地下滴灌苜蓿種子田土壤養(yǎng)分及鹽堿分布規(guī)律

孫群策，張樹振，姜濤福，王永琪，岳海燕，彭鳳君，徐婉寧，張 博

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院/西部干旱荒漠區(qū)草地資源與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052）

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）作為我國(guó)西北地區(qū)廣泛種植的豆科牧草，因其具有產(chǎn)量高、品質(zhì)好、適口性好等特點(diǎn)，有“牧草之王”之美譽(yù)[1]。但長(zhǎng)期以來(lái)苜蓿種子生產(chǎn)仍采用傳統(tǒng)的制種技術(shù)，種子單產(chǎn)低且不穩(wěn)定，制約了草種業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。因此，要改善苜蓿種子生產(chǎn)的落后現(xiàn)狀就不可避免的要改進(jìn)苜蓿制種技術(shù)和提高種子田的水肥管理水平。

地下滴灌技術(shù)被認(rèn)為是最有開發(fā)潛力的節(jié)水灌溉技術(shù)之一，已在我國(guó)西北地區(qū)苜蓿生產(chǎn)中普遍應(yīng)用[2，3]。但在多年的持續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，部分紫花苜蓿種植受到了土壤鹽漬化的影響。前人研究表明在鹽濃度較高的根際土壤中，植物會(huì)因受到鹽脅迫減少吸水量從而造成生理干旱[4]，因此在滴灌條件下土壤養(yǎng)分和鹽分的分布和富集是決定紫花苜蓿長(zhǎng)勢(shì)的關(guān)鍵所在[5，6]。自然和人為管理因素均會(huì)影響土壤鹽分和養(yǎng)分的空間變化[7]，顧文婷等[8]的研究表明增施有機(jī)肥在增加土壤養(yǎng)分滿足作物生長(zhǎng)需求的同時(shí)還可以抑制土壤中鹽分積累，有利于改善鹽堿土壤的理化性質(zhì)。因此在特定條件下分析土壤鹽分和養(yǎng)分在遷移過(guò)程中的空間分布變化，是合理改善土壤的基礎(chǔ)，為了區(qū)域農(nóng)田土壤管理和作物生產(chǎn)提供更好的指導(dǎo)掌握土壤中鹽分和養(yǎng)分的空間異質(zhì)性是必要的[9]。

鑒于此，本研究以利用4年的地下滴灌新牧4號(hào)紫花苜蓿種子田為研究對(duì)象，探討地下滴灌對(duì)土壤中的養(yǎng)分、鹽堿分布的影響以及地下滴灌模式下的多年利用是否會(huì)使土壤養(yǎng)分和鹽堿的空間分布產(chǎn)生異質(zhì)性富集，為地下滴灌新牧4號(hào)紫花苜蓿種子田水肥管理和土壤管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)呼圖壁草地農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站進(jìn)行，該站地處44°2′N，86°6′E，海拔439～454 m；光熱資源豐富，年太陽(yáng)輻射量為5.56×102kj·cm-2，年照射時(shí)長(zhǎng)為3 110 h，年日照百分率70%；年降水量為161.3 mm，蒸發(fā)量為2 112.7 mm，無(wú)霜期165～190 d；試驗(yàn)地土壤為鹽化灰漠土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取樣地為地下滴灌條件生長(zhǎng)至第4年的苜蓿種子田，建植行距為80 cm、40 cm寬窄行。滴灌系統(tǒng)于紫花苜蓿建植當(dāng)年鋪設(shè)，供水方式為由主管（Φ75 PE管，新疆大禹節(jié)水有限公司）連接給水滴灌帶，滴灌帶種類為內(nèi)鑲貼片式，埋于地表之下15 cm，鋪設(shè)間距為120 cm，每個(gè)出水滴頭額定流量為1.38 L·h-1，該種子田采用常規(guī)田間管理。試驗(yàn)采取完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，在該試驗(yàn)地選取滴灌帶隨機(jī)一側(cè)的水平方向0 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm設(shè)置五個(gè)取樣點(diǎn)，在每個(gè)取樣點(diǎn)地表下方垂直于地面距離0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm的深度分別各取6個(gè)土層的土樣，共設(shè)置5組重復(fù)。將取得的土樣立即帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定堿解氮、速效磷、速效鉀、電導(dǎo)率、pH值等指標(biāo)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1土壤電導(dǎo)率

土壤電導(dǎo)率的測(cè)定采用的方法為電極法，詳細(xì)參考中國(guó)國(guó)家生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)《土壤電導(dǎo)率的測(cè)定電極法》（HJ 802-2016）。

1.3.2 pH值

土壤pH的測(cè)定采用比色法。

1.3.3 堿解氮

堿解氮的測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法。

1.3.4 速效磷

速效磷的測(cè)定采用碳酸氫鈉浸提法。

1.3.5 速效鉀

速效鉀的測(cè)定采用NH4OAc浸提—火焰分光光度法，具體實(shí)驗(yàn)操作詳見(jiàn)《土壤農(nóng)化分析》第三版。

1.4 數(shù)據(jù)處理

測(cè)定數(shù)據(jù)采用SPSS 26.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤表示測(cè)定結(jié)果，對(duì)不同垂直深度和不同水平間距處理的養(yǎng)分、鹽分含量進(jìn)行雙因素方差分析及各養(yǎng)分、鹽分各指標(biāo)的相關(guān)性分析，采用Duncan法進(jìn)行數(shù)據(jù)的多重比較。制圖使用origin 2021。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下滴灌新牧4號(hào)紫花苜蓿種子田土壤養(yǎng)分分布規(guī)律

堿解氮分布規(guī)律如表1所示，在水平方向上，距滴灌帶0～20 cm的范圍內(nèi)土壤堿解氮含量逐漸升高，20～40 cm逐漸下降，并且在距滴灌帶水平間距20 cm處土壤堿解氮含量達(dá)到峰值，顯著高于0 cm、30 cm、40 cm水平間距的土壤堿解氮含量（P＜0.05）；垂直方向上，隨著土壤深度的增加，堿解氮含量呈逐漸降低趨勢(shì)，并且0～30 cm淺層土壤中的堿解氮含量顯著高于30～60 cm深層土壤（P＜0.05）。因此，地下滴灌模式下土壤堿解氮分布于滴灌帶水平方向0～20 cm，垂直方向0～30 cm處的土壤表層。

速效磷分布規(guī)律如表1所示，在水平方向上，隨距離滴灌帶距離增加，速效磷含量呈先降低后增加的趨勢(shì)，并在距滴灌帶20 cm處降至最低，顯著低于其他各間距土壤的速效磷含量（P＜0.05）。速效磷在垂直方向上的分布規(guī)律與堿解氮相似，隨著深度增加速效磷含量呈逐漸降低趨勢(shì)，并且0～30 cm淺層土壤的速效磷含量顯著高于30～60 cm深層土壤（P＜0.05），0～40 cm各深度水平之間均存在顯著差異（P＜0.05）。因此，地下滴灌模式下土壤速效磷主要分布于靠近滴灌帶區(qū)域，聚集于水平方向0～10 cm，垂直方向0～30 cm的土壤表層。

速效鉀分布規(guī)律如表1所示，在水平方向距滴灌帶0～20 cm區(qū)域的速效鉀含量逐漸升高，且水平間距0 cm、10 cm樣點(diǎn)的土壤速效鉀含量顯著低于20～40 cm樣點(diǎn)（P＜0.05）。在垂直方向上，0～30 cm淺層土壤中速效鉀含量隨深度增加逐漸降低，30～60 cm深層土壤中隨深度增加逐漸升高。20～30 cm深度土壤中速效鉀含量最低，顯著低于0～10 cm表層土壤和50～60 cm深層土壤樣點(diǎn)的速效鉀含量（P＜0.05）。因此地下滴灌條件下土壤中速效鉀主要分布于水平間距20～40 cm的區(qū)域、垂直方向的0～10 cm表層土壤和50～60 cm的深層土壤。

表1 各向取樣點(diǎn)位土壤中各養(yǎng)分含量

2.2 地下滴灌種子田土壤鹽分和pH變化規(guī)律

土壤鹽分含量是影響土壤電導(dǎo)率的一個(gè)重要因素[10]，土壤電導(dǎo)率的變化規(guī)律如圖1所示，在水平方向上，土壤電導(dǎo)率值逐漸升高，并在40 cm處達(dá)到峰值。垂直方向上，土壤電導(dǎo)率值呈現(xiàn)為在距滴灌帶0～20 cm樣點(diǎn)逐漸降低、20～40 cm樣點(diǎn)逐漸升高、40～60 cm土壤中逐漸降低的波動(dòng)趨勢(shì)。土壤電導(dǎo)率峰值分別出現(xiàn)在水平間距40 cm、垂直深度30～40 cm的土壤中。

圖1 土壤電導(dǎo)率在水平方向、垂直方向上的變化

土壤pH值變化規(guī)律如圖2所示，水平方向上土壤pH值均隨間距增加而增加，并在40 cm樣點(diǎn)達(dá)到峰值，20～40 cm土壤pH值顯著高于0 cm樣點(diǎn)土壤（P＜0.05）。在垂直方向上0～30 cm淺層土壤中，pH值緩慢降低；在30～60 cm深層土壤逐漸上升。20～30 cm深度土層是pH值最低區(qū)域，顯著低于40～60 cm深度土層（P＜0.05）。因此水平間距0～20 cm近滴灌帶區(qū)域、深度20～30 cm區(qū)域的土壤更接近中性。

圖2 土壤pH值在水平方向、垂直方向上的變化

2.3 地下滴灌土壤養(yǎng)分分布和鹽堿含量之間關(guān)系

地下滴灌土壤養(yǎng)分及鹽堿指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果如表2所示，其中土壤中電導(dǎo)率值與速效鉀含量呈顯著正相關(guān)，土壤中電導(dǎo)率值與速效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤pH值與速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，土壤pH值與堿解氮、速效磷含量均呈顯著負(fù)相關(guān)，堿解氮含量與速效磷含量呈極顯著正相關(guān)。根據(jù)前文分析結(jié)果，地下滴灌4年淋洗下土壤鹽堿移動(dòng)性強(qiáng)于堿解氮、速效磷，且土壤中富含堿解氮、速效磷的區(qū)域鹽堿程度相對(duì)較低。

表2 地下滴灌苜蓿種子田土壤中養(yǎng)分、鹽堿各指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)

3 討 論

充足的土壤養(yǎng)分是維持植物正常生長(zhǎng)發(fā)育的重要條件，也是限制苜蓿產(chǎn)量及品質(zhì)的重要因素[11]。本研究發(fā)現(xiàn)地下滴灌模式4年生苜蓿種子田中土壤堿解氮、速效磷含量均在0～30 cm土層較高。速效磷的分布與林治安等[12]報(bào)道的“速效態(tài)無(wú)機(jī)磷主要分布于0～30 cm耕層”的結(jié)果一致。速效鉀分布在0～30 cm土層中逐漸降低，在30～60 cm的土層中逐漸升高，其原因?yàn)橥寥乐兴傩р浭且訩+的形式存在于土壤之中，因此其在土壤中的移動(dòng)性很強(qiáng)[13]，主要分布于土壤濕潤(rùn)體邊緣區(qū)域，因此地下滴灌模式會(huì)使苜蓿田的速效鉀主要聚集在地表及深層土壤。土壤養(yǎng)分最豐富的區(qū)域均在0～30 cm的地表處，這與夏皖豫等[14]滴灌對(duì)馬鈴薯土壤酶、養(yǎng)分及產(chǎn)量的影響結(jié)果相似。

水分運(yùn)移是控制鹽分積累的主要因素之一[15]。在地下滴灌條件下的苜蓿種子田中鹽分均在距滴灌帶一定距離范圍內(nèi)的土壤中呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并且在土壤濕潤(rùn)體邊緣出現(xiàn)鹽分聚集。土壤鹽分在水平方向上分布于距滴灌帶30～40 cm區(qū)域，比最低區(qū)域高15.1%；在垂直方向分布于30～40 cm深度土層，相較于最低區(qū)域高出25.1%。張樹振等[16]對(duì)地下滴灌苜蓿地土壤水分分布規(guī)律的研究表明在停止灌溉48 h后水分主要分布于0～30 cm深土壤中并呈現(xiàn)中部凸起、下部略尖的橢球狀；胡和平等[17]采用SWMS-2D模型對(duì)滴灌條件下土壤濕潤(rùn)體運(yùn)移經(jīng)驗(yàn)方程的研究以及孟超然等[18]人對(duì)干旱區(qū)滴灌條件下農(nóng)田土壤鹽分變化的研究表明長(zhǎng)期的滴灌灌溉會(huì)造成土壤鹽分的重新分配而濕潤(rùn)體邊緣會(huì)有較高的土壤鹽分積累，這與本文所得結(jié)論一致。土壤酸堿度是土壤的基本性質(zhì)之一，既影響土壤中養(yǎng)分遷移規(guī)律也是作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境組成之一[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，水平方向距滴灌帶20～40 cm區(qū)域土壤以及垂直方向30～60 cm的深層土壤堿性更強(qiáng)，并在30～60 cm深度土壤逐漸增加。這是由于樣地經(jīng)過(guò)連續(xù)4年利用，高pH區(qū)域受滴灌帶淋洗逐漸下移，與孫楊等[20]滴灌條件對(duì)鹽堿地水鹽運(yùn)移規(guī)律研究所報(bào)道的平作時(shí)高pH區(qū)在距離滴灌帶20 cm以下深度的土層結(jié)論相似。

另外本研究發(fā)現(xiàn)地下滴灌條件下苜蓿種子田土壤中的養(yǎng)分和鹽堿存在異質(zhì)性分布。在地下滴灌條件下，濕潤(rùn)的土體較淺，連續(xù)的灌溉和蒸發(fā)的循環(huán)，使滴頭下的土壤發(fā)生淋洗，因而鹽分只在濕潤(rùn)區(qū)域邊緣地帶累積，而氮、磷等吸附性養(yǎng)分在土壤中表現(xiàn)出的移動(dòng)性要低一些，因此土壤中可利用氮、磷元素沒(méi)有因滴灌帶的淋洗而像鹽堿一樣在深層土壤聚集。本研究的不足之處在于僅觀測(cè)了第4年的數(shù)據(jù)，無(wú)法體現(xiàn)樣地地下滴灌條件下土壤養(yǎng)分和鹽堿的時(shí)空遷移規(guī)律。未來(lái)的研究需對(duì)地下滴灌條件下紫花苜蓿種子田的土壤養(yǎng)分、鹽堿的空間和時(shí)間分布規(guī)律以及不同壓力條件下地下滴灌對(duì)苜蓿種子田的土壤養(yǎng)分、鹽堿分布的影響做進(jìn)一步研究，為合理地進(jìn)行田間水肥管理、土壤管理提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié) 論

研究表明，苜蓿種子田在經(jīng)過(guò)4年的利用后，土壤養(yǎng)分主要分布于地表0～30 cm和水平方向距離滴灌帶0～20 cm的土層中，且各養(yǎng)分指標(biāo)均在土壤表層有所聚集。鹽分主要聚集在距地表垂直距離30～40 cm的土層、水平方向上距滴灌帶30～40 cm的土壤中，土壤堿性較強(qiáng)區(qū)域?yàn)榫嗟乇?0～60 cm的土層和距滴灌帶水平距離20～40 cm的土壤中，苜蓿種子田土壤養(yǎng)分和鹽堿的空間異質(zhì)性分布。