灌溉水鹽分及灌水量對土壤水鹽分布與春玉米生長的影響

張美桃，楊培嶺，任樹梅，徐子昂，魏琛琛，賀 新

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.武漢市青山區(qū)水務(wù)和湖泊局，武漢 430080)

隨著國民經(jīng)濟(jì)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，我國用水供需矛盾、水資源短缺及農(nóng)業(yè)用水占用水總量比例大的問題影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。微咸水由于其分布廣、儲(chǔ)量大，成為重點(diǎn)開發(fā)利用的非常規(guī)水源，國內(nèi)外已在咸水、微咸水灌溉方面開展了大量的研究，研究證明合理利用微咸水資源可以有效解決我國水資源短缺的問題，保證農(nóng)業(yè)用水的需要。

河套灌區(qū)不僅是我國的三大灌區(qū)之一，還是我國的糧食主產(chǎn)區(qū)。該地區(qū)氣象條件表現(xiàn)為高蒸發(fā)、低降雨，是典型的溫帶大陸性氣候，其主要灌溉水源是黃河，但是由于指令性節(jié)水，引黃水量需要減少至40億m。河套灌區(qū)地下微咸水儲(chǔ)量豐富，可利用量達(dá)到7.21億m，利用微咸水代替淡水灌溉是解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)水資源短缺的其中一個(gè)有效措施。玉米是河套灌區(qū)的主要糧食作物，2012年玉米的種植面積達(dá)34萬hm，總產(chǎn)量296萬t，占內(nèi)蒙古玉米總產(chǎn)量的21%。適宜的微咸水灌溉模式能夠提供給作物一定的水分，有利于作物生長。膜下滴灌技術(shù)由于其能夠減少土壤水分的蒸發(fā)，將鹽分淋洗至濕潤體周圍，提高水肥利用效率，能夠?yàn)樽魑锷L提供一個(gè)良好的環(huán)境條件，因此被認(rèn)為是微咸水灌溉的有效灌溉技術(shù)。但是長期的、礦化度高的咸水灌溉會(huì)增加土壤表層的鹽分，導(dǎo)致土壤的環(huán)境發(fā)生改變，從而不利于作物的生長。灌溉水量也是影響土壤水鹽分布的關(guān)鍵因素，目前在灌溉水量及灌溉水鹽分對土壤水鹽分布及作物生長的影響已經(jīng)開展了很多的研究。研究證明利用微咸水進(jìn)行田間灌溉一方面能夠提供作物生長所需的水分，另一方面會(huì)增加土壤中的鹽分，從而影響土壤滲透性和作物生長發(fā)育，而增加灌水量可以對土壤鹽分淋失起到一定的作用，但過度灌溉則導(dǎo)致土壤水分流失和養(yǎng)分淋失，從而污染地下水。潘延鑫等試驗(yàn)研究結(jié)果表明，隨著灌溉水礦化度的增加，春玉米的生長和產(chǎn)量均逐漸下降；Wei等、王帥杰等、楊培嶺等在河套灌區(qū)探究了地下水(1.1 g/L)和3種礦化度(2.0，3.5，5.0 g/L)微咸水灌溉條件下對土壤性質(zhì)以及春玉米生長的影響表明，隨著微咸水礦化度的增加，土壤含水率和電導(dǎo)率增加，作物產(chǎn)量減少。

本研究以2019年河套灌區(qū)膜下滴灌春玉米為研究對象，主要分析研究了地下水與微咸水灌溉條件下3種不同灌水量對土壤水鹽分布的影響，以及對春玉米生長的影響，旨在為河套灌區(qū)進(jìn)一步尋求一種適宜的地下水與微咸水灌溉定額提供理論依據(jù)，使得其既能保證作物的產(chǎn)量，同時(shí)還能滿足節(jié)約水資源的要求。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2019年4—9月在內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市臨河區(qū)的曙光實(shí)驗(yàn)站(40°46′N，107°240′E)進(jìn)行。該地區(qū)降水少、風(fēng)大、氣候干燥，年平均氣溫6.9 ℃，多年平均降水量142.1 mm，年平均蒸發(fā)量2 306.5 mm。試驗(yàn)期間試驗(yàn)區(qū)累積降水量為63.68 mm，土壤平均溫度為17.6 ℃，地下水埋深為2～4 m，逐日氣象條件及地下水位變化見圖1。試驗(yàn)區(qū)0—60 cm土壤為粉砂壤土，田間持水率為19.80%，飽和含水率為31.43%，容重為1.50 g/cm，60—100 cm土壤為粉砂黏壤土，田間持水率為28.40%，飽和含水率為34.15%，容重為1.44 g/cm，播種前土壤電導(dǎo)率為292.98 μS/cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采取3×2全因素設(shè)計(jì)。對應(yīng)2種不同礦化度灌溉水，即含鹽量1.1 g/L(電導(dǎo)率為1 830 μS/cm)的當(dāng)?shù)氐叵滤c5.0 g/L(電導(dǎo)率為8 004 μS/cm)的微咸水(分別用S1、S2表示)，在曙光試驗(yàn)站地下水的基礎(chǔ)上加入1∶2摩爾比的KCl和NaCl配置成試驗(yàn)中所用的微咸水，以及參考相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)合當(dāng)?shù)毓喔冉?jīng)驗(yàn)，設(shè)置低、中、高3個(gè)灌水量水平，分別為210，255，300 mm(分別以L1、L2和L3表示)，共計(jì)6個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)18個(gè)試驗(yàn)區(qū)，具體試驗(yàn)方案見表1。為了防止各處理間灌水、施肥時(shí)的相互影響，各個(gè)試驗(yàn)區(qū)隨機(jī)分布設(shè)置1 m的隔離帶。春玉米作為此次試驗(yàn)的研究對象，其品種選擇當(dāng)?shù)爻Ｓ玫摹拔髅?358”品種，于2019年4月26日采用人工點(diǎn)播方式播種，9月11日測產(chǎn)收獲。試驗(yàn)種植方式為“一膜一帶兩行”，寬行70 cm，窄行40 cm，株距30 cm。窄行中心鋪設(shè)覆蓋薄膜的滴灌帶，鋪設(shè)的滴灌帶壁厚為0.4 mm，滴頭間距30 cm，灌水器工作流量為2 L/h。全生育期共灌水17次，灌水周期為6天。播種前施入底肥磷酸二銨(375 kg/hm)和尿素(75 kg/hm)，于玉米拔節(jié)、抽穗、灌漿期按2∶2∶1追施尿素，總施氮量為300 kg/hm。每次的灌水量由水表控制，施肥由比例泵隨滴灌追肥，其灌水與施肥制度見圖1。

表1 田間試驗(yàn)處理

注：(b)圖中箭頭表示各處理施肥時(shí)間。

1.3 測定指標(biāo)

在田間利用巍圖科技的Fleb-30c土壤水鹽溫通體監(jiān)測站進(jìn)行土壤水鹽長系列數(shù)據(jù)的監(jiān)測，每個(gè)小區(qū)膜內(nèi)膜外各隨機(jī)布置1組裝置，布置深度為0—100 cm，對春玉米生育期水鹽每日的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測，并在各主要生長階段(苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期)以及7月24日灌水前后取土進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，取土深度分別為0—10，10—20，20—40，40—60，60—100 cm，對其進(jìn)行含水量及電導(dǎo)率的測定。在玉米收獲期，從每個(gè)小區(qū)隨機(jī)抽取長勢均勻的6株玉米，分別測量單株穗長、穗粗、穗行數(shù)等指標(biāo)，對玉米進(jìn)行脫粒后將籽粒風(fēng)干稱重，測定玉米的產(chǎn)量。利用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，SPSS進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生育期不同階段土壤水分變化

圖2為生育期內(nèi)各處理0—100 cm土層的土壤含水量的變化趨勢。在整個(gè)生育期內(nèi)，1.1 g/L地下水灌溉中L1、L2、L3處理平均含水量均呈下降趨勢，到成熟期0—100 cm土層平均含水量比苗期分別下降36.61%，37.67%和15.92%，這是由于灌溉水量的增加，L3處理生育期內(nèi)平均含水量的降低幅度較小。5.0 g/L微咸水灌溉中L1處理平均含水量到成熟期0—100 cm土層平均含水量比苗期下降9.14%，L2和L3處理平均含水量到成熟期0—100cm土層平均含水量比苗期分別增加6.24%，23.69%。從圖2可以看出，整個(gè)生育期內(nèi)從灌漿期開始礦化度對于土壤含水量出現(xiàn)明顯影響。至成熟期，5.0 g/L微咸水灌溉處理0—100cm土層平均含水量相比地下水灌溉處理增加21.88%～77.76%，出現(xiàn)顯著性差異(<0.05)。

圖2 春玉米生育期不同階段各處理土壤含水量

從圖3可以看出，1.1 g/L地下水灌溉中L1處理0—40 cm土層含水量從生育初期至成熟期下降17.2%～31.9%，40—100 cm土層相比0—40 cm土層含水量下降得更明顯，達(dá)63.9%～73.3%；L2、L3處理剖面含水量下降程度與L1處理相反，0—40 cm土層含水量下降得更明顯。5.0 g/L微咸水灌溉中L1處理0—10 cm土層土壤含水量從生育初期至成熟期增加10.34%，而10—100 cm土層土壤含水量降低1.87%～19.79%，但相對于地下水灌溉處理下降的程度減小，L2和L3處理0—20 cm土層土壤含水量變化較為明顯，從生育初期至成熟期增加13.05%～71.98%，20—100 cm土層土壤含水量受鹽分影響較小，增加0.93%～16.58%。

圖3 春玉米生育期各處理土壤剖面含水量

2.2 灌水前后土壤水分變化

圖4為7月24日灌水前后膜內(nèi)膜外0—100 cm土層剖面含水量的變化趨勢。1.1 g/L地下水灌溉中L1處理0—20 cm土層膜內(nèi)土壤含水量在灌水當(dāng)天呈增加趨勢，在灌水后第1天增加幅度降低，到灌水后第2天呈下降趨勢，20—100 cm土層膜內(nèi)土壤含水量在灌水前后變化不明顯；L2、L3處理由于灌水量的增加，0—40 cm土層膜內(nèi)土壤含水量在灌水當(dāng)天呈增加趨勢；各處理膜外0—40 cm土層土壤含水量在灌水后有增加的趨勢，說明水分通過水平擴(kuò)散增加膜外土壤含水量，但對于40—100 cm土層土壤含水量影響不明顯。5.0 g/L微咸水灌溉中各土層土壤含水量規(guī)律變化同地下水處理相似，但微咸水灌溉能影響水分在水平上的擴(kuò)散，土壤水分水平運(yùn)移更明顯。

圖4 灌水前后各處理膜內(nèi)和膜外土壤剖面含水量變化

2.3 生育期不同階段土壤鹽分變化

圖5為玉米生育期內(nèi)各處理0—100 cm土層的土壤電導(dǎo)率的變化趨勢。在整個(gè)生育期內(nèi)1.1 g/L地下水灌溉中L1～L3處理土壤電導(dǎo)率呈降低的趨勢，成熟期0—100 cm土層電導(dǎo)率比苗期分別下降7.00%，14.93%和26.41%，這是由于隨著灌溉水量的增加，土壤鹽分淋洗效果明顯。5.0 g/L微咸水灌溉中L1處理成熟期0—100 cm土層平均土壤電導(dǎo)率比苗期下降15.65%，L2和L3處理成熟期0—100 cm土層平均土壤電導(dǎo)率比苗期分別增加0.67%，2.65%。從圖5可以看出，整個(gè)生育期內(nèi)從拔節(jié)期開始灌溉水礦化度對于土壤電導(dǎo)率出現(xiàn)明顯影響，至成熟期，5.0 g/L微咸水灌溉處理0—100 cm土層土壤電導(dǎo)率相比地下水灌溉處理增加19.50%～52.19%，出現(xiàn)顯著性差異(<0.05)。

圖5 春玉米生育期不同階段各處理土壤電導(dǎo)率

圖6為玉米生育期內(nèi)不同階段土壤剖面電導(dǎo)率的變化趨勢。1.1 g/L地下水灌溉中L1處10—60 cm土層土壤電導(dǎo)率從生育初期至成熟期減少13.28%～17.07%，其他土層沒有明顯變化；L2處理0—10 cm土層土壤電導(dǎo)率從生育初期至成熟期增加29.04%，10—100 cm土層土壤電導(dǎo)率從生育初期至成熟期減少4.87%～103.40%；L3處理由于灌水量增加，各土層都有一定的鹽分淋洗效果。5.0 g/L微咸水灌溉中，L1處理由于灌水量較低，鹽分主要聚集在0—10 cm土層，該土層土壤電導(dǎo)率從生育初期至成熟期增加45.63%，而10—100 cm土層土壤電導(dǎo)率呈減少趨勢，并且減少幅度隨著土層深度的增加而降低；L2、L3處理由于灌水量的增加對表層土壤鹽分的淋洗作用較明顯，0—10cm土層土壤電導(dǎo)率從生育初期至成熟期分別降低11.50%，44.57%，10—100 cm土層土壤電導(dǎo)率從生育初期至成熟期增加0.36%～44.94%。

圖6 春玉米生育期苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期階段各處理土壤剖面電導(dǎo)率

2.4 灌溉前后土壤鹽分變化

圖7為灌水前后土壤膜內(nèi)膜外土壤電導(dǎo)率的變化，分析時(shí)間段與土壤水分變化分析時(shí)間段相同。1.1 g/L地下水灌溉中，L1處理在灌水當(dāng)天0—10 cm土層膜內(nèi)土壤電導(dǎo)率降低20.7%，在灌水后第1天后呈增加趨勢，出現(xiàn)土壤返鹽現(xiàn)象，10—100 cm土層膜內(nèi)土壤電導(dǎo)率在灌水當(dāng)天增加之后逐漸減少；L2處理與L1處理相似；L3處理由于灌水量較大，0—10 cm土層膜內(nèi)土壤電導(dǎo)率降低的趨勢一直持續(xù)到灌水后第1天；所有處理0—10 cm土層膜外土壤電導(dǎo)率在灌水后呈下降趨勢，說明水分通過水平擴(kuò)散對膜外表層鹽分有一定淋洗作用。5.0 g/L微咸水灌溉中L1處理土壤電導(dǎo)率規(guī)律變化同地下水處理相似，土壤鹽分累積主要在表層；L2、L3處理深層土的鹽分累積現(xiàn)象更加明顯。

圖7 灌水前后各處理膜內(nèi)和膜外土壤剖面電導(dǎo)率變化

2.5 春玉米產(chǎn)量

表2為不同處理下玉米生長及產(chǎn)量指標(biāo)。微咸水灌溉及灌水量增加對玉米穗部性狀有所影響，隨著灌溉水鹽分的增加，玉米生長和產(chǎn)量指標(biāo)均表現(xiàn)出減少的趨勢；隨著灌水量的增加，玉米生長和產(chǎn)量指標(biāo)表現(xiàn)出增加的趨勢，各產(chǎn)量指標(biāo)影響著玉米最終的產(chǎn)量。在地下水灌溉和微咸水灌溉中，L2、L3處理玉米產(chǎn)量較L1處理分別提高了26.15%～27.07%和34.29%～39.11%，出現(xiàn)顯著性差異(<0.05)，說明灌水量的增加能夠顯著提高玉米的產(chǎn)量，但L2與L3處理之間均未出現(xiàn)顯著性差異(>0.05)。在灌水量相同的條件下，微咸水灌溉處理的春玉米產(chǎn)量較地下水灌溉處理減小30.88%～37.32%，出現(xiàn)顯著性差異(<0.05)，說明灌溉水鹽分的增加會(huì)導(dǎo)致玉米產(chǎn)量的下降。

表2 不同處理下玉米生長及產(chǎn)量指標(biāo)

3 討 論

土壤水分分布主要受土壤性質(zhì)、灌水量和灌溉水鹽分影響，在地下水和微咸水灌溉條件下生育期不同階段水分變化有所差異。本研究結(jié)果表明，在不同灌溉水鹽分條件下，由于灌水量的增加能夠帶給土壤更多的水分，土壤含水量均呈增大趨勢。地下水灌溉處理中0—100 cm土層平均土壤含水量在玉米生育期末期顯著下降，這可能是由于隨著春玉米生育進(jìn)程的推進(jìn)，大氣溫度升高蒸發(fā)加強(qiáng)以及玉米根系發(fā)育會(huì)迅速增加耗水量，使得地表和土層中的含水量減少；各處理剖面土壤含水量變化不同可能是由于粉砂壤土和粉砂黏壤土之間的土質(zhì)轉(zhuǎn)化造成土壤的滲透能力發(fā)生改變。至成熟期，微咸水灌溉處理0—100 cm土層平均含水量相比地下水灌溉處理顯著增加，這可能是由于微咸水帶入的鹽分造成鹽分脅迫，從而抑制根系吸水，使土壤中的水分增加。無論在地下水灌溉還是微咸水灌溉中，灌水前后土壤表層受灌水、降雨和蒸發(fā)影響較大，因此表層的土壤含水量變化明顯，與吳軍虎等研究結(jié)果一致。微咸水還將Na帶入土壤中，從而分散土壤顆粒，增加水分水平擴(kuò)散能力，導(dǎo)致微咸水灌水后土壤水分水平運(yùn)移更明顯。

灌水量和灌溉水鹽分對于土壤電導(dǎo)率的影響在生育初期不明顯，隨著生育期的推進(jìn)，至成熟期地下水灌溉中各處理0—100 cm土層平均土壤電導(dǎo)率均呈下降趨勢，微咸水灌溉處理相比地下水灌溉處理0—100 cm土層土壤電導(dǎo)率顯著增加，隨著灌水量的增加，增加幅度也相應(yīng)增大，與之前的研究結(jié)果一致，其主要原因是地下水灌溉對土壤鹽分有淋洗作用，灌水量越大，淋洗作用越明顯，而微咸水灌溉會(huì)增強(qiáng)土壤入滲能力，從而使土壤鹽分積累增多。微咸水灌溉下剖面土壤電導(dǎo)率在不同灌水量條件下變化不同，播種前土壤含鹽量較高，在210 mm灌水量處理下由于灌水量小，水分對鹽分的淋洗作用相對較小，以及從生育初期到成熟期地下水位有一定的增加趨勢，導(dǎo)致鹽分主要積聚在表層，深層土壤電導(dǎo)率呈下降趨勢，這也是春玉米從苗期至成熟期0—100 cm土層平均土壤電導(dǎo)率下降的原因；隨著灌水量的增加，255，300 mm灌水量處理下深層土壤鹽分累積，可能是由于表層鹽分被淋洗到深層土壤中，也可能是由于滴灌的壓鹽作用導(dǎo)致鹽分逐漸下移，深層土壤鹽分不斷累積。無論在地下水灌溉還是微咸水灌溉中，210，255 mm灌水量處理中0—10 cm土層由于灌水量小，蒸發(fā)作用強(qiáng)，在灌水后膜內(nèi)鹽分會(huì)一定程度地向上層遷移，出現(xiàn)土壤返鹽現(xiàn)象；0—10 cm土層膜外土壤電導(dǎo)率由于水分通過水平擴(kuò)散對膜外表層鹽分有一定淋洗作用，在灌水后呈下降趨勢；微咸水灌溉中255，300 mm灌水量處理由于灌水量大，所帶入土壤的鹽分也相應(yīng)增加，導(dǎo)致其深層土壤鹽分累積更明顯。

作物產(chǎn)量與實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)息息相關(guān)。本研究結(jié)果表明，與地下水灌溉相比，微咸水灌溉下作物的產(chǎn)量顯著減小，與之前的研究結(jié)果一致；同時(shí)在與本試驗(yàn)相同的條件下，Wei等、王帥杰等、楊培嶺等、魏琛琛等的研究結(jié)果也證明春玉米產(chǎn)量隨著灌溉水鹽分的增加而降低。這可能是由于微咸水灌溉中存在鹽分脅迫，導(dǎo)致作物的光合速率降低，氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率減小，且增加的土壤鹽分則可能隨著灌溉水向下移動(dòng)到作物根區(qū)，作物對水分和養(yǎng)分的吸收作用減小，從而導(dǎo)致作物的產(chǎn)量降低。無論在地下水灌溉還是微咸水灌溉中，255，300 mm灌水量處理相對于210 mm灌水量處理顯著提高春玉米的產(chǎn)量，但255，300 mm灌水量處理之間的春玉米產(chǎn)量差異不顯著，說明灌水量的增加能夠提高春玉米的產(chǎn)量，但春玉米在255 mm處理下能夠充分利用灌溉所提供給土壤的水分，已經(jīng)滿足作物耗水的需求。綜合考慮既能節(jié)省水資源，保證適合春玉米生長，又能保證產(chǎn)量，微咸水灌溉下255 mm的灌水量能夠作為河套灌區(qū)較好的灌溉選擇。

4 結(jié) 論

(1)土壤水分變化在不同處理之間表現(xiàn)出差異。春玉米苗期至成熟期，微咸水(含鹽量5.0 g/L)灌溉土壤平均含水量相比地下水(含鹽量1.1 g/L)灌溉處理顯著增加21.88%～77.76%；在地下水灌溉中，各處理在生育期內(nèi)土壤平均含水量呈下降趨勢，隨著灌水量的增加，下降趨勢不斷減小，剖面土壤含水量由于土質(zhì)變化導(dǎo)致各個(gè)土層含水量下降程度不同；在微咸水灌溉中，除210 mm灌水量處理外，其他灌水量處理土壤平均含水量及土層剖面含水量呈增加趨勢；地下水和微咸水灌溉各處理在灌水前后土壤剖面含水量變化規(guī)律相似，膜內(nèi)膜外表層土壤含水量在灌水后均呈增加的趨勢，深層土壤含水量變化不明顯，在微咸水灌溉中土壤水分水平運(yùn)移更明顯。

(2)土壤鹽分變化在不同處理之間表現(xiàn)出差異。春玉米苗期至成熟期，微咸水灌溉平均土壤電導(dǎo)率相比地下水灌溉處理顯著增加19.5%～52.19%；在地下水灌溉中各處理生育期內(nèi)平均土壤電導(dǎo)率呈下降趨勢，隨著灌水量的增加，土壤鹽分淋洗作用增強(qiáng)；在微咸水灌溉中，隨著灌水量增加帶入土壤更多的鹽分，土壤平均電導(dǎo)率呈增加趨勢，剖面土壤在灌水量少時(shí)，出現(xiàn)土壤鹽分表聚現(xiàn)象，隨著灌水量增加表層土壤電導(dǎo)率呈下降趨勢，深層土壤電導(dǎo)率由于鹽分的累積呈增加趨勢；地下水和微咸水灌溉處理下在灌水前后土壤剖面電導(dǎo)率變化規(guī)律相似，膜內(nèi)255，300 mm處理表層土壤在灌水第1天后出現(xiàn)返鹽現(xiàn)象，微咸水灌溉中深層土壤鹽分累積得更明顯。

(3)春玉米產(chǎn)量受到土壤灌水量和灌溉水鹽分的影響，灌水量的增加能夠顯著提高春玉米的產(chǎn)量，但255，300 mm處理間產(chǎn)量未出現(xiàn)顯著性差異，微咸水灌溉導(dǎo)致春玉米產(chǎn)量顯著降低。該試驗(yàn)區(qū)在淡水資源短缺的情況下，綜合考慮到對土壤水鹽及春玉米產(chǎn)量的影響，在當(dāng)?shù)氐叵滤c微咸水灌溉條件下，255 mm灌溉水量可作為灌區(qū)適宜采用的灌溉定額。本研究結(jié)果可為河套灌區(qū)制定春玉米地下水與微咸水膜下滴灌灌溉定額提供理論依據(jù)。