咸淡水交替隔溝灌溉對土壤鹽分及夏玉米產(chǎn)量的影響

解學(xué)敏， 郭維華,2， 潘小保， 毛程陽， 桑紅輝， 繳錫云,2

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京210098；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210098； 3.江蘇省淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司南京分公司， 南京211100)

1 研究背景

農(nóng)業(yè)用水量大與淡水資源匱乏的矛盾日益突出，開發(fā)并高效使用新的灌溉水資源是農(nóng)業(yè)發(fā)展的熱點問題。我國華北平原地區(qū)，微咸水(礦化度2～5 g/L)儲量豐富、分布廣，使用微咸水進行灌溉能夠有效地解決灌區(qū)水資源緊缺的現(xiàn)狀。由于微咸水灌溉不僅能夠增加土壤水分，也會使作物受到一定的鹽分脅迫[1]，導(dǎo)致土壤鹽分累積，故研究合理的微咸水灌溉模式對提高作物產(chǎn)量具有一定的指導(dǎo)性。

目前微咸水灌溉的研究主要包括灌溉方式[2-3]、土壤環(huán)境效應(yīng)[4-5]及作物影響[6-8]這幾個方面。大量的研究結(jié)果表明，作物生育前期受鹽分影響較大，隨生育期推后耐鹽度逐漸增加，采用先淡后咸灌水方式較先咸后淡更有利于作物出苗，保證產(chǎn)量，冬小麥、夏玉米和棉花在先淡后咸下的產(chǎn)量都要明顯高于先咸后淡[9]；采用“咸淡咸”交替灌溉的順序較“咸咸淡”土壤中鹽分積累較少；冬小麥灌漿期采用適量微咸水灌溉時較不灌溉情況作物產(chǎn)量增加11.2%～11.4%[7]，說明作物特定生育期使用微咸水灌溉其效益優(yōu)于干旱情況；微咸水礦化度與作物產(chǎn)量也存在一定的關(guān)系，采用礦化度為3 g/L以下的微咸水進行灌溉對冬小麥和玉米產(chǎn)量的影響較低[10]。選擇耐鹽作物進行微咸水灌溉能減少因鹽分對作物生長指標(biāo)、光合特性及產(chǎn)量的影響，降低經(jīng)濟損耗。夏玉米耐鹽度高且廣泛種植，因此研究適合夏玉米生長的微咸水灌溉方式具有重大的現(xiàn)實意義。

目前微咸水灌溉模式的研究，主要集中于滴灌[11]及室內(nèi)試驗，研究咸淡水輪灌的時間順序，針對溝灌的情況研究時空交替情景下咸淡水灌溉模式則較少。本文基于一年生夏玉米咸淡水溝灌試驗數(shù)據(jù)，分析不同咸淡水溝灌模式下土壤鹽分含量動態(tài)變化和對夏玉米產(chǎn)量的影響情況，以期為探索華北平原灌區(qū)合理的微咸水溝灌模式提供參考。

2 材料與方法

2.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017年在河北省中國科學(xué)院南皮生態(tài)試驗站(38°00′N，116°40′E，海拔11 m)進行。試驗區(qū)位于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫12.3℃，年均降水量480 mm，全年總降水量的73%集中于夏季，夏季以外多為旱季。試驗區(qū)為典型環(huán)渤海缺水鹽漬化類型區(qū)，地下水埋深為5～7 m，土壤多為脫鹽潮土，耕地土壤為輕質(zhì)壤土。試驗區(qū)土壤平均干密度為1.49 g/cm3。研究區(qū)土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 研究區(qū)土壤理化性質(zhì)

2.2 研究方法

2.2.1 試驗設(shè)計 試驗作物為夏玉米，供試品種為鄭單958號，播種時間為2017年6月23日，采用測坑種植，測坑規(guī)格3 m×2.2 m，每個測坑四周用混凝土固化防滲，無下底面，底層直接跟土壤相通。種植規(guī)格為行距60 cm，株距30 cm，2017年6月30日出苗后開溝，溝斷面為梯形，溝頂寬40 cm，溝底及溝深均為20 cm，溝底坡降2‰左右，壟寬為20 cm，測坑示意圖見圖1。

圖1 測坑平面示意圖

底肥采用玉米專用復(fù)合肥600 kg/hm2，拔節(jié)期灌水時追加尿素240 kg/hm2。試驗采取常規(guī)溝灌(CI，即每條灌水溝都灌水)，并用當(dāng)?shù)匚⑾趟?鹽分為4 g/L)及淡水交替灌溉，灌水定額采用當(dāng)?shù)毓嗨?，整個生育期一共灌4次水，每次灌水均灌溉50 mm，灌水量用水表進行控制。播前和苗期均灌

淡水利于出苗和幼苗生長，根據(jù)拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期灌溉咸淡水不同設(shè)置3個處理，并設(shè)置1個全生育期均灌淡水的測坑作對照組CK，共計4個測坑，均設(shè)置遮雨棚，具體灌水處理見表2，試驗區(qū)玉米生育期見表3。

表2 灌水處理

表3 試驗小區(qū)夏玉米生育期

2.2.2 測定指標(biāo) 設(shè)置玉米苗期灌水后的鹽分為初始鹽分狀態(tài)，在每次灌水及玉米收獲后(拔節(jié)水、抽穗水、灌漿水)前后2 d采用土鉆取土采樣，每個測坑的3條壟上各取3個觀測點，測定深度為10、30、50和70 cm，分4層取土，經(jīng)風(fēng)干、充分研磨后過1 mm篩，采用土水比1∶5的方法配制和提取土壤浸提液，用DS307A型電導(dǎo)率儀測定土壤浸提液電導(dǎo)率并換算成土壤含鹽量[5]，取其平均值作為每個測坑不同深度土壤含鹽量值。用AAS Zeenit700原子吸收光譜儀測定土壤浸提液中Na+、Mg2+、K+、Ca2+的含量。根據(jù)試驗規(guī)范的要求考種、測產(chǎn)、計產(chǎn)，在玉米的收獲期測定玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素。每穗粒數(shù):隨機取幾個果穗脫粒，數(shù)其粒數(shù)，重復(fù)3次，取其平均值。百粒重：脫粒后隨機取百粒稱重，重復(fù)3次，取其平均值，均以g表示。

采用Excel，SPSS等軟件分析試驗數(shù)據(jù)，對不同灌水處理下的土壤電導(dǎo)率和離子含量、玉米產(chǎn)量等數(shù)據(jù)進行分析處理，并利用OriginPro 9.0繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤鹽分的動態(tài)變化

3.1.1 土壤剖面含鹽量分布 在整個玉米生育期內(nèi)，灌水和蒸發(fā)導(dǎo)致土壤鹽分存在一定的變化規(guī)律，圖2反映夏玉米全生育期內(nèi)各處理在0～70 cm深度土層的土壤含鹽量變化情況。由圖2可知灌溉淡水后，10 cm和30 cm土壤含鹽量明顯減小，50 cm和70 cm土壤含鹽量隨土壤深度增加減小幅度變小，超過50 cm且近70 cm深土壤含鹽量則呈上升趨勢，到下次灌水前，隨著土壤水分蒸發(fā)，下層土壤鹽分向上運移，導(dǎo)致10 cm和30 cm土壤含鹽量增加，50 cm土壤含鹽量減小；而灌溉微咸水后，各土層土壤含鹽量均明顯增大，其中10 cm和30 cm處的土壤含鹽量增幅較50 cm和70 cm土壤含鹽量大，表明灌后灌溉微咸水中鹽分大部分留在表層土壤中，到下一次灌水前，10 cm和30 cm處土壤含鹽量迅速下降，50 cm處土壤含鹽量增大，這主要是因為土壤垂直剖面上溶質(zhì)運移，土壤中鹽分由高濃度處向低濃度處擴散導(dǎo)致。淡咸淡咸交替溝灌的處理1，兩次灌溉微咸水后，10 cm和30 cm土層土壤含鹽量明顯增大，灌淡水后土壤含鹽量明顯減小，50 cm和70 cm土壤含鹽量變化幅度較小，整體剖面含鹽量呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢；咸淡水固定隔溝灌溉的處理2和咸淡水交替隔溝灌溉的處理3，各土層土壤含鹽量變化規(guī)律相似，10 cm和30 cm土壤含鹽量均在咸水灌溉后上升，到下一次灌水前又下降，50 cm和70 cm土壤含鹽量變化幅度較小，基本上呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢；全生育期灌淡水的CK對照處理，其10 cm和30 cm處土壤含鹽量在每次灌淡水后逐漸減小，50 cm和70 cm土壤含鹽量逐漸增大，土壤鹽分被不斷淋洗到下層，灌水間隔期受蒸發(fā)影響，10 cm和30 cm土壤含鹽量又增大，50 cm土壤含鹽量減小，70 cm土壤含鹽量相對變化不明顯，最終各層土壤含鹽量比較接近。

圖2 夏玉米不同灌水處理各土層土壤含鹽量動態(tài)變化過程圖

3.1.2 咸淡水交替隔溝灌溉對土壤鹽分的影響

將經(jīng)過3種灌溉處理在收獲時各個土層相對于初始含鹽量的變化情況進行對比，處理1各土層相對于初始含鹽量，分別增加1.19、1.25、0.75、0.55 g/kg，處理2各個土層相對于初始含鹽量，分別增加1.40、1.30、0.71、0.53 g/kg，處理3各個土層相對于初始含鹽量分別增加1.08、0.88、0.64、0.54 g/kg，說明咸淡水交替隔溝灌相比于淡咸淡咸和咸淡水固定隔溝灌，有效減少了各土層的鹽分積累；處理1和處理2各層土壤鹽分變化值相近；全生育期灌淡水的對照組各層鹽分累積值最小，各個土層相對初始含鹽量增加量分別為-1.4、-0.73、0.44、0.22 g/kg，表層鹽分含量有所減低，50 cm和70 cm土層鹽分含量有少量增加，這是由于灌溉淡水淋洗量較小，表層鹽分向土壤深層積累的原因。各土層土壤鹽分累積程度大小關(guān)系為:灌淡水的CK處理<咸淡水交替隔溝灌的處理3<咸淡水固定隔溝灌的處理2、淡咸淡咸的處理1。

溝灌是寬行距作物常用的灌溉方式[12]，溝灌過程中，水分和鹽分均為二維入滲。灌溉水在垂直溝方向發(fā)生水平入滲在溝間形成交匯點，交匯點處的鹽分有向淡水溝偏移的趨勢。咸淡溝同時灌溉時，在兩溝交接的壟上取間隔為10cm的3個點測鹽分含量。其中，鹽分含量壟中部點最大，其次是靠近咸水溝的壟側(cè)點，靠近淡水溝的壟側(cè)點最小，說明咸淡水固定隔溝灌溉時，鹽分在水平方向發(fā)生擴散，使得整個測坑鹽分分布較為均勻。咸淡水交替灌溉，可能導(dǎo)致作物特定生育期鹽分積累過多，影響其生長發(fā)育，而一次淡水灌溉時淡水需求量大；全生育期固定隔溝灌溉鹽分壟上較為均勻，溝內(nèi)分布較為不均，咸水溝內(nèi)鹽分積累較多，淡水溝內(nèi)鹽分最少；交替隔溝灌溉方式，鹽分在時空上分布均衡，生育期淡水需求量少且較為穩(wěn)定，土壤鹽分累積量最少，是相對適宜的灌溉方式。

3.1.3 咸淡水交替隔溝灌溉對土壤陽離子含量的影響 在鹽漬環(huán)境中，Na+，Mg2+，Ca2+，K+是主要的有害陽離子，這類離子過量對作物將產(chǎn)生一定影響，尤其是Na+含量的增多會導(dǎo)致土壤黏粒和團聚體分散，使土壤對水和空氣的滲透性降低，并引起營養(yǎng)失調(diào)[13]。受灌水水質(zhì)影響，收獲時各離子含量變化幅度由大到小依次為Na+>Mg2+和Ca2+>K+。除對照組外，其余不同灌水處理各土層4種離子的變化規(guī)律基本一致。圖3為收獲時不同灌水處理各深度土層土壤中離子含量的變化。由圖3可知，累積程度大小關(guān)系為：灌淡水的CK處理<咸咸淡的處理4<咸淡水交替隔溝灌的處理3<咸淡水固定隔溝灌的處理2<咸淡咸的處理1，這與鹽分的分布規(guī)律相一致。

圖3 夏玉米不同灌水處理各深度土層土壤總離子變化量

3.2 咸淡水交替隔溝灌溉對夏玉米產(chǎn)量的影響

不同灌溉處理的產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成見表4，穗粒數(shù)、百粒重是衡量作物產(chǎn)量的重要指標(biāo)[14]。將產(chǎn)量及其構(gòu)成要素進行分析得到，生育期灌溉微咸水對玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響顯著(P<0.05)。

表4 不同灌溉處理對夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成的影響

注:表中同一列數(shù)值后不同字母表明不同咸淡水交替灌溉方式處理下差異顯著P<0.05。

由表4可看出，穗粒數(shù)、百粒重和產(chǎn)量的對應(yīng)關(guān)系基本一致。各處理產(chǎn)量的大小關(guān)系為：對照CK>處理3>處理2和處理1，說明咸水的用量對產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成有顯著的影響。對比全生育期灌淡水的處理1，其中灌2次微咸水的處理1減產(chǎn)率為24.8%；而處理2的咸淡水固定隔溝灌和處理3的咸淡水交替隔溝灌減產(chǎn)率均小于處理1，減產(chǎn)率分別為22.1%和11.3%，由此可知，處理3的減產(chǎn)率最小。

不同灌水處理引起作物產(chǎn)量的差異，主要是因為作物不同生育期對水分的敏感性不同，一般作物對水分敏感的生育階段由大到小依次為：抽穗期、拔節(jié)期、灌漿期[15]。因此作物抽穗期的灌溉水質(zhì)量對作物生長影響最顯著，灌溉咸水容易造成作物生長脅迫甚至減產(chǎn)，而咸淡水交替隔溝灌在減少一半淡水使用的情況下，產(chǎn)量也得到了保證。

4 討 論

作物產(chǎn)量和土壤鹽分積累量是評價微咸水灌溉質(zhì)量的重要指標(biāo)，而土壤中鹽分積累又會影響到作物產(chǎn)量，因而利用微咸水灌溉時，應(yīng)充分考慮其可能引發(fā)的土壤次生鹽堿化以及對作物生長的影響，并盡量采取措施使影響降到最小。魏磊[16]的研究表明：不同生育期灌溉微咸水對于玉米各項生長指標(biāo)的抑制，程度表現(xiàn)為拔節(jié)期>苗期>抽穗期>灌漿期。處理1采用咸淡水交替溝灌，整個生育期土壤鹽分呈現(xiàn)兩邊高中間低的分布，拔節(jié)期玉米根系土壤鹽分含量明顯高于其他時期，玉米受鹽分脅迫最為嚴(yán)重，減產(chǎn)率達24.8%。

陳素英等[17]以冬小麥和夏玉米為研究對象，研究了河北低平原區(qū)微咸水灌溉對產(chǎn)量及土壤鹽分周年平衡的影響。結(jié)果表明，冬小麥在用微咸水灌溉后，鹽分在土壤表層的積累明顯，超過了下茬夏玉米的耐鹽閾值。玉米播種后用675～750 m3/hm2的淡水淋洗，能將0～20 cm的土壤鹽分淋洗至夏玉米耐鹽閾值之下，不影響夏玉米苗期生長。夏玉米生育期又逢雨季，當(dāng)夏季降雨量小于300 mm時，土壤有積鹽，但當(dāng)降雨量超過300 mm，由于降雨的洗鹽作用，可達到周年不積鹽，為實施微咸水安全灌溉和糧食增產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。馬文軍等[18]根據(jù)曲周試驗站1997-2005年長序列的冬小麥和夏玉米微咸水灌溉資料得出，在正常降雨年份，使用微咸水進行灌溉是可行的，不會導(dǎo)致土壤的次生鹽漬化，且微咸水灌溉雖然導(dǎo)致冬小麥和夏玉米產(chǎn)量降低10%～15%，但節(jié)約淡水資源60%～75%。由于夏玉米生育期主要為雨季，降雨和灌溉水同時對土壤中鹽分起淋洗作用，實際應(yīng)用中還可根據(jù)當(dāng)年降雨情況選擇適宜的咸淡水灌溉方式。2017年南皮縣全年降雨總量523 mm，為平水偏干旱年，且9月份降雨量僅為19 mm，較往年偏低。根據(jù)實驗結(jié)果，咸淡水交替隔溝灌收獲時各土層含鹽量相對初始狀態(tài)分別增加1.08、0.88、0.64、0.54 g/kg，屬合理范圍。實際應(yīng)用中，可根據(jù)降雨情況調(diào)整灌溉方式，使得微咸水灌溉質(zhì)量最高。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)微咸水灌溉實驗所得結(jié)果，分析了不同灌溉處理對土壤水鹽分布和玉米生長的影響，具體結(jié)論如下：

(1)在整個生育期，交替溝灌土壤含鹽量為兩邊高中間低，抽穗期土壤鹽分最??；隔溝灌溉和交替隔溝灌概土壤含鹽量均為逐漸上升的趨勢。

(2)夏玉米收獲后，各處理土層土壤鹽分和離子累積程度大小關(guān)系為：灌淡水的CK處理<咸淡水交替隔溝灌的處理3<咸淡水固定隔溝灌的處理2、淡咸淡咸的處理1。咸淡水交替隔溝灌溉的模式下，鹽分在空間上分布較為均衡，各層土壤含鹽量變化區(qū)間較處理2咸淡水交替固定溝灌小。

(3)較全生育期淡水處理，咸淡水交替灌溉減產(chǎn)率為24.8%，咸淡水固定隔溝灌溉減產(chǎn)率為22.1%，咸淡水交替隔溝灌溉減產(chǎn)率為11.3%。各灌水處理的夏玉米產(chǎn)量的大小關(guān)系為：對照CK>處理3>處理2>處理1。

微咸水灌溉對于土壤及作物的影響具有長期累積效應(yīng)，本文只針對夏玉米一個生育期試驗數(shù)據(jù)資料進行分析，針對常年使用微咸水進行灌溉的情況，還需要對各方案進行長期的鹽分動態(tài)監(jiān)測研究，保證土壤的可持續(xù)使用。