吳雨晴,鄭春蓮,孫景生,李科江,黨紅凱,張俊鵬, *
(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院,山東 泰安 271018;
2.河北省農(nóng)林科學(xué)院 旱作農(nóng)業(yè)研究所/河北省農(nóng)作物抗旱研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 衡水 053000; 3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所/農(nóng)業(yè)部作物需水與調(diào)控重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,河南 新鄉(xiāng) 453002)
【研究意義】華北平原作為我國(guó)重要的棉糧產(chǎn)區(qū),淡水資源緊缺,許多地區(qū)農(nóng)林灌溉用水依賴深層地下水開(kāi)采,這已成為地下水超采和降落漏斗形成的主導(dǎo)影響因素[1-2],然而,該地區(qū)地下淺層咸水分布廣泛,尚未有效利用。以位于該區(qū)的河北低平原為例,咸水分布面積占總面積的91.8%,總儲(chǔ)水量約153.9 億m3,利用面積尚不及10%[3]。因此,合理開(kāi)發(fā)利用咸水資源, 對(duì)于緩解水資源危機(jī)、擴(kuò)大農(nóng)業(yè)用水等方面有非常重要的意義?!狙芯窟M(jìn)展】許多學(xué)者指出[4-6],若方法得當(dāng),咸水可代替淡水用于農(nóng)業(yè)灌溉。咸水灌溉具有兩面性,在增加土壤濕度的同時(shí),也將鹽分離子帶入農(nóng)田與土壤顆粒發(fā)生物理化學(xué)作用,進(jìn)而影響土壤結(jié)構(gòu)[7]。咸水灌溉會(huì)增加土壤體積質(zhì)量,降低土壤孔隙度,并對(duì)土壤質(zhì)地產(chǎn)生不利影響。Sameni 等[8]研究提出土壤中鹽分和陽(yáng)離子(特別是Na+)質(zhì)量濃度過(guò)高會(huì)引起土壤中黏粒量的改變。李小剛等[9]對(duì)甘肅景電灌區(qū)鹽化土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析,指出土壤中黏粒的分散導(dǎo)致團(tuán)聚體的分散和微孔隙崩塌,限制水分和氣體的運(yùn)動(dòng),造成土壤結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。土壤團(tuán)聚體作為土壤的基礎(chǔ)單元結(jié)構(gòu),其分布可以表征土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通常用直徑>0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體量、平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和分形維數(shù)(D)作為衡量土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo)[10-12]?!厩腥朦c(diǎn)】以往有關(guān)農(nóng)田團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究多集中在農(nóng)業(yè)耕作制度或土地利用方式等方面[10-13],鮮見(jiàn)咸水灌溉對(duì)農(nóng)田團(tuán)聚體穩(wěn)定性的報(bào)道。咸水灌溉對(duì)土壤質(zhì)量的影響具有持續(xù)性,短期研究難以揭示其影響效應(yīng)?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】茲連續(xù)10 a 定位咸水灌溉棉田土壤為研究對(duì)象,探索長(zhǎng)期咸水灌溉對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響,研究結(jié)果有助于豐富咸水灌溉技術(shù)體系,對(duì)于實(shí)現(xiàn)咸水資源安全高效利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。
試驗(yàn)在河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站進(jìn)行。該站地處北緯37°44′,東經(jīng)115°47′,平均海拔高度21 m;屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫12.8 ℃,年均降水量500 mm,年均蒸發(fā)量為1 785 mm,年日照時(shí)間2 509 h。供試驗(yàn)土壤為壤土,0~20 cm 耕層有機(jī)質(zhì)量11.5 g/kg,速效氮量76 mg/kg,速效鉀量112 mg/kg,速效磷量15 mg/kg;0~100 cm 土壤體積質(zhì)量為1.44 g/cm3,田間持水率為28%。試驗(yàn)區(qū)地下水埋深大于5 m。
棉花咸水定位灌溉試驗(yàn)始于2006 年,2006—2007 年種植模式為棉花單作,為探索棉花—飼用黑麥連作模式的可行性,于2008—2011 年棉花收獲后播種飼用黑麥,2012 年黑麥?zhǔn)斋@后恢復(fù)棉花單作。共設(shè)置5 個(gè)咸水質(zhì)量濃度水平,即2、4、6、8、10 g/L,分別記作T1、T2、T3、T4、T5,以當(dāng)?shù)厣罹? g/L)灌溉處理為對(duì)照(CK)。2、4、6、8、10 g/L咸水均使用當(dāng)?shù)厣顚拥叵滤畵絻逗{}配制而成,離子組成如表1 所示。灌水方式為畦灌,作物播種前及生育期間灌水計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤含水率低于田間持水率60%時(shí)灌水,灌水定額75 mm,2006—2015 年年灌水量分別為75、75、150、225、225、150、75、75、75、150 mm。采用大田隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),設(shè)置3 個(gè)重復(fù),共18 個(gè)小區(qū),試驗(yàn)小區(qū)面積為37.62 m2(6.6 m×5.7 m)。
表1 灌溉水離子組成 Table 1 Ion content in irrigation water
本研究在長(zhǎng)期咸水定位畦灌試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展,重點(diǎn)分析了連續(xù)咸水灌溉第10年(2015年4—10月)棉田土壤鹽分和水穩(wěn)性團(tuán)聚體狀況。2015 年棉花造墑前CK、T1、T2、T3、T4、T5 處理0~60 cm 土層鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.10%、0.11%、0.16%、0.16%、0.22%、0.29%。供試棉花品種為“冀863”,4 月21日各處理采用對(duì)應(yīng)礦化度的灌溉水進(jìn)行播前造墑,4月25 日采用寬窄行植棉方式人工播種,寬行80 cm,窄行50 cm,播后窄行覆膜,株距30 cm,于播種后第20 天用移栽法補(bǔ)齊棉苗?;ㄢ彸跗冢? 月5 日)進(jìn)行了補(bǔ)灌,造墑和補(bǔ)灌的灌水定額均為75 mm。
1.3.1 土壤樣品的采集與測(cè)定
土壤鹽分:于2015 年棉花苗期(5 月22 日)和吐絮期(10 月25 日)采集棉田0~30 cm 土層的土樣,每10 cm 分為1 層。每個(gè)小區(qū)的寬行中心和窄行中心各采集 1 個(gè)樣點(diǎn)。土樣風(fēng)干后研磨過(guò)篩,采用DDS-307A 型電導(dǎo)率儀(上海雷磁)測(cè)定土水比1∶5懸濁液的電導(dǎo)率(EC1:5)。
土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體:于2015 年棉花苗期(5 月22 日)和吐絮期(10 月25 日)采集0~30 cm 土層的原狀土,每10 cm 分為1 層,每個(gè)小區(qū)的寬行中心和窄行中心各采集1 個(gè)樣點(diǎn)。采用TPF-100 型土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)分析儀測(cè)定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成,測(cè)定方法為濕篩法[10]。稱取風(fēng)干土樣50 g,放置套篩最上層,套篩自上而下孔徑大小依次為2、0.25、0.053 mm,于水中浸潤(rùn)10 min 后震蕩10 min,篩動(dòng)頻率為30次/min。篩好后,將各級(jí)篩層團(tuán)聚體收集至鋁盒中,烘箱60 ℃烘干,稱質(zhì)量并計(jì)算。每個(gè)處理4 次重復(fù)。
1.3.2 結(jié)果計(jì)算
1)土壤鹽度用土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)來(lái)表示,與EC1:5之間相關(guān)關(guān)系為[14]:
采用Excel 2016 和DPS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。多重比較采用LSD 法,顯著水平為0.05。
由圖1 可以看出,土壤鹽分在棉花生長(zhǎng)前期和后期均隨灌溉水礦化度的增加而增大。棉花生長(zhǎng)前期(苗期),與CK 相比,T1、T2、T3、T4 和T5 處理0~30 cm 土層平均土壤鹽分增加8.46%、55.51%、145.77%、163.08%和177.40%,其中,T2、T3、T4、T5 處理與CK 均差異顯著。同一灌水礦化度處理下,隨著土層深度的增加,土壤鹽分整體呈降低趨勢(shì)。與0~10 cm 土層相比,20~30 cm 土層內(nèi)CK、T1、T2、T3、T4 和T5 處理土壤鹽分依次降低25.52%、11.68%、18.87%、9.93%、15.77%和22.81%。
棉花生長(zhǎng)后期(吐絮期),各處理土壤鹽分降低,與前期相比,CK、T1、T2、T3、T4、T5 處理棉田0~30 cm 土層的平均土壤鹽分依次減少了51.87%、54.08%、50.23%、64.14%、42.60%、27.41%。同一灌水礦化度處理下,土壤鹽分隨土層深度的變化趨勢(shì)與前期相反,均隨土層深度的增加而增大,與0~10 cm土層相比,20~30 cm 土層內(nèi)CK、T1、T2、T3、T4和T5 處理土壤鹽分依次增大38.90%、21.61%、33.12%、54.44%、45.01%和38.19%
圖1 咸水灌溉對(duì)棉田土壤鹽分的影響 Fig.1 Effects of saline water irrigation on soil salinity in cotton field
從圖2 可以看出,棉田土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的量整體呈隨灌水礦化度的增大而減小的趨勢(shì),0~10 cm土層表現(xiàn)尤為明顯。棉花生長(zhǎng)前期,T1、T2、T3、T4、T5 處理棉田0~30 cm 土層大團(tuán)聚體平均量較CK依次降低5.26%、8.13%、15.43%、22.43%、29.45%。其中,0~10 cm 土層內(nèi),T4 和T5 處理較CK 分別降低了33.04%和48.22%,差異達(dá)顯著水平。同一灌水礦化度處理下,隨土層深度增加,CK、T1、T2、T3處理的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體呈先降低后上升的趨勢(shì),以10~20 cm 土層大團(tuán)聚體量最低。當(dāng)灌溉水礦化度達(dá)到8 g/L 和10 g/L 時(shí),水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量隨土層深度的增加而增大。
棉花生長(zhǎng)后期,各處理水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量均有所上升,CK、T1、T2、T3、T4、T5 處理0~30 cm 土層大團(tuán)聚體量平均較前期分別增加了35.18%、33.34%、29.57%、29.79%、15.15%、53.23%。與前期相同,咸水灌溉處理棉田的大團(tuán)聚體量小于CK,與CK 相比,T1、T2、T3、T4、T5 處理0~30 cm 土層大團(tuán)聚體量平均依次降低1.9%、8.9%、12.2%、17.4%、23.8%。同一灌水礦化度處理下,團(tuán)聚體量在土層間的變化規(guī)律與前期不同,除T4 和T5 處理外,其余各處理大團(tuán)聚體量隨土層深度增加先上升后降低,以10~20 cm土層大團(tuán)聚體量最高;T4 和T5 處理以20~30 cm 的量最高。
圖2 咸水灌溉對(duì)棉田土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量的影響 Fig.2 Effects of saline water irrigation on the content of soil water stable big aggregates in cotton field
由表2 可以看出,棉花生長(zhǎng)前期,MWD 隨灌水礦化度增加而減小,以0~10 cm 土層為例,T1、T2、T3、T4、T5 處理棉田的MWD 分別比CK 降低了5.9%、9.9%、16.0%、29.6%、38.2%,其中T4、T5 處理與CK 差異顯著。GMD 隨灌溉水礦化度的變化規(guī)律與MWD 相似,以10~20 cm 土層為例,與CK 相比,T1、T2、T3、T4、T5 處理GMD 依次降低7.5%、12.3%、23.7%、30.7%、47.8%,其中T4、T5 處理與CK 相比差異顯著。不同土層下,T1、T2、T3 處理的MWD隨土層深度的增加呈先降低后上升的趨勢(shì),以10~20 cm 土層的MWD 值最小,當(dāng)灌水礦化度達(dá)到6、8 g/L時(shí),水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD 隨土層深度增加呈上升趨勢(shì)。GMD 隨土層變化規(guī)律與之相似。
棉花生長(zhǎng)后期各處理棉田的MWD 與GMD 均有所增大。與前期相比,CK、T1、T2、T3、T4、T5處理棉田0~30 cm 土層的平均MWD 分別增加了23.8%、24.0%、26.5%、33.5%、29.8%、39.8%,GMD依次增加30.9%、27.3%、26.0%、20.1%、19.3%、21.7%。與前期變化規(guī)律相似,棉花后期MWD 與GMD 整體上亦隨灌水礦化度的增加而降低,以10~20 cm 為例,T1、T2、T3、T4、T5 處理下MWD 較CK 分別降低0.4%、6.1%、11.4%、21.8%、35.1%,GMD 依次降低2.8%、8.6%、13.1%、41.8%、53.1%,其中T4、T5 處理與CK 差異顯著。
表2 咸水灌溉對(duì)棉田土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD 和GMD 的影響 Table 2 Effects of saline water irrigation on soil water stable aggregates MWD and GMD in cotton field
由圖3 可以看出,無(wú)論在棉花生長(zhǎng)前期還是后期,棉田土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的D 值均隨灌水礦化度的增加整體呈上升趨勢(shì)。以棉花生長(zhǎng)后期10~20 cm 土層為例,T1、T2、T3、T4、T5 處理的D 值較CK 依次增加1.2%、1.8%、3.5%、5.7%、6.0%。
與棉花生長(zhǎng)前期相比,棉花生長(zhǎng)后期,各處理土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體D 有所降低CK、T1、T2、T3、T4、T5 處理在0~30 cm 各土層內(nèi)水穩(wěn)性團(tuán)聚體D 的降低幅度依次為5.3%~10.3%、4.6%~9.3%、3.1%~9.0%、4.3%~8.4%、4.4%~7.8%、4.5%~9.1%,其中,10~20 cm土層的降低幅度最大。同一灌水處理下,CK、T1、T2、T3 處理棉田水穩(wěn)性團(tuán)聚體D 隨土層深度增加先減小后增大,T4、T5 處理相反。
由表3 可知,棉田土壤鹽度及水穩(wěn)性團(tuán)聚體各指標(biāo)間均具有一定相關(guān)性。整體來(lái)看,棉田0~30 cm 土層平均土壤鹽度與R0.25、MWD、GMD 呈極顯著負(fù)相關(guān),與D 呈極顯著正相關(guān)。水穩(wěn)性團(tuán)聚體各指標(biāo)間,R0.25、MWD、GMD 之間相互呈極顯著正相關(guān),均與D 呈極顯著負(fù)相關(guān)。與棉花生長(zhǎng)前期相比,后期土壤鹽度與各水穩(wěn)性團(tuán)聚體指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)均有所下降,其中,土壤鹽度與D 之間的相關(guān)性下降至0.05水平上的顯著相關(guān)。
圖3 咸水灌溉對(duì)棉田土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)的影響 Fig. 3 Effects of saline water irrigation on fractal dimension of soil water stable aggregates in cotton field
表3 棉田土壤鹽度及水穩(wěn)性團(tuán)聚體各參數(shù)之間的相關(guān)性 Table 3 The correlation between soil salinity and parameters of water-stable aggregates in cotton fields
咸水灌溉在增加土壤水分的同時(shí),也帶入了鹽分。本研究中,棉花生長(zhǎng)前期,咸水灌溉棉田土壤鹽度較高,且隨灌溉水礦化度增加而增大、隨土層深度的增加呈降低趨勢(shì)。原因可能是棉花播種前進(jìn)行了灌水,灌溉水礦化度愈高,帶入的鹽分愈多,此外,棉花生長(zhǎng)前期干旱少雨,蒸發(fā)返鹽強(qiáng)烈,導(dǎo)致鹽分表聚。棉花生長(zhǎng)中期(7—9 月)恰逢該區(qū)的雨季,生育期內(nèi)降雨可對(duì)土壤鹽分進(jìn)行有效淋洗,由此促使棉花后期0~30 cm 土層含鹽量較前期明顯降低,表層(0~10 cm)土壤淋鹽效果最為明顯。
團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)最基本的單元,其數(shù)量和質(zhì)量可以表征土壤的透氣性、持水性和孔隙性[17-18],其中直徑>0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體是結(jié)構(gòu)性最好的一類(lèi)團(tuán)聚體[19]。本研究表明,咸水灌溉有減少大團(tuán)聚體量的趨勢(shì),究其原因,咸水灌溉帶入土壤大量的Na+,Na+可以代替黏土礦物顆粒中的Ca2+和吸附在土壤顆粒表面或者團(tuán)聚體層間的Mg2+等土壤黏合劑,進(jìn)而引起土壤顆粒的膨脹與分散[20-21]。棉花生長(zhǎng)前期,同一灌水條件下,隨土層深度的增加,CK、T1、T2、T3處理棉田土壤大團(tuán)聚體數(shù)量先降低后增大,以10~20 cm 土層量最低,這是由于每年4 月底棉花播種前均對(duì)試驗(yàn)田進(jìn)行旋耕,旋耕深度約12~15 cm,耕作層以下形成了厚度約5~7 cm 的犁底層,耕層土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)遭到破壞,大團(tuán)聚體量降低[10,13]。然而,T4、T5 處理大團(tuán)聚量隨土層深度增加而增大,此規(guī)律與土壤鹽度分布規(guī)律負(fù)相關(guān),由此可知,在10~20 cm土層,低礦化度灌水處理下大團(tuán)聚體量受耕作機(jī)械擾動(dòng)影響較大,高礦化度灌水處理受土壤鹽分的影響較大。
MWD、GMD 是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)性的數(shù)量指標(biāo),同時(shí)評(píng)價(jià)了土壤團(tuán)聚體的數(shù)量和大小,其值越大,土壤團(tuán)聚度和穩(wěn)定性越強(qiáng)[22]。本試驗(yàn)表明,長(zhǎng)期咸水灌溉有減小MWD、GMD 的趨勢(shì),張余良等[23]研究得出了相似結(jié)論。本研究中,棉花生長(zhǎng)前期,0~10 cm 土層內(nèi),T4、T5 處理的MWD 顯著低于CK,但經(jīng)過(guò)生育期內(nèi)鹽分淋洗和土壤環(huán)境穩(wěn)定,棉花生長(zhǎng)后期,各處理MWD上升且與CK差異不顯著。GMD呈與MWD類(lèi)似的變化規(guī)律。說(shuō)明咸水灌溉會(huì)降低土壤團(tuán)聚度和穩(wěn)定性,但經(jīng)過(guò)棉花生育期降雨淋鹽,表層土壤環(huán)境得到改善,有助于其他更穩(wěn)定的金屬離子作為膠結(jié)物質(zhì)與黏團(tuán)形成團(tuán)聚體;同時(shí),表層土壤環(huán)境的改善,可使微生物活性增加,各級(jí)團(tuán)聚體在微生物分泌多糖物質(zhì)黏結(jié)礦物顆粒和吸附小團(tuán)聚體多糖類(lèi)物質(zhì)作用下,形成臨時(shí)性團(tuán)聚體[24],進(jìn)而對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性起到恢復(fù)作用。此外,通過(guò)本研究還可看出,適量的質(zhì)量濃度咸水灌溉對(duì)土壤團(tuán)聚度和穩(wěn)定性影響不大(表3),當(dāng)灌溉水礦化度小于6 g/L 時(shí),棉花生長(zhǎng)前后期棉田土壤各土層MWD 和GMD 與CK 相比均無(wú)顯著差異,水穩(wěn)性團(tuán)聚體較穩(wěn)定。馮棣[25]基于土壤鹽分平衡、棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì),認(rèn)為環(huán)渤海低平原區(qū)適宜棉花生長(zhǎng)的灌水礦化度閾值為6 g/L,本研究結(jié)論與之相似。
分形維數(shù)D 是反映土壤結(jié)構(gòu)幾何形體的參數(shù),其值越小,土壤的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性越好。本試驗(yàn)表明,D隨灌水礦化度的增加呈升高趨勢(shì),說(shuō)明咸水灌溉導(dǎo)致土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低。棉花生長(zhǎng)前期,T4、T5 灌水處理表層土壤含鹽量高,D 隨土層深度的增加而降低,這與其他研究中非咸水灌溉農(nóng)田團(tuán)聚體土層變化規(guī)律相反[12,26]。棉花生長(zhǎng)后期,各處理棉田水穩(wěn)性大團(tuán)聚體D 較前期降低,以10~20 cm 土層恢復(fù)最為顯著。
本研究中,土壤鹽分與R0.25、MWD、GMD 極顯著負(fù)相關(guān),與D 極顯著正相關(guān),說(shuō)明土壤中鹽分離子會(huì)降低土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性,破壞土壤結(jié)構(gòu)。且棉花生長(zhǎng)后期,土壤鹽分與各水穩(wěn)性團(tuán)聚體指標(biāo)相關(guān)系數(shù)較前期有所減小,說(shuō)明在棉花生育期降雨淋鹽、土壤自然沉降[11,26]等作用下,土壤環(huán)境改善,土壤鹽分對(duì)團(tuán)聚體的不良影響有所降低。
1)咸水灌溉增加了土壤鹽分、降低了水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性。隨灌溉水礦化度的增加,土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體數(shù)量、MWD、GMD 均呈下降趨勢(shì),D 的變化規(guī)律與上述指標(biāo)相反。
2)棉花生長(zhǎng)后期土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體數(shù)量、MWD、GMD 較前期均有所回升,D 有所下降,以10~20 cm 恢復(fù)效果最為顯著。
3)與CK 相比,T1、T2、T3 處理棉田不同時(shí)期不同土層的水穩(wěn)性團(tuán)聚體指標(biāo)差異均不顯著,連續(xù)多年咸水灌溉條件下低于6 g/L 的咸水灌溉對(duì)棉田土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體破壞程度較小。