不同礦化度微咸水灌溉冬小麥對(duì)下季作物產(chǎn)量和周年土壤鹽分平衡的影響*

高聰帥, 邵立威, 閆宗正, 李 璐, 陳素英, 張喜英**

不同礦化度微咸水灌溉冬小麥對(duì)下季作物產(chǎn)量和周年土壤鹽分平衡的影響*

高聰帥1,2, 邵立威1, 閆宗正1,2, 李 璐1,2, 陳素英1, 張喜英1**

(1. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

冬小麥夏玉米一年兩熟是環(huán)渤海低平原主要糧食作物種植模式, 該區(qū)淡水資源匱乏, 但淺層微咸水相對(duì)豐富, 在降水較少的冬小麥生長(zhǎng)季, 適當(dāng)利用微咸水代替淡水灌溉對(duì)維持冬小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)有重要作用。冬小麥季實(shí)施微咸水灌溉后土壤鹽分累積如何影響下季作物夏玉米生長(zhǎng)以及對(duì)土壤周年鹽分平衡影響, 是微咸水能否長(zhǎng)期安全利用的關(guān)鍵。為探究上述問題, 于2015—2019年連續(xù)4年在環(huán)渤海低平原中國(guó)科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站進(jìn)行冬小麥季不同礦化度微咸水灌溉定點(diǎn)試驗(yàn), 共設(shè)置含鹽量為1 g·L?1淡水(F)、3 g·L?1微咸水(S3)、4 g·L?1微咸水(S4)、5 g·L?1微咸水(S5) 4個(gè)梯度, 在拔節(jié)期灌水1次, 灌水量均為70 mm; 另以生育期不灌水作為對(duì)照(旱作, CK)。結(jié)果表明, 不同礦化度微咸水灌溉處理間冬小麥產(chǎn)量沒有顯著差異, 但平均比CK顯著增產(chǎn)31.6%。同時(shí), 冬小麥生長(zhǎng)季微咸水灌溉均增加了收獲時(shí)1 m以上土層的含鹽量, 并隨灌溉水含鹽量增加而增加; 對(duì)1 m以下土層含鹽量影響不明顯。夏玉米播種時(shí)灌溉70 mm淡水不僅解決了土壤墑情不足問題, 并可使0~20 cm土層鹽分控制在1 g?kg?1以下, 保證夏玉米出苗和群體建立, 對(duì)夏玉米產(chǎn)量沒有顯著影響。經(jīng)過夏季降雨的淋洗, S3、S4和S5處理0~40 cm土層含鹽量降低幅度超過30%, 深層土壤含鹽量變化不明顯, 1 m以上土層可以實(shí)現(xiàn)周年鹽分平衡。本研究表明冬小麥-夏玉米一年兩季種植, 冬小麥耐鹽能力較強(qiáng)的特征使其生育期可以通過不大于5 g?L?1的微咸水灌溉維持穩(wěn)產(chǎn), 在保證夏玉米出苗水進(jìn)行灌溉的條件下, 夏玉米季通過雨季降水淋鹽維持0~1 m主要根層土壤不發(fā)生明顯積鹽過程, 可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期微咸水灌溉下土壤和作物安全。

微咸水灌溉; 冬小麥; 夏玉米; 作物產(chǎn)量; 土壤鹽分; 鹽分平衡

隨著人口增加和城市化進(jìn)一步發(fā)展, 對(duì)糧食和水資源的需求將會(huì)不斷增加。如何解決水資源短缺和糧食生產(chǎn)之間的矛盾已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。環(huán)渤海低平原是中國(guó)重要的糧食、棉花(spp.)和水果生產(chǎn)基地[2]。然而, 該地區(qū)淡水資源匱乏, 區(qū)域人均僅190 m3, 單位耕地面積平均淡水資源為1650 m3?hm?2, 分別是全國(guó)的1/12和1/16[3]。在環(huán)渤海低平原地區(qū)淺層地下水中有著豐富的微咸水資源, 總儲(chǔ)量達(dá)到2500億m3, 小于5 g?L?1的微咸水年可開采量占全國(guó)的1/2, 其中在河北黑龍港地區(qū)2~5 g?L?1微咸水資源量達(dá)70億m3, 年可利用量為22億m3[4]。冬小麥()和夏玉米()是該地區(qū)的主要作物, 降水資源不能滿足一年兩季作物種植模式的需水要求, 特別是在冬小麥生長(zhǎng)季節(jié), 灌溉是維持作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施。由于該地區(qū)缺乏淺層淡水資源, 深層地下水被過度開采, 導(dǎo)致了大面積深層地下水漏斗的出現(xiàn)[5-6]。因此, 微咸水資源的開發(fā)和利用可以有效緩解環(huán)渤海地區(qū)糧食生產(chǎn)和淡水資源匱乏之間的矛盾。

微咸水灌溉農(nóng)作物已開展了較多的研究[7-10]。Ozturk等[11]研究發(fā)現(xiàn)大麥()和小麥在不同微咸水灌溉(EC=0.8 dS?m?1、5 dS?m?1、8 dS?m?1、10 dS?m?1)下生物量沒有顯著差異, 且兩種作物都可以良好生長(zhǎng)。Yang等[12]研究了在不同微咸水覆膜滴灌下對(duì)土壤物理化學(xué)特性和棉花產(chǎn)量的影響, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)灌溉水礦化度小于6g?L?1時(shí), 對(duì)棉花的吸水特性和產(chǎn)量沒有明顯影響; 土壤pH小于8.9時(shí)適宜棉花生長(zhǎng)。除灌溉水礦化度外, 土壤質(zhì)地也會(huì)對(duì)土壤鹽分積累和作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響。Huang等[13]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與沙壤土相比, 粉質(zhì)壤土?xí)黾油寥利}分積累, 且玉米產(chǎn)量更低。在環(huán)渤海低平原地區(qū), 微咸水灌溉已經(jīng)被用于不同作物[14-16]。與淡水灌溉相比, 利用小于5 g?L?1的微咸水灌溉, 冬小麥的產(chǎn)量不降低; 與雨養(yǎng)相比冬小麥增產(chǎn)10%~30%[17]。冬小麥的耐鹽閾值高于夏玉米[3], 冬小麥生長(zhǎng)季微咸水灌溉后土壤積鹽導(dǎo)致夏玉米播種時(shí)土壤鹽分積累,如何降低該鹽分累積對(duì)玉米的影響, 是微咸水灌溉用于冬小麥-夏玉米一年兩季種植能夠成功的關(guān)鍵。

雖然在一定的鹽分范圍內(nèi), 作物產(chǎn)量并沒有受到明顯影響, 但是在長(zhǎng)期微咸水灌溉下, 仍然可能對(duì)土壤鹽分積累和作物生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面作用[18]。Wang等[8]基于一個(gè)連續(xù)3年的試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)期末0~1 m土層出現(xiàn)鹽分積累, 灌溉未能將鹽分淋洗到1 m以下土層。微咸水灌溉條件下土壤溶液中的Na+、Ca2+和Cl?比例快速被改變[19], 土壤pH和可交換性鈉比例(ESP)升高, 破壞了土壤結(jié)構(gòu)[20]。與淡水灌溉相比, 長(zhǎng)期微咸水灌溉的土壤具有更高的電導(dǎo)率和鈉吸附率以及更低的有機(jī)碳[21]。土壤鹽分積累可能導(dǎo)致土壤鹽堿化, 造成耕地退化和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可持續(xù)的后果[22]。另一方面, 與淡水灌溉相比, 長(zhǎng)期微咸水灌溉可能增加土壤溶液的滲透勢(shì), 造成作物吸水困難, 使作物產(chǎn)生水分虧缺[23]。此外, 長(zhǎng)期微咸水灌溉可能導(dǎo)致土壤積鹽, 使植物的K+/Na+失衡, 蒸騰作用減少等[3,10]。因此長(zhǎng)期灌溉微咸水時(shí), 必須保證土壤含鹽量在作物安全生長(zhǎng)范圍內(nèi), 否則可能對(duì)土壤和作物產(chǎn)生危害。在環(huán)渤海低平原冬小麥生長(zhǎng)期間實(shí)施的微咸水灌溉可以解決冬小麥生育期淡水資源匱乏問題, 很多試驗(yàn)均證明了微咸水灌溉相比旱作具有顯著增產(chǎn)作用[15,17,24]。但由于冬小麥生長(zhǎng)季降水較少, 土壤水分是一個(gè)逐步降低的過程, 咸水灌溉帶入土壤的鹽分會(huì)聚集在土壤上層, 在夏玉米播種時(shí), 土壤鹽分達(dá)到一年中的最高含量, 夏玉米對(duì)鹽分較敏感, 播種時(shí)較高的土壤含鹽量影響夏玉米的出苗。另一方面, 微咸水灌溉能否持續(xù)的一個(gè)重要影響因素是土壤鹽分平衡問題, 即灌水時(shí)帶入的土壤鹽分能否被淋溶至根層以外的土壤, 使土壤不發(fā)生明顯鹽分累積。對(duì)于此問題, 還需要做全面深入的研究。環(huán)渤海低平原的季風(fēng)氣候夏季降水集中的特點(diǎn), 創(chuàng)造了土壤鹽分淋溶的條件, 夏季降水如何影響土壤鹽分分布和周年鹽分平衡對(duì)微咸水能否長(zhǎng)期安全利用起關(guān)鍵作用。本研究針對(duì)長(zhǎng)期不同礦化度咸水灌溉冬小麥對(duì)下一季作物夏玉米產(chǎn)量、土壤鹽分分布和周年土壤鹽分平衡的影響等方面開展研究, 為微咸水持續(xù)安全利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于環(huán)渤海低平原的中國(guó)科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站(38°00′N,116°40′E, 海拔11 m)。該地區(qū)屬于溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)季候區(qū), 年平均降水量為480 mm, 70%的降水集中在7—9月, 年平均溫度為12.3 ℃, 平均日照時(shí)間為7.2 h。該區(qū)域潛水埋深為4 m左右, 淺層地下水為咸水或微咸水, 深層地下水為淡水。試驗(yàn)地點(diǎn)土壤類型為脫鹽潮土, 試驗(yàn)起始0~20 cm土層含速效氮80.2 mg?kg?1、速效磷26.3 mg?kg?1、速效鉀124.0 mg?kg?1、有機(jī)質(zhì)15.8 mg?kg?1, 含鹽量為0.9 g?kg?1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2015—2019年開展。作物種植制度為冬小麥-夏玉米一年兩熟制。冬小麥生育期為10月中旬至次年6月上旬, 夏玉米生育期為6月中旬至9月底。冬小麥在底墑充足條件下設(shè)置了拔節(jié)期灌溉1水的灌溉制度, 以不灌水處理作為對(duì)照(CK)。灌溉水的礦化度是1 g?L?1淡水(F)、3 g?L?1微咸水(S3)、4 g?L?1微咸水(S4)和5 g?L?1微咸水(S5)。在農(nóng)田中隨機(jī)安排5個(gè)處理, 每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。小區(qū)面積為8 m′5 m, 每?jī)蓚€(gè)相鄰的小區(qū)安排2 m寬的保護(hù)行, 不進(jìn)行灌水處理, 減少小區(qū)之間的相互影響。灌溉水水質(zhì)如表1所示。

表1 不同礦化度灌溉水離子含量

冬小麥?zhǔn)斋@后, 夏玉米立即播種, 播種后所有處理進(jìn)行1次淡水灌溉, 保證夏玉米出苗, 其他時(shí)間不灌水。所用的淡水水源來自于試驗(yàn)站的深井水, 不同礦化度的微咸水用海鹽和淡水在蓄水池中配置而成。灌水采用塑料軟管連接蓄水池出水口, 蓄水池出水口加裝水表記載灌水量。冬小麥拔節(jié)期灌水和夏玉米出苗水灌水量根據(jù)地面小畦灌溉需要的水量設(shè)定, 均為70 mm。

冬小麥品種為‘衡4366’(中度耐鹽), 夏玉米收獲后秸稈粉碎還田, 施入底肥為過磷酸鈣(16%)、復(fù)合肥(25-8-12)和尿素, 用量分別為900 kg?hm?2、350 kg?hm?2和70 kg?hm?2, 翻耕整地后機(jī)播種植小麥。播量為225 kg?hm?2, 行距為等行距20 cm。冬小麥?zhǔn)斋@后, 立即播種夏玉米, 夏玉米品種是‘鄭單958’(輕度耐鹽), 采用機(jī)播方式, 種植密度為6株?m?2, 種植行距為60 cm。

1.3 取樣和測(cè)定

1.3.1 氣象數(shù)據(jù)

本試驗(yàn)的降水、溫度和日照時(shí)數(shù)等氣象數(shù)據(jù)來自試驗(yàn)地點(diǎn)附近的泊頭氣象站。

1.3.2 土壤鹽分測(cè)定

1.3.3 土壤水分測(cè)定

每個(gè)小區(qū)安裝中子儀管, 深度2 m, 利用中子儀(CNC100, Beijing Super Technology, Inc., China)在作物的關(guān)鍵生育期(苗期、拔節(jié)期、灌漿期、成熟期)進(jìn)行土壤水分測(cè)定, 每20 cm深度用探頭測(cè)定數(shù)值。

1.3.4 作物產(chǎn)量

冬小麥和夏玉米收獲時(shí)測(cè)定所有小區(qū)的密度; 在每個(gè)小區(qū)選擇10 m2進(jìn)行人工收獲測(cè)產(chǎn), 冬小麥隨機(jī)選取80莖用于測(cè)定收獲指數(shù)、穗粒數(shù)和粒重; 夏玉米每個(gè)小區(qū)選擇3株測(cè)定生物量和籽粒重, 計(jì)算收獲指數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)基于SPSS 25和Microsoft excel 2016進(jìn)行計(jì)算和作圖分析。不同處理間的數(shù)據(jù)采用單因素方差分析, 組間采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行兩兩比較, 顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)期間的氣象條件

表2為2015—2019年冬小麥和夏玉米生育期的氣象要素。根據(jù)皮爾遜Ⅲ型模型對(duì)1970—2019年降水量進(jìn)行了擬合, 根據(jù)降水保證率劃分年型, 選定25%和75%為界限, 得到降水量大于635.6 mm的年型為豐水年, 降水量小于415.2 mm的年型為枯水年,介于415.2~635.6 mm之間的為平水年。夏季降水占全年降水量的78.3%。2015—2019年均為平水年。2016—2019年次降水量大于25 mm分別為6次、4次、7次、8次, 其中在夏季的有6次、4次、6次、8次; 次降水量大于50 mm分別為2次、1次、3次、1次, 均在夏季; 2015—2019年冬小麥和夏玉米生育期的日照時(shí)數(shù)低于多年平均, 日均溫度高于多年平均, ≥10 ℃的積溫也高于多年平均。

表2 2015—2019年冬小麥和夏玉米生育期氣象因素

2.2 試驗(yàn)期間試驗(yàn)地土壤水分動(dòng)態(tài)

2015—2019年冬小麥季拔節(jié)期灌溉淡水處理和旱作處理0~40 cm深度土壤水分的動(dòng)態(tài)變化如圖1所示。以降水較多的2017—2018年冬小麥季為例, 對(duì)0~40 cm土壤儲(chǔ)水和消耗進(jìn)行分析。播種冬小麥前灌溉底墑水, 可使土壤體積含水量達(dá)到25%以上, 越冬期冬小麥耗水很少, 從2017年12月9日到2018年3月14日淡水和旱作處理土壤含水量分別降低了2.3%和1.3%; 越冬期結(jié)束后, 由于作物快速生長(zhǎng)和大氣蒸散力的增加, 土壤含水量快速下降, 至2018年4月7日淡水和旱作處理土壤含水量分別為10.5%和15%, 淡水處理在拔節(jié)期進(jìn)行灌溉可使土壤含水量恢復(fù)至25%左右, 但不能滿足冬小麥的需水要求, 對(duì)土壤儲(chǔ)水的利用逐漸增加; 至冬小麥?zhǔn)斋@時(shí), 淡水和旱作處理上層土壤含水量達(dá)到了最低點(diǎn), 分別為13.3%和11.3%。如果夏玉米播種時(shí)不進(jìn)行灌溉, 夏玉米不能及時(shí)出苗和建立群體, 受制于夏玉米生育期的限制, 將影響其正常成熟。因此, 該區(qū)冬小麥和夏玉米一年兩熟種植中夏玉米播種時(shí)的灌溉是必須的。夏玉米播后的出苗水灌溉, 使土壤水分出現(xiàn)明顯回升, 保證了夏玉米及時(shí)出苗, 隨后夏季降雨增加, 使得土壤水分出現(xiàn)動(dòng)態(tài)波動(dòng)的過程。

2.3 冬小麥灌溉不同礦化度微咸水后收獲期土壤鹽分的剖面分布

圖2顯示了2016—2019年冬小麥連續(xù)灌溉4個(gè)生育期, 各生育期收獲后土壤鹽分在剖面的分布情況。由于冬小麥生育期內(nèi)降水較少, 在限水灌溉條件下, 土壤剖面水分是逐漸減少過程, 土壤鹽分累積特別是土壤表層鹽分含量增加明顯。0~20 cm土層, 隨著灌溉水礦化度升高, 土壤鹽分含量增加。4個(gè)生育期冬小麥季灌溉1次淡水處理0~100 cm土層的平均含鹽量分別是1.1 g·kg?1、1.2 g·kg?1、1.1 g·kg?1和1.2 g·kg?1, 100~200 cm土層的平均含鹽量分別是1.5 g·kg?1、2.0 g·kg?1、2.0 g·kg?1和1.9 g·kg?1; 旱作處理在0~100 cm土層平均含鹽量分別是1.1 g·kg?1、1.1 g·kg?1、1.1 g·kg?1和1.0 g·kg?1, 100~200 cm土層平均含鹽量分別是1.9 g·kg?1、1.9 g·kg?1、1.9 g·kg?1和1.7 g·kg?1, 旱作處理和淡水灌溉土壤鹽分含量沒有明顯差異。冬小麥季灌溉1次微咸水處理, 0~100 cm土層平均含鹽量是1.3 g·kg?1、1.3 g·kg?1、1.5 g·kg?1和1.5 g·kg?1, 100~200 cm土層平均含鹽量分別是1.6 g·kg?1、1.8 g·kg?1、1.9 g·kg?1和1.9 g·kg?1。不同礦化度微咸水處理(3~5 g·L?1)在0~100 cm土層4個(gè)生育期平均土壤含鹽量分別為1.3 g·kg?1、1.4 g·kg?1和1.5 g·kg?1, 隨礦化度升高呈增加趨勢(shì); 在100~200 cm土層分別為1.9 g·kg?1、1.7 g·kg?1、1.8 g·kg?1, 沒有隨微咸水礦化度升高而增加。可以看出, 與冬小麥季拔節(jié)期灌溉1次淡水或旱作相比, 灌溉1次微咸水在小麥?zhǔn)斋@時(shí)明顯增加了0~100 cm土層的土壤含鹽量, 對(duì)100~200 cm土層的含鹽量影響不明顯。

2.4 夏玉米播種水灌溉對(duì)耕層土壤鹽分的影響

冬小麥?zhǔn)斋@后, 土壤表層含水量很低, 夏玉米播種水的灌溉既可以補(bǔ)充土壤水分, 也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤鹽分的淋洗, 使表層土壤鹽分含量達(dá)到夏玉米出苗的安全范圍。圖3顯示了2016—2019年夏玉米播種水灌溉前后0~20 cm土層土壤含鹽量的變化。在夏玉米播種水灌溉前, 0~20 cm土壤含鹽量隨著灌溉水礦化度的增加而增加, 4個(gè)生育期趨勢(shì)相同。夏玉米播種水灌溉后, 冬小麥季淡水灌溉和旱作0~ 20 cm土層土壤含鹽量沒有明顯變化, 而冬小麥季微咸水灌溉的0~20 cm土層土壤含鹽量均呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì), 2016—2018年下降到1.0 g·kg?1含鹽量水平, 2019年下降到1.5 g·kg?1含鹽量水平, 不同礦化度微咸水灌溉處理的土壤含鹽量基本下降到同一水平。夏玉米播種水的灌溉, 使表層土壤含鹽量降到了夏玉米出苗的安全范圍之內(nèi), 保證了夏玉米正常出苗。

不同小寫字母代表同一調(diào)查時(shí)間各處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters mean significant differences among treatments in the same investigation time (<0.05).

2.5 不同礦化度微咸水灌溉對(duì)作物產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響

2015—2019年冬小麥和夏玉米產(chǎn)量如圖4所示。4個(gè)生育期灌溉淡水處理冬小麥平均產(chǎn)量為6255.6 kg?hm?2, 灌溉微咸水(3~5 g?L?1)的平均產(chǎn)量分別為6740.0 kg?hm?2、6285.0 kg?hm?2和6132.1 kg?hm?2。結(jié)果表明, 2015—2016年和2017—2018年兩個(gè)生育期冬小麥季拔節(jié)期灌溉淡水和灌溉微咸水(3~5 g?L?1)的冬小麥產(chǎn)量沒有顯著差異。旱作處理與灌溉淡水或微咸水處理均有顯著差異。與旱作相比, 冬小麥季拔節(jié)期灌溉淡水或微咸水(3~5 g?L?1)的產(chǎn)量平均增產(chǎn)31.6%。旱作處理產(chǎn)量降低的主要原因是穗數(shù)和穗粒數(shù)的降低(表3)。2016—2017年, S3、S4與S5、CK處理的收獲指數(shù)有顯著差異, 其他3個(gè)生育期各處理間冬小麥?zhǔn)斋@指數(shù)均沒有顯著差異(表3)。

冬小麥生育期的微咸水灌溉增加了土壤中的鹽分, 由于夏玉米的耐鹽閾值低于冬小麥, 因此土壤中積累的鹽分可能會(huì)對(duì)下茬作物夏玉米產(chǎn)量造成影響。夏玉米播種后的灌水, 減少了表層鹽分積累對(duì)夏玉米生長(zhǎng)的影響。2016—2019年冬小麥季灌溉淡水處理的夏玉米平均產(chǎn)量為9419.1 kg?hm?2, 冬小麥季灌溉微咸水(3~5 g?L?1)的夏玉米平均產(chǎn)量分別為9082.6 kg?hm?2、9076.1 kg?hm?2和9164.5 kg?hm?2, 旱作處理的夏玉米平均產(chǎn)量為9471.3 kg·hm?2。結(jié)果顯示, 冬小麥季拔節(jié)期灌溉微咸水后, 對(duì)夏玉米的產(chǎn)量有一定的減產(chǎn)作用, 但統(tǒng)計(jì)分析沒有達(dá)到顯著差異水平。與淡水灌溉相比, 冬小麥季拔節(jié)期用3~ 5 g?L?1微咸水灌溉, 2016—2019年4個(gè)生育期夏玉米平均產(chǎn)量降低311.3 kg?hm?2。產(chǎn)量降低的原因是穗粒數(shù)和百粒重的降低(表4)。4個(gè)生育期內(nèi)各處理間夏玉米收獲指數(shù)均沒有顯著差異(表4)。

2.6 夏季降水對(duì)土壤鹽分淋溶作用及周年鹽分平衡

根據(jù)2016—2019年試驗(yàn)地點(diǎn)的降水情況(表2)選取夏玉米生育期降水最小年份(2017年, 315.4 mm)和最大年份(2018年, 461.6 mm)分析降水對(duì)土壤鹽分的影響。土壤鹽分的剖面分布如圖5所示。經(jīng)過夏季降水的淋洗, 與冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)的土壤含鹽量相比, S3、S4和S5處理在2017年和2018年夏玉米收獲時(shí)的土壤表層(0~40 cm)含鹽量均有明顯的降低, 2017年降低幅度分別為33.1%、29.7%和30.9%, 2018年降低幅度分別為38.1%、28.2%和46.6%; 但土壤深層的含鹽量都沒有明顯降低。在夏季降水前后, 2017年和2018年淡水處理和旱作處理的土壤表層含鹽量和深層含鹽量均沒有明顯變化。經(jīng)過夏季降雨的淋洗, 土壤表層的鹽分可以被淋洗下去, 而土壤深層的含鹽量并不會(huì)發(fā)生明顯改變。

不同小寫字母代表同一年份各處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters mean significant differences among treatments in the same year (<0.05).

表3 2015—2019年不同礦化度微咸水灌溉對(duì)冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成及收獲指數(shù)

不同小寫字母代表同一年份各處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters mean significant differences among treatments in the same year (<0.05).

表4 2016—2019年冬小麥季不同礦化度微咸水灌溉對(duì)下茬作物夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成及收獲指數(shù)的影響

不同小寫字母代表同一年份各處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters mean significant differences among treatments in the same year (<0.05).

圖6是2016—2019年灌溉微咸水處理的冬小麥?zhǔn)斋@后和夏玉米收獲后的不同土壤層含鹽量動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。100~200 cm土層的平均含鹽量明顯高于0~40 cm和40~100 cm土層的平均含鹽量, 這是由于土壤淺層鹽分被淋洗到深層, 導(dǎo)致了100~200 cm土層的鹽分積累。在0~40 cm土層, 土壤含鹽量受降水和灌溉的影響較大, 呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)波動(dòng)的變化過程, 與2016年相比, 2019年S3、S4和S5處理的平均含鹽量均沒有增加。在40~100 cm土層, 土壤含鹽量波動(dòng)范圍明顯減小, 與2016年對(duì)比, 2019年S3、S4和S5處理的40~100 cm土層平均含鹽量也均沒有增加。在100~200 cm土層, 土壤含鹽量呈現(xiàn)緩慢的上升趨勢(shì), 從2016年到2019年, S3、S4和S5處理的土壤含鹽量分別從1.6 g·kg?1、1.7 g·kg?1、1.7 g·kg?1增加到1.8 g·kg?1、2.1 g·kg?1、1.9 g·kg?1。所以從2016年夏玉米收獲到2019年夏玉米收獲, 冬小麥季拔節(jié)期灌溉3~5 g·L?1的微咸水在0~100 cm土層可以達(dá)到周年鹽分平衡, 而在100~ 200 cm土層土壤含鹽量有緩慢的上升趨勢(shì)。

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn), 冬小麥拔節(jié)期微咸水灌溉增加了小麥?zhǔn)斋@時(shí)土壤表層的鹽分含量。王詩景等[25]在寧夏引黃灌區(qū)利用微咸水灌溉春小麥的試驗(yàn)也得到了類似的結(jié)論。主要原因是灌溉微咸水后, 土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈, 鹽分向上運(yùn)移, 造成土壤表層鹽分含量增加。楊培嶺等[26]探究了不同礦化度微咸水(2.0 g·L?1、3.5 g·L?1和5.0 g·L?1)對(duì)土壤鹽分分布的影響, 發(fā)現(xiàn)隨著微咸水礦化度的增加, 同一土壤深度電導(dǎo)率呈增加趨勢(shì)。除灌溉水礦化度對(duì)土壤含鹽量影響之外, 土壤質(zhì)地與土壤根層鹽分的積累關(guān)系也比較密切。Liu等[5]發(fā)現(xiàn)與非均質(zhì)土壤相比, 均質(zhì)土壤可以減緩鹽分積累且淋洗效率更高。本研究表明, 與灌溉1次淡水相比, 冬小麥季拔節(jié)期灌溉1次微咸水會(huì)增加小麥?zhǔn)斋@時(shí)0~100 cm土層的含鹽量, 這與其他人的研究結(jié)果相一致[27], 本研究同時(shí)還發(fā)現(xiàn)100~ 200 cm土層的含鹽量變化不明顯。

本研究的結(jié)果表明, 冬小麥季拔節(jié)期灌溉3~5 g?L?1的微咸水, 產(chǎn)量比不灌水小麥增加30%以上,與其他研究結(jié)果相似[17,28], 說明在淡水資源匱乏地區(qū), 可以對(duì)冬小麥適度進(jìn)行微咸水灌溉。一定的鹽脅迫可以促進(jìn)干物質(zhì)向小麥籽粒中轉(zhuǎn)移, 提高小麥產(chǎn)量[29]。龔雨田等[30]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 與淡水灌溉相比, 利用2 g?L?1微咸水灌溉可以使冬小麥產(chǎn)量提高7.88%。本研究中與淡水灌溉處理4年平均冬小麥產(chǎn)量相比, 3 g?L?1微咸水灌溉提高7.7%, 4 g?L?1和5 g?L?1微咸水灌溉與其產(chǎn)量基本相同, 均未達(dá)顯著差異水平?？傮w來看, 利用3~5 g?L?1微咸水灌溉不會(huì)降低冬小麥的產(chǎn)量。與他人研究結(jié)果基本一致[3-4,17]。

冬小麥?zhǔn)斋@時(shí), 土壤表層的鹽分含量達(dá)最大值, 土壤含水量接近凋萎點(diǎn)。播種夏玉米時(shí)必須通過灌溉才能保證夏玉米出苗和群體的及時(shí)建立, 通過一次灌水, 可降低表層土壤含鹽量, 消減冬小麥季土壤表層鹽分積累對(duì)夏玉米出苗的影響。2016—2019年的結(jié)果表明, 夏玉米播種期灌水可以明顯降低0~20 cm土層含鹽量, 使耕層土壤含鹽量達(dá)到夏玉米出苗的安全范圍。陳素英等[17]研究了灌溉量對(duì)0~20 cm土層含鹽量的影響, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)灌溉量為70 mm時(shí), 灌溉后第5 d土壤含鹽量就可以降低到安全閾值(1 g?kg?1)以內(nèi)。小麥季不同礦化度的微咸水灌溉雖然不會(huì)對(duì)夏玉米的出苗率造成明顯影響, 但夏玉米的生物量有顯著差異[31], 夏玉米播種期灌水為夏玉米的生長(zhǎng)發(fā)育提供了安全保證。

長(zhǎng)期微咸水灌溉的重要問題是土壤鹽分積累, 而鹽分淋失需要降水或灌溉。環(huán)渤海低平原屬于季風(fēng)氣候區(qū), 夏季降水集中, 多年平均降水量為417.2 mm, 為鹽分淋洗創(chuàng)造了有利條件。關(guān)于降水對(duì)土壤鹽分影響的研究, 張妙仙等[32]在中國(guó)科學(xué)院封丘農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站進(jìn)行的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 當(dāng)?shù)叵滤裆顬?.5 m時(shí), 經(jīng)過降雨量為366.3 mm的特大暴雨, 土壤鹽分會(huì)從0~83 cm淋洗至83~200 cm土層。本研究與其結(jié)果基本一致。其他的研究也得出, 當(dāng)次降雨量大于25 mm時(shí), 土壤鹽分可以得到淋洗, 當(dāng)夏季降雨量達(dá)到300 mm時(shí), 土壤鹽分基本可以達(dá)到平衡[17]。本研究表明, 在平水年的情況下, 0~100 cm土層土壤含鹽量可以達(dá)到周年鹽分平衡, 100~200 cm土層含鹽量略有增加。當(dāng)遇到夏季降水小于300 mm的年份, 不能實(shí)現(xiàn)根層土壤鹽分的有效淋溶, 導(dǎo)致土壤出現(xiàn)積鹽過程, 但隨后出現(xiàn)的多雨年份, 可增加鹽分淋溶, 實(shí)現(xiàn)年際間的土壤鹽分調(diào)控。在環(huán)渤海低平原冬小麥季拔節(jié)期灌溉3~5 g?L?1微咸水不會(huì)帶來上部主要根層土壤的鹽分積累。在豐水年可以進(jìn)一步促進(jìn)土壤鹽分的淋洗。

4 結(jié)論

環(huán)渤海低平原淡水資源匱乏, 但是微咸水資源豐富, 在冬小麥季拔節(jié)期利用微咸水代替淡水進(jìn)行灌溉可有效緩解水資源不足與糧食生產(chǎn)之間的矛盾,實(shí)現(xiàn)灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在連續(xù)4年的田間試驗(yàn)中, 得到了如下主要結(jié)論: 冬小麥季拔節(jié)期灌溉不大于5 g?L?1的微咸水不會(huì)造成冬小麥減產(chǎn), 且比旱作處理增產(chǎn)31.6%。與淡水或旱作相比, 冬小麥季拔節(jié)期灌溉微咸水(3~5 g·L?1), 在冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)明顯增加了0~100 cm土層的含鹽量, 對(duì)100~ 200 cm土層的含鹽量變化影響不顯著。通過夏玉米播種期灌水, 可以有效地將耕層土壤鹽分淋洗下去,使耕層土壤含鹽量下降到1 g·kg?1以下, 達(dá)到夏玉米出苗的安全閾值。冬小麥季灌溉微咸水對(duì)夏玉米產(chǎn)量影響沒有顯著差異。環(huán)渤海低平原處于季風(fēng)氣候區(qū), 具有夏季降水集中的優(yōu)勢(shì), 可將冬小麥季微咸水灌溉帶到土壤中的鹽分有效淋洗下去, 實(shí)現(xiàn)周年土壤鹽分平衡。保證長(zhǎng)期微咸水灌溉下土壤和作物安全。

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Annual soil salt balance and crop performance under brackish water irrigation during the winter wheat season*

GAO Congshuai1,2, SHAO Liwei1, YAN Zongzheng1,2, LI Lu1,2, CHEN Suying1, ZHANG Xiying1**

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Agricultural Water-saving, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijng 100049, China)

The annual double cropping system of winter wheat-summer maize is a stable cropping system in the low plain of the Bohai Sea. Owing to the shortage of fresh water and the relative abundance of shallow saline water in this region, saline water is used to irrigate winter wheat. The accumulated salt in the soil after the winter wheat season affects the following summer maize season, and the annual soil salt balance is affected by saline irrigation. To address these issues, a continuous 4-year field study was conducted at the Nanpi Eco-agriculture Experimental Station of Chinese Academy of Sciences from 2015 to 2019. Four treatments were set up to irrigate winter wheat once using irrigation water (70 mm) with different total salt contents at the jointing stage, i.e., freshwater 1 g?L?1(F), 3 g?L?1brackish water (S3), 4 g?L?1brackish water (S4), and 5 g?L?1brackish water (S5). There was also a treatment without irrigation (rain-fed, CK). The results showed that there was no significant difference in winter wheat yield among the four irrigation treatments, and the average yield with irrigation was 31.6% greater than that of CK. Irrigation using brackish water increased the soil salt content of the top 1 m soil profile during winter wheat harvesting. The soil salt content increase was proportional to the salt content of irrigation water. There were no significant differences in the soil salt contents below 1 m. The necessary irrigation using 70 mm freshwater for the seedling establishment of summer maize after winter wheat harvest reduced the salt content of the top 20 cm soil layer, which created favorable soil conditions for maize growth. No significant differences in summer maize yield were observed among different treatments. With concentrated rainfall during the summer monsoon season, the salt content in the top soil layer (0–40 cm) for the S3, S4, and S5 treatments decreased by more than 30% due to leaching, but the salt content of deep soil did not change. The results showed that the high salt tolerance of winter wheat maintained a stable yield with saline water irrigation. With irrigation at maize sowing and the subsequent summer rainfall, the accumulated salt is leached out of the major root zone to enable the continued use of saline water irrigation for winter wheat in this region.

Brackish water irrigation; Winter wheat; Summer maize; Yield of crop; Salt content of soil; Soil salt balance

10.13930/j.cnki.cjea.200698

高聰帥, 邵立威, 閆宗正, 李璐, 陳素英, 張喜英. 不同礦化度微咸水灌溉冬小麥對(duì)下季作物產(chǎn)量和周年土壤鹽分平衡的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2021, 29(5): 809-820

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S153.4

* 中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃項(xiàng)目和河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(20326422D)資助

張喜英, 主要從事農(nóng)田節(jié)水機(jī)理與技術(shù)研究。E-mail: xyzhang@sjziam.ac.cn

高聰帥, 主要從事農(nóng)田節(jié)水機(jī)理與技術(shù)研究。E-mail: gaocongshuai18@mails.ucas.ac.cn

2020-08-26

2021-01-28

* The study was supported by the Science and Technology Service Network Initiative of Chinese Academy of Sciences and Hebei Key R&D Initiative Project (20326422D).

, E-mail: xyzhang@sjziam.ac.cn

Aug. 26, 2020;

Jan. 28, 2021