暗溝對寧夏引黃灌區(qū)鹽堿地改良及垂柳生長的影響

趙彬玥，孫兆軍,，何 俊，李 茜

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏大學(xué)環(huán)境工程研究院，銀川 750021；3.寧夏(中阿)旱區(qū)資源評價(jià)與環(huán)境調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750021)

0 引 言

土壤鹽堿化是當(dāng)今世界土地退化的主要類型之一，受地理位置、氣候條件、灌溉方式、土壤質(zhì)地和地下水位等因素的綜合影響，土壤發(fā)生鹽分累積現(xiàn)象。我國鹽堿地主要分布于西北內(nèi)陸地區(qū)、濱海地區(qū)、華北平原和東北半干旱低洼地區(qū)[1-3,11]。寧夏引黃灌區(qū)是我國大型古老灌區(qū)之一，在自然因素和人為因素的綜合影響下[4-6]，寧夏引黃灌區(qū)土壤次生鹽漬化問題比較嚴(yán)重[7]，土壤含鹽量和堿化度均較高，主要由農(nóng)田的不合理灌溉、排水不暢、耕作不當(dāng)、不合理施肥及蒸發(fā)強(qiáng)烈等因素所致[8-12]，大面積鹽堿地嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

鹽堿地改良主要包括物理、化學(xué)、水利工程和生物改良等技術(shù)措施。其中，暗溝排鹽技術(shù)是鹽堿土改良的主要措施之一，該技術(shù)的原理是“鹽隨水來，鹽隨水去”，促進(jìn)鹽分淋洗，由于設(shè)置暗溝后增加了排水排鹽通道，灌水后，鹽分隨水下滲，經(jīng)暗溝匯流至排水溝排出；同時(shí)，大部分鹽堿地地下水位較高，暗溝可在一定程度上降低地下水位，減輕地下水對土壤鹽分的影響。暗溝排鹽技術(shù)與暗管排鹽技術(shù)的排鹽原理相同，但二者的應(yīng)用范圍及鋪設(shè)材料均不同，暗管一般是大面積的機(jī)械化應(yīng)用，鋪設(shè)的是滲水管道，暗溝可以在不同面積的區(qū)域應(yīng)用，鋪設(shè)材料主要包括秸稈、礫石、爐渣等，此外，灌木、圓木、樹枝、竹竿、貝殼以及一部分農(nóng)業(yè)廢棄物和工廠廢棄物也被研究者們作為暗溝填埋材料，既在灌水洗鹽初期增加暗溝的通道，后期又可作為有機(jī)肥料，提高土壤有機(jī)質(zhì)[13]。任玉民[14]等在遼寧盤錦濱海鹽漬土區(qū)的研究中利用田菁稈、秫秸、稻草及稻皮等作為暗溝鋪設(shè)材料，發(fā)現(xiàn)暗溝間距越窄，土壤脫鹽效果越好，土層脫鹽深度越深，并且根據(jù)對田面水層滲透速度觀測的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，暗溝間距越窄，水層降落越快，通過土層排出的水量越多，所帶走的鹽分也越多。楊延春[15]等在江蘇濱海鹽漬土區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)使用水稻秸稈制作的暗溝可增加降雨入滲量與地下水排泄量，使土壤中的可溶性鹽分易隨水排出。宋莎莎[16]等人研究發(fā)現(xiàn)土壤pH和含鹽量隨著暗溝間距的減小而降低。已有的研究表明，暗溝越窄，越利于排水排鹽，但成本也越高。本文在綜合考慮改良效果與成本的前提下，選用礫石+秸稈作為暗溝填埋材料，設(shè)置3、6、9、15 m、無暗溝5個處理，通過測定土壤pH值、電導(dǎo)率和垂柳生長指標(biāo)，比較不同暗溝間距對鹽堿土壤改良及植物生長的影響，并提出適合本地區(qū)鹽堿土改良和植物生長的最佳暗溝間距。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本概況

寧夏引黃灌區(qū)屬溫帶大陸性氣候，降水量少。試驗(yàn)地位于寧夏青銅峽市樹新林場(38°1′44″N，105°56′36″E)，海拔1 140 m，屬中溫帶大陸性氣候，地勢低平，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，四季分明。年日照數(shù)2 955 h，年平均氣溫8.3～8.6 ℃，年降雨量260.7 mm，無霜期176 d。土壤質(zhì)地黏重，透水性差，地下水埋深1.2 m左右。土壤容重在1.36～1.68 g/cm3之間，孔隙度為45%，有機(jī)質(zhì)含量為1.2%。0～80 cm為砂質(zhì)壤土，EC在3～10 dS/m之間，80～100 cm為壤土，EC在5 dS/m左右；0～100 cm土壤pH在8.77～9.33之間，EC在4.01～9.90之間。試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic physical and chemical properties of the soil in the test site

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試樹種為垂柳，胸徑3 cm。每個處理平施脫硫廢棄物22.5 t/hm2，糠醛渣15 t/hm2，牛糞45 m3/hm2，通過深翻和旋耕使改良物料與表層土壤充分混合。垂柳樹坑直徑0.8 m、深1.0 m，種植間距為3 m×3 m。試驗(yàn)地采用漫灌的方式，5-9月每月灌溉一次。灌溉水為黃河水，其礦化度為0.5 g/L，試驗(yàn)區(qū)地下水礦化度小于1 g/L。

試驗(yàn)設(shè)置5個處理：暗溝間距3 m(3.6 m×23 m)、暗溝間距6 m(6.6 m×23 m)、暗溝間距9 m(9.6 m×27 m)、暗溝間距15 m(15.6 m×23 m)、對照組CK(30 m×23 m，無暗溝)，每個處理設(shè)3個重復(fù)。暗溝寬0.8 m，溝北側(cè)深度為1 m，溝南側(cè)深度為1.2 m，暗溝鋪設(shè)材料為礫石+秸稈，礫石鋪設(shè)厚度30 cm，礫石上方鋪設(shè)10 cm的秸稈。與暗溝平行的方向設(shè)置明溝進(jìn)行排水，明溝深1.5 m。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

試驗(yàn)地于2015年布置完畢，于2015年6月(改良前)和2018年5月(改良后)取樣，采用土鉆法在距離暗溝不同水平距離處取土，取樣深度為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。將土樣在陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干、研磨、過1 mm篩。

pH值的測定：按土水比1∶5加水[17]，以轉(zhuǎn)速190 r/min振蕩3 min，再靜置30 min后，用S220多參數(shù)測試儀測定pH值。

電導(dǎo)率(EC)的測定：按土水比1∶5加水[17]，以轉(zhuǎn)速190 r/min振蕩3 min，再靜置30 min后，用S230電導(dǎo)率儀測定電導(dǎo)率(EC)。

垂柳生長指標(biāo)的測定：改良前后測定垂柳胸徑、樹高和冠幅。胸徑用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測定，三次測定求平均值；用卷尺測定樹高和冠幅。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，采用IBM SPSS Statistics 19軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和Turkey HSD檢驗(yàn)法對所有組間均值的配對比較，比較不同數(shù)據(jù)組間的差異顯著性，水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同暗溝間距對土壤pH值的影響

不同暗溝間距土壤pH值的影響見圖1。

圖1 不同暗溝間距對土壤pH值的影響Fig. 1 Effects of different blind ditch spacing on soil pH value注：不同小寫字母表示同一土層不同處理間差異顯著(P<0.05)

由圖1可知，與改良前相比，3、6、9和15 m間距暗溝處理在0～100 cm土層范圍內(nèi)的土壤pH值分別比改良前降低4.58%、4.90%、2.66%和2.08%，6 m間距暗溝處理土壤的pH值與改良前相比降低幅度最大，3 m間距暗溝處理次之。改良后，3、6和9 m間距暗溝處理對pH值的降低作用比15 m暗溝處理和對照組CK明顯。0～40 cm土層，3、6、9、15 m間距暗溝處理與CK之間無顯著差異；40～60 cm土層，6 m間距暗溝處理的土壤pH值與CK存在極顯著差異(P<0.01)，3 m間距暗溝處理的土壤pH值與CK存在顯著差異(P<0.05)；60～80 cm土層，6 m間距暗溝處理的土壤pH值與CK存在極顯著差異(P<0.01)，3 m間距暗溝處理的土壤pH值與CK存在顯著差異(P<0.05)，6 m間距暗溝處理的土壤pH值與9 m和15 m間距暗溝處理存在顯著差異(P<0.05)；80～100 cm土層，6 m間距暗溝處理的土壤pH值與CK存在極顯著差異(P<0.01)。總體而言，0～20 cm土層，3 m間距暗溝處理的pH值最低；20～100 cm土層，6 m間距暗溝處理的pH值最低。

2.2 不同暗溝間距對土壤電導(dǎo)率(EC)的影響

不同暗溝間距對土壤電導(dǎo)率(EC)的影響見圖2。

圖2不同間距暗溝對土壤電導(dǎo)率(EC)的影響Fig.2 Effects of different blind ditch spacing on electrical conductivity(EC)注：不同小寫字母表示同一土層不同處理間差異顯著(P< 0.05)

由圖2可知，與改良前相比，3、6、9和15 m間距暗溝處理和CK在0～100 cm土層范圍內(nèi)的土壤電導(dǎo)率分別降低93.05%、93.77%、95.34%、94.51%和93.56%，其中9 m間距暗溝處理的土壤電導(dǎo)率與改良前相比降低幅度最大。改良后，3、6、9和15 m間距暗溝處理在0～60 cm土層范圍內(nèi)的土壤電導(dǎo)率均小于對照組CK。0～20 cm土層，3、6和9 m間距暗溝處理的土壤電導(dǎo)率與15 m間距暗溝處理及CK存在極顯著差異(P<0.01)；20～40 cm土層，6與9 m間距暗溝處理的土壤電導(dǎo)率存在極顯著差異(P<0.01)，9 m間距暗溝處理的土壤電導(dǎo)率與CK存在顯著差異(P<0.05)，3與6 m間距暗溝處理的土壤電導(dǎo)率存在顯著差異(P<0.05)；40～60 cm土層，9 m間距暗溝處理的土壤電導(dǎo)率與CK存在極顯著差異(P<0.01)，3與9 m間距暗溝處理的土壤電導(dǎo)率存在極顯著差異(P<0.01)，6 m間距暗溝處理的土壤電導(dǎo)率與CK存在顯著差異(P<0.05)；60～80 cm土層，3與9 m間距暗溝處理的土壤電導(dǎo)率存在顯著差異(P<0.05)；80～100 cm土層，3與9 m間距暗溝處理的土壤電導(dǎo)率存在顯著差異(P<0.05)，3與15 m間距暗溝處理的土壤電導(dǎo)率存在極顯著差異(P<0.01)?？傮w而言，0～20 cm土層3 m間距暗溝處理的土壤電導(dǎo)率最低，6和9 m間距暗溝處理次之；20～100 cm土層，9 m間距暗溝處理的土壤電導(dǎo)率最低，3和6 m間距暗溝處理次之。

2.3 不同暗溝間距對垂柳生長發(fā)育的影響

不同暗溝間距對垂柳胸徑、樹高和冠幅的影響見表2。

表2 不同暗溝間距對垂柳生長的影響Tab.2 Effect of different blind ditch spacing on weeping willow (Salix babylonica) growth

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。

由表2顯著性分析的結(jié)果可知，各處理垂柳的胸徑、樹高和冠幅均大于CK。其中，3、6、9和15 m間距暗溝處理垂柳的胸徑與對照組CK之間均存在極顯著差異(P<0.01)，4個處理的胸徑分別比CK增加了69.94%、75.51%、80.52%和69.57%，其余各處理之間差異均不顯著。9 m暗溝處理垂柳的樹高與CK存在極顯著差異(P<0.01)，比CK增加了58.11%； 3和6 m間距暗溝處理垂柳的樹高與CK存在顯著差異(P<0.05)，分別比CK增加了40%和43.78%，其余各處理之間差異均不顯著。9 m間距暗溝處理垂柳的冠幅與CK存在顯著差異(P<0.05)，比CK增加了50%，其余各處理之間差異均不顯著。綜上，改良后各處理垂柳的生長狀況均優(yōu)于對照，9 m間距暗溝最有利于垂柳的生長，6和3 m間距暗溝處理次之。

3 討 論

3.1 不同暗溝間距處理對土壤pH值的影響

土壤pH值是描述土壤的基本性質(zhì)時(shí)較為重要的一項(xiàng)指標(biāo)，合適的pH值是作物正常生長的前提[18]。隨著暗溝間距的減小，各土層土壤pH值均呈整體下降趨勢。與改良前相比，80～100 cm土層，3、9、15 m間距暗溝處理和對照組CK的pH值分別提高了0.98%、1.64%、1.63%和4.47%，可能是由于灌溉水pH值較高，而在改良過程中水分沒有充分排出試驗(yàn)地而引起的，也可能是由于脫硫石膏等改良物料僅與表層土壤充分混合，對下層pH值改良效果有限，且上層替換的堿性離子可能隨水下移至深層土壤。改良后，在0～40 cm土層范圍內(nèi)，各處理pH值無顯著差異。3 m暗溝處理對0～20 cm土層土壤pH值的降低作用最明顯，6 m和9 m暗溝處理次之，6 m暗溝處理對20～100 cm土層土壤pH值的降低作用最明顯，3和9 m暗溝處理次之。

3.2 不同暗溝間距處理對土壤EC值的影響

相比對照組CK，3、6、9和15 m間距暗溝處理各土層的土壤電導(dǎo)率均有大幅下降，不同處理表層土壤(0～20 cm)電導(dǎo)率最大，這與C.G.Ladenburger[19]等對美國懷俄明州檉柳生長區(qū)土壤特性的研究結(jié)果一致。隨著暗溝間距的減小，各土層土壤電導(dǎo)率均呈整體下降趨勢，這與任玉民[14]、宋莎莎[16]等人的研究結(jié)果一致。3和6 m暗溝處理在60～80 cm土層和80～100 cm土層的土壤電導(dǎo)率均高于對照處理，可能是由于灌溉水的淋洗作用[20-23]導(dǎo)致土壤鹽分逐漸向深層積累，而深層土壤鹽分未充分排出引起的。3 m暗溝處理對淺層土壤(0～40 cm)的電導(dǎo)率降低效果最明顯，9 m暗溝處理對深層土壤(40～100 cm)的電導(dǎo)率降低效果最明顯。在0～20 cm土層，3 m暗溝處理對土壤電導(dǎo)率的降低作用最明顯，6和9 m暗溝處理次之；在20～100 cm土層，9 m的暗溝處理的土壤電導(dǎo)率最低，3和6 m暗溝處理次之，與其余各處理及CK表現(xiàn)出較明顯的差異性。

3.3 不同暗溝間距處理對垂柳生長發(fā)育的影響

在鹽堿脅迫下，植物的生長發(fā)育會受到抑制[24]。改良后，與對照組CK相比，各暗溝處理垂柳的胸徑、樹高和冠幅均有大幅增加。9 m暗溝處理對垂柳各項(xiàng)生長指標(biāo)的促進(jìn)作用最顯著，6 m暗溝處理對垂柳影響作用僅次于9 m暗溝處理。3、6和9 m暗溝處理垂柳的生長狀況及垂柳保存率顯著優(yōu)于15 m暗溝處理，可能是由于暗溝間距越窄，排鹽效果越好，植物根系對養(yǎng)分的吸收效果越好。

綜合土壤及植物生長指標(biāo)，從暗溝對土壤pH值和電導(dǎo)率的影響研究中得出，6 m暗溝處理對降低pH值方面改良效果最佳，9 m暗溝處理對降低土壤電導(dǎo)率方面改良效果最佳，從暗溝對垂柳生長發(fā)育的影響研究中得出，9 m暗溝處理對垂柳生長的促進(jìn)作用最顯著，6 m暗溝處理次之。從土壤pH值、EC值、垂柳生長指標(biāo)來看，6和9 m的綜合效果最佳，考慮到成本，確定9 m暗溝間距為該地區(qū)鹽堿地改良的最佳間距。綜合考慮后得出，9 m為最佳暗溝處理間距。