咸淡混合水噴灌對土壤水鹽運移及小麥、玉米產量的影響

焦艷平，王罕博，張栓堂，陳文彬，鄭成海

(1.河北省水利科學研究院，河北 石家莊 050051；2.河北省農業(yè)節(jié)水技術創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050051；3.國家半干旱農業(yè)工程技術研究中心，河北 石家莊 050050)

我國是典型的農業(yè)大國，農業(yè)淡水資源需求量大，但國內淡水資源嚴重短缺，供需矛盾越來越突出。微咸水或者咸水與淡水按一定比例混合后用于農田灌溉可以有效保障淡水資源短缺下的農業(yè)生產發(fā)展[1-2]。

微咸水用于灌溉一方面提供了作物生長所需的水分，另一方面給土壤帶入大量的鹽分，影響土壤的滲透勢，短期灌溉能破壞土壤水穩(wěn)性團聚體[3]，若長期灌溉會惡化土壤理化性狀，土壤入滲速度降低，當土壤鹽分超過農作物耐鹽閾值時會造成鹽分脅迫，作物生長遲緩和葉片光合作用降低，產量顯著下降[4-6]。小麥屬于中等耐鹽作物，當咸水礦化度超過2 g·L-1時，小麥生長指標、葉片生理指標和產量隨咸水礦化度的增高而逐漸降低[7-8]；玉米生理活動也對鹽脅迫響應敏感，當微咸水礦化度超過3 g·L-1時會對玉米生長和葉片光合作用產生永久危害[9-11]；即使在豐水年，4 g·L-1微咸水灌溉的小麥和玉米產量分別較淡水灌溉減產8.9%和7.2%[12-13]。咸淡水混合水噴灌是將咸水與淡水按一定比例混合，通過噴灌設備使水以雨滴狀態(tài)降落田間的灌溉新技術，既可以節(jié)省水量、不破壞土壤結構、調節(jié)地面小氣候，又可以實現(xiàn)真正意義上的水鹽調控，降低鹽分對作物的抑制作用。針對河北低平原地區(qū)冬小麥-夏玉米這種高密度的栽培模式和高頻率的機械化作業(yè)，本文推薦選擇噴灌用于微咸水灌溉，且噴灌系統(tǒng)的水壓較大不易發(fā)生堵塞，還可以配施農藥和葉面肥，在當前條件下優(yōu)于滴灌。但是，要實現(xiàn)咸淡混合水噴灌，首先需要一整套咸淡水混合灌溉自動化調節(jié)系統(tǒng)，咸淡混合水的礦化度不能超過3 g·L-1，否則噴頭會發(fā)生堵塞[14]，其次作物受到土壤鹽分和噴灌水鹽分的雙重影響，需要制定與微咸水噴灌相適應的灌溉制度，選擇一些耐鹽性品種[15-17]。

河北低平原地區(qū)處于河北東南部，屬黃河、海河沖擊平原和濱海平原，該地區(qū)淺層咸水面積占總耕地面積的一半左右，非常規(guī)水源利用潛力大。冬小麥-夏玉米一年二熟制是該地區(qū)的主要種植模式，小麥生育期常處于干旱季節(jié)，玉米又處于降雨頻繁期，合理的農業(yè)灌溉是保證冬小麥-夏玉米高產的重要手段。咸淡水混合水噴灌可以彌補枯水年淡水資源的不足對冬小麥-夏玉米生長影響并促進咸淡混合水的合理高效利用。目前咸淡混合水用于灌溉的模式還處于畦灌、溝灌及輪灌等方式，而在利用咸淡水混合噴灌對土壤水鹽的累積變化、作物生長和產量的研究還需要不斷拓展。本文在長期咸淡混合水灌溉定位試驗[18]基礎上，通過探究河北低平原地區(qū)灌水礦化度和咸淡混合水噴灌對土壤水分、鹽分運移和鹽分垂直分布的影響，分析不同處理對冬小麥-夏玉米產量特征的影響，為合理開發(fā)冬小麥-夏玉米咸淡混合水噴灌模式提供一定科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

大田試驗于2017—2019年在中國農業(yè)大學曲周實驗站進行。試驗站位于北緯36°40′，東經114°55′，海拔39 m。屬于暖溫帶半濕潤半干旱大陸性氣候，多年平均氣溫13.2℃，多年平均日照2 454.4 h，多年平均無霜期206.6 d，多年平均降水量518.5 mm。該站1 m土層田間持水量(重量含水量)為21.9%，土壤干容重為1.46 g·cm-3，土壤質地為潮土類砂壤土，耕作層全氮1.15 g·kg-1，全磷0.85 g·kg-1，全鉀22.23 g·kg-1，有機質16.83 g·kg-1，全鹽1.66 g·kg-1。2017—2018年冬小麥全生育期的累計降水量為321.1 mm，2018—2019年為112.6 mm；2017—2018年夏玉米全生育期的累計降水量為257.2 mm，2018—2019年為286.7 mm?？梢妰赡甑慕邓闆r很不規(guī)律，2017—2018年為偏豐水年，2018—2019年為偏枯水年。

1.2 試驗設計

試驗區(qū)種植制度為冬小麥-夏玉米一年兩熟制，冬小麥品種為‘龍?zhí)?號’，播種量187.5 kg·hm-2，行距為15 cm，10月上旬播種，6月上旬收獲；夏玉米品種為‘鄭單958’，播種密度為63 000 株·hm-2，6月上旬播種，9月下旬收獲。該站淺水地下水埋深15 m，淺層咸水含鹽量為5.6 g·L-1，深層淡水含鹽量為1.04 g·L-1，將淺層咸水與深層淡水通過一套咸淡水混合灌溉自動化調節(jié)系統(tǒng)按一定比例混合，并能自動調節(jié)出水端的混合水礦化度，使混合水的礦化度維持在2 g·L-1和3 g·L-1兩個水平用于灌溉試驗。咸淡水噴灌試驗采用大區(qū)試驗，試驗區(qū)總面積72 m×216 m，采用全移動管道式噴灌系統(tǒng)，支管和噴頭間距均為12 m，噴頭正方形布置，噴頭直徑3.3/1.8 mm，流量0.9 m3·h，射程12.3 m，每個小區(qū)2條支管，每條支管5個噴頭，小區(qū)面積72 m×36 m。試驗處理包括淡水噴灌(FS)、2 g·L-1咸淡混合水噴灌(2S)、3 g·L-1咸淡混合水噴灌(3S)、淡水小畦田地面灌(FB)4個處理，每個處理設3個重復。灌溉計劃在考慮降水預報的前提下，根據田間土壤墑情監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據，0～40 cm的平均土壤含水量達到田間持水量的60%～70%開始灌溉，3月上旬和5月上旬分別為春一水和春二水，7月中旬為夏一水，兩種作物噴灌和地面灌的灌水定額均為675 m3·hm-2。冬小麥畦灌和噴灌試驗，將全部的磷、鉀肥和40%的氮肥作基肥底施, 其余60%的氮肥隨春一水和春二水施入。夏玉米畦灌和噴灌試驗，均將全部的磷、鉀肥和50%的氮肥作基肥，其余50%的氮肥隨生育期夏一水追施。冬小麥期的總施肥量N∶P2O5∶K2O比例為225∶150∶75 (kg·hm-2)，夏玉米總施肥量N∶P2O5∶K2O比例為270∶60∶180 (kg·hm-2)。4個處理播種前一天須灌足底墑淡水，其它田間管理措施一致。

1.3 測定內容及方法

土壤水分和鹽分：土鉆取土，根據作物生育期取樣，取樣土壤深度分別為0～7、7～15、15～25、25～35、35～50、50～70、70～90、90～100 cm，實驗室采用數(shù)顯電導率儀測定土水比1∶5的土壤溶液浸提液電導率(EC1∶5，mS·cm-1)，烘干法測土壤含水量。

考種測產：取各處理區(qū)已作標記的1 m2面積小麥，全部收獲，每個處理3個重復，每個區(qū)取回的植株先數(shù)總植株穗數(shù)，從中選出18個有代表性的，剪穗，測穗粒鮮重、穗粒干重；最后將1 m2的所有植株穗打出籽粒，曬干揚凈后測量籽粒總重，并計算千粒重。玉米測產，于收獲時考種計產，各小區(qū)內取1 m2的植株，晾干后測量玉米的穗長、禿尖長、穗粗、穗重等指標。對收獲的果實進行稱量，計算每顆玉米穗的穗粒數(shù)，并從玉米穗粒中隨機取3個重復，每個重復100粒，各自稱量并取平均數(shù)計算百粒重。

1.4 數(shù)據分析

使用IBM SPSS 19.0軟件通過方差分析(One-way ANOVA)分析各因素之間的差異顯著性，顯著水平為0.05。圖形使用Excel 2016構建。

2 結果與分析

2.1 土壤水分剖面分布

圖1為兩年兩次灌溉后的不同處理冬小麥土壤水分剖面分布圖。噴灌后，F(xiàn)B處理的土壤水分含量較高，特別是30 cm以下的深層土較其它處理平均提高了21.6%，差異呈顯著水平(P<0.05，下同)，這是因為畦灌處理灌水不均勻，導致氮肥沒有得到有效利用就被淋洗到土壤深層，作物對氮肥的利用率低下，作物生長受阻致使土壤水分消耗量降低。其它3個噴灌處理間土壤含水率變化基本一致，灌水和降水是引起表層土壤含水率上升的重要因素，與其它類似文獻的結論一致[19]。

2.2 土壤鹽分剖面分布和累積情況

河北低平原區(qū)屬典型季風氣候區(qū)，小麥拔節(jié)期、收獲期以及玉米收獲期正值干燥多風、高溫少雨和雨季結束后土壤鹽分累積的波峰時段[18]。0～100 cm土層是地面灌溉對土壤鹽分運移影響的活躍深度。研究作物生育期典型時段根層土(0～40 cm)和0～100 cm土層的鹽分分布和累積對闡明鹽分和作物生長的關系具有重要意義。

圖2為2018年不同處理下的冬小麥各生育期土壤鹽分剖面分布圖。春一水噴灌處理后(返青期)各處理的鹽分分布差異顯著，鹽分隨著土層深度的增加而提高，主要集中在深層土(40～100 cm)，較根系密集層(0～40 cm)平均高出2.0倍；3S處理的各土層鹽分含量較2S處理平均提高了39.7%。拔節(jié)期、收獲期與返青期的各處理鹽分分布趨勢一致，收獲期3S處理的深層土(40～100 cm)鹽分含量顯著高于其它處理，平均高出61.4%，而FB處理表層(0～20 cm)的鹽分含量顯著高于其它處理，平均高出61.7%。

圖3為2018年不同處理的夏玉米成熟和收獲后土壤鹽分剖面分布圖。各生育期3S處理的土層鹽分含量均高于其它處理，尤其在夏玉米收獲期，平均高出其它處理46.3%；FS處理的各土層鹽分含量在收獲后均低于其它處理，比FB處理平均降低了11.4%，比2S和3S處理平均降低了34.6%。鹽分隨著土層深度的增加而提高，主要集中在深層土壤中(40～100 cm)。

圖4為2019年不同處理下的冬小麥各生育期土壤鹽分剖面分布圖。在垂直剖面上，土壤鹽分隨土壤深度的增加逐漸提高，各處理在根層土(0～40 cm)的鹽分含量差異不顯著；3S處理的深土層(40～100 cm)鹽分含量較其它處理提高了34.1%～74.4%，差異呈顯著水平；2S處理的深土層(40～100 cm)鹽分含量較FS處理提高了35.9%～47.2%，差異也呈顯著水平，尤其在灌春一水后的拔節(jié)期，差異最明顯。

圖5為2019年不同處理下的夏玉米各生育期土壤鹽分剖面分布圖。拔節(jié)期(未灌水前)，3S處理的土層鹽分含量均高于其它處理，尤其在深層土(40～100 cm)，平均高出其它處理96.0%，而其他處理的差異不顯著，此時正值高溫多雨時期，還因播種前灌足底墑水，表層土壤鹽分已出現(xiàn)淋洗狀態(tài)，深層土壤含鹽量逐漸增高；隨后，灌夏一水和雨季來臨，土壤中鹽分屬于降水淋鹽階段，灌漿期的含鹽量較低，F(xiàn)S和FB處理的各土層鹽分含量均顯著低于其它處理，平均降低了37.0%，3S處理的各土層鹽分含量仍保持在較高水平。到了玉米收獲期，降雨逐漸減少，在土壤水分消耗積鹽的作用下，各土層的鹽分含量逐漸增加，3S處理的深土層(40～100 cm)鹽分含量高于其它處理，平均高出61.5%。

表1為該站點冬小麥和夏玉米輪作農田連續(xù)2年不同礦化度咸淡混合水噴灌后的土壤剖面鹽分累積情況。連續(xù)兩年灌溉，麥收后2S和3S處理的根層(0～40 cm)土體含鹽量兩年平均分別比FS處理增加17.8%和42.7%，0～100 cm土體含鹽量兩年平均分別比FS處理增加32.9%和74.3%；玉米收獲后2S和3S處理的根層(0～40 cm)土體含鹽量兩年平均分別比FS處理增加40.3%和86.9%，0～100 cm土體含鹽量兩年平均分別比FS處理增加39.0%和88.9%。說明2 g·L-1和3 g·L-1礦化度噴灌均顯著提高了主根層(0～40 cm)和0～100 cm土體的含鹽量。根據換算公式ECe=1.33+5.88EC1∶5計算[20]，兩年后小麥收獲期2 g·L-1和3 g·L-1礦化度噴灌的主根層含鹽量ECe分別為4.2 mS·cm-1和4.7 mS·cm-1，0～100 cm土體含鹽量ECe分別為5.9 mS·cm-1和6.8 mS·cm-1，與小麥耐鹽閾值6.0 mS·cm-1相比較，2 g·L-1礦化度噴灌處理的鹽分累積程度均小于影響小麥生長的鹽分閾值，但3 g·L-1礦化度噴灌處理的鹽分累積已超出小麥生長的鹽分閾值，會對小麥生長產生顯著不利影響。兩年后玉米收獲期2 g·L-1和3 g·L-1礦化度噴灌的主根層(0～40 cm)含鹽量ECe分別為3.3 mS·cm-1和3.8 mS·cm-1，0～100 cm土體含鹽量ECe分別為5.2 mS·cm-1和6.7 mS·cm-1，均超出夏玉米耐鹽閾值1.7 mS·cm-1，但由于玉米生長季節(jié)降雨頻繁，土壤墑情良好，會一定程度減緩土壤鹽分對作物的脅迫影響，與之前的研究結論一致[18]。

2.3 作物生長和產量

表2為兩年度不同礦化度咸淡混合水灌溉處理下的冬小麥和夏玉米產量及構成因素。2017—2018年度冬小麥產量來看，F(xiàn)S處理的產量為最高，其余幾個處理依次是FB、2S、3S，3S處理比FS的產量降低了25.0%(差異顯著)，2S處理的平均產量較FS處理降低了9.8%(差異不顯著)，較3S處理顯著提高了20.3%。4個處理之間的千粒重差異不顯著。不同處理間群體密度與產量的差異變化趨勢基本一致，F(xiàn)S處理的群體密度為最高，其次是2S，最小的是3S，其中2S處理的群體密度略低于FS處理，平均降低了18.9%，3S的群體密度較FS顯著降低了31.6%。2018—2019年度各處理冬小麥產量與前一年度趨勢基本一致，F(xiàn)S處理的產量為最高，3S比FS處理的產量降低了25.9%(差異顯著)，2S處理的產量較FS處理降低了11.4%(差異不顯著)，較3S顯著提高了19.7%。3S處理的千粒重顯著高于其它處理，平均增加了9.5%，其它處理之間的千粒重差異不顯著。2S處理的群體密度略低于FS處理，平均降低了14.2%，3S處理的群體密度較FS處理降低了18.3%(差異顯著)，表明2 g·L-1礦化度咸淡水混合噴灌對冬小麥的群體密度和產量影響不大，3 g·L-1噴灌對產量和群體密度造成顯著不利影響，與前人研究結論一致[18,21]。

表2 不同礦化度咸淡混合水灌溉的作物產量及構成因素

從兩年夏玉米產量及構成因素來看，F(xiàn)S處理的產量為最高，2S和FB處理次之，3S處理最小，3S比FS處理的產量降低了14.7%～15.3%，差異顯著；2S處理的產量較FS處理降低了6.6%～10.5%(差異不顯著)，較3S處理提高了5.8%～9.5%。3S處理的百粒重顯著低于FS處理，平均降低了18.6%～22.4%，2S處理的百粒重也顯著低于FS處理，平均降低了9.4%～14.8%，F(xiàn)S和FB兩個處理之間的百粒重差異不顯著。2S處理的單株穗粒質量略低于FS處理，平均降低了5.1%～10.4%，3S處理的單株穗粒質量較FS處理顯著降低了18.2%～25.9%。表明2 g·L-1礦化度咸淡混合水噴灌對夏玉米的產量和單株穗粒質量無顯著影響，3 g·L-1礦化度噴灌對產量、百粒重和單株穗粒質量造成顯著不利影響，與前人研究結論基本一致[22]。此外，兩年度FB處理的冬小麥和夏玉米產量均低于FS處理，平均分別降低了10.8%和6.5%，且除了2017—2018年度冬小麥產量兩處理間有顯著差異外，其它均無顯著差異，表明在同一灌水定額下，淡水噴灌效果要優(yōu)于畦灌，促進了農作物增產增收。

3 討論

咸淡混合水灌溉會改變土壤水鹽分布，給土壤帶來一定量Na+，而K+、Ca2+等離子勢必減少，維持土壤平衡的離子關系被打破[23]，影響其他離子的滲透調節(jié)機制，從而抑制冬小麥生長發(fā)育；此外，微淡混合水帶來的鹽分使得土壤滲透勢增加，降低了土壤-植物根系-植物葉片的水勢梯度，降低葉片細胞膨壓、減小細胞擴張速度、破壞葉綠體，從而導致生長速度和光合作用降低，最終對干物質積累和產量產生不良影響[24]。

咸淡混合水灌溉引發(fā)土壤可溶性鹽含量增高，當灌水量不足或者遇到干旱年份，會引起水鹽聯(lián)合脅迫，此時使用礦化度高于3 g·L-1的咸淡混合水灌溉，會明顯加速土壤鹽堿化的進程[25]。微咸水灌溉也會對大田不同土層產生不同程度鹽堿化，楊建國[26]等就寧夏引黃灌區(qū)的咸淡混合水灌溉試驗指出，根區(qū)土壤(0～30 cm)范圍內土壤含鹽量變化幅度較大，而30 cm以下深土含鹽量變化相對較小，根區(qū)土壤更易保持土壤鹽分平衡。隨咸淡混合水灌溉次數(shù)增加，土壤積鹽程度加深，在75 cm深度出現(xiàn)終年積鹽現(xiàn)象[24]。咸淡混合水灌溉過程中，土壤鹽分隨水分向下遷移，表現(xiàn)為上層脫鹽、下層積鹽，隨著淋洗作用和土壤水分蒸發(fā)的交替進行，各層土壤電導率值呈波動周期性變化，40～60 cm土層電導率值變化趨勢與主根區(qū)一致，但變化幅度明顯小于主根區(qū)[27]。本文研究也得出了同樣的結論，主根層鹽分累積偏低，而深層土的鹽分累積較高，且3 g·L-1噴灌處理的土壤鹽分累積量和變化幅度顯著高于2 g·L-1處理。同時，考慮到噴灌冠層截留部分水分，土壤鹽分分布狀況也相應受到影響，有研究得出與滴灌相比，咸淡混合水噴灌會明顯增加土壤鹽分，累積鹽分量較高[15,28]，這有待進一步研究論證。

根系是作物養(yǎng)分與水分吸收器官，葉片是作物進行光合作用和能量轉換的重要場所。咸淡混合水噴灌導致作物受到土壤鹽分和噴灌水鹽分的雙重影響，表現(xiàn)在兩個方面：一方面較高的土壤含鹽量影響根的發(fā)育和葉片氣孔導度，進而影響作物水分和養(yǎng)分吸收[29]；另一方面咸淡混合水噴灌直接灼傷作物葉片，光合器官的光合活性顯著下降，導致葉片光合速率明顯降低，最終表現(xiàn)為對產量的影響[30]。大量研究表明，礦化度3 g·L-1咸淡混合水灌溉對華北地區(qū)主要作物(冬小麥)的株高、葉面積指數(shù)和干物質量產生顯著不利影響，產量比淡水灌溉平均降低了15%[18,31-32]；渤海地區(qū)，咸淡混合水灌溉導致冬小麥千粒重降低，而對穗數(shù)和穗粒數(shù)無顯著影響，但2 g·L-1及以下的咸淡混合水灌溉對冬小麥全年產量無顯著影響[33]。本研究得出，2 g·L-1礦化度咸淡混合水處理的冬小麥產量略低于淡水噴灌(差異不顯著)，而3 g·L-1礦化度處理的產量與淡水噴灌處理相比呈顯著下降趨勢，與前人研究結論一致。因此，我們可選用咸淡混合水礦化度不大于2 g·L-1的噴灌模式，在保障較高產量的前提下實現(xiàn)咸水資源的合理利用。

4 結 論

1)無論是淡水灌溉還是咸淡混合水噴灌，各層土壤水分的變化規(guī)律基本一致。咸淡混合水2 g·L-1和3 g·L-1礦化度噴灌均顯著提高了主根層(0～40 cm)和0～100 cm土體的含鹽量。與小麥耐鹽閾值相比較，0～100 cm土體2 g·L-1礦化度噴灌處理的鹽分累積程度均小于影響小麥生長的鹽分閾值，但3 g·L-1礦化度噴灌處理的鹽分累積已超出小麥生長的鹽分閾值，會對小麥生長產生顯著不利影響。

2)與淡水噴灌相比，2 g·L-1礦化度咸淡混合水噴灌的冬小麥產量有所下降，但差異不明顯，3 g·L-1礦化度噴灌會顯著降低冬小麥產量。

3)2 g·L-1礦化度噴灌的夏玉米產量略低于淡水噴灌，對夏玉米的單株穗粒質量和產量無顯著影響；3 g·L-1礦化度會對夏玉米產量、百粒重和單株穗粒質量造成顯著不利影響，導致嚴重減產。咸淡混合水礦化度不大于2 g·L-1的噴灌模式用于該地區(qū)冬小麥田間灌溉是可行的。在同一灌水定額下，淡水噴灌效果要優(yōu)于畦灌。