灌溉水礦化度對土壤鹽分及冬小麥產(chǎn)量的影響

茍淇書，黨紅凱，馬俊永，張俊鵬，李全起*，王欣

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安271000； 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)作物抗旱研究重點實驗室，河北 衡水 053000)

河北低平原是中國重要的冬小麥生產(chǎn)基地，灌溉用水需求量較大[1].該區(qū)域淡水資源緊缺，深層地下淡水超量開采，而淺層地下咸水(微咸水)資源分布廣泛卻未得到利用.大量試驗表明咸水可以用來灌溉[2-3]，利用咸水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉能在一定程度上緩解冬小麥的水分虧缺問題，但同時也使鹽分進(jìn)入了土壤[4].如果能夠因地制宜，科學(xué)合理地進(jìn)行灌溉，適宜礦化度的咸水對土壤及冬小麥生長的影響不大；然而采用不合理的咸水灌溉方法，咸水濃度不適宜，則會造成土壤持續(xù)積鹽，使土壤理化性質(zhì)惡化，導(dǎo)致冬小麥產(chǎn)量降低[5].國內(nèi)外許多科研工作者開展了針對咸水灌溉、土壤鹽分與作物生長關(guān)系的相關(guān)研究.合理開采淺層地下咸水，用以進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，既可以緩解淡水缺乏，又能夠滿足冬小麥生長對水分的基本需求，使冬小麥產(chǎn)量保持在較高水平.

前人對咸水灌溉的開發(fā)和利用進(jìn)行了較多研究. CHEDLIA等[6]研究發(fā)現(xiàn)，咸水灌溉會導(dǎo)致土壤含鹽量增加，但影響土壤鹽分的因素有多種，尤其是土壤質(zhì)地、氣候條件(降雨模式、平均溫度等)以及水源的距離等.PHOGAT等[7]認(rèn)為，土壤中鹽分沉積量與灌溉水電導(dǎo)率呈正相關(guān)關(guān)系.JIANG等[8]認(rèn)為，灌溉水電導(dǎo)率為3.2 dS/m對小麥產(chǎn)量和水分生產(chǎn)力沒有顯著影響.灌溉量和水礦化度對產(chǎn)量、農(nóng)田實際蒸散量和水分利用效率的交互作用在試驗中不顯著.ZHANG等[9]研究發(fā)現(xiàn)，灌溉水的礦化度達(dá)到5 g/L時，土壤鹽分顯著積累，并誘發(fā)次生鹽漬化.李佳等[10]發(fā)現(xiàn)，使用礦化度為2.47 g/L的咸水進(jìn)行9 a連續(xù)灌溉，0～20 cm土層土壤未達(dá)到鹽漬化水平，而1 m土體出現(xiàn)輕度鹽漬化，但未對冬小麥產(chǎn)量造成明顯影響，因此，用礦化度為2.47 g/L的咸水進(jìn)行長期灌溉，不會導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤鹽漬化.焦艷平等[11]提出，利用咸淡混合的方法，獲得的礦化度為2 g/L的混合水對小麥和玉米的產(chǎn)量影響較小，對土壤鹽分動態(tài)進(jìn)行長期監(jiān)測、定期淡水淋鹽有助于微咸水的長期安全利用.李國安等[12]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)咸水的礦化度為3.0 g/L時，鹽分脅迫造成的春小麥減產(chǎn)量低于10%；但當(dāng)?shù)V化度達(dá)到5.0和7.0 g/L時，春小麥嚴(yán)重減產(chǎn)，產(chǎn)量最高下降達(dá)28%.有關(guān)咸水灌溉對于土壤以及冬小麥產(chǎn)量的影響，前人已經(jīng)在土壤鹽分累積風(fēng)險、冬小麥-鹽分響應(yīng)關(guān)系等方面進(jìn)行了具體的研究，但不同氣候條件、土壤質(zhì)地、灌溉制度及灌溉年限下的灌溉水礦化度閾值存在較大差異.研究團(tuán)隊自2006年10月起進(jìn)行長期咸水定位灌溉試驗，文中在連續(xù)咸水灌溉第13—14年(2018—2019年)，獲得咸水對土壤鹽分變化以及冬小麥生長響應(yīng)特征的規(guī)律，為河北低平原區(qū)淺層微咸水高效利用和咸水灌溉提供理論支撐.

1 試驗方法與材料

1.1 試驗區(qū)域概況

本研究于2018年10月至2019年6月在河北農(nóng)林科學(xué)院衡水旱作農(nóng)業(yè)節(jié)水試驗站(115°47′E， 37°44′N)進(jìn)行.試驗地點位于河北低平原區(qū)，海拔高度21 m，地下水埋深約7 m.該站年日照時數(shù)為2 509.4 h，多年平均氣溫為12.8 ℃，無霜期天數(shù)188 d，多年平均降水量512.5 mm，夏季6—8月降水量占全年70%左右，年蒸發(fā)量1 785.4 mm，土壤特質(zhì)為黏質(zhì)壤性脫鹽土.

1.2 試驗設(shè)計

本研究的供試作物為冬小麥，分別以礦化度為1，2，4，6，8 g/L的灌溉水進(jìn)行灌溉試驗.其中，礦化度為1 g/L的淡水取自當(dāng)?shù)厣顚拥叵滤?，作為對照處?試驗區(qū)淺層地下咸水的成因是大陸鹽化及海水入侵共同作用，咸水中Na+和Cl-含量最高.因此，本試驗中礦化度為2，4，6，8 g/L的咸水通過在深層地下水中加入海鹽配制而成，不同礦化度IS灌溉水離子濃度IC見表1.種植冬小麥與夏玉米，一年兩熟.每個灌溉處理進(jìn)行3次重復(fù)，隨機(jī)排列.選用當(dāng)?shù)刂髟云贩N衡4399作為試驗用冬小麥，栽種區(qū)面積57 m2(9.5 m×6.0 m).生育期澆水2次(拔節(jié)水和揚花水灌溉量各60 mm，水表計量).播前旋耕2次，深度12～15 cm.播種前底施525 kg/hm2磷酸二銨(P2O5含量46%，N含量18%)，春季結(jié)合第1次灌水追施300 kg/hm2尿素(N含量46%).2018年10月12日播種，冬小麥播種量為195～225 kg/hm2，2019年6月10日收獲，采用15 cm等行距的播種方式.冬小麥生育期內(nèi)的降水總量為133.7 mm，屬平水年份.各月份降水P0分布如表2所示.試驗在長期(自2006年10月)咸水定位灌溉基礎(chǔ)上，重點考察了連續(xù)咸水灌溉的第13—14年冬小麥的生長和產(chǎn)量情況.初始0～100 cm土層土壤鹽度(EC1∶5，土水質(zhì)量比1∶5浸提液電導(dǎo)率)為0.25 dS/m.

表1 試驗用灌溉水的離子組成

表2 冬小麥生育期各月降水量

1.3 測試項目及方法

土壤鹽分測定：利用電導(dǎo)率法檢測土壤鹽分.分別于播種前(2018年9月30日)、拔節(jié)水前(2019年3月15日)、拔節(jié)水后(2019年3月30日)、揚花水前(2019年4月30日)、揚花水后(2019年5月15日)及小麥?zhǔn)斋@期(2019年6月13日)用土鉆采集土壤樣品.取土深度100 cm， 0～60 cm土層每10 cm為1層，60～100 cm每20 cm為1層，共分為8層.土樣風(fēng)干、碾磨、過篩后，以土水質(zhì)量比1∶5，配制土壤浸提液，然后測定土壤電導(dǎo)率(EC1∶5)，電導(dǎo)率儀為上海雷磁DDS-307A型.

土壤容重：環(huán)刀體積為100 cm3，每10 cm取1個土樣，置于烘箱中在105 ℃下烘干12 h，稱重，求得土壤容重γ.

土壤孔隙度：利用土壤容重γ，依據(jù)式(1)計算土壤孔隙度P為

P=(1-γ/d)×100%，

(1)

式中：d為土壤比重，數(shù)值為2.65 g/cm3.

冬小麥株高和葉面積指數(shù)：每試驗區(qū)取20株代表性植株，在冬小麥的拔節(jié)期和孕穗期測量最上部展開葉的葉尖到地面的距離，在抽穗期測量穗頂?shù)牡降孛娴木嚯x，并計算平均值作為株高.利用 LI-3000型葉面積儀測量植株所有有效葉片的總面積計作葉面積，通過式(2)計算葉面積指數(shù)LAI為

LAI=D×A，

(2)

式中：D為群體密度，株/m2；A為單株葉面積，m2/株.

產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素：在收獲前，每試驗區(qū)選取2個采樣點，采用1 m雙行的方法計算穗數(shù)；各試驗區(qū)取外形均勻一致的30～40株單穗，考種測量穗粒數(shù)；各區(qū)選取3 m2進(jìn)行實割測定產(chǎn)量，折算為單位面積產(chǎn)量，并測量千粒質(zhì)量.

2 結(jié)果分析

2.1 土壤含鹽量變化

圖1為冬小麥不同生長期不同土層深度(0～100 cm)土壤含鹽量EC1∶5隨著土壤深度H的變化過程.表3為灌溉水礦化度對冬小麥不同生育期各土層土壤平均含鹽量的影響.從圖1和表3看出，在冬小麥不同生育期0～100 cm土層土壤的平均含鹽量隨灌溉水礦化度的升高而增加.與1 g/L的淡水灌溉相比，2 g/L的咸水灌溉時，在冬小麥各生育期0～100 cm土層土壤的平均含鹽量增加不明顯.而當(dāng)?shù)V化度增加到4 g/L以上時，土壤含鹽量顯著升高.與淡水(1 g/L)灌溉情況相比，礦化為2，4，6，8 g/L時，拔節(jié)水灌溉后平均土壤鹽含量分別升高了14.3%，77.1%，131.4%和242.9%；揚花水灌溉后平均土壤鹽含量增加了20.0%，85.0%，160.0%和235.0%.其原因是灌溉所用咸水的礦化度越高，隨咸水進(jìn)入土壤的各種鹽分的量越多，鹽分累積越嚴(yán)重.

表3 不同灌水處理0～100 cm土層平均土壤鹽分

圖1 不同灌水處理冬小麥土壤鹽分分布特征

在播種冬小麥前，雨季降雨對土壤有淋洗作用，0～20 cm土層土壤的鹽濃度低于深層土壤，土壤中鹽濃度的峰值土層為60～80 cm；其他時期，表層土壤鹽分含量相對較高.進(jìn)行拔節(jié)水灌溉后，不同礦化度咸水灌溉的0～100 cm土層土壤平均鹽含量相較于拔節(jié)水灌溉前均有升高，增幅分別為4.7%，9.8%，34.3%和27.5%，說明高礦化度的灌溉水會導(dǎo)致土壤鹽分顯著增加.值得注意的是，灌溉揚花水后，不同礦化度灌溉對土壤鹽含量的影響較小，這與揚花期降雨的淋洗作用以及土壤中鹽分的空間變異性有關(guān).相比于2006年土壤的初始含鹽量，2019年小麥?zhǔn)斋@期不同礦化度4，6，8 g/L咸水灌溉的0～100 cm土層土壤的平均含鹽量分別升高了127.4%，213.4%和345.4%，這說明長期采用不低于4 g/L咸水灌溉具有積鹽的風(fēng)險.

2.2 土壤容重和孔隙度變化

表4列出了冬小麥播種前，灌溉水礦化度對耕作層0～20 cm處土壤容重γ和孔隙度P的影響.

表4 不同灌水處理0～20 cm土壤容重和孔隙度

由表4可知，灌溉水礦化度越高，土壤容重越大.與1 g/L的淡水灌溉相比，礦化度為2，4，6，8 g/L的咸水灌溉下0～20 cm的土壤容重分別升高了4.1%，4.2%，7.0%和7.3%.尤其是6 g/L和8 g/L灌溉水與1 g/L淡水灌溉之間的差異在0.05水平下具有統(tǒng)計學(xué)意義.土壤孔隙率在不同礦化度水的灌溉下，呈現(xiàn)出與容重相反的趨勢.

2.3 冬小麥葉面積指數(shù)與株高變化

圖2為灌溉水的礦化度對拔節(jié)期、孕穗期和抽穗期冬小麥葉面積指數(shù)LAI和株高pH的影響.與礦化度為1 g/L的淡水灌溉相比，灌溉水礦化度大于4 g/L時葉面積指數(shù)均顯著降低.4，6，8 g/L的咸水灌溉使葉面積指數(shù)在拔節(jié)期分別下降34.0%，66.8%和75.2%；孕穗期下降38.9%，68.2%和78.9%；抽穗期下降34.2%，71.1%和77.9%.

圖2 不同處理冬小麥關(guān)鍵生長期的葉面積指數(shù)和株高

2.4 冬小麥產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素變化

冬小麥籽粒產(chǎn)量由穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量共同決定[13].表5為2019年各處理冬小麥籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素，其中NS，NG，TW，GY分別表示單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量.由表可知，與1 g/L淡水灌溉相比，灌溉水礦化度大于4 g/L時冬小麥的籽粒產(chǎn)量和穗數(shù)顯著降低，4，6，8 g/L的咸水灌溉使籽粒產(chǎn)量分別下降了35.6%，44.9%和64.7%，穗數(shù)分別下降44.0%，48.9%和60.7%.然而，礦化度2 g/L的咸水對籽粒產(chǎn)量和穗數(shù)均未產(chǎn)生明顯的影響.此外，穗粒數(shù)隨礦化度的上升先增后減.相比于淡水灌溉，礦化度4 g/L的咸水灌溉使穗粒數(shù)增加了23.5%，差異性在0.05水平下具有統(tǒng)計學(xué)意義；礦化度增加到8 g/L，穗粒數(shù)比4 g/L時降低了26.3%.冬小麥的千粒質(zhì)量對灌溉水礦化度不敏感，不同礦化度咸水灌溉與淡水灌溉間的千粒質(zhì)量差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.

表5 不同灌水處理冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素及產(chǎn)量

3 討 論

采用咸水進(jìn)行灌溉能為冬小麥根區(qū)的土壤提供鹽分，并調(diào)節(jié)鹽分分布.咸水灌溉后，由于蒸發(fā)作用使得土層深度為0～10 cm表層土壤中的鹽分隨水向上遷移，水分蒸發(fā)導(dǎo)致鹽分在土壤表層積累[14]， 表層土壤含鹽量升高.這與文獻(xiàn)[14]報道的表層土壤鹽分聚積現(xiàn)象一致.在冬小麥的不同生長期，相比于淡水灌溉，礦化度大于4 g/L的咸水灌溉導(dǎo)致了0～100 cm土壤的平均含鹽量顯著增加.該結(jié)論與鄭春蓮等[15]的研究結(jié)果一致，說明鹽含量在4 g/L以上的咸水導(dǎo)致大量鹽分進(jìn)入土壤，并在0～100 cm土壤中造成明顯的鹽分積累，從而使得土壤平均含鹽量增高.因此，除1 g/L淡水灌溉外，拔節(jié)灌溉后咸水灌溉的土壤含鹽量與拔節(jié)水灌溉前均有明顯增加.降雨對土壤中的鹽分具有淋洗作用，因此以咸水進(jìn)行揚花水灌溉前后的土壤含鹽量變化不明顯.與2006年時土壤的初始含鹽量相比，2019年冬小麥?zhǔn)斋@時礦化度大于4 g/L的咸水灌溉均使0～100 cm土層的土壤平均含鹽量顯著上升，且土壤鹽分增加的幅度隨咸水礦化度的上升而增大.然而，ZHANG等[16]的研究發(fā)現(xiàn)，同一區(qū)域咸水灌溉后，土壤含鹽量并不隨灌溉年限的增加而逐年累積.其原因為降雨導(dǎo)致的土壤鹽分淋溶.灌溉水量和降雨量的比值I/P與土壤含鹽量的年度變化密切相關(guān).當(dāng)I/P值較小時，土壤含鹽量呈現(xiàn)淋洗效果；反之，I/P值較大時土壤呈現(xiàn)鹽分累積.0～100 cm土層的土壤中鹽分變化還與水文年型以及降雨量的年內(nèi)分配密切相關(guān)，甚至部分年份會出現(xiàn)脫鹽.但從多年累計數(shù)據(jù)分析，某一礦化度咸水灌溉可實現(xiàn)作物根區(qū)鹽分補(bǔ)排平衡.鄭春蓮等[17]的研究也得出了與之相似的結(jié)論.

孔隙度和容重是土壤非常重要的理化性質(zhì)，綜合反映了土壤的顆粒構(gòu)成、化學(xué)性質(zhì)及團(tuán)聚體特性.咸水中的鹽分會與土壤發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)，引起土壤的理化性質(zhì)發(fā)生變化，從而改變了土壤質(zhì)量及其可持續(xù)利用性.隨著土壤含鹽量增加，0～20 cm的表層土壤表現(xiàn)出容重增加、孔隙率降低的趨勢，原因是長期咸水灌溉引入的鹽分導(dǎo)致了土壤黏粒膨脹，從而改變了土壤結(jié)構(gòu).

文中系統(tǒng)研究了不同礦化度灌溉水對冬小麥在不同生長時期的株高和葉面積指數(shù)的影響.結(jié)果表明，與1 g/L淡水灌溉相比，礦化度不低于4 g/L時冬小麥拔節(jié)期、孕穗期及抽穗期的葉面積指數(shù)大幅下降，這是由于鹽的滲透效應(yīng)與離子毒害效應(yīng)，高礦化度的咸水灌溉致使葉片中Na+含量上升，而高濃度的Na+離子抑制了冬小麥葉片的生長[18].此外，拔節(jié)期8 g/L的咸水灌溉的冬小麥株高明顯降低，孕穗期不低于6 g/L的咸水灌溉、抽穗期不低于4 g/L的咸水灌溉均導(dǎo)致株高顯著下降.這說明冬小麥的株高隨生長進(jìn)程的推進(jìn)，對灌溉水礦化度的敏感度逐漸升高，其原因是土壤中鹽分降低了土壤水分的有效性，當(dāng)鹽含量超過一定程度后將產(chǎn)生滲透脅迫，進(jìn)而影響根系吸水[17].綜合考慮礦化度對冬小麥葉面積指數(shù)和株高的影響，采用不低于4 g/L的咸水灌溉會明顯影響冬小麥拔節(jié)期、孕穗期和抽穗期的生長.

基于收獲期的冬小麥產(chǎn)量三要素與灌溉水的礦化度關(guān)系分析，冬小麥穗數(shù)對礦化度最敏感，相較于淡水灌溉，礦化度在4 g/L以上的咸水灌溉使穗數(shù)顯著減少，該變化趨勢與冬小麥籽粒產(chǎn)量一致.小麥穗粒數(shù)隨礦化度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，但這一趨勢并不明顯，只有礦化度4 g/L時比1 g/L以及8 g/L比4 g/L灌溉得到的穗粒數(shù)之間的差異在0.05水平下具有統(tǒng)計學(xué)意義.千粒質(zhì)量受咸水灌溉的影響不大，咸水灌溉的千粒質(zhì)量與淡水灌溉差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.這說明，影響冬小麥籽粒產(chǎn)量的主要因素是咸水灌溉導(dǎo)致的穗數(shù)減少，這一結(jié)論與焦艷平等[11]的一致.而各產(chǎn)量要素受到咸水灌溉的影響差異，是因為植株各生長部位對鹽分脅迫的敏感度不盡相同.因此，針對河北低平原地區(qū)的冬小麥耐鹽品種選育，應(yīng)更加重視穗數(shù)指標(biāo), 優(yōu)選成穗率高的冬小麥品種.在栽培措施上，應(yīng)適當(dāng)提高冬小麥播種量，從而提升咸水灌溉情況下冬小麥的籽粒產(chǎn)量.

文中基于長期定位咸水灌溉試驗，重點考察了連續(xù)咸水灌溉第13—14年時，礦化度對土壤含鹽量及冬小麥生長的影響.前人已對本工作前期的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了一些報道.鄭春蓮等[15]基于2007—2008年度灌溉水礦化度與土壤鹽積累及作物產(chǎn)量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在黑龍港耕作區(qū)采用微咸水灌溉方式時，咸水灌溉的礦化度不宜高于4 g/L.李佳等[10]分析了2007—2015年各年度的冬小麥咸水灌溉的礦化度閾值，發(fā)現(xiàn)閾值具有明顯的年際波動特征，且年際之間的波動較大.本研究的相關(guān)結(jié)果也存在一定程度的礦化度閾值年際波動.究其原因是影響作物生長和產(chǎn)量的土壤鹽分遷移過程非常復(fù)雜，不同年份作物根區(qū)土壤鹽分含量和變化規(guī)律差異很大[17].

本試驗中的咸水為定時定量灌溉，灌溉方式單一，咸水內(nèi)離子成分固定，且試驗周期僅為1個小麥生育期，長期的咸水灌溉，不同灌溉方式、灌溉水量以及不同組分咸水灌溉時，土壤鹽分和冬小麥生長發(fā)育遵循何種規(guī)律，仍需進(jìn)一步的研究.此外，該研究由于受到試驗條件、儀器設(shè)備等限制，因此在研究期間僅測定了降水量，并未測定農(nóng)田總蒸發(fā)量，在未來的研究中也會補(bǔ)充農(nóng)田總蒸發(fā)量測定試驗，并進(jìn)行進(jìn)一步的研究與分析.

4 結(jié) 論

1) 與礦化度1 g/L淡水灌溉相比，2 g/L的咸水灌溉對試驗耕作區(qū)0～100 cm土層土壤的平均含鹽量影響較小，不低于4 g/L的咸水灌溉會導(dǎo)致土壤含鹽量顯著增加.

2) 隨著灌溉水礦化度增加，試驗耕作區(qū)0～20 cm表層土壤的容重數(shù)值增大，孔隙率減小，其中，礦化度為6 g/L和8 g/L的咸水灌溉與淡水灌溉之間的差異在0.05水平下具有統(tǒng)計學(xué)意義.

3) 咸水灌溉有抑制冬小麥株高和葉面積指數(shù)的趨勢，冬小麥不同生育時期，2 g/L灌水處理小麥葉面積指數(shù)和株高較淡水(1 g/L)灌溉處理間差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.

4) 當(dāng)使用礦化度為2 g/L微咸水灌溉時，冬小麥穗數(shù)與籽粒產(chǎn)量下降不明顯，礦化度達(dá)到4 g/L及以上時，冬小麥的穗數(shù)與籽粒產(chǎn)量都有明顯減少，且穗數(shù)的減少是咸水灌溉影響冬小麥籽粒產(chǎn)量的主要原因.

5) 綜合考慮灌溉水礦化度對土壤的理化性質(zhì)、冬小麥的生長發(fā)育以及籽粒產(chǎn)量的影響，建議試驗區(qū)冬小麥咸水灌溉的礦化度閾值控制在2 g/L以下.