向日葵種植和灌排淋洗改良濱海鹽堿地的協(xié)同效應(yīng)研究

韓 冬，姚宇闐，陳 超，汪 帆，彭 昊，侯毛毛，鐘鳳林，金 秋

（1.德州學(xué)院生態(tài)與資源環(huán)境學(xué)院，山東 德州 416012；2.江蘇省沿海開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司，南京 210036；3.江蘇沿海生態(tài)科技發(fā)展有限公司，南京 210036；4.福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，福州 350002；5.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

0 引 言

向日葵（HelianthusannuusL.）是桔梗目、菊科、向日葵屬植物，在含鹽量0.4%的鹽堿地上可正常出苗，且其莖稈中本身含有的鹽分量高達(dá)0.5%，因此相比于其他作物向日葵應(yīng)對(duì)鹽分脅迫的能力更強(qiáng)[1,2]；另一方面，向日葵植株較高、葉片寬大，對(duì)于控制因毛管水作用導(dǎo)致的鹽堿地返鹽效果明顯，因此，向日葵被認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)的鹽堿地改良植物[3,4]。

暗管排水是治澇降鹽的重要技術(shù)措施，在鹽堿地改良上有廣泛應(yīng)用[5,6]。暗管排水不會(huì)妨礙農(nóng)田機(jī)械化作業(yè)，具備土地利用效率高、土壤治理效果好的優(yōu)點(diǎn)[7]。然而，在排水工程建設(shè)中，若暗管埋深、間距等參數(shù)設(shè)置不合理，會(huì)導(dǎo)致排水效率低下、土壤養(yǎng)分流失大等問(wèn)題，影響降鹽效果且增加生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[8,9]。因此，確定科學(xué)的暗管排水參數(shù)是過(guò)去諸多研究致力于解決的關(guān)鍵問(wèn)題[10]。

目前，利用植物措施和工程措施協(xié)同改良濱海鹽堿地的研究較少，特定改良植物所對(duì)應(yīng)的適宜暗管排水方案的研究則更為匱乏。向日葵種植后，勢(shì)必會(huì)影響鹽堿地剖面土壤水鹽運(yùn)移和分布，進(jìn)而改變鹽分淋洗和返鹽過(guò)程，最終影響暗管埋深、間距等參數(shù)的確定。因此，闡明向日葵和暗管排水協(xié)同消減鹽堿地鹽分的效應(yīng)，明確向日葵種植下最優(yōu)暗管布局方案，有利于促進(jìn)鹽堿地改良工程和農(nóng)藝技術(shù)的深度融合，對(duì)于科學(xué)建設(shè)鹽堿地水利工程有重要的指導(dǎo)作用。本研究以向日葵作為鹽堿地改良的植物材料，設(shè)計(jì)包括不同埋深和間距的暗管布局方案，探索向日葵種植和暗管排水協(xié)同作用下耕層土壤水分和剖面土壤鹽分的響應(yīng)規(guī)律，分析不同處理對(duì)向日葵生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，旨在為鹽堿地生物-工程協(xié)同改良策略的制定提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2022 年6 月1 日-10 月4 日在江蘇省鹽城東臺(tái)市條子泥墾區(qū)進(jìn)行，條子泥墾區(qū)是江蘇省百萬(wàn)畝灘涂綜合開(kāi)發(fā)試驗(yàn)區(qū)的首批啟動(dòng)工程，改良后的土地優(yōu)先發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、平衡后備耕地和保護(hù)生態(tài)環(huán)境。試驗(yàn)地屬于亞熱帶和暖溫帶的交界區(qū)，具有顯著的季風(fēng)氣候和充沛的雨量，四季分明，2010-2020 年平均降雨量1 054.2 mm，日照2 130.5 h，近年來(lái)極端最高溫為38.6 ℃、極端最低溫為-5.8 ℃。試驗(yàn)區(qū)土壤為黃棕壤，0～20 cm土層全鹽含量3.6 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量2.2%，速效氮、磷、鉀含量分別為105.4 mg/kg、7.9 mg/kg和98.4 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用向日葵（HelianthusannuusL.）為植物材料，于6 月1 日播種，具體生育期劃分如表1 所示。根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際栽培習(xí)慣，分別在7月10日、7月28日、8月12日和9月10日進(jìn)行灌溉，灌溉量分別為82.4 mm、78.5 mm、72.6 mm 和48.7 mm，試驗(yàn)期內(nèi)累計(jì)降雨量為77.4 mm，即向日葵所獲得實(shí)際水量為359.6 mm。灌溉水采用市政用水，灌溉裝備為本課題組自主研發(fā)的智能灌溉機(jī)（見(jiàn)圖1）。試驗(yàn)暗管埋深設(shè)計(jì)0.9（D1）和1.2 m（D2）2 個(gè)水平，間距15（S1）和20 m（S2）2個(gè)水平，同時(shí)設(shè)計(jì)有栽培（Y）和無(wú)栽培（N）向日葵2 個(gè)水平，共計(jì)8個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。

圖1 本試驗(yàn)所采用灌溉裝備Fig.1 Irrigation equipment used in this experiment

表1 向日葵生育期劃分Tab.1 Division of sunflower growth period

試驗(yàn)采用小區(qū)種植的方式，每個(gè)重復(fù)占1 個(gè)小區(qū)，共24個(gè)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)鋪設(shè)5 根暗管，暗管長(zhǎng)120 m，比降0.1%。暗管材質(zhì)為PVC 波紋管，外包無(wú)紡布，鋪設(shè)密度為70 g/m2。在每個(gè)小區(qū)正中央設(shè)置5 m×5 m的觀測(cè)區(qū)，用于觀測(cè)向日葵生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程和采集剖面土壤樣品。除暗管布局不同之外，采取的其他田間管理措施如病蟲(chóng)害防治、除草等，各處理均保持嚴(yán)格一致。

1.3 樣品采集與測(cè)定

移栽后第1 d 開(kāi)始，每隔15 d 采用五點(diǎn)取樣法采集耕層土壤樣品用于測(cè)定土壤含水率。測(cè)定方法為烘干法，即用鋁盒裝濕土置入烘箱中，105 ℃烘干至恒重后稱重，計(jì)算土壤質(zhì)量含水率。

在盛花期中期（8月17日）和成熟期中期（9月15日）各采集一次剖面（0～100 cm）土壤，按照0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm 分層取樣，用于測(cè)定土壤全鹽含量。土壤樣品先自然風(fēng)干，后研磨、過(guò)篩、浸提（水土比5:1）、過(guò)濾，最后采用DDSJ-308F（上海雷磁儀器有限公司生產(chǎn)，0.5 級(jí)）測(cè)定電導(dǎo)率，根據(jù)試驗(yàn)區(qū)前期基礎(chǔ)樣品回歸公式換算，具體換算方法如下[11]：

式中：S為全鹽含量，g/kg；EC為電導(dǎo)率值，mS/cm。

土壤脫鹽率分0～20 cm和20～40 cm 2個(gè)土層進(jìn)行分析。

對(duì)于某一土層，脫鹽率為全鹽量初始值與最終值之差，除以土壤含鹽量初始值。

向日葵生長(zhǎng)全生育期測(cè)定其株高、莖粗，成熟期測(cè)定其花盤(pán)質(zhì)量和百粒重，最后換算為每公頃產(chǎn)量用于分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 17.0 軟件，依據(jù)Duncan’s multiple range test測(cè)算數(shù)據(jù)之間的差異顯著性[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 向日癸種植和暗管排水協(xié)同作用下土壤含水率動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

向日癸種植和暗管排水協(xié)同作用下土壤含水率隨移栽后時(shí)間呈波動(dòng)性變化規(guī)律（見(jiàn)圖2），不同處理土壤含水率在20.3%～28.2%范圍內(nèi)波動(dòng)。暗管間距越小、埋深越淺，土壤含水率總體上越低，在有種植和無(wú)種植向日葵處理中均發(fā)現(xiàn)了這一規(guī)律。從向日葵全生育期來(lái)看，種植后土壤平均含水率（4 個(gè)處理均值）為24.9%，未種植處理為24.1%，表明種植向日葵有利于提升耕層土壤含水率，且提升效應(yīng)在生育后期尤為明顯。土壤水分遷移轉(zhuǎn)化途徑包括下滲、蒸發(fā)、作物吸收等[13,14]，向日葵種植后，其寬大的葉片形成對(duì)土壤的遮蔽作用，降低了土壤表面蒸發(fā)，這是向日葵栽培區(qū)土壤含水率更高的原因之一[15]；此外，有研究表明，植物根系存在提水作用，即在植物缺水或生理缺水時(shí)，根系會(huì)將深層土壤中的水分通過(guò)傳導(dǎo)組織傳導(dǎo)至淺層根系[16,17]，并向周圍土壤釋放，在一定程度上限制了耕層土壤含水率的衰減[18]。

圖2 向日癸種植和暗管排水協(xié)同作用下土壤含水率隨移栽后時(shí)間變化Fig.2 Change of soil moisture content with days after transplanting under the synergetic effect of sunflower planting and subsurface drainage

2.2 向日葵種植和暗管排水協(xié)同作用下剖面土壤鹽分分布特征

剖面土壤總體以40-60 cm 土層土壤全鹽含量最高，主根區(qū)土層0～20 cm 和20～40 cm 相對(duì)較低（見(jiàn)圖3）。圖3 中可看出，無(wú)論是否種植向日葵，剖面鹽分均以D2S2 處于最高水平，D2S1 相對(duì)較低。盛花期，向日葵處理土體平均含鹽量為2.82～3.10 g/kg，無(wú)向日葵處理土體平均含鹽量為3.34～3.75 g/kg；成熟期，向日葵處理土體平均含鹽量為2.27～2.74 g/kg，無(wú)向日葵處理土體平均含鹽量為2.81～3.09 g/kg，表明在暗管排水的基礎(chǔ)上種植向日葵對(duì)鹽堿地0～100 cm 土體鹽分有明顯的消減作用。

圖3 向日癸種植和暗管排水協(xié)同作用下剖面土壤鹽分分布特征Fig.3 Distribution characteristics of soil salt in the profile under the synergetic effect of sunflower planting and subsurface drainage

研究表明，當(dāng)0～20 cm 土層土壤含鹽量大于0.4%時(shí)，向日葵生長(zhǎng)將受到輕度抑制[1]。本研究土壤初始含鹽量0.36%，有利于其正常生長(zhǎng)并充分發(fā)揮吸鹽能力。陳陽(yáng)[19]等設(shè)計(jì)不同暗管間距（10、14 和20 m）對(duì)濱海土壤開(kāi)展淋洗試驗(yàn)，結(jié)果表明，間距越小，排鹽效果越好；周明耀[20]在沿海墾區(qū)的暗管降鹽試驗(yàn)（間距15、20 m）得到了相似的結(jié)論，即間距15 m 脫鹽效率最高。本研究與上述結(jié)論和前人主要研究結(jié)論[8,21]一致。但值得注意的是，關(guān)于暗管埋深對(duì)于土體脫鹽效果的影響，前人研究有不同結(jié)論，如周明耀[20]脫鹽試驗(yàn)（埋深0.9、1.1 m）結(jié)果表明埋深1.1 m 脫鹽量更大，而王洪義[22]在大慶地區(qū)的暗管排水試驗(yàn)（埋深0.8、1.0 和1.2 m）研究表明埋深0.8 m脫鹽效果最好，這與濱海鹽堿地形成過(guò)程導(dǎo)致的剖面土壤性質(zhì)差異，尤其是土壤顆粒組成、容重、導(dǎo)水率[23]差異有關(guān)，本研究試驗(yàn)結(jié)果表明較淺的埋深（0.9 m）下0～100 cm 土層脫鹽效率更高。

2.3 不同暗管布局方式對(duì)向日葵生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

各處理向日葵株高和莖粗變化規(guī)律較為一致，株高呈快速增長(zhǎng)（15～90 d）和維持穩(wěn)定（90～120 d）2 個(gè)階段[見(jiàn)圖4（a）]，莖粗呈緩慢增長(zhǎng)（15～45 d）、快速增長(zhǎng)（45～90 d）和維持穩(wěn)定（90～120 d）3 個(gè)階段[見(jiàn)圖4（b）]。株高和莖粗總體表現(xiàn)為D1S1Y 最高，移栽后120 d 分別達(dá)到183 cm 和38.1 mm；D2S2Y 最低，為162 cm 和32.7 mm；D1S2Y 和D2S1Y 表現(xiàn)為D1S2Y 略高于D2S1Y，但差異并不明顯。不同暗管布置方式對(duì)向日葵產(chǎn)量有不同程度的影響（見(jiàn)圖5），D1S1Y 向日葵產(chǎn)量最高，達(dá)到2.73 t/hm2，但與D1S2Y 和D2S1Y 差異并不顯著（p＞0.05）；D2S2Y處理向日葵產(chǎn)量顯著（p＜0.05）低于其他處理，僅為2.37 t/hm2。

圖4 不同暗管布局方式下向日葵株高和莖粗隨移栽后時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of plant height and stem diameter of sunflower with days after transplanting under different subsurface drainage arrangements

圖5 不同暗管布局方式對(duì)向日葵產(chǎn)量的影響Fig.5 Effect of different subsurface drainage arrangements on sunflower yield

已有研究表明，鹽堿地鹽分以高滲透壓阻礙植物對(duì)土壤水分的獲取，影響植物水分平衡[24,25]，最終導(dǎo)致減產(chǎn)；并且，由于土壤鹽離子含量過(guò)高，植物體內(nèi)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)失衡，對(duì)植物有毒性的離子在植物體內(nèi)快速累積，導(dǎo)致產(chǎn)量形成受阻[26]。本研究中暗管布局影響剖面土壤鹽分分布，進(jìn)而對(duì)向日葵產(chǎn)量有間接影響，D1S1Y處理0～20 cm和20～40 cm土壤鹽分在盛花期[見(jiàn)圖3（a）]和成熟期[見(jiàn)圖3（c）]均處于最低水平，而產(chǎn)量處于最高水平（見(jiàn)圖5），表明向日葵產(chǎn)量與土壤鹽分呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這一結(jié)論與前人研究一致[9,27]。耕層土壤高鹽處理D2S2Y 向日葵產(chǎn)量顯著低于其他處理，進(jìn)一步支持了上述結(jié)論，同時(shí)也說(shuō)明即便在耐受范圍（＜0.4%）內(nèi)，向日葵產(chǎn)量仍然與土壤鹽分呈明顯負(fù)相關(guān)。

2.4 主根區(qū)土層鹽分消減效應(yīng)

圖6為不同暗管排水處理對(duì)0～20 cm 土層和20～40 cm 土層鹽分消減效果。圖6中可看出，種植向日葵處理對(duì)主根區(qū)（0～40 cm）土層消減效果明顯優(yōu)于無(wú)向日葵處理，有向日葵處理0～20 cm 鹽分消減率為19.7%～50.3%，20～40 cm 鹽分消減率為29.3%～43.4%；而未種植向日葵處理0～20 cm 鹽分消減率為16.1%～35.0%，20～40 cm 鹽分消減率為17.0%～26.1%。其中，D1S1Y 對(duì)主根區(qū)鹽分的去除效果最優(yōu)，鹽分消減率0～40 cm 達(dá)到46.9%，即推薦以D1S1Y 作為本研究中鹽堿地適宜的生物-工程協(xié)同改良方案。值得注意的是，本研究設(shè)置了不同暗管埋深、間距和向日葵種植處理，但灌溉和排水強(qiáng)度未設(shè)計(jì)差異處理，已有研究表明，灌溉流量[28]和排水強(qiáng)度[29]對(duì)降鹽效果均有顯著影響，且不同土壤達(dá)到相同降鹽效果灌溉流量可相差高達(dá)42.9%[28]。因此，進(jìn)一步研究應(yīng)圍繞適宜植物生長(zhǎng)的灌溉量和適宜土壤降鹽的淋洗量之間的平衡來(lái)開(kāi)展。同時(shí)，后續(xù)研究將增加暗管埋深和間距的差異水平數(shù)，更有利于機(jī)理挖掘和方案選擇。

圖6 不同暗管排水處理對(duì)0～20 cm土層和20～40 cm土層鹽分消減效果Fig.6 Salt reduction effect of subsurface drainage arrangements on 0-20 cm soil layer and 20-40 cm soil layer

3 結(jié) 論

（1）暗管間距越小、埋深越淺，土壤含水率總體上越低，種植向日葵有利于提升生育期尤其是生育后期耕層土壤含水率。

（2）暗管排水基礎(chǔ)上種植向日葵對(duì)鹽堿地0～100 cm 土體鹽分有明顯的消減作用，成熟期向日葵處理土體平均含鹽量為2.27～2.74 g/kg，無(wú)向日葵處理土體平均含鹽量為2.81～3.09 g/kg。

（3）不同暗管布置方式對(duì)向日葵產(chǎn)量有不同程度的影響，其中D1S1Y 處理向日葵產(chǎn)量最高，達(dá)到2.73 t/hm2，顯著（p＜0.05）高于D2S2Y處理。

（4）不同處理以D1S1Y 對(duì)主根區(qū)鹽分的去除效果最優(yōu)，0～20 cm 和20～40 cm 鹽分消減效率分別達(dá)到50.3%和43.4%，即推薦以種植向日葵協(xié)同埋深0.9 m、間距15 m 的暗管布局作為適宜鹽堿土改良方案。