滴灌條件下棉花對土壤鹽分及離子運移的影響

祁通，張玉玲，徐菲，黃建，王新勇，馬雪琴

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所/農(nóng)業(yè)部西北綠洲農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，烏魯木齊 830091；2.喀什地區(qū)岳普湖縣農(nóng)技推廣中心，新疆岳普湖 844400)

0 引 言

【研究意義】由于其特殊氣候條件，水分蒸發(fā)強烈，土壤鹽分和地下水可溶性鹽分隨水向地表積聚，新疆鹽漬化耕地面積達到1.62×106hm2，占耕地總面積 32.07%[1]，土壤鹽漬化是制約新疆灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。研究鹽漬化土壤鹽分的運移規(guī)律，對合理開發(fā)利用新疆鹽漬化土壤資源與防治農(nóng)田次生鹽漬化有實際意義。【前人研究進展】新疆膜下滴灌技術(shù)可以抑制鹽分上移，而且在滴灌的淋洗作用下，剖面土壤內(nèi)的鹽分產(chǎn)生了定向重分布，形成脫鹽區(qū)、穩(wěn)定區(qū)與積鹽區(qū)。滴灌后鹽漬化土壤垂直方向 0～40 cm 處于脫鹽，形成鹽分淡化區(qū)[2-5]，這個過程包括 2個方面，一是總鹽分的淡化，二是鹽分離子的淡化；鹽分淡化區(qū)的形成實質(zhì)上是耕層土壤鹽分離子遷移和分異的結(jié)果。土壤水分是土壤鹽分運移的載體，伴隨著水分的入滲，使土壤鹽分在三維空間內(nèi)發(fā)生運移，表現(xiàn)出表層土壤淋洗脫鹽，而由于不同鹽分離子隨水淋洗的速率不相同[6,7]，雖然鹽分淡化區(qū)內(nèi)總鹽分有很明顯的下降，但部分離子可能并未被淋洗走，同時，在這個過程中鹽分離子的組成也會發(fā)生改變。另外，沈其榮等[8]研究了大麥根際中各種鹽分離子的分布特征及動態(tài)變化(土壤含鹽為 0.39%)，結(jié)果顯示，大麥根際土壤中K+和Na+離子虧缺，其它離子則不同程度地富集，田野等[9]的研究結(jié)果表明, 2 個楊樹無性系根際水溶性K+虧缺, 水溶性 Na+、Ca2+和 Mg2+富集。郭全恩等[10]的研究也表明種植大麥、玉米、果樹對土壤剖面鹽分、Cl-、水溶性 Ca2+含量有明顯的影響(土壤含鹽為 0.51%)?！颈狙芯壳腥朦c】以上研究表明，土壤鹽分離子的遷移和分布明顯受到植物的影響，而大部分的研究并未系統(tǒng)的研究鹽分離子在這一過程中的變化特征。研究棉花對鹽分及離子的運移的作用關(guān)系?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究棉花對鹽分及離子的運移的作用關(guān)系，分析滴灌棉田鹽分的運移規(guī)律和影響機制，為完善鹽漬化土壤水鹽調(diào)控理論提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2017年在喀什地區(qū)岳普湖縣色也可鄉(xiāng)3大隊大戶農(nóng)田進行(E76°45'49，N39°10'59)。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶詺夂?，年均降水?5.8，多集中在6～8月。該農(nóng)田為開墾5年的耕地，連續(xù)種植棉花，土壤為砂質(zhì)壤土，土壤平均含鹽量為1.26 g/kg，屬于中度鹽漬化土壤范圍。表1～3

表1 土壤粒徑
Table 1 Soil particle size analysis

砂粒Sand粘粒Clay粉粒Silt土壤類型Soil type2～0.02 mm<0.002 mm0.02～0.002 mm砂質(zhì)壤土0.691 20.062 80.246Sandy loam

表2 土壤初始鹽分及鹽分離子含量
Table 2 Initial soil salt and salt ion content

土層深度Soil depth(cm)pH總鹽Total salt(g/kg)CO32-(g/kg)HCO3-(g/kg)Cl-(g/kg)SO42-(g/kg)Ca2+(g/kg)Mg2+(g/kg)K+(g/kg)Na+(g/kg)0～208.418.8-0.2241.4644.9540.5490.2830.1530.85020～408.514.9-0.1991.7419.6312.8160.2150.1080.77040～608.5914.1-0.1991.6358.4481.4780.3010.1431.700

表3 混合后土壤鹽分及鹽分離子含量
Table 3 Soil salt and salt ion content after mixing

土層深度Soil depth(cm)pH總鹽Total salt(g/kg)CO32-(g/kg)HCO3-(g/kg)Cl-(g/kg)SO42-(g/kg)Ca2+(g/kg)Mg2+(g/kg)K+(g/kg)Na+(g/kg)0～208.3812.6-0.1991.2828.4142.3650.3350.0931.58320～408.5412.4-0.1741.4948.4141.9430.4900.0661.26040～608.4611.8-0.1491.2217.8062.6610.1800.0751.380

1.2 方 法

1.2.1 微區(qū)試驗

試驗微區(qū)供試作物為棉花，品種為新陸中54號，4月15日播種，4月25日出苗，灌溉方式為膜下有壓滴灌，一膜兩管。在6月10日進行第一次灌溉。棉花生育期間滴水13次，每次滴水量控制25 m3/667m2，全生育期共滴灌水325 m3/667m2，施肥及其他田間管理措施均按照大田進行。其中在第8次滴水(200 m3/667m2)結(jié)束后于8月20日進行土壤樣品采集。

采用田間微區(qū)試驗，每個小區(qū)設(shè)置2種處理，種植棉花和未種植棉花，田間隨機選擇3個小區(qū)，小區(qū)面積 2 m×1 m面積試驗微區(qū)，其中一個埋設(shè)水分、鹽分傳感器作為動態(tài)監(jiān)測區(qū)。所有試驗小區(qū)在播種前對土壤進行挖深 0.6 m，將所有挖出的土壤進行風(fēng)干，過 2 mm 篩子，機械混勻，用塑料薄膜隔離，再按照容重 1.3 g/cm3對坑進行分層填裝。小區(qū)內(nèi)按田間配置(1膜2管4行棉花)鋪設(shè)滴灌帶(φ16，2.8 L/h)和地膜(膜寬1.45 m)，其中一條滴灌帶兩側(cè)播種 2行棉花模擬大田，另外一條滴灌帶不種植棉花，作為空白。圖1

圖1 田間微區(qū)試驗示意
Fig.1 Schematic diagram of field microexperiment

1.2.2 土壤采集

微區(qū)以滴灌帶滴頭為中心，采集滴灌帶一側(cè)土壤，取樣范圍 40 cm×30 cm，采樣深度 50 cm，采集每塊 10 cm×10 cm×10 cm 土壤樣品，測定鹽分離子含量、水分及棉花根系等；對照空白區(qū)用直徑 3 cm 的土鉆取土，以滴頭為中心，采集滴灌帶一側(cè)距離滴頭 0、10、20和 30 cm處的土壤樣品，采樣深度為 0～10、10～20、20～30、30～40 和 40～50 cm，測定土壤水分、鹽分離子等。

1.2.3 樣品測試

土樣測試土壤含水量、總鹽、電導(dǎo)率、pH值、及 CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-、Ca2+、Mg2+、K+、Na+離子含量。土壤含水量采用烘干法測定，土壤浸提液用1∶5土水比提取，電導(dǎo)率的測定用電導(dǎo)儀，鹽分離子Na+用火焰光度計法測定，CO32-、HCO3-用標(biāo)準 H2SO4滴定法測定，Ca2+、Mg2+用EDTA 絡(luò)合滴定法測定，SO42-用紫外分光光度計測定，Cl-用標(biāo)準硝酸銀滴定法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用 Microsoft Office 工具 Excel 進行數(shù)據(jù)整理及作圖；SPSS 22.0 進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌棉花對土壤總鹽分的影響

研究表明，在相同的灌溉條件下(滴灌量200 m2/667 m2，8次，25 m2/667 m2)，種植棉花后的土壤與未種植棉花土壤鹽分在耕層存在差異，種植棉花處理在0～10 cm土層、10～20 cm、20～30 cm土層土壤鹽分含量高于未種植棉花的處理，10～20 cm土層差異顯著(P<0.5)。棉花種植主要影響了0～30 cm土層中鹽分的含量。相同處理下，不同土層鹽分也之間也存在差異。兩個處理土壤鹽分在0～40 cm有明顯的淡化層，0～20 cm土層鹽分下降最為明顯，顯著低于其他處理，其次是20～40 cm，而40～60 cm土層鹽分有明顯的聚集，含鹽量最高。土壤鹽分的運移受到灌溉的影響明顯，在0～30出苗土層也受棉花的影響，棉花根系主要分布在0～40 cm土層，而土壤鹽分的運移過程也主要集中在這個區(qū)域，棉花根系可能減緩了鹽分向下淋洗過程。圖2

圖2 種植棉花下各土層土壤全鹽含量變化
Fig.2 Effect of cotton planting on total salt content of soil in different soil layers

2.2 滴灌棉花對土壤pH的影響

研究表明，在相同的灌溉條件下(滴灌量200 m2/667 m2，8次，25 m2/667 m2)，種植棉花后的土壤與未種植棉花土壤pH在0～10 cm和20～30 cm土層存在差異，但未達到顯著水平(P<0.5)。兩種處理0～10 cm土層pH值最低，與其他土層相比差異顯著，但其他土層之間pH值沒有顯著差異，土壤pH主要受灌溉的影響，而棉花種植對土壤pH沒有影響。圖3

圖3 種植棉花下各土層土壤pH值變化
Fig.3 Effect of cotton planting on the soil pH in different soil layers

2.3 滴灌棉花對土壤陰離子的影響

研究表明，在相同的灌溉條件下(滴灌量200 m2/667 m2，8次，25 m2/667 m2)，在相同土層中，種植棉花處理與未種植棉花處理土壤陰離子含量存在差異。在0～10 cm、10～20 cm土層中，兩種處理條件下 HCO3-離子含量存在差異，但差異不顯著，其他土層HCO3-離子含量，兩個處理間沒有差異；種植棉花處理在10～20 cm土層土壤Cl-和SO42-離子含量顯著高于未種植棉花處理(P<0.5)，在20～30 cm土層中種植棉花處理土壤Cl-和SO42-離子含量高于未種植處理，但差異不顯著，其他土層HCO3-、Cl-和SO42-離子含量兩種處理間無差異。

相同處理條件下，各個土層離子分布也存在差異。在種植棉花條件下，0～10 cm土層HCO3-、Cl-和SO42-離子含量最小，10～20 cm土層高于0～10 cm土層，20～30 cm土層高于30～40 cm，30～40 cm土層大于20～30 cm土層，40～60 cm土層HCO3-、Cl-和SO42-離子含量最高，差異達到顯著水平(P<0.5)。在未種植棉花條件下，0～10 cm土層HCO3-、Cl-和SO42-離子含量最小，40～60 cm土層HCO3-、Cl-和SO42-離子含量也顯著高于其他土層(P<0.5)，而0～10 cm與10～20 cm土層間差異不顯著。

在種植棉花和未種植棉花條件下，0～40 cm土層土壤陰離子含量都隨著灌溉而有所下降，在40～60 cm土層形成了一個離子濃度較高的聚集區(qū)，但種植棉花處理土壤陰離子濃度的下降幅度要低于未種植棉花的處理，主要影響了Cl-和SO42-離子的含量，主要影響的土層是10～20 cm。表4

表4 種植棉花下各土層土壤鹽分陰離子變化
Table 4 Effects of cotton planting on soil salt anions in different soil layers

處理Treatments深度Depth (cm)HCO3-(g/kg)Cl-(g/kg)SO42-(g/kg)棉花cotton0～100.127±0.06ab0.364±0.01a4.039±0.77a10～200.127±0.02ab1.047±0.08b5.649±0.55b20～300.174±0.05abc1.176±0.05bc6.294±0.56b30～400.199±0.06bc1.862±0.12d8.147±0.94c40～600.324±0.06c2.618±0.28e9.161±1.13c未種Null0～100.115±0.01a0.186±0.03a3.046±0.47a10～200.142±0.04ab0.372±0.08a4.078±0.55a20～300.187±0.01abc1.562±0.11c6.052±1.1b30～400.174±0.05abc2.96±0.15f8.353±0.41c40～600.227±0.04c2.94±0.18f9.618±1.16c

注：同列不同小寫字母表示處理間差異達 5%顯著水平

Note: different lowercase letters in the same column indicate a significant difference of 5%

2.4 滴灌棉花對土壤陽離子的影響

研究表明，在相同的灌溉條件下(滴灌量200 m2/667 m2，8次，25 m2/667 m2)，在相同土層中，種植棉花處理與未種植棉花處理土壤陽離子含量也存在差異。在0～10 cm、40～60 cm土層中，Ca2+、K+、Mg2+、Na+離子含量兩種處理沒有差異，10～20 cm種植棉花處理的Mg2+高于未種植處理，但差異未達到顯著水平(P<0.5)，其他離子處理間無差異，在20～30 cm土層中，種植棉花處理的Mg2+、Na+離子含量高于未種植處理，但差異不顯著，在30～40 cm土層，種植棉花處理的K+離子含量高于未種植處理，但差異不顯著，Na+離子含量低于未種植處理，未達到顯著水平，Ca2+、Mg2+含量兩個處理間無差異。

相同處理條件下，各個土層陽離子含量也存在差異。在種植棉花條件下，四種陽離子含量在0～10 cm土層最小，在40～60 cm土層含量最大，0～10 cm和10～20 cm土層之間無差異。K+、Na+離子在20～30 cm土層顯著高于10～20 cm，Na+含量在40～60 cm土層顯著高于0～10 cm土層，Ca2+含量在各個土層間無顯著差異，Mg2+離子含量在30～40 cm土層顯著高于0～10 cm土層，與其他土層無顯著差異。在未種植棉花條件下，Ca2+離子含量在各土層的大小順序為0～10 cm土層<10～20 cm土層<20～30 cm土層<30～40 cm土層<40～60 cm，差異不顯著，Mg2+離子含量30～40 cm土層顯著高于低于0～10 cm和10～20 cm土層，40～60 cm和30～40 cm土層無差異。Na+離子含量的在各土層的大小順序為0～10 cm土層<10～20 cm土層<30～40 cm土層<40～60 cm土層，其中0～10 cm和10～20 cm土層含量顯著低于其他土層(P<0.5)。K+離子含量在20～30 cm和40～60 cm土層顯著高于其他土層。

在種植棉花和未種植棉花條件下，灌溉使得0～40 cm土層土壤陽離子含量明顯下降，在40～60 cm土層陽離子濃度增加形成離子聚集區(qū)，在向下運移的過程中Mg2+、K+、Na+離子含量受到棉花種植的一定影響，未達到顯著水平，Ca2+離子含量在各處理中的無差異。表5

表5 種植棉花下各土層土壤鹽分陽離子變化
Table 5 Effects of cotton planting on soil salinity cations in different soil layers

處理Treatments深度Depth (cm)Ca2+(g/kg)Mg2+(g/kg)K+(g/kg)Na+(g/kg)棉花cotton0～100.716±0.03a0.220±0.1a0.071±0.04a0.551±0.09a10～201.212±0.13ab0.290±0.23ab0.059±0.02a0.678±0.07a20～300.897±0.19ab0.451±0.16abc0.092±0.05bc2.144±0.9bc30～400.993±0.59ab0.519±0.13bc0.106±0.05bc2.649±0.43cd40～600.867±0.93ab0.421±0.08abc0.166±0.06c2.847±0.9cd未種Null0～100.685±0.08a0.182±0.04a0.054±0.02a0.336±0.14a10～201.042±0.35ab0.224±0.1a0.076±0.04a0.705±0.3a20～301.148±0.41ab0.284±0.06ab0.096±0.04bc1.624±0.17b30～401.341±0.24ab0.593±0.23c0.067±0.03a3.095±0.33d40～601.63±0.31b0.6±0.23c0.162±0.08c3.257±0.31d

注：同列不同小寫字母表示處理間差異達 5%顯著水平

Note: Different lowercase letters in the same column indicate a significant difference of 5%

3 討 論

研究中，在相同的灌溉條件下(滴灌量200 m2/667 m2，8次，25 m2/667 m2)，種植棉花和未種植棉花的土壤鹽分在0～40 cm土層與初始鹽分相比都較有較大幅度的降低，而在40～60 cm土層有一定的聚集現(xiàn)象，這與王全九等[3]和呂殿青等[4]在研究滴灌條件下土壤水鹽運移特征和影響因素時，根據(jù)滴灌后土壤含鹽等值線提出了脫鹽區(qū)和積鹽區(qū)的概念的研究結(jié)果是一致的，楊鵬年等[2]、牟洪臣等[11]研究也有類似的結(jié)果，這是由于滴灌的水分入滲方式是點源入滲，鹽分隨水運動，在滴灌的過程中鹽分分布主要集中在濕潤體的邊緣，土壤濕潤鋒處的鹽分積累主要是由上層土壤鹽分向下遷移所致，因此在土壤濕潤體內(nèi)部必然會形成一個鹽分濃度較低的淡化區(qū)，在這個過程中整個觀測剖面的鹽分含量并沒有增加。土壤中的陰離子和陽離子都有一定程度上也有類似的規(guī)律。

除了水分是影響土壤鹽分運移的主要因素外，作物對土壤鹽分及離子的運移也有不容忽視。作物是直接介入到土壤中的，與土壤直接發(fā)生作用關(guān)系，土壤鹽分在影響作物生長的同時，鹽分運移也受到植物的影響，研究發(fā)現(xiàn)，棉花對0～30 cm土壤層的土壤總鹽分含量、陰離子、陽離子的含量都有一定的影響，有減緩其向下運動的趨勢，其中影響較為顯著的土壤層是10～20 cm，這個土層也是滴灌棉花根系分布最為密集的區(qū)域，這也許是棉花根系的生理作用抑制了土壤中離子的運動。有研究表明[8]，大麥根際土壤中 K+和 Na+離子虧缺，其它離子則不同程度地富集，在本中Cl-和SO42-離子在10～20 cm有也所富集，這一結(jié)果是一致的。郭全恩等[10]的研究，表明種植果樹對土壤剖面鹽分、Cl-、水溶性 Ca2+含量有明顯的影響，與研究結(jié)果相似，說明種植作物對土壤中的鹽分及離子的運移有直接的影響，而對于不同作物對土壤鹽分離子的研究的文獻較少，機理尚不清，在今后的研究中還需要進一步深入。

4 結(jié) 論

4.1 棉花種植過程對0～30 cm土層土壤總鹽分、陰陽離子都有一定的影響，但影響較為顯著10～20 cm土層的總鹽分、Cl-和SO42-離子的含量，減緩了其運移過程，對其他離子的影響均未達到顯著水平，對土壤pH值影響不大。

4.2 灌溉使得0～40 cm土層土壤鹽分、陰、陽離子含量明顯下降，在40～60 cm土層濃度增加形成離子聚集區(qū)。