微咸水與再生水混合滴灌對土壤斥水性的影響

張春芳，劉春成，葉炳效，曾 智，崔丙健，孟春芳，馬 天

（1.河南省新鄉(xiāng)水文水資源勘測局，河南 新鄉(xiāng) 453000；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 研究生院，北京 100081；4.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗站／農(nóng)業(yè)水資源高效安全利用重點開放實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453000；5.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計集團有限公司，江西 南昌 330000）

我國水資源十分短缺，人均水資源量不足世界平均水平的1／3［1］，其中農(nóng)業(yè)用水量占比在60%以上，但是我國水資源時空分布與耕地資源的不匹配使得北方地區(qū)農(nóng)業(yè)用水難以得到滿足，嚴(yán)重制約了我國北方地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。再生水利用研究主要涉及再生水灌溉對作物生長的影響［2－5］、再生水灌溉對西紅柿果實品質(zhì)的影響［6－8］、再生水灌溉對土壤環(huán)境的影響［4，9－10］、再生水灌溉對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響［11］、再生水灌溉對地下水的影響［12－13］、再生水適宜灌水技術(shù)［14－16］等。微咸水利用主要從微咸水礦化度、灌溉土壤質(zhì)地、適宜作物及田間管理等方面進(jìn)行了大量的實踐研究，合理組合利用微咸水、再生水等非常規(guī)水資源對緩解淡水資源的短缺和保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

土壤斥水性是指水分不能或很難濕潤土壤顆粒表面的物理現(xiàn)象，具有斥水性的土壤稱為斥水土壤［17－18］。當(dāng)?shù)嗡┩笗r間（WDPT）＞5 s時，認(rèn)為土壤存在斥水性。斥水性是普遍存在的，土壤斥水性的危害主要有水分分布不均、表層干燥易水土流失、降雨或灌水后地表徑流和侵蝕加強、影響作物的正常生長［19］。再生水、微咸水等非常規(guī)水資源水質(zhì)成分復(fù)雜，可能會對土壤斥水性產(chǎn)生一定影響；若產(chǎn)生土壤斥水性，則水分不易入滲到土壤中，水中的鹽分與養(yǎng)分也難以進(jìn)入土壤，進(jìn)而影響水、鹽和重金屬的分布，從而影響作物生長。因此，本研究通過盆栽西紅柿試驗，設(shè)置不同比例微咸水與再生水混合灌溉，探索微咸水與再生水混灌對土壤斥水性的影響，以期為淡水資源匱乏地區(qū)微咸水與再生水的合理安全利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤取自河南省新鄉(xiāng)市七里營大田試驗基地，土壤經(jīng)風(fēng)干、碾碎、過篩（≤2 mm）后備用。土壤容重為1.40 g／cm3，土壤田間質(zhì)量持水量為23.02%，1∶5土水比土壤浸提液電導(dǎo)率為314μS／cm，有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.66%。采用BT－9300HT型激光粒度儀進(jìn)行土樣顆粒分析，黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.020 mm）、砂粒（0.02～2.00 mm）占比分別為13.05%、62.46%、24.49%，土壤質(zhì)地屬于粉壤土（國際制）。

1.2 試驗裝置與方案

試驗于2020年4—7月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗站溫室大棚進(jìn)行。試驗站地處北緯35°19′、東經(jīng)113°53′，海拔73.2 m，年均氣溫為14.1℃，多年年均降水量、年均水面蒸發(fā)量分別為588、2 000 mm，無霜期為210 d，多年年均日照時間為2 398 h。

采用盆栽試驗，試驗盆規(guī)格為上口徑38 cm、下口徑30 cm、高40.5 cm；每盆裝土35 kg，所有處理均施復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O為1∶1∶1）且全部作為基肥施入，施肥參考當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥標(biāo)準(zhǔn)。供試作物為千禧矮生番茄，播種前所有處理均灌清水造墑。于2020年4月27日移栽千禧矮生番茄，每盆定植1棵幼苗，長勢穩(wěn)定后進(jìn)行不同水源灌溉處理。試驗采用滴灌灌水方式，滴頭流量為2 L／h，當(dāng)土壤含水率低于田間持水量70%時開始灌水，灌水上限為田間持水量85%。試驗中微咸水與再生水混合比例設(shè)3個水平，即再生水、微咸水－再生水（1∶1）、微咸水，分別記為T1、T2、T3，其中微咸水礦化度為5 g／L，并以當(dāng)?shù)氐叵滤喔葹閷φ眨–K）。微咸水、再生水以及地下水水質(zhì)情況見表1。

表1 微咸水、再生水、地下水水質(zhì)指標(biāo)

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤水鹽含量

番茄收獲后采用土鉆分層（0～10、10～20、20～30 cm）取土樣，采用抖動法取根際土壤樣品，土壤樣品風(fēng)干、磨碎、過篩（≤2 mm）后備用。采用烘干法測定各土層土壤含水率，采用電導(dǎo)率儀測定各土層土壤浸提液電導(dǎo)率EC1∶5（土水比1∶5）；采用火焰光度法測定各土層土壤水溶性Na＋和K＋，采用EDTA滴定法測定各土層土壤水溶性Ca2＋和Mg2＋，采用AgNO3滴定法測定各土層土壤水溶性Cl－，采用雙指示劑－中和滴定法測定各土層土壤水溶性和，采用EDTA間接絡(luò)合滴定法測定各土層土壤水溶性。

1.3.2 土壤全氮TN與有機質(zhì)含量OM

采用流動分析儀測定0～10、10～20、20～30 cm土層土壤TN含量。采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化比色法測定土壤有機質(zhì)含量。

1.3.3 土壤斥水性

采用滴水穿透時間法測定土壤WDPT，用于表征土壤斥水性。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010軟件整理試驗數(shù)據(jù)，采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行單變量方差分析，采用最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行顯著性檢驗（顯著性水平p＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 微咸水與再生水混灌對土壤水鹽的影響

番茄收獲后，不同微咸水與再生水混灌處理各土層土壤質(zhì)量含水率和土壤浸提液電導(dǎo)率的變化情況見表2。

表2 微咸水與再生水混灌處理各土層土壤水鹽剖面變化情況

從表2可以看出，土層深度一定時，隨著灌溉水中微咸水比例的升高，土壤質(zhì)量含水率逐漸升高，其中0～10 cm土層T2和CK間差異不顯著，10～20 cm土層CK、T1、T2處理間差異不顯著，20～30 cm土層T3與CK間、T1與T2間差異不顯著，其他情況下均差異顯著。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于：灌溉水鹽分越高，越不利于作物吸收，進(jìn)而留在土壤中的水分就越多。同一處理，總體上土層深度越深，含水率越高。T2、T3處理不同土層間差異不顯著，T1處理0～10 cm土層土壤質(zhì)量含水率顯著低于其他土層且其他土層間差異不顯著，CK處理20～30 cm土層土壤質(zhì)量含水率顯著高于其他土層且其他土層間差異不顯著。

土壤EC1∶5總體變化趨勢與含水率類似，不同之處在于各土層EC1∶5表現(xiàn)為CK＞T1，這是因為當(dāng)?shù)氐叵滤妼?dǎo)率高于再生水的。這與楊培嶺等［20］研究結(jié)論相吻合。本試驗結(jié)果表明，在微咸水與再生水混合溶液中隨著微咸水比例的提升，土壤含水率和土壤含鹽量也均呈逐漸升高趨勢，這與前人研究結(jié)果是一致的。這是因為在微咸水與再生水混合液中隨著微咸水比例的提高，鹽分含量提高，灌溉后土壤含鹽量較高，土壤鹽分在一定程度上會抑制作物對水分的吸收，因此在灌水量一致的情況下隨著礦化度的升高，作物對水分的吸收減少，土壤質(zhì)量含水率提高。

2.2 微咸水與再生水混灌對不同土層土壤水溶性離子的影響

不同微咸水與再生水混灌處理后土壤水溶性離子含量的變化情況見表3。

表3 微咸水與再生水混灌下土壤水溶性離子含量的變化 mg／kg

2.2.1 Na＋、Cl－

土層深度一定時，T1處理土壤水溶性Na＋、Cl－含量低于CK處理，其中Na＋含量在0～10、10～20 cm土層處理間差異顯著（p＜0.05），其他情況處理間差異不顯著。隨著灌溉水中微咸水比重的升高，土壤水溶性Na＋、Cl－含量逐漸升高且處理間差異顯著（p＜0.05）。同一處理土壤水溶性Na＋主要集中在0～10 cm土層，含量顯著高于其他土層，且T2處理和T3處理在10～20 cm與20～30 cm土層間差異達(dá)到了顯著性水平（p＜0.05），而土壤水溶性Cl－在T2、T3處理主要分布在0～10 cm土層，在CK、T1處理中主要分布在20～30 cm土層。

2.2.2 Ca2＋、

2.2.3 Mg2＋、、K＋

土層深度一定時，T1處理Mg2＋、、K＋含量高于CK處理（10～20 cm土層Mg2＋、含量除外）；隨著灌溉水中微咸水比例的提高，Mg2＋、、K＋含量變化規(guī)律不明顯。同一處理，HCO－3主要分布在0～10 cm土層，K＋主要分布在10～20 cm土層，Mg2＋主要分布在20～30 cm土層（CK除外）。

2.3 微咸水與再生水混灌對剖面土壤全氮含量的影響

土壤全氮（TN）是指土壤中各種形態(tài)氮素含量之和。對于耕種土壤來說，利用方式、輪作制度、施肥制度以及耕作和灌溉制度等會影響全氮量的分布。微咸水與再生水混灌條件下各土層土壤全氮量變化見表4。

表4 微咸水與再生水混灌條件下各土層土壤TN變化情況 g／kg

從表4可以看出，土層深度一定時，隨著灌溉水中微咸水比例的提升，TN含量總體上呈現(xiàn)下降的趨勢，0～10 cm土層CK、T1處理間差異不顯著且均顯著高于T2、T3處理，10～20 cm土層CK、T1、T2處理差異不顯著且均顯著高于T3處理，20～30 cm土層CK、T1、T3處理間以及T1、T2處理間差異不顯著。

T2處理TN含量在10～20 cm土層最高且顯著高于0～10 cm土層，其他處理TN含量隨著土壤深度的增加而逐漸升高，其中CK、T3處理在20～30 cm土層顯著高于其他土層，T1處理在不同土層間差異顯著。

2.4 微咸水與再生水混灌對土壤剖面有機質(zhì)的影響

土壤有機質(zhì)是土壤肥力的重要指標(biāo)之一。不同微咸水與再生水混灌處理后土壤有機質(zhì)含量的變化情況見圖1。

圖1 微咸水與再生水混灌下土壤有機質(zhì)含量的變化

從圖1看出，T1處理0～10 cm土層土壤有機質(zhì)含量顯著高于CK處理，其他土層各處理間無顯著差異，這與已有部分研究結(jié)果“再生水灌溉后土壤有機質(zhì)含量提高但不顯著”［21］基本吻合，但與部分學(xué)者研究結(jié)論“再生水灌溉土壤有機質(zhì)含量較清水灌溉顯著提高”［22］不完全一致，在表層分布規(guī)律類似，而在其他土層未出現(xiàn)顯著提高的趨勢，這是土柱裸灌與種植作物的不同引起的。同一土層，隨著灌溉水中微咸水比例的升高，土壤有機質(zhì)含量呈先升高后降低趨勢，但總體上各處理間差異不顯著，表明微咸水與再生水混合灌溉在一定程度上可以提高土壤有機質(zhì)含量。同一處理，CK、T1處理土壤有機質(zhì)含量在不同土層間差異未達(dá)到顯著性水平，T2、T3處理土壤有機質(zhì)含量在10～20 cm土層最高。

2.5 微咸水與再生水混灌對土壤剖面WDPT的影響

土壤斥水性的強弱一般用WDPT表征，當(dāng)WDPT＞5 s時，認(rèn)為土壤存在斥水性。不同微咸水與再生水混灌處理后土壤WDPT的變化情況見圖2。

圖2 微咸水與再生水混灌下根際土壤WDPT的變化

從圖2看出，各處理土壤WDPT均小于5 s，未產(chǎn)生土壤斥水性。同一處理，WDPT均以0～10 cm土層最高，其中CK處理土層間差異顯著。同一土層，T1處理WDPT低于CK處理，差異達(dá)到了顯著性水平；WDPT隨著灌溉水中微咸水比例的升高而呈下降趨勢，且處理間差異總體上呈現(xiàn)顯著性差異，說明微咸水利用對土壤斥水性的影響是負(fù)效應(yīng)。這與已有研究結(jié)果“微咸水入滲后土壤大部分剖面都有了微弱的斥水性”［23］是不一致的，原因在于微咸水中的離子會影響根系的生長及根系分泌物的類型。本試驗結(jié)果表明，再生水灌溉后土壤WDPT較CK處理顯著降低，而商艷玲等［24］認(rèn)為再生水灌溉可能會引起土壤斥水性，這與本試驗結(jié)果略有不同，原因主要為：一是再生水水質(zhì)成分的區(qū)域以及土壤類型的差異；二是土壤質(zhì)量含水率是土壤斥水性的一個影響因素，商艷玲等研究基于室內(nèi)土柱試驗對比入滲后土壤與裝土前風(fēng)干土的WDPT，在本試驗中是對比再生水和當(dāng)?shù)氐叵滤喔韧寥里L(fēng)干后WDPT的變化；三是再生水中的有機成分不同，所有的有機成分并不都是斥水的［25］，這就導(dǎo)致了有機質(zhì)含量與斥水性的復(fù)雜關(guān)系；四是CK處理采用的是當(dāng)?shù)氐叵滤?，地下水電?dǎo)率為3 069μS／cm，較再生水高。

2.6 土壤剖面WDPT影響因素分析

土壤斥水性的影響因素是復(fù)雜的，在此根據(jù)土壤剖面WDPT與相應(yīng)理化指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，其結(jié)果見表5。

表5 WDPT與土壤理化指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

從表5看出，土壤WDPT與EC、K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl－、OM含量負(fù)相關(guān)，其中與EC、Cl－在0.01水平相關(guān)性顯著，與K＋、Na＋、OM含量在0.05水平相關(guān)性顯著；土壤WDPT與、、TN含量正相關(guān)，其中與含量在0.01水平相關(guān)性顯著。WDPT與OM含量顯著負(fù)相關(guān)，這與任長江等［26］研究結(jié)果“WDPT與土壤有機質(zhì)含量成正相關(guān)性”不一致，這可能與復(fù)雜的水質(zhì)情況、不同的土壤類型相關(guān)。WDPT與EC顯著負(fù)相關(guān)，這與劉春成等［23］研究結(jié)果“微咸水灌溉可能會產(chǎn)生微弱的土壤斥水性”不吻合，是否由微咸水灌溉影響種植作物根系分泌物所致，有待進(jìn)一步研究。WDPT與TN含量正相關(guān)，這與王海等［27］研究結(jié)果是一致的。

選取與土壤WDPT顯著相關(guān)的指標(biāo)（EC、K＋、Na＋、Cl－、OM、），根據(jù)多重共線性結(jié)果，剔除引起多重共線性的解釋變量EC、Na＋，再進(jìn)一步進(jìn)行多元線性回歸分析，回歸方程為：WDPT＝4.176－0.002K＋－0.004Cl－－1.462OM＋0.028（R2＝0.778）。

3 結(jié) 論

（1）土壤含水率和含鹽量與微咸水－再生水混合液中微咸水比例正相關(guān)。隨著灌溉水中微咸水比例的升高，土壤水溶性Na＋、Cl－含量逐漸升高且各處理間差異顯著（p＜0.05），Ca2＋、含量總體上無顯著變化，Mg2＋、、K＋含量變化規(guī)律不明顯。

（2）隨著灌溉水中微咸水比例的升高，TN含量總體上呈現(xiàn)下降的趨勢。微咸水與再生水混合灌溉在一定程度上可以提高土壤有機質(zhì)含量。

（3）試驗條件下微咸水與再生水混灌各處理未產(chǎn)生土壤斥水性。土壤WDPT與EC、Cl－和K＋、Na＋含量在0.01和0.05水平顯著負(fù)相關(guān)，與HCO－3含量在0.01水平顯著正相關(guān)。