暗管埋深對滴灌油葵農(nóng)田水鹽運移及產(chǎn)量的影響

溫越，王振華,2*，陳林，衡通，李文昊,2

(1 石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003；2 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832003；3 新疆天業(yè)節(jié)水灌溉股份有限公司，新疆 石河子 832000)

土壤鹽漬化是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要原因[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球鹽漬土面積已達到9.544×108hm2，中國鹽漬土面積已超過3.6×107hm2，而全國大約70%的鹽漬土在西北干旱區(qū)分布[2]。因此，合理開發(fā)鹽漬土是解決西北地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展滯后的有效途徑，對中國乃至世界糧食安全和增產(chǎn)具有重要意義。

“鹽隨水來，鹽隨水去”是暗管排鹽的主要特征，改善鹽漬土土壤質量的方法眾多，而淡水淋洗配合暗管排水的灌排結合手段具有直接、顯著、起效快的優(yōu)點[3]。我國暗管排水最早用于稻田，以改善土壤環(huán)境，提高根系活力[4]，隨后，國內(nèi)外專家學者利用暗管排水在鹽漬土改良上取得了顯著的成果。孟鳳軒等[5]在新墾鹽漬化水稻田中布置暗管，在地下水為咸水(礦化度5～13 g/L)的條件下,排鹽量超過200 t/年；曾文治等[6]通過研究暗管控制水位、埋深、間距對硝態(tài)氮流失量的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，暗管埋深對其流失量影響更顯著；劉慧濤等[7]在田間設置4種暗管埋深試驗，發(fā)現(xiàn)相比于明溝排水均能提高降水淋洗鹽分的效果，并能減少70%的漬澇災害；萬長宇等[8]研究了礦化度和暗管埋深對土壤水鹽運移的影響，結果表明1.3 m暗管埋深較0.8 m埋深土壤含水率更高，土壤積鹽更為明顯；HENG T等[9]通過設置不同暗管間距(15、20、25 m)，探索2次滴灌淋洗后土壤脫鹽情況，發(fā)現(xiàn)土壤整體脫鹽率區(qū)間為51.82%～60.43%。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增產(chǎn)的最大貢獻將來自灌排系統(tǒng)的改善和擴大[10]；劉玉國等[11]在輕度和中度鹽漬化棉田中鋪設暗管，棉花增產(chǎn)幅度分別為25.3%和55%；石佳等[12]以油葵為試驗對象，設置暗管區(qū)和非暗管區(qū)，觀測分析了地下水位和產(chǎn)量水分利用效率的變化情況，結果表明暗管排水可增產(chǎn)8.1%,提高灌溉水生產(chǎn)效率8.4%。

目前，灌排結合是改良鹽漬土的有效途徑，但漫灌淋洗方式淋洗不徹底，作物根系下鹽分仍會有較多殘留，因此需要提高排鹽效率，而且滴灌淋洗灌水均勻度高，鹽分排出徹底，可以有效解決上述問題。而大多數(shù)研究只針對暗管對水鹽運移、脫鹽效果或作物生長產(chǎn)量指標進行研究，沒有對水鹽運移及作物生長產(chǎn)量進行綜合研究，因此，本文采用滴灌方式進行淋洗，設計不同埋深排水暗管，探究滴灌淋洗條件下不同暗管埋深對土壤水鹽運移和油葵生長及產(chǎn)量指標的影響，為鹽漬化土壤改良和高鹽棄耕地再開墾提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于新疆維吾爾自治區(qū)沙灣安集海灌區(qū)，屬141團(85°21′ E,44°36′ N)，總面積為3.4 hm2，地勢南高北低，南北坡降為2.4‰。試驗區(qū)為大陸性干旱荒漠氣候,降水稀少而蒸發(fā)強烈，年平均氣溫6.8 ℃、降水量182 mm、蒸發(fā)量1 717.9 mm。試驗地塊為開墾多年的棄耕地，地下水埋深>4 m，土壤屬于鹽化土，淺層土壤含鹽量>20 g/kg，土壤pH值8.51，田間持水率14.39%～27.58%。土壤物理參數(shù)見表1。

表1 試驗地土壤物理指標

1.2 試驗設計

分別在試驗小區(qū)鋪設埋深為0.6、1.0、1.4 m(分別記為H1、H2、H3)的排水暗管，暗管鋪設為東西走向，鋪設長度140 m，相鄰暗管間距離15 m，共鋪設3根暗管，以不鋪設排水暗管作對照組CK。排水暗管和集水管類型分別為PVC單壁波紋管和硬塑料管，管徑分別為Φ90、Φ250 mm，設計坡降為4‰和3‰，排水暗管開孔縫隙≤1 mm，開孔面積>250 cm2/m2。

暗管施工時段為2016年3—4月。施工前在試驗地塊邊緣用田埂劃分區(qū)域，按照試驗設計坡降進行土地平整。管溝開挖器械選用輕型挖掘機，開挖寬度為1.5 m，每開挖20 m進行方向和深度的校核；開挖完畢后人工進行溝底平整，沿設計坡降鋪設包裹過濾無紡布的排水暗管，暗管用粒徑≤4 cm的砂礫石進行覆蓋，約20 cm厚，隨后用土進行分層填埋，每層填土20 cm，并對土層進行夯實。集水井類型為樹脂一體式，一側連接吸水管末端，另一側連接集水管，將排水匯入排水溝。除開挖環(huán)節(jié)采用機械作業(yè)，其余工序均由人工完成。

試驗地淋洗方式選用滴灌淋洗，并于試驗前60天進行土地深翻。試驗材料為油葵，品種為KF366，株距為10 cm，行距30 cm，6月8日播種，播種方式為二管一行，9月7日進行犁地，具體布置形式見圖1，滴灌帶間距為90 cm，滴頭流量2.6 L/h，滴頭間距30 cm，灌溉水源為地表水(礦化度0.8 g/L)。在油葵生育期前后各進行1次淋洗，第1次淋洗日期為6月8日，3個月后于9月9日進行第2次淋洗，分為供水和排水2個階段，第1次淋洗耗時108 h，供水階段為0～60 h，灌水量為1 150 mm，47～108 h為排水階段(以初次進行排水時數(shù)為開始階段)，第2次淋洗耗時110 h，供水階段為0～64 h，灌水量為1227 mm，42～110 h為排水階段。

圖1 油葵種植與灌溉模式

1.3 數(shù)據(jù)的測定與處理

1.3.1 土壤含水率和含鹽量

為觀測不同埋深暗管在淋洗作用下的排水洗鹽效果，分別在H1、H2、H3、CK處理設置觀測點，各處理重復測定3次。土壤采樣分4次進行，采樣日期為第1次淋洗前后即6月8日和6月17日，第2次淋洗前后即9月8日和9月20日。除淺層土壤分為0～3、3～20 cm取樣，深層土壤每隔20 cm取一次樣，以200 cm埋深為限，共計11層土樣，為探究淋洗效果，CK處理不進行滴灌淋洗。

采用烘干法測定土壤含水率，并將烘干后的土樣碾壓過100目標準篩，隨后與蒸餾水按1∶5的土水比制作土水浸提液,經(jīng)校準后，用DDS-307數(shù)顯電導率儀測定上清液電導率EC。采用干燥殘渣法對含鹽量和電導率進行標定，轉化方程如下:

y=2.277EC-0.324(R2=0.98),

(1)

式(1)中y為土壤含鹽量，g/kg；EC為電導率，mS/cm。

1.3.2 油葵生長指標監(jiān)測

株高。待油葵出苗2周后，每個處理選取發(fā)育良好、生長旺盛、長勢相同的3株幼苗進行標記，測量從主莖底部到主莖頂部的高度，每隔1周測量1次，取平均值。

葉面積指數(shù)采用下面公式計算：

(2)

式(2)中LAI為葉面積指數(shù)，%；AI為測試范圍內(nèi)植株的總葉面積，m2；As為測試范圍所占的土地面積，m2。

1.3.3 土壤脫鹽率測定

土壤脫鹽率的計算公式為

(3)

式(3)中N為脫鹽率，%；S1為土壤鹽分初始值，g/kg；S2為灌后土壤鹽分終值，g/kg。

1.3.4 油葵產(chǎn)量指標測定

在9月7日對各處理采用五點取樣法進行考種，測定指標包括千粒結實率、千粒重、單盤粒重，然后計算小區(qū)產(chǎn)量，并換算為標準產(chǎn)量。

1.4 試驗數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2010處理數(shù)據(jù)、SPSS24.0分析數(shù)據(jù)，采用最小顯著差LSD法進行多重比較，Origin2017完成制圖。

2 結果與分析

2.1 暗管不同埋深對土層水鹽含量的影響

2.1.1 暗管不同埋深下土層含水量的變化

圖2為不同暗管埋深處理在滴灌淋洗后0～200 cm土層含水率。滴灌淋洗前用環(huán)刀取原狀土，測得0～140 cm的土層田間持水率和飽和持水率。經(jīng)過2次淋洗后，不同暗管埋深處理下土壤含水率均呈現(xiàn)先增(0～80 cm)，后減(80～140 cm)，再增(140～200 cm)的趨勢。例如，第2次淋洗后，3種暗管埋深不同土層土壤含水率均在田間持水率與飽和持水率之間，在0～80 cm土層，土壤含水率隨土層深度逐漸增大，這是因為各土層間多余水分，一部分受重力作用補充地下水，另一部分被暗管排出；而在 80～140 cm 土層，土壤含水率總體呈現(xiàn)降低的趨勢，這主要是由于土壤質地由壤土轉變成粉砂壤土，土壤持水性較差。

圖2 不同暗管埋深處理滴灌淋洗后土壤分層含水率

不同暗管埋深處理在滴灌淋洗后同一土層中土壤含水率大致為CK

2.1.2 暗管不同埋深下土層含鹽量的變化

不同暗管埋深處理土壤垂直方向分層鹽分含量見圖3。由圖3可知，第1次滴灌淋洗前土壤含鹽量較高，各土層含鹽量均>20 g/kg。土層含鹽量從表層到深層大致呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，表層鹽分產(chǎn)生集聚，鹽分含量大于38.04 g/kg。H3處理小區(qū)靠近明溝，因此其0～140 cm土層初始含鹽量大于H1、H2處理，受明溝排水影響，在140～200 cm土層深度鹽分反而有明顯降低。第1次淋洗后各埋深處理土壤鹽分均大幅減少，其中 H1處理土壤含鹽量降低最多，平均土壤含鹽量與灌前CK處理相比降低7.96 g/kg，淺層鹽分隨淋洗水分下滲，經(jīng)暗管排出，而H2、H3處理在120～200 cm土層土壤含鹽量降低更多，這說明隨暗管埋深的增大，洗鹽重心由淺層土壤轉向深層土壤，因此，可通過增大暗管埋深的方式來排出深層土壤鹽分。第2次淋洗后，土壤鹽分進一步重分布，H1處理在0～60 cm土層土壤含鹽量均<6 g/kg，排鹽量明顯優(yōu)于H2、H3處理，耕作層內(nèi)鹽分含量較適合油葵生長。不同埋深的暗管處理總體排鹽效果呈現(xiàn)CK

圖3 不同暗管埋深處理滴灌淋洗前后分層土壤含鹽量

2.2 暗管不同埋深對油葵生長指標的影響

植株生長指標可以直接反映作物受鹽分脅迫的程度生長的優(yōu)劣情況，不同暗管埋深處理對油葵株高、葉面積指數(shù)的影響見圖4。

圖4 不同暗管埋深處理對油葵生長指標的影響

由圖4可知，油葵株高生長曲線趨近于“S”型，苗期生長緩慢，蕾期開始迅速生長，花期后植株由營養(yǎng)生長轉為生殖生長，株高生長近乎停止，H1處理株高在整個生育期內(nèi)均優(yōu)于其他處理，CK處理最差，以收獲前株高為例，H1處理株高較CK提高19.90%。就葉面積而言，各處理油葵葉面積均呈現(xiàn)單峰變化趨勢，在苗期葉面積指數(shù)較小，隨著植株生長繁殖的進行，葉片數(shù)量與面積逐漸增大，在定苗49 d前后(開花期)葉片生長最旺盛，隨著油葵進入灌漿期葉片逐漸萎蔫，最終枯黃凋零，與株高相似，H1處理在整個生育期都保持著較高的葉面積指數(shù)，排水暗管處理間差距較小，但各處理葉面積指數(shù)均大于CK。綜合油葵株高和葉面積指數(shù)來看，不同暗管埋深處理均有利于油葵的生長，而0.6 m的暗管埋深即H1處理可以更好的改良土壤鹽漬化，使作物生長達到較優(yōu)水平。

2.3 暗管不同埋深對土壤脫鹽率及油葵產(chǎn)量的影響

土壤脫鹽率是反映土壤鹽漬化治理優(yōu)劣的主要指標。暗管不同埋深對土壤脫鹽率結果(表2)表明：脫鹽效果隨暗管埋深加大有明顯差別。第1次灌水后，各暗管處理脫鹽率均有較大提高，其中H1處理脫鹽率最高，達25.22%，CK處理最小，為-0.66%，負值表明鹽分含量有所提高，土壤平均含鹽量分別在H1和CK處理取得最小、最大值，達18.10、27.56 g/kg。第2次灌水后，除H1處理外，H2、H3處理平均脫鹽率較第1次灌水均有下降，但下降幅度較小，平均脫鹽率最高的處理是H1，達28.48%，最低的是CK，為-1.68%?？偯擕}率呈現(xiàn)CK

表2 不同暗管埋深對土壤脫鹽率的影響

結實率是產(chǎn)量的重要組成要素，可以間接反應作物的生長狀況。由不同暗管埋深對油葵產(chǎn)量影響的結果(表3)可知：不同暗管埋深處理結實率均大于無暗管排水處理，H2取得最大值，達96.97%，H1處理與H2沒有顯著性差異(P>0.05)，這說明土壤鹽分過高會影響油葵植株授粉，進而影響果實發(fā)育，而埋深1.0 m的暗管處理能較好地促進果實發(fā)育，提高飽滿程度。而產(chǎn)量的直接指標千粒重、單盤粒重和標準產(chǎn)量均在H1處理下取得最大值，分別為54.89 g、66.96 g和2164.15 kg/hm2，較CK處理分別提高37.16%、35.41%和35.41%。

表3 不同暗管埋深對油葵產(chǎn)量的影響

3 討論

本文研究表明2次滴灌淋洗后不同暗管埋深處理土壤含水率均有顯著變化，隨土層深度增加大致呈現(xiàn)先增后減再增的趨勢，暗管埋深越淺則平均土壤含水率越高，主要是由于土壤質地不同導致各土層持水特性不同，這與衡通[13]的結論一致。秦文豹等[14]研究發(fā)現(xiàn)細砂濾層會導致非飽和條件下暗管不排水，鹽分更難以排出，本試驗濾層采用細小砂礫石，提高了暗管處水分滲透能力，能夠較好的排出鹽分；祝榛等[15]研究表明不同暗管埋深處理均可有效降低土壤鹽分，并且淺層土壤脫鹽效果大于深層。本文研究表明滴灌淋洗后不同暗管埋深處理土壤含鹽量均大幅下降，從土層平均含鹽量來看，0～80 cm土層土壤含鹽量降低最顯著，而且隨暗管埋深增大，120～200 cm深層土壤排鹽量也隨之增加；第2次滴灌淋洗結束后，0.6 m暗管埋深處理土壤耕層鹽化程度已由重度變?yōu)檩p度，適合耐鹽作物油葵的生長。石培君等[16]研究發(fā)現(xiàn)3次滴灌淋洗后0～20 cm土層可達非鹽化水平,20～60 cm總鹽分含量可下降至8 g/kg以下，0～20 cm土壤脫鹽率達到90%；本文研究表明2次滴灌淋洗過程中，0.6 m暗管埋深處理土壤脫鹽率均達到最高，且最終脫鹽率達到43.29%。

適宜的株高和葉面積可以改善株型，提高作物光合反應水平和營養(yǎng)生長速率，而鹽分脅迫下油葵的株高、葉面積會受到明顯抑制[17]。本文研究表明油葵株高和葉面積指數(shù)分別呈現(xiàn)為“S”型和單峰曲線，在重度鹽化土中株高、葉面積的增長受到較大抑制，而且不同暗管埋深處理均可不同程度的提高油葵株高、葉面積的生長水平，土壤鹽分越低則植株生長越好，0.6 m暗管埋深處理收獲前株高較無暗管排水處理提高19.90%。

產(chǎn)量是影響經(jīng)濟收益的主要因素，也是衡量重鹽化土改良情況的重要指標。Abdullah等[18]研究表明地下排水可顯著提高水稻的產(chǎn)量構成和生長參數(shù)，地下排水處理2011年和2012年的水稻產(chǎn)量分別比地面排水處理高1.66和1.7倍；黃愉等[19]以油葵為研究對象，進行了為期2年的太陽能暗管排水試驗，在生育期內(nèi)灌水2次并經(jīng)過持續(xù)排水，2年產(chǎn)量分別提高13.8%和21.6%；馮根祥等[20]通過設置80 cm和120 cm暗管埋深進行排水，結果表明80 cm暗管埋深處理可以取得最高的夏玉米產(chǎn)量。本文研究表明經(jīng)暗管排水后產(chǎn)量較無暗管排水均有不同幅度的增產(chǎn)，而H1(0.6 m埋深)處理油葵取得最大產(chǎn)量，與其他處理具有顯著性差異(P<0.05)，H2(1.0 m埋深)和H3(1.4 m埋深)處理間無顯著性差異(P>0.05)。

4 結論

綜上所述，在0.6 m暗管埋深下進行2次滴灌淋洗，水鹽重分布效果良好，土壤鹽分排出量大，土壤脫鹽率高，對油葵的株高和葉面積指數(shù)增長具有顯著的促進作用，更可以獲得最優(yōu)的產(chǎn)量，所以采用0.6 m暗管埋深是改良鹽漬土的有效手段。

本文研究只進行了1年，增加尺度更小的暗管埋深處理，進行多年重復試驗，并確定最佳的暗管埋深深度，是今后將進行的研究，可更好地為土壤排鹽技術提供理論支撐。