咸水灌溉對(duì)土壤水鹽分布及制種玉米產(chǎn)量的影響

袁成福，馮紹元，霍再林(.江西水利職業(yè)學(xué)院，南昌 00；2.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)農(nóng)業(yè)水問(wèn)題研究中心，北京 0008)

0 引 言

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東端，是河西走廊三大內(nèi)陸河流域之一。該流域是河西內(nèi)陸河流域中人口最多、水資源開(kāi)發(fā)利用程度最高、用水矛盾最突出、生態(tài)環(huán)境問(wèn)題最嚴(yán)重、水資源對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展制約性最強(qiáng)的地區(qū)[1-3]。該流域?qū)俚湫偷膬?nèi)陸干旱性氣候，具有干旱少雨、日照強(qiáng)烈、蒸發(fā)量大等特點(diǎn)。對(duì)于地表水資源極其短缺的西北干旱區(qū)來(lái)說(shuō)，地下水是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及維持生態(tài)環(huán)境的重要水源，農(nóng)業(yè)發(fā)展也高度依賴于利用地下水進(jìn)行灌溉。由于當(dāng)?shù)厮Y源過(guò)度開(kāi)發(fā)利用，當(dāng)?shù)氐叵滤V化度呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)[4-6]。石羊河流域地下水礦化度上游地區(qū)一般為0.5～1.0 g/L；中游地區(qū)為1.0～3.0 g/L；下游民勤地區(qū)為3.0～9.0 g/L，局部地區(qū)高達(dá)10 g/L以上[7,8]。為了彌補(bǔ)淡水資源的不足，進(jìn)而保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)步發(fā)展，咸水灌溉或微咸水技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中[9-13]。大量研究表明，利用咸水或微咸水灌溉可使農(nóng)作物產(chǎn)量接近或達(dá)到利用淡水灌溉時(shí)的產(chǎn)量[14-16]。但是，長(zhǎng)時(shí)期利用咸水進(jìn)行農(nóng)田灌溉，會(huì)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)田土壤環(huán)境帶來(lái)不利影響，如降低農(nóng)作物產(chǎn)量，引起土壤次生鹽堿化等[17]。研究表明，咸水灌溉條件下鹽分在土壤中累積過(guò)程及特征與灌溉水量、灌溉水礦化度、灌水制度及土壤性質(zhì)有關(guān)[18-21]。咸水灌溉的原則在于控制土壤中的鹽分累積不超過(guò)作物的耐鹽度[22]。制種玉米是河西走廊主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，為了進(jìn)一步尋求其合理的咸水灌溉利用方式，本文通過(guò)在石羊河流域開(kāi)展為期兩年的制種玉米咸水灌溉田間試驗(yàn)，研究咸水灌溉條件下土壤水鹽分布規(guī)律及對(duì)制種玉米產(chǎn)量的影響，以期為石羊河流域乃至西北干旱區(qū)合理利用咸水資源提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

咸水灌溉田間于2012年和2013年4-10月在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河試驗(yàn)站進(jìn)行。該試驗(yàn)站地處甘肅省武威市涼州區(qū)(102°52′E，37°52′N(xiāo))，海拔1 581 m，為典型的干旱荒漠區(qū)。該研究區(qū)多年平均降雨量164.4 mm，多年平均蒸發(fā)量達(dá)2 000 mm左右，地下水位埋深達(dá)40 m左右[23]。試驗(yàn)在非稱重式蒸滲儀中進(jìn)行，分8個(gè)測(cè)坑小區(qū)，每個(gè)測(cè)坑長(zhǎng)3.33 m、寬2 m、深3 m，為有底測(cè)坑，小區(qū)間通過(guò)水泥混凝土隔開(kāi)。測(cè)坑內(nèi)土壤平均容重為1.48 g/cm3，田間持水率為0.30 cm3/cm3(體積含水率，下同)，飽和含水率為0.37 cm3/cm3。土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 測(cè)試土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic physical and chemical properties of tested soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以鹽分為研究對(duì)象，共設(shè)置4種鹽分水平，分別為s0(礦化度0.71 g/L，淡水)、s3(礦化度3 g/L)、s6(礦化度6 g/L)、s9(礦化度9 g/L)，分別代表石羊河流域上游、中部、下游及民勤湖區(qū)典型地區(qū)的地下水礦化度。共設(shè)置4個(gè)處理，由于受試驗(yàn)地條件所限，每個(gè)處理2個(gè)重復(fù)，共8個(gè)小區(qū)，試驗(yàn)采用裂區(qū)排列方式布置。根據(jù)制種玉米不同生育階段，結(jié)合當(dāng)?shù)毓喔冉?jīng)驗(yàn)，設(shè)置灌溉制度如表2、表3所示，2013年各處理灌溉定額減少，是根據(jù)2012年制種玉米生育期內(nèi)實(shí)際的灌水情況，對(duì)灌水定額作了相應(yīng)的調(diào)整。2012年5次灌水日期分別為6月6日、6月30日、7月21日、8月13日和8月31日；2013年5次灌水時(shí)間分別為6月5日、6月30日、7月20日、8月10日、8月29日，分別處于制種玉米拔節(jié)期、孕穗期、抽雄期、灌漿期及成熟期。

試驗(yàn)所使用的淡水源于當(dāng)?shù)氐叵滤?，通過(guò)水泵直接抽取。地下水主要包括K+、Na+、Mg2+、Ca2+、HCO-3、Cl-、SO2-4。前2種離子質(zhì)量濃度之和為129.76 mg/L，后5種離子質(zhì)量濃度依次為31.9、45.71、41.19、150.19、296.22 mg/L。本試驗(yàn)灌溉用水根據(jù)當(dāng)?shù)氐叵滤瘜W(xué)組成配置灌溉咸水，配置的咸水是采用質(zhì)量比為2∶2∶1的NaCl、MgSO4和CaSO4溶液組成，各處理最終灌水化學(xué)組成陽(yáng)離子主要有Na+、K+、Ca2+和Mg2+，陰離子主要由SO2-4、Cl-、HCO-3組成，各處理灌溉用水pH值呈中性，灌溉水量利用水表控制。

2012年供試作物為當(dāng)?shù)刂品N玉米(金西北22號(hào))，于2012年4月24日播種，2012年9月23日收獲，全生育期150 d；2013年供試作物為當(dāng)?shù)刂品N玉米(富農(nóng)340號(hào))，于2013年4月20日播種，9月13日收獲，全生育期146 d。制種玉米按父本和母本1∶7的方式種植，種植密度為每小區(qū)56株，各種農(nóng)藝措施參照當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)進(jìn)行，記錄試驗(yàn)過(guò)程中灌水時(shí)間、歷時(shí)、除草以及施肥情況。

表2 2012年各處理灌溉制度Tab.2 Scheme of irrigation under different treatments in 2012

注：s0、s3、s6、s9分別代表灌溉水礦化度為0.71、3、6、9 g/L。下同。

表3 2013年各處理灌溉制度Tab.3 Scheme of irrigation under different treatments in 2013

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

2012-2013年試驗(yàn)期間分別在制種玉米播種前、收獲后以及每次灌水前后通過(guò)土鉆田間分層獲取土樣，每個(gè)處理均分為6層，分別為0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm，每次取樣完后回填鉆孔并做標(biāo)記，土壤含水率采用烘干法(土樣在105 ℃烘箱內(nèi)烘8 h)測(cè)定。土鉆取土留部分土樣，將土樣風(fēng)干，進(jìn)行研磨和過(guò)1 mm篩后，采用1∶5的土水比配制成土壤飽和浸提液，利用SG-3型電導(dǎo)率儀(SG3-ELK742，Mettler-Toledo International Inc.，Switzerland)測(cè)定其電導(dǎo)率EC1∶5，并用公式(S=0.027 5EC1∶5+0.136 6)將EC1∶5轉(zhuǎn)化為土壤含鹽量[24]。

收獲后進(jìn)行考種，每個(gè)處理隨機(jī)取6個(gè)穗測(cè)定穗長(zhǎng)、穗粗；對(duì)作物莖稈和果實(shí)取樣稱重，將地上部分(包括莖、葉、果穗)在105 ℃下殺青2 h，然后在80 ℃下烘48 h得到干物重，每個(gè)處理6個(gè)重復(fù)；從收獲的玉米種子中每個(gè)處理隨機(jī)取6個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)100粒，各自稱重，取其平均數(shù)計(jì)算百粒重；收集各小區(qū)所有籽粒稱重作為小區(qū)產(chǎn)量，然后再折算為kg/hm2。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用Microsoft Excel2003軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和制圖，應(yīng)用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，處理間差異顯著性用單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分分布規(guī)律

農(nóng)田土壤水分分布主要受到灌溉、降雨、作物根系吸水以及土壤性質(zhì)等多種因素的影響。由于各處理均為充分灌溉，該地區(qū)降雨量較小，因此土壤水分主要受到作物根系吸水和土壤性質(zhì)的影響。本文將土層分為3部分：0～20 cm為表層土壤，20～60 cm為根系吸水層土壤，60～100 cm深層土壤。箭頭代表5次灌水的時(shí)間。圖1為兩年咸水灌溉試驗(yàn)不同鹽分處理土壤水分分布規(guī)律。

注：箭頭代表灌溉。下同。圖1 2012年和2013年不同處理土壤水分分布Fig.1 Water distribution under different treatments in 2012 and 2013

從圖1中可以看出，相同灌水礦化度處理土壤水分分布具有明顯的分層現(xiàn)象，表層含水率較低，深層含水率較高，根系吸水層土壤含水率變化較明顯，兩年試驗(yàn)各處理土壤水分分布規(guī)律基本一致。不同灌水礦化度處理土壤水分分布差異顯著，以9、3 g/L處理為例，兩年咸水灌溉試驗(yàn)均表現(xiàn)出9 g/L處理的表層土壤含水率比3 g/L處理的土壤含水率高，而9 g/L處理的根系吸水層和深層土壤含水率比3 g/L處理的土壤含水率要低，這主要是因?yàn)楦吖嗨V化度處理鹽分脅迫嚴(yán)重，阻礙作物根系吸水，導(dǎo)致較多的水分殘留在土壤中，在土壤蒸發(fā)作用下，深層土壤水分向上運(yùn)移，致使表層土壤含水率較高，同時(shí)高灌水礦化度處理會(huì)使土壤鹽分尤其鈉離子增加，土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變，從而影響土壤水分分布規(guī)律。兩年咸水灌溉試驗(yàn)中9 g/L處理與6 g/L處理之間土壤水分分布也具有類似的規(guī)律。因此，不同灌水礦化度條件下，高灌水礦化度處理會(huì)影響土壤水分分布規(guī)律，使土壤水分自下往上運(yùn)移，且這種規(guī)律會(huì)隨著咸水灌溉使用時(shí)間的增長(zhǎng)而越明顯。

2.2 土壤鹽分分布規(guī)律

咸水灌溉土壤鹽分分布主要受到灌溉、降雨、灌水礦化度、土壤性質(zhì)以及作物根系吸水等因素的影響。由于各處理均為充分灌溉，該地區(qū)降雨量較小，因此土壤鹽分分布主要受到灌水礦化度、土壤性質(zhì)及作物根系吸水因素的影響。圖2為不同鹽分處理相同土層土壤鹽分分布規(guī)律。 由圖2可以看出，兩年咸水灌溉試驗(yàn)9、6和3 g/L處理土壤鹽分在全生育期內(nèi)變化顯著，在不同土層中的鹽分均高于淡水灌溉處理，且隨著灌水礦化度的增加而增大。在表層土壤和根系吸水層中土壤鹽分基本表現(xiàn)出s9>s6>s3>s0的變化趨勢(shì)，深層土壤中6 g/L處理兩年試驗(yàn)表現(xiàn)出鹽分含量最高，這是由于試驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了4 a咸水試驗(yàn)，6 g/L處理2012年試驗(yàn)前初始含鹽量為1.37 g/L，比9 g/L處理的初始含鹽量1.05和3 g/L處理的初始含鹽量1.08 g/L大，在灌溉和降雨作用下鹽分主要累積在深層土壤。表4為2012年播種前至2013年收獲后土壤鹽分累積動(dòng)態(tài)變化值。2012年播種前9、6和3 g/L處理各土層鹽分含量較高，是因?yàn)楸驹囼?yàn)已經(jīng)進(jìn)行過(guò)4年的咸水灌溉試驗(yàn)，各咸水灌溉處理土壤中積累了一定量的鹽分。2012年播種前至2013年收獲后9 g/L處理0～100 cm土壤呈現(xiàn)出積鹽現(xiàn)象，積鹽量為0.253 g/kg，其中表層土壤和根系吸水層土壤也表現(xiàn)出積鹽的現(xiàn)象，積鹽量最大值為0.731 g/kg，深層土壤表現(xiàn)出脫鹽現(xiàn)象，高灌水礦化度在灌溉和降雨的淋洗作用下，鹽分主要累積在表層土壤和根系吸水層土壤，這說(shuō)明高灌水礦化度的咸水灌溉在土壤中累積的鹽分越厲害，若長(zhǎng)時(shí)期使用高灌水礦化度的咸水進(jìn)行農(nóng)田灌溉則會(huì)使土壤產(chǎn)生鹽堿化，影響作物的正常生長(zhǎng)；2012年播種前至2013年收獲后淡水灌溉處理略表現(xiàn)出積鹽現(xiàn)象，但積鹽量較少，積鹽率在10%以下，不會(huì)影響作物的正常生長(zhǎng)；2012年播種前至2013年收獲后3 g/L處理0～100 cm土層土壤鹽分表現(xiàn)出脫鹽現(xiàn)象，脫鹽量為0.039 g/kg，說(shuō)明3 g/L處理在兩年的咸水灌溉試驗(yàn)中，受灌溉和降雨共同淋洗作用，0～100 cm土層中存在水分滲漏，其中2012年滲漏量為55.6 mm，2013年滲漏量為52.5 mm，兩年試驗(yàn)?zāi)軌虬淹寥乐械柠}分淋洗到100 cm以下土層，鹽分不會(huì)在土壤中產(chǎn)生大量累積。由于3 g/L處理在土壤中的鹽分含量較少，在該研究區(qū)短時(shí)期使用3 g/L的咸水進(jìn)行農(nóng)田灌溉，鹽分不會(huì)在土壤中產(chǎn)生大量累積，對(duì)農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)影響較小，但長(zhǎng)時(shí)期進(jìn)行農(nóng)田灌溉，對(duì)土壤鹽分效應(yīng)的影響還需要進(jìn)一步的研究。

圖2 2012年和2013年不同處理相同土層鹽分分布Fig.2 Salt distribution under different treatments at the same soil profile in 2012 and 2013

表4 2012年播種前至2013年收獲后土壤鹽分累積動(dòng)態(tài)變化值Tab.4 Salt accumulation dynamic salinity from planting in 2012 to harvest in 2013

2.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

表5列出了制種玉米兩年的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素。通過(guò)實(shí)地調(diào)查，甘肅省武威市石羊河流域制種玉米產(chǎn)量為6 000～7 500 kg/hm2。兩年試驗(yàn)各處理產(chǎn)量及其構(gòu)成因素具有類似的規(guī)律，隨著灌水礦化度的增加，制種玉米的穗長(zhǎng)和穗粗減小，百粒重和干物質(zhì)量減少，從而導(dǎo)致產(chǎn)量降低。2012年s9、s6和s3處理分別比s0處理減產(chǎn)51.2%、20.9%和14.2%；2013年s9、s6和s3處理分別比s0處理減產(chǎn)46.3%、25.7%和15.3%。說(shuō)明咸水灌溉產(chǎn)生的鹽分脅迫能夠抑制作物的生長(zhǎng)，3 g/L處理兩年試驗(yàn)對(duì)制種玉米減產(chǎn)均在15%左右，減產(chǎn)較小。因此，灌水礦化度為3 g/L的微咸水灌溉短時(shí)期進(jìn)行灌溉，不會(huì)使作物產(chǎn)生大量減產(chǎn)，可以用來(lái)進(jìn)行農(nóng)田灌溉，但長(zhǎng)時(shí)期使用3 g/L的微咸水進(jìn)行灌溉對(duì)作物產(chǎn)量的影響還需進(jìn)一步的研究。

對(duì)制種玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素進(jìn)行方差分析。結(jié)果表明2012年灌水礦化度對(duì)百粒重和產(chǎn)量影響顯著，2013年灌水礦化度對(duì)穗長(zhǎng)、干物質(zhì)量和產(chǎn)量影響顯著，其余均不顯著。2013年試驗(yàn)各處理產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均比2012年試驗(yàn)的低，是因?yàn)閮赡攴N植的制種玉米品種不一樣，由于2013年制種的“富農(nóng)340號(hào)”品種是新培育出來(lái)的品種，還沒(méi)有得到大面積的推廣，從該地區(qū)2013年種植情況來(lái)看，“富農(nóng)340號(hào)”制種玉米生育期要比“金西北22號(hào)”要短，生育后期植株老化快，抗病蟲(chóng)能力也較差，特別是在抽穗期間，由于天氣降雨的原因，影響制種玉米之間的授粉，致使灌漿期間玉米籽粒灌漿不飽滿，收獲后產(chǎn)量及其構(gòu)成要素均比2012年的都要低，因此通過(guò)田間灌溉試驗(yàn)驗(yàn)證了該地區(qū)不適合推廣“富農(nóng)340號(hào)”品種。

表5 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Tab.5 Yield and its components

注：各列中的字母表示統(tǒng)計(jì)分析的顯著性，相同的字母表示不顯著，不同的字母表示在P=0.05水平上顯著；括號(hào)里表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。

3 結(jié) 論

通過(guò)在石羊河流域開(kāi)展為期兩年的咸水灌溉田間試驗(yàn)，研究了咸水灌溉條件下土壤水鹽分布規(guī)律及對(duì)制種玉米產(chǎn)量的影響，主要結(jié)論如下。

(1)咸水灌溉條件下，相同灌水礦化度處理，土壤水分分布規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象；不同灌水礦化度處理，高礦化度處理會(huì)改變土壤水分分布，使土壤水分呈現(xiàn)出自下往上運(yùn)移的規(guī)律，且這種規(guī)律隨著咸水灌溉使用時(shí)間的增長(zhǎng)而越明顯。因此，不適宜長(zhǎng)時(shí)期的使用高礦化度的咸水進(jìn)行農(nóng)田灌溉。

(2)2012年播種前至2013年收獲后3 g/L處理的土壤鹽分累積動(dòng)態(tài)變化規(guī)律表明：3 g/L處理在兩年咸水灌溉試驗(yàn)期間，受灌溉和降雨共同淋洗作用，0～100 cm土層土壤鹽分呈現(xiàn)出脫鹽，土壤鹽分不會(huì)在土壤中產(chǎn)生大量累積，對(duì)農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)影響也較小。因此，在干旱地區(qū)短時(shí)期可以采用3 g/L的地下咸水進(jìn)行農(nóng)田灌溉，但長(zhǎng)時(shí)期進(jìn)行農(nóng)田灌溉，對(duì)土壤鹽分效應(yīng)和農(nóng)作物產(chǎn)量的影響還需要進(jìn)一步的研究。

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