滴灌水鹽調(diào)控和沼液灌溉量對(duì)土壤環(huán)境和小白菜產(chǎn)量的影響

周 揚(yáng)，李 娜，奚 輝，陳喜靖，沈阿林

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 311300；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，杭州 310021）

0 引言

隨著我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)集約化、規(guī)?；陌l(fā)展，畜禽糞污成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要污染源，據(jù)《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》統(tǒng)計(jì)顯示，2017年全國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放的化學(xué)需氧量達(dá)到604.83 萬(wàn)t，占農(nóng)業(yè)源排放總量的56.7%。畜禽糞污隨意排放除帶來(lái)嚴(yán)重惡臭污染外，其中含有的大量氮、磷還容易造成水源的富營(yíng)養(yǎng)化污染，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境[1]。為減小畜禽糞污對(duì)環(huán)境的破壞，將畜禽糞便進(jìn)行厭氧發(fā)酵處理成沼氣沼液進(jìn)行資源化利用是當(dāng)前比較常見的處理方式[1]。沼液中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[2-4]，施用沼液可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[5]，促進(jìn)作物增產(chǎn)[6,7]，改善土壤結(jié)構(gòu)，部分替代化肥[8]，提高土壤肥力實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分再循環(huán)[10]。但是沼液中含有大量鹽，不合理施用會(huì)導(dǎo)致土壤鹽漬化，使植物難以生長(zhǎng)[9,10]；同時(shí)沼液中含有大量氮素，土壤中的硝態(tài)氮也易隨水流失[11-13]，不合理的沼液利用不僅造成資源浪費(fèi)還會(huì)污染生態(tài)環(huán)境；而且沼液產(chǎn)生量大且相對(duì)集中，運(yùn)輸成本高，因此，合理消納沼液對(duì)我國(guó)污染治理具有重要意義。

通過滴灌進(jìn)行沼液的水肥一體化施用是重要的沼液利用技術(shù)手段[14]，滴灌具有小流量、長(zhǎng)時(shí)間、高頻率的特點(diǎn)，可以通過管道滴頭等設(shè)備直接將沼液送到植物根部，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)影響小，使土壤保持適宜作物生長(zhǎng)的環(huán)境[15,16]，即使施用鹽分較高的水灌溉也可以將大部分鹽分淋洗到作物根區(qū)以外的土壤中[17-19]。據(jù)姚榮江[20]等人采用土箱模擬試驗(yàn)研究表明，滴灌條件下，鹽漬土鹽分明顯由水分入滲驅(qū)動(dòng)鹽分運(yùn)移和蒸發(fā)擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)水鹽再分布，銨態(tài)氮含量更多在時(shí)間上表現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，硝態(tài)氮初始分布與水鹽類似，后受硝化作用等因素的多重影響，空間分布與銨態(tài)氮類似，但由于硝態(tài)氮易隨水流動(dòng)，施肥結(jié)束后硝態(tài)氮會(huì)在濕潤(rùn)體邊緣累積[12,13]。滴灌水鹽調(diào)控可以通過控制土壤20 cm 深度處的土壤水基質(zhì)勢(shì)（SMP）來(lái)控制土壤鹽分[21,22]，對(duì)控制和淋洗土壤鹽分發(fā)揮了積極有效的作用。

目前關(guān)于土壤水鹽運(yùn)移、氮素轉(zhuǎn)化與運(yùn)移、沼液利用等的研究比較豐富，滴灌水鹽調(diào)控理論和方法的研究多集中在水分和鹽分的運(yùn)移，很少有研究將旱作農(nóng)田沼液消納灌溉與滴灌水鹽調(diào)控理論和方法結(jié)合起來(lái)，并分別和綜合評(píng)價(jià)其對(duì)土壤鹽分和養(yǎng)分以及作物生長(zhǎng)的影響。葉菜類作物需氮量高，適應(yīng)性強(qiáng)，適宜于南方地區(qū)四季種植，且對(duì)其需求量大，本研究以小白菜（Brassica chinensis L）為研究對(duì)象，研究不同土壤水基質(zhì)勢(shì)控制閾值和沼液滴灌量對(duì)土壤鹽分、無(wú)機(jī)氮和小白菜產(chǎn)量的影響，力求在消納沼液、保證土壤健康和小白菜產(chǎn)量的同時(shí)，找到合理的沼液灌溉管理方案。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021年10-12月在浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫室采用盆栽的方式進(jìn)行，試驗(yàn)作物為小白菜（早熟5 號(hào)）。試驗(yàn)所用沼液來(lái)自杭州臨安錦興農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，沼液主要養(yǎng)分含量見表1；沼液電導(dǎo)率為6.62 dS/m；pH 為8.03。試驗(yàn)土壤為壤土，采集于田間深度為0～40 cm 的土層，土壤飽和泥漿提取液電導(dǎo)率（ECe）為3.27 dS/m；土壤飽和泥漿pH（pHe）為6.10，堿解氮167.66 mg/kg，速效鉀139.35 mg/kg，有效磷209.83 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量為1.59%，全氮為1.97 g/kg，風(fēng)干過篩后利用定制的容器（直徑20 cm，高50 cm）裝填?？紤]到南方平原區(qū)地下水埋深較淺，土壤質(zhì)地粘重，裝填容重1.30 g/cm3，深度為45 cm。容器底部有開孔，放置500 mL燒杯以收集土壤滲漏液，見圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Test setup diagram

表1 沼液主要養(yǎng)分含量Tab.1 Main nutrient contents of biogas slurry

目前有很多關(guān)于SMP對(duì)作物生長(zhǎng)的研究[23-26]，有試驗(yàn)表明小白菜在SMP 為-10 kPa 時(shí)生長(zhǎng)狀況最好，0 和-20 kPa 不利于小白菜產(chǎn)量形成[24]。也有研究表明SMP 為-10、-20、-30、-40、-50 kPa 時(shí)，土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)白菜產(chǎn)量無(wú)顯著影響，但灌溉總量隨SMP 的降低明顯減少[27]。本研究考慮到要在保證小白菜生長(zhǎng)的同時(shí)最大程度消納沼液，因此設(shè)置2個(gè)SMP控制閾值水平和5 個(gè)沼液灌溉量水平，SMP 控制水平分別為-10 kPa（A）與-30 kPa（B），沼液?jiǎn)未喂喔攘糠謩e為10、15、20、30和40 mm/次（10，15，20，30，40），每個(gè)處理4 次重復(fù)。0～20 cm土層土壤均勻混有2 g/kg復(fù)合肥（15-15-15），每盆播種約20 粒的小白菜種子，待出苗（2 葉一心）后保留6 株幼苗，再待到4 葉一心后保留3 株幼苗。試驗(yàn)采用的灌溉方式為重力式滴灌，試驗(yàn)前期只灌清水，20 cm 深度處SMP 控制閾值為-30 kPa，每次灌水10 mm，各處理相同；待四葉一心后各處理均按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的SMP 控制閾值和沼液灌溉量灌溉沼液，灌溉沼液用清水稀釋后的電導(dǎo)率為3.4 dS/m，pH為5.88；沼液灌溉持續(xù)時(shí)間為：11月1日-12月5日，之后為減少小白菜生長(zhǎng)期間植株體內(nèi)硝酸鹽的積累，灌溉水為清水（見表1），直至12月22日試驗(yàn)結(jié)束并進(jìn)行采樣。

1.2 試驗(yàn)方法

采用負(fù)壓計(jì)監(jiān)測(cè)土壤20 cm 深度處的SMP，負(fù)壓計(jì)埋設(shè)在距灌水器2 cm 的位置，每天8：00 和17：00 進(jìn)行讀數(shù)，當(dāng)土壤20 cm 深度處SMP達(dá)到控制閾值水平時(shí)即進(jìn)行灌溉，記錄灌水時(shí)間和灌溉頻率，試驗(yàn)期間沼液和清水的灌溉頻率和灌溉總量如表2所示。與此同時(shí)，用量筒測(cè)量并記錄每盆盆栽底部的滲漏溶液體積，并采集水樣于-20 ℃條件下保存，集中過濾后用流動(dòng)分析儀（AutoAnalyzer 3，德國(guó)Bran+Luebbe）測(cè)定硝酸鹽含量。在A20處理5、10、20、30、40 cm土層埋設(shè)5套土壤溫濕鹽傳感器（TEROS 12，美國(guó)METER），傳感器水平放置，由數(shù)據(jù)采集器（ZL6，美國(guó)METER）自動(dòng)采集試驗(yàn)期間土壤含水量和土壤溶液EC的變化。試驗(yàn)結(jié)束后采集植物和土壤樣品，測(cè)定小白菜產(chǎn)量。土壤樣品根據(jù)灌水器位置輻射狀進(jìn)行采集，每盆3 個(gè)位點(diǎn)，垂直深度為：0～10、10～20、20～30、30～40 和40～45 cm。采集的土壤樣品主要分析無(wú)機(jī)氮含量、ECe和pHe，其中，土壤ECe用飽和泥漿法提取后用雷磁DDS-307A 電導(dǎo)率儀測(cè)定，和用2 mol/L KCl，180 r/min 振蕩浸提1 h，離心過濾后于AA3 連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定，pHe用實(shí)驗(yàn)室pH 計(jì)（METTLER TOLEDO，F(xiàn)E20）測(cè)定。采用加權(quán)法計(jì)算0～20和20～40 cm 土壤樣品的平均含量；由于底部土壤水分需要在飽和后才能滲漏流出土壤，不同于自然條件，40～45 cm 的硝酸鹽含量計(jì)入淋失硝酸鹽總量。

表2 各處理灌溉量與灌溉次數(shù)Tab.2 Irrigation quantity and irrigation times of each treatment

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019 進(jìn)行初步數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)。利用PowerPoint Office 2019 和Origin 2020b 作圖。通過IBM SPSS Statistics 26.0 軟件中的單因素ANOVA 檢驗(yàn)對(duì)不同SMP 閾值和灌溉量下的土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、ECe、pHe、小白菜產(chǎn)量和硝酸鹽淋失量進(jìn)行方差分析；各指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)通過Pearson 相關(guān)分析進(jìn)行檢驗(yàn)；采用主成分分析法對(duì)不同處理進(jìn)行得分分析，對(duì)土壤ECe和硝酸鹽淋失量進(jìn)行正向化處理，計(jì)算公式為：

式中：X為正向化處理后的數(shù)據(jù)；XA為逆向指標(biāo)；Xmax為樣本最大值；Xmin為樣本最小值。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤鹽分

SMP 控制閾值和單次灌溉量對(duì)土壤ECe的影響。由表3 可知，在0～20 cm 土層中，SMP 閾值為-30 kPa 時(shí)，不同單次灌溉量下的土壤ECe無(wú)顯著差異（p>0.05）；SMP 閾值為-10 kPa時(shí)，不同單次灌溉量下的土壤ECe有顯著差異（p<0.05），10、15 mm 單次灌溉量處理的土壤ECe顯著高于30、40 mm 單次灌溉量的處理，土壤ECe隨單次灌溉量的增加逐漸減小。

表3 不同SMP閾值和不同單次灌溉量對(duì)土壤ECe的影響Tab.3 Effects of different SMP thresholds,different single irrigation amount on soil ECe

在20～40 cm 土層中，SMP 閾值為-30 kPa 時(shí)，不同單次灌溉量下的土壤ECe無(wú)顯著差異（p>0.05）；SMP 閾值為-10 kPa時(shí)，不同單次灌溉量下的土壤ECe有顯著差異（p<0.05），單次灌溉量為20 mm 時(shí)，土壤ECe最高，30 mm 時(shí)最低。SMP 閾值為-30 kPa時(shí)，不同單次灌溉量下0～40 cm土層的土壤ECe無(wú)顯著差異，可能是由于-30 kPa 下的處理除A10 處理外總清水灌溉量相近的原因。

由表4 可知，0～20 cm 土層，不同SMP 閾值以及SMP 閾值與單次灌溉量的交互作用對(duì)土壤ECe均無(wú)顯著影響（p>0.05），不同單次灌溉量對(duì)土壤ECe有顯著影響（p<0.05）。20～40 cm土層，不同SMP 閾值、不同單次灌溉量以及SMP 閾值與單次灌溉量的交互作用對(duì)土壤ECe均無(wú)顯著影響（p>0.05）。20～40 cm 土層的ECe普遍高于0～20 cm 土層，且灌溉后各處理的土壤ECe均低于灌溉前。

表4 不同SMP閾值和不同單次灌溉量及二者交互作用對(duì)土壤ECe的影響Tab.4 Effects of different SMP thresholds,different single irrigation amount and their interaction on soil ECe

為進(jìn)一步明確試驗(yàn)期間不同土層土壤隨沼液和清水灌溉土壤鹽分的時(shí)空變化，以A20 處理為例（圖2）。沼液滴灌期間（11月1日-12月5日），土壤溶液EC不因土壤水分增加稀釋土壤鹽分而降低，反而與土壤水分之間線性正相關(guān)，說明-30 kPa 條件下滴灌EC=3.4 dS/m 的沼液會(huì)增加土壤鹽分；但在清水灌溉期間（12月6日起始），5 cm、10 cm 和20 cm 土層土壤鹽分隨著清水的灌溉迅速下降，土壤溶液EC與土壤含水量關(guān)系仍為正相關(guān)但斜率降低，或變?yōu)樨?fù)相關(guān)，說明土壤鹽分正在逐步下降；相較于0～20 cm土層，20～30 cm和30～40 cm土層土壤鹽分與水分的關(guān)系的變化有較長(zhǎng)的延滯期，約4 d/10 cm。

圖2 A20處理不同時(shí)期不同土層土壤溶液EC與土壤含水量的關(guān)系Fig.2 Relationship between soil solution EC and soil water content in different soil layers at different periods of A20 treatment

2.2 土壤無(wú)機(jī)氮

2.2.1 SMP 控制閾值和單次灌溉量對(duì)土壤中銨態(tài)氮含量的影響

由表5 可知，在0～20 cm 和20～40 cm 的土層中，SMP 閾值為-30 或-10 kPa 時(shí)，不同單次灌溉量下的土壤銨態(tài)氮含量均無(wú)顯著差異（p>0.05）。

表5 不同SMP閾值和不同單次灌溉量對(duì)土壤銨態(tài)氮含量的影響Tab.5 Effects of different SMP thresholds,different irrigation amounts on soil ammonium content

由表6 可知，0～20 cm 土層，不同SMP 閾值以及SMP 閾值與單次灌溉量的交互作用對(duì)土壤銨態(tài)氮含量無(wú)顯著影響（p>0.05），不同單次灌溉量對(duì)土壤銨態(tài)氮含量有顯著影響（p<0.05）。20～40 cm 土層，不同SMP 閾值對(duì)土壤銨態(tài)氮含量有極顯著影響（p<0.01），-10 kPa閾值的土壤銨態(tài)氮含量平均值為2.70 mg/kg，比-30 kPa 的2.00 mg/kg 高35%，不同單次灌溉量對(duì)土壤銨態(tài)氮含量無(wú)顯著影響（p>0.05），SMP 閾值與單次灌溉量的交互作用對(duì)土壤銨態(tài)氮含量有顯著影響（p<0.05）。

表6 不同SMP閾值和不同單次灌溉量及二者交互作用對(duì)土壤銨態(tài)氮含量的影響Tab.6 Effects of different SMP thresholds,different irrigation amounts and their interactions on soil ammonium content

2.2.2 SMP 控制閾值和單次灌溉量對(duì)土壤中硝態(tài)氮含量的影響

由表7 可知，在0～20 cm 和20～40 cm 土層中，SMP 閾值分別為-30 kPa或-10 kPa時(shí)，不同單次灌溉量下的土壤硝態(tài)氮含量均無(wú)顯著差異（p>0.05）。

表7 不同SMP閾值和不同單次灌溉量對(duì)土壤硝態(tài)氮含量的影響Tab.7 Effects of different SMP thresholds,different irrigation amounts on soil nitrate content

由表8 可知，在0～20 cm 土層，不同SMP 閾值對(duì)土壤硝態(tài)氮含量有極顯著影響（p<0.001），-10 kPa 閾值的土壤硝態(tài)氮含量平均值為14.33 mg/kg，比-30 kPa 的5.19 mg/kg 高176%。不同單次灌溉量以及SMP 閾值與單次灌溉量的交互作用對(duì)土壤硝態(tài)氮含量無(wú)顯著影響（p>0.05）。在20～40 cm 土層，不同SMP 閾值對(duì)土壤硝態(tài)氮無(wú)顯著影響（p>0.05）。不同單次灌溉量以及SMP 閾值與單次灌溉量的交互作用對(duì)土壤硝態(tài)氮含量有極顯著影響（p<0.01）。

表8 不同SMP閾值和不同單次灌溉量及二者交互作用對(duì)土壤硝態(tài)氮含量的影響Tab.8 Effects of different SMP thresholds,different irrigation amounts and their interactions on soil nitrate content

2.3 SMP控制閾值和單次灌溉量對(duì)土壤pHe的影響

由表9可知，在0～20 cm土層，SMP閾值為-30 kPa時(shí)，不同單次灌溉量下的土壤pHe有顯著差異（p<0.05），單次灌溉量為10、15 mm 時(shí)土壤pHe顯著低于20 mm 灌溉量的處理，在20 mm 達(dá)到最高值后數(shù)值趨于穩(wěn)定。當(dāng)SMP 閾值為-10 kPa 時(shí)，不同單次灌溉量下的土壤pHe有顯著差異（p<0.05），pH 在單次灌溉量10、20、40 mm 時(shí)較高，單次灌溉量15、30 mm 較低，其中單次灌溉量為15 mm 時(shí)達(dá)到最低值，單次灌溉量為20 mm 時(shí)達(dá)到最高值。不同SMP 閾值下的土壤pHe無(wú)顯著差異（p>0.05）。

表9 不同SMP閾值和不同單次灌溉量對(duì)土壤pHe的影響Tab.9 Effects of different SMP thresholds,different single irrigation amount on soil pHe

在20～40 cm 土層，SMP 閾值為-30 kPa 時(shí)，不同單次灌溉量下的土壤pHe有顯著差異（p<0.05），單次灌溉量為30 mm時(shí)，土壤pHe最高并顯著高于10、15、20 mm灌溉量的處理。

由表10 可知，在0～20 cm 土層中，不同SMP 閾值以及SMP 閾值與單次灌溉量的交互作用對(duì)土壤pHe均無(wú)顯著影響（p>0.05），不同單次灌溉量對(duì)土壤pHe有極顯著影響（p<0.01）。在20～40 cm 土層中，不同SMP 閾值和不同單次灌溉量對(duì)土壤pHe無(wú)顯著影響（p>0.05）；SMP閾值與單次灌溉量的交互作用對(duì)土壤pHe有顯著影響（p<0.05）。

表10 不同SMP閾值和不同單次灌溉量及二者交互作用對(duì)土壤pHe的影響Tab.10 Effects of different SMP thresholds,different single irrigation amount and their interaction on soil pHe

兩個(gè)土層的土壤pHe在處理結(jié)束后有升有降，各處理0～20 cm 土層的pHe普遍低于20～40 cm 土層，20～40 cm 土壤的pHe多數(shù)高于處理前。與灌溉前相比，兩個(gè)土層的土壤pHe均無(wú)太大變化。

2.4 SMP 控制閾值和單次灌溉量對(duì)硝酸鹽淋失量的影響

由表11可知，當(dāng)SMP閾值為-30 kPa時(shí)，不同單次灌溉量下的硝酸鹽淋失量有顯著差異（p<0.05），硝酸鹽淋失量隨單次灌溉量的增加而升高，在10 mm 單次灌溉量時(shí)最低，在40 mm 時(shí)最高。當(dāng)SMP 閾值為-10 kPa 時(shí)，不同單次灌溉量下的硝酸鹽淋失量平均值以30 mm處理最高，20 mm處理最低，但因個(gè)別處理標(biāo)準(zhǔn)差較高，處理間無(wú)顯著差異（p>0.05）。

表11 不同SMP閾值和不同單次灌溉量對(duì)土壤硝酸鹽淋失量的影響Tab.11 Effects of different SMP thresholds,different irrigation amounts on soil nitrate leaching

由表12 可知，不同SMP 閾值對(duì)硝酸鹽淋失量有極顯著影響（p<0.001），-30 kPa 閾值的硝酸鹽淋失量平均值為1.96 g/m2，比-10 kPa 的7.36 g/m2低73.37%。不同單次灌溉量對(duì)硝酸鹽淋失量有極顯著影響（p<0.01）。SMP 閾值與單次灌溉量的交互作用對(duì)硝酸鹽淋失量有顯著影響（p<0.05）。

表12 不同SMP閾值和不同單次灌溉量及二者交互作用對(duì)土壤硝酸鹽淋失量的影響Tab.12 Effects of different SMP thresholds,different irrigation amounts and their interaction on soil nitrate leaching

2.5 SMP 控制閾值和單次灌溉量對(duì)小白菜產(chǎn)量的影響

由圖3（a）可知，SMP 為-30 kPa 時(shí)不同單次灌溉量下的小白菜產(chǎn)量有顯著差異（p<0.05），產(chǎn)量先隨單次灌溉量的增加而增加，在30 mm 灌溉量時(shí)達(dá)到最高值。SMP 為-10 kPa 時(shí)不同單次灌溉量下的小白菜產(chǎn)量無(wú)顯著差異（p>0.05），這可能是由于-10 kPa 下，各處理沼液灌溉提供的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均在小白菜適宜生長(zhǎng)的范圍內(nèi)，因此產(chǎn)量無(wú)顯著差異。由圖3（b）可知，不同SMP 閾值下的小白菜產(chǎn)量有顯著差異（p<0.05），-10 kPa 下小白菜的平均產(chǎn)量為551.87 g，-30 kPa 平均產(chǎn)量為489.60 g，-10 kPa 要比-30 kPa 產(chǎn)量高12.7%，-10 kPa 閾值的小白菜產(chǎn)量更為穩(wěn)定，主要集中在每株600 g左右，-30 kPa閾值的小白菜產(chǎn)量主要為每株450～600 g。

圖3 小白菜產(chǎn)量Fig.3 Yield of Brassica chinensis L

2.6 SMP閾值和單次灌溉量對(duì)沼液灌溉總量、土壤理化性質(zhì)（0～40 cm）、硝酸鹽淋失量和小白菜產(chǎn)量的綜合影響

2.6.1 因素間的相關(guān)性分析

由圖4可知，總沼液灌溉量與SMP、單次灌溉量呈極顯著正相關(guān)。土壤銨態(tài)氮含量與土壤硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)；土壤ECe與土壤硝態(tài)氮含量呈極顯著正相關(guān)，與硝酸鹽淋失量呈顯著負(fù)相關(guān)，這可能是由于沼液中含有大量的銨離子，進(jìn)入土壤后轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，土壤中的硝酸鹽易隨水流動(dòng)，而硝酸鹽也是構(gòu)成土壤鹽分的一部分，硝酸鹽淋失的同時(shí)土壤鹽分也會(huì)被淋洗掉。小白菜產(chǎn)量與SMP 和單次灌溉量呈顯著正相關(guān)，與總沼液灌溉量呈極顯著正相關(guān)，與土壤硝態(tài)氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)。硝酸鹽淋失量與SMP、總沼液灌溉量呈極顯著正相關(guān)，與單次灌溉量呈顯著正相關(guān)。

圖4 各物質(zhì)間的相關(guān)性分析Fig.4 Correlation analysis of each substance

2.6.2 不同處理土壤理化性質(zhì)的主成分分析評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)SMP 和沼液?jiǎn)未喂喔攘繉?duì)土壤的綜合影響，利用主成分分析土壤理化性質(zhì)（0～40 cm）進(jìn)行主成分評(píng)價(jià)。選擇的指標(biāo)有土壤銨態(tài)氮含量（X1）、土壤硝態(tài)氮含量（X2）、土壤pHe（X3）、土壤ECe，由于ECe都可以認(rèn)為數(shù)值越低越好，因此用ECe正向化處理（X4）后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。使用SPSS 26.0軟件，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化（Z-score 法）處理，然后進(jìn)行KMO 檢驗(yàn)和Bartlett 球形檢驗(yàn)。KMO 值等于0.584，大于最低標(biāo)準(zhǔn)0.5，Bartlett球形檢驗(yàn)p值等于0.001（p<0.05），相關(guān)陣非單位陣各指標(biāo)有相關(guān)性[28]。

由表13 可知，前2 個(gè)主成分解釋了全部方差的71.01%，說明提取的主成分能夠代表原來(lái)4 個(gè)指標(biāo)的71.01%，已經(jīng)能夠分析SMP 和沼液?jiǎn)未喂喔攘繉?duì)土壤指標(biāo)的影響。提取兩個(gè)主成分為Y1、Y2，見表14。

根據(jù)表13 可知特征根，用表14 的各主成分載荷除以特征根平方根，得到Y(jié)1、Y2的線性組合：

表13 總方差解釋Tab.13 Total variance explanation

表14 因子負(fù)荷矩陣Tab.14 Factor load matrix

式中：ZX代表各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值。

由式（3）可知，主成分Y1中，土壤銨態(tài)氮含量（X1）、土壤硝態(tài)氮含量（X2）、土壤ECe（X4）的系數(shù)絕對(duì)值大于其他變量的系數(shù)絕對(duì)值，因此Y1是3個(gè)指標(biāo)的綜合反映，它可以代表在SMP 和沼液?jiǎn)未喂喔攘坑绊懴赂魈幚硗寥罒o(wú)機(jī)氮和鹽分的綜合狀況，由于土壤ECe做了正向化處理，因此Y1可以計(jì)算鹽分低、無(wú)機(jī)氮含量高的處理；主成分Y2中，土壤pHe（X3）的系數(shù)絕對(duì)值大于其他變量的系數(shù)絕對(duì)值，所以Y2主要由這一指標(biāo)反映，它可以代表在SMP 與單次灌溉量的影響下各處理的土壤酸堿度狀況，由于所有處理的pHe均在5.6-7 之間，所以Y2可以計(jì)算土壤pHe接近中性處理。

通過已求得各主成分計(jì)算公式和各主成分方差貢獻(xiàn)率占兩個(gè)主成分累積方差貢獻(xiàn)率的比率可得到土壤綜合得分模型：

通過各土壤主成分得分模型和綜合得分模型可得到土壤主成分得分和綜合得分。如圖5（a）所示，主成分Y1得分較高的為A10、A15 處理，說明這些處理的無(wú)機(jī)氮含量與土壤ECe的綜合評(píng)分較高，說明該處理的無(wú)機(jī)氮含量較高且土壤鹽分較低。主成分Y2得分較高的為B20、B40 處理，說明這些處理的土壤pHe較高。土壤綜合得分較高的為B20、B10 處理，說明這兩個(gè)處理的土壤無(wú)機(jī)氮、土壤ECe、土壤pHe的綜合狀況更好。

由圖5（b）可知，-10 kPa 和-30 kPa 處理間的土壤綜合得分并無(wú)顯著差異（p>0.05），但可以看出，-10 kPa處理的綜合得分更為穩(wěn)定且分?jǐn)?shù)多數(shù)在0 以上，而-30 kPa 處理的得分差異更大且多數(shù)在0 以下。-10 kPa 處理的土壤條件更好一些。

2.6.3 不同處理沼液消納量、小白菜產(chǎn)量、硝酸鹽淋失量和土壤理化性質(zhì)的綜合分析

為分析SMP 和沼液?jiǎn)未喂喔攘繉?duì)沼液消納量、小白菜產(chǎn)量、硝酸鹽淋失量和土壤理化性質(zhì)造成的綜合影響，選取指標(biāo)沼液消納量（Ya）、小白菜產(chǎn)量（Yb）、硝酸鹽淋失量和土壤綜合得分（Y土壤），由于硝酸鹽淋失量可以看作越少越好，因此將其正向化處理（Yc）。使用SPSS26.0 軟件，將Ya、Yb和Yc行標(biāo)準(zhǔn)化（Z-score 法）處理，這3 個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)與土壤指標(biāo)綜合得分各占最終結(jié)果的1/4 得到最終綜合得分模型：

式中：ZY代表各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值。

根據(jù)各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)和最終綜合得分模型，可得到各指標(biāo)得分和最終綜合得分。由圖6（a）沼液消納量（Ya）得分較高的為B30、B40 處理，小白菜產(chǎn)量（Yb）得分較高的為B20、B15 處理，硝酸鹽淋失量（Yc）得分較高的為A10、A15處理。最終綜合得分（S）較高的為B20、B15 處理，這兩個(gè)處理的所有指標(biāo)綜合的分最高，說明B20和B15處理在消納沼液，維持土壤質(zhì)量，減少硝酸鹽淋失以及對(duì)小白菜產(chǎn)量的影響等方面綜合效果最好。另外，通過圖6（b）可以看出，-10 kPa 下各處理的綜合狀況更加穩(wěn)定，而且大多數(shù)在0 以上，-30 kPa 條件下各處理間差異較大，多數(shù)在0 以下。因此-10 kPa要優(yōu)于-30 kPa。

圖6 各指標(biāo)得分和最終綜合得分Fig.6 Scores of each index and the final comprehensive score

3 討論

沼液灌溉期間土壤EC與土壤水分呈線性正相關(guān)（圖2），說明-30 kPa 條件下滴灌電導(dǎo)率為3.4 dS/m 的沼液會(huì)增加土壤鹽分；清水灌溉期間，5、10 和20 cm 土層土壤鹽分隨著清水的灌溉迅速下降，30 cm 和40 cm 土層的土壤鹽分與水分的變化有較長(zhǎng)的延滯期，說明清水灌溉可以有效淋洗0～40 cm 土層的鹽分，其中0～20 cm 土層見效最快，這在沈根祥[29]等人的研究中也有體現(xiàn)，與其不同的是本研究是減少沼液灌溉增加的土壤鹽分，而后者的研究是對(duì)已發(fā)生鹽漬化的大棚土壤進(jìn)行灌水洗鹽。SMP閾值為-10 kPa時(shí)，0～20和20～40 cm 土層的土壤ECe均在單次灌溉量為30 mm 時(shí)最低，這可能是由于30 mm處理的清水灌溉量最高，使沼液灌溉后在土壤中積累的鹽分[30]淋洗的效果更好。

20～40 cm 土層中，不同SMP 控制閾值對(duì)土壤銨態(tài)氮含量有顯著影響，-10 kPa閾值處理的銨態(tài)氮含量高于-30 kPa的處理，這是由于SMP 控制閾值越高，灌溉量和灌溉頻率就越高，沼液中含有大量的銨態(tài)氮，因而進(jìn)入土壤的銨態(tài)氮含量就越高，這與已有的研究結(jié)果是一致的[31]；其次，-10 kPa 閾值處理的灌溉頻率較高，土壤長(zhǎng)時(shí)間保持較高的含水量，導(dǎo)致土壤通氣性相對(duì)較差，氧氣擴(kuò)散受限，抑制了土壤硝化微生物的活動(dòng)進(jìn)而抑制了硝化作用進(jìn)行[32,33]，使銨態(tài)氮得以留存；王大鵬[34]等人對(duì)海南橡膠林磚紅壤土壤總硝化速率對(duì)水分響應(yīng)的研究中，當(dāng)土壤孔隙度水達(dá)到70%后，總硝化速率下降。0～20 cm 土層的銨態(tài)氮含量普遍高于20～40 cm 土層，是由于銨態(tài)氮本身帶正電荷易被土壤膠體攜帶的負(fù)電荷吸附不易被水淋失，隨沼液進(jìn)入后在上層形成高含量區(qū)域，這與姚榮江[20]等人的研究結(jié)果一致。

0～20 cm 土層中，-10 kPa 閾值的土壤硝態(tài)氮含量顯著高于-30 kPa，這可能是因?yàn)?10 kPa的總沼液灌溉量和灌溉頻率要高于-30 kPa 的處理；滴灌施肥時(shí)，氮素在濕潤(rùn)體內(nèi)部含量高[35]，沼液灌溉量越高，留存于土壤中的總的硝化產(chǎn)物硝態(tài)氮含量也越高[36]。-10 kPa 條件下，不同處理0～20 cm 與20～40 cm 的土壤硝態(tài)氮含量并無(wú)太大差異，而硝酸鹽淋失量遠(yuǎn)高于-30 kPa，說明-10 kPa處理的灌溉量與灌溉頻率可以將硝酸鹽淋洗至40 cm 以下，即濕潤(rùn)鋒到達(dá)40 cm 以下。當(dāng)SMP 為-30 kPa 時(shí)，不同沼液灌溉量處理0～20 cm 土層土壤硝態(tài)氮含量平均值均在4.1～7.4 mg/kg 的范圍內(nèi)，而20～40 cm 土層的硝態(tài)氮含量變化范圍較大（3.9～35.9 mg/kg）且有較大的變異性，隨著單次灌溉量的增加而下降，硝酸鹽淋失量則隨著單次灌溉量的增加而增加，說明-30 kPa 條件下，單次灌溉量較低的處理中沼液灌溉增加的硝酸鹽在清水灌溉階段部分被運(yùn)移至20～40 cm 土層的范圍內(nèi)，尚未完全淋洗出土壤。與此不同的是，-30 kPa 條件下20～40 cm 土層土壤ECe平均值雖然也略高于-30 kPa條件下0～20 cm 土層和-10 kPa條件下20～40 cm 土層的平均ECe，但處理間并沒有明顯的規(guī)律，這可能是由于土壤鹽分鹽離子成分復(fù)雜，不同離子在土壤中的遷移性不同造成的。本研究結(jié)果表明，SMP 維持在-10 kPa 可以消納更多的沼液，提高土壤無(wú)機(jī)氮含量。

土壤ECe與硝態(tài)氮呈極顯著正相關(guān)，這主要是因?yàn)檎右褐型瑫r(shí)含有鹽與氮，在氮素通過灌溉進(jìn)入土壤的同時(shí)沼液中的鹽分也會(huì)進(jìn)入土壤，而且硝態(tài)氮在土壤中運(yùn)移規(guī)律與水鹽類似[20]；另一方面，低鹽會(huì)促進(jìn)氮素轉(zhuǎn)化，李紅強(qiáng)[37]等人總結(jié)前人研究得出結(jié)論，土壤鹽分低于3 g/kg時(shí)，土壤的礦化作用基本不會(huì)受到影響，低于3～3.5 g/kg 時(shí)土壤鹽分會(huì)促進(jìn)硝化作用；李建兵[38]等人研究發(fā)現(xiàn)，在土壤鹽分較低時(shí)，鹽分的增加會(huì)促進(jìn)土壤的礦化、硝化作用。

沼液灌溉后除20 mm 灌溉量處理的土壤pHe略有升高外，其他處理均有所降低，但總體變化幅度不大，這與陳永杏[39]、王衛(wèi)平[40]等研究一致。20～40 cm 土層pHe普遍高于0～20 cm 的原因可能是小白菜的根系主要分布在0～20 cm，植物根系分泌酸性化合物使土壤pH降低[41,42]，也可能因?yàn)?～20 cm土層的氧氣更為充足更適合硝化作用進(jìn)行，而硝化作用也會(huì)釋放出H+導(dǎo)致土壤pHe降低。因此，沼液灌溉一段時(shí)間后再進(jìn)行清水灌溉，土壤pH 變化不大，對(duì)土壤酸堿度的影響較小且不會(huì)造成破壞。

不同SMP 閾值對(duì)小白菜產(chǎn)量有顯著影響，-10 kPa 處理的小白菜總產(chǎn)量比-30 kPa 處理高12.7%，這可能是與-10 kPa 處理的沼液和清水灌溉量、灌溉頻率均較高有關(guān)，在高頻灌溉條件下，土壤溶液的離子組成和養(yǎng)分含量接近于灌溉水的組成，據(jù)羅艷君[43]的研究表明，配施黃腐酸鉀時(shí)高頻灌溉施肥更容易提高土壤溶液中的各組分養(yǎng)分含量，并且更利于植物的吸收利用；郭鵬飛[44]等人研究表明，高頻滴灌配施適宜供氮量可以有效提高西葫蘆產(chǎn)量；但也有研究表明，高頻灌溉會(huì)降低土壤的通氣性，影響作物根系生長(zhǎng)[45]。-10 kPa 條件下不同灌溉量處理的小白菜產(chǎn)量沒有顯著性差異，而在-30 kPa 條件下，小白菜產(chǎn)量隨單次灌溉量的增加而增加，30 mm 處理最高，這可能是由于單次灌溉量較低的處理沼液和清水的灌溉總量也較低，要有足夠的灌溉量才能帶來(lái)足夠植物生長(zhǎng)的養(yǎng)分和水分。因此，沼液灌溉在消納沼液的同時(shí)，可以為提供小白菜生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分，減少肥料的投入。

本研究將旱作農(nóng)田沼液消納灌溉與滴灌水鹽調(diào)控理論和方法相結(jié)合，研究和評(píng)價(jià)提高沼液灌溉消納量，并減少沼液對(duì)土壤、環(huán)境和作物負(fù)面影響的滴灌調(diào)控方法。研究結(jié)果表明，在0～40 cm 土層，A10、A15 處理可以在土壤無(wú)機(jī)氮含量較高的情況下維持較低的鹽分，B20、B40 處理的pHe更接近中性。各土壤指標(biāo)綜合得分最高的為B20處理，該處理的土壤綜合條件最為優(yōu)秀。將土壤綜合狀況、小白菜產(chǎn)量、硝酸鹽淋失量、沼液消納量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，B30、B40 處理沼液消納量得分較高，B20、B15處理小白菜產(chǎn)量得分較高，A10、A15處理硝態(tài)氮淋失量得分較高。B20、B15處理的綜合得分最高。研究結(jié)果可以為提高沼液消納灌溉量，維持土壤健康和作物產(chǎn)量，減少硝酸鹽淋失等方面提供數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)支持。

4 總結(jié)

本研究運(yùn)用滴灌水鹽調(diào)控方法，研究不同沼液灌溉量和SMP 控制閾值對(duì)不同土層土壤ECe、無(wú)機(jī)氮含量、pHe、小白菜產(chǎn)量、沼液消納量和硝酸鹽淋失量等的影響。主要結(jié)論如下：

（1）SMP 閾值為-30 kPa 時(shí)沼液灌溉一定程度上會(huì)增加土壤含鹽量，但適時(shí)清水灌溉可降低土壤含鹽量，SMP 為-10和-30 kPa 均可維持土壤鹽分健康和酸堿度平衡，但土壤綜合指標(biāo)最優(yōu)的處理為SMP為-10 kPa，單次灌溉量為20 mm處理。

（2）SMP 閾值為-10 kPa，單次灌溉量為30 和40 mm 時(shí)沼液消納量較大。

（3）與-30 kPa 相比，-10 kPa 閾值有利于小白菜產(chǎn)量提高，但會(huì)增加硝酸鹽淋失量，SMP 與單次灌溉量的交互作用對(duì)硝酸鹽淋失量影響顯著，SMP=-30 kPa，單次灌溉量為10～15 mm硝酸鹽淋失量最低。

綜上，-10 kPa 閾值的各指標(biāo)綜合狀況更為穩(wěn)定。SMP 閾值為-10 kPa，單次灌溉量為15 mm、20 mm 的處理在消納沼液、保持土壤健康、減少硝酸鹽淋失以及對(duì)小白菜產(chǎn)量影響等方面的綜合效果最優(yōu)。