不同灌溉方式下施用生物炭對 土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律及玉米水分利用效率的影響

賈詠霖，屈忠義*，丁艷宏，楊 威，馬貴仁，李爭爭

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

0 引 言1

【研究意義】水資源是維持生態(tài)系統(tǒng)的基本要素，同時也是支撐人類社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源[1]。我國西北干旱區(qū)面積占全國面積24.5%，但水資源僅占全國5%左右，農(nóng)業(yè)一直面臨嚴(yán)峻的水資源短缺問題。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我中國的糧食主產(chǎn)區(qū)，為保障我國的糧食安全做出了重要貢獻(xiàn)。然而該區(qū)土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤鹽堿化問題嚴(yán)重，且灌溉水利用效率較低[2]。灌區(qū)目前主要依靠黃河水進(jìn)行漫灌和畦灌，這種灌溉方式盡管能有效減輕土壤鹽堿化問題[3]，但灌水量較大，農(nóng)田水分利用效率較低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重[4]。滴灌是河套灌區(qū)目前廣泛推廣應(yīng)用的節(jié)水灌溉方式，其不僅能提高作物水分利用效率和產(chǎn)量，同時也能改變土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律[5-6]。減輕土壤鹽堿化程度、提高農(nóng)田水分利用效率?！狙芯窟M(jìn)展】生物炭是由植物生物質(zhì)在高溫缺氧條件下裂解碳化而成的一種土壤改良劑[7]。已有研究表明，生物炭不僅能改變土壤理化性質(zhì)[8]，同時還具有較好的固碳節(jié)肥能力[9-10]。生物炭具有的多孔結(jié)構(gòu)及較大表面積使得其具有較強(qiáng)的陽離子交換能力[11]，應(yīng)用生物炭對鹽漬土進(jìn)行改良，對有效緩解土壤含鹽量積累，減少鹽脅迫對作物生長的不利影響[12-13]。國內(nèi)外學(xué)者也對施加生物炭條件下土壤鹽分、水分運(yùn)動進(jìn)行了大量研究。朱成立等[14]在濱海墾區(qū)研究畦灌條件下咸淡交替灌溉對土壤鹽分分布時發(fā)現(xiàn)，生物炭可以促進(jìn)玉米光合作用、減輕水分脅迫、避免離子毒害，最終提高產(chǎn)量和收獲指數(shù)。岳燕等[15]在通過土柱模擬畦灌條件下施加生物炭對土壤鹽分淋洗作用時，發(fā)現(xiàn)施加生物炭可提高土壤洗鹽效率，將電導(dǎo)率淋洗至5 mS/cm 的時間縮短了41～100 d。也有研究表明，施加生物炭可提高土壤蓄水持水能力[16]，顯著提高沙土土壤有效含水率，減少黏土有效含水率[17]。安艷等[18]、李昌見等[19]研究表明，在地下水滴灌條件下施加生物炭可有效提高土壤團(tuán)聚體的吸濕系數(shù)，增加了土壤總孔隙度和田間持水率。岑瑞等[20]研究發(fā)現(xiàn)，黏土中施加生物炭30 t/hm2時土壤含水率增加9%、累積入滲量增加45.5%。魏永霞等[21]通過野外大田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施加生物炭可提高土壤持水保水能力，土壤含水率提高7.1%～14.5%，隨著施碳年限越長，其效果越弱。綜上所述，施加生物炭不僅可以減低土壤含鹽量，加快鹽分淋洗，同時也可以有效提高土壤持水保水、土壤入滲能力?！厩腥朦c(diǎn)】目前河套灌區(qū)針對土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律的研究主要集中在不同覆膜方式、節(jié)水灌溉等方面，對比不同灌溉方式下水鹽運(yùn)移規(guī)律的研究較少，針對不同灌溉條件下單次施加生物炭對土壤水鹽運(yùn)移特征及作物水分利用效率的中長期綜合影響效應(yīng)尚不清楚?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文旨在研究不同灌溉方式下，秸稈生物炭添加對土壤水鹽運(yùn)動規(guī)律的中長期影響效應(yīng)，提出生物炭田間應(yīng)用參數(shù)，為河套灌區(qū)水資源高效利用及鹽堿化耕地生態(tài)治理提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016—2018 年每年5—10 月在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)臨河區(qū)雙河鎮(zhèn)進(jìn)步村九莊農(nóng)業(yè)合作社（107°18′E，40°41′N，海拔1 042 m）進(jìn)行。該地屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，云霧少、日照充足、降水量少、風(fēng)大氣候干燥。多年年均降水量140 mm 左右，年平均氣溫6.8 ℃，平均日照時間3 229.9 h，無霜期130 d 左右。經(jīng)計算[22]，玉米生育期蒸散量為891.3 mm，非生育期蒸散量457.8 mm。生育期降雨量126.6 mm，非生育期降雨量23.4 mm。生育期地下水平均埋深為3.04 m。試驗(yàn)地地勢東高西低，地面坡降1/6 000。供試土壤為砂壤土（0～60 cm），基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)材料

生物炭來源于遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，采用玉米秸稈為原料，在450 ℃無氧條件燒制而成（粒徑1.5～2.0 mm），其基本理化性質(zhì)見表1。

1.3 小區(qū)試驗(yàn)設(shè)計

以灌溉方式、玉米秸稈生物炭用量為二因素進(jìn)行完全隨機(jī)區(qū)組小區(qū)試驗(yàn)設(shè)計，其中灌溉方式為地下水滴灌、地下水畦灌、黃河水畦灌，生物炭用量為0、30 t/hm2，共設(shè)置6 個處理：地下水滴灌處理（D）、黃河水畦灌處理（H）、地下水畦灌處理（J）、地下水滴灌+生物炭處理（DB）、黃河水畦灌+生物炭處理（HB）、地下水畦灌+生物炭處理（JB）。每個處理設(shè)置3 個重復(fù)，共18 個試驗(yàn)小區(qū)，每個小區(qū)面積90 m2（15 m×6 m）。2016 年4 月將生物炭均勻撒施于土壤表層，而后用旋耕機(jī)將生物炭與耕層20 cm 土壤均勻混合，2017 年和2018 年不再重復(fù)施加生物炭。

表1 土壤、生物炭的基本理化性質(zhì) Table 1 Principal physical and chemical properties of soil and biochar

表2 灌溉水的水質(zhì)狀況 Table 2 Irrigation water quality

供試玉米品種為西蒙6 號，種植的株距為30 cm，行距為60 cm，密度為56 667 株/hm2。播種前基施磷酸二銨（N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%，P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)46%）450 kg/hm2，氮磷鉀復(fù)合肥（N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%，P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%，K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%）337.5 kg/hm2。拔節(jié)期前、中、后期追肥3 次，抽雄期1 次，灌漿期1 次，每次追尿素（N質(zhì)量分?jǐn)?shù)46%）75 kg/hm2，共追施尿素375 kg/hm2。膜下滴灌的水源為黃河水，滴灌帶為內(nèi)鑲片式滴灌帶，管徑16 mm，滴頭流量1.38 L/h，滴頭間距0.3 m。滴灌帶鋪設(shè)于地膜中間，每條滴灌帶控制2 行玉米。通過埋于膜內(nèi)滴頭正下方20 cm 處的張力計控制灌溉，灌水下限-25 kPa，灌溉定額270 m3/hm2。分別于2018年5 月30 日（150 d）、6 月27 日（178 d）、8 月6 日（218 d）進(jìn)行灌溉黃河水畦灌、黃河水滴灌，共灌溉3 次，灌溉量均參照當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉實(shí)際情況，滴灌單次灌水22.5 mm，畦灌單次灌水100 mm。

1.4 樣品采集與數(shù)據(jù)分析

2018 年玉米生長季每隔10～15 d，使用土鉆分別在膜上（滴頭正下方位置）、膜中（距滴頭17.5 cm 處）、膜間（距滴頭35 cm 處）、膜外（距滴頭60 cm 處）4個位置進(jìn)行土壤取樣（圖1），其中0～40 cm 土層每10 cm 采集1 次，40～100 cm 土層每20 cm 采集1 次，每個處理重復(fù)3 次，每次共取1 512 個土樣（6 個處理×3 個重復(fù)×4 個取樣點(diǎn)×7 層）。取回的土壤樣品分成二部分，一部分通過烘干法測定土壤含水率，另一部經(jīng)自然風(fēng)干后研磨過篩（2 mm），使用便攜式全自動電導(dǎo)率分析系統(tǒng)（DS-307，上海霖諾環(huán)?？萍加邢薰荆y定土壤浸提液的電導(dǎo)率根據(jù)土壤含鹽量與電導(dǎo)率的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換公式S=0.349×EC1:5，估算土壤全鹽量[23]。并在試驗(yàn)過程中監(jiān)測與分析土壤的水鹽平衡狀況，計算脫鹽率和作物水分利用效率，各指標(biāo)的計算式如下：

圖1 土壤水鹽取樣位置示 Fig.1 Soil water-salt sampling points

1）鹽分平衡分析

對1 m 土層進(jìn)行鹽分平衡分析是土壤鹽分累積分析的重要方法，根據(jù)不同取樣點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)平均計算[24]，公式如下：

式中：S 為鹽分總量（kg/hm2）；Sxy為土壤取樣點(diǎn)含鹽量（g/kg）；Ly為取樣控制土層寬度（m）；hx為取樣點(diǎn)土層厚度（m）；γx為相應(yīng)點(diǎn)土壤體積質(zhì)量（g/cm3），i為計算深度內(nèi)取樣層數(shù)；n 為控制寬度1.2 m。

2）脫鹽率

式中：RSDR 為脫鹽率（%），RSDR 為正值時表示土層鹽分增加，脫鹽率為負(fù)值時表示土層鹽分減少，S1為2016年播種前土層鹽分初始值（kg/hm2），S2為2018年對應(yīng)土層秋收后含鹽量（kg/hm2）。

3）土壤貯水量

式中：H 為土壤貯水量；Δθi為土層i 的土壤質(zhì)量含水率（%）；Ci為土層i 的土層體積質(zhì)量（g/cm3）；Zi為土層i 厚度（mm）。

4）作物生育期耗水量

式中：P 為作物全生育期的降雨量（mm）；I 為作物生育期的灌溉定額（mm）；K 為地下水補(bǔ)給量（mm）；RO 為地表徑流（mm），因?yàn)樵囼?yàn)用地平整，故不考慮地表徑流；D 為深層滲漏量（mm），其中地表滴灌，每次灌水量較少，顧不考慮深層滲漏量；畦灌深層滲漏量經(jīng)計算為11.23 mm，ΔH 為0～100 cm 土壤剖面貯水量變化量（mm）。

5）玉米水分利用效率及灌溉水分利用效率

式中：WUE 為水分利用效率（kg/m3）；Y 為玉米籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）；ETc為玉米全生育期的耗水量（m3/hm2）。

式中：IWUE 為灌溉水水分利用效率（kg/m3）；Y 為玉米籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）；I 為玉米全生育期的灌溉水量（m3/hm2）。

6）收獲指數(shù)

式中，HI 為收獲指數(shù)；Y 為玉米籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）；DB 為玉米全生育期的干物質(zhì)累積量（kg/hm2）。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

采用Microsoft Excel 2016 軟件對原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，使用Origin 9.1 和Sufer 12.0 軟件繪圖，利用SPSS 20.0 對整理的數(shù)據(jù)進(jìn)行二因素方差分析（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分時空動態(tài)變化規(guī)律

不同觀測日期0～100 cm 土層土壤含水率動態(tài)變化規(guī)律如圖2 和圖3（注：箱線圖中箱體上黑線表示均值，黑點(diǎn)表示特異質(zhì)，箱體代表75%～25%，誤差線代表最大值和最小值）所示。從圖2 可以看出，不同灌溉方式下土壤含水率變化規(guī)律不同，在不施用生物炭的條件下，生育前期表層地下水滴灌處理（D）的土壤含水率明顯高于地下水畦灌（J）和黃河水畦灌處理（H），在生育中后期滴灌處理與畦灌處理含水率變化趨勢相近，整體趨于平穩(wěn)狀態(tài)。相同灌溉條件下，生物炭處理的土壤含水率整體上高于未施用生物炭的空白對照小區(qū)。繼續(xù)分析發(fā)現(xiàn)（圖3），不同灌溉方式下，生物炭處理施用后0～20、60～80 cm 的土壤含水率波動范圍明顯高于未施加生物炭處理，20～60 cm 土層施加生物炭處理的土壤含水率變化范圍與未施加生物炭處理的基本相同，而80～100 cm 土層各處理的土壤含水率波動范圍較小。

圖2 不同處理下0～100 cm 土壤含水率動 Fig.2 Dynamic of soil moisture content of 0～100 cm under different treatment

圖3 2018年不同處理下全生育期0～100 cm土壤含水率箱線圖 Fig.3 Results of 0～100 cm soil water content in the whole growth period under different treatment

2.2 土壤鹽分運(yùn)移規(guī)律

玉米收獲期不同灌溉條件下土壤鹽分分布情況如圖4 所示。由圖4 可知，在相同灌溉方式下，施加生物炭處理的小區(qū)較未施加生物炭的小區(qū)更能減少0～100 cm 的鹽分累積。地下水滴灌方式下，DB 處理積鹽主要集中在膜外位置，D 處理鹽分主要集中在膜上距滴頭60 cm處和膜外表層土壤。地下水畦灌處理，JB 處理的含鹽量變化較小，J 處理鹽分主要集中膜間位置50 cm 處。黃河水畦灌處理，HB 處理剖面鹽分小于90.7 g/kg，H 處理的鹽分在滴頭正下方60 cm 處達(dá)到最大值。畦灌條件下土壤鹽分分布較為均勻，而地下水滴灌處理鹽分主要集中于膜外及膜間位置，這主要是因?yàn)榈叵滤喂嗵幚韱未喂嗨枯^小，單次灌水入滲區(qū)域在0～30 cm 土層，無法均勻?qū)Ⅺ}分淋洗至深層土壤。

圖4 不同處理下生育末期0～100 cm 土壤全鹽含量/(g/kg) Fig.4 Total salt content in 0～100 cm soil at the end of growing stage under different treatment

對根系主要集中的0～40 cm 土層及0～100 cm 鹽分較2016 年改變量進(jìn)行進(jìn)一步統(tǒng)計分析（表3），發(fā)現(xiàn)不同處理0～40 cm 土層鹽分的改變量相差較大（31.5～345.2 kg/hm2），脫鹽效果存在顯著差異（3.1%～33.6%）。不同灌溉方式下，施加生物炭處理0～40 cm 和0～100 cm 的脫鹽率明顯小于未施加生物炭處理，其中地下水滴灌+生物炭處理降鹽效果最優(yōu)，其次為地下水畦灌+生物炭處理，黃河水畦灌+生物炭處理的脫鹽效果最差。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，地下水滴灌條件下土壤施用生物炭的相對脫鹽率（0～100 cm）比地下水畦灌、黃河水畦灌下施用生物炭處理高出1.24倍和3.30 倍。

圖5 為0～40 cm 及0～100 cm 各處理膜內(nèi)、膜中、膜間、膜外鹽分較2016 年改變量。0～40 cm 土層不同灌溉方式下生物炭處理對不同取樣位置土壤鹽分的影響規(guī)律存在差異，D 處理在膜上、膜中、膜間、膜外位置的積鹽量分別比DB 處理少158.3、1 263.4、776.2、-499.7 kg/hm2，JB 處理在膜上、膜中、膜間、膜外位置的積鹽量分別比J 處理少481.9、523.9、719.6、-692.1 kg/hm2，其中在膜上、膜中、膜間位置差異顯著。HB 處理在膜上、膜中、膜間、膜外位置的積鹽量分別比H處理少1 036.7、709.9、-87.3、-903.9 kg/hm2，其中在膜上、膜中、膜外位置較H 處理差異顯著。不同灌溉處理中，滴灌處理鹽分累積主要集中在膜外位置，鹽分從膜外向膜上位置逐漸減少。地下水畦灌處理鹽分累積量較小，鹽分分布較穩(wěn)平均，而黃河水畦灌處理整體上呈脫鹽狀態(tài)。

表3 不同處理下0～40 和0～100 cm 土層鹽分的改變量及脫鹽率計算 Table 3 Calculation of salinity change and desalination rate in 0～40 and 0～100 cm soil layers under different treatment

圖5 不同處理下0～40 cm 和0～100 cm 土層剖面脫鹽量 Fig.5 Desalination of 0～40 cm and 0～100 cm soil profiles under different treatments

2.3 玉米產(chǎn)量性狀與水分利用效率

由灌水量、蒸散量、產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素推算水分利用效率、灌溉水分利用效率及收獲指數(shù)如表4 所示。不同灌溉方式下施加生物炭與未施加生物炭處理的作物蒸散量沒有顯著差異。地下水滴灌、黃河水畦灌條件下施加生物炭與未施加生物炭處理水分利用效率、灌溉水利用效率差異顯著。作物產(chǎn)量在施加生物炭與未施加生物炭處理間差異不顯著，但是地下水滴灌條件下產(chǎn)量顯著高于未施加生物炭處理。而產(chǎn)量構(gòu)成由百粒質(zhì)量及穗粒數(shù)共同決定，不同處理間百粒質(zhì)量差異不顯著，而滴灌處理穗粒數(shù)顯著高于畦灌處理。干物質(zhì)量除黃河水畦灌條件下施加生物炭處理與未施加生物炭處理無顯著差異外，地下水滴灌、地下水畦灌條件下均表現(xiàn)出顯著差異。不同灌溉方式下，滴灌處理較畦灌處理可減少蒸散量的同時提高水分利用效率及灌溉水利用效率，減少水資源的浪費(fèi)。同時由于滴灌處理少量高頻的灌溉方式，使得其產(chǎn)量顯著高于畦灌處理。

3 討 論

3.1 不同灌溉方式下施加生物炭對作物水分利用效率的影響

施用生物炭可明顯提高土壤含水率，有利于增加土壤儲水量。本研究運(yùn)用水量平衡方程對作物耗水量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)施加生物炭有效減少地下水滴灌條件下土壤蒸散量，這是因?yàn)槭┘由锾吭黾恿送寥揽紫抖?，使得土壤水分更多地被生物炭吸附留存在土體中，從而減少了土壤無效蒸散量，提高了土壤儲水量，可被作物利用的有效水增加，這與魏永霞等[25]研究結(jié)果一致。畦灌條件單次灌水量大，灌水間隔時長，表層土壤含水率變化較小，使得畦灌條件下施加生物炭處理與未施加生物炭處理土壤蒸散量差異較小。各灌溉方式下灌水量相同，產(chǎn)量直接影響灌溉水利用效率。滴灌處理顯著增加了作物產(chǎn)量，這主要由于穗粒數(shù)增加顯著，少量高頻的灌溉模式可以使土壤保持相對穩(wěn)定的含水率，在玉米需水量較大的抽雄期很好的保障了土壤水分供應(yīng)，從而進(jìn)一步促進(jìn)作物了生長，充足的花粉及伸展的花絲最終導(dǎo)致了玉米禿尖長的減少及穗粒數(shù)的增加[26]。地下水滴灌條件下施加生物炭可有效減少土壤蒸散量，增加作物產(chǎn)量，從而提高水分利用效率及灌溉水利用效率。

3.2 不同灌溉方式下施用生物炭對土壤鹽分運(yùn)移的中長期影響

研究表明，鹽分脅迫是影響作物正常生長的主要因素之一[27]，生物炭獨(dú)特多孔隙結(jié)構(gòu)、較大的氧化表面積使得其具有較強(qiáng)的吸附能力[28]、通過促進(jìn)土壤礦物復(fù)合體形成以提高土壤團(tuán)聚體[21]，生物炭施用多年后對土壤鹽分的減少主要有以下2 個原因：①生物炭本身含有大量的可溶性陽離子，大量的K+、Ca2+、Mg2+等離子交換了鹽漬化土壤膠體吸附的Na+離子[29]，同時大量的可溶性陽離子作為作物礦物來源的一部分被植物吸收利用[30]。②由于生物炭自身含有大量有機(jī)質(zhì)，施入土壤后有效改善了土壤物理化學(xué)性質(zhì)，增加有機(jī)質(zhì)量，進(jìn)而直接參與土壤形成、改變土壤吸水吸肥過程，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成[31]，降低土壤體積質(zhì)量，改變土壤持水性，在生物炭處理中土壤體積質(zhì)量小、孔隙度大，促進(jìn)土壤水分運(yùn)動，所以鹽分更容易被淋洗到土壤下層。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，地下水滴灌條件下施加生物炭處理3 a 后土壤鹽分顯著低于未施加生物炭處理，滴灌處理少量高頻的灌水方式使得深層滲漏量減少，地下水無法得到及時補(bǔ)充，單次灌水也未能充分將鹽分淋洗到深層土壤，使得在滴灌條件下鹽分主要被截留在40～80 cm 土層，而在施加生物炭處理中由于生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)及較大表面積等物理特性，使得土壤孔隙度增加，更有益于鹽分運(yùn)移[32]。畦灌處理單次灌水量大、灌水次數(shù)少、灌水間隔長，充足的水分使得鹽分被淋洗到土壤深層，土壤體積質(zhì)量增加、孔隙度降低、土壤透氣性變差。黃河水畦灌降鹽量明顯地下水畦灌，這是因?yàn)榈叵滤}分較高，使得鹽分不能被充分淋洗到深層土壤。同時畦灌條件下施加生物炭處理較未施加生物炭處理有顯著差異，地下水畦灌處理中，施加生物炭處理較表現(xiàn)為脫鹽效果，而未施加生物炭處理則表現(xiàn)為積鹽效果；黃河水畦灌處理中施加生物炭處理與未施加生物炭處理均表現(xiàn)出脫鹽效果，但未施加生物炭處理脫鹽量顯著高于施加生物炭處理。

表4 不同處理下玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素和水分利用效率 Table4 Yield components and water use efficiency of maize under different treatments

4 結(jié) 論

1）滴灌方式下施用生物炭的節(jié)水增產(chǎn)效果最為顯著，其蒸散量分別比滴灌處理和畦灌處理降低47.3、41.5 mm，水分利用效率分別提高0.2 和0.3 kg/m3，灌溉水利用效率分別提高0.5 和1.1 kg/m3。

2）地下水滴灌+生物炭處理的脫鹽效果最優(yōu)（11.43%），黃河水畦灌+生物炭處理的脫鹽效果最差（7.91%），地下水畦灌+生物炭處理的脫鹽效果居中（-1.55%）。其中地下水滴灌處理鹽分主要集中在膜外40 cm 處，而畦灌處理灌水較為均勻，膜內(nèi)膜外脫鹽效果較為接近。

3）生物炭+地下水滴灌是河套灌區(qū)玉米農(nóng)田優(yōu)先選擇的田間管理措施。