微咸水滴灌條件下水氮互作模式對(duì)枸杞生長(zhǎng)及農(nóng)田土壤環(huán)境的影響研究

劉 月，楊樹青 ，劉 敏，符 鮮，劉瑞敏

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土工建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引 言

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國(guó)土壤鹽漬化發(fā)育的典型地區(qū)，鹽漬土面積約占總土地面積的40%，耕地中不同程度鹽漬化土約占總耕地面積的55%[1]，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展。該區(qū)地下微咸水資源豐富，對(duì)其開發(fā)利用有利于地下水資源更新、淡水存儲(chǔ)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)[2]。水和肥是作物生長(zhǎng)的兩大關(guān)鍵因素，同時(shí)，也是相互影響和制約的兩個(gè)因子。滴灌施肥系統(tǒng)可以根據(jù)作物的需求準(zhǔn)確地控制水肥施用制度，既能保證作物必需的養(yǎng)分，又可以提高養(yǎng)分利用效率，避免養(yǎng)分淋失[3]。枸杞屬河套灌區(qū)地方特產(chǎn)，喜水肥，較耐寒，耐鹽堿，在pH值不超過8.5的情況下均能正常生長(zhǎng)，在河套灌區(qū)的種植面積達(dá)到1.33 萬hm2，且枸杞是我國(guó)的一味常用中藥，具有滋補(bǔ)肝腎、益精明目[4]、潤(rùn)肺止咳、延緩衰老等功效。目前有關(guān)水氮互作對(duì)作物光合特性、產(chǎn)量及品質(zhì)等的研究較多，微咸水滴灌條件下水氮互作的研究也有較多報(bào)道，供試作物多為玉米、小麥、甜菜和棉花[5-8]等，而以枸杞為供試作物的研究鮮有報(bào)道。綜上，在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)研究微咸水滴灌條件下水氮互作對(duì)枸杞生長(zhǎng)和土壤環(huán)境的影響具有一定的實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年在內(nèi)蒙古紅衛(wèi)田間節(jié)水灌溉試驗(yàn)示范園進(jìn)行，地理坐標(biāo)E108°45′～E109°36′，N40°30′～N40°40′，位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)最下游的三湖河灌域西部。研究區(qū)屬中溫帶大陸性多風(fēng)干旱氣候，多年平均降水量270 mm，多年平均蒸發(fā)量為2 383 mm，多年平均氣溫7.9 ℃，無霜期146 d，積溫(大于10 ℃)3 200 h。

研究區(qū)土壤大部分為灌淤土、鹽土，0～100 cm土壤容重為1.55 g/cm3。按美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地三角劃分標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)土壤質(zhì)地見表1，土壤基本性狀見表2。

表1 研究區(qū)土壤質(zhì)地

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試作物為枸杞，品種為寧杞1號(hào)。枸杞物候期表現(xiàn)見表3。

試驗(yàn)為灌水量和施氮量的2因素試驗(yàn)，灌水量和施氮量分別設(shè)置3個(gè)水平，如表4，表5。

表2 研究區(qū)土壤基本性狀

表3 枸杞物候表現(xiàn)(月-日)

灌水量為W1(2 325 m3/hm2)、W2(2 850 m3/hm2)、W3(3 375 m3/hm2)；施氮量：N1(525 kg/hm2)、N2(750 kg/hm2)、N3(975 kg/hm2)。試驗(yàn)采用兩因素正交設(shè)計(jì)，共9個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。試驗(yàn)小區(qū)面積39 m2，每小區(qū)包含枸杞13株，枸杞種植株距1.0 m，行距3.0 m。試驗(yàn)小區(qū)周邊設(shè)有保護(hù)帶，小區(qū)間采用60 cm隔水板做防滲隔離。試驗(yàn)采用地下微咸水灌溉，礦化度3.84 g/L。各處理生育期內(nèi)灌溉制度如表4所示。試驗(yàn)采用磷酸二銨和硝酸磷在一水前作為基肥施入，尿素作為追肥在生育期隨灌水水施入，追施時(shí)間分別為5月中下旬(施肥量為全年追肥總量的20%)；6月中旬(施肥量為全年追肥總量的30%)；7月上旬(施肥量為全年追肥總量40%)；8月上旬(施肥量為全年追肥總量的10%)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 枸杞生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定

枸杞生長(zhǎng)指標(biāo)實(shí)行定株觀測(cè)，每個(gè)處理選擇長(zhǎng)勢(shì)相近的3棵作為觀測(cè)株，觀測(cè)株在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)不做任何修剪。主要觀測(cè)以下項(xiàng)目：

表4 枸杞田間試驗(yàn)灌溉制度

株高：樹體萌芽前后用鋼卷尺測(cè)株高，此后，每月中旬測(cè)一次，截止果實(shí)采收結(jié)束。

地徑：樹體萌芽前修剪后用游標(biāo)卡尺測(cè)地徑，此后，每月中旬測(cè)一次，截止果實(shí)采收結(jié)束。

新枝生長(zhǎng)速率：在植株東南西北中5個(gè)方位各選取一個(gè)新枝，每隔7 d，用鋼卷尺觀測(cè)新枝的生長(zhǎng)量。

冠幅：樹體萌芽前修剪后用卷尺測(cè)冠幅(東西長(zhǎng)、南北長(zhǎng))，此后，每月中旬測(cè)一次冠幅，截止果實(shí)采收結(jié)束。

表5 枸杞田間試驗(yàn)施肥制度 kg/hm2

1.3.2 土壤環(huán)境指標(biāo)的測(cè)定

土壤水、鹽分測(cè)定取樣每15 d一次，灌水前加測(cè)，取土深度為100 cm，共分七層，0～40 cm、每10 cm為一取土層，40～100 cm每20 cm為一取土層。觀測(cè)項(xiàng)目包括土壤的含水率、電導(dǎo)率及pH值。土壤含水率采用烘干法測(cè)定，土壤浸提液的電導(dǎo)率使用DDS-307型電導(dǎo)率儀測(cè)定，pH值采用pH酸度計(jì)測(cè)定。

1.4 分析方法

采用EXCEL2007、SPSS19.0及Surfer12.0相結(jié)合的方法。

2 結(jié)果分析

2.1 不同水氮條件下對(duì)枸杞生長(zhǎng)的影響

2.1.1 枸杞株高生長(zhǎng)速率

由圖1可知，不同水氮條件下枸杞株高生長(zhǎng)速率在全生育期呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，即從萌芽期開始增大，在春梢生長(zhǎng)期生長(zhǎng)速率達(dá)到峰值，最大值為W3N2處理下的0.418 cm/d，W2N2和W2N3處理次之，分別為0.415和0.412 cm/d。春梢生長(zhǎng)期后生長(zhǎng)速率開始下降，春梢生長(zhǎng)期至開花期下降速率較大，盛果期生長(zhǎng)速率最低，說明盛果期枸杞生長(zhǎng)緩慢。在枸杞萌芽期，W2N3處理下的枸杞株高生長(zhǎng)速率略高于其他處理，春梢生長(zhǎng)期W3N2和W2N2處理下的枸杞株高生長(zhǎng)速率較大。在枸杞開花期、果實(shí)膨大期和盛果期，W2N2處理下的枸杞株高生長(zhǎng)速率高于其他處理。不同水氮條件下，W2N2、W2N3和W3N2處理下的株高生長(zhǎng)速率高于平均水平，且不同時(shí)期W2N2處理下高于平均值的范圍為0.011～0.021 cm/d，W2N3為0.003～0.010 cm/d，W3N2為0.004～0.011 cm/d。在各處理水平中，W2N2更利于枸杞株高生長(zhǎng)。

圖1 不同處理對(duì)枸杞株高生長(zhǎng)速率的影響

由表3可得，多變量結(jié)果檢驗(yàn)顯示灌水量、施肥量均顯著影響枸杞株高生長(zhǎng)速率。成對(duì)比較顯示，W1與W2、W1與W3之間存在P<0.05顯著差異，W2和W3無顯著性差異。同樣，N1與N2處理、N1與N3處理之間存在均值差值在0.05級(jí)別上的顯著差異，而N2和N3水平無顯著性差異。說明灌水和施肥不足對(duì)枸杞株高影響較大，適宜的灌水施肥與過量的灌水施肥對(duì)枸杞株高影響較小。

表6 灌水量與施肥量的成對(duì)比較

注：*.代表在P<0.05上顯著。

2.1.2 地徑生長(zhǎng)速率

不同水氮條件下，W2和W3水平下的枸杞地徑生長(zhǎng)速率的平均值大于W1水平。說明灌水不足影響地徑的生長(zhǎng)。由圖2可見，在萌芽期至春梢生長(zhǎng)期，W1水平略有下降，W2和W3水平增加，W2N2>W2N3>W3N2。春梢生長(zhǎng)期到開花期地徑生長(zhǎng)速率持續(xù)下降，開花期到果實(shí)膨大期增大，果實(shí)膨大期達(dá)到最大值，為W2N2處理下的0.061 8 mm/d。果實(shí)膨大期到盛果期地徑生長(zhǎng)速率持續(xù)下降，盛果期為最低，說明盛果期枸杞生長(zhǎng)緩慢。不同生育期內(nèi)，W2N2處理下的地徑生長(zhǎng)速率均大于平均值，W2N2更利于枸杞地徑生長(zhǎng)。

圖2 枸杞地徑生長(zhǎng)速率在不同生育期的變化

2.1.3 新枝生長(zhǎng)速率

不同水氮處理下的枸杞新枝生長(zhǎng)速率較為一致，且枸杞新枝生長(zhǎng)速率在生育期的變化趨勢(shì)與株高生長(zhǎng)速率趨勢(shì)基本一致(圖3)。春梢生長(zhǎng)期枸杞生長(zhǎng)旺盛，達(dá)到最大值為W2N2水平下的0.573 mm/d。在不同生育期的同一灌水水平下，N2>N3>N1。說明適宜的施肥量有助于枸杞新枝生長(zhǎng)，施肥量過多過少均不利于枸杞生長(zhǎng)。不同處理下新枝生長(zhǎng)速率表現(xiàn)為W2N2>W2N3>W3N2，在W2N2處理?xiàng)l件下，枸杞平均新枝生長(zhǎng)速率最大，為0387mm/d，W2N2更利于枸杞新枝生長(zhǎng)速率。

圖3 枸杞新枝生長(zhǎng)速率在不同生育期的變化

2.1.4 冠幅生長(zhǎng)速率

不同水氮處理下的枸杞冠幅生長(zhǎng)速率較為一致，且不同處理下的生長(zhǎng)速率相差較小(圖4)。與枸杞株高、地徑與新枝生長(zhǎng)速率等指標(biāo)不同，枸杞冠幅生長(zhǎng)速率在萌芽期最小，萌芽期到春梢生長(zhǎng)期顯著增大，春梢生長(zhǎng)期達(dá)到最大值，南北向與東西向的最大值均為W2N2處理，對(duì)應(yīng)數(shù)值為0.558和0.514 mm/d。南北向和東西向的冠幅生長(zhǎng)速率在春梢生長(zhǎng)期后逐漸下降，至盛果期冠幅生長(zhǎng)速率較小。W2N2處理下的各生育期南北和東西方向上的最大冠幅生長(zhǎng)速率最大。

圖4 枸杞冠幅生長(zhǎng)速率在不同生育期的變化

2.2 不同水氮條件下對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2.2.1 土壤含水率土壤剖面分布特征

由圖5可見，土壤含水率在0～20 cm呈減小趨勢(shì)，20～40 cm呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，40 cm以下的變化規(guī)律不明顯，這是因?yàn)榈喂嗟乃枯^小，水分運(yùn)移變化的土層較淺。

由圖5(a)～圖5(c)可見，W1水平時(shí)，增施氮肥使0～30 cm土層土壤含水率增加，說明水分不足時(shí)，增施氮肥土壤離子濃度會(huì)增高，肥料與植株?duì)幱猛寥浪謱⑺殖衷谕寥乐小Ｓ蓤D5(d)～圖5(f)可見，W2水平下，增加氮肥0～30、70～100 cm土層土壤含水率逐漸減小，但增施氮肥30～70 cm土層的最大土壤含水率向下面土層移動(dòng)，而大于N2水平最大土壤含水率又向上層土壤移動(dòng)。由圖5(g)～圖5(i)可見，W3水平下，增加氮肥0～30 cm土層土壤含水率呈減小趨勢(shì)，超過N2時(shí)含水率開始增大； 30～70 cm土層呈相反規(guī)律。

2.2.2 土壤含水率時(shí)間分布特征

由圖5(a)～圖5(c)可見，在W1水平下，土壤含水率的時(shí)間分布趨勢(shì)一致。在0～20 d，最大含水率均集中在60 cm左右的土層深度；在20～60 d，最大含水率集中在40～60 cm土層，且由于枸杞處在開花初期和果實(shí)膨大期需要從土壤中補(bǔ)充更多的水分，小于0～20 d的最大含水率；60 d為果實(shí)膨大期，植株需要大量水分。

在60～120 d，W1N1和W1N3的土壤含水率分布較為接近，均在80 d左右80～100 cm土層達(dá)到較大的土壤含水率，在100～120 d的50～100 cm土層達(dá)到較大含水率，且W1N1高于W1N3處理下的含水率，而表層土壤含水率較低；W1N2在100 d左右在40～70 cm土層的含水率最大。

由圖5(a)、圖5(d)和圖5(g)可見，在N1水平下，W2水平在70～100 d的土壤含水率高于W1水平的，此階段為果實(shí)膨大期，由此推斷果實(shí)膨大期枸杞需要從土壤中吸收更多的水分。而W3水平的土壤含水率并沒有明顯高于W1和W2水平的土壤灌水率，說明水分不適宜的情況下，土壤的水分可能蒸發(fā)流失并沒有發(fā)揮其高水灌溉的價(jià)值。

2.2.3 土壤電導(dǎo)率時(shí)空分布特征

土壤電導(dǎo)率能不同程度地反映土壤中的鹽分、水分、有機(jī)質(zhì)含量、土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)和孔隙率等參數(shù)的大小[9-11]。由圖6可以看出，W1水平下，各氮肥處理在0～40 cm土層內(nèi)電導(dǎo)率高于W2、W3水平下各氮肥處理的電導(dǎo)率，在0～10 cm土層內(nèi)出現(xiàn)最大值且出現(xiàn)閉合曲線，說明土壤鹽分在該土層內(nèi)發(fā)生累積。由于灌水量較小且上層蒸發(fā)強(qiáng)烈，鹽分主要聚集在上層土壤中，這使植株主根區(qū)鹽分較大而不利于其生長(zhǎng)。W2水平下，各氮肥處理電導(dǎo)率在40～60 cm土層出現(xiàn)最大值，土壤鹽分的運(yùn)移能夠受水分運(yùn)動(dòng)的影響，可以說水是鹽的溶劑又是鹽分運(yùn)動(dòng)的載體，常說“鹽隨水動(dòng)”，W2水平的灌水量較適宜，能將大部分鹽分帶到40～60 cm土層使上層主根區(qū)呈現(xiàn)一個(gè)低鹽狀態(tài)，利于枸杞植株的生長(zhǎng)。W3水平下，由于全生育期一直對(duì)枸杞植株灌溉較高水平的水量，水分下滲到較深土層帶走鹽分，形成了更大范圍的低鹽區(qū)，隨著灌水量的增大，各處理的土壤電導(dǎo)率峰值出現(xiàn)的土層加深，40 cm以上土層隨著灌水量的增加電導(dǎo)率減小。

圖5 土壤含水率空間變化

由圖6(a)～圖6(c)分析可知，最大電導(dǎo)率均在測(cè)量30 d(春梢生長(zhǎng)期)之前的0～20 cm土層，在40～80 d的0～30 cm土層的電導(dǎo)率均較小。由圖6(c)、圖6(f)和圖6(i)可見，在N3水平下，隨著灌水量的增大，電導(dǎo)率出現(xiàn)大面積的較小值，其集中于第40～100 d，可能與夏季降雨淋洗土壤鹽分有關(guān)。

圖6 土壤電導(dǎo)率空間變化

3 討論與結(jié)論

王斌等[12]通過在河套灌區(qū)開展水氮互作的田間試驗(yàn)得出在玉米全生育期內(nèi)，施氮量相同時(shí)，中水灌溉模式下水分對(duì)玉米株高及莖粗的促進(jìn)作用達(dá)到最大；尹光華等[13]對(duì)春小麥的水肥耦合效應(yīng)研究表明，在半干旱區(qū)水肥耦合的產(chǎn)量效應(yīng)顯著，適量水肥組合的效應(yīng)大于高水高肥和低水低肥組合。本文研究得出：①在不同灌水與施氮水平下，株高、新枝和冠幅的生長(zhǎng)速率在春梢生長(zhǎng)期較大，而地徑生長(zhǎng)速率在果實(shí)膨大期較大。②綜合不同灌水與施氮水平下，W2N2水平下的株高、地徑、新枝生長(zhǎng)速率及冠幅最優(yōu)。③通過對(duì)枸杞株高的差異性分析得出灌水和施肥不足對(duì)枸杞株高影響較大，而適宜的灌水施肥與過量的灌水施肥對(duì)枸杞株高影響較小。④土壤含水率、土壤電導(dǎo)率空間變化規(guī)律顯示，W2和W3灌水水平下，增施氮肥會(huì)使淺層土壤含水率增大，而過量施肥會(huì)出現(xiàn)相反結(jié)果。且W2水平能將大部分鹽分帶到40～60 cm土層，使上層主根區(qū)呈現(xiàn)一個(gè)低鹽狀態(tài)，利于枸杞植株的生長(zhǎng)。⑤在利于枸杞株高、地徑、新枝、冠幅生長(zhǎng)及為植株提供良好的土壤環(huán)境基礎(chǔ)上，本文推薦的枸杞適宜的水肥組合為W2N2。