為了充分淋洗鹽分，用黃河水作為水源進行大水漫灌，其礦化度為0.5 g/L。供試驗作物選用向日葵(HelianthusannuusL)，品種為LD5009。5月中旬進行灌水，播前兩天完成深翻和旋耕，播種方式為人工點播，行距、株距確定為80 cm和40 cm，以后分別在現(xiàn)蕾期、開花期及灌漿期灌水。

在向日葵灌水后的第5、15、25 d用土鉆以“隨機”、“等量3點混合”原則在各小區(qū)采集土樣，灌水日期為7月29日(開花期)，取樣日期分別為8月3日、13日、23日，每個點均分5層取樣，深度分別為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，將樣本帶回室內(nèi)，去除其中的雜質(zhì)，混合均勻并風干后過1 mm篩，然后逐項測試分析。

1.3 測試項目

土壤水分含量的測定：為烘干法測定的質(zhì)量含水率。

土壤鹽分含量的測定：土樣與去離子水以1:5混合后，充分震蕩并靜置澄清，用梅特勒S230臺式電導率儀測定電導率(EC)，利用電導率值計算出土壤水溶鹽含量[12]。

向日葵生長指標及產(chǎn)量的測定：于2019年8月14日，選取每個處理小區(qū)長勢相似的3株向日葵測定其株高、莖粗、盤徑，所用工具為數(shù)顯游標卡尺及卷尺，2019年9月11日收獲花盤，脫粒曬干后計算產(chǎn)量。

1.4 統(tǒng)計方法

試驗中所獲得的數(shù)據(jù)采用Excel 2010作圖；用SPSS Statistics 17.0軟件進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同埋深暗溝土壤水鹽含量變化

2.1.1 土壤水分含量變化

圖1和表1反映了灌水后第5、15、25 d不同處理對0～100 cm土層水分含量的影響。由圖1(a)、(b)、(c)可知，0～60 cm土層土壤水分含量隨灌水后時間的增加均有不同程度的降低。對于0～20 cm土層，T1、T2、T3、T4及CK土壤水分含量在灌水后15 d和25 d較第5 d分別降低了27%～70%、36%～78%，其中CK降幅最大，其他處理次之。這可能是由于CK向日葵的地表覆蓋率較其他處理低，而地表蒸發(fā)效率高所致。由圖1(a)、(b)數(shù)據(jù)可知，對于0～40 cm土層，灌水后15 d較第5 d，T1、T2、T3、T4及CK土壤水分含量分別降低了36.07%、35.30%、20.89%、30.96%、40.62%。灌水后25 d較第5 d，各處理土壤水分含量則分別降低了53.9%、58.11%、31.08%、41.48%、50.26%。對于60～80 cm土層，T2、T3土壤水分含量在灌后第5、15、25 d呈先減少后增加趨勢，T1、T4及CK土壤水分則呈持續(xù)增加趨勢，且T1、T2、T4及CK在灌水后25 d較第5 d土壤水分含量分別增加了12.75%、21.36%、51.77%、5.10%，T3則降低了4.29%。對于80～100 cm土層，處理兩兩之間沒有顯著差異，T1、T2、T3、T4灌水后25 d較第5 d土壤水分含量分別降低了7.63%、9.78%、9.41%、5.72%，CK增加了39.75%。由表1可知，各處理在灌水后25 d較第5 d 0～100 cm土層土壤水分含量分別降低了28.92%、30.16%、19.18%、8.84%、12.89%，其中T2降幅最大，T4降幅最小。

2.1.2 土壤鹽分含量變化

圖2和表2反映了灌水后第5、15、25 d不同處理對0～100 cm土層鹽分含量的影響。由圖2可知，隨灌水后時間的增加，T1、T2、T3、T4土壤鹽分含量均與CK差異顯著。由圖2(a)、(b)可知，對于0～40 cm土層，各處理土壤鹽分在灌水后均呈先減少后增加的趨勢。灌后15 d較第5 d，T1、T2、T3、T4及CK土壤鹽分含量分別降低了12.86%、23.58%、21.05%、9.70%、10.24%。灌后25 d較第5 d，T1、T3、T4及CK土壤鹽分含量呈一定程度增加，且CK的增加值最大，T2土壤鹽分含量則降低了7.12%。對于40～60 cm土層，T1、T2及CK土壤鹽分含量在灌后第5、15、25 d呈持續(xù)增加趨勢，T3、T4土壤鹽分則先減少后增加，且T3在灌水后25 d較第5 d增加值最小。對于60～80 cm土層，除CK在灌水后土壤鹽分含量持續(xù)增加外，其余處理均呈先降低后增加趨勢。對于80～100 cm土層，各處理土壤鹽分在灌水后均處于增加狀態(tài)，且CK增幅最大。由表2可知，各處理在灌水后25較第5 d 0～100 cm土層土壤鹽分含量分別增加了28.85%、14.65%、23.69%、31.62%、55.52%，其中T2增幅最小，CK增幅最大。

圖1 灌水后不同處理0～100 cm土層土壤水分含量

表1 不同處理0～100 cm土層土壤水分含量變化 %

表2 不同處理0～100 cm土層土壤鹽分含量變化 %

圖2 灌水后不同處理0～100 cm土層土壤鹽分含量

2.2 不同埋深暗溝對向日葵生長的影響

向日葵的生長指標與產(chǎn)量反映了試驗區(qū)鹽堿地改良情況，農(nóng)田中不同埋深暗溝對向日葵的株高、莖粗、盤徑以及收獲后產(chǎn)量的影響如表3所示。由表3分析結果可知，T1～T4向日葵長勢和產(chǎn)量均顯著高于CK。其中T2向日葵產(chǎn)量比CK高21.43%。各處理株高大小表現(xiàn)為T3>T2>T1>T4，T3與其他處理差異顯著，T1、T2、T4之間沒有顯著差異。莖粗大小表現(xiàn)為T2>T3>T1>T4，T2與T4差異顯著。盤徑大小表現(xiàn)為T2>T3>T1>T4，T2與T4差異顯著。籽粒產(chǎn)量大小表現(xiàn)為T2>T1>T3>T4，T2與T3、T4之間差異顯著，以上結果表明暗溝處理能改善鹽堿地作物生長環(huán)境，從而實現(xiàn)增產(chǎn)，本試驗中T2(即1.2m埋深暗溝)向日葵生長得最好。

表3 不同處理對向日葵生長及產(chǎn)量的影響

注：同列不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。

3 討 論

青銅峽低洼鹽堿地的顯著特點是地下水位高，透氣透水性差，僅用當?shù)貍鹘y(tǒng)的大水漫灌淋洗鹽分，不但浪費水資源，而且洗鹽效果不佳，在該地區(qū)降雨少及強烈的地表蒸發(fā)條件下，水散鹽留，返鹽現(xiàn)象明顯。因而考慮采用何種方式調(diào)控該試驗區(qū)鹽堿地水鹽含量，進而改善作物生長環(huán)境，提高作物產(chǎn)量是該區(qū)鹽堿土壤改良的重中之重。

土壤水溶性鹽是鹽堿地中限制作物生長的主要障礙因素，而鹽堿地中水分是鹽分遷移的重要載體，其運移或入滲方式對土壤中鹽分變化有著直接影響。對比發(fā)現(xiàn)，0～60 cm土層各處理土壤水分含量在灌后第5、15、25 d均呈降低趨勢，且較CK降低幅度大。這表明鹽堿地中埋設暗溝，可以增加土壤水分入滲速率，排出土壤滯水。這與王旭等[4]研究的設置礫石暗溝有利于提高土壤水分滲透性能的結論一致。本試驗60～80 cm土層，T2、T3土壤水分含量在灌后第5、15、25 d呈先減少后增加趨勢，T1、T4及CK土壤水分則持續(xù)增加，這可能是因為上層下滲的土壤水分會在下層土壤有所聚積。80～100 cm土層中T1、T2、T3、T4處理土壤水分含量值兩兩間沒有顯著差異，這說明暗溝埋設深度對該層土壤水分含量影響不大。

相比對照組CK，灌水后25 d，0～60 cm土層各處理鹽分含量均有顯著差異，表明暗溝的埋設可以顯著降低鹽堿土壤中的鹽分含量，這與茍宇波等[3]的研究結果一致。其中0～40 cm土層各處理土壤鹽分在灌后第5、15、25 d均呈先減少后增加的趨勢，主要是強烈的地表蒸發(fā)和土壤毛細管作用，促使水溶性鹽分發(fā)生了表聚現(xiàn)象。80～100 cm土層各處理土壤鹽分含量在灌后第5、15、25 d呈持續(xù)增加趨勢，主要是由于上層土壤淋洗的鹽分聚積在下層土壤所致。

鹽堿脅迫會在一定程度上抑制植物的生長發(fā)育[13]。鹽堿地中埋設暗溝，可以促進土壤中的易溶性鹽分加速隨水排出從而使植物免受鹽害。宋莎莎等[14]研究發(fā)現(xiàn)暗溝可以有效排出鹽堿土壤中的鹽分，并提高垂柳的各項生長指標。本研究表明暗溝處理下的向日葵生長狀況顯著高于CK，這是因為暗溝處理0～40 cm向日葵根區(qū)土層土壤的鹽分含量均低于CK，使向日葵的生長處于較低的土壤鹽溶質(zhì)濃度環(huán)境中，從而保持較好的生長態(tài)勢和較高的籽粒產(chǎn)量。T2小區(qū)的向日葵產(chǎn)量高于其他處理，這說明要根據(jù)鹽堿地實際情況設計適宜的暗溝埋設深度。

對于排水排鹽效果，暗溝并不是越深越好，這與張佩華[11]的得出的鹽堿地灌溉前后排水排鹽效果表現(xiàn)為：暗溝埋深1.2 m>1.0 m> 0.8 m>無暗溝的研究結果不一致，主要與暗溝深度、地下水位、礫石厚度、秸稈厚度等有很大的關系。比如說，理論上暗溝底層埋設礫石、秸稈不僅能與土壤交界處形成孔隙差異界面來顯著改善土壤滲透性，而且能破壞原土毛細管結構，減緩地下水上升至上層土壤，但如果秸稈層過厚且位于地下水位以下，土壤水不但不能下滲，反之會被秸稈層阻礙而累積，從而失去暗溝排水的效果[15]。因此，在鹽堿地中埋設暗溝要綜合考慮氣候條件、地下水埋深、土的種類及其滲透系數(shù)、植物根系對水位的要求、填埋濾料的種類等等。

4 結 論

(1)在低洼鹽堿地中合理鋪設暗溝能加快土壤排水速率。本試驗中，暗溝對80～100 cm土層土壤水分變化影響不大，且灌水后25 d較第5 d各處理0～100 cm土層土壤水分含量相對變化率表現(xiàn)為：T2>T1>T3>CK>T4，依次為-30.16%，-28.92%，-19.18%，-12.89%，-8.84%。

(2)在低洼鹽堿地中合理鋪設暗溝能加快土壤排鹽速率。灌水后25 d較第5 d各處理0～100 cm土層土壤鹽分含量相對變化率表現(xiàn)為：T2>T3>T1>T4>CK，依次為14.65%，23.69%，28.85%，31.62%，55.52%。

(3)暗溝能通過加快鹽堿地水溶性鹽排出，從而改善作物生長環(huán)境，提高土地生產(chǎn)率。

由于本研究只是觀測了灌水后第5、15、25 d暗溝的排水排鹽效果，不能代表暗溝具體排水排鹽規(guī)律，故今后需要細化灌水前后時間間隔，連續(xù)幾年測定不同埋深暗溝改良試驗區(qū)低洼鹽堿地的效果。