咸水灌溉影響耕地質(zhì)量和作物生產(chǎn)的研究進(jìn)展*

孫宏勇,張雪佳,田 柳,婁泊遠(yuǎn),劉 彤,王金濤,董心亮,郭 凱,劉小京

(1.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022; 2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

水安全與食物安全是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的最基本支撐點(diǎn),水資源短缺已成為我國食物安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的剛性約束[1]。據(jù)估計(jì),全球灌溉面積約為348.5×106hm2,僅占耕地面積的22.32%,卻貢獻(xiàn)了世界糧食供應(yīng)的40%[2]。灌溉對我國糧食增產(chǎn)的直接貢獻(xiàn)率為36.27%[1]。但是,我國的糧食生產(chǎn)與區(qū)域水資源承載力之間存在不協(xié)調(diào)問題,尤其是我國北方從20世紀(jì)70年代開始為了追求糧食高產(chǎn)高強(qiáng)度持續(xù)抽取地下水灌溉產(chǎn)生了系列的生態(tài)環(huán)境問題,迫切需要降低灌溉用水量和開發(fā)利用新水源。咸水資源是可利用的新水源之一,其開發(fā)利用對保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。

據(jù)調(diào)查,我國地下微咸水資源約200 億m3·a-1,可開采量為130 億m3·a-1,其中黃淮海平原地區(qū)2～5 g·L-1的微咸水資源量達(dá)54 億m3·a-1[3]。河北省是微咸水分布最多的省份,2～5 g·L-1的微咸水總儲(chǔ)藏量達(dá)990.55 億m3[3],但利用率僅為40%,其中近60%微咸水資源未被農(nóng)業(yè)所利用[3]。同時(shí),許多學(xué)者的研究結(jié)果表明,在干旱情況下利用咸水進(jìn)行灌溉,在一定程度上可緩解農(nóng)業(yè)干旱,實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)[4-7]。因此,適度開發(fā)和安全利用非常規(guī)水源對提高農(nóng)業(yè)用水保障能力具有非常重要的意義。

伴隨著咸水進(jìn)入農(nóng)田,可溶性鹽離子也被帶入到土壤中,將會(huì)對土壤理化性質(zhì)和作物生長發(fā)育產(chǎn)生不同程度的影響。因此,咸水灌溉下如何能夠既保持土壤質(zhì)量健康又能減少鹽分離子對作物脅迫的副作用是安全充分利用咸水資源的重要挑戰(zhàn)。針對這些問題,本文綜述了影響咸水灌溉的灌溉水水質(zhì)、灌溉方式及灌溉方法等因素及其對土壤質(zhì)量、作物生長、產(chǎn)量和品質(zhì)及生態(tài)環(huán)境的影響,以期為咸水安全高效利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 影響咸水安全灌溉的主要因素

1.1 灌溉咸水水質(zhì)

礦化度和電導(dǎo)率是評(píng)價(jià)和衡量水質(zhì)狀況的兩項(xiàng)重要指標(biāo)。礦化度是水中所含無機(jī)礦物質(zhì)成分的總量,是農(nóng)田灌溉用水適用性評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)之一,用于評(píng)價(jià)水中總含鹽量,其基本單位為g·L-1。電導(dǎo)率(EC)反映的是水中離子含量的多少,其與所含無機(jī)酸、堿、鹽的量有一定關(guān)系,基本單位為dS·m-1。由于礦化度和電導(dǎo)率均是由水溶液中離子的組成和離子的含量決定,它們之間存在一定的關(guān)系,其在某一特定區(qū)域關(guān)系相對較為穩(wěn)定。因此,許多學(xué)者利用兩者之間較好的相關(guān)關(guān)系選擇利用現(xiàn)場容易測定的水電導(dǎo)率估算礦化度。不同地區(qū)和不同咸水濃度下水的礦化度和電導(dǎo)率存在一定差異,表1為魯北平原區(qū)淺層地下水礦化度與電導(dǎo)率的相關(guān)關(guān)系,該區(qū)淺層地下水在礦化度≤3 g·L-1的情況下,礦化度和電導(dǎo)率之間的關(guān)系隨水中不同陰離子化學(xué)類型稍有差異,但電導(dǎo)率與礦化度呈較強(qiáng)的線性相關(guān)性[8]。天然水按照水質(zhì)指標(biāo)-礦化度(離子總量)可劃分為不同類型(表2),不同礦化度的天然水對土壤和作物的影響不同,不能全部作為灌溉水使用。按照《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084-2021),農(nóng)田灌溉水質(zhì)基本控制項(xiàng)目中全鹽量標(biāo)準(zhǔn)值為: 非鹽堿區(qū)全鹽含量≤1000 mg·L-1,鹽堿土地區(qū)全鹽含量≤2000 mg·L-1。具有一定的水利灌排設(shè)施,能保證一定的排水和地下水徑流條件的地區(qū),或有一定淡水資源能滿足沖洗土體中鹽分的地區(qū),農(nóng)田灌溉水質(zhì)全鹽量指標(biāo)可以適當(dāng)放寬。結(jié)合鹽堿區(qū)淡水極度缺乏的情況和前人的研究[4,9-12],可按照可灌溉水的總礦化度和電導(dǎo)率劃分用于灌溉的咸水等級(jí)。郭凱等[13]利用12 g·L-1的咸水在濱海重鹽堿區(qū)進(jìn)行結(jié)冰灌溉,結(jié)果表明灌溉水量為180 mm 時(shí)可以使0～40 cm 根層土壤含鹽量降低到4 g·kg-1以下,適于種植棉花(Gossypiumspp.)、油葵(Helianthus annuus)等耐鹽植物。因此,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,新材料、新方法和新技術(shù)不斷創(chuàng)新,可用于灌溉的咸水礦化度將逐漸增加,越來越可以被資源化利用。

表1 不同陰離子水化學(xué)類型礦化度與電導(dǎo)率的關(guān)系[8]Table 1 Relationship between the anionic type mineralization and electrical conductivity of saline water

表2 天然水水質(zhì)的分類Table 2 Classification of natural water g·L-1

1.2 咸水灌溉制度與灌溉方式

土壤鹽分含量除取決于灌溉水質(zhì)外,還與灌溉水量和灌溉時(shí)間有關(guān),而灌溉水量與灌溉方法和灌溉方式有關(guān)。控制土壤中的鹽分是確定合理灌溉制度選擇適宜灌溉方式的關(guān)鍵。咸水灌溉方式主要包括咸水直灌、輪灌和混灌等[14]。Saggu 等[15]研究表明使用溝灌方式可調(diào)控土壤水分分布、提高灌溉水利用率、緩解地下水水位上升速度,利于土壤鹽分隨溝內(nèi)水分淋失。國內(nèi)一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)土壤鹽分含量對溝灌方法和灌溉量較為敏感,灌溉量越大洗鹽效果越好; 壟膜溝灌模式能降低土壤表層含鹽量,保留土壤水分,在相同灌水量情況下,溝灌的抑鹽效果顯著高于畦灌[16-17],如壟膜溝灌350 mm 是河套灌區(qū)春玉米田節(jié)水抑鹽、增產(chǎn)提質(zhì)的合理模式[18]。李國安等[19]在石羊河流域研究結(jié)果表明利用3.0 g·L-1微咸水在拔節(jié)到灌漿期灌溉,灌水量在205～355 mm 可以保證土壤水鹽平衡和春小麥(Triticum aestivum)產(chǎn)量。陳素英等[20]發(fā)現(xiàn)畦灌方式下上季冬小麥微咸水灌溉后夏玉米(Zea mays)播種前利用67.5～75.0 mm 的淡水可滿足耕層淋鹽,達(dá)到夏玉米生長的安全閾值,夏季降雨量大于300 mm 時(shí)周年土體鹽分可達(dá)平衡。郭凱等[13]發(fā)現(xiàn)利用礦化度為10 g·L-1和水量分別為90 mm、135 mm 和180 mm 的咸水冰融水入滲濱海鹽土后,0～20 cm 土壤的脫鹽率分別為29.7%、56.7%和96.2%。因此,咸水安全利用不僅與灌溉水量和水質(zhì)相關(guān),還與灌溉制度和灌溉方式等管理方式相關(guān)。

1.3 地下水埋深

地下水埋深和礦化度不同會(huì)通過影響土壤中鹽分的遷移和累積,進(jìn)而影響咸水灌溉的安全利用。地下水臨界深度與土壤質(zhì)地、大氣蒸發(fā)力、地表植被和排水等均有一定的關(guān)系。Liu[21]認(rèn)為,基于土壤水量平衡、土壤鹽分平衡和潛水平衡的咸水灌溉安全地下水埋深臨界深度不一致。許多學(xué)者[22-24]對咸水灌溉安全地下水埋深的閾值進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)定水位情況下,當(dāng)?shù)叵滤裆顬?.5 m 時(shí)冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率較高; 當(dāng)?shù)叵滤裆钚∮?.5 m 時(shí),受上層土壤含水量高和通氣性差的影響,鹽分積累量增加,鹽害明顯; 當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?.5 m 時(shí),由于上層土壤含水量低,冬小麥根系較難利用淺層地下水,其生長也受到抑制。

2 咸水灌溉對土壤質(zhì)量的影響

2.1 對土壤水力特性的影響

微咸水在土壤入滲過程中,由于鹽分離子與土壤膠體顆粒發(fā)生作用,改變了土壤孔隙結(jié)構(gòu),影響入滲過程。張盼盼等[25]利用室內(nèi)土柱試驗(yàn)研究了微咸水灌溉對土壤水鹽運(yùn)移的影響,發(fā)現(xiàn)土壤入滲能力與灌溉水礦化度呈正比,土壤累積入滲量與濕潤鋒推進(jìn)距離呈線性關(guān)系; 土壤脫鹽深度為15～18 cm (脫Na+深度為15～16 cm,脫Cl-深度為22～23 cm),并與礦化度水平呈反比; 隨著灌溉水礦化度的增加,積鹽區(qū)各土層含水率、含鹽量及其Na+、Cl-含量總體上逐漸增大,但脫鹽區(qū)差異不明顯。唐勝強(qiáng)等[26]研究了灌溉水質(zhì)對土壤飽和導(dǎo)水率和入滲特性的影響,發(fā)現(xiàn)粉砂土和黃棕壤土采用微咸水入滲時(shí),飽和導(dǎo)水率比淡水入滲分別增大3.5%與28.6%,土壤吸滲率分別增加2.7%與7.6%; 在0～3.2 g·L-1礦化度范圍內(nèi),入滲水礦化度的增加增大了鹽堿土的入滲率及濕潤鋒推進(jìn)速度; ＞3.0 g·L-1礦化度時(shí),入滲水礦化度和Na+總量共同影響土壤結(jié)構(gòu),土壤入滲能力隨灌水礦化度增加而增加的幅度減小。劉淙琮等[27]研究了不同礦化度咸水(0 g·L-1、5 g·L-1、10 g·L-1)在濱海鹽堿區(qū)典型植被白茅(Imperata cylindrica)、鹽地堿蓬(Suaeda salsa)和裸地的水分入滲特征,發(fā)現(xiàn)同一地塊初始入滲率、穩(wěn)定入滲率和累積入滲量均隨咸水礦化度的升高逐漸增大,相同礦化度咸水入滲下,穩(wěn)定入滲率和累積入滲量由大到小依次為白茅地、鹽地堿蓬地和裸地; 植被類型對濱海鹽堿地水分入滲特性的影響大于入滲水的礦化度。目前,較多試驗(yàn)研究表明隨灌溉水礦化度增加入滲能力先增大后減小,引起入滲能力突變的微咸水礦化度閾值[14,26],一部分研究結(jié)果認(rèn)為是3 g·L-1,還有一部分研究結(jié)果認(rèn)為是2 g·L-1。

2.2 對土壤理化性質(zhì)的影響

由于土壤對不同離子的交換吸附作用不同,隨著微咸水灌溉給土壤帶進(jìn)不同的離子,進(jìn)而影響土壤理化性質(zhì)。Na+含量的增加,使土壤鈉質(zhì)化,引起土壤顆粒收縮、膠體顆粒的分散和膨脹,破壞土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體,影響土壤通透性。張余良等[28]在天津通過連續(xù)多年的微咸水灌溉模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),長期灌溉微咸水有惡化土壤理化性狀的趨勢,土壤表層聚鹽、氯鈉離子比例提高、土壤初始入滲率逐年降低,短期灌溉則會(huì)破壞土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體。馮棣等[29]研究了咸水灌溉對棉田土壤理化性質(zhì)及酶活性的影響,隨灌溉水礦化度增加,0～20 cm 土層的鹽分、容重和pH 呈增加趨勢,土壤酶活性和有機(jī)質(zhì)含量降低。研究表明,當(dāng)灌溉水礦化度＞3.0 g·L-1時(shí),土壤中Na+總量增加,導(dǎo)致土壤入滲能力增加幅度變緩,累積入滲量和穩(wěn)滲率隨礦化度的繼續(xù)升高而減小,同時(shí)由于土壤含鹽量增加,使土壤通透性降低,造成土壤板結(jié),進(jìn)而抑制土壤酶活性,降低土壤微生物數(shù)量,最終影響土壤肥力和作物產(chǎn)量[30-31]。Dong 等[32]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過14年的咸水長期灌溉,4 g·L-1咸水灌溉對土壤有機(jī)碳和無機(jī)碳沒有明顯影響,而利用8 g·L-1咸水灌溉對土壤有機(jī)碳和無機(jī)碳均有顯著影響。高聰帥[33]研究表明,隨咸水礦化度的升高,土壤大團(tuán)聚體(＞0.25 mm)所占比例和團(tuán)聚體穩(wěn)定性呈下降趨勢,下季作物表層土壤中微生物數(shù)量減少,與灌溉1 次微咸水相比,灌溉2 次微咸水抑制了土壤中微生物的數(shù)量。同時(shí),鹽分也是影響氮素遷移轉(zhuǎn)化和吸收利用的重要因素,影響氮素礦化、硝化等過程。研究表明,鹽分會(huì)抑制以脲酶為主驅(qū)動(dòng)的氮素礦化,在中輕度鹽堿土中脲酶活性隨著鹽堿化程度加重而降低,進(jìn)而造成礦化速率降低[34]; 土壤硝化速率也與鹽分呈顯著負(fù)相關(guān),在中度鹽堿土中,鹽分對亞硝酸鹽氧化作用的抑制程度強(qiáng)于氨氧化作用,會(huì)造成NO2--N 的累積[35]?？傊?咸水灌溉下耕地質(zhì)量呈下降趨勢,所以咸水灌溉下如何提升耕地質(zhì)量仍是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。

2.3 對土壤溫室氣體排放的影響

國內(nèi)外許多學(xué)者研究了土壤環(huán)境因素(濕度、溫度、pH、質(zhì)地等)、水肥管理及栽培耕作措施對農(nóng)田溫室氣體(CO2、CH4、N2O)排放的影響。灌溉水礦化度的差異將會(huì)影響土壤微生物、土壤動(dòng)物和各種真菌的數(shù)量與活性,導(dǎo)致土壤環(huán)境因素發(fā)生變化,進(jìn)而影響土壤溫室氣體排放。王帥杰等[36]研究了微咸水灌溉下春玉米田溫室氣體排放規(guī)律,發(fā)現(xiàn)3.5 g·L-1和5 g·L-1微咸水灌溉處理CO2氣體日均排放通量比2 g·L-1微咸水灌溉處理分別低27.82%和31.16%,N2O 氣體日平均排放通量分別低4.46%和8.23%。鄒其會(huì)[37]發(fā)現(xiàn)不同礦化度咸水和淡水灌溉對CO2和N2O 排放通量存在顯著差異,隨著礦化度增加CO2和N2O 排放通量降低。李雙男等[38]研究了咸水滴灌對棉田土壤N2O 排放的影響,發(fā)現(xiàn)微咸水與咸水灌溉處理土壤累積N2O 排放量比淡水處理分別增加22.2%和6.8%。Kontopoulou 等[39]發(fā)現(xiàn)咸水灌溉大豆(Glycine max)時(shí),灌溉水礦化度不會(huì)影響土壤CO2、N2O 排放。在鹽分影響溫室氣體排放方面,研究相對較少,且研究結(jié)論尚未達(dá)成一致,這可能是不同區(qū)域的外界環(huán)境差異及土壤環(huán)境差異造成。

3 咸水灌溉對作物的影響

3.1 咸水灌溉對作物生長的影響

鹽分脅迫對作物的危害途徑主要包括: 滲透脅迫、離子毒害和營養(yǎng)失衡等,作物通過提前生育進(jìn)程、減緩植物組織和器官的生長和分化來響應(yīng)[40]。Munns 等[41]的鹽害學(xué)說包括: 1)植物新葉生長速度減慢是對鹽脅迫最敏感的生理表現(xiàn); 2)葉片含鹽量過高導(dǎo)致老葉死亡; 3)碳水化合物消耗殆盡,導(dǎo)致植株生長速度下降,甚至死亡。根系由于最早感受逆境脅迫信號(hào)并傳導(dǎo),對鹽脅迫的敏感度高于地上部分[42-43]。油葵和水稻(Oryza sativa)的生育進(jìn)程隨土壤含鹽量的增加呈現(xiàn)延長趨勢[44-45],而冬小麥生育期受鹽分脅迫影響縮短。因此,鹽分脅迫對不同作物生育期長短的影響表現(xiàn)不一,這仍需進(jìn)一步深入研究[46]。利用3 g·L-1、5 g·L-1和7 g·L-1咸水灌溉冬小麥,其株高比1 g·L-1處理分別降低5.97%、14.08%和21.89%,相應(yīng)的根系生物量降低25.81%、45.16%和53.23%,這說明鹽分脅迫對根系生長的抑制大于對地上部分的抑制[47]。由于鹽脅迫后光合作用減弱,使地上部碳水化合物合成減少,進(jìn)而向地下部分運(yùn)輸減少,最后導(dǎo)致地下生物量減少。于瀟等[48]發(fā)現(xiàn)鹽分脅迫會(huì)改變作物對有效光輻射的利用方式,采用3 g·L-1微咸水灌溉會(huì)促進(jìn)冬小麥對低有效光輻射的利用效率,而5 g·L-1灌溉影響冬小麥的葉片結(jié)構(gòu),降低葉片對高有效光輻射的響應(yīng),導(dǎo)致光合作用下降。鹽分脅迫會(huì)增加作物的初始熒光,使葉片的最大熒光產(chǎn)量降低,內(nèi)稟光能轉(zhuǎn)換效率降低。從作物不同生育時(shí)期對鹽分的敏感程度來看,一般作物萌芽期和幼苗期對鹽分較為敏感,成熟期對鹽分敏感性較差[49-50]。

3.2 咸水灌溉對作物產(chǎn)量的影響

大量研究表明,利用咸水或微咸水灌溉可使作物產(chǎn)量接近淡水灌溉水平,較旱作處理有明顯的增產(chǎn)作用[4,41,49-50]。尚偉等[51]對103 組微咸水灌溉冬小麥的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)充分灌溉下小麥相對產(chǎn)量與灌溉水礦化度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)灌溉水礦化度為2～3 g·L-1時(shí),小麥相對產(chǎn)量為0.87～0.93,比淡水灌溉減產(chǎn)7%～13%。陳素英等[4]研究了不同礦化度微咸水灌溉對冬小麥-夏玉米周年輪作的綜合影響,發(fā)現(xiàn)與淡水灌溉相比,利用小于5 g·L-1微咸水灌溉,灌溉1 次微咸水比雨養(yǎng)旱作處理增產(chǎn)10%～30%,下茬玉米季利用45～50 mm 淡水灌溉可實(shí)現(xiàn)土壤耕層鹽分淋洗,降低對玉米產(chǎn)量的影響。王輝[52]綜合分析了冬小麥、棉花和玉米3 種作物可利用灌溉水的礦化度閾值,其耐鹽閾值范圍分別為3～4 g·L-1、1～5 g·L-1和3～4 g·L-1。李佳等[7]通過9年的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),冬小麥咸水礦化度閾值為2.14～3.95 g·L-1。Zhang 等[53]研究結(jié)果表明,長期咸水灌溉棉田存在土壤積鹽風(fēng)險(xiǎn),提出了0.45 S·m-1的灌溉水鹽分閾值,建立了微咸水灌溉棉花的水分生產(chǎn)函數(shù),適宜微咸水灌溉棉花的產(chǎn)量為3.1 t·hm-2,水分生產(chǎn)力為0.76 g·m-3。毛振強(qiáng)等[54]研究結(jié)果表明,當(dāng)20～60 cm 土壤溶液電導(dǎo)率小于8 mS·cm-1時(shí),對夏玉米產(chǎn)量無顯著影響。作物種類、土壤類型、地下水埋深和氣象等因素綜合影響咸水灌溉下作物的產(chǎn)量,需要建立基于多因素的水鹽生產(chǎn)函數(shù),進(jìn)而明確不同區(qū)域和不同作物的咸水灌溉閾值。

3.3 咸水灌溉對作物品質(zhì)的影響

咸水灌溉帶來的鹽分參與作物代謝,進(jìn)而影響品質(zhì)。微咸水灌溉對作物品質(zhì)的研究多集中在果蔬方面,許多研究表明咸水灌溉可以增加果蔬的可溶性固形物、有機(jī)酸和糖含量,從而有利于改善風(fēng)味品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)和儲(chǔ)藏品質(zhì)等。由于鹽脅迫下植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生脅迫蛋白(鹽脅迫蛋白、滲透蛋白、抗凍蛋白和熱激蛋白等),這些微量蛋白直接影響作物的營養(yǎng)價(jià)值和口感[55-56]。有研究表明利用＜10 dS·m-1的咸水灌溉6 種牧草,其產(chǎn)量隨鹽水濃度增加而提高,纖維素含量無明顯增加,干草消化率隨灌溉水礦化度增加而增加,這主要是由于部分鹽離子沉積在牧草體內(nèi),提高了牧草的味感,增強(qiáng)了喜食性[57]。馬玉詔等[58]研究結(jié)果表明,與淡水灌溉相比,利用礦化度＞2 g·L-1微咸水灌溉時(shí)可顯著增加冬小麥籽粒含水量、面團(tuán)形成時(shí)間、沉降值、濕面筋和粗蛋白含量,顯著降低出粉率、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間和面筋指數(shù)。肖丹丹[59]對不同礦化度咸水灌溉下的水稻產(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在1.0～1.5 g·L-1濃度下,稻米直鏈淀粉含量顯著降低,糙米率、精米率和整精米率增加,稻米淀粉黏滯特性的峰值黏度、熱漿黏度和最終黏度增加,其品質(zhì)總體有一定的改善,而到2.0～3.5 g·L-1時(shí),稻米的加工品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)和稻米淀粉黏滯特性明顯降低。翟彩嬌等[60]研究了鹽脅迫和品種對稻米品質(zhì)的影響,在鹽脅迫對食味值和相關(guān)參數(shù)的影響方面,鹽脅迫及鹽脅迫與品種互作均達(dá)顯著或極顯著水平,而品種的影響未達(dá)顯著水平。但是,目前這些研究多集中在加工品質(zhì)方面,且對大田主要作物小麥玉米的研究較少,尤其是微咸水灌溉對小麥玉米營養(yǎng)品質(zhì)、風(fēng)味品質(zhì)等方面的研究。

4 農(nóng)業(yè)措施對咸水灌溉下土壤鹽分的調(diào)控作用

4.1 有機(jī)物料對土壤鹽分的調(diào)控作用

在鹽堿土壤施用有機(jī)物料,可增加土壤有機(jī)質(zhì),促進(jìn)團(tuán)聚體形成,改善土壤結(jié)構(gòu),降低pH,降低土壤中水溶性鈉和交換性鈉的比例,使交換性鈉飽和度(ESP)和鈉吸附比(SAR)值減小。有機(jī)物料經(jīng)微生物分解、轉(zhuǎn)化形成腐殖質(zhì)。腐殖質(zhì)通過促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成,增加孔隙度,有利于淋鹽,提高土壤的緩沖能力,還可以與碳酸鈉作用形成腐殖酸鈉,降低土壤堿性[61]。同時(shí),有機(jī)質(zhì)在分解過程中會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸,可中和堿性土壤并活化磷,提升養(yǎng)分轉(zhuǎn)化利用效率。Su 等[6]研究結(jié)果表明,與施用化肥相比,施用有機(jī)肥可使0～160 cm 土壤EC 值降低18.3%,使冬小麥增產(chǎn)21.7%。在山東省濱海鹽堿地的研究結(jié)果表明[61],有機(jī)肥替代低量、中量和高量化肥,顯著降低土壤水溶性鹽總量、pH、水溶性鈉和交換性鈉的比例,ESP 和SAR 值減小,與施用化肥相比冬小麥分別增產(chǎn)7.5%、18.8%和26.4%。

4.2 農(nóng)藝措施對土壤鹽分的調(diào)控作用

對鹽分調(diào)控的農(nóng)藝措施主要包括覆蓋、耕作、灌溉制度和優(yōu)化施肥等技術(shù)[62]。覆蓋通過改變土壤水分運(yùn)動(dòng)進(jìn)而影響鹽分的時(shí)空分布,利于作物生長,其主要包括秸稈覆蓋、地膜覆蓋等。耕作措施是通過深耕、深松和輪作等不同措施改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤透氣透水性和土壤溫度,加速土壤脫鹽。灌溉制度是根據(jù)作物的需耗水規(guī)律和土壤水鹽運(yùn)移情況,調(diào)控灌溉方式、灌溉量和灌溉時(shí)期,降低水鹽環(huán)境對作物正常生長的危害。綠肥與作物的輪間套作可以減少鹽分對作物的危害,種植綠肥可增加土壤覆蓋度,減少水分蒸發(fā),改善土壤理化性狀,培肥土壤,減輕對下一季作物的鹽害。余世鵬等[63]通過多因子和不同因子水平下的微區(qū)玉米-小麥輪作試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),單一的高氮投入措施利于輕度鹽堿耕地增產(chǎn),但對中度鹽堿耕地產(chǎn)量提升和鹽漬害防控效果不顯著。秸稈覆蓋能顯著提升土壤保水能力、抑制表土鹽堿害,但其對作物根層鹽堿抑制效果不明顯,需結(jié)合優(yōu)化灌溉來加速根層鹽分淋洗。有機(jī)肥施用可有效培肥土壤、促進(jìn)土壤排鹽抑堿、提升生產(chǎn)力。水肥鹽優(yōu)化調(diào)控措施可提升鹽堿土壤供氮能力、減少化肥用量,利于降低成本并改善土壤生態(tài)環(huán)境。因此,農(nóng)藝措施的綜合應(yīng)用對調(diào)控土壤鹽分具有非常重要的作用,也是未來的發(fā)展趨勢。

4.3 耐鹽作物對鹽分的適應(yīng)

不同作物種類對鹽分的敏感程度不同,其途徑主要是通過加強(qiáng)水分吸收與減少水分蒸騰散失,從而減輕滲透脅迫,通過排出葉內(nèi)的Na+以及將Na+分隔到液泡中減輕Na+的脅迫[64]。作物對鹽度的敏感性可通過相對產(chǎn)量(Y/Y0)和土壤飽和浸提液EC 之間的線性關(guān)系進(jìn)行劃分。表3為主要大田農(nóng)作物的耐鹽能力。

表3 基于相對產(chǎn)量和土壤電導(dǎo)率關(guān)系的主要大田農(nóng)作物的耐鹽能力Table 3 Salt tolerance of main field crops based on the relative yield and electrical conductivity

5 研究展望

黨的二十大指出,推動(dòng)綠色發(fā)展,促進(jìn)人與自然和諧共生。隨著全球性水危機(jī)的不斷加劇,在水資源嚴(yán)重短缺情況下保障國家食物安全和生態(tài)安全,通過科技創(chuàng)新利用咸水替代淡水是主要途徑之一。因此,下一步要在人與自然和諧共生的理念下,開展基于不同水源特點(diǎn)的咸水灌溉制度及水鹽綜合調(diào)控機(jī)理研究、技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品裝置研制,提高咸水灌溉的水分利用率和生產(chǎn)效率[67-68],以實(shí)現(xiàn)土壤質(zhì)量、作物產(chǎn)量和品質(zhì)多重目標(biāo)協(xié)同,服務(wù)于鄉(xiāng)村振興。

5.1 咸水非充分灌溉研究

非充分灌溉技術(shù)越來越多地被采用,該技術(shù)通過消除缺水對作物生長的最嚴(yán)重限制階段來提高有限供水的利用效率。因此,下一步需要深入了解咸水非充分灌溉對農(nóng)田水鹽環(huán)境及作物的影響,明確土壤導(dǎo)水率和作物根系吸水對鹽分的協(xié)同響應(yīng)關(guān)系,定量描述灌溉定額及鹽分對農(nóng)田水鹽運(yùn)動(dòng)及作物生長的影響機(jī)理,建立適應(yīng)水資源特點(diǎn)的咸水非充分灌溉制度,為我國淡水匱乏咸水資源豐富地區(qū)的咸水非充分灌溉提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

5.2 水肥鹽綜合調(diào)控提升生產(chǎn)力研究

針對缺水鹽漬區(qū)水肥利用率低、土壤鹽漬化和農(nóng)業(yè)面源污染日益嚴(yán)重等問題,以節(jié)水、減排、控鹽、提質(zhì)、增效和綠色發(fā)展為目標(biāo),開展農(nóng)田水分、養(yǎng)分和鹽分的響應(yīng)規(guī)律及其互饋機(jī)制研究,研究不同礦化度咸水灌溉下對GSPAC 系統(tǒng)(地下水-土壤-植物-大氣連續(xù)體)中水汽熱運(yùn)移和耗水規(guī)律,研究不同礦化度咸水灌溉對土壤水分、鹽分和養(yǎng)分及作物生長的影響,研究不同礦化度咸水灌溉和不同肥料種類協(xié)同對土壤環(huán)境和作物生長的調(diào)控規(guī)律,研發(fā)鹽漬化農(nóng)田主要作物適宜的咸水高效利用的產(chǎn)品和裝備。

5.3 咸水灌溉下鹽堿耕地質(zhì)量變化研究

針對咸水灌溉下土壤結(jié)構(gòu)差、鹽堿脅迫重的問題,以耕地質(zhì)量與產(chǎn)能協(xié)同提升為目標(biāo),開展咸水灌溉下土壤水分、養(yǎng)分和鹽分與作物生長關(guān)系的研究,研發(fā)有機(jī)質(zhì)快速提升、肥沃耕層構(gòu)建、生物強(qiáng)化、水肥運(yùn)籌控鹽與離子均衡調(diào)控、鹽堿地綠色低碳改良、耐鹽糧食作物適應(yīng)性種植、水鹽智能監(jiān)測調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)品和裝置,構(gòu)建不同鹽堿脅迫程度的耕地質(zhì)量快速提升和作物提質(zhì)增效協(xié)同的綜合技術(shù)模式,為咸水灌溉區(qū)提供范式樣板。

5.4 咸水精準(zhǔn)高效灌溉研究

針對咸水灌溉中需要精準(zhǔn)調(diào)控水鹽對作物和土壤環(huán)境影響的問題,以精準(zhǔn)高效為目標(biāo),開展作物生長需水信息實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)研究,研究作物需水感知現(xiàn)代技術(shù),建設(shè)基于不同作物的咸水灌溉專家決策系統(tǒng),研究咸水水網(wǎng)智慧管控和精準(zhǔn)計(jì)量設(shè)備,研制系統(tǒng)高端節(jié)水裝備,為咸水精準(zhǔn)利用提供科技支撐。