馬嘉瑩,王興鵬,王洪博,王海瑞,王學(xué)成,李朝陽(yáng)
(1.塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300;2.塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 阿拉爾 843300)
隨著全球淡水資源供需矛盾的日益突出,合理開(kāi)發(fā)和利用咸水資源已經(jīng)成為各國(guó)共同關(guān)注的問(wèn)題。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),農(nóng)業(yè)用水量約占總供水量的62%[1],而區(qū)域性水資源短缺嚴(yán)重制約了灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。2017年《水利部關(guān)于非常規(guī)水源納入水資源統(tǒng)一配置的指導(dǎo)意見(jiàn)》明確指出,將咸水資源納入水資源統(tǒng)一配置[2-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì),在我國(guó)西北干旱地區(qū)地下咸水資源可開(kāi)采量達(dá)到了42.39億m3·a-1[4],其中新疆最高,占西北內(nèi)陸區(qū)咸水開(kāi)采量的40.7%[5]。南疆屬于典型的極端干旱地區(qū),蒸發(fā)強(qiáng)烈、降雨稀少、水資源匱乏,農(nóng)業(yè)用水比例占總用水的95%左右[6]。隨著近年來(lái)南疆地區(qū)工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展及人口數(shù)量的增加,水資源供需矛盾日益突出,因此,合理開(kāi)發(fā)利用咸水資源進(jìn)行灌溉將成為解決淡水資源危機(jī)的重要途徑之一。
咸水灌溉不僅可以有效緩解區(qū)域降水量少、農(nóng)田灌溉水資源短缺的現(xiàn)狀,還可以在一定程度上提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[7]。國(guó)內(nèi)外在咸水灌溉方面已經(jīng)進(jìn)行了大量研究,并取得了一些研究成果和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。土壤水分與鹽分的動(dòng)態(tài)變化緊密聯(lián)系,根據(jù)“鹽隨水來(lái),鹽隨水去”的水鹽運(yùn)移規(guī)律,咸水灌溉帶鹽分進(jìn)入土壤,但同樣具有淋洗和壓鹽作用[8]。Pasternak等[9]經(jīng)過(guò)連續(xù)2 a的咸水灌溉發(fā)現(xiàn)土壤鹽分主要分布在0~30 cm土層,作物根區(qū)土壤容重、鹽分、pH和含水率明顯增加[10-11]。咸水灌溉改變了土壤水鹽環(huán)境進(jìn)而對(duì)作物的生理特性、產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生影響。有關(guān)研究表明,3.5 g·L-1咸水灌溉可以保證向日葵產(chǎn)量的同時(shí)提高其品質(zhì)[12],枸杞在3 g·L-1礦化度咸水灌溉下生長(zhǎng)良好[13],棉花在1.35~2.52 g·L-1礦化度咸水灌溉下,其產(chǎn)量、馬克隆值、纖維長(zhǎng)度等品質(zhì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)值[14],1.6 g·L-1是辣椒最適宜灌水礦化度[15]。以上研究結(jié)果證明,利用咸水進(jìn)行灌溉在一定程度上可促進(jìn)作物生長(zhǎng)并提高作物品質(zhì)。另外,在設(shè)施作物咸水灌溉方面,有研究認(rèn)為[16-19],3~4 g·L-1礦化度對(duì)設(shè)施番茄株高及莖粗生長(zhǎng)具有一定促進(jìn)作用,可提高番茄果實(shí)含糖量和可溶性固形物含量,但葉片光合特性、產(chǎn)量及果實(shí)大小均隨鹽濃度增加逐漸降低。對(duì)于甜瓜和黃瓜等對(duì)鹽分中等敏感的設(shè)施作物,咸水灌溉也能提高其品質(zhì)[20-22]。然而,上述研究主要集中在降雨量較高或土壤鹽漬化程度相對(duì)較低的地區(qū),對(duì)于極端干旱和土壤鹽漬化程度較高的南疆地區(qū),咸水灌溉方面的研究相對(duì)較少。本文針對(duì)南疆設(shè)施番茄開(kāi)展咸水灌溉試驗(yàn),研究不同礦化度咸水灌溉對(duì)土壤水鹽分布、作物生長(zhǎng)、品質(zhì)和產(chǎn)量的影響,尋求南疆設(shè)施番茄適宜的灌溉水礦化度范圍,以期為南疆地區(qū)合理利用咸水資源提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)于2021年3—7月在南疆塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院試驗(yàn)基地(40°20′47″~41°47′18″N,79°22′33″~81°53′45″E)日光溫室內(nèi)進(jìn)行,試驗(yàn)地區(qū)海拔1 020 m,為溫暖帶極端大陸性干旱荒漠氣候,氣候干燥,蒸發(fā)量大,降水量稀少。年均氣溫10.8~14.5℃,年均降水量40.1~82.5 mm,年均蒸發(fā)量1 976.6~2 558.9 mm。試驗(yàn)地土壤為砂壤土,各土層容重、田間持水率及土壤初始含鹽量等土壤基本特性如表1所示。
表1 試驗(yàn)地土壤基本特性
以番茄為研究對(duì)象,品種為‘秦嶺蔬越’,于3月10日定植,7月10日拉秧。番茄生育期共計(jì)122 d,生育期劃分見(jiàn)表2。設(shè)置4個(gè)不同礦化度梯度的咸水灌溉處理,分別為2 g·L-1(T1)、4 g·L-1(T2)、6 g·L-1(T3)和8 g·L-1(T4),并以淡水灌溉為對(duì)照(CK)。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù),共15個(gè)小區(qū)。番茄起壟種植,壟肩寬60 cm,壟高20 cm,壟間距60 cm,每壟種植兩行番茄,株行距分別為30、40 cm。采用滴灌方式進(jìn)行灌溉,滴灌帶布設(shè)在番茄行間,滴頭間距30 cm,種植模式如圖1所示。灌溉用水根據(jù)試驗(yàn)區(qū)地下咸水離子成分,采取淡水和化學(xué)藥品NaHCO3、Na2SO4、NaCl、CaCl2、MgCl2按質(zhì)量比例1∶8∶8∶1∶1混合配制而成[23]。番茄全生育期灌水量為300 mm,灌水10次且灌水定額相同[24]。追肥采用水肥一體化,營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期以平衡肥為主,開(kāi)花期和結(jié)果期以高鉀肥(N∶P∶K為12∶6∶40的復(fù)合肥)為主,用量為45 kg·hm-2。田間管理措施與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐保持一致。
表2 番茄生育期劃分
圖1 種植模式
1.3.1 土壤水鹽含量 采用烘干法測(cè)定土壤含水率:移栽前(3月10日)進(jìn)行取樣測(cè)定土壤初始含水率和含鹽量,生育期內(nèi)分別在開(kāi)花期(4月22日)、開(kāi)花結(jié)果期(5月9日)、開(kāi)花結(jié)果盛期(6月2日)和結(jié)果末期(7月2日)灌水24 h后利用土鉆在距離滴灌帶水平距離0、20、40 cm和60 cm處進(jìn)行取樣,取樣深度為10、20、40、60 cm和80 cm;采用電導(dǎo)法測(cè)定土壤含鹽量:烘干土樣,經(jīng)研磨后過(guò)20目篩,制作水土比5∶1浸提液并采用便攜式電導(dǎo)儀(DDP-210,上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司,中國(guó))測(cè)定浸提液電導(dǎo)率(EC),最終利用烘干法標(biāo)定出土壤含鹽量與電導(dǎo)率的關(guān)系,換算土壤含鹽量。標(biāo)定結(jié)果如圖2所示。
圖2 烘干法標(biāo)定結(jié)果
1.3.2 植株生長(zhǎng)指標(biāo) 株高和莖粗:移栽后在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇10株長(zhǎng)勢(shì)一致的番茄植株,監(jiān)測(cè)苗期(4月12日)、開(kāi)花期(4月22日)、開(kāi)花結(jié)果期(5月6日)、開(kāi)花結(jié)果盛期(6月2日)、結(jié)果末期(7月2日)株高和莖粗。從植株基部用卷尺測(cè)量株高;用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量莖粗并采用十字交叉法讀數(shù),取其平均值。
1.3.3 番茄品質(zhì)及產(chǎn)量 在開(kāi)花結(jié)果盛期(6月29日)各處理隨機(jī)采6個(gè)鮮果樣測(cè)定番茄果實(shí)的品質(zhì)。用手持折射儀(ATAG0,日本)測(cè)定可溶性固形物含量,用斐林試劑法測(cè)定還原性糖含量[25];用硫酸-水楊酸法測(cè)定硝酸鹽含量[26];用二氯酚靛酚滴定法測(cè)定Vc含量[27]。在設(shè)施番茄進(jìn)入采摘期后,每2~5 d人工摘收一次測(cè)定產(chǎn)量。每次收獲時(shí),每個(gè)小區(qū)番茄按行摘收并稱重。
1.3.4 灌溉水利用效率 灌溉水利用效率(IWUE)計(jì)算公式為[27]
IWUE=Y/I
(1)
式中,Y為番茄產(chǎn)量(kg·hm-2);I為生育期內(nèi)的灌溉水補(bǔ)給量(m3·hm-2)。
采用Microsoft Excel 2018對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,使用Origin 2018進(jìn)行繪圖,應(yīng)用SPSS20.0-Duncan’s法檢驗(yàn)處理間的差異顯著性。
2.1.1 生育期內(nèi)土壤含水率分布變化 不同灌水礦化度下番茄生育期內(nèi)0~80 cm土壤含水率動(dòng)態(tài)變化如圖3所示,各處理不同生育期階段垂直方向的變化趨勢(shì)基本相同,0~40 cm深度范圍內(nèi)土壤含水率隨土層深度增加而增加,表現(xiàn)為T4處理最大,T3、T2、T1處理次之,CK處理最低;40~80 cm深度范圍內(nèi)隨深度增加含水率逐漸降低,各處理間差異規(guī)律與0~40 cm土層一致,20~60 cm土層含水率較高,表層及深層土壤含水率相對(duì)較低;各處理土壤平均含水率均隨著生育期的推進(jìn)逐漸減小,生育期末60~80 cm土壤含水率顯著下降,但T3和T4處理0~80 cm含水率減小趨勢(shì)較T1和T2處理更為緩慢,含水率在開(kāi)花期最大;移栽前期與開(kāi)花期各處理土壤含水率降幅較小且比較穩(wěn)定,開(kāi)花期至結(jié)果盛期土壤含水率降幅較大,結(jié)果盛期至結(jié)果末期土壤含水率在植株根區(qū)(20~60 cm)較高。
圖3 番茄全生育期土壤含水率變化
綜合對(duì)比各處理土壤含水率分布情況,在同一灌水定額下,灌溉水礦化度對(duì)土壤含水率影響顯著。分析認(rèn)為咸水灌溉使作物對(duì)水分的吸收受到一定限制,導(dǎo)致部分水分滯留土壤中不能被吸收利用,土壤含水率隨著灌溉水礦化度的提高逐漸增大;各處理含水率隨生育期的變化與各時(shí)期植株生長(zhǎng)消耗土壤水分有關(guān),移栽前期至開(kāi)花期植株生長(zhǎng)緩慢消耗土壤水分較少,開(kāi)花期至結(jié)果盛期植株生長(zhǎng)較快消耗土壤水分較多,結(jié)果盛期至結(jié)果末期植株生長(zhǎng)趨于穩(wěn)定;當(dāng)灌溉水礦化度大于6 g·L-1時(shí),對(duì)番茄根系吸水抑制作用的影響較為顯著。
2.1.2 生育期內(nèi)土壤含鹽量分布變化 不同灌水礦化度下番茄生育期內(nèi)0~80 cm土壤含鹽量動(dòng)態(tài)變化如圖4所示,各處理土壤含鹽量分布規(guī)律基本相同,開(kāi)花期和開(kāi)花結(jié)果期含鹽量主要積聚在0~40 cm土層,在40~80 cm土層內(nèi)隨著深度增加含鹽量逐漸減小,隨著生育期推進(jìn)土壤含鹽量呈累積趨勢(shì)且向深層土壤運(yùn)移,開(kāi)花結(jié)果盛期和結(jié)果末期土壤含鹽量主要積聚在0~60 cm,土壤平均含鹽量與灌水礦化度成正比;CK和T1處理表層(0~20 cm)土壤受淋洗作用影響處在脫鹽狀態(tài),脫鹽率分別為28.06%和17.40%,鹽分主要積聚在20~60 cm土層,T2處理表層土壤積鹽率較小為4.79%,T3和T4處理0~80 cm土壤均處在積鹽狀態(tài),灌水礦化度與積鹽率和積鹽深度均呈正比關(guān)系。
圖4 番茄全生育期土壤含鹽量變化
綜上可知,灌水礦化度越高對(duì)土壤的淋洗效果越差并加速土壤的積鹽。分析認(rèn)為,咸水灌溉對(duì)淺層土壤鹽分具有不同程度淋洗作用,部分鹽分運(yùn)移至深層,當(dāng)灌水礦化度達(dá)到6~8 g·L-1時(shí)由于土壤整體含水率增大,20~60 cm土層土壤在飽和狀態(tài)下更易發(fā)生下滲將鹽分帶入深層(60~80 cm)土壤,因此T3和T4處理深層土壤積鹽率顯著增加,分別達(dá)到910.86%和1 145.99%。
不同處理下番茄株高和莖粗的變化如圖5所示,苗期至開(kāi)花期未有灌水處理,處理間株高和莖粗無(wú)顯著差異。開(kāi)花期后采用咸水灌溉,處理間植株生長(zhǎng)指標(biāo)差異逐漸明顯。生育期內(nèi)各處理番茄株高和莖粗均表現(xiàn)為前期生長(zhǎng)緩慢,開(kāi)花結(jié)果期快速增長(zhǎng),結(jié)果盛期后基本趨于穩(wěn)定。與CK相比,T1和T2處理的番茄株高略有增加,但無(wú)顯著差異,T3和T4處理番茄株高顯著下降,隨著生育期的推進(jìn),該現(xiàn)象愈加明顯。生育期末T1和T2處理株高相較CK分別增加5.32%和7.08%,T3和T4處理分別減少15.26%和42.14%;T1和T2處理莖粗變化規(guī)律與株高基本一致,生育期后期均顯著高于CK,分別增加了8.23%和9.25%,而T3和T4與CK相比無(wú)顯著差異。整體而言,T1和T2處理促進(jìn)了番茄的植株生長(zhǎng),T3和T4處理則起到了抑制作用,表明適宜礦化度的咸水灌溉對(duì)作物的生長(zhǎng)較為有利。
圖5 全生育期株高和莖粗變化
由表3可知,各處理番茄產(chǎn)量隨灌溉水礦化度的增加呈先增加后降低的變化規(guī)律,T1處理較CK增加了9.09%(P<0.05),T2、T3和T4處理相比CK則顯著降低(P<0.05);T2處理可溶性固形物含量、硝酸鹽含量和Vc含量較CK處理分別增加14.50%、119.38%和98.54%(P<0.05);還原糖含量表現(xiàn)為T3處理最高,較CK處理增加了27.60%(P<0.05);IWUE隨灌水礦化度增加呈先增加后減小趨勢(shì),T1處理IWUE達(dá)到峰值(12.01 kg·m-3)。上述分析表明,與淡水相比,礦化度為2 g·L-1咸水灌溉可顯著提高番茄產(chǎn)量,且對(duì)植株吸收利用水分起到促進(jìn)作用;4 g·L-1灌溉水可顯著提高番茄果實(shí)品質(zhì),但番茄產(chǎn)量有所下降;6 g·L-1處理番茄品質(zhì)差異相對(duì)較小,但番茄產(chǎn)量顯著下降;8 g·L-1處理番茄產(chǎn)量和品質(zhì)均顯著降低。綜合考慮番茄產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì),2~4 g·L-1礦化度的咸水灌溉有利于番茄品質(zhì)和產(chǎn)量提高。
表3 不同處理番茄的品質(zhì)指標(biāo)及產(chǎn)量等指標(biāo)
如圖6所示,以灌水礦化度為自變量,設(shè)施番茄產(chǎn)量和水分利用效率為因變量,分別建立一元二次回歸方程,擬合曲線均呈拋物線分布,決定系數(shù)均為0.9510,產(chǎn)量和灌溉水利用效率均在2 g·L-1灌溉處理下達(dá)到峰值;干物質(zhì)積累與灌水礦化度呈負(fù)線性相關(guān),決定系數(shù)為0.9987;土壤積鹽率與灌水礦化度呈正線性相關(guān)關(guān)系,決定系數(shù)為0.9623。
圖6 各項(xiàng)指標(biāo)與灌水礦化度之間的關(guān)系
在灌水、植株蒸騰、土壤蒸發(fā)、水源攜帶鹽分及土壤鹽分空間分布差異等諸多因素的影響下,土壤鹽分始終處于一個(gè)積累與淋洗的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[28]。李曉彬等[29]研究表明不同咸水灌溉土壤鹽分空間分布表現(xiàn)出較大的差異,但總體上由于滴灌水分?jǐn)U散特性,會(huì)將部分鹽分淋洗到作物根系分布范圍以外,從而體現(xiàn)出一定的洗鹽效果。本試驗(yàn)結(jié)果表明,0~80 cm土層范圍內(nèi)土壤含水率隨著土層深度的增加呈先增加后減少的趨勢(shì),且與淡水灌溉相比,咸水灌溉土壤含水率顯著增加,與郭安安等[30]研究結(jié)果一致,這是因?yàn)殡S著灌水礦化度的提高,土壤含鹽量明顯升高,間接降低了作物根系吸水能力,土壤水分未能被充分利用而在土體中積聚。李丹等[31]研究認(rèn)為,微咸水滴灌蕃茄條件下土壤含水率隨生育期的推進(jìn)略有降低,這與本研究結(jié)果基本一致,但其研究認(rèn)為咸水灌溉并沒(méi)有增加土體的鹽分,只是鹽分在土體內(nèi)進(jìn)行了重新分布,這與本研究結(jié)果存在差異,分析認(rèn)為是其試驗(yàn)區(qū)位于濱海地區(qū),降水量高達(dá)554.9 mm,降雨對(duì)咸水灌溉后的根區(qū)土壤進(jìn)行了有效的淋洗,土壤鹽分被淋洗至取樣控制深度以外;而本試驗(yàn)是在氣候極端干旱的南疆地區(qū)進(jìn)行,蒸發(fā)強(qiáng)烈,降雨稀少,且試驗(yàn)是在日光溫室內(nèi)進(jìn)行,未受到降雨影響,經(jīng)過(guò)多次咸水灌溉后,土壤含鹽量顯著增加。
利用咸水灌溉尤其是高頻咸水滴灌條件下,作物根區(qū)一定范圍內(nèi)土壤溶液的含鹽量主要受灌溉水帶入鹽分的影響[31],經(jīng)過(guò)連續(xù)咸水灌溉后,灌水礦化度的不同會(huì)導(dǎo)致土壤水鹽環(huán)境出現(xiàn)明顯差異,進(jìn)而對(duì)作物生長(zhǎng)、品質(zhì)和產(chǎn)量產(chǎn)生不同程度的影響[32]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,灌水礦化度2~4 g·L-1促進(jìn)了番茄植株的株高和莖粗生長(zhǎng),6~8 g·L-1則起到了明顯抑制作用,研究結(jié)果與前人對(duì)番茄、黃瓜、向日葵的研究結(jié)論基本一致[12,33-34],說(shuō)明適宜的灌溉水礦化度可以促進(jìn)作物生長(zhǎng),而過(guò)高礦化度的咸水灌溉導(dǎo)致作物根區(qū)土壤溶液滲透勢(shì)下降,抑制作物根系對(duì)水分的吸收,從而阻礙作物生長(zhǎng)并導(dǎo)致減產(chǎn)。一定程度的鹽分脅迫有利于提高番茄產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì),Magán等[35]研究表明,鹽濃度增加提高了番茄果實(shí)可溶性固體物質(zhì)含量和有機(jī)酸含量,但當(dāng)鹽濃度超過(guò)閾值后,番茄總產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益均隨其增大而降低。本試驗(yàn)結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn),2~4 g·L-1礦化度的咸水灌溉可以提高果實(shí)的可溶性固形硝酸鹽和Vc含量及蕃茄產(chǎn)量,與其他研究結(jié)果基本一致[16,26,34]。Wan等[36]研究結(jié)果表明,黃秋葵的水分利用效率隨灌水礦化度的升高而降低;姚玉濤等[37]研究咸水滴灌對(duì)松花菜水分利用效率的影響發(fā)現(xiàn),灌水量相同條件下,松花菜的產(chǎn)量在咸水脅迫下顯著下降。本研究同樣發(fā)現(xiàn)隨著灌水礦化度提高,灌溉水利用效率和干物質(zhì)累積量逐漸降低,說(shuō)明適宜礦化度的咸水灌溉在保證作物產(chǎn)量的同時(shí),還可以顯著提高果實(shí)的品質(zhì)。楊文杰等[33]研究認(rèn)為,1~3 g·L-1咸水促進(jìn)番茄生長(zhǎng),株高和莖粗生長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致,即在開(kāi)花結(jié)果期生長(zhǎng)迅速,在生育期末趨于平穩(wěn);當(dāng)灌水礦化度達(dá)到5 g·L-1時(shí),株高和莖粗則明顯降低,這與本研究結(jié)果一致;但其研究認(rèn)為灌水礦化度對(duì)番茄的產(chǎn)量沒(méi)有顯著影響,這與本研究結(jié)果有所不同,可能是由于其灌溉方式為膜下滴灌,灌水后鹽分淋洗至深層土壤和壟間,而覆膜有效抑制了土壤蒸發(fā),削弱了鹽分在作物根區(qū)積聚程度,弱化了灌水礦化度對(duì)作物的影響;另外,其灌水最大礦化度設(shè)置相對(duì)較低,僅為5 g·L-1,可能未找到灌水礦化度對(duì)作物產(chǎn)量的影響閾值,加上供試番茄品種不同,存在耐鹽程度的差異,進(jìn)而導(dǎo)致研究結(jié)果有所不同。
1)番茄不同生育期階段20~60 cm土層土壤含水率較高,表層及深層土壤含水率相對(duì)較低;0~80 cm土層平均土壤含水率隨著生育期推進(jìn)逐漸降低,灌水礦化度越低,降低幅度越大。生育期初土壤含鹽量主要積聚在0~40 cm處,隨著生育期的推進(jìn)土壤鹽分呈累積趨勢(shì)且向深層土壤運(yùn)移,灌水礦化度越高,該現(xiàn)象越明顯。
2)番茄株高和莖粗均表現(xiàn)為前期生長(zhǎng)緩慢,開(kāi)花結(jié)果期快速增長(zhǎng),結(jié)果盛期之后基本趨于穩(wěn)定;2~4 g·L-1的咸水灌溉對(duì)番茄生長(zhǎng)具有一定的促進(jìn)作用,6~8 g·L-1抑制作用明顯。
3)2~4 g·L-1的咸水灌溉在保證番茄產(chǎn)量和水分利用效率的同時(shí)可顯著提高果實(shí)品質(zhì),6 g·L-1對(duì)果實(shí)品質(zhì)無(wú)顯著影響,但產(chǎn)量明顯下降,8 g·L-1則導(dǎo)致番茄產(chǎn)量和品質(zhì)均顯著降低;推薦2~4 g·L-1為適宜灌水礦化度可對(duì)設(shè)施番茄進(jìn)行灌溉。